NI CompactRIO 可重設的控制與擷取系統

National Instruments CompactRIO是一款堅固的小型工業用控制及擷取系統，以可重設組態I/O (RIO) FPGA技術驅動，具有極高的效能及自訂功能彈性。NI CompactRIO結合一顆即時處理器及可重設組態FPGA，以用於穩定的獨立嵌入式或分散式應用，並具備內建訊號處理、可熱插拔的工業I/O模組，可以直接連接至感測器及致動器。CompactRIO是一種低價位的技術，可以開放存取低階硬體資源。CompactRIO嵌入式系統使用高生產力的LabVIEW圖形化程式設計工具進行開發，以達到快速開發的目的。利用NI CompactRIO，您可以迅速建立起足與專用設計硬體迴路之效能及最佳化相匹敵的嵌入式控制或擷取系統。 CompactRIO平台包括具備工業用浮點處理器的cRIO-9002以及cRIO-9004即時控制器；使用一百萬或三百萬閘(gate)的FPGA、具備4插槽及8插槽可重設組態機箱的cRIO-910x系列；還有多種I/O類型，從±80 mV熱電耦輸入至250 VAC/VDC萬用數位輸入埠皆具。CompactRIO嵌入式系統使用LabVIEW、LabVIEW即時模組(Real-Time Module)及LabVIEW FPGA模組進行開發。CompactRIO有兩種組態──嵌入式系統及R系列擴充系統。

CompactRIO 嵌入式系統

CompactRIO嵌入式系統具備即時控制器、內含可由使用者設定程式的4插槽或8插槽可重設組態機箱，以及可熱插拔的工業級I/O模組。這種低價位嵌入式技術可以開放存取低階硬體資源，以便快速開發客製之獨立或分散式控制及擷取系統。

CompactRIO R系列擴充系統
CompactRIO R系列擴充系統使用同樣的工業級I/O模組，以提供高效能的訊號處理及工業級I/O，供PCI或PXI/CompactPCI R系列FPGA設備使用。擴充系統能為具備傳統插入式資料擷取、視覺、動作及模組化儀器設備的應用程式加入客製量測的功能。

低價位開放技術

CompactRIO結合一顆低耗電量即時嵌入式處理器及高效能RIO FPGA晶片組。可重設組態I/O (RIO)核心具備內建之資料傳輸機制，可以將資料傳送給內嵌之處理器，進行即時分析、後處理、資料記錄，或是與網路上的主機電腦通訊。CompactRIO提供硬體直接存取功能，可以使用LabVIEW FPGA基本I/O函數存取各I/O模組的輸入／輸出電路。每個I/O模組包括內建連接能力、訊號處理、轉換電路（ADC或DAC），以及選購的隔離屏障。這種設計建構出一款可以開放存取低階硬體資源的低價位技術。

I/O模組
每個CompactRIO I/O模組皆包括內建的訊號處理及螺絲端點、BNC，或D-Sub接頭。透過將接頭連接盒整合至模組中的作法，CompactRIO系統大幅減少工廠接線所需的空間及費用。有多種I/O類型可以選擇，包括±80 mV熱電耦輸入、±10 V同步取樣類比輸入／輸出、最高1A電流驅動的24 V工業級數位I/O、具備供編碼器使用之5 V 調節電源輸出的差動式／TTL數位輸入，以及250 Vrms萬用數位輸入。由於模組中包括內建的訊號處理，供擴充電壓範圍或工業訊號類型使用，因此通常你可以直接將CompactRIO模組連接至感測器／致動器。請光臨ni.com/compactrio，取得模組供應的最新資訊。

即時處理器
CompactRIO嵌入式系統採用工業級200 MHz Pentium級處理器，穩定地執行你的LabVIEW Real-Time應用程式。使用數千種內建的LabVIEW函數建立多執行緒嵌入式系統，可應用於即時控制、分析、資料記錄及通訊。控制器亦具備一個10/100 Mb/s乙太網路連接埠，可以透過網路（包括電子郵件）及內建網頁(HTTP)和檔案(FTP)伺服器進行程式化通訊。使用遠端面板網路伺服器，你可以自動發佈嵌入式應用程式的人機界面圖形化使用者界面，進行多用戶端的遠端監看或控制。即時處理器亦具備兩個11至30 VDC的電源輸入、一個使用者DIP開關、LED狀態指示器、即時時鐘、監視計時器，以及其它高穩定度的功能。

可重設組態的機箱
可重設組態機箱是NI CompactRIO嵌入式系統的中心，具備RIO FPGA核心。這個使用者定義的RIO FPGA是一款客製硬體結構，容納你的控制邏輯、輸入／輸出、計時、觸發，以及同步化設計。RIO FPGA晶片以星狀拓樸連接至I/O模組，可以直接存取各模組，以便在計時、觸發及同步化時獲得精確的控制及無限的彈性。本機的PCI匯流排在RIO FPGA和即時處理器之間提供高效能界面。可重設組態機箱具備和全系列CompactRIO平台相同的特色，採用堅固的金屬結構。

可重設 I/O (RIO) 技術

透過NI RIO技術，你可以使用可重設組態FPGA晶片及LabVIEW圖形化開發工具，定義自己的客製量測硬體電路。現在你可以利用可重設組態FPGA技術的優勢，將你的輸入／輸出、通訊或控制應用程式中經過高度最佳化的電子迴路自動進行同步化。

Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs)
FPGA設備獲得控制及擷取系統廠商的廣泛使用，乃因為其效能、可重設組態的能力、小巧的體積，以及低廉的工程開發成本。使用FPGA的設備向來是由廠商加以定義，而非由使用者定義，原因在於電子設計工具的複雜度。現在你可以運用可由使用者設計程式的FPGA，建立高度最佳化之可重設組態控制及擷取系統，不需要了解專業的硬體設計程式語言（例如VHDL）。利用CompactRIO，你可以設計客製的控制或擷取電路，計時／觸發解析度可達25 ns。

 

FPGA設備具備可重設組態之數位技術，內含由I/O區塊週邊包圍的可配置邏輯區塊(CLB)矩陣。訊號在FPGA矩陣中，可以透過可程式連接開關及線路徑，以任何方式的路徑傳送。CompactRIO提供4插槽和8插槽的機箱，可以選擇1百萬或3百萬閘(gate)的FPGA晶片。

效能，體積及重量

利用LabVIEW FPGA軟體及可重設組態硬體技術，你可以使用CompactRIO建立極高效能的控制及擷取系統。FPGA電路是一個平行處理的可重設組態運算引擎，它在晶片上的矽電路中執行你的LabVIEW應用程式。你可以設計客製的控制或擷取電路，計時／觸發解析度可達25 ns。LabVIEW FPGA具備內建函數，可以處理類比封閉迴路PID控制、第五階FIR濾波器、1D搜尋表(look-up tables)、線性插補、過零偵測(zero crossing detection)，以及直接數位合成正弦波。

利用嵌入式RIO FPGA硬體，你可以運用多迴路類比PID控制系統，迴路速率超過100 kS/s。數位控制系統可以用最高達1 MS/s的迴路速率來進行運算，而且你可以在迴圈速度為40 MHz (25 ns)時，使用單迴路來評估多重布林邏輯。由於RIO核心的平行運算本質，加入額外的運算並不一定會降低FPGA應用程式的速度。

體積及重量

CompactRIO是為了在嚴荷環境及空間狹小的應用而設計的。對許多這一類的嵌入式應用環境而言，體積、重量及I/O通道密度是非常重要的設計要求。利用FPGA設備的絕佳效能及輕巧體積，CompactRIO可以用輕巧而堅固的組裝提供前所未有的控制及擷取功能。一個具備4個插槽的可重設組態嵌入式系統尺寸為179.6 x 88.1 x 88.1 mm (7.07 x 3.47 x 3.47 in.)，重量僅有1.58公斤（3.47磅）。8個插槽的系統在插滿32通道的I/O模組之時，重量通道密度為9.7克／通道（0.34盎司／通道），體積通道密度為8.2 cm3/通道（0.50 in.3/通道）。

尺寸（4個插槽） 179.6 x 88.1 x 88.1 mm (7.07 x 3.47 x 3.47 in.)
尺寸（8個插槽） 274 x 88.1 x 88.1 mm (10.79 x 3.47 x 3.47 in.)
重量（4個插槽，標準） 1.58 kg (3.47 lb)
重量（8個插槽，標準） 2.48 kg (5.46 lb)
重量－通道密度（8通道模組） 38.7 g/ch (1.37 oz/ch)
體積－通道密度（8通道模組） 32.9 cm3/ch (2.01 in.3/ch)
重量－通道密度（32通道模組） 9.7 g/ch (0.34 oz/ch)
體積－通道密度（32通道模組） 8.2 cm3/ch (0.50 in.3/ch)

極致的工業認證和評比

CompactRIO是一款結合獨立嵌入式相容性及極致工業認證和評比的可重設組態嵌入式系統，用於嚴苛的工業環境中作業。CompactRIO可以在-40至70 °C（-40至158 °F）的溫度範圍內，50 g衝擊力度，以及危險地點或可能爆炸環境(Class I, Div 2)中作業。大部份的I/O模組具備高達2,300 Vrms 隔離(withstand)，以及250 Vrms隔離(continuous)。各元件皆符合多種國際安規、電磁規範(EMC)，以及環境認證和評比。欲了解各項設備的工業認證及其它規格，請參閱操作手冊。請光臨http://sine.ni.com/manuals/main/p/sn/n23:1.4796 以取得更多資訊。

•  -40至70 °C (-40至158 °F) 作業溫度
• 最高達2,300 Vrms隔離（承受）
• 50 g衝擊力度 
• 國際安全，EMC，以及環境保護認證
• 危險地點操作的Class I, Division 2等級認證
• 兩個11至30 VDC電源供應輸入，低電力消耗（通常為7至10 W）

CompactRIO R系列擴充系統

在這種組態下，CompactRIO擴充機箱連接至PCI或PXI R系列FPGA設備的數位連接埠。R系列設備可以安裝在任何執行Windows或某一種LabVIEW Real-Time作業系統的桌上電腦或PXI電腦系統中。RIO FPGA位於R系列設備中，而CompactRIO將R系列設備上的單一數位連接埠轉變為高效能擴充I/O及訊號處理系統。Windows主機的CPU或PXI RT控制器提供高效能處理能力，負責類比控制、分析，或迴圈中硬體(HIL)模擬。R系列RIO設備及CompactRIO機箱提供高速的訊號處理輸入、輸出、通訊及控制能力，並且提供前所未有的彈性及最佳化。

R系列擴充機箱
cRIO-9151 4插槽R系列擴充機箱直接連接至PCI或PXI R系列設備，例如PXI-7831R、PXI-7811R，或PCI-7831R。在這種組態下，FPGA位於R系列設備中，而CompactRIO I/O模組提供工業I/O、隔離，以及訊號處理。利用PXI-7831R或PCI-7831R，你最多可以連接兩部R系統擴充機箱，每部R系列設備最多可以具備八個I/O模組。使用PXI-7811R時，你最多可以連接四部R系統擴充機箱，每部R系列設備最多可以具備16個I/O模組。

 

CompactRIO R系列擴充系統的作業系統選擇
CompactRIO R系列擴充系統可以配合執行Windows或某一種LabVIEW Real-Time作業系統的桌上電腦或PXI電腦系統使用。National Instruments LabVIEW Real-Time模組（version 7.1以上）可以接受標準的桌上型電腦做為LabVIEW Real-Time的目標硬體。請光臨ni.com/realtime，以取得更多關於選擇即時佈署平台的資訊。

LabVIEW Real-Time (ETS)
LabVIEW Real-Time for ETS提供最多樣化選擇的PXI機箱、控制器，以及插入模組，供資料擷取、視覺、動作、模組化儀器及工業用網路（CAN、GPIB、序列埠等等）的應用。此外，Dell Optiplex, Model GX270桌上型電腦亦通過驗證，可以配合LabVIEW Real-Time模組及部份PCI資料擷取和R系列介面卡PCI-7831R使用。

 

控制器	處理器	記憶體（最多）
PXI-8145 RT	266 MHz Pentium MMX	128 MB, DRAM
PXI-8175 RT	866 MHz Pentium III	512 MB, SDRAM
PXI-8176 RT	1.2 GHz Pentium III	512 MB, SDRAM
PXI-8186 RT	2.2 GHz Pentium 4-M	1 GB, DDR SDRAM
PXI-8187 RT	2.5 GHz Pentium 4-M	1 GB, DDR SDRAM

 

 

 

使用Real-Time eXtensions (RTX) 的LabVIEW Real-Time
LabVIEW Real-Time for RTX只能在特定的桌上型電腦中執行，以及配合有限的插入模組使用。RTX是一款以擴充為基礎的即時作業系統，安裝在桌上型PC上，與Windows 2000/XP一起執行。RTOS延伸產品包括一個即時核心以及非即時間核心，共用同一顆處理器。利用這種雙核心技術，你可以在同一部機器上同時執行主機應用程式及即時系統。若要驗證你的PC是否與RTX相容，請至Venturcom網站(http://www.vci.com/)下載RTX評估版。

設計即時控制應用程式

可重設組態之控制及擷取系統通常包括四大元件：

• RIO FPGA核心應用程式，供輸入、輸出、通訊及控制用
• 精密時間迴圈(Time-critical loop)，用於浮點控制、訊號處理、分析及逐點決策
• 普通優先迴圈，用於嵌入式資料記錄、遠端面板網頁界面，以及乙太網路／序列埠通訊
• 連接網路的主機PC，提供遠端圖形化使用界面、歷史資料記錄，以及後處理(postprocessing)

根據你的應用需求，你可以決定運用一項或所有的應用元件。

LabVIEW FPGA模組
LabVIEW及LabVIEW FPGA模組為NI RIO硬體中的FPGA晶片提供圖形化的開發工具。利用LabVIEW FPGA模組，你可以在執行Windows的主機電腦上開發FPGA應用程式，然後LabVIEW加以編譯，並將程式佈署至硬體中。使用LabVIEW FPGA模組，你可以定義客製I/O及控制硬體電路，不需要對硬體設計或VHDL有所認識。FPGA的圖形化程式設計令LabVIEW的使用者能夠設計自己的客製量測電路，足可與廠商製作的專用硬體之效能及最佳化相匹敵。

重要的嵌入式系統開發工具
LabVIEW FPGA模組、LabVIEW即時模組以及LabVIEW for Windows開發環境提供一系列的工具和技術，可以加速對於先進、高可靠性以及高度最佳化之可重設組態嵌入式系統的開發。

內嵌式專案管理程式(Embedded Project Manager)
 

• FPGA硬體目標的組態設定及自動化模組偵測
• CompactRIO模組及I/O通道別名(alias)名稱管理
• FPGA應用程式快閃記憶體下載及自動載入組態設定

LabVIEW FPGA開發環境
 

• FPGA設備I/O，用於類比輸入／輸出、數位輸入／輸出，以及I/O屬性節點／方法
• 插斷(IRQ)產生及同步化功能
• 40 MHz單循環計時迴圈，以25 ns計時間隔執行程式
• 使用while迴圈、順序(sequence)、條件(case)、for迴圈及其它執行控制結構進行平行處理
• FPGA FIFO資料緩衝及記憶體讀取／寫入
• 迴圈計時器／計數器，40 MHz FPGA時間基準（25 ns tick, µs, 或 ms 解析度）
• 布林邏輯，比較，數字運算，飽和演算法函數(saturation arithmetic function)，以及逐位資料操作(bitwise data manipulation)函數
• HDL界面節點，用於整合非LabVIEW IP核心
• 非線性系統及離散線性控制函數，包括PID及第五階FIR濾波器
• 1D搜尋列表(look-up table)，線性內插，過零偵測(zero-crossing detection)，以及直接數位合成正弦產生器

LabVIEW即時開發環境
 

• 目標組態選項，包括啟動時執行應用程式之設定及開發，網站，遠端面板，以及檔案伺服器存取
•  開放FPGA VI參照函數，可以用程式控制位元流下載，通訊界面參照，以及應用程式啟動
• 使用FPGA產生之快速中斷要求(IRQ)，進行決定性之即時while迴圈執行緒同步化
• FPGA人機界面控制／指示器讀取／寫入，用於資料傳輸
• 資料比例／映射函數，用於整數轉換浮點的工程元件轉換
• Real-Time FIFO資料緩衝
• 計時迴圈結構，用於多速率決定性控制
• 浮點PID，設定點資料，增益排程，及速率限制器功能
• 模糊邏輯控制，連續及離散線性系統，以及非線性系統，及2D查詢列表函數
• 逐點訊號產生，時間範圍分析，頻率範圍變形及頻譜分析，濾波器，統計，曲線擬合／插補，線性代數，陣列／向量操作
• SMTP電子郵件、TCP/IP、UDP、IrDA、DataSocket及VISA RS232序列埠之程式化主從通訊（包括802.11無線乙太網路）
• 二位元及文字檔案I/O，用於嵌入式資料記錄及取得

應用程式模組及工具組

• LabVIEW PDA模組
•  LabVIEW企業連線工具組(Enterprise Connectivity Toolset)
• LabVIEW遠端面板授權（五名使用者）
• LabVIEW執行記錄工具組(Execution Trace Toolkit)
• LabVIEW命令分析工具組(Order Analysis Toolkit)
• LabVIEW聲音及震動工具組(Sound and Vibration Toolkit)
• LabVIEW訊號處理工具組(Signal Processing Toolset)
• LabVIEW模擬模組
• LabVIEW控制設計工具組(Control Design Toolkit)
• LabVIEW系統辨識工具組(System Identification Toolkit)
• LabVIEW模擬界面工具組(Simulation Interface Toolkit)
• LabVIEW狀態簡圖工具組(State Diagram Toolkit)

LabVIEW網路化主機應用程式開發

• 網頁瀏覽器遠端面板使用界面插件，用於遠端控制／監督(Windows, Linux, Mac OS X, Solaris)
• 詳盡的頻譜訊號分析、失真／音調、振幅／等級、計時／轉換、迴旋／關聯、遮罩／限制、長條圖等函數
• 本機或遠端資料庫連接能力，產生文字/HTML/DIAdem的報表
• 手持型行動式／可攜式PDA使用者界面／遠端控制（LabVIEW PDA模組）

應用實例及客戶成功案例

由於其低價位、穩定性，以及適用於大量嵌入式量測及控制應用，因此可以使用CompactRIO來解決各行各業及不同應用環境中的各種需求。範例包括重工業機器控制、載具內資料擷取、機器狀況監督，以及快速控制原型製作(RCP)：

• 批次控制
• 離散控制
• 動作控制
• 載具內資料擷取
• 機器狀況監督
• 快速控制原型製作 (RCP)
• 工業控制及擷取
• 分散式資料擷取及控制
• 行動／可攜式雜訊、震動及舒適性(NVH)分析

CompactRIO是為有經驗的開發人員設計的，他們將使用LabVIEW圖形化開發工具，將可重設組態硬體應用在多種行業及應用環境中。諸如MTS、Roush、Göpel、Process Automation以及Virginia Tech等客戶都已經成功地開發出CompactRIO嵌入式系統，應用於重工業機器控制、載具內資料擷取、聲音及震動分析，以及電動馬達驅動特性。

客戶成功案例

飛行資料擷取
「我們發現對於高空測試的嚴苛環境條件而言，CompactRIO嵌入式系統是絕佳的解決方案。雖然大部份研究飛機的飛行高度上限低於七萬呎，但是在這項測試中，我們將壓力降低到鐘罩作業範圍的下限。極使在這種極端的環境中，CompactRIO的表現仍然無懈可擊。」
            National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) 研究科學家David Thomson

可攜式雜訊、震動及舒適性測試
「這是MTS企業的另一大進步，NI幫助客戶將雜訊及震動測試標準化。CompactRIO與我們的雜訊及震動測試產品成為互補，讓客戶能夠進一步將使用界面標準化，以容納多種獨特的測試情境。這樣可以支持我們的長程目標，也就是為雜訊及震動測試帶來新層次的供應能力、變通能力以及生產力。」
            MTS Software & Consulting副總裁Doug Marinaro

工業處理及動作控制
「就這個應用而言，CompactRIO非常重要。我們的內嵌式MFA控制器在LabVIEW Real-Time中執行，配合在LabVIEW FPGA中執行的NI-SoftMotion，現在提供一個立即可用、高速及高準確度的控制解決方案，只有客製硬體才能與之匹敵。」
            CyboSoft執行長Dr. George Cheng

載具內資料擷取（機箱／機體動力）
「運用我們豐富的LabVIEW專業知識以及NI新推出的CompactRIO平台，我們建立了一個智慧型載具動力資料擷取應用程式，只花費了從頭開始建立客製硬體所需時間的四分之一。我們選擇CompactRIO，是因為市場上沒有別的產品提供這麼高的自訂能力，同時體型又夠堅固，足可承受現代試驗場所的嚴苛地形。因為我們可以輕易地在LabVIEW中對我們的應用程式進行變動，因此只需要幾天的時間就可以重新設定我們的系統組態……不需要數週的時間。」
Roush Industries, Inc. 開發工程師Joel Gorsegner

自動化測試系統
「使用RIO技術，我們使開發時間減少了50%，系統成本減少$40,000-$150,000，而最好的地方在於，它讓我們的客戶將90-95%的平台再使用於未來的應用程式。」
AmFax Limited技術銷售經理Daren Williamson

運輸研究
「在高科技研發快速變遷的世界裡，RIO技術為我們提供巨大的優勢。和完全客製的解決方案比較起來，RIO不但明顯降低成本及時間，對我們的行業而言一個更大的好處是它的再組態能力讓我們得以根據測試計劃及專案目標的變動而迅速進行改變。」
            Hydro Technologies總裁Corey Jaskolski

重機械控制
「對CompactRIO進行短暫的測試，証明這個平台可以滿足專案的所有需求。加上National Instruments在技術及效能/價格比方面素有盛名，因此CompactRIO平台成為這個應用環境中最經濟的平台。CompactRIO系統提供足夠的處理能力，可以讓多個扣件安裝工具在單獨一個CompactRIO機箱上執行。這一點使得CompactRIO的成本比先前的系統降低了一半以上。」
            Process Automation Corp自動化系統顧問Greg Sussman

載具內資料擷取（電子測試）
「National Instruments CompactRIO的優點在於輕巧的體積及彈性。我們的開發部門將這種彈性轉變為CARLOS系統。利用CompactRIO，我們創造出具備高度自訂能力的運算法，整合至CARLOS中，構成一款可攜式、使用者定義的內建載具分析及診斷系統。」
            GÖPEL electronic GmbH資深硬體工程師Rainer Lindner

汽車快速控制原型製作(RCP)
「使用我們現有的動力傳動控制及LabVIEW的專業能力，我們使用CompactRIO建構了一個全功能引擎控制系統的原型，用來控制高效能機車引擎，只花了三個月的工時。在過去的專案中，至少要花兩年的工時（以及500,000美元以上）才能使用自行設計的硬體開發出類似的ECU系統。透過CompactRIO，我們以毫秒來執行決定性迴圈，並以微秒來執行FPGA的燃油及點火計時。此外，我們可以輕易加入感測器和致動器，或是修改我們的系統，都只需要少量的時間投資。」
            Drivven, Inc.總裁Carroll G. Dase

電力馬達驅動研究
「使用LabVIEW軟體及CompactRIO模組，我們建立一個成功的解決方案，用來測量磁阻轉換(switched reluctance, SR)機器的整體電磁特性。CompactRIO提供使用者一個友善的工具，可以取得正確的實驗資料量測，也令我們的研究團隊得以消除因渦電流損失及因為加熱而造成的電阻變化所造成的錯誤。」
            Virginia Tech Motion Control Systems Research Group研究員Keunsoo Ha,

自行建構 CompactRIO 系統

CompactRIO 產品選擇指南