使用分布式I/O構(gòu)建實時系統(tǒng)

概覽

這篇文章討論了使用分布式I/O進(jìn)行實時部署系統(tǒng)的設(shè)計。美國國家儀器公司推出了NI 9144擴(kuò)展機(jī)箱，用于確定性以太網(wǎng)中的NI CompactRIO和可編程自動化控制器（PAC）系統(tǒng)。該C系列模塊的8槽機(jī)箱，與LabVIEW實時模塊的強(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NI 9144進(jìn)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(shè)備。

目錄

介紹

當(dāng)你需要在實時控制系統(tǒng)中設(shè)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(xiàn)有實時系統(tǒng)的確定性。在沒有實時通信協(xié)議的情況下，你可能需要借助于數(shù)字I/O模塊的共享時鐘或硬件觸發(fā)器對多個實時控制器進(jìn)行同步。但隨著添加的控制器越來越多，同步的復(fù)雜度使工作變得很費(fèi)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(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)，同時使用相同或相容的NI軟硬件平臺。

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。這個用于C系列模塊的8槽堅固機(jī)箱，利用開放的實時以太網(wǎng)協(xié)議EtherCAT進(jìn)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(yè)控制器，您已經(jīng)用來作為分布式系統(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NI 9144從機(jī)箱，從而擴(kuò)展實時應(yīng)用。

圖2. 使用分布式I/O的NI實時系統(tǒng)

NI 9144是工業(yè)級的機(jī)箱，設(shè)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(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，在添加實時擴(kuò)展I/O時，軟件配置和LabVIEW編程也被設(shè)計成易于使用的形式。

圖3. 用于C系列模塊的NI 9144擴(kuò)展機(jī)箱

相關(guān)鏈接

NI 9144擴(kuò)展機(jī)箱內(nèi)部原理

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(kuò)展機(jī)箱，以在系統(tǒng)中加入更多的模塊插槽。每個機(jī)箱中所有的I/O模塊都可以自動同步，而且網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)展機(jī)箱也可以彼此同步。

每個C系列模塊包含了內(nèi)建的信號調(diào)理和信號隔離功能，對超越電壓范圍的信號及工業(yè)信號類型，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UL測試的，可以工作在工業(yè)溫度和沖擊的環(huán)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(shù)據(jù)采集設(shè)備等。

美國國家儀器公司提供了使用LabVIEW FPGA的基礎(chǔ)I/O功能，對每個I/O模塊的輸入/輸出電路進(jìn)行直接硬件訪問，這為您提供了進(jìn)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(fā)生等等。此外，對于單點(diǎn)模擬與數(shù)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(jìn)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(nèi)建式信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換器的C系列模塊

相關(guān)鏈接：

C系列家族產(chǎn)品視頻

C系列模塊兼容性圖表

LabVIEW實時模塊的方便擴(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)驗包含了在NI主控器上安裝NI工業(yè)級通信的EtherCAT驅(qū)動，這樣LabVIEW就可以自動識別所有連接的從設(shè)備及設(shè)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(qiáng)制和在線測試面板，用戶可以使用I/O變量來監(jiān)測系統(tǒng)性能并進(jìn)行高級的故障排除。需要了解I/O變量背后的LabVIEW技術(shù)，請訪問下面的鏈接。

圖5. 將NI 9144 I/O變量拖到LabVIEW VI中

相關(guān)鏈接

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(rèn)“箱外”經(jīng)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(xiàn)場可編程門陣列（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(diǎn)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?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。