加州大學(xué)伯克利分校采用專用于ARM單片機的NI LabVIEW嵌入式模塊進行嵌入式系統(tǒng)教學(xué)

Author(s):
Jeff C. Jensen - UC Berkeley
Edward A. Lee - UC Berkeley
Sanjit Seshia - UC Berkeley

Industry:
Education, Research, Mechatronics

Products:
Statechart Module, Embedded Module for ARM Microcontrollers

The Challenge:
通過一系列面向機器人開發(fā)的實驗室實踐課程與團隊項目，吸引電子工程和計算機科學(xué)學(xué)院的同學(xué)們積極投入嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

The Solution:
    采用專用于ARM單片機的NI LabVIEW嵌入式模塊，對連接到iRobot Create移動機器人平臺的Cortex-M3單片機編程，使得同學(xué)們可開發(fā)一個嵌入式系統(tǒng)，與具有實時約束的真實世界進行交流。

    加州大學(xué)伯克利分校的電子工程和計算機科學(xué)學(xué)院是全球頂級學(xué)院之一。 作為本科生課程的一部分，同學(xué)們有機會去研究嵌入式系統(tǒng)和計算物理系統(tǒng)帶來的獨特挑戰(zhàn)。 同學(xué)們將學(xué)習(xí)實時嵌入式系統(tǒng)的并發(fā)性和計算的并發(fā)模型、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)建模、軟件分析工具、代碼生成以及控制算法等方面的知識。

    要開發(fā)一個可靠的嵌入式系統(tǒng)，需要廣泛的專業(yè)技能，包括靜態(tài)代碼分析、實時運行以及傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的接口技術(shù)。 我們希望同學(xué)們能完成一系列的實驗室實習(xí)課程，強化一個成功的嵌入式工程師所必須掌握的技能。

機器人硬件平臺

    通過課程實驗作業(yè)，同學(xué)們將體會到如何使用專用于ARM單片機的LabVIEW嵌入式模塊、狀態(tài)圖及ANSI C等多種設(shè)計工具來控制機器人。機器人需要處理傳感器發(fā)送來的真實世界的數(shù)據(jù)，對它們所處的環(huán)境做出快速反應(yīng)并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生有意義的物理響應(yīng)，是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的極佳工具。在設(shè)計課程材料時，我們也采用了LabVIEW直觀的圖形化設(shè)計工具，為同學(xué)們提供靈活、開放的程序設(shè)計平臺，使同學(xué)們可混合使用數(shù)據(jù)流、ANSI C和狀態(tài)圖等程序設(shè)計方法。

     同學(xué)們從iRobot Create等預(yù)先構(gòu)建好的機械平臺開始，專注于課程作業(yè)中的軟件及單片機的相關(guān)內(nèi)容。此移動平臺與iRobot Roomba類似，iRobot Roomba是一款配備有車輪驅(qū)動器和30多個傳感器的智能家用吸塵器。但是，它內(nèi)部的8位處理器對于復(fù)雜智能機器人的控制算法而言并不夠用。因此，加州大學(xué)伯克利分校的工程師們將iRobot Create與Luminary Micro Cortex M3 ARM單片機連接起來，通過通用異步收發(fā)器（UART）串口傳輸指令。這樣就實現(xiàn)了一個更耐用、更強大的控制器，創(chuàng)建了更多通用I/O端口，可進行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且具備使用LabVIEW和ANSI C程序?qū)C器人進行編程的能力。

    采用帶有ARM單片機的iRobot Create平臺，同學(xué)們使用嵌入式軟件技術(shù)將機器人自主引導(dǎo)到一座小山頂上，并在此過程中避開障礙物。同學(xué)們使用的硬件包括iRobot Create、Luminary Micro ARM Cortex M3、一個加速度計以及一個用于診斷和通信的藍牙芯片。最初同學(xué)們使用ANSI C對Luminary進行編程，以實現(xiàn)有限狀態(tài)機、中斷以及在不使用操作系統(tǒng)的情況下與傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的連接。在使用ANSI C開發(fā)出一個可以工作的控制器之后，同學(xué)們開始使用LabVIEW在桌面仿真中對他們的控制器進行綜合處理，然后，采用專用于ARM單片機的LabVIEW嵌入式模塊，使用一個數(shù)據(jù)流、狀態(tài)圖模型與實時操作系統(tǒng)一起生成的控制程序?qū)C器人進行編程。

   在上述過程中，同學(xué)們都可以學(xué)習(xí)到建模、靜態(tài)分析、代碼執(zhí)行路徑、程序可達性分析及實時系統(tǒng)性能約束的重要性。在iRobot Create平臺上實施實驗室實踐項目使得同學(xué)們體會到了諸多挑戰(zhàn)，如通過傳感器、執(zhí)行機構(gòu)以及專用于ARM單片機的LabVIEW嵌入式模塊提供的實時操作系統(tǒng)與真實世界進行交流等。

采用專用于ARM 單片機的LabVIEW嵌入式模塊帶來的優(yōu)勢

    模型和系統(tǒng)實施之間的聯(lián)系是加州大學(xué)伯克利分校課程的主旨之一。與傳統(tǒng)的ANSI C比較，采用LabVIEW圖形化程序設(shè)計語言可以更容易地對并發(fā)和定時進行分析和推理。通過將LabVIEW描述與ANSI C實施進行比較，同學(xué)們能夠?qū)η度胧杰浖脑懋a(chǎn)生更深的理解。通過使用LabVIEW，同學(xué)們可以更快地開發(fā)復(fù)雜的功能，從而使整個過程更有滿足感，也更有教育意義。

   通過充分利用LabVIEW嵌入式圖形化系統(tǒng)設(shè)計工具，同學(xué)們也對代碼生成這一嵌入式行業(yè)不斷發(fā)展的技術(shù)有了更深的體會。擁有了在桌面電腦和實時嵌入式平臺上執(zhí)行LabVIEW程序的能力，同學(xué)們就可以在為嵌入式目標(biāo)生成代碼之前，先對邏輯執(zhí)行的正確性進行驗證。在LabVIEW前面板有一個實時更新的圖形界面，強化了調(diào)試環(huán)境，使同學(xué)們可以迅速得到結(jié)果。

最終項目

   專用于ARM單片機的LabVIEW嵌入式模塊提高了效率，同學(xué)們得以在更少的時間里學(xué)習(xí)和理解更多的軟件開發(fā)概念。作為課程的最后一個部分，同學(xué)們需要在10周時間內(nèi)開發(fā)一個自選項目。選擇LabVIEW和ARM硬件的同學(xué)們開發(fā)出來了智能懸停直升機、密集跟隨的車輛隊列以及連接到許多傳感器以實現(xiàn)路徑尋找和地圖繪制的智能車輛機器人。由于使用LabVIEW，同學(xué)們得以在各種嵌入式應(yīng)用中以非?？焖俚乃俣韧瓿绍浖脑O(shè)計、模擬及部署。