使用分布式I/O構建實時系統-AET-電子技術應用

使用分布式I/O構建實時系統

日期： 2009-08-04

作者：美國國家儀器有限公司

關鍵詞： I/O 實時系統單點高性能工業級

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概覽

這篇文章討論了使用分布式I/O進行實時部署系統的設計。美國國家儀器公司推出了NI 9144擴展機箱，用于確定性以太網中的NI CompactRIO和可編程自動化控制器（PAC）系統。該C系列模塊的8槽機箱，與LabVIEW實時模塊的強大功能相結合，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NI 9144進行編程，建立能夠完成自定義定時和在線處理的智能分布式設備。

介紹

當你需要在實時控制系統中設計分布式I/O時，你將怎么辦？首要問題就是如何在添加I/O的同時，不犧牲現有實時系統的確定性。在沒有實時通信協議的情況下，你可能需要借助于數字I/O模塊的共享時鐘或硬件觸發器對多個實時控制器進行同步。但隨著添加的控制器越來越多，同步的復雜度使工作變得很費時而且很難處理，特別是需要分布式I/O時。

圖1 添加確定性分布式I/O的復雜解決方案

理想的解決方案包含使用高速、確定性的通信協議，在分布式I/O節點間傳遞數據，同時使用相同或相容的NI軟硬件平臺。

NI 9144擴展機箱

NI 9144擴展機箱為用戶的NI CompactRIO或PAC系統添加了確定性的以太網I/O。這個用于C系列模塊的8槽堅固機箱，利用開放的實時以太網協議EtherCAT進行確定性的通信。NI提供了多種實時嵌入式控制器，例如CompactRIO、PXI以及工業控制器，您已經用來作為分布式系統的主控制器。此外，可以按菊花鏈的方式從主控制器中連接多個NI 9144從機箱，從而擴展實時應用。

圖2. 使用分布式I/O的NI實時系統

NI 9144是工業級的機箱，設計擁有極高的堅固程度、可靠性和-40到70°C的工作范圍。為了自定義測量和控制系統，用戶可以在30余種模擬和數字C系列模塊間進行選擇。而且，在添加實時擴展I/O時，軟件配置和LabVIEW編程也被設計成易于使用的形式。

圖3. 用于C系列模塊的NI 9144擴展機箱

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NI 9144擴展機箱內部原理

C系列I/O模塊的靈活性

由于NI 9144機箱是模塊化的擴展系統，用戶有著插入額外I/O模塊來集成更多測量類型和通道的靈活性。同時，還可以附加另外的擴展機箱，以在系統中加入更多的模塊插槽。每個機箱中所有的I/O模塊都可以自動同步，而且網絡中的擴展機箱也可以彼此同步。

每個C系列模塊包含了內建的信號調理和信號隔離功能，對超越電壓范圍的信號及工業信號類型，諸如熱電偶、電阻、電壓、電流、應力和加速度等進行處理。與NI 9144機箱一樣，所有的C系列模塊都是經過UL測試的，可以工作在工業溫度和沖擊的環境下。同時，C系列I/O模塊在其它NI硬件平臺下是可以重用的，如嵌入式CompactRIO、USB CompactDAQ和Wi-Fi數據采集設備等。

美國國家儀器公司提供了使用LabVIEW FPGA的基礎I/O功能，對每個I/O模塊的輸入/輸出電路進行直接硬件訪問，這為您提供了進行板載信號處理的功能，例如濾波、快速傅立葉變換（FFT）、PWM、波形發生等等。此外，對于單點模擬與數字I/O，您可以方便地使用LabVIEW實時模塊中的NI掃描模式，對超過40個C系列模塊進行編程。要獲取完整的兼容模塊列表，請查看C系列模塊兼容性圖表。NI 9144模塊位于確定性分布式I/O分類下。

圖4. 包含了特定傳感器連接頭、內建式信號調理及A/D轉換器的C系列模塊

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C系列家族產品視頻

C系列模塊兼容性圖表

LabVIEW實時模塊的方便擴展性

使用LabVIEW軟件，用戶可以輕易地將確定性擴展I/O集成到圖形化編程環境中。NI 9144的“箱外”經驗包含了在NI主控器上安裝NI工業級通信的EtherCAT驅動，這樣LabVIEW就可以自動識別所有連接的從設備及設備模塊。LabVIEW實時模塊還提供了I/O變量，使用戶可以使用簡單的拖放即可快速訪問物理的I/O值。使用I/O強制和在線測試面板，用戶可以使用I/O變量來監測系統性能并進行高級的故障排除。需要了解I/O變量背后的LabVIEW技術，請訪問下面的鏈接。

圖5. 將NI 9144 I/O變量拖到LabVIEW VI中

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CompactRIO掃描模式介紹

確定性分布式I/O入門

LabVIEW FPGA帶來的高性能

除了NI 9144的默認“箱外”經驗可以帶來最佳的使用方便性，每個NI 9144還包含了嵌入式Xilinx現場可編程門陣列（FPGA），您可以使用圖形化LabVIEW FPGA工具進行自定義。由于使用了可重配置的邏輯門電路在硬件中執行代碼，因此FPGA十分快捷、可靠，是在應用中執行任何實時控制、采集和定時功能的理想選擇。此外，為在多個分布式NI 9144模塊之間，提供了FPGA代碼同步的虛擬單點定時信號做同步，其抖動小于100 ns。使用在NI 9144中嵌入的FPGA硬件，用戶能夠實現定制觸發、在線處理以及用于模擬和數字I/O的控制。要獲取更多關于使用LabVIEW FPGA的信息，請訪問以下鏈接。

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

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什么是LabVIEW FPGA？

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