美國海洋暨大氣總署 (NOAA) 針對飛航氣壓，使用 NI CompactRIO 與 LabVIEW FPGA 建置高精確度的觸發系統

Author(s):
David Thomson - NOAA Earth System Research Laboratory

Industry:
Research

Products:
CompactRIO, LabVIEW, FPGA Module

The Challenge:
開發的系統必須能夠即時分析大氣微粒的光學屬性。藉由量測微粒通過雷射光束時的散射 (Scattering) 與吸收 (Absorption) 程度，以進一步了解大氣微粒的光學屬性。

The Solution:
使用 NI CompactRIO 與 LabVIEW FPGA Module 設計完整的系統，讓研究者可客制觸發器，以進行更精確的量測。

美國海洋暨大氣總署 (NOAA) 正開發新的儀控系統，藉由量測微粒通過雷射光束時的散射 (Scattering) 與吸收 (Absorption) 程度，以進一步了解大氣微粒的光學屬性。為了進行更精確的量測作業，當微粒處於雷射光束的中央時，應立即觸發系統。

 

由於雷射光束具有高斯 (Gaussian) 功率分配的特性，因此當微粒以穩定速度通過光束時，將造成包含高斯型態 (Gaussian shape) 的散射光訊號。根據微粒的大小、成分，與海拔高度，均將造成不同的散射光量；在某些情況下，高斯峰值的寬度亦將因微粒而有所不同。若僅使用簡單的臨界值觸發系統，則小型微粒將於接近峰值時進行觸發；而大型微粒將於峰值的正緣(Rising edge) 提早觸發。由於這些不一致性，NOAA 將需要更完整的觸發系統。

 

精確峰值觸發的重要性

我們使用 LabVIEW FPGA 軟體進行 CompactRIO 硬體的程式設計，而開發的系統可透過極高速率，執行即時數位訊號處理作業，並於忽略微粒大小的條件下，產生接近輸入訊號峰值的觸發器。Aerosol Scatter to Extinction Ratio (ASTER) 儀器，可量測單一大氣微粒所造成的光散射與吸收作用。只要周圍空氣通過Cavity-ring-down 系統內部的雷射光束，均將由此儀器進行吸入。當微粒通過雷射光束，ASTER 儀器將透過光電倍增管(Photo-multiplier tube) 感測器，量測所產生的散射光。當儀器偵測到散射現象，則將跟著觸發以擷取Ring-down 訊號。散射光訊號與Ring-down 訊號將於稍後進行分析，以決定微粒的光散射總量、吸收總量，與消光(散射+ 吸收) 總量。

 

為了簡化此項量測，則當微粒位於雷射光束中間時，必須產生 Ring-down 觸發器。由於不同的微粒 (不同的成分與直徑) 將散射不同的光量，因此散射峰值亦將具有不同的震幅；在某些條件下將產生不同的寬度。常見的觸發系統在散射訊號超過預先定義的總量時，均使用比較量測器(Comparator) 上的臨界電壓以觸發系統。此類型系統的問題在於：當小型微粒接近雷射中央，立刻就會觸發系統；但是大型微粒(或稱為良質散射體) 僅於進入雷射光束邊緣時，才會觸發該系統。

 

若要解決此問題，僅能即時監控散射訊號、偵測最大峰值，並產生觸發脈波。由於我們的散射峰值為 100 微秒寬度的位階，因此該類型的峰值觸發系統，亦可透過1 微秒的時間單位擷取並分析資料。目前已有數組現成的系統，可透過上述速度即時建置客制運算式。就在數年之前，我們選擇了1 組現成的解決方案，用以製作峰值觸發系統的原形。然而，此產品的硬體與附加軟體工具，即花費了$5,000 美金的成本。

 

以CompactRIO 提升精確度

就在最近，NI 發表了 CompactRIO 技術。當 NI cRIO-9201 A/D 模組可達到 800 kS/s 取樣率 (單通道作業) 時，我們立刻意識到，就是 CompactRIO 可以提供有效率的峰值觸發解決方案。高速的NI 9401 數位I/O 模組可於100 ns 延遲內產生數位訊號，亦滿足了我們一半的需求。我們安裝2 組NI 9401 至1M 閘的 cRIO-9101 可重設嵌入式機箱，並搭配 1 組 cRIO-9002 嵌入式即時控制器，即建立了低於美金 $3,000 的解決方案。

 

我們並開發了 2 個版本：1 組為簡單版，1 組則屬於較複雜的版本。簡易版本可偵測峰值 (超過所設定的臨界值)、尋找峰值最高點、傳送特定寬度的觸發脈波，並於開始作業之前等待指定的延遲時間，以尋找下一次的峰值。每次迭代均以1.25 微秒(Microsecond) 速率執行整個迴路，以進行800 kS/s 取樣率的A/D 轉換作業。請特別注意：A/D 轉換作業屬於管線流通式(Pipelined) – 當進行新的量測作業時，我們使用移位暫存器(Shift register) 讓主要迴路於前次量測中發生作用。此項特性可同時進行運算邏輯與A/D 轉換，將整體迴路速率維持最高800 kHz。

 

尋找峰值的運算式則必須儲存 A/D 讀數至電路緩衝區，並將現有讀數與先前於 N 點所擷取的讀數進行比較。若現有讀數低於先前讀數，則代表已超過了最高峰值，且訊號開始衰弱。N 點延遲將保持在最低點，以盡可能靠近最高峰值再行觸發。然而，根據所分析訊號的訊噪比，N 點必須大到足以提供等同的抗擾性(Noise immunity)。此運算式則近似於尋找第一次衍生數值零點(Zero point) 的概念，並包含來自於N 點延遲的原始過濾作業。

 

其他觸發功能

一旦我們建置所需的 CompactRIO 與 LabVIEW FPGA 系統之後，就可輕鬆修改運算式並增加新功能。越複雜的版本，其功能則包含可產生時脈觸發(獨立的輸入訊號)、單一觸發脈波，與穩定的觸發通道低或高輸出。此外，我們亦可於電流與先前資料點(Past data point) 附近，建置3 點式的均數(Three-point averaging) 以提升系統的抗擾性。同樣的，我們亦撰寫了主機電腦介面程式，以變更Windows 版LabVIEW 的內部參數。我們在30 分鐘內即建立了此介面程式，此亦為LabVIEW 解決方案的另1 項優點。而相較於先前的系統，我們在建立即時運算參數迭代的主機電腦介面時，遭遇到極大的難題。

CompactRIO 與 LabVIEW FPGA 可針對客制的峰值觸發 (Peak-triggering) 需求，建立功能強大的解決方案。與先前的軟硬體相較，此解決方案的開發過程更為價廉且快速，並可更輕鬆的增加其他新功能。此外，由於此實驗最後將佈署於高海拔的研究飛行器中，因此CompactRIO 的堅固耐用性更具有相對優點。

若需要完整的應用說明與範例程式碼，請複製以下網址並貼至網路瀏覽器：

http://zone.ni.com/devzone/conceptd.nsf/webmain/BBBE82B5A5909993862570A8007A5A8D?opendocument

Author Information:
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David Thomson
NOAA Earth System Research Laboratory
Tel: (303) 497-3470
Fax: (303) 497-5373
david.s.thomson@noaa.gov

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