使用NI PXI和LabVIEW实时模块有效简化硬件在环仿真系统

The Challenge:
　　创建一个硬件在环平台，该平台有着每秒重复1000次的确定性循环速率，可以管理数以千计的I/O端口，可以适应高达2000路通道而没有性能的损失，集成多于10个可以实时运行设备模型的节点，并且以千万分之一秒的定时抖动共享仿真和I/O数据。所有需要实现的功能都要求严格的完成时间表和具有很高的成本效益。
The Solution:
　　使用多个NI PXI机箱和各种具有模拟和数字I/O端口的NI 模块、ARINC-429硬件，集成在微软Windows平台上开发的高效LabVIEW和LabVIEW 实时模块，以及由反射内存卡和TCP/IP组成网络的PXI节点。
　　“PXI、LabVIEW和LabVIEW实时模块是成功的关键因素。它们使我们创建了灵活的、高吞吐量而且低延时的半实物系统，同时节省了20万美元的实现成本和几个月的开发时间。”
　　许多年来，航空和汽车设计工程师们使用半实物仿真设备来缩短开发周期。他们可以对新产品的设计模型进行高速仿真，并与现有硬件的输入和输出信号进行实时交互，进而以前所未有的效率进行反复设计和验证。随着这类系统在设计流程中逐渐扮演起关键的角色，提出了一个新需求就是以具有成本效益的方式实现非常灵活而高性能的半实物设备。基于开发时间、成本和维护的考虑，这些设备需要具有可以集成多个开发商技术和使用即时可用部件的能力。NI 公司的PXI 和 LabVIEW 平台则为我们提供了一个理想的解决方案。
　　我们的客户，Thales Canada公司的航空部门，主要致力于设计现代的电子飞行控制器，他们需要使用半实物系统对设计验证工具进行战略性的更新。该系统需要确定性地集成数百路数据通道以及一个包含可以在十个以上计算节点上运行设备模型的系统。这些节点间的相互依赖性还要求将计算或采集到的数据在全系统范围内发送同时具有10ms级的非常低的延时。为了获得系统的瞬态参数，需要1kHz的闭环速率来同步采集所有的输入数据，通过模型计算更新所有的输出和步骤。

图1.基于PXI 的硬件在环系统
　　新型的半实物设备需要与未来的产品兼容，所以它必须是一个非常灵活的系统，可以将硬件资源和物理信号进行动态结合，可以在无性能损失的情况下对高达2000 路通道进行操作，而且在为新的测试设定而重新配置时拥有鲁棒而健全的系统完整性检查功能。
　　
图2.用于系统配置的虚拟仪器
　　解决方案还需要将所有的数据进行详尽的记录，并且通过多址接入控制的计算机实现一个同样灵活的和动态的实时图解和表格数据查看功能。
　　Thales公司的工程团队详细的描述了所有的性能指标，并且将系统的技术设计和实现任务外包给了Averna 公司。Averna 公司对于这一整套富有挑战性的指标的解决方案如下所示。
系统设计
　　在5 个月内交付的严格时间表和具有高度成本效益的需求，进一步增加了这个在技术上已经十分具有挑战性的系统的限制条件。我们认为NI 公司的 PXI 系列产品是实现这个系统的合适而优秀的平台。嵌入式实时控制器的可用性、用于模拟和数字I/O 端口的各种NI 模块、对于ARINC-429、反射内存卡和IRIG-B 同步电路板等第三方厂商的开放性，以及使用LabVIEW和LabVIEW Real-Time软件可能带来的快速软件开发，是整个工程解决方案中不可或缺的部分，将在下面的高级构架中一一介绍。
信号调理和数据采集
　　由于场传感器LVDT 和RVDT 产生的信号有着各种不同的、自定义的特性，我们设计并实现了自定义的信号调理硬件，用于放大信号，并且提供隔离以及同步采样等功能。经调理后的信号被连到放在多个机架中的NI I/O 模块上。PXI 平台提供了必要的模块功能和系统灵活性，以及精确的定时同步和实时时钟的分配。在系统开发的早期阶段，我们成功地验证了一个满容的PXI 机箱可以以1kHz 的速率进行全速数据采集，而没有任何吞吐量的瓶颈。对于 TCP/IP、反射内存以及CPU 中断次数的吞吐量和确定性检查也是成功的，这使得对系统的关键设计的审查是十分成功的。
应用程序软件
　　系统配置如标签名称、硬件通道关联、采样速率、工程转换和系统校准信息被保存在Windows 数据库中。
　　LabVIEW 软件允许在针对具体设备测试的系统配置中，创建硬件资源和数据库信息。一经创建，将对配置进行系统完整性和吞吐量需求的检查，并且下载到PXI 节点上运行LabVIEW 实时模块的嵌入式目标上。
　　LabVIEW 实时模块对整个系统进行初始化，并且利用PXI 定时模块来同步所有的PXI 节点。Averna 公司为PXI-7831R 模块开发了个性化的FPGA 代码，用于使用PXI 时钟来产生ARINC 收发器模块所需要的IRIG-B同步信号。PXI实时控制器上运行的时间临界代码与信号调理硬件进行握手，并且确定性地采集输入信号同时更新输出信号，所有的I/O 操作在相同的时钟沿上发生。
　　仿真节点在十余个台式机节点上运行MathWorks公司的Simulink设备模型。所有的PXI 和仿真节点共享数据，通过反射内存网络执行系统命令，确保节点到节点具有250ns 的低延时。我们利用LabVIEW 实时模块开发了个性化的命令解释器，来通过反射内存提供远程的CPU 中断和程序触发功能。LabVIEW 实时模块和PXI还利用相关的虚拟仪器，与若干个ARINC-429收发器进行交互，提供通信、字定义和ARINC 加密功能等，如下图所示。

图3.用于ARINC 字定义和加密的虚拟仪器
系统监测
　　所有测试数据通过静态的反射内存环缓冲器，实时传输到远程节点进行存储。现在，数据可以传输到多个监测节点，来查看实时数据并且记录数据用于测试分析。基于LabVIEW 的虚拟仪器使得工程师们可以灵活地定义图形和表格数据查看功能的显示效果，如图4所示。

图4.图形和表格数据查看功能
结论
　　我们提出的解决方案成功地集成了各种技术产品，在高度模块化的同时，通过在系统中添加更多的PXI机箱，可以适用于几千路通道。PXI、 LabVIEW 和LabVIEW 实时模块是成功的关键因素。它们使我们创建了灵活的、高吞吐量而且低延时的半实物系统，同时节省了20 万美元的实现成本和几个月的开发时间。