采用CompactRIO開發的軍用無機機載振動測試系統

1.挑戰

????開發一個用于自動駕駛的飛機振動測試系統,用于無人機研發的各種振動試驗。

2.解決方案

??? 使用CompactRIO和專用軟件開發一個控制采集系統,用于測試16個通道的振動信號,4個通用電壓測試通。可以記錄飛機起飛、飛行、降落整個過程各個部分的振動情況。
??? INTEST選用了NI的高性能嵌入式控制器,用來控制采集和數據的存儲。整個采集主機還可以通過網線連接至上位機系統,實現數據的實時傳輸。主機本地帶有16G的數據存儲空間,可以用 于存儲長時間的測試數據。

3.硬件和系統構架
CompactRIO是一種高級可重配置的嵌入式控制和采集系統,它配合FPGA 技術,具備高性能、低層用戶自定義以及可重構性。
? CompactRIO 可重復配置機箱
● 上千種具備知識產權(IP)的程序塊隔離式I/O 模塊
● 用于± 80 mV 到± 250 V 工業I/O的信號調理
● 熱插拔模塊

可重復配置FPGA
● 用于高速并行處理和控制的嵌入式FPGA
● 用于自定義DSP 邏輯的、可靠的專用硬件電路堅固設計
● -40~70 °C 溫度范圍
●抗50 g 沖擊,工業認證/ 評級

實時處理器
● 確定性硬實時OS
● 多線程執行優先級/ 順序任務

10/100 Mb/s 以太網
● 內置網絡、FTP、Modbus/TCP

低功耗
● 雙路9-35 VDC供電輸入
● 7-10 W 典型功耗

集成化連接
● 直接連接工業傳感器/ 調節器
● 可選D-Sub、BNC、螺旋和彈簧接線端?集成ICP型傳感器激勵
● 直接連接ICP型加速度傳感器,使用方便
● 所有通道進行同步、高采樣率采集 ??? 采用的CompactRIO 體積小巧、結構堅固,具有高性能和可靠性,可以滿足各種工業需求和應用需要。如:
● 機載采集、記錄和控制
● 車載采集、記錄和控制
● 機器狀態監測和保護
● 自定義多軸運動控制
● 電力監測和功率電子設備控制
● 伺服液壓和大型機械控制
● 嵌入式系統原型開發
● 快速控制原型和硬件在環測試
● 遠程和分布式監測

4.軟件
??? 軟件為中文windows界面,模塊化設計, 簡單易用,普通的技術人員也只需要經過簡單培訓即可熟練操作本系統;
??? 用戶能手動輸入每個傳感器的補償校正系數,系統在測量時能動態應用該補償。
??? 能將測試數據以測試報告的形式打印輸出,測試曲線能直接打印也能拷貝輸出到計算機剪貼板,便于用戶進行編輯。??
??? 可以實時顯示每個通道的測量結果,動態的計算各個關心的參數。
??? 數據分析軟件可以查找數據段,設定觸發條件和分析深度,同時顯示時域波形和頻域曲線,用戶可以指定頻域分析的譜類型:自功率譜、幅值譜、峰值譜、功率譜密度、幅值功率譜密度等等。更具用戶設定的分析帶寬,軟件會自動計算帶內、帶外的有效值,以分析能量在各頻帶內的分布。
??? 測試結果可以保存為數據文件,也可以送往Excel進行分析、處理和生成報表。
??? 軟件界面包括:??
??????? 數據采集(可變采樣率)
??????? 數據實時顯示(波形、幅值顯示,計算結果顯示)
??????? 數據存儲
??????? 數據回放、時域、頻域分析

5.航空航天和軍工領域的測試解決方案常見問題及回答(Q&A):
問:可靠性是航空航天和軍工應用最為注重的要素,NI的解決方案將如何確保系統的高可靠性?
答:?測試系統的可靠性取決于多方面的因素,NI 的解決方案針對每一個方面,確保用戶獲得最佳的可靠性:
● 硬件平臺的可靠性:國際標準的質量和安全的認證(如CE,UL, Demko 和TUV等)以及平均無故障時間間隔(MTBF)等是系統平臺可靠性的有效參數,NI 的PXI 系統不僅擁有上述的質量、安全和EMI/EMC的認證,還提供了非常詳盡的MTBF等參數指標。此外,為了確保產品更高的可靠性,NI 還進行一些附加的測試,如滿負荷的長時間測試和高加速壽命試驗(HALT)等。同時,NI采用專業的FLOWTHERM模型更優化了PXI機箱的冷卻和散熱效果,確保其中的模塊在正常的工作溫度下穩定的運行。
● 軟件平臺的可靠性: 相比于普通的操作系統( 如Windows),實時(Real-time)操作系統能夠提供更佳的確定性和可靠性,因此更適合于對可靠性要求較高的應用以及一些嵌入式的應用。
● 校準服務:NI所有的板卡在出廠時都附帶了美國國家標準與技術研究院的校準證書(NIST -traceable Certificate),并提供全球的校準服務(中國地區的校準服務由上海計量院提供);此外,NI 大部分的板卡具備自校準功能,提供在外部校準周期之間改善儀器測量精度的重要方法。
● 來自于廠商的長期的支持:對于系統的可靠性同樣至關重要,從實際應用的角度去看,NI 的解決方案已被美國的航空航天和軍方廣泛的采用,足見其可靠性和穩定性已經得到了業界一致的認可。
問:對于現代的測量儀器,為什么用戶越來越傾向于拿到原始的數據,而不只是一個結果呢?
答:原始數據給予了用戶最大的控制權,基于這些數據他們可以應用各種分析的方法和設計用戶界面來滿足他們的測試需求。以往這種方法面臨的最大挑戰是從數字化設備到處理單元的數據傳輸速率以及處理器本身的能力,當然還包括編寫分析函數所要花費的大量時間。如今,伴隨著PC 技術的迅猛發展,現在PCI Express總線可以實時傳輸高達4 GB/s的數據,處理器的技術也躍入了多核的時代(延續著摩爾定理的預測),而RAM 的容量也在不斷的提升。用戶能夠快速的使用軟件來定義通用硬件的功能,從而構建完全自定義的測試系統。例如NI 模塊化的數字化儀,根據用戶不同的需求,可以應用不同的分析算法實現示波器、頻譜儀、視頻分析儀、頻率計數器等多種傳統儀器的功能,其根本也就是拿到了原始的數據,然后在原始的數據上不斷擴展其測量的功能。
 
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