LabVIEW FPGA為NI 9144 帶來(lái)的分布式I/O實(shí)時(shí)部署

這篇文章討論了使用分布式I/O進(jìn)行實(shí)時(shí)部署系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。美國(guó)國(guó)家儀器公司推出了NI 9144擴(kuò)展機(jī)箱，用于確定性以太網(wǎng)中的NI CompactRIO和可編程自動(dòng)化控制器（PAC）系統(tǒng)。該C系列模塊的8槽機(jī)箱，與LabVIEW實(shí)時(shí)模塊的強(qiáng)大功能相結(jié)合，為確定性分布式I/O提供了便捷的解決方案。此外，您可以使用LabVIEW FPGA模塊對(duì)NI 9144進(jìn)行編程，建立能夠完成自定義定時(shí)和在線處理的智能分布式設(shè)備。

1. 介紹

當(dāng)你需要在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)分布式I/O時(shí)，你將怎么辦？首要問(wèn)題就是如何在添加I/O的同時(shí)，不犧牲現(xiàn)有實(shí)時(shí)系統(tǒng)的確定性。在沒(méi)有實(shí)時(shí)通信協(xié)議的情況下，你可能需要借助于數(shù)字I/O模塊的共享時(shí)鐘或硬件觸發(fā)器對(duì)多個(gè)實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行同步。但隨著添加的控制器越來(lái)越多，同步的復(fù)雜度使工作變得很費(fèi)時(shí)而且很難處理，特別是需要分布式I/O時(shí)。

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圖1 添加確定性分布式I/O的復(fù)雜解決方案

理想的解決方案包含使用高速、確定性的通信協(xié)議，在分布式I/O節(jié)點(diǎn)間傳遞數(shù)據(jù)，同時(shí)使用相同或相容的NI軟硬件平臺(tái)。

2. NI 9144擴(kuò)展機(jī)箱

NI 9144擴(kuò)展機(jī)箱為用戶的NI CompactRIO或PAC系統(tǒng)添加了確定性的以太網(wǎng)I/O。這個(gè)用于C系列模塊的8槽堅(jiān)固機(jī)箱，利用開(kāi)放的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議EtherCAT進(jìn)行確定性的通信。NI提供了多種實(shí)時(shí)嵌入式控制器，例如CompactRIO、PXI以及工業(yè)控制器，您已經(jīng)用來(lái)作為分布式系統(tǒng)的主控制器。此外，可以按菊花鏈的方式從主控制器中連接多個(gè)NI 9144從機(jī)箱，從而擴(kuò)展實(shí)時(shí)應(yīng)用。

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圖2. 使用分布式I/O的NI實(shí)時(shí)系統(tǒng)

NI 9144是工業(yè)級(jí)的機(jī)箱，設(shè)計(jì)擁有極高的堅(jiān)固程度、可靠性和-40到70°C的工作范圍。為了自定義測(cè)量和控制系統(tǒng)，用戶可以在30余種模擬和數(shù)字C系列模塊間進(jìn)行選擇。而且，在添加實(shí)時(shí)擴(kuò)展I/O時(shí)，軟件配置和LabVIEW編程也被設(shè)計(jì)成易于使用的形式。

3. C系列I/O模塊的靈活性

由于NI 9144機(jī)箱是模塊化的擴(kuò)展系統(tǒng)，用戶有著插入額外I/O模塊來(lái)集成更多測(cè)量類(lèi)型和通道的靈活性。同時(shí)，還可以附加另外的擴(kuò)展機(jī)箱，以在系統(tǒng)中加入更多的模塊插槽。每個(gè)機(jī)箱中所有的I/O模塊都可以自動(dòng)同步，而且網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)展機(jī)箱也可以彼此同步。

每個(gè)C系列模塊包含了內(nèi)建的信號(hào)調(diào)理和信號(hào)隔離功能，對(duì)超越電壓范圍的信號(hào)及工業(yè)信號(hào)類(lèi)型，諸如熱電偶、電阻、電壓、電流、應(yīng)力和加速度等進(jìn)行處理。與NI 9144機(jī)箱一樣，所有的C系列模塊都是經(jīng)過(guò)UL測(cè)試的，可以工作在工業(yè)溫度和沖擊的環(huán)境下。同時(shí)，C系列I/O模塊在其它NI硬件平臺(tái)下是可以重用的，如嵌入式CompactRIO、USB CompactDAQ和Wi-Fi數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。

美國(guó)國(guó)家儀器公司提供了使用LabVIEW FPGA的基礎(chǔ)I/O功能，對(duì)每個(gè)I/O模塊的輸入/輸出電路進(jìn)行直接硬件訪問(wèn)，這為您提供了進(jìn)行板載信號(hào)處理的功能，例如濾波、快速傅立葉變換（FFT）、PWM、波形發(fā)生等等。此外，對(duì)于單點(diǎn)模擬與數(shù)字I/O，您可以方便地使用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊中的NI掃描模式，對(duì)超過(guò)40個(gè)C系列模塊進(jìn)行編程。要獲取完整的兼容模塊列表，請(qǐng)查看C系列模塊兼容性圖表。NI 9144模塊位于確定性分布式I/O分類(lèi)下。

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圖4. 包含了特定傳感器連接頭、內(nèi)建式信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換器的C系列模塊

4. LabVIEW實(shí)時(shí)模塊的方便擴(kuò)展性

使用LabVIEW軟件，用戶可以輕易地將確定性擴(kuò)展I/O集成到圖形化編程環(huán)境中。NI 9144的“箱外”經(jīng)驗(yàn)包含了在NI主控器上安裝NI工業(yè)級(jí)通信的EtherCAT驅(qū)動(dòng)，這樣LabVIEW就可以自動(dòng)識(shí)別所有連接的從設(shè)備及設(shè)備模塊。LabVIEW實(shí)時(shí)模塊還提供了I/O變量，使用戶可以使用簡(jiǎn)單的拖放即可快速訪問(wèn)物理的I/O值。使用I/O強(qiáng)制和在線測(cè)試面板，用戶可以使用I/O變量來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能并進(jìn)行高級(jí)的故障排除。需要了解I/O變量背后的LabVIEW技術(shù)，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)下面的鏈接。

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圖5. 將NI 9144 I/O變量拖到LabVIEW VI中

5. LabVIEW FPGA帶來(lái)的高性能

除了NI 9144的默認(rèn)“箱外”經(jīng)驗(yàn)可以帶來(lái)最佳的使用方便性，每個(gè)NI 9144還包含了嵌入式Xilinx現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA），您可以使用圖形化LabVIEW FPGA工具進(jìn)行自定義。由于使用了可重配置的邏輯門(mén)電路在硬件中執(zhí)行代碼，因此FPGA十分快捷、可靠，是在應(yīng)用中執(zhí)行任何實(shí)時(shí)控制、采集和定時(shí)功能的理想選擇。此外，為在多個(gè)分布式NI 9144模塊之間，提供了FPGA代碼同步的虛擬單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)做同步，其抖動(dòng)小于100 ns。使用在NI 9144中嵌入的FPGA硬件，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)定制觸發(fā)、在線處理以及用于模擬和數(shù)字I/O的控制。要獲取更多關(guān)于使用LabVIEW FPGA的信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)以下鏈接。

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圖6：LabVIEW FPGA為NI 9144 FPGA芯片提供了簡(jiǎn)便的圖形化編程工具。