信息物理系统设计的挑战,及应对大模拟数据时代的到来.pdf

NI 趋势展望 2014 助您提高生产力的技术趋势 信息物理设计挑战 大模拟数据 最大的大数据 射频仪器软件无线电化 系统级设计的发展 移动设备作为远程用户界面 掀起工程教育的改革浪潮 您不可不知的技术趋势 NI自1976年成立以来一直秉承 为工程师和科学家提供工具来增强其生产力 创新力和 探索力 的使命 为了实现这一使命 我们密切观察各行业的发展趋势 并基于这些观察 结果开发出集成前沿先进技术的工具 NI工具应用于众多行业和应用领域 因此NI能够洞察到包括测量 传感器 网络 测试 等领域正在发生的最新趋势与动向 我们将所了解的信息进行整合 编写成这一技术趋势 展望 以帮助您利用最新的技术实现突破 保持竞争的领先地位 NI不仅仅是一个产品供应商 更是一个技术顾问 我们希望这些信息能够帮助您提高 生产效率 让您能够全身心专注于核心工作 NI全球销售和市场推广资深副总裁Eric Starkloff 信息物理系统是由测试和测量硬件构 建而通过软件进行控制的完整控制系 统 可用于大型复杂系统 如癌症的 强子治疗 目录 信息物理系统 信息物理设计挑战 通过结合分布式计算部件和物理部件 开发连续动态地与环境 交互的系统 大模拟数据 大模拟数据 最大的大数据 将IT基础架构和云等分析工具连接至数据采集系统 基于测试 数据更快速地做出决策企业的组织能力 射频 无线 射频仪器软件无线电化 将各种软件定义无线电技术集成到射频测试设备中 掀起无线 通信行业的革命系统正常运行时间 计算模型 转变思维方式 系统级设计的发展 在统一的环境中集成多个开发方式 简化复杂的分布式和实时 应用 移动通信 使用移动设备作为测试测量和控制系统的远程用户界面 设计可随时随地通过任意设备连接的系统 教学 掀起工程教育的革命 让学生掌握跨学科方法 为将来进行工程实践做好准备 信息物理设计挑战 现代工程系统很难由单个人独立一次性完成 通常要与他人合作 多次设计 持续完善 例如 汽车的制动系统是从马车的机械杠杆制动器演变而来 不久之后便出现了液压系统 来提高制动系统的制动能力和稳定性 随着助力制动器的问世 制动系统开始集成了各种 电子元器件 其中最显著的成就就是防抱死制动系统 该系统作为机械反馈控制系统 最早 用于飞机的起落架轮 可防止起落架轮抱死 后来 汽车上也开始使用防抱死制动系统 当今的汽车制动系统集成了电子稳定控制系统 牵引力控制系 统 自适应巡航控制系统和紧急制动辅助系统等各种系统 过 去仅仅由一根杠杆构成的制动器现在却是由多个分布式计算 机 独立制动车轮以及人工输入 车辆性能和环境障碍传感器 组成的复杂系统 汽车本身是更大型系统的一部分 城市交通 监测控制系统通过与汽车的交互来调整交通信号灯 快车道和 汽车停放收费计 从而满足社会的需求 又如望远镜 最初是 由两片玻璃透镜构成 而现在欧洲南方天文台的极大望远镜是 由8000多个镜面组成 这些镜面由一个分布式计算机网络每 隔几毫秒进行驱动调整 随着时间的推移 独立运行的产品逐 渐被平台所取代 甚至是最简单的 杠杆级 设计也演变成多 个相互关联的动态系统 许多复杂的系统将计算 信息技术和物理环境等多个领域的知 识融为一体 计算 信息技术和通信系统通常统称为 信息 系统 这些系统以全新 有价值的方式直接与我们周围的世界 进行交互 一个新兴的科学领域是研究和开发将信息世界和物 理世界相互联系的工程系统 这些信息物理系统 CPS 经过工 程设计 通过分布式计算组件和物理组件的结合与周围环境连 续动态地进行交互 CPS应用在我们身边无处不在 其中包 括智能电网 交通车辆网络 智能楼宇 协调机器人 电信 汽车系统和航空电子等 CPS具有三个基本且密不可分的行 为 计算 通信和控制 computation communication和 control 称为CPS的3C CPS这一新兴技术源于解决全 球日益紧迫和复杂的工程挑战的需求 该技术最初以传统的嵌 入式系统设计为基础 之后发展成为更具意义的复杂系统 使 信息物理成为一个具有显著创新潜力和社会影响的领域 慕尼 黑工业大学计算机科学学院的创始人和院长Manfred Broy博 士在其编写的Cyber Physical Systems Imminent Challenges 中写到 信息物理系统 将犹如互联网一样 革命性地改变个 人和企业控制物理世界以及与物理世界交互的方式 CPS尽 管刚出现不久 但已经产生了具有影响力和实践意义的结果 前所未有的紧迫设计挑战 与所有工程系统一样 CPS的设计必须克服严格的资源限制 包括成本 功耗 可靠性 可扩展性和性能等 许多可满足这 些约束条件的技术忽略了CPS最独特最重要的属性 它们必须 与现实世界进行有意义 动态且可预见的交互 随着这些系统 日益普及且复杂性日益增加 设计人员必须跨越信息系统和物 理系统之间的知识鸿沟 他们需要超越限制条件和实现细节 根据环境条件针对系统行为进行设计 简单的设计演变成复杂的系统已经是司空见惯 但我们仍努力 地克服日益增加的复杂性 同时不断地加快创新的速度 随着 业务的发展 企业所提供的系统规模和影响也日益扩大 开发 一个组件的成本将超过该组件集成到更大的系统的成本 当设 计涉及软件 网络和物理流程时 信息物理设计挑战将更为严 峻 而无法解决这一挑战可能会导致不良设计和创新停滞 该 领域的专家们已经将注意力从新设计转移到信息和物理组件的 集成 但他们往往不了解一个组件与其他组件集成后是如何工 作的 系统变得不稳定且不易控制 企业也不得不将将工程投 资也从领域专业技术转移到系统集成 从创新转移到标准化 创新型企业如果无法预测未来开发复杂系统所面临的信息物理 设计挑战 将无法承受当今新产品设计所需的成本 CPS由于过于复杂而无法使用不同的工具和技术进行设计 解 决信息物理设计挑战的关键不是具体实现的设计 而是系统级 的设计 白宫机器人与信息物理系统副署长Vijay Kumar博士 特别强调这一点的重要性 他指出 我们迫切需要开发各种设 计方法来使信息物理系统具有实时可靠的性能 工程师们 需要拥有能够用于系统整体设计的工具来开发能够与现实世界 交互的系统 例如 2003年美国东北部发生了一次为期三天的停电 影响 了5500万人的生活 用于分析电网物理属性的功率流建模工 具并没有为自动控制系统的行为建模 也没有为级联停机的网 络效应建模 这充分说明了对信息物理系统进行整体设计的迫 切需要 CPS设计方法可帮助您建模和探索信息世界和物理 世界之间的交互 帮助您识别并预防各种可能潜藏的故障 解决信息物理设计挑战 应对信息物理设计挑战的一种有效方法是采用基于建模的设 计 该方法强调了在设计 分析 验证和认证动态系统中使用 建模的方法 工程师根据系统的规格参数以及对环境的分析进 行建模 并将这些模型用于设计 仿真 合成和测试CPS 这 些建模技术展示了实用设计与包含物理动力学和计算的系统形 式模型之间的相互作用 手动集成和部署这些模型既昂贵又耗 时 而且容易出错 具有合适抽象级别的系统设计工具可实现 信息和物理模型的自动组合 仿真和部署 而且这些模型也适 用于进行需求跟踪和硬件在环 HIL 验证 另一种用于CPS的成熟设计方法是基于平台的设计 这一方法 是由加州大学伯克利分校率先采用 该方法已广泛应用于汽车 和航空行业 用于设计和构建具有较长使用寿命且可扩展为大 型复杂系统的平台 您可以使用平台作为抽象层来思考应用级 限制 而无需担心具体实现的改进 有了适当的抽象级别 您 可以通过定义有明确交互互连关系的平台元素 来分解设计问 题 从而实现高度组件化 可组合的模块化设计 清晰的互连 使您能够使用商业现成硬件来更换或升级平台元素 降低开发 成本和简化生命周期管理 您可以修改平台元素的用途和用 法 整改和复用平台元素 来测试框架 进行需求跟踪 验证 和进行文档记录 基于平台的设计和基于模型的设计为两种互 相补充的设计方法 通常并行使用 当您采用某个系统设计工 具时 您可采用相应的平台来统一设计方法 跨越多个抽象层次 以及多个计算模型 降低集成成本以及加速下一个平台的创新 缜密的设计方法 全面的开发工具和现成的商业硬件可以实现 更佳的CPS设计 我们回到马车制动杆的例子 想一下过去极 其简单的设计如何演变成今天无处不在的复杂CPS 这给我们 提出了以下问题 您现在在设计什么样的 杠杆 这些 杠 杆 将如何演变成未来的复杂系统 您是否拥有合适的设计工 具来将这个未来变成现实 信息物理系统将犹如互联网一样 革命性 地改变个人和企业控制物理世界和与物理 世界交互的方式 慕尼黑工业大学计算机科学学院的创始人和院长Manfred Broy博士 计 算 自 动 变 速 在 线 诊 断 娱 乐 通 信 汽 车 汽 车 紧 急 服 务 卫 星 控 制 稳 定 性 制 动 自 适 应 巡 航 信息物理系统的三个 主要元素 计算 通信和 控制 大模拟数据 最大的大数据 在测试 测量和控制应用中 工程师和科学家们在很短的时间内就可以收集大量的数据 美国国家科学基金会的大型综合巡天望远镜将于2016年问世 届时该望远镜每周将可采 集超过140万亿字节的信息 根据大型燃气涡轮机制造商的报告 在生产测试中 装有仪器 的发电涡轮每天可生成超过10万亿字节的数据 2013年10月 自动化世界 的一篇文章Big Data Sweat the Little Stuff 中引用了一个资产监测应用 该应用每秒采样152 000个传感 器数据 每年总计采样4万亿个数据 纽约时报 博主Nick Wingfield2013年3月12日的文章中提到 房地产公司通过来 自1亿个司机的GPS信号来确定有发展潜力小区的汽车经过时 间 这些仅仅是 大数据 趋势的几个例子 但数据量不是大数据的唯一特性 通常大数据的特点由四个V 组成 数量 volume 种类 variety 速度 velocity 和价值 value 另一个 V 可视化 visibility 正逐渐成为一个 关键的决定性特性 也就是说 全球企业一个日益增长的需求 就是访问不同地区的商业 工程和科学数据 例如 美国中西 部农村田野上装有仪器的农业设备所采集的数据可能会由欧洲 的数据科学家进行分析 又例如 南美和中国生产线的产品测 试工程师可能需要相互访问数据来进行比较分析 这就需要云 等互联信息技术 IT 系统与数据采集系统 DAQ 紧密连接 大模拟数据信息的特性记述 大模拟数据信息与IT系统产生的数据 社会数据等其他大数据 略有不同 它包含电压 压力 加速度 振动 温度 声音等 来自物理世界的模拟数据 大模拟数据源包括环境 自然 人 以及机电设备等生成 此外 大模拟数据是所有大数据中速 率最快的 因为模拟信号通常是需要以较大的比特宽度和数 十千兆赫兹的速率进行数字化采集的连续波形 而且大模拟数 据也是数量最大的数据 因为这类数据可不断地从自然和人为 来源产生 例如地球 太阳系和宇宙源源不断的光线 声音 运动和电磁波 IBM表示 今天的大数据很大一部分是来自于环境 包括图 像 光 声音甚至无线电信号 所有这些都是模拟数据 平方千米射电望远镜阵 SKA 从外太空采集的模拟数据预计将 产生10倍于全球互联网的流量 3级大模拟数据解决方案 从如此高速且高容量模拟数据中提取准确而有意义的结论成为 一个日益严峻的问题 这些数据为数据分析 搜索 数据集 成 报告生成以及系统维护带来了新挑战 工程师们必须解决 这些挑战才能跟上数据的指数式增长步伐 用于捕获 分析和 共享大模拟数据的解决方案致力于解决传统的大数据问题和管 理模拟数据中存在的困难 为了应对这些挑战 并充分利用这 些模拟数据源的价值 工程师们正在寻求端到端的解决方案 具体来说 工程师正在寻找如图所示的三级解决方案体系架 构 以构建一个统一的集成解决方案 来改善前端传感器的实 时数据捕获和后端IT基础设施的数据分析 数据流始于第1级 的传感器 被第二级的系统节点捕获 这些节点执行初始的实 时 动态和早期数据分析 被认为重要的信息通过软硬件 边 缘 传输至传统IT设备 第3级的IT基础设施 服务器 存储和 网络设备 负责管理 整理和深入分析早期数据或静态数据 最后 对数据进行存档以备后用 通过数据流的不同阶段 不 断发展的大数据分析领域正在为人们提供前有未有的有用信 息 例如 确定一个精确运动控制系统的即时响应需要对系统 进行实时分析 在另一端 可以检索静态数据来分析新的动态 数据 以深入了解发电涡轮机的季节性行为 在第二和第三级 架构中 可使用数据可视化产品和技术来充分挖掘所采集信息 的价值 由于大模拟数据解决方案通常涉及多个数据采集通道连接至多 个系统节点 可靠性 reliability 可用性 availability 可维护 性 serviceability 和可管理性 manageability RASM 正变得日 益重要 在一般情况下 RASM代表的是一个系统的鲁棒性 这与其执行预期功能的性能相关 因此 系统的RASM特性对 于部署系统所执行的任务的质量至关重要 无论是技术成果还 是商业成果 RASM都可产生极大的影响 例如 在要进行防 性维护或更换时 RASM功能可以起到辅助作用 这反过来可 以有效地将意外停机转变成可管理 有计划的停机 从而保持 顺畅的服务交付 提高业务的连续性 系统的可维护性和管理与PC和服务器所需的可维护性和管理类 似 包括扫描检测 部署 健康状态 更新 安全 诊断 校 准和事件日志记录 由于这些系统节点与第三级IT基础设施相集 成 因而RASM功能对于降低集成风险和总拥有成本至关重要 历史最久 速度最快 数据量最大的大数据 大模拟数 据 具有重大的科学 工程和商业意义 为了挖掘这一巨大 的资源 开发人员正在转向基于工具和平台的解决方案 这些 工具和平台应能够相互集成 而且能够与其他合作伙伴提供的 工具和平台相集成 由于这个三级大模拟数据解决方案可解决 科研 产品测试以及机器状态和资产监测等关键应用领域的难 题 其需求正在不断增长 历史最久 速度最快 数量最大的大数 据 海量模拟数据 具有重大的科 学 工程和商业意义 一级二级三级 传感器 激励器 数据采集 控制点 系统节点 数据采集和分析 控制 监测 测试 硬件和固件 IT基础设施 服务器 存储 工作站 分析 数据库 归档 边缘 IT 本地 远程 云 企业 联合IT 软件 数据流 实时数据动态数据早期数据静态数据归档 大模拟数据挑战包括传感 器和激励器 数据采集和分 析系统以及IT基础设施 射频仪器的软件无线电化 现代射频仪器已经从单纯的测量设备发展成为重要的系统设计工具 这种发展得益于软件 无线电 SDR 引发的各种技术 软件无线电所具有的灵活性正在掀起无线通信行业以及射 频测试仪器的变革 20世纪80年代末 工程师们开始尝试软件无线电构想 过去 无线电需要依赖于复杂模拟电路才能发送和接收射频和微波信 号以及实现对信息信号的编码和解码 软件无线电的最初构想 是使用通用无线电来进行信号发送和接收 同时在软件中执行 多个物理层功能 如调制和解调 Walter H W Tuttlebee 在其发表的文章Software Defined Radio Origins Drivers and International Perspectives中写 到 软件无线电最初的一些典型应用包括军用无线电通信项 目 比如20世纪90年代初的SPEAKeasy项目 在该项目的设 计中 通过在软件中开发许多调制和解调功能 无线电为各种 无线接口之间提供了互操作性 然而 到了90年代末 工程师们开始积极研究软件无线电技 术在商业系统的应用 如蜂窝基站 其中阐述越来越多应用 的软件无线电需求的一篇最有影响力的论文是Joseph Mitola III博士于1993年发表在IEEE Spectrum的Software Radios Survey Critical Evaluation and Future Directions Mitola博 士也由于其广泛的研究而被称为 软件无线电之父 最能够体现软件无线电方法的优势也许是现代基站 随着无线 标准从GSM演变到LTE 通过硬件来增加对新标准的支持变得 日益困难 此外 基站是通过复杂且不断更新换代的软件来进 行信号处理和闭环控制 例如 功率放大器 PA 线性化技术 如数字预失真 DPD 对基站的性能至关重要 并且随着时间 的推移不断发展 因而 软件无线电方法成为基站设计和维持 长期支持性的理想选择 仪器的根本变革 与此同时 软件无线电架构正日益广泛地应用于无线行业 射频测试和测量设备正在经历一个重大的转折 21世纪初 新 无线标准的问世要求仪器能够提供更加丰富的测量功能 因而 也要求架构更加灵活 由于这需要大量的射频测量工程师才能 实现 过去针对少数应用专门设计仪器的做法已经变得不切实 际 因此 测试厂商开始探索软件定义射频测试设备的概念 传统扫频调谐频谱分析仪的发展是整个行业过渡到软件定义仪 器系统最典型的例子之一 在传统的频谱分析仪中 分辨率带 宽滤波和功率检测等功能是基于模拟组件来实现的 然而 今 天的现代射频信号分析仪通过集成通用射频下变频器 无线 电 来生成数字化I Q采样 该仪器能够使用频谱计算等多种 方法来处理I Q采样数据 因此 可能用于执行光谱测量的同 一信号分析仪还可以用于解码RADAR脉冲 解调LTE信号或甚 至无线记录GPS信号 如今 测试厂商已经进一步完善射频仪器架构 以不断趋近于 软件无线电架构 新一代射频仪器的基本架构不仅结合了通用 无线电 还结合了广泛的PC和信号处理技术 如多核CPU和 FPGA 今天 RF测试设备的软件无线电化为传统RF测试应用 提供了显著的优势 同时也帮助工程师实现了以前无法用射频 仪器实现的应用 摩尔定律对射频测试的影响 仪器信号处理性能的不断提高是将PC技术集成到RF仪器的最 明显优势之一 摩尔定律预测CPU的处理能力将不断提高 这 意味着仪器的处理性能也会不断提高 因此 由于CPU厂商不 断更新处理器技术 基于PC的仪器的测量速度也不断加快 例 如 十年前需要50 ms的频谱测量现在只需5 ms即可完成 除了CPU 现代射频仪器也逐渐集成了现代软件无线电的核心 技术 FPGA FPGA应用于射频仪器已经有十多年 当今一 个不断发展的趋势是让仪器的FPGA实现用户可编程 用户可 编程的FPGA将仪器的作用从单一功能设备扩展为无限灵活的 闭环控制系统 随着当今支持FPGA的仪器的出现 工程师可以将FPGA的实时 控制功能与对于时间要求极其严格的测试功能相结合 例如 在需要通过数字接口实现设备控制的测试应用中 支持FPGA的 仪器可以同步执行数字设备控制与射频测量 基于用户可编程的 FPGA提供的新测试方法 工程师们的测试时间提高了100倍 支持FPGA的工具也推动了FPGA编程的巨大创新 尽管一些工 程师多年来一直使用VHDL等硬件描述语言 但FPGA编程的复 杂性为该技术的广泛应用带来重重障碍 软件无线电推动FPGA的应用 今天 RF仪器中类似于软件无线电的架构元素已经模糊了传统 仪器和嵌入式平台之间的界限 定义仪器的特性 如用户可编 程的FPGA 使得RF仪器日趋广泛地用于嵌入式应用中 二十年前 将价值上百万美元的RF信号发生器和射频信号分析 仪组装在一起来开发雷达系统的原型似乎令人难以想象 这种 系统不仅成本高昂 规模巨大 而且复杂的编程体验也令工程 师望而生畏 不愿使用无线通信设备之类的仪器 然而现在 PXI等体积更小巧 功能更强大的基于PC的仪器平 台成为了电子嵌入式系统的理想原型解决方案 基于PC的仪器 不仅能满足嵌入式系统的尺寸和成本要求 同时也为工程师提 供了一种可以重新配置RF仪器 从而实现RF仪器的广泛应用 的良好软件体验 所以 工程师开始使用射频信号发生器和分 析仪来设计雷达 信道仿真器 GPS记录仪和DPD硬件等嵌入 式系统 使用软件来充分定义和定制RF仪器行为的这一能力已经成为解 决下一代测试挑战的关键 因此 未来的RF仪器架构将越来越 难与软件无线电架构区分开来 Today test vendors have further refined the architectures of RF instruments to increasingly resemble that of the SDR 软件无线电化的仪器 灵活的射频前端 集成的接收端 可使用的DSP技术 NIST可追踪的校准 测量算法 自动化 API SDR 仪器 定义属性 定义属性 现代软件无线电化的仪器 具有许多软件无线电和传统 仪器共同的定义属性 转变思维方式 系统级设计的发展 简单来说 计算模型是解决复杂问题的的其中一种语言或开发方式 无论是新可再生能源 的探索还是晚期癌症的研究 当今工程师正在面临着复杂度日益升级的各种问题 因此 一个解决方案有时需要集成多种计算模型 然而多数情况下 工程师通常只接受过一种开 发语言的培训 为了高效和有效地解决这些日益复杂的难题 当今工程师的思维模式必须 有所转变 系统设计的传统方式 当今的复杂设计往往涉及多个知识领域 我们将信息物理系统 比作智能家电 这一不再 简单 的应用所需的领域知识包括 射频标准 功率管理 物理设计 散热 图像采集和分析 还 可能涉及视频质量 传统测试中 每个功能都需要不同领域专 家采用不同工具进行测试 使得专家之间存在着知识隔阂 每 个专家只专长于自己的语言 工具之间没有任何共通之处 从 而导致这些语言的集成不仅难度大成本高费时长 而且对所设 计的系统没有产生真正的价值 工具的多样性也大大限制了系统的可扩展性 而且当某个领 域的组件更换时 必须再次花费时间进行集成 因而无法实 现模块化这一特性 当然 如果每个特定领域的开发人员能 够牢记总体设计要求 这种情况也可以避免 但即使这样 也同样需要方法的转变 在Edward Lee发表的文章Taming Heterogeneity the Ptolemy Approach中 他把某个模型的 创建者无法正确预期该模型与其他语言的集成需求作为一个突 发行为来讨论 突发行为的一个例子就是实时操作系统线程间的优先级反转 该情况下 线程交互使用两种不同的通信机制 基于管程的互 斥和固定优先级调度机制 独立来看每个机制 设计人员当然 希望当高优先级线程准备就绪时 线程调度器能够抢占低优先 级线程 相反 通过锁定管程 低优先级线程也可以无限时间 地阻断高优先级线程 超出工具的专业知识来正确预测集成需求是非常困难的 而且 这也给开发人员带来困扰 因为他们现在需要学习和思考其专 业领域之外的需求 而不同领域工具之间缺乏互操作性则使得 实现这一想法变得更加困难 系统设计所需的变化 解决这些复杂的设计应用需要开发人员在系统设计时转变思维 模式 不同领域专家由于过于专注于各自的开发语言 而且预 期不会有一种统一的语言能够取代它们 与此相反 开发人员 需要一种更高级别的软件工具 能够提供超出特定领域工具的 抽象级别 例如 工程师可以使用NI LabVIEW等系统设计软 件来集成不同的计算模型 包括C代码 自定义 m文件和UML 标准状态图 促使生产力提高的根本在于对不同计算模型的集 成细节进行抽象 而不是逐一改造设计这些模型 纵观整个编程历史 软件抽象通过减少无关细节来不断提高开 发人员的生产效率 从机器代码到FORTRAN BASIC到C C 到C 每个抽象级别都不断提高了开发人员开发更复杂应用 的能力 而且不会牺牲对每个组件的控制能力 在系统设计中 采用抽象的软件方法也可以实现这一优势 该方法使得领域专 家既能够用他们偏好的工具开发各自的组件 还能够通过可支 持每个计算模型的统一系统设计工具来实现互相合作 从概念 上讲 这就是集成的自动化 原型和仿真自动转换为测试案 例 从而打破了各个领域知识之间的隔阂 拥有一个能够使用不同领域设计工具语言的抽象软件工具可减 少系统集成所需的成本和时间 这种多语言软件方法对于提升 复杂设计的生产力以及应对日益严峻的挑战至关重要 下图显 示的是代码的可视化表示方法 每个 块 在功能上代表使用某个标准工具所开发的代码 比 如用 NET开发的C代码 用MathWorks公司的MATLAB软件或 者GNU Octave软件开发的m代码 以及用VHDL开发的FPGA 代码 每个代码模块都是由领域专家使用他们精通的工具进行开 发 抽象层用于集成这些模型 虽然每个块在功能上代表使用偏 好工具所开发的代码 但是系统设计软件能够从逻辑上将这些模 块合并成一个功能范式 从而将系统作为一个整体来运行 TIME FOR CHANGE变革的时候到了 在当今需求和技术日新月异的市场中 用于解决日益复杂问题 纵观编程的历史 软件抽象通过减少无关 细节来不断提高开发人员的生产效率 的工具并没有跟上变化的步伐 因此 即使工程师付出比正常 更多的努力 仍是落后于时代的变化 工程师不仅需要能够掌 握复杂系统开发所需的多种计算模型 还需要理解不同开发语 言集成需求的变化 系统级设计方法的发展使得每个领域专家 能够正确地选择工作所需的最佳工具 并将这些工具集成至一 个统一的整体系统 更令人兴奋的是 无论开发人员的技能水 平如何 他们都可以选择最合适的开发方法 对于工程师而 言 这才是衡量生产效率的真正标准 c vi m bit 系统级设计的发展需 要具有能够抽象多个计算 模型并可同时使用这些模 型的软件 这将使您能够 在熟悉的环境中选择最佳 的语言开发每一个应用组 件 而且您无需了解每个 组件的细节即可将不同组 件集成起来 使用移动设备作为测试测量和控制系统 的远程用户界面 移动计算时代已经全面到来 现在人们每天使用智能手机和平板电脑来完成各种任务 平 板电脑的销量将很快超过PC的销量 2010年年初当苹果宣布iPad时许多评论家都还认为 这只是一个幻想 想想我们是如何快速地将最近的新兴技术融入我们的日常生活中 似乎 一切都变得非常容易 在这个日新月异的社会中 了解移动技术对测量与控制系统可 能带来的影响 尤其是这些系统的用户期望 已经成为系统设 计的一个挑战 通过认识到将移动设备添加到系统中的优势以 及承认其局限性 工程师可以明智地确定为什么以及如何应用 移动技术来节省时间和成本以及满足客户和用户的期望 随时 随地 任意设备 在通常被称为 IT消费化 的技术中 人们在日常生活中的技 术体验推动着工作场所对这些技术的需求 说起移动设备 我 们现在口袋和钱包中装着各种外形美观 功能强大的计算机来 实现各种任务 我们不再需要亲自去银行甚至无需坐在台式电 脑前就可查询帐户余额 我们在超市里排队等候时通过智能手 机即可达到这一目的 这种随时随地就可通过任意设备访问银 行等系统的能力正是我们期望所有系统所具有的 Nest Learning Thermostat是一种通过网络连接的家用恒温 器 可学习家庭居住者的生活规律 并自行编程 从而降低了 能耗和费用 首先 Nest Learning Thermostat用户通过物理 调温器本身与系统交互 物理调温器负责监视 配置和控制系 统 接着用户通过移动设备上的网络浏览器或Nest Mobile与 恒温器进行远程互动来监测家里的温度 并对Thermostat的既 定时间表进行调整 Nest用户可以随时随地通过手持的任何设 备来监测和控制系统 具有多个访问口的联网用户界面 UI 已经成为现代系统的标 志 从家用数字视频录像机 DVR 到现代汽车 这些例子数不 胜数 这些系统使得用户可以选择何时 何地通过何种方式与 系统交互 随着触摸屏和高级图形功能的发展 移动设备成为 构建远程UI功能的理想平台 高速4G LTE网络和几乎无处不在 的WiFi等无线技术的进步使得使用移动设备作为远程用户界面 更具吸引力 在测量和控制系统中的应用 与消费系统一样 这一现代UI架构通过为用户提供远程移动访 问大大提高了测试测量和控制系统的价值 为了更好地理解移 动设备作为远程用户界面的应用 可以将有该需求的系统用户 分为三类 操作人员 技术人员和管理人员 操作人员通常是通过物理方式直接与系统进行交互 取决于系 统的安全关键性 UI硬件和系统之间采用有线连接可能是最合 适的方式 例如作为系统的主处理元件或者连接到其他测量和 控制设备的个人电脑或触摸屏计算机 或者连接到系统中具有 显示能力的简单显示器 技术人员通过一个便携式设备来维护一个或多个系统 该设备 可能是一台笔记本电脑 平板电脑或智能手机 设备运行的软 件可让他们进行系统状态检查和问题调试 技术人员通过物理 USB连接 WiFi 蓝牙 蓝牙LE或其他无线自组网络来将设备 连接到系统 使用无线连接时 技术人员必须准确地知道便携 式设备连接的是哪个系统 实现这一需求常见的策略包括采用包含IP地址或其它特定系统 标识符的RFID芯片 条形码或QR码 管理人员需要从距离系统较远的工厂位置 家里或世界各地监 控一个或多个系统的状态 为了实现这个目的 基于Web浏览 器的用户界面或移动应用程序正是为设备提供系统访问灵活性 的最佳选择 实现这一目的的另一个要求是处于企业网络之外 的设备也能够访问企业网络内的系统 虽然VPN连接能够满足 这一要求 但更好的选择可能是通过中间服务器来实现系统与 远程用户界面之间的数据交换 架构和实现 在构架和实现以移动设备作为远程用户界面的系统中 系统设 计人员需要了解各种技术并进行取舍 比如用户的数量和他们 可能不熟悉的性能要求 实现这一架构的最佳选择时基于软件 的测量和控制系统 因为它能够支持不同的类型连接 该核心 系统软件必须开放远程监测和控制接口 开放这些接口中最常 用的方法是通过Web服务这一开放远程API的标准 大多数编 程语言 包括C avaScript Objective C和图形化语言 均可以创建并连接到Web服务 远程应用程序和Web浏览器可连接至这些Web服务来监视和 控制系统 使用HTML5和JavaScript等工具来创建跨平台网 页 还是使用特定于平台的工具来创建iOS 安卓或Windows RT本机应用程序 取决于该系统所处的移动设备生态系统 如果系统需要连接各种设备 HTML5 JavaScript等跨平台 解决方案可能是最佳选择 如果系统需要支持的设备范围较 窄 或者需要特定设备的绝对最佳性能 则可选择用于iOS的 Objective C或用于Android的Java等特定于平台的方法 为用户提供的优势 具有多个访问点的现代UI架构 包括通过移动设备的远程访 问 大大提高了测量和控制系统的价值 技术人员只需携带一 个移动设备就可检查和调试多个系统的问题 从而简化了工作 流程和降低设备成本 当经理或工程师需要在关键时刻监视系统 时 他们无需位于系统旁 周末在家时或者在世界各地旅行时 通过身边的移动设备即可实现系统访问 通过实现随时随地系统 访问 移动设备可帮助系统用户生活得更轻松 更高效 装有网页浏览器 的台式电脑 装有网页浏览器 的笔记本电脑 装有移动应用程序 和网页浏览器 的平板电脑 装有移动应用程序 和网页浏览器 的智能手机 内置 UI LCD显示器 Web服务API Web服务服务器 核心系统软件 基于软件的系统由于其可 支持不同的类型连接而成为 现代UI架构的最佳选择 掀起工程教育的改革浪潮 一个人仅需专注于某个工程或科学领域的时代即将终结 设计完整集成系统的时代正在向 我们走来 看看消费品对日常生活的影响 今天的汽车通过70多个嵌入式控制器来调整行 驶中发动机的性能 有些汽车还可以拨打和接听电话 提供导航以及自动驾驶和停靠 基 本款手机已经被时代所淘汰 现在每个人口袋里揣的都是智能手机 这些手机拥有数以 百万计的应用程序 并能够无线连接到越来越多的设备 甚至在外出休假时 您可以通过 智能手机的应用程序来控制家庭安全和照明 类似的例子不胜枚举 那么 从当今的创新中你能学到什么来帮助完善科学 科技 工程和数学 STEM 教育 让未来的工程师为应对将来的严峻 挑战做好准备 首先 我们思考一下当今科技创新的组成部分 来理解创新的 推动力到底是什么 处理功能丰富多样 多核处理器和FPGA等现代技术使得系统 能够在纳秒内处理信号和执行运算 处理器的成本不断降低 速度不断提高 这使它们能够运用到比以往更多的产品中 传感器愈加智能 将物理现象转化为电子信号这一技术为数 以百万计的应用打开大门 传感器赋予了电子系统以听觉 视 觉 触觉和行动力 从而实现了无数决策的自动化 软件就是工具 硬件不再仅仅只是物理设备 软件可让硬件 的功能更加丰富 将硬件变成任何你能想象到的设备 智能手 机就是一项科技创举 它将所有功能都装进巴掌大的设备中 但是我们都知道应用程序才是这一革命的真正推动力 世界是无线连接的 现在在大多数发达地区 互联网已经无 处不在 它能将不同地点的人和设备连接起来 长期以来 笨 重繁杂的电线一直是电力工程师的困扰 而今年来无线通信协 议和低功耗需求所取得的进步使得该困扰不复存在 尽管上述所有部分都是独立进行变革的 但是这些部分的组合 却带来了更大的创新 将通信 计算和控