??? 許多年來,，航空和汽車設計工程師們使用半實物仿真設備來縮短開發(fā)周期。他們可以對新產(chǎn)品的設計模型進行高速仿真,，并與現(xiàn)有硬件的輸入和輸出信號進行實時交互,，進而以前所未有的效率進行反復設計和驗證。隨著這類系統(tǒng)在設計流程中逐漸扮演起關鍵的角色,，提出了一個新需求就是以具有成本效益的方式實現(xiàn)非常靈活而高性能的半實物設備,。基于開發(fā)時間,、成本和維護的考慮,，這些設備需要具有可以集成多個開發(fā)商技術和使用即時可用部件的能力。NI 公司的PXI 和LabVIEW 平臺則為我們提供了一個理想的解決方案,。

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??? 我們的客戶,，Thales Canada公司的航空部門，主要致力于設計現(xiàn)代的電子飛行控制器,，他們需要使用半實物系統(tǒng)對設計驗證工具進行戰(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)通道以及一個包含可以在十個以上計算節(jié)點上運行設備模型的系統(tǒng)。這些節(jié)點間的相互依賴性還要求將計算或采集到的數(shù)據(jù)在全系統(tǒng)范圍內(nèi)發(fā)送同時具有10ms級的非常低的延時,。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)

??? 新型的半實物設備需要與未來的產(chǎn)品兼容,，所以它必須是一個非常靈活的系統(tǒng)，可以將硬件資源和物理信號進行動態(tài)結合,，可以在無性能損失的情況下對高達2000 路通道進行操作,，而且在為新的測試設定而重新配置時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)進行詳盡的記錄,，并且通過多址接入控制的計算機實現(xiàn)一個同樣靈活的和動態(tài)的實時圖解和表格數(shù)據(jù)查看功能,。

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??? Thales公司的工程團隊詳細的描述了所有的性能指標，并且將系統(tǒng)的技術設計和實現(xiàn)任務外包給了Averna 公司,。Averna 公司對于這一整套富有挑戰(zhàn)性的指標的解決方案如下所示,。

系統(tǒng)設計

??? 在5 個月內(nèi)交付的嚴格時間表和具有高度成本效益的需求,，進一步增加了這個在技術上已經(jīng)十分具有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)的限制條件。我們認為NI 公司的PXI 系列產(chǎn)品是實現(xiàn)這個系統(tǒng)的合適而優(yōu)秀的平臺,。嵌入式實時控制器的可用性,、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)，是整個工程解決方案中不可或缺的部分,，將在下面的高級構架中一一介紹,。

信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集

??? 由于場傳感器LVDT 和RVDT 產(chǎn)生的信號有著各種不同的、自定義的特性,，我們設計并實現(xiàn)了自定義的信號調(diào)理硬件,，用于放大信號，并且提供隔離以及同步采樣等功能,。經(jīng)調(diào)理后的信號被連到放在多個機架中的NI I/O 模塊上,。PXI 平臺提供了必要的模塊功能和系統(tǒng)靈活性，以及精確的定時同步和實時時鐘的分配,。在系統(tǒng)開發(fā)的早期階段,，我們成功地驗證了一個滿容的PXI 機箱可以以1kHz 的速率進行全速數(shù)據(jù)采集，而沒有任何吞吐量的瓶頸,。對于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，這使得對系統(tǒng)的關鍵設計的審查是十分成功的,。

應用程序軟件

??? 系統(tǒng)配置如標簽名稱,、硬件通道關聯(lián)、采樣速率,、工程轉換和系統(tǒng)校準信息被保存在Windows 數(shù)據(jù)庫中,。

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??? LabVIEW 軟件允許在針對具體設備測試的系統(tǒng)配置中，創(chuàng)建硬件資源和數(shù)據(jù)庫信息,。一經(jīng)創(chuàng)建,，將對配置進行系統(tǒng)完整性和吞吐量需求的檢查，并且下載到PXI 節(jié)點上運行LabVIEW 實時模塊的嵌入式目標上,。

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

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??? 仿真節(jié)點在十余個臺式機節(jié)點上運行MathWorks公司的Simulink設備模型。所有的PXI 和仿真節(jié)點共享數(shù)據(jù),，通過反射內(nèi)存網(wǎng)絡執(zhí)行系統(tǒng)命令,，確保節(jié)點到節(jié)點具有250ns 的低延時。我們利用LabVIEW 實時模塊開發(fā)了個性化的命令解釋器,，來通過反射內(nèi)存提供遠程的CPU 中斷和程序觸發(fā)功能,。LabVIEW 實時模塊和PXI還利用相關的虛擬儀器，與若干個ARINC-429收發(fā)器進行交互,，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

??? 所有測試數(shù)據(jù)通過靜態(tài)的反射內(nèi)存環(huán)緩沖器,，實時傳輸?shù)竭h程節(jié)點進行存儲。現(xiàn)在,，數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)蕉鄠€監(jiān)測節(jié)點,，來查看實時數(shù)據(jù)并且記錄數(shù)據(jù)用于測試分析?；贚abVIEW 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

結論

??? 我們提出的解決方案成功地集成了各種技術產(chǎn)品,，在高度模塊化的同時,，通過在系統(tǒng)中添加更多的PXI機箱，可以適用于幾千路通道,。PXI,、LabVIEW 和LabVIEW 實時模塊是成功的關鍵因素。它們使我們創(chuàng)建了靈活的,、高吞吐量而且低延時的半實物系統(tǒng),，同時節(jié)省了20 萬美元的實現(xiàn)成本和幾個月的開發(fā)時間。