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The Challenge: 創(chuàng )建一個(gè)硬件在環(huán)平臺，該平臺有著(zhù)每秒重復1000次的確定性循環(huán)速率，可以管理數以千計的I/O端口，可以適應高達2000路通道而沒(méi)有性能的損失，集成多于10個(gè)可以實(shí)時(shí)運行設備模型的節點(diǎn)，并且以千萬(wàn)分之一秒的定時(shí)抖動(dòng)共享仿真和I/O數據。所有需要實(shí)現的功能都要求嚴格的完成時(shí)間表和具有很高的成本效益。 The Solution: 使用多個(gè)NI PXI機箱和各種具有模擬和數字I/O端口的NI 模塊、ARINC-429硬件，集成在微軟Windows平臺上開(kāi)發(fā)的高效LabVIEW和LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊，以及由反射內存卡和TCP/IP組成網(wǎng)絡(luò )的PXI節點(diǎn)。 "PXI、LabVIEW和LabVIEW實(shí)時(shí)模塊是成功的關(guān)鍵因素。它們使我們創(chuàng )建了靈活的、高吞吐量而且低延時(shí)的半實(shí)物系統，同時(shí)節省了20萬(wàn)美元的實(shí)現成本和幾個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間。" 許多年來(lái)，航空和汽車(chē)設計工程師們使用半實(shí)物仿真設備來(lái)縮短開(kāi)發(fā)周期。他們可以對新產(chǎn)品的設計模型進(jìn)行高速仿真，并與現有硬件的輸入和輸出信號進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，進(jìn)而以前所未有的效率進(jìn)行反復設計和驗證。隨著(zhù)這類(lèi)系統在設計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)現非常靈活而高性能的半實(shí)物設備�；陂_(kāi)發(fā)時(shí)間、成本和維護的考慮，這些設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。NI 公司的PXI 和 LabVIEW 平臺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)，主要致力于設計現代的電子飛行控制器，他們需要使用半實(shí)物系統對設計驗證工具進(jìn)行戰略性的更新。該系統需要確定性地集成數百路數據通道以及一個(gè)包含可以在十個(gè)以上計算節點(diǎn)上運行設備模型的系統。這些節點(diǎn)間的相互依賴(lài)性還要求將計算或采集到的數據在全系統范圍內發(fā)送同時(shí)具有10ms級的非常低的延時(shí)。為了獲得系統的瞬態(tài)參數，需要1kHz的閉環(huán)速率來(lái)同步采集所有的輸入數據，通過(guò)模型計算更新所有的輸出和步驟。 圖1.基于PXI 的硬件在環(huán)系統 新型的半實(shí)物設備需要與未來(lái)的產(chǎn)品兼容，所以它必須是一個(gè)非常靈活的系統，可以將硬件資源和物理信號進(jìn)行動(dòng)態(tài)結合，可以在無(wú)性能損失的情況下對高達2000 路通道進(jìn)行操作，而且在為新的測試設定而重新配置時(shí)擁有魯棒而健全的系統完整性檢查功能。 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1C6A.tmp.png 圖2.用于系統配置的虛擬儀器 解決方案還需要將所有的數據進(jìn)行詳盡的記錄，并且通過(guò)多址接入控制的計算機實(shí)現一個(gè)同樣靈活的和動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)圖解和表格數據查看功能。 Thales公司的工程團隊詳細的描述了所有的性能指標，并且將系統的技術(shù)設計和實(shí)現任務(wù)外包給了Averna 公司。Averna 公司對于這一整套富有挑戰性的指標的解決方案如下所示。 系統設計 在5 個(gè)月內交付的嚴格時(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)十分具有挑戰性的系統的限制條件。我們認為NI 公司的 PXI 系列產(chǎn)品是實(shí)現這個(gè)系統的合適而優(yōu)秀的平臺。嵌入式實(shí)時(shí)控制器的可用性、用于模擬和數字I/O 端口的各種NI 模塊、對于A(yíng)RINC-429、反射內存卡和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，將在下面的高級構架中一一介紹。 信號調理和數據采集 由于場(chǎng)傳感器LVDT 和RVDT 產(chǎn)生的信號有著(zhù)各種不同的、自定義的特性，我們設計并實(shí)現了自定義的信號調理硬件，用于放大信號，并且提供隔離以及同步采樣等功能。經(jīng)調理后的信號被連到放在多個(gè)機架中的NI I/O 模塊上。PXI 平臺提供了必要的模塊功能和系統靈活性，以及精確的定時(shí)同步和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的分配。在系統開(kāi)發(fā)的早期階段，我們成功地驗證了一個(gè)滿(mǎn)容的PXI 機箱可以以1kHz 的速率進(jìn)行全速數據采集，而沒(méi)有任何吞吐量的瓶頸。對于 TCP/IP、反射內存以及CPU 中斷次數的吞吐量和確定性檢查也是成功的，這使得對系統的關(guān)鍵設計的審查是十分成功的。 應用程序軟件 系統配置如標簽名稱(chēng)、硬件通道關(guān)聯(lián)、采樣速率、工程轉換和系統校準信息被保存在Windows 數據庫中。 LabVIEW 軟件允許在針對具體設備測試的系統配置中，創(chuàng )建硬件資源和數據庫信息。一經(jīng)創(chuàng )建，將對配置進(jìn)行系統完整性和吞吐量需求的檢查，并且下載到PXI 節點(diǎn)上運行LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊的嵌入式目標上。 LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊對整個(gè)系統進(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ARINC 收發(fā)器模塊所需要的IRIG-B同步信號。PXI實(shí)時(shí)控制器上運行的時(shí)間臨界代碼與信號調理硬件進(jìn)行握手，并且確定性地采集輸入信號同時(shí)更新輸出信號，所有的I/O 操作在相同的時(shí)鐘沿上發(fā)生。 仿真節點(diǎn)在十余個(gè)臺式機節點(diǎn)上運行MathWorks公司的Simulink設備模型。所有的PXI 和仿真節點(diǎn)共享數據，通過(guò)反射內存網(wǎng)絡(luò )執行系統命令，確保節點(diǎn)到節點(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)反射內存提供遠程的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。 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1C6B.tmp.png 圖3.用于A(yíng)RINC 字定義和加密的虛擬儀器 系統監測 所有測試數據通過(guò)靜態(tài)的反射內存環(huán)緩沖器，實(shí)時(shí)傳輸到遠程節點(diǎn)進(jìn)行存儲�，F在，數據可以傳輸到多個(gè)監測節點(diǎn)，來(lái)查看實(shí)時(shí)數據并且記錄數據用于測試分析�；�LabVIEW 的虛擬儀器使得工程師們可以靈活地定義圖形和表格數據查看功能的顯示效果，如圖4所示。 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1C6C.tmp.png 圖4.圖形和表格數據查看功能 結論 我們提出的解決方案成功地集成了各種技術(shù)產(chǎn)品，在高度模塊化的同時(shí)，通過(guò)在系統中添加更多的PXI機箱，可以適用于幾千路通道。PXI、 LabVIEW 和LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊是成功的關(guān)鍵因素。它們使我們創(chuàng )建了靈活的、高吞吐量而且低延時(shí)的半實(shí)物系統，同時(shí)節省了20 萬(wàn)美元的實(shí)現成本和幾個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間。 |
