虛擬儀器課程研究報告

1、企業(yè)課程報告 企業(yè)課程研究報告課程名稱 虛擬儀器技術(shù) 依托企業(yè) 上海泛華測控有限公司 學(xué) 院 電氣與自動化工程學(xué)院 專 業(yè) 學(xué) 號 學(xué)生姓名 校外導(dǎo)師 校內(nèi)導(dǎo)師 提交日期 2014.9.11 目錄1、課程研究的熱點及發(fā)展趨勢22、課程的主要目標(biāo)與內(nèi)容32.1內(nèi)容32.2 目標(biāo)33、虛擬儀器在企業(yè)實踐中的應(yīng)用44、總結(jié)61、課程研究的熱點及發(fā)展趨勢虛擬儀器的技術(shù)基礎(chǔ)是計算機技術(shù)，核心是計算機軟件技術(shù)。Labview使用了“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機界面，提供了許多儀器面板中的控制對象，如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。所謂虛擬儀器就是以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機的運算、存

2、儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結(jié)合構(gòu)成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用了計算機智能資源的全新儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，它的最大特點就是把由儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的設(shè)計思想。虛擬儀器最有代表性的圖形化編程軟件是美國NI公司推出的Labview（laboratory virtual instrument engi

3、neering workbench即實驗室虛擬儀器工作平臺）。用戶可以通過使用編輯器將控制對象改變?yōu)檫m合自己工作領(lǐng)域的控制對象。就是Labview提供了多種強有力的工具箱和函數(shù)庫，并集成了很多儀器硬件庫。以Labview支持多種操作系統(tǒng)平臺，在任何一個平臺上開發(fā)的Labview應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺上。LabVIEW的最大特點是圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實

4、現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。虛擬儀器研究的另一個問題是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連及與計算機的連接。目前使用較多的是IEEE488 或 GPIB協(xié)議。未來的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。虛擬儀器從概念誕生到現(xiàn)在，不過20年的歷史。國際上從1988年開始陸續(xù)有虛擬產(chǎn)品面市，當(dāng)時有五家制造商推出30種產(chǎn)品，此后，虛擬儀器產(chǎn)品成倍增加，到1994年底，虛擬儀器制造廠已達(dá)95家，共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達(dá)2.93億美元，占整個儀器銷售額76億美元的4。據(jù)預(yù)測，21世紀(jì)前10年，虛擬儀器的生產(chǎn)廠家將超過千家，品種將達(dá)數(shù)千種，市場潛

5、力巨大。同時，我們能夠看到歐美，特別是美國企業(yè)在虛擬儀器開發(fā)平臺上處于壟斷地位，在市場上的狀況也同樣如此。 可以預(yù)見，未來的這種連通水平將會更高，屆時將賦予模塊化新的定義。隨著網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)和無線技術(shù)的不斷發(fā)展，工程師們不僅能夠重新使用模塊化的組成部分，還可以更方便地在全球范圍內(nèi)共享知識和經(jīng)驗鞏固開發(fā)過程每個階段工程師們的努力成果。  商業(yè)科技的發(fā)展浪潮將會繼續(xù)，同時也將虛擬儀器技術(shù)推向新的領(lǐng)域。因此，性能的提高將節(jié)省寶貴的開發(fā)及系統(tǒng)整合時間，同時又比傳統(tǒng)儀器測量方案成倍降低成本。沒有人能夠準(zhǔn)確地預(yù)測未來的虛擬儀器將會發(fā)展到怎樣的程度，但可以肯定的是PC與其相關(guān)的科技將

6、會是虛擬儀器技術(shù)的核心。隨著計算機技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器將向以下三個方向發(fā)展： (1)外掛式虛擬儀器 PC-DAQ式虛擬儀器是現(xiàn)在比較流行的虛擬儀器系統(tǒng)，但是，由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入DAQ時都需要打開機箱等，比較麻煩，而且，主機上的PCI插槽有限，再加上測試信號直接進(jìn)入計算機，各種現(xiàn)場的被測信號對計算機的安全造成很大的威脅，同時，計算機內(nèi)部的強電磁干擾對被 測信號也會造成很大的影響，故以USB接口方式的外掛式虛擬儀器系統(tǒng)將成為今后廉價型虛擬儀器測試系統(tǒng)的主流。 (2)PXI型高精度集成虛擬儀器測試系統(tǒng) PXI系統(tǒng)高度的可擴展性和良好的兼容性，以及比VXI系

7、統(tǒng)更高的性價比，將使它成為未來大型高精度集成測試系統(tǒng)的主流虛擬儀器平臺。 (3)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器 盡管Internet技術(shù)最初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設(shè)備連接在一起，不過NI等公司已開發(fā)了通過Web瀏覽器觀測這些嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過Internet操作儀器設(shè)備。根據(jù)虛擬儀器的特性，我們能夠方便地將虛擬儀器組成計算機網(wǎng)絡(luò)。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散在不同地理位置不同功能的測試設(shè)備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資?，F(xiàn)在，有關(guān)MCN(Measurement and Control Networks)方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，并取得了一定進(jìn)展。由此可見，

8、網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。  2、課程的主要目標(biāo)與內(nèi)容2.1內(nèi)容虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能幫助用戶創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應(yīng)用的需求。只有同時擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴展性強、開發(fā)時間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢。2.2 目標(biāo)通過LabVIEW軟件編程練習(xí)和結(jié)合硬件的數(shù)據(jù)采集實驗，掌握圖形化編程方式 (G語言) 與虛擬儀器平臺的基本操作，

9、培養(yǎng)實際動手能力，通過分組課程設(shè)計 (Project) 建立起系統(tǒng)設(shè)計的概念，同時培養(yǎng)創(chuàng)新能力、獨立思考與解決實際問題的能力3、虛擬儀器在企業(yè)實踐中的應(yīng)用使用LabVIEW 與 NI FlexRIO實現(xiàn)基于FPGA的單原子反饋控制反饋是控制動態(tài)系統(tǒng)最強有力的技術(shù)之一。我們實驗室研究的系統(tǒng)含有一個單獨的，與單個光子相互作用的中性孤立原子量子化電磁場的本征激發(fā)被高反射性的腔式鏡面所環(huán)繞。使用這套系統(tǒng)，我們可以研究光與物質(zhì)相互作用的基本量子性質(zhì)，要實現(xiàn)這一點必須將原子限制在腔鏡的中央。然而，固有的加熱過程更傾向于將原子推向其它位置。我們的目標(biāo)是通過快速的電子反饋技術(shù)來抑制這種運動，使用回復(fù)力抵消這種

10、逃逸運動。其基本原理如圖3所示。運動的不可預(yù)測性使得針對它的反應(yīng)必須快速，但是系統(tǒng)的量子特性限制了信息量的提取。因此，我們必須在100ns內(nèi)，快速執(zhí)行基于單個光子探測決策過程。解決這一棘手任務(wù)的關(guān)鍵電子元件是NI PXI-7954R NI FlexRIO FPGA模塊，結(jié)合NI 6581高速數(shù)字輸入輸出適配器模塊。使用適配器模塊的主要意圖是通過緩沖暴露的FPGA引腳的數(shù)字輸入與輸出，防止損壞。NI FlexRIO模塊被安裝在NI PXIe-1075機箱上，它具有NI PXIe-8130集成主機控制器。FPGAs是特殊的可重配置的集成電路，因此它們可以達(dá)到由硬件實現(xiàn)的高性能， 同時在整個設(shè)計過程

11、中可以實現(xiàn)很高程度的通用性。 這一點，連同它們固有的并行性，可以提供快速與確定性的執(zhí)行過程，從而使它們在科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)中成為廣泛而有力的工具。NI FlexRIO模塊具有兩個主要優(yōu)勢。首先，它允許通過LabVIEW FPGA 模塊快捷地為FPGA編程， 我們可以使用這種圖形化的設(shè)計語言來設(shè)計高層的FPGA電路，同時如果有必要，它也集成了常用的，底層的VHDL代碼。其次，F(xiàn)lexRIO模塊直接將FPGA引腳展現(xiàn)給用戶，能夠?qū)崿F(xiàn)高度定制的I/O。因此，它允許定制的，高性能硬件的創(chuàng)建。在我們的應(yīng)用中，我們開發(fā)了一套定制的時域數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它能夠以一個納秒的分辨率對多個數(shù)字通路進(jìn)行采樣，處理實時數(shù)據(jù)

12、，運用反饋算法，并向用戶輸出重要的信息。具有1 ns分辨率與64位動態(tài)范圍的四通道時域數(shù)字轉(zhuǎn)換器工作在很低的光強下，要求使用的設(shè)備能夠探測單個光子。這些設(shè)備，稱為單光子計數(shù)模塊(SPCM)，是基于雪崩光電二極管制造的，并能在探測到單個光子的時候發(fā)射數(shù)字電子脈沖(如圖4所示)。我們使用由美國珀金埃爾默(PerkinElmer®)公司制造的設(shè)備(AQR-14)。脈沖的上升沿能夠以350皮秒的精確度表示出光子的到達(dá)時間。對于我們的應(yīng)用來說，1 ns的分辨率剛好需要FPGA對每個連接到SPCM的數(shù)字通路以1 GHz的頻率采樣。高采樣率可以通過使用Xilinx Virtex-5設(shè)備內(nèi)置的數(shù)字串

13、并轉(zhuǎn)換能力實現(xiàn)，我們可以用它來把1 Gbit/s的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成8個同步的，每個125 Mbits/s的數(shù)據(jù)流。 每個數(shù)據(jù)流描述原始數(shù)據(jù)流的一部分，數(shù)據(jù)間的時間間隔為1 ns(如圖5所示)。這項功能是通過LabVIEW中插入常用CLIP (器件級知識產(chǎn)權(quán)方案)實現(xiàn)的，從而允許集成的VHDL代碼訪問FPGA的輸入/輸出引腳。每個上升沿對應(yīng)于一個光子撞擊，需要至少36位動態(tài)范圍的時間標(biāo)記；記錄多達(dá)一分鐘的數(shù)據(jù)集是非常有必要的，同時要避免內(nèi)部計數(shù)器的溢出。這是通過運用邊緣檢測單元實現(xiàn)的，它對每8位寬度的，由“iserdes”產(chǎn)生輸出的“串并轉(zhuǎn)換”的數(shù)據(jù)流進(jìn)行掃描。無論何時探測到上升沿，一個事件標(biāo)志被宣

14、稱。一個用于表示8 ns間隔中事件發(fā)生位置的，3位形式的數(shù)據(jù)另外產(chǎn)生出來。這個值與61位的計數(shù)器同步運行在125 MHz的時鐘下?？傆?，這能提供64位的時間標(biāo)記，然后它連同事件標(biāo)志一起被傳遞給LabVIEW FPGA。從那一刻起，LabVIEW VI負(fù)責(zé)處理剩下的部分。四個探測器中每一個的光子撞擊的時間標(biāo)記都緩存在FIFOs。隨后，它們被分類并合并成一個常見的數(shù)據(jù)流，它也具有控制信息。在數(shù)據(jù)流經(jīng)由DMA通道進(jìn)入主機PC的內(nèi)存之前，它被緩存于NI FlexRIO模塊的DRAM中?？傮w而言，這種結(jié)構(gòu)允許在每個通道低于2,000個事件的情況下，實現(xiàn)每秒高達(dá)125百萬個事件的峰值計數(shù)率。此外，平均每秒

15、1億個事件的計數(shù)率也可實現(xiàn)。這種情況可以持續(xù)大約1.6千萬個事件，這是由DDR2內(nèi)存的尺寸與速度限制造成的。最終，一個持續(xù)的25 MHz的計數(shù)率被實現(xiàn)，這是由PXI總線的帶寬限制所決定的。升級成NI PXIe-796x NI FlexRIO模塊將顯著地提高平均計數(shù)率，這是因為增加的PXI Express總線速度，以及更快更大的DDR2內(nèi)存。請注意，盡管使用了專為處理高達(dá)200 Mbit/s數(shù)據(jù)率的NI 6581適配器模塊的DDCA口，只要計數(shù)率不超過100 MHz，以1ns的分辨率探測上升沿仍然是可行的。適當(dāng)?shù)倪\行模式已經(jīng)通過使用安捷倫的81150A 脈沖信號發(fā)生器的大量測試進(jìn)行了驗證。逐個光

16、子對單個原子的反饋FPGA要執(zhí)行的主要任務(wù)是實時對原子軌跡進(jìn)行有效控制。我們使用NI FlexRIO FPGA模塊來控制單個原子的運動，它被俘獲于光腔內(nèi)部的光學(xué)偶極阱。只需要通過探測一些光子，我們就能獲得有關(guān)阱中原子實際位置的充足信息，從而操控它的運動。在這里，F(xiàn)PGA模塊被用于記錄光子的到達(dá)時間，評估原子的軌跡，并基于這些信息改變原子的俘獲勢能。當(dāng)探測到單個光子時，一個數(shù)字化的電子脈沖被光電探測器發(fā)射出來，到達(dá)時間被FPGA以1 ns的分辨率在多個通路記錄?；诠庾颖惶綔y到的計數(shù)率變化，F(xiàn)PGA判斷原子是否正向俘獲勢能的中心移動，或是在勢阱的外部，來決定減少或增加俘獲勢能。NI FlexRI

17、O模塊將被原子散射的光子的到達(dá)時間逐個分類并歸棧。典型的歸棧時間間隔一般為幾百萬分之一秒，它涉及到曝光時間，每隔幾納秒需要校正一下。散射光子率的變化通過比較當(dāng)前堆棧與之前堆棧來評估，它被延時，延時時間等于曝光時間。延時使用FIFOs實現(xiàn)。在我們的實驗中，光子通量的減少表明原子正向光腔的中部移動，而增加預(yù)示著原子正向外部移動。因為被俘獲的原子對多種不同的力都非常敏感，它的運動在規(guī)則振動的同時，又疊加了一些無序的運動。這種機制使得原子軌跡在時間尺度內(nèi)的不可預(yù)測性比它的振動頻率更大，其振動頻率一般約為5 kHz。一旦原子積累的動能超過它所處勢阱的深度，它就會丟失。原子呆在勢阱的時間被認(rèn)為是存儲時間。

18、此外，對于一個被俘獲原子來說，散射光子的通量一般僅為每10 µs一個光子的量級，從而使執(zhí)行有效的反饋方案非常困難，這是因為有用的信息太少。一種可行的方案需要數(shù)字化地在高低值之間改變阱的勢壘深度，取決于是否當(dāng)前時間間隔內(nèi)的撞擊數(shù)量超過先前一定數(shù)值。就如同它看起來那么簡單，與沒有信號反饋回來的情況相比，它在原子的平均存儲時間方面增加了30倍。存儲時間平均1秒，最高超過7秒的結(jié)果已經(jīng)實現(xiàn)，從而使這項技術(shù)完全可以與激光冷卻方案相比，它要求更為復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)。目前更加精密的反饋策略正在研究中。監(jiān)測除了存儲有關(guān)發(fā)射光子流的信息并反饋到系統(tǒng)中，將重要的信息顯示給實驗者也至關(guān)重要。對于最初的方案來說

19、，這一點尤其重要。為實現(xiàn)這一目的，我們將一個快速數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)與兩個視頻圖形陣列(VGA)連接器集成到FPGA。DAC是AD(Analog Devices)公司的TxDAC (AD9744)，它能提供210 Ms/s的采樣率，同時具有14位的分辨率。在當(dāng)前設(shè)計下，它運行在125 MHz的時鐘頻率下，并輸出一個與探測到的光子數(shù)目成正比的電壓。DAC的數(shù)據(jù)與時鐘引腳被連接到NI 6581；22 的電阻被串聯(lián)以減少數(shù)字DAC輸入的反射。模塊的其余引腳被用于同VGA顯示器交互?；旧厦總€VGA連接器含有三根信號線，以及兩根數(shù)據(jù)線。信號線傳輸紅，綠，藍(lán)顏色信息。VGA的說明書要求它們連接75

20、的電阻，并且承受0 V (黑色) 到 0.7 V (全部彩色亮度)的電壓。同步由兩個高阻TTL數(shù)據(jù)線實現(xiàn)，規(guī)定了水平與垂直的回描周期。如果只有8個顏色值(3位顏色深度)是需要的，那經(jīng)由270 電阻連接VGA連接器信號引腳與NI 6581適配器模塊(采用3.3 V的配置模式)就足夠了。數(shù)據(jù)線串聯(lián)一個22 的電阻。我們選擇將顯示器分為兩部分：一部分顯示基于文本的信息，另一部分是圖像信息。對于文本模式來說，一套8乘以16像素的黑/白字體被載入到FPGA的一個內(nèi)分區(qū)塊RAMs中。另外一個區(qū)塊RAM存儲了符號編碼。圖形部分顯示了探測器發(fā)射的趨勢圖或反饋算法的計算；這些圖表也存儲于內(nèi)分區(qū)塊RAM。運行于108 MHz像素時鐘的，1280乘以1024像素的顯示模式可以很容易地實現(xiàn)?？偨Y(jié)使用NI FlexRIO，我們可以創(chuàng)建自己的高性能定制硬件。時域數(shù)字轉(zhuǎn)換器是非常強大以及功能廣泛的工具，可用于科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)的很多不同領(lǐng)域，它所能提供的優(yōu)勢超過了很多商業(yè)上可用的產(chǎn)品。FPGAs的計算能力進(jìn)一步幫助我們從硬件上來實現(xiàn)時間嚴(yán)格任務(wù)的實時處理，從而使對較小系統(tǒng)執(zhí)行反饋控制成為可能，甚至于單個原子與單個光子的相互作用。使用LabVIEW FPGA，我們可以快速地開發(fā)FPGA編碼，這是因為它的高度概括性，同時適當(dāng)?shù)丶闪薞HDL I