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高可靠数采记录系统开发

高可靠数采记录系统开发. 议程. 高可靠系统综述 可靠硬件架构 可靠软件架构 可靠的系统集成. 软件和硬件设计. 硬件 —— 载体 实时嵌入式处理器 坚固可靠的硬件设计 软件 —— 核心 模块化设计：提高代码重用性 多线程设计：提高代码执行效率 状态机设计：提高代码可读性和可扩展性. 研制过程. 系统需求 软件需求分析 概要设计 详细设计 软件实现（软件重用性） 软件组装测试 软件确认测试 系统联机. 议程. 高可靠系统综述 可靠硬件架构 可靠软件架构 可靠的系统集成. 高 可靠 性来自什么？. 高 可靠 性来自什么？.

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高可靠数采记录系统开发

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Presentation Transcript

  1. 高可靠数采记录系统开发

  2. 议程 • 高可靠系统综述 • 可靠硬件架构 • 可靠软件架构 • 可靠的系统集成

  3. 软件和硬件设计 • 硬件——载体 • 实时嵌入式处理器 • 坚固可靠的硬件设计 • 软件——核心 • 模块化设计：提高代码重用性 • 多线程设计：提高代码执行效率 • 状态机设计：提高代码可读性和可扩展性

  4. 研制过程 • 系统需求 • 软件需求分析 • 概要设计 • 详细设计 • 软件实现（软件重用性） • 软件组装测试 • 软件确认测试 • 系统联机

  5. 议程 • 高可靠系统综述 • 可靠硬件架构 • 可靠软件架构 • 可靠的系统集成

  6. 高可靠性来自什么？

  7. 高可靠性来自什么？ • 来自高新技术 • 来自严格管理 • 硬件：载体、平台 • 软件：核心、灵魂

  8. 选择高性能开发平台 • 工业及军事环境要求 • 便携式要求 • 低功耗要求 • 实时信号处理要求

  9. NI CompactRIO开发平台 • Industrial Embedded Design Platform （工业级-嵌入式-系统设计平台）

  10. 工业级指标 • 工作温度 -40 ~ 70摄氏度 • 抗冲击高达50g，抗随机振动5grms，抗正弦振动5g • 劳埃德船级社（Lloyd‘s Register） 认证 • 总功耗小于20W • 危险区域应用等级Class I， Division 2；Class I，Zone 2

  11. CompactRIO认证和鉴定

  12. M 高可靠嵌入式系统 • 嵌入式系统：相对PC而言的，自主完成特定任务的计算机系统 下载程序 CRIO 上传数据 A

  13. NI CompactRIO 嵌入式系统架构 可重复配置写入的 FPGA 实时处理器 工业 I/O 模块 Connectivity Signal Conditioning  ADC • 工业I/O模块: 内嵌调理模块,可以直接连接传感器 • 可重复写入的FPGA: 用于为高速的和定制的I/O定时,触发,控制 • 实时处理器: 独立的决定性的处理和高级分析

  14. 实时控制器 800MHz MPC5200 处理器 512MDRAM内存 双电源接口提供 备用供电 9V-35V VxWorks实时操作系统 下几百个LabVIEW函数 覆盖信号处理，控制、 数据记录等功能 RS232串口，用以 连接外置设备 全速USB外置存储接口 内置2G闪存 100/1000M以太网口，内嵌 TCP,FTP,WEB,Modbus server

  15. 实时控制器 • 实时操作系统（VxWorks 和 Phar Lap） • “准”确： 程序循环的时间抖动（Loop Jitter）在µs量级， Windows操作系统的时 间抖动为ms级。 • “稳”定： 进程调度完全按照优先级进行，不会“死机”，Windows操作系统会抢占CPU而挂起进程执行，容易形成进程互锁造成“死机”。

  16. 内嵌FPGA的机箱 1百万门/3百万门的FPGA

  17. FPGA技术 • FPGA：可编程的硬件逻辑 • F=(A+B)CD

  18. 程序到FPGA的映射 Implementing Logic on FPGA: F =(A+B)CD F AB CD

  19. FPGA的优点 • 在我们的嵌入式系统设计平台上完成这个设计任务的步骤如下 编译下载至FPGA 利用IO模块实现系统 LabVIEW 代码

  20. FPGA的优点 • 硬件系统的复用 信号处理 运动控制 仿真与设计

  21. 连接 信号调理  ADC 内建信号调理的IO模块

  22. C 系列 I/O 模块 NIST 可追踪的校准 Guaranteed accuracy 内嵌的信号调理 直接连接工业传感器和激励 信号到背板独立的隔离 安全, 噪声减少, 共模抑制 有效的24-bit Delta-Sigma ADC DSA 信号, TEDS 连接, 内嵌的抗混叠滤波器

  23. IO模块与FPGA连接

  24. 模拟信号IO模块 • 模拟输入/输出 • A/D分辨率最高到24bits • 采样率最高到800KS/s,同步采样率最高100KS/s每通道 • 信号调理包括：热偶，RTD，应变桥路，IEPE，共模隔离，电压，电流 • D/A分辨率为16bits • 同步更新率最高为100KS/s每通道

  25. 数字信号IO模块 • 数字输入/输出 • IO模块的信号延迟最短为100ns • 每模块最多32路数字信号 • 5V/24V逻辑电平 • 源极/漏极可供选择 • 电磁/固态继电器 • RS232/485、CAN接口、支持SD存储

  26. 系统设计开发平台 Real-Time 模块 FPGA 模块 LabVIEW 开发系统

  27. 议程 • 高可靠系统综述 • 可靠硬件架构 • 可靠软件架构 • 可靠的系统集成

  28. 总体设计 • PC连接CRIO • FPGA根据客户要求定义 • 远程记录和监控 网络

  29. 总体设计 • 上位机开发 • 代码部署到cRIO 网络

  30. 总体设计 • 报警，事件 • TCP/IP协议支持 • FTP协议支持 • 独立运行 • 人机界面 • 通过FTP获得远程文件 网络

  31. 高可靠性软件开发 • 规范 • 软件工具 • 开发流程 • 编程风格和构架 • 功能模块 • 技术技巧 ——事件竞争处理(State，Access control , Semaphore) ——通信管理 ——多引擎维护(采集、存储和状态) • 测试 ——传统测试（ alpha 、 beta ） ——VISN的领先测试

  32. 部分规范 • 国际先进的软件工具 • 源代码管理、质量跟踪、客户数据库 • 严格的软件工程管理 • 过程质量控制、技术审核、项目管理 • 软件构架和风格 • 原NI研发骨干 • 5年NI认证构架师 • 101人年LabVIEW开发经验

  33. 技术技巧

  34. 技术技巧 • VxWorks操作系统 • 波音787的操作系统，NASA的最爱 • 为什么实时操作系统可以避免蓝屏？

  35. 技术技巧 • VxWorks操作系统 • 波音787的操作系统，NASA的最爱 • 进程调度：内核抢占、动态优先级、时间可确定性…… • 内存管理：硬件内存管理单元、存储保护…… • 中断管理、文件系统、同步通信机制…… • Xilinx FPGA • 广泛用于航空航天以及高端轿车 • 完善的芯片测试，可靠的IP核

  36. 测试：质量守门员 • 定位准确 • 机理清楚 • 问题复现 • 措施有效 • 举一反三 • 过程清楚 • 责任明确 • 措施落实 • 严肃处理 • 完善规章

  37. 测试案例 • 老化测试 • 超负荷测试 • 超规模测试

  38. 老化测试：7x24小时室外监测 • 结构健康、环境和节能监测 • 2009年2月开始16个月无故障停机 cRIO 在此

  39. 超负荷测试：分布式高速流盘 • 客户要求10MB/s流盘速率 • 聚星测试30MB/s流盘速率

  40. 超规模测试：动态信号同步采集 • 客户要求 48通道同步采集 • 聚星测试280通道同步采集

  41. 聚星仪器软件架构

  42. 数据采集引擎

  43. 网络引擎

  44. 存储引擎

  45. 调试引擎

  46. 软件设计思想 • 采用易于扩展的状态机结构 • 动态调用方式 • 多任务设计 • 模块化设计 缩短开发周期，节约开发成本，提高系统可靠性

  47. 聚星仪器开发库——提供二次开发

  48. 开发人机界面开发接口 • 支持多种语言开发 • 参考人机界面

  49. 上位机界面设计——任务配置

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