美國海洋暨大氣總署 (National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA) 以 NI CompactRIO 開發極高海拔的嵌入式解決方案

Author(s):
David Thomson - National Oceanic and Atmospheric Administration

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
CompactRIO, LabVIEW, FPGA Module

The Challenge:
透過可承受高海拔作業條件的現成硬體，建立客制的航空儀控解決方案。

The Solution:
使用 NI CompactRIO 與可重設 I/O (RIO) 技術，開發精緻的嵌入式解決方案，並測試該解決方案是否能夠承受高海拔的環境條件。

高海拔測試的障礙
高海拔測試的嚴苛環境條件，使其特別難以用現成硬體，建立客制航空儀控的解決方案。於高海拔與低壓力的的環境中，有許多因素將影響電子系統。儀控電子系統必須能夠承受低溫與低氣壓。高海拔的低空氣密度，將形成極低傳導式冷卻 (Inductive cooling) 的環境。因此，電子元件的過熱情形，將成為航空儀控的主要問題。

高海拔測試亦為電子與儀控系統的高振動 (Extreme vibration) 主要問題。因此，理想的航空儀控解決方案，必須能夠承受此測試類型的物理衝擊 (Physical shock) 強度。航空測試振動所形成的特殊儀控問題，即與機器硬碟有關。雖然目前的硬碟均設計為可承受即強的衝擊與振動，某些航空器所造成的強大振動仍可輕易導致機器硬碟故障。此外，硬碟將需要氣墊 (Air cushion) 包覆其表面以保護讀寫頭 (Head)。雖然機器硬碟已密封防止灰塵，卻無法抵抗極低氣壓。因此，機器硬碟往往由於讀寫頭損壞而於高海拔故障。此外，此項儀控必須於航空平台常出現的多雜訊電子環境中執行之。所有高海拔作業的物理與電子影響，均形成極少數儀控解決方案所能克服的嚴苛環境。

以 CompactRIO 開發高海拔儀控的解決方案
CompactRIO 嵌入式系統的堅固程度、RIO 技術的客制性，與 NI LabVIEW Real-Time 的效能，可提供絕佳的效能與彈性，以建立能夠承受高海拔測試環境的解決方案。

我們發現 CompactRIO 嵌入式系統，可針對高海拔測試下的環境條件，建立絕佳的解決方案。該系統具有 -40 ºC ~ 70 ºC 的作業溫度範圍、以 DC 電源操作的雙備援 (Dual-redundant) 電源供應、隔離的 I/O 訊號處理模組，並抗 50 g 的衝擊強度。CompactRIO 嵌入式系統使用低於 20 W 的電源，此即可於低氣壓環境中提供極大效能。一般來說，高海拔測試的儀控需要客制化的冷卻系統，但卻會因為多個電子元件，讓系統變得更為複雜。所以將需要於壓力容器 (Pressure vessel) 內完整密閉系統，卻因此增加額外的體積與重量。在高海拔的環境中，我們發現 CompactRIO 嵌入式系統不需客制化的冷卻系統與壓力容器，亦可進行作業。此均歸因於 CompactRIO 的低電源耗用。CompactRIO 亦包含 Compact Flash 無移動零件 (Moving part) 的固態磁碟，因此可將航空測試的硬碟故障率降至最低。

CompactRIO 使用 RIO 技術，可透過 LabVIEW 圖形化程式設計環境，建立客制硬體。使用 LabVIEW FPGA Module，我們可以開發高速類比與數位控制運算式，並整合航空儀控所需的客制時脈與同步化。透過可用的多種高效能訊號處理模組，CompactRIO 系統可根據所需的多種應用，輕鬆客制化其功能。

CompactRIO 架構的 LabVIEW Real-Time 控制器，具有強大功能的浮點處理器，並包含 LabVIEW Real-Time 應用。除了其內建的功能之外，LabVIEW Real-Time 並具有可建立堅固且精緻即時作業系統的優點。就我們的經驗來說，此作業系統可不受突然斷電所造成的硬碟故障所影響；該情形為 Windows 作業系統所廣為人知的問題，亦為航空儀器所必須面對的潛在危險。此外，CompactRIO 搭配使用 LabVIEW Real-Time，即可享受 LabVIEW 簡單易用的強大開發功能，包含完整的 GUI；多樣的擷取、分析，與控制工具；和內建的網路連結功能。

於嚴苛環境中成功建立
為了模擬高海拔，我們在鐘型瓶 (Bell jar) 中放置 1 組 8 槽的可重設嵌入式 CompactRIO 機箱，並透過鐘形瓶連接電源與網路通訊。我們用數位與類比 CompactRIO I/O 模組，插滿所有 8 個模組插槽。並使用 LabVIEW 成是持續測試數位與類比 CompactRIO I/O 模組，以確認不同高度下的模組功能。

在開始鐘型瓶中的 CompactRIO 嵌入式系統與程式後，我們降低氣壓至 300 mb (等於 27,000 英呎的高度)，並觀察系統達 1 個小時。接著我們均以 1 個小時為單位，分別成功操作 150 mb (42,000 英呎)、55 mb (65,000 英呎)、17 mb (90,000 英呎)，與 0.53 mb (173,000 英呎) 下的作業。我們於 0.53 mb 的條件下，操作系統超過 8 個小時，以確定 CompactRIO 系統可於高海拔中超時作業無虞。

雖然大多數的研究用航空器均以 70,000 英呎以下的高度進行作業，我們仍降低氣壓至鐘型瓶作業範圍的限制之下。在此條件下，CompactRIO 仍完美地進行作業；就算移除最後 0.05% 的大氣壓力，該系統仍未產生任何可量測出來的差異。

CompactRIO 在極低大氣壓力下的作業狀況，實讓人印象深刻。CompactRIO 整合了系統的物理堅固性，讓我們更加相信 CompactRIO 適用於航空儀控，與其他需要效能和彈性的嵌入式解決方案。

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David Thomson
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