利用labview為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制軟件測(cè)試開(kāi)發(fā)硬件在環(huán)仿真器
概述：使用NI TestStand、LabVIEW實(shí)時(shí)模塊、LabVIEW FPGA模塊和NI PXI平臺(tái)創(chuàng)建用于西門子風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的嵌入式控制軟件發(fā)布的硬件在環(huán)（HIL）測(cè)試系統(tǒng)。
由于我們的軟件定期發(fā)布控制器的軟件新版本，我們需要測(cè)試軟件，驗(yàn)證這些軟件將會(huì)在風(fēng)力站的環(huán)境下可靠執(zhí)行。在每個(gè)軟件發(fā)布時(shí)，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)使用軟件之前，需要先在工廠接受性能測(cè)試。這個(gè)全新的測(cè)試系統(tǒng)讓我們能夠自動(dòng)化這個(gè)流程。
從過(guò)去系統(tǒng)中學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)
我們之前的測(cè)試系統(tǒng)是在10年前開(kāi)發(fā)的，它基于另一個(gè)軟件環(huán)境和PCI數(shù)據(jù)采集板卡。測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和性能無(wú)法滿足我們對(duì)全新的測(cè)試時(shí)間和擴(kuò)展性的需求。維護(hù)也十分困難，并且不能自動(dòng)化完成有效的測(cè)試。它還缺乏對(duì)測(cè)試結(jié)果自動(dòng)生成文檔和測(cè)試的可跟蹤性，不提供所需的遠(yuǎn)程控制功能。此外，過(guò)去的HIL測(cè)試環(huán)境不支持多核處理，因此我們無(wú)法利用新多核處理器的計(jì)算能力。
未來(lái)系統(tǒng)的決定
在評(píng)價(jià)可用的技術(shù)之后，我們選擇了LabVIEW軟件和基于PXI的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）硬件，開(kāi)發(fā)我們?nèi)碌臏y(cè)試解決方案。我們相信這個(gè)技術(shù)會(huì)帶來(lái)靈活性和可擴(kuò)展性，滿足我們未來(lái)的技術(shù)需求。同時(shí)，我們從NI提供的服務(wù)與產(chǎn)品質(zhì)量中，建立了對(duì)解決方案的信心。
由于我們?cè)跍y(cè)試內(nèi)部系統(tǒng)中并沒(méi)有深入的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，我們將開(kāi)發(fā)外包給位于丹麥的CIM Industrial Systems A/S公司。我們選擇CIM Industrial Systems A/S是因?yàn)樗麄兙哂袦y(cè)試工程能力和歐洲多的LabVIEW認(rèn)證架構(gòu)師。CIM成功開(kāi)發(fā)了這個(gè)項(xiàng)目，我們對(duì)得到的服務(wù)感到十分高興。
靈活的實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
全新的測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)在LabVIEW實(shí)時(shí)模塊系統(tǒng)中，運(yùn)行組件仿真模型，仿真實(shí)時(shí)風(fēng)機(jī)組件的行為，為被測(cè)系統(tǒng)提供仿真信號(hào)。

圖2：西門子風(fēng)力測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
主計(jì)算機(jī)包含直觀的LabVIEW用戶圖形界面，能夠方便地通過(guò)在面板中移動(dòng)組件進(jìn)行調(diào)整。Windows操作系統(tǒng)應(yīng)用程序與兩個(gè)不兼容實(shí)時(shí)任務(wù)的外部?jī)x器進(jìn)行通信。

圖3：主計(jì)算機(jī)具有直觀的LabVIEW用戶圖形界面。
在主計(jì)算機(jī)上的軟件通過(guò)以太網(wǎng)與位于PXI-1042Q機(jī)箱中的LabVIEW實(shí)時(shí)目標(biāo)進(jìn)行通信。LabVIEW實(shí)時(shí)模塊運(yùn)行通常包含20到55個(gè)并行執(zhí)行的仿真DLL的仿真軟件。這個(gè)解決方案能夠調(diào)用使用幾乎所有建模環(huán)境開(kāi)發(fā)的用戶模型，例如NI LabVIEW控制設(shè)計(jì)與仿真模塊、The MathWorks, Inc. Simulink?軟件或是ANSI C代碼。我們仿真循環(huán)的典型執(zhí)行速率是24 ms，為滿足未來(lái)處理能力擴(kuò)展需求提供了大量裕量。
用于定制風(fēng)力渦輪協(xié)議和傳感器仿真的FPGA板卡
由于缺少現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，在風(fēng)機(jī)中使用的定制通信協(xié)議很多。使用基于NI PXI-7833R FPGA多功能RIO模塊和LabVIEW FPGA模塊，我們能夠與這些協(xié)議進(jìn)行通信并仿真。除了協(xié)議交互之外，我們使用這個(gè)設(shè)備仿真磁性傳感器和三相電壓電流仿真。其他的FPGA板卡與NI 9151R系列擴(kuò)展機(jī)箱連接，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)通道數(shù)。
全新測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
相比上一代解決方案有許多優(yōu)點(diǎn)。由于系統(tǒng)的模塊化特性，進(jìn)行改進(jìn)、修改和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)十分簡(jiǎn)單。被測(cè)系統(tǒng)可以在無(wú)需測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)任何變化的情況下進(jìn)行快速替換。遠(yuǎn)程控制功能和系統(tǒng)的簡(jiǎn)單復(fù)制讓我們能夠在需要進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，靈活地將系統(tǒng)復(fù)制到其他站點(diǎn)。
仿真器為環(huán)境提供了在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證新軟件發(fā)布和測(cè)試特殊解決方案的能力。它還給了我們測(cè)試我們正在研究的新技術(shù)和新概念的工具。

利用下一代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)以及PXI模塊化儀器系統(tǒng)與NI LabVIEW進(jìn)行進(jìn)展性癌癥研究
概述：使用OCT技術(shù)與授予專利的光源技術(shù)，并通過(guò)帶有32個(gè)PXI-5105數(shù)字化儀的256同步通道的高速(60Ms/s）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)予以實(shí)現(xiàn)。

OCT是一種非入侵式成像技術(shù)，它提供半透明或不透明的材料的表下、斷層圖像。OCT圖像使我們可以以與一些顯微鏡相近的精度可視化地展現(xiàn)組織或其他物體。OCT越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注，因?yàn)樗哂斜群舜殴舱癯上瘢∕RI）和正電子發(fā)射型斷層成像（PET）等其他成像技術(shù)高很多的分辨率。此外，該方法不要求我們作其他準(zhǔn)備，而且對(duì)于患者非常安全，因?yàn)槲覀兪褂玫募す廨敵瞿芰糠浅Ｖ筒⑶覠o(wú)需使用電離輻射。
OCT利用一個(gè)低功耗光源及其相應(yīng)的光反射以創(chuàng)建圖像，該方法類似于超聲，但我們監(jiān)測(cè)的是光波，而不是聲波。當(dāng)我們將一束光投射在一個(gè)樣品上，其中大部分光線被散射，但仍有小部分光線以平行光的形式反射，這些平行光可以被檢測(cè)到并用于創(chuàng)建圖像。
別系統(tǒng)概覽
我們的任務(wù)便是利用光學(xué)解復(fù)用器創(chuàng)建一個(gè)高速傅立葉域OCT系統(tǒng)，以支持來(lái)自以192.2 THz為中心頻率、頻率間隔為25.0 GHz的寬帶入射光（波長(zhǎng)為1559.8 nm）的256個(gè)窄頻帶的分隔。頻譜分離使得PXI-5105數(shù)字化儀的256個(gè)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通道能以60 MS/s的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)所有的頻帶進(jìn)行同步檢測(cè)。
我們的系統(tǒng)包含32塊8通道的PXI-5105數(shù)字化儀，它們分布在三個(gè)18槽的NI PXI-1045機(jī)箱上。我們利用NI PXI-6652定時(shí)與同步模塊和NI-TClk同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同機(jī)箱上的數(shù)字化儀的同步，它提供了數(shù)十皮秒精度級(jí)的通道間相位同步性。我們選用PXI-5105是因?yàn)槠涓咄ǖ烂芏取繅K板卡八個(gè)輸入通道，這樣使得256個(gè)高速通道的系統(tǒng)保持較小的外形尺寸。當(dāng)我們完成數(shù)據(jù)采集之后，我們利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和可視化展示。
利用傅立葉域OCT系統(tǒng)中的光解復(fù)用器充當(dāng)頻譜分析儀，實(shí)現(xiàn)了每秒六千萬(wàn)次軸向掃描的OCT成像。利用一臺(tái)共振掃描裝置進(jìn)行幀速率為16 kHz、每幀1400 A-線和3毫米深度范圍的左右掃查，我們的OCT成像展示了23 μm的精度。
系統(tǒng)深度描述
在我們的系統(tǒng)中，所采用的光源是一個(gè)寬帶超發(fā)光二極管（SLD，由NTT電子提供原型產(chǎn)品）。我們利用一個(gè)半導(dǎo)體光放大器（SOA，來(lái)自COVEGA公司，BOA-1004型）放大該SLD的輸出光信號(hào)，并利用耦合器（CP1）將其等分導(dǎo)入到樣本支路和參考支路。我們調(diào)整SOA1的輸出光信號(hào)強(qiáng)度，使得樣本信號(hào)的功率為9 mW，以滿足ANSI的安全限制。我們的系統(tǒng)利用一個(gè)準(zhǔn)直透鏡（L1）和一個(gè)物鏡（L2），將樣本支路光信號(hào)導(dǎo)入到采樣點(diǎn)（S）。我們使用一個(gè)共振掃描裝置（RS、光電產(chǎn)品、SC-30型）和一個(gè)電鏡（G，劍橋技術(shù)出品，6210型）掃描采樣點(diǎn)的光束。我們的系統(tǒng)利用光照明光學(xué)收集來(lái)自采樣點(diǎn)的后向散射或后向發(fā)射的光信號(hào)，并利用一個(gè)光循環(huán)裝置C1將其導(dǎo)入至SOA2（來(lái)自COVEGA公司，BOA-1004型）。我們通過(guò)一個(gè)耦合器CP2（耦合比為50：50）整合SOA2的輸出信號(hào)與參考光信號(hào)。該參考支路由光循環(huán)裝置C2、準(zhǔn)直透鏡L3和參考反射鏡RM組成。
我們的系統(tǒng)利用兩只光解復(fù)用器（OD1與OD2）分離CP2的輸出信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)平衡檢測(cè)。它利用平衡圖片接收裝置（來(lái)自New Focus公司，2117型）——共有256個(gè)圖片接收裝置，檢測(cè)來(lái)自這兩個(gè)OD的具有相同光頻率的輸出信號(hào)。它利用前述快速多通道ADC系統(tǒng)的32塊PXI-5105數(shù)字化儀，檢測(cè)來(lái)自圖片接收裝置的輸出信號(hào)。所采集數(shù)據(jù)在單次采集過(guò)程中存儲(chǔ)于數(shù)字化儀的板載深度存儲(chǔ)器中，然后傳輸至計(jì)算機(jī)供分析。
就同步檢測(cè)干涉頻譜而言，OD-OCT與SD-OCT相似。其差別在于OD-OCT同時(shí)在不同頻率以數(shù)據(jù)采集速率檢測(cè)整個(gè)干涉圖譜，而不是像SD-OCT那樣——在某個(gè)時(shí)間跨度內(nèi)累計(jì)輸入到CCD檢測(cè)裝置中。因而，它根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率——在現(xiàn)有系統(tǒng)中該速率高達(dá)60 MHz——來(lái)確定軸向掃描速率。共振掃描裝置的16 kHz速率確定了幀速率。我們僅使用了一個(gè)掃描方向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（50%的占空比），從而得到每幀的采樣時(shí)間為31.25 μs。該系統(tǒng)在每幀中獲得1875次軸向掃描；然而，由于共振掃描裝置的左右掃查呈高度非線性，我們僅使用了1400次軸向掃描，舍棄了475次軸向掃描。
研究結(jié)果
我們將動(dòng)態(tài)范圍定義為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）的峰值與樣本支路暢通時(shí)的背景噪聲間的比值。我們根據(jù)結(jié)果估計(jì)，動(dòng)態(tài)范圍在各種深度下均約為40 dB并隨著深度加深略有下降。OD-OCT的一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于AWG的每個(gè)通道所檢測(cè)的頻帶寬度小于25 GHz的頻率間距。40 dB的動(dòng)態(tài)范圍基本足夠生物組織的測(cè)量。
我們利用中性密度濾光鏡將發(fā)射光衰減了39.3 dB。粗實(shí)曲線是在阻塞樣本光信號(hào)的情況下測(cè)量所得的背景噪聲。由這些數(shù)值確定的敏感度按照右手側(cè)的垂直刻度標(biāo)示。
圖像的滲入深度約1毫米，淺于通常利用SS-OCT或SD-OCT獲得的2毫米滲入深度。這是由低敏感度決定的。為得到一幅3D圖像，需要大量的OCT截面。受限于存儲(chǔ)器的大小，我們把采樣率降至10 MHz。

每次進(jìn)行EO 實(shí)驗(yàn)，COP 明顯均集中在同一區(qū)域。但若進(jìn)入EC 實(shí)驗(yàn)，受測(cè)人員的COP 分布就會(huì)產(chǎn)生的變化。結(jié)果顯示，所有受測(cè)人員若要在不平衡的表面上達(dá)到平衡，將極度依賴自己生理上的本體感受器(Proprioceptor) 告知大腦目前狀態(tài)，也解釋了COP 分配區(qū)域大幅增多的原因。
一項(xiàng)對(duì)EC 實(shí)驗(yàn)的有趣觀察指出，若受測(cè)人員對(duì)生活形態(tài)抱持輕微的積極態(tài)度，則搖擺的程度較大；若對(duì)生活形態(tài)抱持適當(dāng)?shù)姆e極態(tài)度，其搖擺程度亦較小。不同的生活形態(tài)亦反應(yīng)出COP 的分配范圍。與適當(dāng)積極態(tài)度的受測(cè)人員相較，較不積極的人其COP 分配范圍亦較大。
若受測(cè)人員已熟悉了Balance Trainer 動(dòng)態(tài)平臺(tái)，亦將更能控制COP 的分配范圍，亦能進(jìn)一步控制自己的本體感受器。在實(shí)際擷取資料之前，這些受測(cè)人員已經(jīng)實(shí)際使用動(dòng)態(tài)平臺(tái)達(dá)7 天。
結(jié)論
總的來(lái)說(shuō)，我們用LabVIEW 與DAQ 建構(gòu)動(dòng)態(tài)平圖，可了解人體在不穩(wěn)定表面上的平衡狀態(tài)。儀控式的動(dòng)態(tài)平臺(tái)顯示了下列特性：
? 測(cè)得受測(cè)人員的姿勢(shì)控制與擺動(dòng)情形若受測(cè)人員的COP分配范圍較大，也耗上更多力氣才能達(dá)到平衡
? 受測(cè)人員若對(duì)生活抱持積極的態(tài)度，也展現(xiàn)了較佳的姿勢(shì)控制能力
? 在切斷視覺(jué)之后，人體會(huì)立刻切換為本體感受器，通知身體是否在特定方向的擺動(dòng)幅度過(guò)大
? 受測(cè)人員在熟悉了平臺(tái)之后，亦將縮小其COP分配范圍綜合以上結(jié)論，受測(cè)人員只要能控制自己的本體感受器，就越能在非平衡的表面上讓自己保持平衡。