NI 9144擴(kuò)展機(jī)箱內(nèi)部原理

實時以太網(wǎng)擴(kuò)展I/O

NI 9144是用于C系列模塊的8槽位擴(kuò)展機(jī)箱，它使用稱為EtherCAT®（以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)）的實時以太網(wǎng)技術(shù)，確定性地與實時主控制器進(jìn)行通信。這個高性能的工業(yè)協(xié)議擴(kuò)展了IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，能夠以可預(yù)測的定時與精確同步傳送數(shù)據(jù)。這個開放式標(biāo)準(zhǔn)是作為IEC 61158的一部分發(fā)布的，通常使用在機(jī)器設(shè)計與運(yùn)動控制等應(yīng)用中。

要建立確定性的分布式I/O系統(tǒng)，通常在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)布線上使用主/從體系結(jié)構(gòu)。您可以將任何帶有雙以太網(wǎng)接口的CompactRIO控制器或帶有NI PXI-8231/8232以太網(wǎng)接口的PXI系統(tǒng)作為主控制器。使用菊花鏈可以將多個NI 9144從機(jī)箱連接到主控制器，擴(kuò)展了嚴(yán)格時間應(yīng)用的同時，也利用最少的處理器資源維持硬件確定性。

圖1：以NI 9144機(jī)箱構(gòu)成的EtherCAT主/從體系結(jié)構(gòu)。

NI 9144擴(kuò)展機(jī)箱由多個硬件組件構(gòu)成，使得確定性分布式I/O成為可能。每個從機(jī)箱都帶有兩個以太網(wǎng)接口，用于接收EtherCAT數(shù)據(jù)包。這些數(shù)據(jù)包通過物理層傳送到EtherCAT IP棧。EtherCAT IP包含了多個fieldbus內(nèi)存管理單元（FMMU），用來正確地將EtherCAT數(shù)據(jù)映射到特定的從設(shè)備上。直接內(nèi)存訪問（DMA）在EtherCAT IP和C系列I/O模塊之間傳送同步I/O數(shù)據(jù)。Xilinx FPGA作為C系列模塊接口，根據(jù)來自EtherCAT的指令和定時，用循環(huán)的方式處理I/O讀和寫。微控制器管理在主設(shè)備和從設(shè)備之間的任何異步消息，并且管理不同硬件組件的配置任務(wù)。

定時與同步

C系列模塊接口是NI掃描引擎技術(shù)的一部分，掃描引擎技術(shù)是與LabVIEW實時模塊8.6和CompactRIO一起推出的。這個組件負(fù)責(zé)同步C系列模塊的I/O數(shù)據(jù)，使NI 9144的I/O更新能夠與主設(shè)備的循環(huán)時間無縫匹配。

確定性網(wǎng)絡(luò)的循環(huán)時間包括主控制器程序掃描和I/O掃描的總時間。程序掃描包括LabVIEW程序進(jìn)行處理（包含嚴(yán)格時間任務(wù)和普通任務(wù)）、完成常規(guī)的清理維護(hù)以及與DMA和內(nèi)存表傳送數(shù)據(jù)包所需的時間。I/O掃描時間包括EtherCAT數(shù)據(jù)包通過整個從設(shè)備網(wǎng)絡(luò)并再返回所需要的時間。

圖3：主設(shè)備和從設(shè)備循環(huán)時間的時序圖。

NI 9144從設(shè)備的循環(huán)時間包括從設(shè)備更新和I/O掃描的總時間。從設(shè)備更新是從設(shè)備使用DMA傳輸、處理數(shù)據(jù)并更新其I/O所需的時間。由于I/O掃描在主設(shè)備和從設(shè)備之間是同步的，從設(shè)備更新與主設(shè)備的程序掃描同時運(yùn)行。因此，根據(jù)花費(fèi)時間的長短，最小循環(huán)時間受到從設(shè)備更新或程序掃描時間的限制。

循環(huán)時間＝程序掃描（內(nèi)存數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理）+I/O掃描（數(shù)據(jù)傳輸）

＝從設(shè)備更新（數(shù)據(jù)更新與處理）+I/O掃描（數(shù)據(jù)傳輸）

程序掃描時間可能會隨著網(wǎng)絡(luò)中從設(shè)備數(shù)量的增加而增加，因為主控制器需要處理更多數(shù)據(jù)。但是，從設(shè)備更新時間不會增加，因為從設(shè)備并行地對所有I/O進(jìn)行更新。因此，在網(wǎng)絡(luò)中從設(shè)備越多，主程序掃描就越可能成為系統(tǒng)瓶頸。如果您的應(yīng)用含有較高的I/O通道數(shù)，可以考慮為主設(shè)備使用高性能處理器。

I/O同步

NI 9144擴(kuò)展機(jī)箱的優(yōu)點(diǎn)是不僅包含模塊到模塊同步，還包含了從設(shè)備到從設(shè)備同步。主控制器通過使用分布式時鐘，將所有從設(shè)備與相同的時間進(jìn)行同步，完成了從設(shè)備之間的同步。在I/O掃描完成并且傳送EtherCAT數(shù)據(jù)包之后，EtherCAT IP就發(fā)出Sync0信號，通知從設(shè)備有新的數(shù)據(jù)就緒。

* SS＝同步采樣模塊；Mux＝多路復(fù)用模塊

圖4：從設(shè)備更新的時序圖。

主控制器還使用Sync0對齊“虛擬點(diǎn)”，這是所有從機(jī)箱對各自的I/O進(jìn)行更新的精確時間點(diǎn)。由于NI掃描引擎作用于單點(diǎn)數(shù)據(jù)，虛擬輸出點(diǎn)已經(jīng)經(jīng)過優(yōu)化以便最快地獲取輸出模塊的更新，虛擬輸入點(diǎn)已經(jīng)過優(yōu)化以提供輸入模塊的最新采樣。在這種模式下，在個別通道之間的更新只會出現(xiàn)很小的抖動，這對于控制應(yīng)用而言是十分理想的。對于含有多路復(fù)用I/O的模塊而言，輸入在每個周期中都會包含一定的延遲，因此通道0讀數(shù)相對于下一個通道0讀數(shù)而言，會有相同的偏差值。此外，同步采樣模塊對于所有使用的相同模塊都在準(zhǔn)確的相同時間進(jìn)行I/O通道更新，即使使用不同的模塊，也可達(dá)到最小的相位偏移。假設(shè)在從設(shè)備更新中，每個從設(shè)備采樣發(fā)生在兩個相同的虛擬點(diǎn)上，那么對于所有網(wǎng)絡(luò)上的NI 9144從設(shè)備的輸出和輸入都會有同步的開始時間。