第7講-虛擬儀器技術的發(fā)展與應用

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虛擬儀器技術的最新發(fā)展與應用回顧:虛擬儀器系統(tǒng)架構系統(tǒng)管理軟件測控系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境模塊化儀器驅動內部儀器總線模塊化儀器分立式儀器總線分立式儀器現成儀器驅動IVI或VISA+底層接口驅動核心:以軟件定義的模塊化架構PC處理器軟件模塊化儀器/分立儀器信號總線原始數據用戶自定義功能配置應用領域結構健康監(jiān)測節(jié)能減排自然環(huán)境監(jiān)測混合信號測試水質處理風能發(fā)電電能質量檢測樓宇資源監(jiān)控核能工程通信工程虛擬現實生物醫(yī)電太陽能電池板機器人開發(fā)…案例1:風洞測試系統(tǒng)命令反饋平衡模型控制電機折流板探針/傳感器風扇平衡折流板控制數據采集數據采集測量與控制單元航空風洞測試系統(tǒng)中的測量與控制數據采集系統(tǒng)連接應變、壓力、溫度傳感器采集數據模型控制系統(tǒng)模型的平衡控制等折流板控制系統(tǒng)控制折流板及位于其上的探針位置航空洛克希德·馬丁F-35戰(zhàn)斗機的風洞測試洛克希德·馬丁基于PXI和LabVIEW開發(fā)的風洞測試系統(tǒng)(機柜部分外觀)控制:控制風機產生合適的流型折流板方向控制分布于機身的傳感器數據采集分布于折流板的傳感器數據采集測試測量:測量數據控制信號航空案例2:PCB板功能測試(FCT)系統(tǒng)霍尼韋爾公司某測試項目需求

構建一套安防類產品PCB板功能測試系統(tǒng),實現對音視頻以及各種靜態(tài)參數(電壓,電流,頻率)的綜合性全自動測試對于新開發(fā)的PCB板,不需要頻繁更換測試硬件,只需添加制作新的測試夾具,重新連接線路,并修改軟件即可電子具體I/O需求

多路雙向高速I/O實現對測試治具狀態(tài)監(jiān)測模擬I2C等協(xié)議,實現對PCB板上芯片的時序控制多路模擬量輸入輸出模擬一些波形信號作為PCB板的的輸入信號可實現頻率、波形采集視頻/音頻信號的產生、采集分析RS232,RS485串口,實現串口協(xié)議通信可編程控制的數字萬用表(DMM)以及可編程電源多通道可控制開關陣列,方便實現對信號通斷控制電子基于PXI平臺的硬件部分遠程控制器直流參數測量模擬輸出數字I/O串口視頻采集模擬信號采集/頻率分析視頻信號生成開關電子軟件部分靜態(tài)參數顯示直流電壓,電流,數字端口狀態(tài)等視頻測試PXI信號源產生視頻信號經待測PCB編解碼后,通過網絡傳輸并在測試終端顯示音頻測試檢測PCB的Audio-Out端輸出波形的頻率與幅值合格率計算,信息提示…程序基于LabVIEW“時間+狀態(tài)機”結構實現電子機柜布局機柜尺寸:2mx1.2mx1.4m布局(從上到下)PC顯示器視頻監(jiān)視器PC機(作為PXI系統(tǒng)遠程控制器)測試夾具PXI系統(tǒng)電源電子案例3:視頻DAC芯片測試半導體凌陽科技DAC數字信號模式選擇模擬信號數字萬用表測量電壓更換不同負載多路復用器高速數字I/O供電可編程電源軟件部分通過NILabVIEW集成完整測試系統(tǒng)模塊化儀器的配置、參數設置選擇測試模式控制開關順序和測試流程記錄數據,生成報告半導體采用虛擬儀器架構的優(yōu)勢電壓測量速度顯著提高不再受限于GPIB數字萬用表的數據傳輸速度單步電壓測試僅用33ms,全部項目僅用20分鐘（如果采用分立儀器，每步電壓測量時間約1秒，單通道需10.5個小時）減少人工干預不再需要測試人員手動切換測試模式，也不需要手動更換負載電阻總成本降低、體積減小開發(fā)方便、易于升級和維護半導體虛擬儀器技術的進一步發(fā)展PC處理器軟件模塊化儀器/分立儀器信號總線原始數據用戶自定義功能配置多核處理器的廣泛運用軟件自定義范圍從處理器進一步拓展到模塊化I/O的數字后端總線技術的發(fā)展虛擬儀器技術的進一步發(fā)展PC處理器軟件模塊化儀器/分立儀器信號總線原始數據用戶自定義功能配置多核處理器的廣泛運用多核處理器的應用IntelC2DQ9100四核處理器更高主頻的處理器

多核處理器要想充分發(fā)揮并行處理器的性能，軟件就必須能夠處理并發(fā)性(concurrency)的問題

——BillGates LabVIEW對多核的支持圖形化的方法可以直觀地實現多線程編程LabVIEW會自動創(chuàng)建多個線程，并分配到不同的核上從1998年開始就支持多線程任務并行數據并行多核系統(tǒng)流水線多核程序設計模式1——任務并行根據執(zhí)行功能進行分解，獨立任務可以同時執(zhí)行任務間沒有數據相關與依賴性LabVIEW代碼結構可直接反映出執(zhí)行功能的并行性LabVIEW自動識別平行代碼并分配多線程執(zhí)行并行任務的結構可被LabVIEW自動并行化，無需代碼修改即可在多核系統(tǒng)上獲得性能提升多核程序設計模式2——數據并行根據數據進行分解，各數據塊執(zhí)行相同操作分塊數據間沒有相關性，各數據塊可被獨立處理合理拆分大數據塊或多通道信號以達到并行計算合理拆分矩陣或圖像，使子矩陣或子圖像處理并行執(zhí)行合理拆分多通道采樣信號數據，分別分析，但注意不要使拆分及合并操作成為新的“耗時大戶”結果數據塊CPUCore信號處理合并結果子數據塊1子數據塊2子數據塊3子數據塊4信號處理CPUCoreCPUCoreCPUCoreCPUCore信號處理信號處理信號處理多核程序設計模式3——流水線適用于循環(huán)中包含串行架構的應用例如：數據采集、濾波、分析與記錄模擬硬件流水線的特殊編程模式流水線模式可提高程序運算處理的吞吐量1234采集濾波分析記錄time1234采集濾波分析記錄t0t3t4t7多核程序設計模式3——流水線采集濾波分析記錄采集濾波分析記錄采集濾波分析記錄采集濾波分析記錄CPUCoreCPUCoreCPUCoreCPUCoretimet0t1t2t3t4t5t6LabVIEW中實現流水線流水線中，只有當一次循環(huán)中的所有執(zhí)行步驟都結束后，才會進入到下一循環(huán)數據流的開始與結束需要特別注意注意流水線的平衡串行方式流水線流水線注意事項決定流水線步驟時，考慮CPU的個數平衡每個步驟的處理能力，流水線的吞吐量由最耗時的處理步驟決定非平衡的流水線步驟

1(3秒)步驟2(1秒)步驟1(3秒)步驟2(1秒)串行方式

(總耗時4秒)流水線

(總耗時3秒)性能提升僅1.33倍

多核技術下的并行測控應用并行的數據處理(多核)并行的多線程軟件編程(多線程軟件：LabVIEW，TestStand)并行的數據傳輸和處理(PXIExpress和

FPGA)并行的UUT測試NILabVIEW多核應用舉例慕尼黑普朗克物理研究所的托克馬克系統(tǒng)用于核聚變研究控制算法中涉及復雜的偏微分方程及邊界條件計算利用LabVIEW的“數據并行”運算技術，在八核機器上完成對Tokamak裝置的等離子氣體流的實時控制已實現6倍的速度提升，通過算法優(yōu)化，計劃進一步提升到20倍虛擬儀器技術的進一步發(fā)展PC處理器軟件模塊化儀器/分立儀器信號總線原始數據用戶自定義功能配置軟件自定義范圍從處理器進一步拓展到模塊化I/O的數字后端FPGA技術使自定義范圍進一步擴展在模塊化架構下,通過引入FPGA技術,更加深入擴展自定義范圍.通過軟件定義可重復配置FPGA硬件的功能,真正實現用軟件自定義硬件電路的邏輯PC處理器軟件模塊化I/O測控系統(tǒng)信號總線原始數據用戶自定義功能配置FPGA——現場可編程門陣列片上I/O單元可編程互連單元可配置邏輯單元FPGA應用于測控系統(tǒng)的優(yōu)勢高可靠性–基于硬件實現實時性–確定性的算法執(zhí)行時間,時鐘周期可低至5ns可重復配置–根據具體應用對硬件進行重配置高處理能力–硬件級的計算和處理能力使更高的測量和處理速度成為可能并行執(zhí)行–通過硬件資源實現真正的并行任務和流水線處理,提高測試吞吐量基于FPGA的典型應用自定義觸發(fā)與采集連續(xù)的實時測量閉環(huán)控制與動態(tài)測試協(xié)議接口與仿真高處理能力并行執(zhí)行可重復配置高處理能力實時性可重復配置高處理能力并行執(zhí)行高可靠性實時性高處理能力并行執(zhí)行應用一:板載信號處理基于FPGA進行輸入數據的預處理相比于在主機通過軟件進行重采樣，可以將部分數據的預處理放在FPGA上完成，從而緩解主機CPU的開銷，使系統(tǒng)總體性能最優(yōu)案例:在線監(jiān)測中的實時信號處理監(jiān)測軸承運行狀況在FPGA上實現包絡解調和監(jiān)測功能可靠,穩(wěn)定,高效,成本低FPGA在線數字解調Sensor20KHzAD20kHz/50kS/s+90°Z-nxxx+20HzFFT20Hz/50S/s?f=0.0122Hz4kSamples20kHz/50kS/s應用二:自定義協(xié)議接口常見于航空航天和汽車電子行業(yè)MIL-STD-1553,ARINC-429,…CAN,MOST,KWP,1939,…用于自定義設備或專業(yè)保密設備常見要求硬件定時的速度和可靠性定制數字接口用于原型驗證和測試應用三:高速閉環(huán)控制傳統(tǒng)系統(tǒng)中的軟件決策硬件操作系統(tǒng)驅動API應用軟件運算ms級響應輸出UUT輸入較長的軟件響應時間應用三:高速閉環(huán)控制通過FPGA實現硬件決策硬件運算操作系統(tǒng)驅動API應用軟件ms

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ns*級響應UUT*取決于FPGA的時鐘速率輸出輸入更快的硬件響應更高的可靠性案例:NASAWebb太空望遠鏡測試Webb太空望遠鏡裝備了250,000多個微快門,用以觀察數以千計的遙遠星系微快門陣列測試系統(tǒng):利用FPGA控制磁鐵運動與電場開關的精確同步在一分鐘內開啟和關閉所有62,000個快門240次如果系統(tǒng)不同步，在幾分鐘內就將造成快門的損壞硬件采用帶有FPGA的I/O模塊案例:大型粒子對撞機的精確控制構建大型強子對撞機(LHC)，實現粒子束的光速對撞，偏離軌道的高速碰撞會產生毀滅性災難利用FPGA實現高能粒子的瞄準120臺PXI實現冗余控制借助步進電機快速、精確、同步排列石墨27km范圍內運動控制同步率達ms級歐洲核子研究中心(CERN)的LHC項目耗資38億美元,圓周長達27km,位于法瑞邊界地下150m深處RIO技術簡化了測控系統(tǒng)中FPGA的使用

優(yōu)勢不需要設計外圍電路不需要掌握HDL語言知識快速與測試系統(tǒng)集成(數據傳輸,同步…)軟件:直觀的LabVIEWFPGA編程方式簡化了FPGA的開發(fā)硬件:多種現成可用的帶有FPGA的可重配置硬件部分集成了FPGA的NI模塊化儀器平臺基于PXI的R系列多功能數據采集卡基于PXI的NIFlexRIO前端I/O適配器模塊可自定義NICompactRIO嵌入式平臺集成嵌入式實時控制器可選不同的I/O模塊小巧堅固,適合嵌入式應用及特殊環(huán)境應用可重配置的FPGA數字與模擬I/OPXI總線:與處理器數據傳輸,同步直觀的LabVIEWFPGA圖形化編程ABCDFEYWXZF={(A+B)CD}E直觀的LabVIEWFPGA圖形化編程舉例:快速控制決策——200kHz的閉環(huán)控制基于FPGA的控制單個PID~200kHz基于FPGA的控制四個PID循環(huán)~200kHz綜合應用:硬件在環(huán)仿真(HIL)受控對象模型受控對象控制器(UUT)閉環(huán)系統(tǒng)期望響應控制信號實際響應數學模型+I/O在將控制器投入到實際系統(tǒng)前,先通過一個能夠模擬受控對象行為的仿真系統(tǒng)來驗證控制器.在硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)中，FPGA往往用于傳感器仿真(相當于自定義協(xié)議接口及在線信號處理)以及執(zhí)行仿真模型中的高速部分綜合應用:機器人FPGA在機器人應用中的作用連接部分傳感器實時將傳感器信號解析成有效的物理量參與算法運算（在線信號處理）實現與某些傳感器之間的特殊通信協(xié)議（數字協(xié)議接口）高速實時控制對于各關節(jié)處電機的高速實時控制由上海電氣開發(fā)的世博服務機器人采用NICompactRIO作為機器人的“小腦”，負責路徑規(guī)劃、運動控制等虛擬儀器技術的進一步發(fā)展PC處理器軟件模塊化儀器/分立儀器信號總線原始數據用戶自定義功能配置總線技術的發(fā)展回顧:PXI總線基于PCI數據傳輸技術,帶寬132MB/s（共享）PXIExpressPXIExpress－將PCIExpress融合到PXI中PCIExpress數據傳輸總線顯著擴展帶寬高達2GB/s每槽專屬帶寬提升的總線帶寬擴展全新應用領域需要PCI帶寬的PXI應用通用的自動化測試(DMMs,矩陣開關,基帶儀器等)通用的數據采集(AI,AO,DIO,etc)總線接口(CAN,1553,ARINC,etc)運動控制需要PCIExpress帶寬的PXI應用高采樣率，高分辨率的IF/RF系統(tǒng)多路高速數字I/O高通道數數據采集高速圖像處理高速數據流盤混合插槽的定義保證兼容性32bitCompactPCI板卡PXIExpress板卡混合插槽兼容PXI-1模塊PXIExpress進一步增強了定時與同步性能PXI觸發(fā)總線(8TTL觸發(fā))PXIExpress系統(tǒng)控制器星型觸發(fā)100MHz差分時鐘差分星型觸發(fā)線PXIPXIExpressSYNCControlSYNC10010MHzCLKPXIExpress

系統(tǒng)定時插槽PXIExpress混合外圍模塊PXIExpress混合外圍模塊PXIExpres混合外圍模塊PXI-1外圍模塊Peer-to-PeerStreaming進一步擴展系統(tǒng)帶寬輸入處理輸出處理輸入輸出處理1GigaBytes/s1GigaBytes/s1GigaBytes/s1GigaBytes/s1GigaBytes/sPeer-to-PeerStreaming進一步擴展系統(tǒng)帶寬通過PXIExpress背板可進行高達800MB/s的Peer-to-PeerStreaming應用案例:軟件無線電系統(tǒng)基于PXIExpress總線,可以將RF下變頻后采獲的數據直接傳遞到FPGA模塊上進行數字信號處理,處理速度相比原先方案可提高10倍綜合用到了基于FPGA的實時信號處理PXIExpress總線帶來的Peer-to-PeerStreaming數據傳輸技術吞吐量可進一步提升PCI(32-bit,33MHz)1stGenerationPCIExpress2ndGenerationPCIExpress3rdGenerationPCIExpress利用PCIExpress技術的進一步發(fā)展模塊化儀器的頻率不斷提升模塊化的PXI射頻儀器目前最高可達26.5GHzRF信號發(fā)生器與分析儀微波開關放大器/衰減器矢量網絡分析儀功率計基于FPGA的I/O與協(xié)處理器多核處理器高度模塊化的軟件與硬件應用案例:頻譜監(jiān)測系統(tǒng)基于PXI平臺緊密集成的頻譜監(jiān)測系統(tǒng),不僅提高了掃頻速度,同時可以通過軟件快速實現了各種新的捕獲和定位算法由上海聚星儀器公司開發(fā)的無線頻譜監(jiān)測系統(tǒng)用于通信原理學習與驗證的平臺NIUSRP內置上/下變頻單元與中頻/基帶信號處理單元結合LabVIEW調制工具包等軟件可快速實現現代通信系統(tǒng)中的調制解調、信道編碼解碼等功能通過真實硬件與射頻鏈路進行驗證，加深對所學知識的理解通過以太網線連接PC小結虛擬儀器技術廣泛應用于各個行業(yè)和領域虛擬儀器技術的一些最新發(fā)展多核處理器技術的廣泛采用通過FPGA技術將自定義的范圍進一步拓展到模塊化儀器的數字后端總線技術的發(fā)展模塊化儀器的頻率范圍不斷突破課程總結介紹了虛擬儀器技術的基本概念、工作原理、關鍵技術和實際應用希望同學們全面了解測控技術領域前沿的技術發(fā)展與應用，開拓視野，為今后的科研和工作打下一定基礎學習LabVIEW編程及數據采集硬件操作通過實踐加深理解虛擬儀器系統(tǒng)構建的軟硬件要素掌握虛擬儀器系統(tǒng)中的軟件編程與模塊化硬件使用接下