Vom Rapid Prototyping zum kostengünstigen Einsatz mit NI CompactRIO und NI Single-Board RIO

Werden die Designziele für Hardware für den Serieneinsatz bereits in einer frühen Phase des Designprozesses berücksichtigt, kann das Produkt schneller auf den Markt gelangen. Nachbearbeitungen werden überflüssig und zudem kann ein zuverlässigeres Embedded-System schneller eingesetzt werden, wenn ein Großteil der Hard- und Software des Systems für die Prototypenerstellung im endgültigen Produkt genutzt werden.

Einsatzfelder der rekonfigurierbaren I/O-Module (RIO) von NI

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Abb. 1: Einsatzfelder von NI RIO – vom Rapid Prototyping zum kostengünstigen Serieneinsatz

National Instruments bietet vielfältige kommerzielle Standardhardware, die eine gemeinsame rekonfigurierbare I/O-Architektur (RIO) hat. Diese Architektur umfasst einen Echtzeitprozessor, einen FPGA (Field-Programmable Gate Array) und eine Vielzahl von Ein- und Ausgängen (Input/Output, I/O), darunter Analog-, Digital-, Steuerungs- und Kommunikations-I/O. Wird diese Standardarchitektur zusammen mit den grafischen Entwicklungswerkzeugen von NI LabVIEW eingesetzt, sind Anwender in der Lage, mithilfe flexibler, leistungsfähiger Hardware zügig Embedded-Systeme sowie Maschinen für die industrielle Überwachung, Steuerung und Regelung zu entwerfen und Prototypen davon zu erstellen. Dank der Möglichkeit, Programmcode vollständig wiederzuverwenden, kann ein Prototyp schnell in ein kostenoptimiertes Serienprodukt verwandelt werden. Dabei wird dieselbe Hardwarearchitektur verwendet, um Kosten zu senken und die Markteinführungszeit zu verringern.

NEU! NI Single-Board RIO – Embedded-Hardware für Steuerung, Regelung und Erfassung

Mit neuen Embedded-Produkten der Reihe NI Single-Board RIO werden die Einsatzoptionen der Produktfamilie NI RIO auf kostengünstige Embedded-Hardware in Platinenform ausgeweitet. Mit der NI-RIO-Architektur und LabVIEW können Anwender zügig Prototypen von Embedded-Systemen mithilfe der modularen, flexiblen CompactRIO-Hardware erstellen und diese Systeme umgehend auf der neuen, kostengünstigeren Embedded-Hardware NI Single-Board RIO einsetzen. Da derselbe LabVIEW-Programmcode von der Prototypenerstellung bis zum Serieneinsatz verwendet werden kann, ist eine schnellere Markteinführung und eine höhere Zuverlässigkeit bei Embedded-Geräten und -Maschinen möglich. Die neuen Produkte NI Single-Board RIO haben folgende Funktionen:

• Embedded-Steuerung, -Regelung und -Erfassung auf einer Karte
• Treiberwerkzeuge für die grafische Programmierung in LabVIEW und Middleware für eine schnelle Entwicklung
• Integrierter Echtzeitprozessor für zuverlässigen Stand-alone-Betrieb und Signalverarbeitung
• Integrierter FPGA-Chip für benutzerdefiniertes I/O-Timing und Verarbeitung
• Integrierte Analog- und Digital-I/O
• Kostengünstige Systeme für das Embedded-Design auf Hardwareebene

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Abb.2: NI Single-Board RIO umfasst einen Prozessor, einen FPGA und Analog- und Digital-I/O auf nur einer Karte, die Anwender mit den grafischen Werkzeugen von LabVIEW programmieren können.

Jedes der Geräte der Reihe NI Single-Board RIO beinhaltet einen eingebetteten Echtzeitprozessor, einen leistungsstarken FPGA sowie integrierte Analog- und Digital-I/O auf einer einzigen Karte. Wie auch alle anderen RIO-Hardwaremodule von NI ist jedes I/O-Modul direkt mit dem FPGA verbunden und ermöglicht somit eine Low-Level-Anpassung von Timing-Funktionen und I/O-Signalverarbeitung. Der FPGA-Chip ist mit dem eingebetteten Echtzeitprozessor über einen Hochgeschwindigkeits-PCI-Bus verbunden. LabVIEW verfügt über integrierte Funktionen für den Datentransfer vom I/O-Modul zum FPGA und vom FPGA zum Embedded-Prozessor für Echtzeitanalyse, Weiterverarbeitung, Datenprotokollierung oder die Kommunikation mit einem vernetzten Host-Rechner. 

„Das Embedded-System CompactRIO und die grafischen Werkzeuge von NI LabVIEW versetzten uns in die Lage, das Steuersystem unseres medizinischen Gerätes Visica2 schnell zu entwerfen, zu prototypisieren und zum Einsatz zu bringen. Wir konnten das System sogar noch schneller als geplant fertig stellen und mussten keine benutzerspezifische Hardware entwickeln. Mit der RIO-Architektur und neuer kostengünstiger Hardware konnten wir darüber hinaus bei der Serienfertigung kostengünstigere Hardware verwenden, ohne die Software überarbeiten oder mit einem neuen Design ganz von vorne anfangen zu müssen.“ 

Jeff Stevens, Principal Systems Engineer, Sanarus Medical

Embedded-Systeme mit LabVIEW schneller einsetzen

Mithilfe der grafischen Entwicklungsumgebung NI LabVIEW können der Echtzeitprozessor, der rekonfigurierbare FPGA und die Ein- und Ausgänge der RIO-Embedded-Systeme für die Anwendungsbereiche Embedded-Steuerung, -Regelung, -Überwachung, -Verarbeitung und -Protokollierung mit demselben LabVIEW-Projekt programmiert werden. Zudem gibt es die Möglichkeit, mit speziellen LabVIEW-Modulen den Echtzeitprozessor (LabVIEW Real-Time Module) und den FPGA-Chip (LabVIEW FPGA Module) zu programmieren. LabVIEW umfasst außerdem eine ganze Reihe von Middleware-Treibern, welche eine nahtlose Integration aller Hardwarekomponenten des RIO-Embedded-Systems (Analog- und Digital-I/O, FPGA, Prozessor, Peripheriegeräte und Speicher) gewährleisten.

Abb. 3: Verwalten und Schreiben von Programmcode für Prozessor, FPGA und I/Os mit dem LabVIEW-Projekt

LabVIEW Real-Time Module

Der in den Systemen eingebettete Echtzeitprozessor wird mithilfe des LabVIEW Real-Time Module programmiert, das integrierte Funktionsblöcke für Fließkommasteuerung, -regelung, -verarbeitung, -analyse, -datenprotokollierung und -kommunikation umfasst. Zu den Leistungsmerkmalen des LabVIEW Real-Time Module zählen:

• LabVIEW-Umgebungsvariable (Shared Variable) für die einfache Vernetzung verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme
• Deterministisches Software-Timing mit Auflösung im Mikrosekundenbereich
• Mehr als 600 Funktionen für die Fließkommasteuerung und Signalverarbeitung
• Integration bestehenden C/C++-Programmcodes
• Werkzeuge zur Systemreplizierung für die schnelle Implementierung und Duplizierung eines Systems

LabVIEW FPGA Module

Anwender können den rekonfigurierbaren FPGA-Chip in RIO-Hardwaresystemen mit dem LabVIEW FPGA Module schnell programmieren und damit anwenderdefinierte sowie Hochgeschwindigkeitssteuerungs- und -­regelungs-, I/O-Timing- und Signalverarbeitungsaufgaben realisieren. Zu den Leistungsmerkmalen des LabVIEW FPGA Module zählen:

• CLIP-Knoten (Component-Level IP) für eine einfache Integration vorhandenen HDL-Codes
• FPGA-Assistent zur zügigen Entwicklung von Echtzeit- und FPGA-Code
• FPGA-Projektassistent für eine einfache Inbetriebnahme
• LabVIEW-Zustandsdiagramm (Statechart Module) für die Implementierung von FPGA-basierter Steuerung und Regelung, Zustandsmaschinen etc.
• FPGA-Simulationsfunktionen zur Vereinfachung von Entwicklung und Fehlerbehebung
• FPGA-IP-Funktionsblöcke für Festkommaarithmetik
  
  

  	- Fast-Fourier-Transformation (FFT)
  	- Mehrkanal-PID
  	- Signalgeneratoren
  	- Notch-Filter
  	- Alle vorgefertigten LabVIEW-FPGA-Funktionen und -IP im IPNet

Middleware-Treiberwerkzeuge

Eine der größten Herausforderungen beim Embedded-Design ist der erforderliche Aufwand für die Erstellung, Fehlerbehebung und Validierung von Softwarestapeln auf Treiberebene, damit alle Hardwarekomponenten des Embedded-Systems integriert werden können. Gewöhnlich wird diese Integration dem Anwender überlassen, was den Designprozess für Embedded-Systeme erschwert und verlängert.

NI-Middleware-Treiber gehen über den Funktionsumfang der Treiber traditioneller Einplatinenrechner und der anderer Anbieter von Embedded-Systemen hinaus, liefern erhöhte Produktivität und Leistung und ermöglichen so eine verkürzte Markteinführungszeit. Treibersoftware und zusätzliche Konfigurationstreibersoftware sind im Lieferumfang jedes RIO-gestützten Geräts enthalten. Die integrierten Middleware-Treiberwerkzeuge umfassen folgende Funktionen:

• Integrierte Funktionalität für die Vernetzung zwischen Analog-, Digital-, Steuerungs- und Kommunikations-I/O und dem FPGA-Chip
• Übertragungsfunktionen für die Datenkommunikation zwischen FPGA und Prozessor
• Methoden zur Verbindung von FPGA/Prozessor und Speicher
• Verbindung des Prozessors mit Peripheriegeräten (serieller RS-232-Anschluss, Ethernet)
• Multithreading-fähige Treiber für mehr Leistung
  

Vom Prototypen zum Serieneinsatz

Die RIO-Plattform mit mehreren Abmessungen bietet zahlreiche Prototypisierungs- und Einsatzoptionen. Das integrierte CompactRIO-System und NI Single-Board RIO eignen sich hervorragend für Embedded-Systeme für höhere Stückzahlen. Wie bei anderen Produkten in Platinenform muss auch bei der Embedded-Hardware NI Single-Board RIO sichergestellt werden, dass das Design bestimmte Standards wie elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erfüllt und eine angemessene Wärmeabgabe erlaubt. Handelsübliche CompactRIO-Systeme im Paket erfüllen diese Zertifizierungen. Die Spezifikationen in folgender Tabelle helfen bei der Entscheidung über die passende RIO-Hardware für die jeweiligen Anwendungsanforderungen.

Tabelle 1: NI-RIO-Hardwarevergleich

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Anleitung zur Konfiguration von Systemen

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