虛擬儀器課程研究報告7800字

企業課程研究報告課程名稱依托企業上海泛華測控有限公司學院電氣與自動化工程學院專業學號學生姓名校外導師校內導師提交日期企業課程報告目錄1、課程研究的熱點及發展趨勢....................................................................................................32、課程的主要目標與內容...........................................................................................................42.1內容................................................................................................................................42.2目標...............................................................................................................................43、虛擬儀器在企業實踐中的應用................................................................................................44、總結.......................................................................................................................................72企業課程報告1、課程研究的熱點及發展趨勢虛擬儀器的技術基礎是計算機技術，核心是計算機軟件技術。Labview使用了“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，提供了許多儀器面板中的控制對象，如表頭、旋鈕、開關及坐標平面圖等。所謂虛擬儀器就是以計算機作為儀器統一的硬件平臺，充分利用計算機的運算、存儲、回放、調用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統儀器的專業化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結合構成一臺從外觀到功能都完全與傳統硬件儀器相同，同時又充分享用了計算機智能資源的全新儀器系統。與傳統儀器相比，它的最大特點就是把由儀器生產廠家定義儀器功能的方式轉變為由用戶自己定義儀器功能，滿足多種多樣的應用需求。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實現了軟件化，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模，這充分體現了“軟件就是儀器”的設計思想。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（laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench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為適合自己工作領域的控制對象。就是Labview提供了多種強有力的工具箱和函數庫，并集成了很多儀器硬件庫。以Labview支持多種操作系統平臺，在任何一個平臺上開發的Labview應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人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，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準儀器的互連及與計算機的連接。目前使用較多的是IEEE488或GPIB協議。未來的儀器也應當是網絡化的。虛擬儀器從概念誕生到現在，不過20年的歷史。國際上從19xx年開始陸續有虛擬產品面市，當時有五家制造商推出30種產品，此后，虛擬儀器產品成倍增加，到19xx年底，虛擬儀器制造廠已達95家，共生產1000多種虛擬儀器產品，銷售額達2.93億美元，占整個儀器銷售額76億美元的4％。據預測，21世紀前10年，虛擬儀器的生產廠家將超過千家，品種將達數千種，市場潛力巨大。同時，我們能夠看到歐美，特別是美國企業在虛擬儀器開發平臺上處于壟斷地位，在市場上的狀況也同樣如此。可以預見，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。隨著網際網絡和無線技術的不斷發展，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共享知識和經驗——鞏固開發過程每個階段工程師們的努力成果。商業科技的發展浪潮將會繼續，同時也將虛擬儀器技術推向新的領域。因此，性能的提高將節省寶貴的開發及系統整合時間，同時又比傳統儀器測量方案成倍降低成本。沒有人能夠準確地預測未來的虛擬儀器將會發展到怎樣的程度，但可以肯定的是——PC與其相關的科技將會是虛擬儀器技術的核心。隨著計算機技術、儀器技術和網絡通信技術的不斷完善，虛擬儀器將向以下三個方向發展：(1)外掛式虛擬儀器PC-DAQ式虛擬儀器是現在比較流行的虛擬儀器系統，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入計算機，各種現場的被測信號對計算機的安全造成很大的威脅，同時，3企業課程報告計算機內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將成為今后廉價型虛擬儀器測試系統的主流。(2)PXI型高精度集成虛擬儀器測試系統PXI系統高度的可擴展性和良好的兼容性，以及比VXI系統更高的性價比，將使它成為未來大型高精度集成測試系統的主流虛擬儀器平臺。(3)網絡化虛擬儀器盡管Internet技術最初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設備連接在一起，不過NI等公司已開發了通過Web瀏覽器觀測這些嵌入式儀器設備的產品，使人們可以通過Internet操作儀器設備。根據虛擬儀器的特性，我們能夠方便地將虛擬儀器組成計算機網絡。利用網絡技術將分散在不同地理位置不同功能的測試設備聯系在一起，使昂貴的硬件設備、軟件在網絡上得以共享，減少了設備重復投資。現在，有關MCN(MeasurementandControlNetworks)方面的標準正在積極進行，并取得了一定進展。由此可見，網絡化虛擬儀器將具有廣泛的應用前景。2、課程的主要目標與內容2.1內容虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能幫助用戶創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集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。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，才能充分發揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發時間少，以及出色的集成這四大優勢。2.2目標通過LabVIEW軟件編程練習和結合硬件的數據采集實驗，掌握圖形化編程方式(G語言)與虛擬儀器平臺的基本操作，培養實際動手能力，通過分組課程設計(Project)建立起系統設計的概念，同時培養創新能力、獨立思考與解決實際問題的能力3、虛擬儀器在企業實踐中的應用使用LabVIEW與NIFlexRIO實現基于FPGA的單原子反饋控制4企業課程報告反饋是控制動態系統最強有力的技術之一。我們實驗室研究的系統含有一個單獨的，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——被高反射性的腔式鏡面所環繞。使用這套系統，我們可以研究光與物質相互作用的基本量子性質，要實現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。我們的目標是通過快速的電子反饋技術來抑制這種運動，使用回復力抵消這種逃逸運動。其基本原理如圖3所示。運動的不可預測性使得針對它的反應必須快速，但是系統的量子特性限制了信息量的提取。因此，我們必須在100ns內，快速執行基于單個光子探測決策過程。解決這一棘手任務的關鍵電子元件是NIPXI-7954RNIFlexRIOFPGA模塊，結合NI6581高速數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引腳的數字輸入與輸出，防止損壞。NIFlexRIO模塊被安裝在NIPXIe-1075機箱上，它具有NIPXIe-8130集成主機控制器。FPGAs是特殊的可重配置的集成電路，因此它們可以達到由硬件實現的高性能，同時在整個設計過程中可以實現很高程度的通用性。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行過程，從而使它們在科學研究與工業生產中成為廣泛而有力的工具。NIFlexRIO模塊具有兩個主要優勢。首先，它允許通過LabVIEWFPGA模塊快捷地為FPGA編程，我們可以使用這種圖形化的設計語言來設計高層的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，FlexRIO模塊直接將FPGA引腳展現給用戶，能夠實現高度定制的I/O。因此，它允許定制的，高性能硬件的創建。在我們的應用中，我們開發了一套定制的時域數字轉換器，它能夠以一個納秒的分辨率對多個數字通路進行采樣，處理實時數據，運用反饋算法，并向用戶輸出重要的信息。具有1ns分辨率與64位動態范圍的四通道時域數字轉換器工作在很低的光強下，要求使用的設備能夠探測單個光子。這些設備，稱為單光子計數模塊(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射數字電子脈沖(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時間。對于我們的應用來說，1ns的分辨率剛好需要FPGA對每個連接到SPCM的數字通路以1GHz的頻率采樣。高采樣率可以通過使用XilinxVirtex-5設備內置的數字串并轉換能力實現，我們可以用它來把1Gbit/s的數據流轉換成8個同步的，每個125Mbits/s的數據流。每個數據流描述原始數據流的一部分，數據間的時間間隔為1ns(如圖5所示)。這項功能是通過LabVIEW中插入常用CLIP(器件級知識產權方案)實現的，從而允許集成的VHDL代碼訪問FPGA的輸入/輸出引腳。每個上升沿對應于一個光子撞擊，需要至少36位動態范圍的時間標記；記錄多達一分鐘的數據集是非常有必要的，同時要避免內部計數器的溢出。這是通過運用邊緣檢測單元實現的，它對每8位寬度的，由“iserdes”產生輸出的“串并轉換”的數據流進行掃描。無論何時探測到上升沿，一個事件標志被宣稱。一個用于表示8ns間隔中事件發生5企業課程報告位置的，3位形式的數據另外產生出來。這個值與61位的計數器同步運行在125MHz的時鐘下。總計，這能提供64位的時間標記，然后它——連同事件標志一起——被傳遞給LabVIEWFPGA。從那一刻起，LabVIEWVI負責處理剩下的部分。四個探測器中每一個的光子撞擊的時間標記都緩存在FIFOs。隨后，它們被分類并合并成一個常見的數據流，它也具有控制信息。在數據流經由DMA通道進入主機PC的內存之前，它被緩存于NIFlexRIO模塊的DRAM中。總體而言，這種結構允許在每個通道低于2,000個事件的情況下，實現每秒高達125百萬個事件的峰值計數率。此外，平均每秒1億個事件的計數率也可實現。這種情況可以持續大約1.6千萬個事件，這是由DDR2內存的尺寸與速度限制造成的。最終，一個持續的25MHz的計數率被實現，這是由PXI總線的帶寬限制所決定的。升級成NIPXIe-796xNIFlexRIO模塊將顯著地提高平均計數率，這是因為增加的PXIExpress總線速度，以及更快更大的DDR2內存。請注意，盡管使用了專為處理高達200Mbit/s數據率的NI6581適配器模塊的DDCA口，只要計數率不超過100MHz，以1ns的分辨率探測上升沿仍然是可行的。適當的運行模式已經通過使用安捷倫的81150A脈沖信號發生器的大量測試進行了驗證。逐個光子對單個原子的反饋FPGA要執行的主要任務是實時對原子軌跡進行有效控制。我們使用NIFlexRIOFPGA模塊來控制單個原子的運動，它被俘獲于光腔內部的光學偶極阱。只需要通過探測一些光子，我們就能獲得有關阱中原子實際位置的充足信息，從而操控它的運動。在這里，FPGA模塊被用于記錄光子的到達時間，評估原子的軌跡，并基于這些信息改變原子的俘獲勢能。當探測到單個光子時，一個數字化的電子脈沖被光電探測器發射出來，到達時間被FPGA以1ns的分辨率在多個通路記錄。基于光子被探測到的計數率變化，FPGA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。NIFlexRIO模塊將被原子散射的光子的到達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。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的不可預測性比它的振動頻率更大，其振動頻率一般約為5kHz。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為是存儲時間。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?s一個光子的量級，從而使執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字化地在高低值之間改變阱的勢壘深度，取決于是否當前時間間隔內的撞擊數量超過先前一定數值。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秒的結果已經實現，從而使這項技術完全可以與激光冷卻方案相比，它要求更為復雜的光學結構。目前更加精密的反饋策略正在研究中。監測除了存儲有關發射光子流的信息并反饋到系統中，將重要的信息顯示給實驗者也至關重要。對于最初的方案來說，這一點尤其重要。為實現這一目的，我們將一個快速數字模擬轉換器(DAC)與兩個視頻圖形陣列(VGA)連接器集成到FPGA。DAC是AD(AnalogDevices)公司的TxDAC(AD9744)，它能提供210Ms/s的采樣率，同時具有14位的分辨率。在當前設計下，它運行在125MHz的時鐘頻率下，并輸出一個6企業課程報告與探測到的光子數目成正比的電壓。DAC的數據與時鐘引腳被連接到NI6581；22Ω的電阻被串聯以減少數字DAC輸入的反射。模塊的其余引腳被用于同VGA顯示器交互。基本上每個VGA連接器含有三根信號線，以及兩根數據線。信號線傳輸紅，綠，藍顏色信息。VGA的說明書要求它們連接75Ω的電阻，并且承受0V(黑色)到0.7V(全部彩色亮度)的電壓。同步由兩個高阻TTL數據線實現，規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，那經由270Ω電阻連接VGA連接器信號引腳與NI6581適配器模塊(采用3.3V的配置模式)就足夠了。數據線串聯一個22Ω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的一個內分區塊RAMs中。另外一個區塊RAM存儲了符號編碼。圖形部分顯示了探測器發射的趨勢圖或反饋算法的計算；這些圖表也存儲于內分區塊RAM。運行于108MHz像素時鐘的，1280乘以1024像素的顯示模式可以很容易地實現。總結使用NIFlexRIO，我們可以創建自己的高性能定制硬件。時域數字轉換器是非常強大以及功能廣泛的工具，可用于科學研究與工業生產的很多不同領域，它所能提供的優勢超過了很多商業上可用的產品。FPGAs的計算能力進一步幫助我們從硬件上來實現時間嚴格任務的實時處理，從而使對較小系統執行反饋控制成為可