1 / 67

第七讲 虚拟仪器技术的最新发展与应用

第七讲 虚拟仪器技术的最新发展与应用. 回顾 : 虚拟仪器系统架构. 系统管理软件. 测控系统开发软件环境. 模块化仪器 驱动. IVI 或 VISA+ 底层接口驱动. 现成 仪器 驱动. 内部仪器总线. 分立式仪器总线. 模块化仪器. 分立式仪器. 核心 : 以软件定义的模块化架构. 原始数据. 用户 自定义 功能. 模块化仪器 / 分立仪器. PC 处理器 软件. 总线. 信号. 配置. 应用领域. 混合信号测试. 电能质量检测. 生物医电. 水质处理. 虚拟现实. 自然环境监测. 楼宇资源监控.

kenley
Download Presentation

第七讲 虚拟仪器技术的最新发展与应用

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 第七讲虚拟仪器技术的最新发展与应用

  2. 回顾: 虚拟仪器系统架构 系统管理软件 测控系统开发软件环境 模块化仪器 驱动 IVI 或 VISA+底层接口驱动 现成 仪器 驱动 内部仪器总线 分立式仪器总线 模块化仪器 分立式仪器

  3. 核心: 以软件定义的模块化架构 原始数据 用户自定义功能 模块化仪器 /分立仪器 PC处理器 软件 总线 信号 配置

  4. 应用领域 混合信号测试 电能质量检测 生物医电 水质处理 虚拟现实 自然环境监测 楼宇资源监控 结构健康监测 节能减排 核能工程 太阳能电池板 风能发电 通信工程 机器人开发 …

  5. 平衡 风扇 探针/传感器 电机 折流板 模型控制 数据 采集 测量与 控制单元 反馈 数据采集 折流板控制 命令 平衡 案例1: 风洞测试系统 航空

  6. 风洞测试系统中的测量与控制 航空 • 数据采集系统 • 连接应变、压力、温度传感器采集数据 • 模型控制系统 • 模型的平衡控制等 • 折流板控制系统 • 控制折流板及位于其上的探针位置

  7. 洛克希德·马丁F-35战斗机的风洞测试 航空 分布于机身的 传感器数据采集 分布于折流板的 传感器数据采集 测试测量: 测量数据 控制信号 洛克希德·马丁基于PXI和LabVIEW开发的风洞测试系统 (机柜部分外观) 控制风机产生合适的流型 折流板方向控制 控制:

  8. 案例2: PCB板功能测试(FCT)系统 电子 • 霍尼韦尔公司某测试项目需求 • 构建一套安防类产品PCB板功能测试系统, 实现对音视频以及各种静态参数(电压, 电流, 频率)的综合性全自动测试 • 对于新开发的PCB板, 不需要频繁更换测试硬件, 只需添加制作新的测试夹具, 重新连接线路, 并修改软件即可

  9. 具体I/O需求 电子 • 多路双向高速I/O • 实现对测试治具状态监测 • 模拟I2C等协议, 实现对PCB板上芯片的时序控制 • 多路模拟量输入输出 • 模拟一些波形信号作为PCB板的的输入信号 • 可实现频率、波形采集 • 视频/音频信号的产生、采集分析 • RS232, RS485串口, 实现串口协议通信 • 可编程控制的数字万用表 (DMM) 以及可编程电源 • 多通道可控制开关阵列, 方便实现对信号通断控制

  10. 基于PXI平台的硬件部分 电子 数字I/O 串口 视频采集 远程控制器 模拟信号采集 /频率分析 视频信号生成 直流参数测量 模拟输出 开关

  11. 软件部分 电子 • 静态参数显示 • 直流电压, 电流, 数字端口状态等 • 视频测试 • PXI信号源产生视频信号经待测PCB编解码后, 通过网络传输并在测试终端显示 • 音频测试 • 检测PCB的Audio-Out端输出波形的频率与幅值 • 合格率计算, 信息提示… • 程序基于LabVIEW “时间+状态机”结构实现

  12. 机柜布局 电子 • 机柜尺寸: 2m x 1.2m x 1.4m • 布局 (从上到下) • PC显示器 • 视频监视器 • PC机 (作为PXI系统远程控制器) • 测试夹具 • PXI系统 • 电源

  13. 案例3: 视频DAC芯片测试 半导体 凌阳科技 可编程电源 供电 模拟信号 数字万用表 测量电压 数字信号 DAC 更换不同负载 模式选择 高速数字I/O 多路复用器

  14. 软件部分 半导体 • 通过NI LabVIEW集成完整测试系统 • 模块化仪器的配置、参数设置 • 选择测试模式 • 控制开关顺序和测试流程 • 记录数据, 生成报告

  15. 采用虚拟仪器架构的优势 半导体 • 电压测量速度显著提高 • 不再受限于GPIB数字万用表的数据传输速度 • 单步电压测试仅用33ms, 全部项目仅用20分钟 （如果采用分立仪器，每步电压测量时间约1秒，单通道需10.5个小时） • 减少人工干预 • 不再需要测试人员手动切换测试模式，也不需要手动更换负载电阻 • 总成本降低、体积减小 • 开发方便、易于升级和维护

  16. 虚拟仪器技术的进一步发展 原始数据 用户自定义功能 模块化仪器 /分立仪器 PC处理器 软件 总线 信号 配置 软件自定义范围从处理器进一步拓展到模块化I/O的数字后端 总线技术的发展 多核处理器的广泛运用

  17. 虚拟仪器技术的进一步发展 原始数据 用户自定义功能 模块化仪器 /分立仪器 PC处理器 软件 总线 信号 配置 多核处理器的广泛运用

  18. 多核处理器的应用 • 更高主频的处理器 多核处理器 Intel C2D Q9100 四核处理器 要想充分发挥并行处理器的性能，软件就必须能够处理并发性(concurrency)的问题 ——Bill Gates

  19. LabVIEW对多核的支持 • 图形化的方法可以直观地实现多线程编程 • LabVIEW 会自动创建多个线程，并分配到不同的核上 • 从1998年开始就支持多线程 流水线 任务并行 数据并行 多核系统

  20. 多核程序设计模式1——任务并行 • 根据执行功能进行分解，独立任务可以同时执行 • 任务间没有数据相关与依赖性 • LabVIEW代码结构可直接反映出执行功能的并行性 • LabVIEW自动识别平行代码并分配多线程执行 并行任务的结构可被LabVIEW自动并行化，无需代码修改即可在多核系统上获得性能提升

  21. 多核程序设计模式2——数据并行 • 根据数据进行分解，各数据块执行相同操作 • 分块数据间没有相关性，各数据块可被独立处理 • 合理拆分大数据块或多通道信号以达到并行计算 • 合理拆分矩阵或图像，使子矩阵或子图像处理并行执行 • 合理拆分多通道采样信号数据，分别分析，但注意不要使拆分及合并操作成为新的“耗时大户” 信号处理 CPU Core 子数据块1 信号处理 CPU Core 信号处理 子数据块2 CPU Core 合并结果 结果 数据块 CPU Core 信号处理 子数据块3 CPU Core 信号处理 子数据块4

  22. 多核程序设计模式3——流水线 • 适用于循环中包含串行架构的应用 • 例如：数据采集、滤波、分析与记录 • 模拟硬件流水线的特殊编程模式 • 流水线模式可提高程序运算处理的吞吐量 滤波 分析 记录 滤波 分析 记录 采集 采集 time t0 t4 t3 t7

  23. 多核程序设计模式3——流水线 采集 采集 采集 采集 CPU Core 滤波 滤波 滤波 滤波 CPU Core 分析 分析 分析 分析 CPU Core 记录 记录 记录 记录 CPU Core t0 t5 t6 t1 t2 t4 t3 time

  24. LabVIEW中实现流水线 串行方式 流水线 • 流水线中，只有当一次循环中的所有执行步骤都结束后，才会进入到下一循环 • 数据流的开始与结束需要特别注意 • 注意流水线的平衡

  25. 流水线注意事项 • 决定流水线步骤时，考虑CPU的个数 • 平衡每个步骤的处理能力，流水线的吞吐量由最耗时的处理步骤决定 • 非平衡的流水线 步骤1 (3秒) 步骤2 (1秒) 流水线(总耗时3秒) 性能提升仅1.33倍 串行方式(总耗时4秒) 步骤1 (3秒) 步骤2 (1秒)

  26. 多核技术下的并行测控应用 并行的多线程软件编程 (多线程软件：LabVIEW，TestStand) 并行的数据传输和处理 (PXI Express 和 FPGA) 并行的数据处理 (多核) 并行的 UUT测试 NI LabVIEW

  27. 多核应用举例 • 慕尼黑普朗克物理研究所的托克马克系统 • 用于核聚变研究 • 控制算法中涉及复杂的偏微分方程及边界条件计算 • 利用LabVIEW的“数据并行”运算技术，在八核机器上完成对Tokamak装置的等离子气体流的实时控制 • 已实现6倍的速度提升，通过算法优化，计划进一步提升到20倍

  28. 虚拟仪器技术的进一步发展 原始数据 用户自定义功能 模块化仪器 /分立仪器 PC处理器 软件 总线 信号 配置 软件自定义范围从处理器进一步拓展到模块化I/O的数字后端

  29. FPGA技术使自定义范围进一步扩展 在模块化架构下, 通过引入FPGA技术, 更加深入扩展自定义范围. 通过软件定义可重复配置FPGA硬件的功能, 真正实现用软件自定义硬件电路的逻辑 原始数据 用户自定义功能 测控系统 模块化I/O PC处理器 软件 总线 信号 配置

  30. FPGA——现场可编程门阵列 可编程互连单元 可配置逻辑单元 片上I/O单元

  31. FPGA应用于测控系统的优势 • 高可靠性– 基于硬件实现 • 实时性– 确定性的算法执行时间, 时钟周期可低至5ns • 可重复配置– 根据具体应用对硬件进行重配置 • 高处理能力– 硬件级的计算和处理能力使更高的测量和处理速度成为可能 • 并行执行– 通过硬件资源实现真正的并行任务和流水线处理, 提高测试吞吐量

  32. 基于FPGA的典型应用 连续的实时测量 高处理能力 并行执行 闭环控制 与动态测试 自定义触发 与采集 高可靠性 实时性 高处理能力 并行执行 可重复配置 高处理能力 实时性 可重复配置 高处理能力 并行执行 协议接口与仿真

  33. 应用一: 板载信号处理 基于FPGA进行输入数据的预处理 相比于在主机通过软件进行重采样，可以将部分数据的预处理放在FPGA上完成，从而缓解主机CPU的开销，使系统总体性能最优

  34. FFT A D Sensor 在线数字解调 x x x 20KHz 20kHz / 50kS/s ∆f = 0.0122 Hz 20kHz / 50kS/s 20 Hz / 50 S/s FPGA Z-n 20Hz +  +90° 4k Samples 案例: 在线监测中的实时信号处理 • 监测轴承运行状况 • 在FPGA上实现包络解调和监测功能 • 可靠, 稳定, 高效, 成本低

  35. 应用二: 自定义协议接口 • 常见于航空航天和汽车电子行业 • MIL-STD-1553, ARINC-429, … • CAN, MOST, KWP, 1939, … • 用于自定义设备或专业保密设备 • 常见要求 • 硬件定时的速度和可靠性 • 定制数字接口用于原型验证和测试

  36. 应用三: 高速闭环控制 • 传统系统中的软件决策 较长的软件响应时间 硬件 操作系统 驱动 API 应用软件 运算 输入 ms级 响应 UUT 输出

  37. 操作系统 驱动 API 应用软件 应用三: 高速闭环控制 更快的硬件响应 更高的可靠性 • 通过FPGA实现硬件决策 硬件 输入 运算 ms-ns*级响应 UUT 输出 * 取决于FPGA的时钟速率

  38. 案例: NASA Webb太空望远镜测试 • Webb太空望远镜装备了250,000 多个微快门, 用以观察数以千计的遥远星系 • 微快门阵列测试系统: 利用FPGA控制磁铁运动与电场开关的精确同步 • 在一分钟内开启和关闭所有62,000个快门240次 • 如果系统不同步，在几分钟内就将造成快门的损坏 • 硬件采用带有FPGA的I/O模块

  39. 案例: 大型粒子对撞机的精确控制 • 构建大型强子对撞机(LHC)，实现粒子束的光速对撞，偏离轨道的高速碰撞会产生毁灭性灾难 • 利用FPGA实现高能粒子的瞄准 • 120台PXI实现冗余控制 • 借助步进电机快速、精确、同步排列石墨 • 27km范围内运动控制同步率达ms级 欧洲核子研究中心(CERN)的LHC项目耗资38亿美元, 圆周长达27km, 位于法瑞边界地下150m深处

  40. RIO技术简化了测控系统中FPGA的使用 硬件: 多种现成可用的带有FPGA的可重配置硬件 优势 • 不需要设计外围电路 • 不需要掌握HDL语言知识 • 快速与测试系统集成(数据传输, 同步…) 软件: 直观的LabVIEW FPGA编程方式简化了FPGA的开发

  41. 部分集成了FPGA的NI模块化仪器平台 • 基于PXI的R系列多功能数据采集卡 • 基于PXI的NI FlexRIO • 前端I/O适配器模块可自定义 • NI CompactRIO嵌入式平台 • 集成嵌入式实时控制器 • 可选不同的I/O模块 • 小巧坚固, 适合嵌入式应用及特殊环境应用 数字与模拟I/O PXI总线: 与处理器数据传输, 同步 可重配置的FPGA

  42. E F AB CD Z W X Y 直观的LabVIEW FPGA图形化编程 F = {(A+B)CD}  E

  43. 直观的LabVIEW FPGA图形化编程 举例: 快速控制决策—— 200kHz的闭环控制 • 基于FPGA的控制 • 四个PID循环 ~200 kHz • 基于FPGA的控制 • 单个PID ~200 kHz

  44. 综合应用: 硬件在环仿真(HIL) 在将控制器投入到实际系统前, 先通过一个能够模拟受控对象行为的仿真系统来验证控制器. 受控对象模型 数学模型 + I/O 控制器 (UUT) 闭环系统 受控对象 期望响应 控制信号 实际响应 在硬件在环仿真测试系统中，FPGA往往用于传感器仿真(相当于自定义协议接口及在线信号处理) 以及执行仿真模型中的高速部分

  45. 综合应用: 机器人 • FPGA在机器人应用中的作用 • 连接部分传感器 • 实时将传感器信号解析成有效的物理量参与算法运算（在线信号处理） • 实现与某些传感器之间的特殊通信协议（数字协议接口） • 高速实时控制 • 对于各关节处电机的高速实时控制 由上海电气开发的世博服务机器人采用NI CompactRIO作为机器人的“小脑”，负责路径规划、运动控制等

  46. 虚拟仪器技术的进一步发展 原始数据 用户自定义功能 模块化仪器 /分立仪器 PC处理器 软件 总线 信号 配置 总线技术的发展

  47. 回顾: PXI总线 • 基于PCI数据传输技术, 带宽132MB/s（共享）

  48. PXI Express • PXI Express－将PCI Express融合到PXI中 • PCI Express数据传输总线显著扩展带宽 • 高达2GB/s每槽专属带宽

  49. 提升的总线带宽扩展全新应用领域 • 需要PCI带宽的PXI应用 • 通用的自动化测试 (DMMs, 矩阵开关, 基带仪器等) • 通用的数据采集 (AI, AO, DIO, etc) • 总线接口 (CAN, 1553, ARINC, etc) • 运动控制 • 需要PCI Express带宽的PXI应用 • 高采样率，高分辨率的IF/RF系统 • 多路高速数字I/O • 高通道数数据采集 • 高速图像处理 • 高速数据流盘

  50. 混合插槽的定义保证兼容性 PXI Express 板卡 32 bit CompactPCI 板卡 混合插槽兼容 PXI-1 模块

More Related