使用分布式I/O構建實(shí)時(shí)系統

概覽

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(wǎng)中的NI CompactRIO和可編程自動(dòng)化控制器（PAC）系統。該C系列模塊的8槽機箱，與LabVIEW實(shí)時(shí)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(jìn)行編程，建立能夠完成自定義定時(shí)和在線(xiàn)處理的智能分布式設備。

目錄

介紹

當你需要在實(shí)時(shí)控制系統中設計分布式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)，不犧牲現有實(shí)時(shí)系統的確定性。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字I/O模塊的共享時(shí)鐘或硬件觸發(fā)器對多個(gè)實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行同步。但隨著(zhù)添加的控制器越來(lái)越多，同步的復雜度使工作變得很費時(shí)而且很難處理，特別是需要分布式I/O時(shí)。

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(xié)議，在分布式I/O節點(diǎn)間傳遞數據，同時(shí)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(hù)的NI CompactRIO或PAC系統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槽堅固機箱，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從機箱，從而擴展實(shí)時(shí)應用。

圖2. 使用分布式I/O的NI實(shí)時(shí)系統

NI 9144是工業(yè)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(hù)可以在30余種模擬和數字C系列模塊間進(jìn)行選擇。而且，在添加實(shí)時(shí)擴展I/O時(shí)，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

相關(guān)鏈接

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(hù)有著(zhù)插入額外I/O模塊來(lái)集成更多測量類(lèi)型和通道的靈活性。同時(shí)，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(gè)機箱中所有的I/O模塊都可以自動(dòng)同步，而且網(wǎng)絡(luò )中的擴展機箱也可以彼此同步。

每個(gè)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(yè)信號類(lèi)型，諸如熱電偶、電阻、電壓、電流、應力和加速度等進(jìn)行處理。與NI 9144機箱一樣，所有的C系列模塊都是經(jīng)過(guò)UL測試的，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(gè)I/O模塊的輸入/輸出電路進(jìn)行直接硬件訪(fǎng)問(wèn)，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。

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

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(shí)時(shí)模塊的方便擴展性

使用LabVIEW軟件，用戶(hù)可以輕易地將確定性擴展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驅動(dòng)，這樣LabVIEW就可以自動(dòng)識別所有連接的從設備及設備模塊。LabVIEW實(shí)時(shí)模塊還提供了I/O變量，使用戶(hù)可以使用簡(jiǎn)單的拖放即可快速訪(fǎng)問(wèn)物理的I/O值。使用I/O強制和在線(xiàn)測試面板，用戶(hù)可以使用I/O變量來(lái)監測系統性能并進(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(fǎng)問(wèn)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(mén)

LabVIEW FPGA帶來(lái)的高性能

除了NI 9144的默認“箱外”經(jīng)驗可以帶來(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)電路在硬件中執行代碼，因此FPGA十分快捷、可靠，是在應用中執行任何實(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(hù)能夠實(shí)現定制觸發(fā)、在線(xiàn)處理以及用于模擬和數字I/O的控制。要獲取更多關(guān)于使用LabVIEW FPGA的信息，請訪(fǎng)問(wèn)以下鏈接。

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