第7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内部仪器总线模块化仪器分立式仪器总线分立式仪器现成仪器驱动IVI或VISA+底层接口驱动核心:以软件定义的模块化架构PC处理器软件模块化仪器/分立仪器信号总线原始数据用户自定义功能配置应用领域结构健康监测节能减排自然环境监测混合信号测试水质处理风能发电电能质量检测楼宇资源监控核能工程通信工程虚拟现实生物医电太阳能电池板机器人开发…案例1:风洞测试系统命令反馈平衡模型控制电机折流板探针/传感器风扇平衡折流板控制数据采集数据采集测量与控制单元风洞测试系统中的测量与控制•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洛克希德·马丁F-35战斗机的风洞测试洛克希德·马丁基于PXI和LabVIEW开发的风洞测试系统(机柜部分外观)控制:控制风机产生合适的流型折流板方向控制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:测量数据控制信号案例2:PCB板功能测试(FCT)系统•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,并修改软件即可具体I/O需求•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基于PXI平台的硬件部分远程控制器直流参数测量模拟输出数字I/O串口视频采集模拟信号采集/频率分析视频信号生成开关软件部分•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”结构实现机柜布局•机柜尺寸:2mx1.2mx1.4m•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–电源案例3:视频DAC芯片测试凌阳科技DAC数字信号模式选择模拟信号数字万用表测量电压更换不同负载多路复用器高速数字I/O供电可编程电源软件部分•通过NILabVIEW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,生成报告采用虚拟仪器架构的优势•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、易于升级和维护虚拟仪器技术的进一步发展PC处理器软件模块化仪器/分立仪器信号总线原始数据用户自定义功能配置多核处理器的广泛运用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虚拟仪器技术的进一步发展PC处理器软件模块化仪器/分立仪器信号总线原始数据用户自定义功能配置多核处理器的广泛运用多核处理器的应用197019751980198519901995200020052010CPUSpeedClockSpeed(kHz)TransistorCountIntelC2DQ9100四核处理器更高主频的处理器多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——BillGatesLabVIEW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任务并行数据并行多核系统流水线多核程序设计模式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”结果数据块CPUCore信号处理合并结果信号处理CPUCoreCPUCoreCPUCoreCPUCore信号处理信号处理信号处理多核程序设计模式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1234采集滤波分析记录time1234采集滤波分析记录t0t3t4t7多核程序设计模式3——流水线采集滤波分析记录采集滤波分析记录采集滤波分析记录采集滤波分析记录CPUCoreCPUCoreCPUCoreCPUCoretimet0t1t2t3t4t5t6LabVIEW中实现流水线•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•注意流水线的平衡串行方式流水线流水线注意事项•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)步骤1(3秒)步骤2(1秒)串行方式(总耗时4秒)流水线(总耗时3秒)性能提升仅1.33倍多核技术下的并行测控应用并行的数据处理(多核)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(PXIExpress和FPGA)并行的UUT测试NILabVIEW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倍虚拟仪器技术的进一步发展PC处理器软件模块化仪器/分立仪器信号总线原始数据用户自定义功能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PC处理器软件模块化I/O测控系统信号总线原始数据用户自定义功能配置FPGA——现场可编程门阵列片上I/O单元可编程互连单元可配置逻辑单元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,提高测试吞吐量基于FPGA的典型应用自定义触发与采集连续的实时测量闭环控制与动态测试协议接口与仿真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高可靠性实时性高处理能力并行执行应用一: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FPGA在线数字解调Sensor20KHzAD20kHz/50kS/s+90°Z-nxxx+20HzFFT20Hz/50S/s∆f=0.0122Hz4kSamples20kHz/50kS/s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应用三:高速闭环控制•传统系统中的软件决策硬件操作系统驱动API应用软件运算ms级响应输出UUT输入较长的软件响应时间应用三:高速闭环控制•通过FPGA实现硬件决策硬件运算操作系统驱动API应用软件ms-ns*级响应UUT*取决于FPGA的时钟速率输出输入更快的硬件响应更高的可靠性案例:NASAWebb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RIO技术简化了测控系统中FPGA的使用优势–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LabVIEWFPGA编程方式简化了FPGA的开发硬件:多种现成可用的带有FPGA的可重配置硬件部分集成了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NIFlexRIO–前端I/O适配器模块可自定义•NICompactRIO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可重配置的FPGA数字与模拟I/OPXI总线:与处理器数据传输,同步直观的LabVIEWFPGA图形化编程ABCDFEYWXZF={(A+B)CD}E直观的LabVIEWFPGA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•单个PID~200kHz基于FPGA的控制•四个PID循环~200kHz综合应用:硬件在环仿真(HIL)受控对象模型受控对象控制器(UUT)闭环系统期望响应控制信号实际响应数学模型+I/O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.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NICompactRIO作为机器人的“小脑”，负责路径规划、运动控制等虚拟仪器技术的进一步发展PC处理器软件模块化仪器/分立仪器信号总线原始数据用户自定义功能配置总线技术的发展回顾:PXI总线•基于PCI数据传输技术,带宽132MB/s（共享）PXIExpress•PXIExpress－将PCIExpress融合到PXI中–PCIExpress数据传输总线显著扩展带宽–高达2GB/s每槽专属带宽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