采用CompactRIO开发的军用无机机载振动测试系统

1.挑战

    开发一个用于自动驾驶的飞机振动测试系统,用于无人机研发的各种振动试验。

2.解决方案

    使用CompactRIO和专用软件开发一个控制采集系统,用于测试16个通道的振动信号,4个通用电压测试通。可以记录飞机起飞、飞行、降落整个过程各个部分的振动情况。
    INTEST选用了NI的高性能嵌入式控制器,用来控制采集和数据的存储。整个采集主机还可以通过网线连接至上位机系统,实现数据的实时传输。主机本地带有16G的数据存储空间,可以用 于存储长时间的测试数据。

3.硬件和系统构架
CompactRIO是一种高级可重配置的嵌入式控制和采集系统,它配合FPGA 技术,具备高性能、低层用户自定义以及可重构性。
  CompactRIO 可重复配置机箱
● 上千种具备知识产权(IP)的程序块隔离式I/O 模块
● 用于± 80 mV 到± 250 V 工业I/O的信号调理
● 热插拔模块

可重复配置FPGA
● 用于高速并行处理和控制的嵌入式FPGA
● 用于自定义DSP 逻辑的、可靠的专用硬件电路坚固设计
● -40~70 °C 温度范围
●抗50 g 冲击,工业认证/ 评级

实时处理器
● 确定性硬实时OS
● 多线程执行优先级/ 顺序任务

10/100 Mb/s 以太网
● 内置网络、FTP、Modbus/TCP

低功耗
● 双路9-35 VDC供电输入
● 7-10 W 典型功耗

集成化连接
● 直接连接工业传感器/ 调节器
● 可选D-Sub、BNC、螺旋和弹簧接线端 集成ICP型传感器激励
● 直接连接ICP型加速度传感器,使用方便
● 所有通道进行同步、高采样率采集     采用的CompactRIO 体积小巧、结构坚固,具有高性能和可靠性,可以满足各种工业需求和应用需要。如:
● 机载采集、记录和控制
● 车载采集、记录和控制
● 机器状态监测和保护
● 自定义多轴运动控制
● 电力监测和功率电子设备控制
● 伺服液压和大型机械控制
● 嵌入式系统原型开发
● 快速控制原型和硬件在环测试
● 远程和分布式监测

4.软件
    软件为中文windows界面,模块化设计, 简单易用,普通的技术人员也只需要经过简单培训即可熟练操作本系统;
    用户能手动输入每个传感器的补偿校正系数,系统在测量时能动态应用该补偿。
    能将测试数据以测试报告的形式打印输出,测试曲线能直接打印也能拷贝输出到计算机剪贴板,便于用户进行编辑。􀂗
    可以实时显示每个通道的测量结果,动态的计算各个关心的参数。
    数据分析软件可以查找数据段,设定触发条件和分析深度,同时显示时域波形和频域曲线,用户可以指定频域分析的谱类型:自功率谱、幅值谱、峰值谱、功率谱密度、幅值功率谱密度等等。更具用户设定的分析带宽,软件会自动计算带内、带外的有效值,以分析能量在各频带内的分布。
    测试结果可以保存为数据文件,也可以送往Excel进行分析、处理和生成报表。
    软件界面包括:􀂾
        数据采集(可变采样率)
        数据实时显示(波形、幅值显示,计算结果显示)
        数据存储
        数据回放、时域、频域分析

5.航空航天和军工领域的测试解决方案常见问题及回答(Q&A):
问:可靠性是航空航天和军工应用最为注重的要素,NI的解决方案将如何确保系统的高可靠性?
答: 测试系统的可靠性取决于多方面的因素,NI 的解决方案针对每一个方面,确保用户获得最佳的可靠性:
● 硬件平台的可靠性:国际标准的质量和安全的认证(如CE,UL, Demko 和TUV等)以及平均无故障时间间隔(MTBF)等是系统平台可靠性的有效参数,NI 的PXI 系统不仅拥有上述的质量、安全和EMI/EMC的认证,还提供了非常详尽的MTBF等参数指标。此外,为了确保产品更高的可靠性,NI 还进行一些附加的测试,如满负荷的长时间测试和高加速寿命试验(HALT)等。同时,NI采用专业的FLOWTHERM模型更优化了PXI机箱的冷却和散热效果,确保其中的模块在正常的工作温度下稳定的运行。
● 软件平台的可靠性: 相比于普通的操作系统( 如Windows),实时(Real-time)操作系统能够提供更佳的确定性和可靠性,因此更适合于对可靠性要求较高的应用以及一些嵌入式的应用。
● 校准服务:NI所有的板卡在出厂时都附带了美国国家标准与技术研究院的校准证书(NIST -traceable Certificate),并提供全球的校准服务(中国地区的校准服务由上海计量院提供);此外,NI 大部分的板卡具备自校准功能,提供在外部校准周期之间改善仪器测量精度的重要方法。
● 来自于厂商的长期的支持:对于系统的可靠性同样至关重要,从实际应用的角度去看,NI 的解决方案已被美国的航空航天和军方广泛的采用,足见其可靠性和稳定性已经得到了业界一致的认可。
问:对于现代的测量仪器,为什么用户越来越倾向于拿到原始的数据,而不只是一个结果呢?
答:原始数据给予了用户最大的控制权,基于这些数据他们可以应用各种分析的方法和设计用户界面来满足他们的测试需求。以往这种方法面临的最大挑战是从数字化设备到处理单元的数据传输速率以及处理器本身的能力,当然还包括编写分析函数所要花费的大量时间。如今,伴随着PC 技术的迅猛发展,现在PCI Express总线可以实时传输高达4 GB/s的数据,处理器的技术也跃入了多核的时代(延续着摩尔定理的预测),而RAM 的容量也在不断的提升。用户能够快速的使用软件来定义通用硬件的功能,从而构建完全自定义的测试系统。例如NI 模块化的数字化仪,根据用户不同的需求,可以应用不同的分析算法实现示波器、频谱仪、视频分析仪、频率计数器等多种传统仪器的功能,其根本也就是拿到了原始的数据,然后在原始的数据上不断扩展其测量的功能。