NI系统级模块（SOM）采用可重配置的FPGA技术

基于Zynq SoC,NI SOM经过广泛的测试与验证，并配有完整的软件协议栈。

嵌入式设计团队肩负着处理众多棘手问题的重担。他们需要跟上最新技术并提供众多新功能以保持竞争优势；同时，对于每个新项目他们还要更少的资源更快速地实现上述目标。这就给需要采用传统方法实现快速开发的设计团队施加了巨大压力。

然而，传统设计方法难以实现快速创新。事实上，这些方法经常导致错过最终交付期限。根据UBM的“2013年嵌入式市场调查”统计，57%的嵌入式项目不能按时交付或是被取消。

这些团队有可能通过添加资源的方式来辅助管理软件等高投资项目。但是，管理人员还承担着保持和提高项目盈利能力的责任。由于需要平衡创新与盈利能力，很多设计团队正在转向采用新的嵌入式系统开发方法。

比起从头开始开发产品，越来越多的设计团队开始使用现成的组件以帮助加速设计进程。这些组件中最极富吸引力的组件就是系统级模块(SOM)。根据IHS的“2012年全球嵌入式计算机板卡与模块市场分析”的数据显示，SOM预计将在2010至2016年间实现17.5%的复合年增长率，其次是单机板，增速达9.3%。

系统级模块（SOM）可提供嵌入式设计所需的多种组件，如赛灵思Zynq®-7000 All ProgrammableSoC等处理组件以及存储器等通用组件。此外，一些系统级模块配有完整的软件协议栈，因此无需开发成本高昂的驱动器、中间件和OS。这样嵌入式设计人员就可以利用SOM为特定应用灵活定制系统，比如添加特定I/O、外设和封装。采用现成硬件设计保持灵活性，能够让设计团队在应用开发上先人一步，同时还可减少整体开发时间和风险。

最近推出的NI sbRIO-9651系统级模块提供可定制的SOM（图1）。该产品可提供经过全面验证的软件组件，能节省更多设计时间并进一步降低风险，同时还可提供用来对FPGA进行编程的简单的硬件描述语言(HDL)替代方案。

 

洞悉硬件

NI SOM将赛灵思Zynq-7020 SoC与RAM和存储器等辅助组件整合在名片大小的PCB板上（图2）。Zynq SoC集成了667MHz双核ARM® Cortex™-A9处理器和Artix®-7 FPGA架构。这些组合在一起共同构成了现成产品中用以解决当今众多嵌入式挑战的基本组件。

在产品开发的初期阶段，嵌入式团队的任务是选择并整合所有这些组件。虽然这些产品规范对于设计具有重要意义，但给最终产品带来的差异很小。相反，这些任务通常会增加很多风险，例如电路板反复设计。通过使用经过广泛可靠性测试的现成硬件产品，嵌入式团队可以节省设计时间并降低项目风险。

可靠性要求表现不一，而且对每种应用都有独特要求（参见本期杂志中“设计可靠性：MTBF——这只是开始”一文）。可靠性可能涉及到从长期部署的正常运行时间到在特定环境中的运行能力等方方面面。NI长期以来一直将精力重点放在验证与确认上，以提供高质量产品。因此，我们的嵌入式控制器平台CompactRIO被部署在各种关键应用领域，例如医疗设备、石油和天然气油田等严苛环境以及智能电网应用等长期部署。NI SOM 延续了这一趋势，并进行了多项验证，例如针对电气、冲击和振动的仿真与测试，以及热机械测试。

 

新产品的开发套件包括带有多种外设（千兆位以太网x2、USB主机、USB设备、SD、RS-232x2、RS-485、CAN）的参考设计载板，并提供可将这些外设集成到定制载板设计中的设计文件。此外，参考设计载卡还提供一个用来与特定芯片组进行通信的数字原型设计区域，以及四个有助于加速I/O选择与集成的PMOD连接器。许多芯片厂商均提供从简单模拟I/O到立体声功率放大器等各种PMOD模块。

验证过的完整中间件解决方案

NI SOM还将经过验证的板级支持包(BSP)、设备驱动程序与NI Linux Real-Time操作系统完美集成在一起（图3）。这些开箱即用的软件组件能够为以太网或USB、存储器等组件的接口以及处理器与FPGA之间的通信接口等外设提供支持。NI Linux Real-Time集实时操作系统(OS)的卓越性能和Linux的通用性和开放性于一身。软件开发人员能够借助庞大的Linux社区扩大实时应用，同时保持确定性操作。此外，NI LinuxReal-Time还提供一条路径供C/C++和Lab-VIEW Real-Time应用与可编程FPGA进行通信，因此在处理器编程方面实现了更大的灵活性。

根据UBM的“2013年嵌入式市场调查”统计，软件开发占用了嵌入式项目60%以上的资源。开发人员通常必须提供中间件、固件、嵌入式OS和应用软件等组件，这就需要对开发、测试和调试进行大量投入。与硬件类似，NI SOM的软件同样经过了大量的验证与确认过程，例如针对所有外设的应力测试。NI SOM可提供验证过的BSP、设备驱动程序和实时OS，从而有助于助设计团队最大限度地缩短开发时间和降低风险。这样一来，设计团队便可集中精力实现关键特性，如集成特定I/O或开发定制算法和应用软件。

FPGA应用软件

采用可重配置的FPGA技术，便可执行高速信号处理、高速或确定性控制、内联信号处理以及定制定时与触发。对于控制系统，您还可以直接在Zynq SoC的可编程逻辑中运行高级控制算法，以最小化时延并最大化回路速度。

NI LabVIEW系统设计软件可提供图形化开发环境，该环境包括数千个用于构建处理器和FPGA的功能模块和IP模块。LabVIEW FPGA对Lab-VIEW图形化开发平台进行了延伸，可提供一种能够简化I/O接口连接和数据通信任务的HDL编程替代方案，极大地提高了嵌入式系统设计的生产力并缩短了产品上市时间。

LabVIEW FPGA提供由NI和赛灵思共同开发的IP，用以实现计数器等基本功能，或视频解码和复杂运动控制等更高级算法。经验丰富的HDL开发人员能够利用IP Integration Node导入并重用已有代码。此外，该软件还集成了DMA引擎，用来实现处理器与FPGA架构间的数据传输。

利用COMPACTRIO实现快速原型设计进程
根据定制设计构建原型时，在开发初期阶段通常需要花费数月时间来集成组件和I/O，然后才能对应用软件进行验证。尽管现成的标准产品能够加速概念验证进程，但随后设计团队不得不从头做起，原因在于他们在最终部署时无法重用任何一个代码。但借助CompactRIO控制器和NI SOM，设计团队在进行最终部署时就可以快速实现原型设计并重用他们的大部分代码。

CompactRIO控制器和NISOM均采用LabVIEW RIO架构。该架构包含三个均可由同一软件工具链进行编程的组件，这三个组件包括：用于通信和处理的嵌入式控制器；用于高级控制、数字通信协议、时序、信号处理和滤波的FPGA ；用于连接任意传感器或器件的I/O。除了这三个组件，CompactRIO控制器还提供一个机械封装和100多个C系列 I/O模块。这样设计团队无需开发定制硬件，便可立即着手开发他们的应用软件，从而显著缩短原型设计所需的时间。

在建立原型设计后，NI SOM可重用大部分代码，从而让设计团队能够集中精力从定制载板集成I/O，而不用再次重新开发应用软件。

减少开发时间和风险

由于整合了经过全面测试和验证的硬件设计以及完整的中间件解决方案和嵌入式操作系统，因此NI SOM能为设计团队节省大量开发时间，并帮助他们加速创新产品上市进程。支持外设的BSP、存储器和RAM连接以及处理器与FPGA之间的通信线路等诸多常见任务对每个嵌入式项目来说都是不可或缺的，NI SOM会对其进行全面管理。同样，NISOM也能简化许多其它常见设计任务。例如，它提供了一个集成式散热器，可简化散热解决方案的机械设计，并提供针对热验证的单一触点。

借助NI SOM，设计团队可以信心十足地确保按期交付嵌入式项目，同时保持甚至提高盈利能力。Optimedica是一家位于加利福尼亚的医疗器械公司，该公司正在使用NI SOM开发他们的新一代白内障手术用高精度激光系统。Optimedica创始人Mike Wiltberger表示：“NI SOM将会极大地提高我们项目的盈利能力。与其它替代方案相比，它可以为我们节省六个月的开发时间，而且如果使用其它方案，我根本无法按我们的报价构建出这样的系统。”