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概覽 功能原型系統(tǒng)系列 是幫助您了解原型開發(fā)過程的一系列文章。通過閱讀，可以了解關鍵概念、原型開發(fā)的優(yōu)點、產(chǎn)品選擇討論以及其他技術資源。 算法工程 算法工程是為應用算法設計而造的術語。它所指的是將紙上的算法草稿轉換為魯棒、經(jīng)過完整測試、簡單易用實現(xiàn)的過程。在原型系統(tǒng)中實現(xiàn)算法提供需要的功能可能是整個產(chǎn)品開發(fā)生命周期中最具有挑戰(zhàn)性的部分，但是它也可能是最有回報的部分。通過應用現(xiàn)實世界的I/O，您能夠親眼看到算法實現(xiàn)工作。 本文說明了開發(fā)員可能會在設計算法中遇到的問題，以及使用圖形化設計來克服這些挑戰(zhàn)的優(yōu)點。算法工程挑戰(zhàn)少數(shù)系統(tǒng)級設計師才能夠熟練掌握的編程知識。為不同平臺編程需要的編程知識通常是少數(shù)系統(tǒng)級設計師能精確掌握的。 基本算法實現(xiàn) 為基本功能實現(xiàn)底層算法需要時間。速度在原型開發(fā)中是至關重要的，因為缺少現(xiàn)有代碼而陷入從頭開發(fā)的已知算法的困境是開發(fā)人員無法接受的。 為多個平臺重復實現(xiàn)算法 隨著功能原型的發(fā)展，算法需要多次重復功能以便移植到不同類型的系統(tǒng)中。代碼通常無法在不同的運行環(huán)境中工作，這使得應用程序從原型系統(tǒng)到部署的擴展變得困難起來。 測試和驗證 通常只有到較晚的時候才能夠確定系統(tǒng)是否可以真正滿足功能需求，重頭開始的代價是昂貴的。舉例而言，處理器可能無法足夠快速地執(zhí)行多個并行任務。它可能無法達到需要的循環(huán)時間。它還可能無法實時處理處理器密集的分析。 圖形化系統(tǒng)設計為算法工程帶來的優(yōu)點 圖形化系統(tǒng)設計解決了功能原型系統(tǒng)算法工程中的許多潛在問題。圖形化系統(tǒng)設計是將直觀的圖形化編程與靈活的商用（COTS）硬件結合在一起解決設計挑戰(zhàn)的方法。您可以使用這個方法，在設計的所有階段中使用同一個環(huán)境。現(xiàn)在我們來深入了解一下這個方法如何解決以上提出的挑戰(zhàn)。 多個計算模型 圖形化系統(tǒng)設計的優(yōu)點之一是它讓程序員能夠無需考慮實現(xiàn)用的計算模型（MoC）創(chuàng)建算法。隨著算法的復雜度不斷增加，程序員必須使用不同的計算模型擴展他們的代碼能力。下面是您可以用于圖形化系統(tǒng)設計的幾個計算模型： 數(shù)據(jù)流 數(shù)據(jù)流是與NI LabVIEW軟件緊密關聯(lián)的計算模型。使用數(shù)據(jù)流，需要開發(fā)員在開始執(zhí)行前，輸入所有輸入的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流是直觀的代碼結構，將并行處理等應用的實現(xiàn)變得十分簡單。 文本數(shù)學 文本數(shù)學是簡單創(chuàng)建復雜功能的另一個工具。基于文本的數(shù)學是將可以用腳本描述形式編寫的復雜算法，用人類可以閱讀的形式實現(xiàn)的方法。文本數(shù)學的實例包括公式節(jié)點和LabVIEW MathScript實時模塊。使用LabVIEW MathScript，您可以選擇最有效的語法用于算法開發(fā)，無論您是開發(fā)算法、探索信號處理概念或是分析結果。 
圖1：使用LabVIEW MathScript實時模塊重用基于文本的代碼 C 代碼 有時候您使用的代碼原來是用C或C++創(chuàng)建的。在這個情況下，您不必舍棄過去的工作。您可以在LabVIEW中使用內嵌C節(jié)點或調用庫函數(shù)節(jié)點直接調用您之前的代碼。使用內嵌C節(jié)點用于現(xiàn)有的C代碼或編寫小型的數(shù)字或矩陣算法，使用調用庫函數(shù)節(jié)點訪問DLL或共享庫中的C代碼。 開放式軟件體系結構 在過去的幾年中，LabVIEW平臺在眾多設計學科中得到了廣泛應用，因此需要將數(shù)據(jù)與不同的設計與仿真工具整合在一起。LabVIEW使用多種整合工具、庫和文件格式實現(xiàn)這種交互兼容性。LabVIEW還提供了與其他軟件工具和測量資源的眾多標準集成，其中包括： * DLLs, 共享庫 * ActiveX, COM, 以及 .NET (Microsoft) * DDE, TCP/IP, UDP, 以太網(wǎng)、藍牙 * CAN, DeviceNet, Modbus, OPC * USB, IEEE 1394, RS232/485, GPIB * 數(shù)據(jù)庫（ADO、SQL等等） 使用這些工具，來自幾乎任何測量和控制設備的數(shù)據(jù)集成都是可能的。通過將LabVIEW與硬件通信的通用標準整合在一起，開發(fā)者可以確保未來多年的兼容性和可擴展性。 LabVIEW方法 LabVIEW中的數(shù)百個函數(shù)涵蓋了數(shù)學、信號處理、概率、控制中的許多傳統(tǒng)算法，是構造任何定制算法的基礎。這些函數(shù)減輕了編寫底層代碼的負擔，為工程師提供了關注解決方案而不是關注實現(xiàn)細節(jié)的時間。 因為使用LabVIEW將采集現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)變得十分簡單，用戶認為能夠使用實際數(shù)據(jù)對算法進行測試，從而使用重復的方法進行微調是十分有價值的。采用這種交互式的測試方法，您可以用不同函數(shù)進行實驗，檢查它們是否給出了期望的結果。舉例而言，在使用濾波器處理信號時，您可以從不同解決方案中進行選擇，采集您所需要的實際信號，然后在圖或文件中查看結果。如果結果并不適用于應用程序，您可以選擇其他濾波器。通常采集實際信號應用算法比花時間用軟件仿真更加簡單。 商業(yè)硬件 商業(yè)硬件步進提供了快速開始原型開發(fā)的簡單方法，而且使用圖形化系統(tǒng)設計幫助您在許多帶有集成I/O的目標上實現(xiàn)本地算法。使用在NI CompactRIO和PXI平臺中的實時處理器，集成帶有確定性控制的I/O，得到更多可靠性。這對于硬件在環(huán)應用是很重要的，因為需要將硬件和軟件緊密整合在一起，動態(tài)仿真控制算法設法控制的環(huán)境。 處理使用帶有FPGA的實時處理器，您可以將LabVIEW集成到您的應用中，將代碼從一個類型的商用硬件移植到另一個硬件上。舉例而言，您可以移植在臺式機上對實際世界I/O信號進行分析的代碼，無需大量重寫就可以將它用于PXI、PDA以及嵌入式處理器等平臺上。實際上，先在臺式機上設計并驗證原型，然后將它轉換到32位處理器上，進行嵌入式系統(tǒng)部署可以大大節(jié)省因為忽略設計限制而增加的開發(fā)時間和重復編碼。
圖2：LabVIEW目標 用于仿真和控制設計的工具 由于LabVIEW是一個開放式平臺，您可以將您的測量數(shù)據(jù)映射到仿真結果上。您可以將用于行為建模的仿真數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)進行互換。此外，您可以使用仿真激勵驅動物理測量，提供魯棒的測試環(huán)境。 使用LabVIEW仿真驗證并估計設計準則的性能。您可以將設計導入到不同的仿真工具中，進行早期設計評估。下一步包括自動化布局或模型建立工具，對構造過程進行自動化。保存可用的系統(tǒng)狀態(tài)信息和輸出信號幫助您調試應用程序以及建立應用程序性能規(guī)范。 使用例如LabVIEW控制設計和仿真模塊中的控制方塊圖設計線性、非線性、離散或連續(xù)控制系統(tǒng)。使用這個抽象編程風格，您可以使用例如傳遞函數(shù)模塊、積分器、微分器和反饋循環(huán)等傳統(tǒng)控制概念進行編程。使用高級方塊圖，您可以在概念級開發(fā)解決方案，從而可以利用過去的系統(tǒng)經(jīng)驗和知識。
圖3：使用控制設計與仿真的PID控制 下一步 對算法進行工程設計，實現(xiàn)原型系統(tǒng)的功能是個具有挑戰(zhàn)性的過程。圖形化系統(tǒng)設計是利用直觀的圖形化軟件與商業(yè)硬件之間緊密整合優(yōu)點幫助您克服與算法工程相關挑戰(zhàn)的方法，從而讓您可以用更低的成本更快地完成原型系統(tǒng)開發(fā)。 要學習從紙面設計轉換到軟件設計的技術細節(jié)，請參閱下面的相關資源。要繼續(xù)原型開發(fā)過程的后續(xù)步驟，請返回功能原型系統(tǒng)系列。 NI公司供稿 |
