基于LabVIEW的ARM Cortex-M4嵌入式軟件開發(fā)研究※

劉淵，黃若，張?zhí)旌?，田彥?/p>

（南京航空航天大學(xué) 江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京210016）

引 言

近年來，圖形化的編程方式已成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域的焦點之一。圖形化編程平臺對底層語言進行了高度集成，大大降低了嵌入式編程的復(fù)雜度，使軟件開發(fā)更為簡單高效[1]。但是，一些圖形化嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境（如SCADE、Ardublock等），存在軟件授權(quán)使用費用過高或開發(fā)對象單一等問題，不能滿足普遍的嵌入式軟件開發(fā)需求。

Lab VIEW是美國NI（National Instruments）公司開發(fā)的一種軟件開發(fā)平臺，圖形化的軟件開發(fā)方式是其最大特點。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方面，NI公司與ARM公司聯(lián)合開發(fā)了一種針對ARM微控制器的圖形化嵌入式開發(fā)組件[2]，其在Lab VIEW的圖形化開發(fā)環(huán)境與ARM微處理器之間搭建了一座橋梁，通過它來對ARM對象進行軟件開發(fā)，可以縮短開發(fā)時間、提高編程效率。但是該組件同樣存在開發(fā)對象較為單一的問題，目前其僅支持ARM Cortex-M3 的 LM3S8962[3]、ARM7 的 MCB2300 以 及ARM9的MCB2400三款芯片，硬件平臺選擇有限，而國內(nèi)外鮮有針對此問題的研究報道。

本文基于Lab VIEW的嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境，研究其開發(fā)機理與流程，探究代碼復(fù)用技術(shù)，并針對Cortex-M4內(nèi)核的ARM處理器對Lab VIEW嵌入式組件進行拓展，解決了Lab VIEW嵌入式軟件開發(fā)模塊在開發(fā)對象上的限制問題。在此基礎(chǔ)上，利用Lab VIEW開發(fā)基于Cortex-M4內(nèi)核的TM4C123芯片的微型渦噴發(fā)動機電子控制器，并通過臺架試驗對其進行驗證。

1 基于LabVIEW的嵌入式軟件開發(fā)機理分析

Lab VIEW嵌入式軟件開發(fā)的本質(zhì)是代碼復(fù)用，而在Lab VIEW環(huán)境下實現(xiàn)對ARM的嵌入式開發(fā)，主要依托于Keil MDK工具鏈。Lab VIEW嵌入式軟件開發(fā)機理如圖1所示，基于Lab VIEW編寫的圖形化嵌入式軟件程序通過Lab VIEW C Generator生成對應(yīng)的C代碼，并按照一定規(guī)則添加到RTX操作系統(tǒng)的框架中，此時Lab VIEW通過調(diào)用Keil MDK的RVCT編譯工具將程序代碼編譯并下載到ARM芯片中。當這一流程完成之后，便可在Lab VIEW環(huán)境中對ARM芯片中的程序進行調(diào)試。

圖1 LabVIEW嵌入式軟件開發(fā)機理圖

Lab VIEW代碼自動生成流程圖如圖2所示。首先通過Lab VIEW編寫嵌入式程序，程序中主要包含兩個部分：一個是外設(shè)驅(qū)動部分；另一個是常規(guī)的Lab VIEW程序部分，一般用于完成算法、參數(shù)配置等功能。這兩部分組成的嵌入式程序通過C Generator模塊，按照一定的規(guī)則，生成對應(yīng)的C代碼，與嵌入式程序中的模塊對應(yīng)。所生成的C代碼會被載入到已經(jīng)準備好的RTX嵌入式操作系統(tǒng)的模板中，形成RTX操作系統(tǒng)工程，其中工程項目的設(shè)置環(huán)境在操作系統(tǒng)移植時確定。完成上述工作后，獲得可使用的目標嵌入式程序工程。

圖2 LabVIEW代碼自動生成流程圖

2 LabVIEW環(huán)境下的嵌入式開發(fā)平臺建立

本文針對Cortex-M4內(nèi)核的TM4C123芯片，建立基于Lab VIEW的圖形化嵌入式軟件開發(fā)平臺。為了圖形化嵌入式開發(fā)平臺的搭建，結(jié)合Lab VIEW嵌入式開發(fā)機理的研究，從開發(fā)環(huán)境、操作系統(tǒng)、復(fù)用模版以及驅(qū)動代碼這幾個方面搭建Lab VIEW環(huán)境下的嵌入式開發(fā)平臺。

2.1 整合開發(fā)工具鏈

Lab VIEW的嵌入式軟件開發(fā)模塊采用ARM公司的Keil MDK嵌入式軟件工具鏈。要實現(xiàn)Lab VIEW的嵌入式軟件開發(fā)，首先需要解決的就是開發(fā)工具鏈問題。由于現(xiàn)有的Lab VIEW嵌入式軟件開發(fā)模塊只能調(diào)用舊版本Keil MDK（V4.01），不具備開發(fā)Cortex-M4的能力，需要對開發(fā)環(huán)境進行整合。首先需要將新版本Keil MDK中針對Cortex-M4的DLL文件進行整合，其中包括lmidkagdi.dll、SARMCM3.dll、DCM.dll 等，然 后 添 加TM4C123芯片對應(yīng)的芯片信息與相關(guān)文件。整合后的開發(fā)環(huán)境可以被Lab VIEW嵌入式軟件開發(fā)模塊正確調(diào)用，用于TM4C123芯片的相關(guān)開發(fā)。

2.2 移植操作系統(tǒng)

Lab VIEW是利用RTX操作系統(tǒng)實現(xiàn)嵌入式軟件開發(fā)的。由于舊版本的Keil MDK中的RTX并不支持ARM Cortex-M4系列處理器，需要將新版本中的RTX操作系統(tǒng)相關(guān)文件整合到舊版本中。完成相關(guān)移植工作后，針對TM4C123的Lab VIEW嵌入式軟件開發(fā)可以在此RTX操作系統(tǒng)上展開。

2.3 創(chuàng)建復(fù)用模板

Lab VIEW嵌入式軟件開發(fā)復(fù)用模板是Lab VIEW嵌入式開發(fā)的基礎(chǔ)，它給嵌入式程序提供了框架，所有的程序代碼都會根據(jù)一定的規(guī)范嵌套于模板中。在創(chuàng)建復(fù)用模板時，需要完成兩部分內(nèi)容：首先要創(chuàng)建模板的原型，其中包括RTX操作系統(tǒng)文件和Lab VIEW生成代碼所涉及的相關(guān)文件，其次需要對模板進行適用TM4C123的相關(guān)修改。針對實際情況，可以以Lab VIEW自帶的LM3S8962芯片代碼復(fù)用模板為基礎(chǔ)，對TargetConfig.ini等文件進行相應(yīng)的修改，以創(chuàng)建適用于TM4C123的代碼復(fù)用模板。

2.4 編寫驅(qū)動代碼

代碼復(fù)用模板創(chuàng)建完畢之后，還需要對芯片各個接口的驅(qū)動代碼進行編寫。驅(qū)動代碼可以通過Lab VIEW自帶的Elemental I/O Device Wizard進行編寫，這種方式在實際編程中，接口資源調(diào)用較為方便，但是存在很多弊端，如所能編寫的接口種類較少、編寫驅(qū)動過程復(fù)雜。本文提出一種腳本式的驅(qū)動代碼編寫辦法，以嵌入式C腳本為核心，免去了Lab VIEW中繁瑣的設(shè)置過程，并且可以實現(xiàn)各種接口驅(qū)動代碼需求。以PWM驅(qū)動為例，驅(qū)動程序示意圖略——編者注。在嵌入式C腳本中主要為PWM驅(qū)動代碼，其中 GPIO＿PIN、PWM＿OUT＿BIT、PWM＿GEN、GPIO＿PWM、PWM＿OUT與PWM＿BASE作為輸入變量，供外部的條件循環(huán)根據(jù)端口進行不同的賦值。通過這樣函數(shù)接口設(shè)置，驅(qū)動程序中的參數(shù)可以根據(jù)所選的端口自行配置，不需要每次都進行修改，顯著提高了開發(fā)效率。

3 微型渦噴發(fā)動機電子控制器軟件設(shè)計與驗證

3.1 電子控制器軟件設(shè)計

為了驗證上述平臺的可行性，利用Lab VIEW開發(fā)了基于TM4C123芯片的微型渦噴發(fā)動機控制器軟件，其功能需求主要包括信號采集、串口通信、轉(zhuǎn)速控制等[3]。

以電子控制器信號采集與輸出程序為例說明程序的開發(fā)方法。微型渦噴發(fā)動機信號采集與輸出程序的Lab-VIEW程序框圖如圖3所示。程序主要功能：將實際溫度、油門桿位置等參數(shù)通過串口發(fā)送至監(jiān)控計算機，采集當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速，并根據(jù)控制需求改變輸出PWM的占空比來控制氣閥、油閥、油泵等執(zhí)行機構(gòu)。其中串口驅(qū)動、ECAP驅(qū)動、PWM驅(qū)動功能均基于腳本式驅(qū)動開發(fā)方法，在封裝后可以在程序中直接進行調(diào)用。

圖3 信號采集與輸出程序框圖

控制器軟件編寫完畢后，點擊LabVIEW中的運行按鈕，LabVIEW將自動生成相關(guān)程序代碼并編譯，最后將目標代碼下載到嵌入式芯片中。LabVIEW為嵌入式調(diào)試提供了一個交互性極強的人機界面，可以將想要調(diào)試的功能設(shè)置成相應(yīng)的輸入控件，在設(shè)計初期，即使沒有上位機程序，也可以通過LabVIEW實現(xiàn)在線調(diào)試，極大地提高了開發(fā)效率。

3.2 臺架試驗驗證

在微型渦噴發(fā)動機電子控制器軟件設(shè)計完成后，需通過相關(guān)試驗對其功能進行驗證。本文通過臺架試車試驗檢驗所開發(fā)的電子控制器的實際控制效果。臺架試驗中，主要進行了開環(huán)控制與閉環(huán)控制試驗。臺架試驗轉(zhuǎn)速開環(huán)控制過程曲線圖如圖4所示，轉(zhuǎn)速及溫度值響應(yīng)正常。

圖4 臺架試驗轉(zhuǎn)速開環(huán)控制過程曲線圖

圖5為臺架試驗轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制曲線圖，可以看到，實際轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快，并且沒有明顯超調(diào)，達到了微型渦噴發(fā)動機的控制要求。臺架試車試驗結(jié)果表明，通過Lab-VIEW嵌入式軟件開發(fā)平臺設(shè)計的基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的電子控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)微型渦噴發(fā)動機開環(huán)轉(zhuǎn)速和閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制功能，有效性得到了實際工程驗證。

圖5 臺架試驗轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制曲線圖

結(jié) 語

本文以搭建基于Lab VIEW的ARM Cortex-M4嵌入式軟件開發(fā)平臺為目標，對Lab VIEW圖形化嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)展開研究。首先對Lab VIEW嵌入式軟件開發(fā)機理進行了研究，并分別從開發(fā)工具鏈、操作系統(tǒng)、復(fù)用模板以及驅(qū)動代碼幾個方面簡要闡述了相關(guān)移植工作，然后在此基礎(chǔ)上為微型渦噴發(fā)動機設(shè)計了以TM4C123為目標處理器的控制器軟硬件，并通過臺架試驗驗證其代碼的有效性。綜上所述，在Lab VIEW嵌入式軟件開發(fā)平臺上進行嵌入式軟件開發(fā)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)代碼開發(fā)方式的功能，而且縮短了開發(fā)周期，提供了直觀便利的人機交互平臺，從而顯著提高嵌入式軟件的開發(fā)效率，具有較高的工程應(yīng)用價值。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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