NI的大棋：用图形化系统设计平台实现下一代信息物理系统
发布时间：2013-12-12 14:20
发布者：老郭
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今年11月，美国国家仪器公司（National Instruments，简称NI）在上海举办了第15届NIDays活动。今年的NIDays活动的主题是“图形有边，系统无界”，英文原文是“All systems. Go”。本人以为，英文原文更容易理解，直译过来就是：所有的系统们，走起。把句子写全了，它的意思便是：所有的信息物理系统，在NI的图形化系统设计平台上起飞吧。 要完全理解这句话的含义，我们需要仔细审视其中提到的三个概念：信息物理系统、平台和图形化系统设计。 信息物理系统 要了解NI的规划有多么宏大，首先我们要了解什么是信息物理系统。NI东亚地区副总裁Ajit Gokhale先生在今年的NIDays主题演讲中说，我们生活在一个可编程的世界，这个世界中充满了传感、网络和连接，这在学术界称作信息物理系统。 信息物理系统（Cyber Physical System – CPS）的概念源于美国。从2006年末开始，美国国家科学基金会和其他联邦机构便赞助了一些CPS的研讨会。2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会将CPS列为将来的关键信息技术之首。至今，CPS的概念逐渐清晰。 CPS是集计算、通信与控制于一体的下一代智能系统，它包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程。有学者认为，CPS还应具备远程协作和自治功能。 工信部《物联网“十二五”发展规划》中称，物联网是我国战略性新兴产业的重要组成部分。而信息物理系统超越了物联网的范畴，其影响更深远、挑战更艰巨。 
图1：计算、通信和控制在信息物理系统中同等重要 我们现在已经看到了一些初级的CPS，如物联网概念中的智能建筑、能源领域的智能电网、交通领域的智能高铁网络。NI东亚区市场总监朱君女士说，CPS的出现对中国来说是一个好机会；中国可以借助它在一些领域实现跳跃式的发展，而不必完全重复西方的工业化历程。比如中国大规模的高铁建设中，CPS可以让国产高铁与以往的高铁相比实现一个质的飞跃。 尽管CPS前景无限，但开发CPS并非易事。这些挑战很大程度上来自控制与计算之间的差异和差距。在CPS中，通信、计算和控制三个要素同等重要。自信息技术革命以来，计算机技术和通信技术获得了长足发展，相比之下，实时、分布式的智能控制技术对于很多IT业者来说却比较陌生。感知和控制是信息物理系统中的重要组成部分和开发难点。 平台的重要性 平台是个通用的概念。任何事物都需要平台的支撑。万丈高楼平地起，坚实的基础是不可或缺的。舰载机是攻击的利器，但需要航母作为起飞的平台。平台的作用就是支撑上层应用，使它们得以更容易地实现。 在PC计算领域，Windows操作系统+Intel x86处理器是主流平台。在移动计算领域，Android操作系统+ARM处理器是一个重要的开放平台。无数的应用在这些平台的基础上得以开发。平台为开发人员节省了大量的时间和精力。 在通信领域，HTTP/HTML+计算机（笔记本、台式电脑、服务器、嵌入式电脑）是基础平台。在此基础上，我们实现了新闻、银行、视频、音乐、购物等各种便利的服务。 在信息物理系统领域，我们同样也需要一个平台，让它来作为我们开发、创新工作的起点。为此，NI提供了一个图形化系统设计平台，其具体组成是LabVIEW软件+模块化硬件。 LabVIEW + RIO架构 数十年来，NI一直致力于LabVIEW系统设计软件的完善，不断增加对新技术的支持。今年最新发布的LabVIEW 2013又增加了一些新特性，包括代码管理、工具包网络、部署技术的增强、移动与网络应用及一些新的资源等。这个逐渐完善的图形化系统设计工具是NI开发平台的主体。 
图2：NI LabVIEW系统设计软件的演进 在硬件上，NI也在不断融合最新技术，如总线技术、处理器技术、FPGA技术和转换器技术，通过与Intel、Xilinx以及Analog Devices等领先的技术供应商合作,提供灵活、开放而且可自定义的高性能嵌入式系统。特别是RIO（可重配置I/O）模块，它与LabVIEW组成了图形化系统设计开发平台的骨干。 
图3：NI LabVIEW+RIO架构组成了系统开发的软硬件平台 LabVIEW + RIO架构结合了处理器、FPGA和模块化I/O，而这三者都可以通过LabVIEW来编程。今年，NI发布了一系列基于LabVIEW + RIO架构的新产品，其中的重磅产品是cRIO-9068软件定制的控制器。该产品采用了基于ARM架构的全新 Xilinx完全可编程SoC片上系统 - Zynq。NI cRIO-9068围绕Zynq进行了重新设计，使之成为有史以来最开放的嵌入式模块。该模块支持Linux RT系统，并能够通过C语言文本编程来对NI CompactRIO进行开发和部署。 
图4：NI RIO模块中FPGA技术的演进 NI东亚区市场经理汤敏女士说，NI与Xilinx保持了十多年的合作，共推出了60多款RIO产品。此次推出的cRIO-9068软件定制的控制器中的Zynq SoC搭载677MHz的双核ARM Cortex-A9处理器和Artix-7 FPGA，比前代产品性能提升了4倍。尤其是，它强化了软件的开放性、定制性，使C和C++编程人员可以为系统加入定制功能。NI针对Zynq重写了cRIO-9068的驱动程序，增加了对eclipse编译器的支持。基于NI Linux实时操作系统，cRIO-9068强化了对嵌入式系统的实时控制，而实时控制正是下一代信息物理系统与常规信息系统的重要差别，也是信息物理系统的开发难点。 结语 信息物理系统，或者编程世界，或广义物联网，或其他别的称谓，总之我们正在向一个更智能的世界迈进。正如IT行业得益于统一的平台那样，一个好的平台会简化、加速下一代信息物理系统的研发。从用户的角度来看，平台是好的；有了一个现成的、坚实的平台，他们就不必从底层做起，因而节省大量的时间和费用。从供应商的角度看，如果一家厂商提供的平台能够成为通用的平台，那么它的成功是无法限量的。 “All systems. Go”是一句气势如虹的口号。鉴于NI数十年矢志LabVIEW研发完善之精神，其成为下一代主流平台也是情理所至。 |
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