LabVIEW 8.6實(shí)時(shí)模塊中的新功能 - CompactRIO掃描模式

LabVIEW 8.6實(shí)時(shí)模塊引入了功能強(qiáng)大的新功能，在CompactRIO硬件編程中能夠縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)復(fù)雜度，同時(shí)提供實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和維護(hù)CompactRIO應(yīng)用的工具。CompactRIO是一款高性能可編程自動(dòng)化控制器(PAC)，不同的核心構(gòu)架使它區(qū)別于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)。FPGA的最高層是可重復(fù)編程的硅片，F(xiàn)PGA為自定義硬件提供高性能及可靠性的同時(shí)，保持了軟件定義系統(tǒng)的靈活性。傳統(tǒng)上，對(duì)FPGA的使用僅限于能夠熟練使用VHDL及其它硬件描述語(yǔ)言的硬件設(shè)計(jì)工程師；然而LabVIEW讓您無(wú)需這類專業(yè)知識(shí)就能從FPGA中受益。LabVIEW是一款功能強(qiáng)大且直觀的圖形化編程語(yǔ)言，它內(nèi)置上百種控制、分析、通信、及數(shù)據(jù)記錄功能。CompactRIO完全可通過(guò)LabVIEW來(lái)編程，包括FPGA、實(shí)時(shí)處理器、及人機(jī)界面(HMI)等。

通過(guò)LabVIEW 8.6實(shí)時(shí)模塊中的新功能 - CompactRIO掃描模式，您可以在兩個(gè)方案中選擇其一：在無(wú)需對(duì)FPGA編程的情況下直接在LabVIEW Real-Time及主機(jī)應(yīng)用程序中訪問(wèn)I/O模塊；或者在LabVIEW FPGA編程中訪問(wèn)I/O模塊從而實(shí)現(xiàn)最大的靈活性及性能。您還能通過(guò)全新的測(cè)試面板及I/O強(qiáng)置功能來(lái)快速啟動(dòng)、運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高級(jí)調(diào)試及系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)。

1. 縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)難度

圖1. CompactRIO掃描模式提供與LabVIEW Real-Time和主機(jī)VI的I/O直接連接，無(wú)需FPGA編程或編譯

傳統(tǒng)上，訪問(wèn)CompactRIO I/O是通過(guò)對(duì)FPGA編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而在LabVIEW Real-Time中，通過(guò)LabVIEW FPGA交互VI。CompactRIO掃描模式自動(dòng)監(jiān)測(cè)I/O模塊，將其添加入LabVIEW項(xiàng)目。您可以將I/O變量拖拽到LabVIEW Real-Time及主機(jī)VI程序框圖中，并立即讀寫(xiě)經(jīng)比例變換、校準(zhǔn)后的I/O數(shù)據(jù)，無(wú)需FPGA編程或編譯(見(jiàn)圖2)。

圖2.在LabVIEW實(shí)時(shí)系統(tǒng)下，通過(guò)在程序框圖中拖拽I/O變量直接訪問(wèn)I/O

NI掃描引擎，是一款新的LabVIEW Real-Time組件，它能夠以用戶設(shè)定頻率值來(lái)更新I/O變量(頻率最高達(dá)1 kHz)。所有掃描的通道由硬件定時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊間的同步。您可以在LabVIEW項(xiàng)目中配置掃描引擎，或通過(guò)內(nèi)含的 VI庫(kù)來(lái)編程。掃描引擎還能提供定時(shí)循環(huán)的定時(shí)源，從而可以同步低抖動(dòng)控制應(yīng)用中的I/0更新的代碼。還可以為I/O變量創(chuàng)建別名，在物理I/O通道上抽象出新的I/O層。同時(shí)，可對(duì)I/O變量和命名進(jìn)行線性比例變換。

CompactRIO掃描模式為現(xiàn)有的8通道數(shù)字NI C系列模塊加入計(jì)數(shù)器、正交編碼器、及脈沖寬度調(diào)制器(PWM)等功能，無(wú)需任何編程。您可以在LabVIEW項(xiàng)目中配置這些專業(yè)數(shù)字功能，然后在FPGA上精確、高速運(yùn)行?，F(xiàn)在，您可以在無(wú)需編譯的情況下實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 MHz的邊沿計(jì)數(shù)器、脈寬及頻率測(cè)量、正交編碼、及PWM控制等功能。

計(jì)數(shù)器特有屬性

在8通道上實(shí)現(xiàn)1 MHz計(jì)數(shù)

32位計(jì)數(shù)寄存器，可編程中斷計(jì)數(shù)

可配置中斷計(jì)數(shù)及中斷計(jì)數(shù)行為

可配置計(jì)數(shù)邊沿 (上升沿、下降沿、或同時(shí))，源及門(mén)

周期、PWM、及頻率測(cè)量并且可配置時(shí)基

正交編碼器特有屬性

1 MHz最大四倍計(jì)數(shù)率

32位計(jì)數(shù)寄存器

32位速率測(cè)量寄存器

可配置速率測(cè)量時(shí)基 (256 μs, 512 μs, ... 16384 μs, 或32768 μs)

X4 編碼

雙四通道，每個(gè)模塊包含A+B+Index輸入

可選編碼極性

PWM特有屬性

8輸出通道

配置每通道占空比及周期

可配置頻率(1 Hz, 50 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 或20 kHz)

2. 輕松安裝、調(diào)試、及監(jiān)測(cè)

NI分布式系統(tǒng)管理器是LabVIEW 8.6中的另一新工具，它能夠監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，管理發(fā)布數(shù)據(jù)。在CompactRIO掃描模式下，全新的系統(tǒng)管理器為CompactRIO模塊提供了測(cè)試前面板。系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)并就緒后，即刻能得到I/O的實(shí)時(shí)值及歷史趨勢(shì)值，用于快速校驗(yàn)連接性及信號(hào)完整性。除了測(cè)試面板外，系統(tǒng)管理器還能顯示CompactRIO控制器的內(nèi)存占用及處理器負(fù)載。

圖3.全新NI分布式系統(tǒng)管理器通過(guò)在CompactRIO中加入測(cè)試面板幫助您快速啟動(dòng)及運(yùn)行

CompactRIO掃描模式下引入I/O強(qiáng)置工具，這款調(diào)試工具用于重置I/O變量值，且無(wú)需中止或修改實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。您可以通過(guò)強(qiáng)制設(shè)置輸入值來(lái)測(cè)試系統(tǒng)響應(yīng)，從而代替物理仿真；還可以強(qiáng)制設(shè)置輸出來(lái)重置程序的輸出值。您可以通過(guò)系統(tǒng)管理器或全新I/O強(qiáng)置VI來(lái)強(qiáng)制設(shè)置通道值。

3. LabVIEW FPGA及CompactRIO掃描模式

LabVIEW 8.6實(shí)時(shí)模塊中可通過(guò)CompactRIO掃描模式或LabVIEW FPGA來(lái)訪問(wèn)每個(gè)模塊。通過(guò)LabVIEW FPGA可以實(shí)現(xiàn)自定義觸發(fā)、基于硬件的分析、信號(hào)處理、或高速模擬傳輸。要在LabVIEW FPGA 模式下使用I/O模塊，只需簡(jiǎn)單地將其拖入LabVIEW 工程中的FPGA目標(biāo)，從掃描模式下移除。然后在LabVIEW FPGA下對(duì)模塊編程，使用I/O變量讀寫(xiě)其余模塊的I/O(見(jiàn)圖4)。

圖4.該VI通過(guò)CompactRIO掃描模式訪問(wèn)I/O，同時(shí)通過(guò)LabVIEW FPGA對(duì)輸入的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換

如果在一個(gè)或多個(gè)模塊中采用LabVIEW FPGA模式，F(xiàn)PGA上的CompactRIO掃描模式邏輯，又稱RIO掃描接口，通過(guò)LabVIEW FPGA VI在單獨(dú)FPGA應(yīng)用中編譯。如果模塊都未配置為掃描模式，RIO掃描接口就不會(huì)被編譯。

4. 深入理解CompactRIO掃描模式

CompactRIO掃描模式主要包括兩個(gè)技術(shù)：NI掃描引擎和RIO掃描接口。RIO掃描接口是由美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的一系列FPGA知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)，下載在CompactRIO FPGA上，用于實(shí)現(xiàn)I/O模塊檢測(cè)、定時(shí)、同步、通信等功能。RIO掃描接口執(zhí)行硬件定時(shí)的掃描循環(huán)，更新物理I/O值。兩條DMA通道用于在FPGA和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)之間傳輸I/O數(shù)據(jù)。之前創(chuàng)建的專用于數(shù)字化的功能也是RIO掃描接口的一個(gè)組件。更多關(guān)于RIO掃描接口的信息，請(qǐng)參閱下文的“相關(guān)資源”部分。

NI掃描引擎是LabVIEW Real-Time中的新組件，它的執(zhí)行優(yōu)先級(jí)高于嚴(yán)格定時(shí)或界于嚴(yán)格定時(shí)和定時(shí)結(jié)構(gòu)之間，用戶可自由配置。RIO掃描接口每次完成I/O掃描后LabVIEW會(huì)將I/O變量添加到全局掃描內(nèi)存映射，并更新當(dāng)前所有I/O變量的值。然而，您可以對(duì)每一個(gè)I/O變量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，采用掃描訪問(wèn)方式或直接訪問(wèn)方式。默認(rèn)情況下，LabVIEW將I/O變量節(jié)點(diǎn)配置為掃描I/O，通過(guò)掃描引擎內(nèi)存映射來(lái)實(shí)現(xiàn)非阻塞I/O讀寫(xiě)(見(jiàn)圖5)。直接I/O訪問(wèn)繞過(guò)掃描引擎內(nèi)存映射，直接與I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)通信，從而實(shí)現(xiàn)阻塞I/O讀寫(xiě)(見(jiàn)圖5)。NI掃描引擎同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布I/O變量，使其可以被主機(jī)應(yīng)用、測(cè)試面板及I/O強(qiáng)置工具讀寫(xiě)。掃描引擎，而非LabVIEW共享變量引擎，處理I/O變量的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，可通過(guò)I/O變量屬性頁(yè)面關(guān)閉該功能。

當(dāng)LabVIEW FPGA使用CompactRIO掃描模式時(shí)(有些模塊使用CompactRIO掃描模式；而另一些模塊采用LabVIEW FPGA模式)，RIO掃描接口及FPGA VI共同編譯成一個(gè)比特流，并部署于FPGA上。在LabVIEW FPGA模式下通過(guò)LabVIEW Real-Time 中的FPGA接口VI來(lái)訪問(wèn)I/O模塊，而在掃描模式下通過(guò)I/O變量來(lái)連接I/O模塊。如果將掃描模式下的所有模塊都移除，RIO掃描接口將不會(huì)被編譯到比特流。RIO掃描接口在FPGA上占用的空間取決于處于掃描模式下的模塊數(shù)量。

圖5. 深入理解CompactRIO掃描模式

5. CompactRIO掃描模式的應(yīng)用場(chǎng)合

在某些應(yīng)用中，需要高達(dá)1 kHz的同步更新率來(lái)更新I/O，CompactRIO掃描模式就是專為了這些應(yīng)用所設(shè)計(jì)的。通過(guò)特定的數(shù)字化功能您可以在掃描模式下將現(xiàn)有的8通道數(shù)字I/O模塊設(shè)計(jì)成高級(jí)的PWM、計(jì)數(shù)器、正交編碼器模塊等。通過(guò)系統(tǒng)管理器中的 I/O強(qiáng)置及測(cè)試面板功能，可在掃描模式下實(shí)現(xiàn)初始化設(shè)置、系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)、及高級(jí)的故障排除等功能。對(duì)于更高性能要求的應(yīng)用，例如接近1 MHz的模擬傳輸、高于1 kHz的高速PID控制回路、自定義硬件分析及信號(hào)處理、或不支持掃描模式的I/O模塊等，可采用LabVIEW FPGA模塊的掃描模式。您還可以通過(guò)LabVIEW FPGA模塊從實(shí)時(shí)控制器上卸載處理。

由于RSI FPGA空間需求，掃描模式能夠支持運(yùn)行VxWorks RTOS的至少2M門(mén)的FPGA控制器。支持的控制器包括：NI 9012、NI 9014、NI 9073、及NI 9074。支持的底板包括： NI 9103、NI 9104、NI 9073、及NI 9074。

在使用CompactRIO掃描模式時(shí)可能要犧牲一些性能，例如：特定數(shù)字化功能支持高達(dá)1 MHz的計(jì)數(shù)器，相對(duì)的LabVIEW FPGA的支持可達(dá)到20 MHz。掃描引擎用到的系統(tǒng)資源，包括：FPGA空間、2個(gè)DMA通道、存儲(chǔ)器、及取決于掃描頻率的CPU運(yùn)算時(shí)間。RSI消耗的FPGA空間取決于運(yùn)行于掃描模式下模塊數(shù)量。

6. 結(jié)論

LabVIEW 8.6實(shí)時(shí)模塊添加了一系列功能強(qiáng)大的特性，能夠縮短CompactRIO開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)難度。通過(guò)CompactRIO掃描模式，無(wú)需FPGA編程即可在LabVIEW Real-Time及主機(jī)應(yīng)用中訪問(wèn)I/O，同時(shí)還能選擇直接對(duì)FPGA編程來(lái)滿足最高級(jí)的應(yīng)用需求。NI分布式系統(tǒng)管理器及I/O強(qiáng)置工具同時(shí)為CompactRIO提供了測(cè)試面板和高級(jí)調(diào)試功能，從而能夠輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)CompactRIO應(yīng)用的監(jiān)測(cè)，維護(hù)。

7. 相關(guān)資源

在線研討會(huì)：CompactRIO 交互式指南視頻

中文網(wǎng)頁(yè)：了解 LabVIEW 最新版本

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技術(shù)文檔:?LabVIEW I/O變量值與NI掃描引擎的使用