Author(s):
Averna Thales - Canada, Aerospace Division

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
Software, PXI/CompactPCI, Real-Time

The Challenge:
創(chuàng)建一個(gè)硬件在環(huán)平臺(tái)，該平臺(tái)有著每秒重復(fù)1000次的確定性循環(huán)速率，可以管理數(shù)以千計(jì)的I/O端口，可以適應(yīng)高達(dá)2000路通道而沒有性能的損失，集成多于10個(gè)可以實(shí)時(shí)運(yùn)行設(shè)備模型的節(jié)點(diǎn)，并且以千萬分之一秒的定時(shí)抖動(dòng)共享仿真和I/O數(shù)據(jù)。所有需要實(shí)現(xiàn)的功能都要求嚴(yán)格的完成時(shí)間表和具有很高的成本效益。

The Solution:
使用多個(gè)NI PXI機(jī)箱和各種具有模擬和數(shù)字I/O端口的NI 模塊、ARINC-429硬件，集成在微軟Windows平臺(tái)上開發(fā)的高效LabVIEW和LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊，以及由反射內(nèi)存卡和TCP/IP組成網(wǎng)絡(luò)的PXI節(jié)點(diǎn)。

"PXI、LabVIEW和LabVIEW實(shí)時(shí)模塊是成功的關(guān)鍵因素。它們使我們創(chuàng)建了靈活的、高吞吐量而且低延時(shí)的半實(shí)物系統(tǒng)，同時(shí)節(jié)省了20萬美元的實(shí)現(xiàn)成本和幾個(gè)月的開發(fā)時(shí)間。"

許多年來，航空和汽車設(shè)計(jì)工程師們使用半實(shí)物仿真設(shè)備來縮短開發(fā)周期。他們可以對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行高速仿真，并與現(xiàn)有硬件的輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，進(jìn)而以前所未有的效率進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。隨著這類系統(tǒng)在設(shè)計(jì)流程中逐漸扮演起關(guān)鍵的角色，提出了一個(gè)新需求就是以具有成本效益的方式實(shí)現(xiàn)非常靈活而高性能的半實(shí)物設(shè)備。基于開發(fā)時(shí)間、成本和維護(hù)的考慮，這些設(shè)備需要具有可以集成多個(gè)開發(fā)商技術(shù)和使用即時(shí)可用部件的能力。NI 公司的PXI 和LabVIEW 平臺(tái)則為我們提供了一個(gè)理想的解決方案。

我們的客戶，Thales Canada公司的航空部門，主要致力于設(shè)計(jì)現(xiàn)代的電子飛行控制器，他們需要使用半實(shí)物系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具進(jìn)行戰(zhàn)略性的更新。該系統(tǒng)需要確定性地集成數(shù)百路數(shù)據(jù)通道以及一個(gè)包含可以在十個(gè)以上計(jì)算節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行設(shè)備模型的系統(tǒng)。這些節(jié)點(diǎn)間的相互依賴性還要求將計(jì)算或采集到的數(shù)據(jù)在全系統(tǒng)范圍內(nèi)發(fā)送同時(shí)具有10ms級(jí)的非常低的延時(shí)。為了獲得系統(tǒng)的瞬態(tài)參數(shù)，需要1kHz的閉環(huán)速率來同步采集所有的輸入數(shù)據(jù)，通過模型計(jì)算更新所有的輸出和步驟。

圖1.基于PXI 的硬件在環(huán)系統(tǒng)

新型的半實(shí)物設(shè)備需要與未來的產(chǎn)品兼容，所以它必須是一個(gè)非常靈活的系統(tǒng)，可以將硬件資源和物理信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)結(jié)合，可以在無性能損失的情況下對(duì)高達(dá)2000 路通道進(jìn)行操作，而且在為新的測(cè)試設(shè)定而重新配置時(shí)擁有魯棒而健全的系統(tǒng)完整性檢查功能。

圖2.用于系統(tǒng)配置的虛擬儀器

解決方案還需要將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡的記錄，并且通過多址接入控制的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)一個(gè)同樣靈活的和動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)圖解和表格數(shù)據(jù)查看功能。

Thales公司的工程團(tuán)隊(duì)詳細(xì)的描述了所有的性能指標(biāo)，并且將系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)任務(wù)外包給了Averna 公司。Averna 公司對(duì)于這一整套富有挑戰(zhàn)性的指標(biāo)的解決方案如下所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在5 個(gè)月內(nèi)交付的嚴(yán)格時(shí)間表和具有高度成本效益的需求，進(jìn)一步增加了這個(gè)在技術(shù)上已經(jīng)十分具有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)的限制條件。我們認(rèn)為NI 公司的PXI 系列產(chǎn)品是實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的合適而優(yōu)秀的平臺(tái)。嵌入式實(shí)時(shí)控制器的可用性、用于模擬和數(shù)字I/O 端口的各種NI 模塊、對(duì)于ARINC-429、反射內(nèi)存卡和IRIG-B 同步電路板等第三方廠商的開放性，以及使用LabVIEW和LabVIEW Real-Time軟件可能帶來的快速軟件開發(fā)，是整個(gè)工程解決方案中不可或缺的部分，將在下面的高級(jí)構(gòu)架中一一介紹。

信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集
由于場(chǎng)傳感器LVDT 和RVDT 產(chǎn)生的信號(hào)有著各種不同的、自定義的特性，我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自定義的信號(hào)調(diào)理硬件，用于放大信號(hào)，并且提供隔離以及同步采樣等功能。經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)被連到放在多個(gè)機(jī)架中的NI I/O 模塊上。PXI 平臺(tái)提供了必要的模塊功能和系統(tǒng)靈活性，以及精確的定時(shí)同步和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的分配。在系統(tǒng)開發(fā)的早期階段，我們成功地驗(yàn)證了一個(gè)滿容的PXI 機(jī)箱可以以1kHz 的速率進(jìn)行全速數(shù)據(jù)采集，而沒有任何吞吐量的瓶頸。對(duì)于TCP/IP、反射內(nèi)存以及CPU 中斷次數(shù)的吞吐量和確定性檢查也是成功的，這使得對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)的審查是十分成功的。

應(yīng)用程序軟件
系統(tǒng)配置如標(biāo)簽名稱、硬件通道關(guān)聯(lián)、采樣速率、工程轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)校準(zhǔn)信息被保存在Windows 數(shù)據(jù)庫(kù)中。

LabVIEW 軟件允許在針對(duì)具體設(shè)備測(cè)試的系統(tǒng)配置中，創(chuàng)建硬件資源和數(shù)據(jù)庫(kù)信息。一經(jīng)創(chuàng)建，將對(duì)配置進(jìn)行系統(tǒng)完整性和吞吐量需求的檢查，并且下載到PXI 節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊的嵌入式目標(biāo)上。

LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并且利用PXI 定時(shí)模塊來同步所有的PXI 節(jié)點(diǎn)。Averna 公司為PXI-7831R 模塊開發(fā)了個(gè)性化的FPGA 代碼，用于使用PXI 時(shí)鐘來產(chǎn)生ARINC 收發(fā)器模塊所需要的IRIG-B同步信號(hào)。PXI實(shí)時(shí)控制器上運(yùn)行的時(shí)間臨界代碼與信號(hào)調(diào)理硬件進(jìn)行握手，并且確定性地采集輸入信號(hào)同時(shí)更新輸出信號(hào)，所有的I/O 操作在相同的時(shí)鐘沿上發(fā)生。

仿真節(jié)點(diǎn)在十余個(gè)臺(tái)式機(jī)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行MathWorks公司的Simulink設(shè)備模型。所有的PXI 和仿真節(jié)點(diǎn)共享數(shù)據(jù)，通過反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行系統(tǒng)命令，確保節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)具有250ns 的低延時(shí)。我們利用LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊開發(fā)了個(gè)性化的命令解釋器，來通過反射內(nèi)存提供遠(yuǎn)程的CPU 中斷和程序觸發(fā)功能。LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊和PXI還利用相關(guān)的虛擬儀器，與若干個(gè)ARINC-429收發(fā)器進(jìn)行交互，提供通信、字定義和ARINC 加密功能等，如下圖所示。

圖3.用于ARINC 字定義和加密的虛擬儀器

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)
所有測(cè)試數(shù)據(jù)通過靜態(tài)的反射內(nèi)存環(huán)緩沖器，實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)。現(xiàn)在，數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)蕉鄠�(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，來查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并且記錄數(shù)據(jù)用于測(cè)試分析。基于LabVIEW 的虛擬儀器使得工程師們可以靈活地定義圖形和表格數(shù)據(jù)查看功能的顯示效果，如圖4所示。

圖4.圖形和表格數(shù)據(jù)查看功能

結(jié)論
我們提出的解決方案成功地集成了各種技術(shù)產(chǎn)品，在高度模塊化的同時(shí)，通過在系統(tǒng)中添加更多的PXI機(jī)箱，可以適用于幾千路通道。PXI、LabVIEW 和LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊是成功的關(guān)鍵因素。它們使我們創(chuàng)建了靈活的、高吞吐量而且低延時(shí)的半實(shí)物系統(tǒng)，同時(shí)節(jié)省了20 萬美元的實(shí)現(xiàn)成本和幾個(gè)月的開發(fā)時(shí)間。