第7讲 虚拟仪器技术的发展与应用课件.ppt

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1、声明,本课件供虚拟仪器技术、自动测试技术等相关课程教师授课使用与参考. 教师可根据课程需要和实际情况在此课件基础上增删内容本课件版权属NI(中国)公司所有，供中国大陆地区高校教师无偿使用或在课程中引用，但使用或引用之前请联系NI(中国)公司高校市场部获得免费使用授权 (联系方式 )本课件不得用于公开出版或其他商业用途. 如需在公开出版物中引用其中部分内容, 请与NI(中国)公司高校市场部联系获得授权,说明,本讲内容较多, 可根据需要删节或分两次讲授,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

2、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,案例1: 风洞测试系统,航空,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,航空,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,

3、测试测量:,测量数据,控制信号,航空,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,电子,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

4、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,电子,基于PXI平台的硬件部分,电子,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,电子,机柜布局,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,电子,案例3: 视频DAC芯片测试,

5、半导体,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,半导体,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,半导

6、体,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,Intel C2D Q9100 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 Bill Gates,LabVIEW对多核的支持,图形化的方法可以直观地实现多线程

7、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,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

8、析，但注意不要使拆分及合并操作成为新的“耗时大户”,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,多核程序设计模式3流水线,采集,滤波,分析,记录,CPU Core,CPU Core,CPU Core,CPU Core,time,t0,t1,t2,t3,t4,t5,t6,LabVIEW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

9、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,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(PXI Express 和 FPGA),NI LabVIEW,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

10、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

11、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,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

12、能可靠, 稳定, 高效, 成本低,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,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: NASA W

13、ebb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

14、, 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LabVIEW FPGA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,直观的LabVIEW FPGA图形化编程,F =

15、 (A+B)CD E,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的控制单个PID 200 kHz,基于FPGA的控制四个PID循环 200 kHz,综合应用: 硬件在环仿真(HIL),受控对象,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

16、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,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）,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

17、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, 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,混合插槽的定义保证兼容性,PXI Express进一步增强了定时与同步性能,PXI 触发总线 ( 8 TTL 触发),PXI Express 系统控制器,星型触发,PXI,PXI Express,10 MHzCLK,PXI Exp

18、ress 系统定时插槽,PXI-1外围模块,Peer-to-Peer Streaming进一步扩展系统带宽,1 GigaBytes/s,1 GigaBytes/s,1 GigaBytes/s,1 GigaBytes/s,1 GigaBytes/s,Peer-to-Peer Streaming进一步扩展系统带宽,通过PXI Express背板可进行高达800MB/s的Peer-to-Peer Streaming,应用案例: 软件无线电系统,基于PXI Express总线, 可以将RF下变频后采获的数据直接传递到FPGA模块上进行数字信号处理, 处理速度相比原先方案可提高10倍综合用到了基于FPG

19、A的实时信号处理PXI Express总线带来的Peer-to-Peer Streaming数据传输技术,吞吐量可进一步提升,PCI (32-bit, 33 MHz),1st Generation PCI Express,2nd Generation PCI Express,3rd Generation PCI Express,利用PCI Express技术的进一步发展,模块化仪器的频率不断提升,模块化的PXI射频仪器目前最高可达26.5GHz,RF信号发生器与分析仪,微波开关放大器/衰减器,矢量网络分析仪,功率计,基于FPGA的I/O与协处理器,多核处理器,高度模块化的软件与硬件,应用案例:

20、 频谱监测系统,基于PXI平台紧密集成的频谱监测系统, 不仅提高了扫频速度, 同时可以通过软件快速实现了各种新的捕获和定位算法,由上海聚星仪器公司开发的无线频谱监测系统,用于通信原理学习与验证的平台,NI USRP内置上/下变频单元与中频/基带信号处理单元结合LabVIEW调制工具包等软件可快速实现现代通信系统中的调制解调、信道编码解码等功能通过真实硬件与射频链路进行验证，加深对所学知识的理解通过以太网线连接PC,小结,虚拟仪器技术广泛应用于各个行业和领域虚拟仪器技术的一些最新发展多核处理器技术的广泛采用通过FPGA技术将自定义的范围进一步拓展到模块化仪器的数字后端总线技术的发展模块化仪器的频

21、率范围不断突破,课程总结,介绍了虚拟仪器技术的基本概念、工作原理、关键技术和实际应用希望同学们全面了解测控技术领域前沿的技术发展与应用，开拓视野，为今后的科研和工作打下一定基础学习LabVIEW编程及数据采集硬件操作通过实践加深理解虚拟仪器系统构建的软硬件要素掌握虚拟仪器系统中的软件编程与模块化硬件使用接下来的分组课程设计 (Project)建立起系统设计的概念将培养创新能力、独立思考与解决实际问题的能力融入到虚拟仪器技术的学习中，将来可以举一反三，胜任相关工作,分组课程设计要求说明,分组课程设计,3-4人为一组，自选题目，基于NI myDAQ设计完成一个具有实际应用意义的虚拟仪器小项目以La

22、bVIEW作为主要编程语言可结合一定的外围电路界面美观友好时间安排XX/XX 题目提交XX/XX 方案汇报/问题讨论XX/XX 验收演示与答辩XX/XX 提交最终报告书,参考题目,以上题目仅供参考如myDAQ硬件参数不能满足所选课程设计题目需求，需要用到实验室的ELVIS，请提前与任课教师联系,参考：基于myDAQ的部分学生创新作品,数码听诊器(北京大学，1个月),打地鼠游戏、温控杯(天津大学，两星期),手势控制器鼠标(复旦大学，1个月),钢琴调音系统(西安交通大学，1个月),电源稳压系统(上海交通大学，1.5个月),如需外围电路设计,可使用学生版Multisim和Ultiboard软件Mul

23、tisim: 电路设计和仿真，并专门提供模板文件用于设计与ELVIS或myDAQ相连接的外围电路Ultiboard: PCB板布线软件（由于时间关系和调试方便，本课程推荐采用面包板或通用PCB板搭接电路，这样则不需要用到Ultiboard）,外围电路从设计到测试的过程,1. 创建电路原理图,2. 虚拟面包板,3. 仿真,4. PCB布线（如有时间）,5. 硬件测试,6. LabVIEW信号采集与处理,介绍: 全国虚拟仪器大赛,每两年举办一届由中国仪器仪表学会和全国高等学校仪器学科教学指导委员会主办特等奖获奖队伍有机会代表中国参加在美国举办的全球图形化系统设计大赛,下届全国虚拟仪器大赛日程安排,有兴趣的同学可关注大赛网页 www.GSD,