NI LabVIEW 的前世今生

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1、20多年以后，当 LabVIEW 成为了工程师和科学家们的标准图形化设计平台，为其工程创新不断提供源动力之时，LabVIEW的最初创始人们一定会回想起1.0版 本诞生时他们对这一革命性的图形化编程环境所抱有的期待和愿景1983 年， NI 的工程师们受到了电子制表软件为金融领域带来巨大便利的启发， 也决定着手发明一种同样高效的工具，帮助工程师和科学家们简化测试测量自动 化项目的开发过程。与此同时，苹果公司推出的 Macintosh 计算机的一系列图形化特性也为他们提供 了崭新的思路。他们发现，相对于输入一串串的命令行进行操作，人们使用鼠标 和图形化界面时所发挥的创造力和高效率是前所未有的，因此

2、“图形化”编程理 念成为了 LabVIEW最根本的核心。LabVIEW从最初就被设计为一种强大的高层架构型编程语言，自1986年1.0版 诞生以来，纵观其20多年的发展（图1）,可以发现，每次LabVIEW的主要升 级版本的发布都包含了很多全新的特性。LotMEWlJOMXlAiMh.LabVIEW 2.5 Sun Mnd却LabVIEW 4.4专化开发LabVlEW4i1998LabVIEWtt AytftDSP2005LabVIEW 9.20周年站龙IS 悔建中宜版200719B6 I 1992LibVtEVV2.D稔诵适3椁FF1997I 2000LibVEW M寓时&块2006Lflb

3、VLEWi甘弗苴TV fit2005LabVIEW 3.0PDAJ&JTGA图 1 LabVIEW 20 多年的持续创新LabVIEW 3. 0 首次实现了多平台兼容的特性，保证相同的代码可以运行在多个操 作系统中；LabVIEW 5则推出了实时（Real Time）模块，允许工程师们将在主 机上开发的LabVIEW代码进行自动编译，使其运行在实时硬件对象中。通过降低 在实时系统中部署代码的复杂度，这个创新的理念帮助工程师以一种更方便的方 式进行控制应用的开发；而LabVIEW 7与FPGA技术的结合则又是该理念的进一 步升华，从而让不具备VHDL编程经验的工程师们也同样可以进行硬件设计，并

4、且LabVIEW本质上的数据流并行性非常符合FPGA并行电路特性，在此基础上可 以达到很好的空间利用和定时性能； LabVIEW 8.2 作为 20 周年的纪念版，首次 推出了中文版，使中国工程师们也能用自己的母语编程，最大程度地提升开发效 率；最新的LabVIEW 8.5则更为多核处理器技术提供了强有力的支持，同时也推 出了基于UML语言规范的状态图设计模块。综合而言，LabVIEW通过不断地融入 最新商业可用技术（图 2），让使用者无需花费过多的精力去学习每个技术的细 节就可以直接使用，提升了系统的性能，保证了工程师们长期的投资。图 2 LabVIEW 不断融入最新商业可用技术经过这一路2

5、0多年的持续创新，LabVIEW凭其核心的图形化编程理念，突破了 原先数据采集与仪器控制的应用领域，蜕变为设计、控制与测试的图形化系统设 计标准平台，其强大的特性（详全的专业附加工具包、灵活多样的计算模型、从PC、FPGA到芯片级的运行平台等）进一步帮助工程师在同一个LabVIEW平台上 集成从设计、原型到发布的全过程，全面提高整个工程流程的效率。强大的图形化设计平台详全的专业附加工具包我们知道，作为功能强大的图形化系统设计平台，LabVIEW所涉及的应用领域变 得越来越广泛，因此为了让不同应用领域的工程师们都能以一种更灵活的方式来 使用LabVIEW进行系统开发，安装附加工具包成为了一个很好

6、的解决方法。无论是信号处理、自动化测试、工业控制还是嵌入式设计等等，LabVIEW都提供 了专业的附加工具包，从而方便工程师们通过灵活的组合实现高效的开发。例如，仅仅在信号处理方面，LabVIEW就提供了声音与振动分析套件（倍频程及 阶次分析等）、调制工具包（AM、FM、ASK、QAM等调制算法）、频谱测量工具 包（星座图、I-Q数字解调等）、数字滤波器设计工具包以及高级信号处理工具 包（时频联合分析、小波分析等等）。与其它编程语言有所不同，这些LabVIEW 工具包将各自专业领域的算法和程序进行了优化的封装，让工程师通过直接调用 其中的子VI （甚至仅仅通过简单的配置）得到相应的分析结果，大

7、大减少了开 发的时间和精力。值得一提的是，除了 NI官方提供的附加工具包以外，LabVIEW爱好者们也会共 享一些自己编写的小型工具包，帮助LabVIEW应用在更多更广的领域。这种类似 于 Wiki 百科的大规模协作的发展模式使 LabVIEW 能够以一种更积极、开放的方 式不断发展创新。灵活多样的计算模型计算模型，简而言之，是一种用于描述软件模块功能的表达方式，在学术界这个 术语一直被用来抽象定义计算机系统。由于不同的计算模型在不同领域和场合的 应用上往往都存在相对的优势和劣势，为了实现图形化系统设计的远景目标， LabVIEW 必须具备使用不同计算模型进行编程的能力，而让我们欣喜的是，这个

8、 想法已经逐渐成为现实。如今的LabVIEW已经不再仅限于数据流编程这一种方式，它还包括了可以通过 DLL 将 C 或 Java 等文本语言直接调用，使用 Mathscript 节点实现文本数学编程， 在LabVIEW下进行仿真建模以及使用基于UML规范的状态图实现高抽象层的系统 架构等等。这些灵活多样的计算模型允许工程师们根据不同的应用领域选择最为 合适的一种进行开发，一方面能够让工程师们使用他们熟悉的计算模型进行开 发，另一方面，又可以充分利用其它计算模型的优势和特性，实现系统级开发的 效率最优。例如，LabVIEW用户在设计一个激光控制系统时，可以使用状态图来定义状态， 使用数据流方式在

9、FPGA芯片中实现控制逻辑，并使用仿真模型来对激光进行动 态仿真。可见，这种“采各家之长”的理念，让LabVIEW甚至超越了编程语言的 范畴，成为了更高层的系统级的设计平台。从 PC、FPGA 到芯片级的运行平台自LabVIEW诞生以来，NI的工程师们就有一个梦想，希望能够将LabVIEW的代 码“编译直接下载到目标硬件”中，但在当时他们并不清楚如何将其变为现实。2005年推出的 LabVIEW 8 中为分布在不同计算目标上的各种应用程序的开发与 发布提供了有力的支持。这种“分布式智能”的架构使相同的LabVIEW代码可以 下载到不同的硬件平台中运行，而这正是实现上述梦想的一个基础条件。如今的

10、LabVIEW已经可以通过不同的模块将代码下载到从PC、FPGA到芯片级的 硬件平台中，这个特性使工程师们在产品设计、原型到发布三个过程中都能利用 相同的代码，减少了代码移植所带来的风险和问题。其中，LabVIEW与FPGA的完美结合是最为靓丽的一抹。FPGA作为一种主流的技 术，它通常需要使用VHDL这样的硬件语言来开发，这种语言需要很长的学习时 间，以及深厚的硬件技术背景，“进入门槛”相对较高。而LabVIEW本身并行化 的编程方式允许工程师们能以直观的方式来实现FPGA的逻辑功能（图3），因 此无需VHDL就可以让更多的工程师都能得益于FPGA技术。F = (A+8)CD E图 3 La

11、bVIEW 简化 FPGA 的开发过程除 FPGA 之外，最新版的 LabVIEW 还能够将代码运行于各种其它嵌入式平台中， 包括工业触摸屏、ADI Blackfin微处理器、DSP芯片以及基于ARM的微控制器等 等。因此，可以预见的是，将 LabVIEW 代码“下载到任何目标硬件”的时代已不 再遥远。Ijhvihwffiiw I Htii FJGADesktopRepl-Tiru?图 4 强大的 LabVIEW 图形化设计平台最后，当我们从开发平台的角度（图4）再来审视一下LabVIEW上述这三个重要 特性时，我们会发现，详全的附加工具包让工程师们能够在具备特定应用领域的 专业知识和计算功能

12、的同时，也能享受到图形化编程所带来的各种便利；而灵活 多样的计算模型则使LabVIEW超越其它编程语言、成为系统级设计平台的一个必 要条件；最后，通过LabVIEW各种模块来实现不同硬件的代码部署，工程师们可 以在产品设计、原型到生产这些不同的阶段都能使用统一的开发平台，保证了代 码的长期投资。LabVIEW 助力工程创新如今的LabVIEW在测试、测量与自动化领域已经处于“无处不在”的领先地位，帮助工程师和科学家们高效地完成各自的应用，实现工程创新：美国伊利诺伊大学（University of Illinois）的工程系学生们使用LabVIEW 设计了世界上第一台可以用人的思维去控制的轮椅（

13、图5）。借助LabVIEW强大 的信号合成、频谱分析以及数字信号处理功能，他们高效地开发了复杂的算法将 神经信号翻译成控制命令，创造性地为残疾人提供了福音。图5使用LabVIEW设计世界第一台用思维控制的轮椅世界上最大的粒子物理实验室CERN，是一个致力于研究物质的基本构成及物质 间的相互作用的研究组织。选用LabVIEW以及FPGA模块，CERN成功开发了基于 FPGA的运行控制系统，实现了在世界上最强大的粒子加速度器-大型强子对撞机 （LHC）上进行实时测量与控制大量组件位置，从粒子束核心中吸收粒子能量， 同时也确保了可靠性和精确性。利用LabVIEW FPGA，使得他们可以快速地整合 所

14、需的功能，省却了不必要的成本和学习周期，降低了系统对人力资源的需求。与此同时，在消费电子（iphone的产线测试）、汽车电子（BMW氢能7系硬件在 环测试）、航空航天（波音飞机噪声定位测试）、石油化工（ Nexans 公司石油 勘察系统）、绿色工程（加州大学对哥斯达黎加进行雨林环境监测）等等领域，LabVIEW 也都扮演着举足轻重的角色，甚至于 2008 年北京奥运会的“鸟巢”与 “水立方”体育场健康监测系统都是用 LabVIEW 来开发完成的。我们欣喜地看到，LabVIEW正与工程师们一起，合力创造一个更好的工程世界!展望那么，未来的LabVIEW将如何发展？对于这个问题，让我们先从多核处理

15、器技术谈起。众所周知，由于芯片能耗与热 效应的限制，芯片制造商已经开始转向全新的芯片结构，那就是多核技术。以往， 当电脑升级到一个更快速的 CPU 后，也就意味着每一条独立指令的运行速度都会 加快。而如今使用多核之后，如果要想继续提高性能，开发者就需要开发一个并 行程序来取代顺序程序。然而这对于许多习惯于开发单线程应用的开发者来说是 一个极大的挑战，他们需要专门的语义创建和管理线程，并且在线程安全方式下 进行数据的传送。相比之下，LabVIEW由于其本身就是一种并行的编程结构，因此非常适合于创建 并行的多线程应用；而在LabVIEW 5时就开始支持多线程，编译器可以自动识别 线程并创建线程到不

16、同的任务和循环上，再由操作系统分配到不同的核上运行 （图 6）。线程线程线程图6 LabVIEW本身就是自动多线程的编程语言为了更好地与多核技术完美结合， LabVIEW 8.5 还针对性地提供了更多的特性： 例如工程师可以根据自己需求手动设置线程运行在特定的核上，将时间确定性要 求苛刻的采集与控制任务放在单独的核上运行，而将对确定性要求不高的界面响 应、数据录入等任务放在另外一个核上运行（图 7）。JBm. Crid ml lefi忖配线軽远行血持宦 的核匕迟行NmutuE PHarliy Lgp*盘曲图 7 LabVIEW 允许用户手动分配线程在指定的核上运行纵观LabVIEW的前世今生，我们可以很明显地感受到，新的技术的不断吸收和融 合，是推动LabVIEW飞跃发展的源动力，多核处理器技术就是其中最为典型的一 例。而这些主流的商业可用技术将向更多新的应用领域敞开大门，从而开启一个 又一个新的纪元。那么，当我们在真切地感受到了如今LabVIEW强大的功能和广泛的应用领域的同 时，对于它的未来，您是否也和我一样，留有着更多的兴奋与期待呢？