NICompactRIO——可重新配置的控制和采集系統(tǒng)

關(guān)鍵字：CompactRIO,系統(tǒng)，采集

概覽

NICompactRIO是一種小巧而堅固的工業(yè)化控制與采集系統(tǒng)，利用可重新配置1/0(RIO)

FPGA技術(shù)實現(xiàn)超高性能和可自定義功能。NICompactRIO包含■個實時處理器與可重新

配置的FPGA芯片，適用于可靠的獨立嵌入式或分布式應(yīng)用系統(tǒng)；還包含熱插拔工業(yè)I/O

模塊，內(nèi)置可與傳感器/調(diào)節(jié)器宜接連接的信號調(diào)理。CompactRIO展示了一種支持開放訪

問低層硬件資源的低成本架構(gòu)。CompactRIO嵌入式系統(tǒng)可以使用高效的LabVIEW圖形

化編程工具進(jìn)行快速開發(fā)。利用NICompactRIO,您可以快速建立嵌入式控制與采集系

統(tǒng)，而且該系統(tǒng)的工作性能和優(yōu)化特性可與專門定制設(shè)計的硬件電路相媲美。

CompactRIO平臺包括帶有工業(yè)浮點處理器的cRIO-900x和cRIO-901x實時控制器，

其中CRIO-901X系列的4槽和8槽可重配置機(jī)箱具有1百萬或3百萬門FPGA..該平臺

還包括新型CRIO-907X系列——一種集成的控制器與機(jī)箱。CompactRIOC系列模塊提

供了各種類型的I/O,從±80mV熱電偶輸入至IJ250VAC/VDC通用數(shù)字輸入。用戶可以使

用LabVIEW、LabVIEW實時模塊和LabVIEWFPGA模塊開發(fā)CompactRIO嵌入式系

統(tǒng)。CompactRIO可以有三種配置——嵌入式系統(tǒng)(包括CompactRIO集成控制器與機(jī)

箱)、R系列擴(kuò)展系統(tǒng)和遠(yuǎn)程高速接口系統(tǒng)。

CompactRIO嵌入式系統(tǒng)

CompactRIO嵌入式系統(tǒng)包含一個實時嵌入式處理器、帶有可編程FPGA的4或8槽可重

新配置的機(jī)箱和熱插拔工業(yè)I/O模塊。這種低成本的嵌入式架構(gòu)支持開放訪問低層的硬件

資源，以快速開發(fā)定制的獨立或分布式控制與采集系統(tǒng)..

CompactRIOR系列擴(kuò)展系統(tǒng)

CompactRIOR系列擴(kuò)展系統(tǒng)使用同樣的熱插拔工業(yè)I/O模塊，為PCI或PXI/CompactPCIR

系列FPGA設(shè)備提供高性能的信號調(diào)理和工業(yè)擴(kuò)展I/O。該擴(kuò)展系統(tǒng)為各種應(yīng)用增加了自定

義的測量功能，如傳統(tǒng)的插入式數(shù)據(jù)采集、視覺、運(yùn)動和模塊化儀據(jù)等應(yīng)用。

CompactRIO遠(yuǎn)程高速接口系統(tǒng)

CompactRIO遠(yuǎn)程高速接口系統(tǒng)使用與其他CompactRIO平臺相同的熱插拔I/O模塊，以實

現(xiàn)與Windows臺式機(jī)或筆記本電腦的高速接口。嵌入式系統(tǒng)中的90xx實時控制器為一個支

持高達(dá)50MB/s數(shù)據(jù)傳輸速率的高速遠(yuǎn)程控制器所替代＜

低成本的開放式架構(gòu)

CompactRIO采用低功耗實時嵌入式處理器，以及一組高性能的RIOFPGA芯片。RIO核心

內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)至傳輸嵌入式處理器以進(jìn)行實時分析、后續(xù)處理、數(shù)據(jù)記錄

或者與聯(lián)網(wǎng)主機(jī)的通信。利用LabVIEWFPGA的基本I/O功能,CompactRIO支持對每個I/O

模塊的輸入/輸出電路的直接硬件訪問。所有I/O模塊均包含內(nèi)置的連接、信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換

電路（如ADC或DAC）和一個可選配的隔離屏蔽。該設(shè)計展示了一種支持開放訪問低層硬

件資源的低成本架構(gòu)。

I/O模塊

每個CompactRIOI/O模塊都包含內(nèi)置的信號調(diào)理和螺旋接頭、BNC或D-Sub連接器。通過

硬件的實現(xiàn)。RIOFPGA芯片與I/O模塊以星型拓?fù)湎噙B接，從而可以訪問每個模塊以實現(xiàn)

精確控制并在定時、觸發(fā)和同步等方面獲得極大的靈活性。通過本地PCI總線連接，實現(xiàn)

了RIOFPGA與實時處理器間的高性能接口?？芍匦屡渲玫臋C(jī)箱采用了相同的金屬架構(gòu)，使

得整個CompactRIO平臺同樣堅固。

集成的控制器與機(jī)箱

集成的配置將嵌入式實時控制器與包含有FPGA的機(jī)箱組合在獨立的單元之中。這樣的配

置提供了模塊化控制器與機(jī)箱的所有功能特性，并進(jìn)行了成本優(yōu)化以使得該系統(tǒng)非常適合大

容量的應(yīng)用。

可重新配置的I/O(RIO)技術(shù)

借助NIRIO技術(shù)，您可以利用可重新配置的FPGA芯片與LabVIEW圖形化開發(fā)工具定制

您自己的測量硬件電路?，F(xiàn)在您可以利用可重新配置的FPGA技術(shù)，自動合成高度優(yōu)化的

電子電路來執(zhí)行您的輸入;輸出、通信或控制應(yīng)用。

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）

FPGA設(shè)備憑借其性能、可重配置性、小尺寸和較低的工程開發(fā)成本等特性，為控制與采集

系統(tǒng)的廠商廣泛采用。由于電子設(shè)計工具的復(fù):雜性，基于FPGA的設(shè)備通常是由廠商而不

是用戶來定義?，F(xiàn)今，您可以利用用戶可編程的FPGA構(gòu)建高度優(yōu)化的可重新配置的控制

與采集系統(tǒng)，而不必了解專門的硬件設(shè)計語言，如IVHDL。利用CompactRIO,您可以在硅

片上設(shè)計定制您自己的具有25ns定時/觸發(fā)精度的控制或采集電路。

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FPGA設(shè)備的特色在于一個帶有可配置的邏輯組塊（CLB）陣列的可重新配置的數(shù)字架構(gòu)，

該陣列被外圍I/O模塊所環(huán)繞。利用可編程的互連開關(guān)與接線路由，可以實現(xiàn)信號在FPGA

矩陣內(nèi)的任意方式路由。CompaciRIO提供4槽和8槽機(jī)箱，可選用I百萬或3百萬門FPGA

芯片。

性能、尺寸與重量

利用LabVIEWFPGA軟件與可重新配置的硬件技術(shù)，您可以利用CompaciRIO構(gòu)建超高性

能的控制與采集系統(tǒng)。FGPA電路是一種并行處理的、可重新配置的計算引擎，在芯片硅電

路上執(zhí)行您的LabVIEW應(yīng)用程序。您可以在硅片上設(shè)計定制您自己的具有25ns定時;觸發(fā)

精度的控制或采集電路。LabVIEWFPGA提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，可用于模擬閉環(huán)PID控

制、5階FIR濾波器、一維查找表、線性插值、過零檢測和正弦波的直接數(shù)字合成。

利用嵌入式RIOFPGA硬件，您可以實現(xiàn)超過100kS/s循環(huán)速率的多循環(huán)模擬PID控制系

統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)循環(huán)速率高達(dá)1MS/s的數(shù)字控制系統(tǒng)，并可以以40MHz(25ns)周期速率

的單個while循環(huán)評估布爾邏輯的多個層次。鑒于RIO核心的并行木質(zhì)，添加額外的計算并

不會必然降低FPGA應(yīng)用的執(zhí)行速率。

尺寸與重量

CompactRIO專為惡劣環(huán)境和較小空間的應(yīng)用設(shè)計。對于許多類似的嵌入式應(yīng)用，尺寸、重

量和I/O通道密度均是關(guān)鍵的設(shè)計需求。利用FPGA設(shè)備的卓越性能和較小尺寸，

CompactRIO能夠在一個緊湊、堅固的封裝中提供前所未有的控制與采集能力。4槽可重新

配置的嵌入式系統(tǒng)尺寸為179.6*88.1*88.1mm(7.07*3,47*3.47英寸)，重量僅為1.58kg

(3.471b)。對于布滿32通道I/O模塊的8槽系統(tǒng),其通道重量密度為9.7g/ch(0.34oz/ch),

通道體積密度為8.2cm3/ch(0.50in.3/ch)o

尺寸（4槽）179,6*88.1*88.1mm(7,07*3.47*3.47in.)

尺寸（8槽）274*88.1*88.1mm(10.79*3.47*3.47in.)

重量（4槽,典型）1.58kg(347lb)

重量（4槽，典型）2.48kg(546lb)

通道重量密度（8通道模塊）38.7g/ch(1.37oz/ch)

通道體積密度（8通道模塊）32.9cm3/ch(2.01in3/ch)

通道重量密度（32通道模塊）9.7g/ch(C.34oz/ch)

通道體積密度（32通道模塊）8.2cm3/ch(0.50in3/ch)

超高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)認(rèn)證與評級

CompactRIO是一種可重新配置的嵌入式系統(tǒng)，它組合了可靠、獨立的嵌入式功能與適合惡

劣工業(yè)環(huán)境下操作的超高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)認(rèn)證與評級。模塊化CompaclRIO系統(tǒng)適合-40~70℃

（-40758°F）的操作溫度范圍、能抵抗50g沖擊并可以支持危險環(huán)境或存在爆炸危險的環(huán)

境（Class^Division2）。大部分I/O模塊能夠抵抗高達(dá)23OOVrms瞬態(tài)隔離電壓和250Vrms

持續(xù)隔離電壓。每個部件都通過了各種國際安全、電磁兼容性（EMC）和環(huán)境認(rèn)證與評級。

如欲查詢每個設(shè)備的工業(yè)認(rèn)證與其他技術(shù)文檔，敬請杳閱操作指南手冊。請訪問

http://sine.ni.eom/manuals/main/p/sn/n23:l.4796以獲得更多信息。

0-40?70℃（-40-158°F）的操作溫度范圍——（模塊化系統(tǒng)）

0-20~50℃（-4722下）的操作溫度范圍——（集成系統(tǒng)）

0高達(dá)2300Vrms瞬態(tài)隔離電壓

050g沖擊評級

0國際安全、EMC和環(huán)境認(rèn)證

0面向危險環(huán)境的ClassI.Division2評級

0ll~30VDC雙電源輸入、低功耗（典型功耗為7~10W）——模塊化系統(tǒng)

019?30VDC單輸入輸入——集成系統(tǒng)

CompactRIOR系列擴(kuò)展系統(tǒng)

在此配置.下，CompactRIO擴(kuò)展機(jī)箱可以被連接到PCI或PXI接口的R系列FPGA設(shè)備的數(shù)

字端口。R系列設(shè)備可以安裝在任何運(yùn)行Windows或LabVIEW實時操作系統(tǒng)之一的臺式

機(jī)或PXI計算機(jī)系統(tǒng)中。RIOFPGA位于R系列設(shè)備上，同時CompactRIO將R系列設(shè)備

上的單個數(shù)字端口轉(zhuǎn)換為一個高性能的擴(kuò)展I/O與信號調(diào)理系統(tǒng)。Windows主機(jī)CPU或PXI

RT控制器為模擬控制、分析或硬件在環(huán)（HIL）仿真提供高性能的處理能力。R系列RIO

設(shè)備與CompaciRIO機(jī)箱提供高速信號調(diào)理后的輸入、輸出、通信和控制能力，以及前所未

有的靈活性與優(yōu)化性能。

Digital

R系列擴(kuò)展機(jī)箱

CRIO-9I5I4槽R系列擴(kuò)展機(jī)箱直接連接到直接連到PXI-783IR>PXI-78IIR或者PCI-7831R

等PXI或PCI接口的R系列設(shè)備上。在這種配置情況下，F(xiàn)GPA位于R系列設(shè)備匕同時

CompactRIOI/O模塊提供工業(yè)I/O、隔離和信號調(diào)理功能。利用PXI-7831R或PCI-783IR,

每一塊R系列設(shè)備都可以連接到2個R系列擴(kuò)展機(jī)箱，即最多8個I/O模塊上。利用

PXI-78UR,每一塊R系列設(shè)備都可以連接到4個R系列擴(kuò)展機(jī)箱，即最多16個I/O模塊

上。

CompactRIOR系列擴(kuò)展系統(tǒng)的操作系統(tǒng)選項

CompactRIOR系列擴(kuò)展系統(tǒng)可以與運(yùn)行Windows或者LabVIEW實時操作系統(tǒng)的臺式機(jī)或

者PXI計算機(jī)系統(tǒng)配合使用。NI公司的LabVIEWReal-TimeModule（7.1及以上版本）軟

件支持將標(biāo)準(zhǔn)的臺式機(jī)作為LabVIEW實時目標(biāo)。需要更多實時配置平?臺選型的信息，請訪

間網(wǎng)頁ni.coni/realtimeo

CompactRIO遠(yuǎn)程高速接口系統(tǒng)

在這種配置下，NI公司的cRIO-9052型高速遠(yuǎn)程控制器代替了cRIO-900x型實時控制器，

提供了從任意的NIcRIO-910x可重新配置機(jī)箱到便攜式電腦、PXI系統(tǒng)或者PC機(jī)的高速接

口。利用NIcRIO-9052,工程師們可以從CompactRIO機(jī)箱內(nèi)的FPGA獲得高達(dá)50MB/S的

接口速度。對于需要利用CompactRIO中FPGA的靈活性并且要求與便攜式電腦或PC機(jī)高

速接口的應(yīng)用而言，cRIO-9052是一個遠(yuǎn)程的、可重新配置的理想解決方案。用戶可以選擇

使用CompactRIO高速遠(yuǎn)程系統(tǒng)連接到運(yùn)行LabVIEWWindows應(yīng)用程序的便攜式電腦、PC

機(jī)或者PXI系統(tǒng)上，也可以連接到運(yùn)行LabVIEWReal-Time應(yīng)用程序的PC機(jī)或者PXI系

統(tǒng)上。

LabVIEWReal-Time（ETS）

用于ETS的LabVIEWReal-Time提供種類最多的PXI機(jī)箱、控制器和內(nèi)插式模塊，用于數(shù)

據(jù)采集、機(jī)器視覺、運(yùn)動控制、模塊化儀器以及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（CAN、GPIB、串行接口等）。

控制器處理器RAM（最大）

PXI-8145RT266MHzPentium128MB,DRAM

MMX

PXI-8175RT866MHzPentiumIII512MB,SDRAM

PXI-8176RT1.2GHzPentiumIII512MB,SDRAM

PXI-8186RT2.2GHzPentium4-M1GB,DDRSDRAM

PXI-8187RT2.5GHzPentium4-M1GB,DDRSDRAM

實時控制應(yīng)用設(shè)計

可重新配置的控制和采集系統(tǒng)通常包含四個主要部分:

?用于輸入、輸出、通信和控制的RIOFPGA核心應(yīng)用程序

?用于浮點控制、信號處理、分析和點對點決策的嚴(yán)格定時循環(huán)

?用于嵌入式數(shù)據(jù)記錄、遠(yuǎn)程面板Web界面和以太網(wǎng)/串口通信的普通優(yōu)先級循環(huán)

?用于遠(yuǎn)程圖形化用戶界面、歷史數(shù)據(jù)記錄及后續(xù)處理的網(wǎng)絡(luò)化主機(jī)電腦

用戶可以根據(jù)應(yīng)用需求來決定實現(xiàn)一個或所有的應(yīng)用部分。

HostPCCompactRIOReal-Time

Controller

NormalPriority

Loop

(Communication,

Datalogging!

Inter-thread

oUserOutputcommunication

Interface

TimeCritical

Loop

(FPGAReadAVrite)

LabVIEWFPGAModule軟件

LabVIEW和LabVIEWFPGAModule軟件實現(xiàn)了對NIRIO硬件上的FPGA芯片進(jìn)行圖形化

開發(fā)。利用LabVIEWFPGAModule軟件，用戶可以在運(yùn)行Windows系統(tǒng)的主機(jī)電腦上開發(fā)

FPGA應(yīng)用程序，然后LabVIEW編譯并在硬件中實現(xiàn)代碼。使用LabVIEWFPGAModule,

用戶可以在不了解硬件設(shè)計或VHDL的情況下定義個性化的I/O和控制硬件電路。對FPGA

進(jìn)行圖形化編程使得LabVIEW用戶合成自定義的測量電路，而且其工作性能和優(yōu)化特性可

與專門定制設(shè)計的硬件電路媲美。

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重要的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者工具

LabVIEWFPGAModuleXabVIEWReal-TimeModule和用TWindows開發(fā)環(huán)境的LabVIEW

為加速開發(fā)高級、可靠且性能高度優(yōu)化的可重新配置嵌入式系統(tǒng)提供r大量的工具和技術(shù)。

嵌入式項目管理者

?FPGA硬件目標(biāo)配置和自動模塊有找

?CompactRIO模塊和I/O通道別名管理

?FPGA應(yīng)用程序flash存儲器下載和自動加載配置

LabVIEWFPGA開發(fā)環(huán)境

?用于模擬輸入/輸出、數(shù)字輸入/輸出和I/O屬性節(jié)點/方法節(jié)點的FPGA設(shè)備I/O

?中斷(IRQ)生成和同步功能

?40MHz單個定時循環(huán)，以25ns的時間間隔執(zhí)行代碼

?利用while循環(huán)、順序結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、for循環(huán)和其他執(zhí)行控制結(jié)構(gòu)的并行處理

?FPGA的FIFO數(shù)據(jù)緩存和存儲器讀/寫

?使用40MHzFPGA時基的循環(huán)定時器/計數(shù)器(25ns定時脈沖、微秒或亳秒級分辨率)

?布爾邏輯、比較、數(shù)值計算、飽和算數(shù)函數(shù)和逐位數(shù)據(jù)操作函數(shù)

?HDL接口節(jié)點用于集成非LabVIEWIP核

?非線性系統(tǒng)和包括PID和五階FIR濾波器的離散線性控制函數(shù)

??維查找表、線性插值、過零檢測和直接數(shù)字合成正弦波發(fā)生器

LabVIEW實時開發(fā)環(huán)境

?Fl標(biāo)配置選項，包含應(yīng)用程序啟動運(yùn)行設(shè)置和開發(fā)、Web、遠(yuǎn)程面板和文件服務(wù)器訪問

?開放的打開FPGAV【引用的函數(shù)用于有規(guī)劃的比特流下載、通信接I」引用和程序啟動

?利用FPGA產(chǎn)生中斷（IRQ）的確定性實時while循環(huán)線程同步

?FPGA前面板控件/顯示器讀/寫傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

?用于整數(shù)到浮點數(shù)工程單元轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)縮放/映射函數(shù)

?實時FIFO數(shù)據(jù)緩沖

?定時時間循環(huán)結(jié)構(gòu)用于多速率確定性控制

?浮點PID、定點特性描述、增益調(diào)度和速率限制器函數(shù)

?模糊邏輯控制、連續(xù)和離散線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)及二