使用NI公司PXI和LabVIEW實(shí)時(shí)模塊有效簡(jiǎn)化硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)

1、使用NI公司PXI和LabVIEW實(shí)時(shí)模塊有效簡(jiǎn)化硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)    許多年來(lái)，航空和汽車(chē)設(shè)計(jì)工程師們使用半實(shí)物仿真設(shè)備來(lái)縮短開(kāi)發(fā)周期。他們可以對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行高速仿真，并與現(xiàn)有硬件的輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，進(jìn)而以前所未有的效率進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。隨著這類(lèi)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)流程中逐漸扮演起關(guān)鍵的角色，提出了一個(gè)新需求就是以具有成本效益的方式實(shí)現(xiàn)非常靈活而高性能的半實(shí)物設(shè)備。基于開(kāi)發(fā)時(shí)間、成本和維護(hù)的考慮，這些設(shè)備需要具有可以集成多個(gè)開(kāi)發(fā)商技術(shù)和使用即時(shí)可用部件的能許多年來(lái)，航空和汽車(chē)設(shè)計(jì)工程師們使用半實(shí)物仿真設(shè)備來(lái)縮短開(kāi)發(fā)周期。他們可以對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)

2、計(jì)模型進(jìn)行高速仿真，并與現(xiàn)有硬件的輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，進(jìn)而以前所未有的效率進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。隨著這類(lèi)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)流程中逐漸扮演起關(guān)鍵的角色，提出了一個(gè)新需求就是以具有成本效益的方式實(shí)現(xiàn)非常靈活而高性能的半實(shí)物設(shè)備?；陂_(kāi)發(fā)時(shí)間、成本和維護(hù)的考慮，這些設(shè)備需要具有可以集成多個(gè)開(kāi)發(fā)商技術(shù)和使用即時(shí)可用部件的能力。美國(guó)國(guó)家儀器有限公司的PXI和LabVIEW 平臺(tái)則為我們提供了一個(gè)理想的解決方案。我們的客戶(hù)，Thales Canada公司的航空部門(mén)，主要致力于設(shè)計(jì)現(xiàn)代的電子飛行控制器，他們需要使用半實(shí)物系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具進(jìn)行戰(zhàn)略性的更新。該系統(tǒng)需要確定性地集成數(shù)百路數(shù)據(jù)通道以及一個(gè)包含可以在

3、十個(gè)以上計(jì)算節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行設(shè)備模型的系統(tǒng)。這些節(jié)點(diǎn)間的相互依賴(lài)性還要求將計(jì)算或采集到的數(shù)據(jù)在全系統(tǒng)范圍內(nèi)發(fā)送同時(shí)具有10ms級(jí)的非常低的延時(shí)。為了獲得系統(tǒng)的瞬態(tài)參數(shù)，需要1kHz的閉環(huán)速率來(lái)同步采集所有的輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)模型計(jì)算更新所有的輸出和步驟。圖1.基于PXI 的硬件在環(huán)系統(tǒng)新型的半實(shí)物設(shè)備需要與未來(lái)的產(chǎn)品兼容，所以它必須是一個(gè)非常靈活的系統(tǒng)，可以將硬件資源和物理信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)結(jié)合，可以在無(wú)性能損失的情況下對(duì)高達(dá)2000 路通道進(jìn)行操作，而且在為新的測(cè)試設(shè)定而重新配置時(shí)擁有魯棒而健全的系統(tǒng)完整性檢查功能。圖2.用于系統(tǒng)配置的虛擬儀器解決方案還需要將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡的記錄，并且通過(guò)多址接入控制的

4、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)一個(gè)同樣靈活的和動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)圖解和表格數(shù)據(jù)查看功能。Thales公司的工程團(tuán)隊(duì)詳細(xì)的描述了所有的性能指標(biāo)，并且將系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)任務(wù)外包給了Averna 公司。Averna 公司對(duì)于這一整套富有挑戰(zhàn)性的指標(biāo)的解決方案如下所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在5 個(gè)月內(nèi)交付的嚴(yán)格時(shí)間表和具有高度成本效益的需求，進(jìn)一步增加了這個(gè)在技術(shù)上已經(jīng)十分具有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)的限制條件。我們認(rèn)為NI公司的PXI 系列產(chǎn)品是實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的合適而優(yōu)秀的平臺(tái)。嵌入式實(shí)時(shí)控制器的可用性、用于模擬和數(shù)字I/O 端口的各種NI模塊、對(duì)于A(yíng)RINC-429、反射內(nèi)存卡和IRIG-B 同步電路板等第三方廠(chǎng)商的開(kāi)放性，以及使用LabVIEW

5、和LabVIEW Real-Time軟件可能帶來(lái)的快速軟件開(kāi)發(fā)，是整個(gè)工程解決方案中不可或缺的部分，將在下面的高級(jí)構(gòu)架中一一介紹。信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集由于場(chǎng)傳感器LVDT 和RVDT 產(chǎn)生的信號(hào)有著各種不同的、自定義的特性，我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自定義的信號(hào)調(diào)理硬件，用于放大信號(hào)，并且提供隔離以及同步采樣等功能。經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)被連到放在多個(gè)機(jī)架中的NI I/O 模塊上。PXI 平臺(tái)提供了必要的模塊功能和系統(tǒng)靈活性，以及精確的定時(shí)同步和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的分配。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的早期階段，我們成功地驗(yàn)證了一個(gè)滿(mǎn)容的PXI 機(jī)箱可以以1kHz 的速率進(jìn)行全速數(shù)據(jù)采集，而沒(méi)有任何吞吐量的瓶頸。對(duì)于TCP/IP、反射內(nèi)存以及

6、CPU中斷次數(shù)的吞吐量和確定性檢查也是成功的，這使得對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)的審查是十分成功的。應(yīng)用程序軟件系統(tǒng)配置如標(biāo)簽名稱(chēng)、硬件通道關(guān)聯(lián)、采樣速率、工程轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)校準(zhǔn)信息被保存在Windows 數(shù)據(jù)庫(kù)中。LabVIEW 軟件允許在針對(duì)具體設(shè)備測(cè)試的系統(tǒng)配置中，創(chuàng)建硬件資源和數(shù)據(jù)庫(kù)信息。一經(jīng)創(chuàng)建，將對(duì)配置進(jìn)行系統(tǒng)完整性和吞吐量需求的檢查，并且下載到PXI 節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊的嵌入式目標(biāo)上。LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并且利用PXI 定時(shí)模塊來(lái)同步所有的PXI 節(jié)點(diǎn)。Averna 公司為PXI-7831R 模塊開(kāi)發(fā)了個(gè)性化的FPGA 代碼，用于使用PXI 時(shí)鐘來(lái)產(chǎn)生A

7、RINC 收發(fā)器模塊所需要的IRIG-B同步信號(hào)。PXI實(shí)時(shí)控制器上運(yùn)行的時(shí)間臨界代碼與信號(hào)調(diào)理硬件進(jìn)行握手，并且確定性地采集輸入信號(hào)同時(shí)更新輸出信號(hào)，所有的I/O 操作在相同的時(shí)鐘沿上發(fā)生。仿真節(jié)點(diǎn)在十余個(gè)臺(tái)式機(jī)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行MathWorks公司的Simulink設(shè)備模型。所有的PXI 和仿真節(jié)點(diǎn)共享數(shù)據(jù)，通過(guò)反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行系統(tǒng)命令，確保節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)具有250ns 的低延時(shí)。我們利用LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊開(kāi)發(fā)了個(gè)性化的命令解釋器，來(lái)通過(guò)反射內(nèi)存提供遠(yuǎn)程的CPU 中斷和程序觸發(fā)功能。LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊和PXI還利用相關(guān)的虛擬儀器，與若干個(gè)ARINC-429收發(fā)器進(jìn)行交互，提供通信、字定義和ARINC 加密功能等，如下圖所示。圖3.用于A(yíng)RINC 字定義和加密的虛擬儀器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所有測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)靜態(tài)的反射內(nèi)存環(huán)緩沖器，實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)?，F(xiàn)在，數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)蕉鄠€(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，來(lái)查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并且記錄數(shù)據(jù)用于測(cè)試分析?；贚abVIEW 的虛擬儀器使得工程師們可以靈活地定義圖形和表格數(shù)據(jù)查看功能的顯示效果，如圖4所示。圖4.圖形和表格數(shù)據(jù)查看功能結(jié)論我們提出的解決方案成功地集成了各種技術(shù)產(chǎn)品，在高度模塊