虚拟仪器课程研究报告

企业课程研究报告课程名称虚拟仪器技术依托企业上海泛华测控有限公司学院电气与自动化工程学院专业学号学生姓名校外导师校内导师提交日期2014.9.11企业课程报告2目录1、课程研究的热点及发展趋势.................................................................................................................32、课程的主要目标与内容.........................................................................................................................42.1内容.................................................................................................................................................42.2目标................................................................................................................................................43、虚拟仪器在企业实践中的应用.............................................................................................................44、总结.........................................................................................................................................................7企业课程报告31、课程研究的热点及发展趋势虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。Labview使用了“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。与传统仪器相比，它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了“软件就是仪器”的设计思想。虚拟仪器最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的Labview（laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench即实验室虚拟仪器工作平台）。用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。就是Labview提供了多种强有力的工具箱和函数库，并集成了很多仪器硬件库。以Labview支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的Labview应用程序可直接移植到其它平台上。LabVIEW的最大特点是图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。虚拟仪器从概念诞生到现在，不过20年的历史。国际上从1988年开始陆续有虚拟产品面市，当时有五家制造商推出30种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家，共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额76亿美元的4％。据预测，21世纪前10年，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达数千种，市场潜力巨大。同时，我们能够看到欧美，特别是美国企业在虚拟仪器开发平台上处于垄断地位，在市场上的状况也同样如此。可以预见，未来的这种连通水平将会更高，届时将赋予模块化新的定义。随着网际网络和无线技术的不断发展，工程师们不仅能够重新使用模块化的组成部分，还可以更方便地在全球范围内共享知识和经验——巩固开发过程每个阶段工程师们的努力成果。商业科技的发展浪潮将会继续，同时也将虚拟仪器技术推向新的领域。因此，性能的提高将节省宝贵的开发及系统整合时间，同时又比传统仪器测量方案成倍降低成本。没有人能够准确地预测未来的虚拟仪器将会发展到怎样的程度，但可以肯定的是——PC与其相关的科技将会是虚拟仪器技术的核心。随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下三个方向发展：(1)外挂式虚拟仪器PC-DAQ式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且，主机上的PCI插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁，同时，企业课程报告4计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响，故以USB接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。(2)PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统PXI系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比VXI系统更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。(3)网络化虚拟仪器尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN(MeasurementandControlNetworks)方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。2、课程的主要目标与内容2.1内容虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。2.2目标通过LabVIEW软件编程练习和结合硬件的数据采集实验，掌握图形化编程方式(G语言)与虚拟仪器平台的基本操作，培养实际动手能力，通过分组课程设计(Project)建立起系统设计的概念，同时培养创新能力、独立思考与解决实际问题的能力3、虚拟仪器在企业实践中的应用使用LabVIEW与NIFlexRIO实现基于FPGA的单原子反馈控制企业课程报告5反馈是控制动态系统最强有力的技术之一。我们实验室研究的系统含有一个单独的，与单个光子相互作用的中性孤立原子——量子化电磁场的本征激发——被高反射性的腔式镜面所环绕。使用这套系统，我们可以研究光与物质相互作用的基本量子性质，要实现这一点必须将原子限制在腔镜的中央。然而，固有的加热过程更倾向于将原子推向其它位置。我们的目标是通过快速的电子反馈技术来抑制这种运动，使用回复力抵消这种逃逸运动。其基本原理如图3所示。运动的不可预测性使得针对它的反应必须快速，但是系统的量子特性限制了信息量的提取。因此，我们必须在100ns内，快速执行基于单个光子探测决策过程。解决这一棘手任务的关键电子元件是NIPXI-7954RNIFlexRIOFPGA模块，结合NI6581高速数字输入输出适配器模块。使用适配器模块的主要意图是通过缓冲暴露的FPGA引脚的数字输入与输出，防止损坏。NIFlexRIO模块被安装在NIPXIe-1075机箱上，它具有NIPXIe-8130集成主机控制器。FPGAs是特殊的可重配置的集成电路，因此它们可以达到由硬件实现的高性能，同时在整个设计过程中可以实现很高程度的通用性。这一点，连同它们固有的并行性，可以提供快速与确定性的执行过程，从而使它们在科学研究与工业生产中成为广泛而有力的工具。NIFlexRIO模块具有两个主要优势。首先，它允许通过LabVIEWFPGA模块快捷地为FPGA编程，我们可以使用这种图形化的设计语言来设计高层的FPGA电路，同时如果有必要，它也集成了常用的，底层的VHDL代码。其次，FlexRIO模块直接将FPGA引脚展现给用户，能够实现高度定制的I/O。因此，它允许定制的，高性能硬件的创建。在我们的应用中，我们开发了一套定制的时域数字转换器，它能够以一个纳秒的分辨率对多个数字通路进行采样，处理实时数据，运用反馈算法，并向用户输出重要的信息。具有1ns分辨率与64位动态范围的四通道时域数字转换器工作在很低的光强下，要求使用的设备能够探测单个光子。这些设备，称为单光子计数模块(SPCM)，是基于雪崩光电二极管制造的，并能在探测到单个光子的时候发射数字电子脉冲(如图4所示)。我们使用由美国珀金埃尔默(PerkinElmer®)公司制造的设备(AQR-14)。脉冲的上升沿能够以350皮秒的精确度表示出光子的到达时间。对于我们的应用来说，1ns的分辨率刚好需要FPGA对每个连接到SPCM的数字通路以1GHz的频率采样。高采样率可以通过使用XilinxVirtex-5设备内置的数字串并转换能力实现，我们可以用它来把1Gbit/s的数据流转换成8个同步的，每个125Mbits/s的数据流。每个数据流描述原始数据流的一部分，数据间的时间间隔为1ns(如图5所示)。这项功能是通过LabVIEW中插入常用CLIP(器件级知识产权方案)实现的，从而允许集成的VHDL代码访问FPGA的输入/输出引脚。每个上升沿对应于一个光子撞击，需要至少36位动态范围的时间标记；记录多达一分钟的数据集是非常有必要的，同时要避免内部计数器的溢出。这是通过运用边缘检测单元实现的，它对每8位宽度的，由“iserdes”产生输出的“串并转换”的数据流进行扫描。无论何时探测到上升沿，一个事件标志被宣称。一个用于表示8ns间隔中事件发生企业课程报告6位置的，3位形式的数据另外产生出来。这个值与61位的计数器同步运行在125MHz的时钟下。总计，这能提供64位的时间标记，然后它——连同事件标志一起——被传递给LabVIEWFPGA。从那一刻起，LabVIEWVI负责处理剩下的部分。四个探测器中每一个的光子撞击的时间标记都缓存在FIFOs。随后，它们被分类并合并成一个常见的数据流，它也具有控制信息。在数据流经由DMA通道进入主机PC的内存之前，它被缓存于NIFlexRIO模块的DRAM中。总体而言，这种结构允许在每个通道低于2,000个事件的情况下，实现每秒高达125百万个事件的峰值计数率。此外，平均每秒1亿个事件的计数率也可实现。这种情况可以持续大约1.6千万个事件，这是由DDR2内存的尺寸与速度限制造成的。最终，一个持续的25MHz的计数率被实