NI CompactRIO——可重新配置的控制和采集系统

概览

NI CompactRIO是一种小巧而坚固的工业化控制与采集系统，利用可重新配置I/O（RIO）FPGA技术实现超高性能和可自定义功能。NI CompactRIO包含一个实时处理器与可重新配置的FPGA芯片，适用于可靠的独立嵌入式或分布式应用系统；还包含热插拔工业I/O模块，内置可与传感器/调节器直接连接的信号调理。CompactRIO展示了一种支持开放访问低层硬件资源的低成本架构。CompactRIO嵌入式系统可以使用高效的LabVIEW图形化编程工具进行快速开发。利用NI CompactRIO，您可以快速建立嵌入式控制与采集系统，而且该系统的工作性能和优化特性可与专门定制设计的硬件电路相媲美。

CompactRIO平台包括带有工业浮点处理器的cRIO-900x和cRIO-901x实时控制器，其中cRIO-901x系列的4槽和8槽可重配置机箱具有1百万或3百万门FPGA。该平台还包括新型cRIO-907x系列——一种集成的控制器与机箱。CompactRIO C系列模块提供了各种类型的I/O，从±80 mV热电偶输入到250VAC/VDC通用数字输入。用户可以使用LabVIEW、LabVIEW实时模块和LabVIEW FPGA模块开发CompactRIO嵌入式系统。CompactRIO可以有三种配置——嵌入式系统（包括CompactRIO集成控制器与机箱）、R系列扩展系统和远程高速接口系统。

CompactRIO嵌入式系统

CompactRIO嵌入式系统包含一个实时嵌入式处理器、带有可编程FPGA的4或8槽可重新配置的机箱和热插拔工业I/O模块。这种低成本的嵌入式架构支持开放访问低层的硬件资源，以快速开发定制的独立或分布式控制与采集系统。

 

CompactRIO R系列扩展系统

CompactRIO R系列扩展系统使用同样的热插拔工业I/O模块，为PCI或PXI/ CompactPCI R系列FPGA设备提供高性能的信号调理和工业扩展I/O。该扩展系统为各种应用增加了自定义的测量功能，如传统的插入式数据采集、视觉、运动和模块化仪器等应用。

CompactRIO远程高速接口系统

CompactRIO远程高速接口系统使用与其他CompactRIO平台相同的热插拔I/O模块，以实现与Windows台式机或笔记本电脑的高速接口。嵌入式系统中的90xx实时控制器为一个支持高达50 MB/s数据传输速率的高速远程控制器所替代。

低成本的开放式架构

CompactRIO采用低功耗实时嵌入式处理器，以及一组高性能的RIO FPGA芯片。RIO核心内置数据传输机制，负责将数据至传输嵌入式处理器以进行实时分析、后续处理、数据记录或者与联网主机的通信。利用LabVIEW FPGA的基本I/O功能，CompactRIO支持对每个I/O模块的输入/输出电路的直接硬件访问。所有I/O模块均包含内置的连接、信号调理、转换电路（如ADC或DAC）和一个可选配的隔离屏蔽。该设计展示了一种支持开放访问低层硬件资源的低成本架构。

 

 

I/O模块

每个CompactRIO I/O模块都包含内置的信号调理和螺旋接头、BNC或D-Sub连接器。通过在模块中集成接线盒，大幅缩小了CompactRIO的尺寸，显著降低了其现场连线成本。现有多种类型的I/O可供使用，包括±80 mV热电偶输入、±10V同时采样模拟输入/输出、高达1A驱动电流的24V工业数字I/O、带有供编码器使用的5V常规电源输出的差分/TTL数字输入和250Vrms的通用数字输入。由于该模块内置有支持大电压范围或工业信号类型的信号调理电路，通常情况下，您可以将CompactRIO模块与您的传感器/调节器直接相连。而且，您可以利用CompactRIO I/O模块开发工具集创建您自己的模块。关于可用模块的更新信息，敬请访问ni.com/compactrio。

实时处理器

CompactRIO嵌入式系统特性在于其工业级的处理器以可靠和确定的方式执行您的LabVIEW实时应用。从数千种内置的LabVIEW函数中选择合适的函数，您可以构建面向实时控制、分析、数据记录和通信的多线程嵌入式系统。控制器还具有一个10/100 Mb/s以太网口，可用于跨网络的通信编程（包括电子邮件）和内置网络（HTTP）与文件（FTP）服务器。利用远程面板网络服务器，您可以自动发布用于多客户端远程监控或控制的嵌入式应用的图形化用户界面前面板。该实时处理器还包括了11~30VDC的双电源输入、一个用户DIP开关、LED状态指示灯、一个实时时钟、看门狗定时器和其他高可靠的特性。

可重新配置的机箱

可重新配置的机箱是NI CompactRIO嵌入式系统的核心，包含RIO FPGA内核。该用户定义的RIO FPGA是对于您的控制逻辑、输入/输出、定时、触发和同步设计的一种利用定制硬件的实现。RIO FPGA芯片与I/O模块以星型拓扑相连接，从而可以访问每个模块以实现精确控制并在定时、触发和同步等方面获得极大的灵活性。通过本地PCI总线连接，实现了RIO FPGA与实时处理器间的高性能接口。可重新配置的机箱采用了相同的金属架构，使得整个CompactRIO平台同样坚固。

集成的控制器与机箱

集成的配置将嵌入式实时控制器与包含有FPGA的机箱组合在独立的单元之中。这样的配置提供了模块化控制器与机箱的所有功能特性，并进行了成本优化以使得该系统非常适合大容量的应用。

可重新配置的I/O（RIO）技术

借助NI RIO技术，您可以利用可重新配置的FPGA芯片与LabVIEW图形化开发工具定制您自己的测量硬件电路。现在您可以利用可重新配置的FPGA技术，自动合成高度优化的电子电路来执行您的输入/输出、通信或控制应用。

 

 

现场可编程门阵列（FPGA）

FPGA设备凭借其性能、可重配置性、小尺寸和较低的工程开发成本等特性，为控制与采集系统的厂商广泛采用。由于电子设计工具的复杂性，基于FPGA的设备通常是由厂商而不是用户来定义。现今，您可以利用用户可编程的FPGA构建高度优化的可重新配置的控制与采集系统，而不必了解专门的硬件设计语言，如VHDL。利用CompactRIO，您可以在硅片上设计定制您自己的具有25 ns定时/触发精度的控制或采集电路。

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FPGA设备的特色在于一个带有可配置的逻辑组块（CLB）阵列的可重新配置的数字架构，该阵列被外围I/O模块所环绕。利用可编程的互连开关与接线路由，可以实现信号在FPGA矩阵内的任意方式路由。CompactRIO提供4槽和8槽机箱，可选用1百万或3百万门FPGA芯片。

性能、尺寸与重量

利用LabVIEW FPGA软件与可重新配置的硬件技术，您可以利用CompactRIO构建超高性能的控制与采集系统。FGPA电路是一种并行处理的、可重新配置的计算引擎，在芯片硅电路上执行您的LabVIEW应用程序。您可以在硅片上设计定制您自己的具有25 ns定时/触发精度的控制或采集电路。LabVIEW FPGA提供了大量的内置函数，可用于模拟闭环PID控制、5阶FIR滤波器、一维查找表、线性插值、过零检测和正弦波的直接数字合成。

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利用嵌入式RIO FPGA硬件，您可以实现超过100 kS/s循环速率的多循环模拟PID控制系统。可以实现循环速率高达1 MS/s的数字控制系统，并可以以40 MHz（25 ns）周期速率的单个while循环评估布尔逻辑的多个层次。鉴于RIO核心的并行本质，添加额外的计算并不会必然降低FPGA应用的执行速率。

尺寸与重量

CompactRIO专为恶劣环境和较小空间的应用设计。对于许多类似的嵌入式应用，尺寸、重量和I/O通道密度均是关键的设计需求。利用FPGA设备的卓越性能和较小尺寸，CompactRIO能够在一个紧凑、坚固的封装中提供前所未有的控制与采集能力。4槽可重新配置的嵌入式系统尺寸为179.6*88.1*88.1 mm（7.07*3.47*3.47 英寸），重量仅为1.58 kg（3.47 lb）。对于布满32通道I/O模块的8槽系统，其通道重量密度为9.7 g/ch（0.34 oz/ch），通道体积密度为8.2 cm³/ch（0.50 in.³/ch）。

 

尺寸（4槽）	179.6*88.1*88.1 mm（7.07*3.47*3.47 in.）
尺寸（8槽）	274*88.1*88.1 mm（10.79*3.47*3.47 in.）
重量（4槽，典型）	1.58 kg（3.47 lb）
重量（4槽，典型）	2.48 kg（5.46 lb）
通道重量密度（8通道模块）	38.7 g/ch（1.37 oz/ch）
通道体积密度（8通道模块）	32.9 cm3/ch（2.01 in.3/ch）
通道重量密度（32通道模块）	9.7 g/ch（0.34 oz/ch）
通道体积密度（32通道模块）	8.2 cm3/ch（0.50 in.3/ch）

 

超高标准工业认证与评级

CompactRIO是一种可重新配置的嵌入式系统，它组合了可靠、独立的嵌入式功能与适合恶劣工业环境下操作的超高标准工业认证与评级。模块化CompactRIO系统适合-40~70℃（-40~158 ℉）的操作温度范围、能抵抗50 g冲击并可以支持危险环境或存在爆炸危险的环境（Class I,Division 2）。大部分I/O模块能够抵抗高达2300V_rms瞬态隔离电压和250 V_rms持续隔离电压。每个部件都通过了各种国际安全、电磁兼容性（EMC）和环境认证与评级。如欲查询每个设备的工业认证与其他技术文档，敬请查阅操作指南手册。请访问http://sine.ni.com/manuals/main/p/sn/n23:1.4796以获得更多信息。

 

Ø  -40~70℃（-40~158 ℉）的操作温度范围——（模块化系统）

Ø  -20~50℃（-4~122 ℉）的操作温度范围——（集成系统）

Ø  高达2300 V_rms瞬态隔离电压

Ø  50 g冲击评级

Ø  国际安全、EMC和环境认证

Ø  面向危险环境的Class I,Division 2评级

Ø  11~30VDC双电源输入、低功耗（典型功耗为7~10W）——模块化系统

Ø  19~30VDC单输入输入——集成系统

CompactRIO R系列扩展系统

在此配置下，CompactRIO扩展机箱可以被连接到PCI或PXI接口的R系列FPGA设备的数字端口。R系列设备可以安装在任何运行Windows或LabVIEW实时操作系统之一的台式机或PXI计算机系统中。RIO FPGA位于R系列设备上，同时CompactRIO将R系列设备上的单个数字端口转换为一个高性能的扩展I/O与信号调理系统。Windows主机CPU或PXI RT控制器为模拟控制、分析或硬件在环（HIL）仿真提供高性能的处理能力。R系列RIO设备与CompactRIO机箱提供高速信号调理后的输入、输出、通信和控制能力，以及前所未有的灵活性与优化性能。

 

 

R系列扩展机箱

cRIO-9151 4槽R系列扩展机箱直接连接到直接连到PXI-7831R、PXI-7811R或者PCI-7831R等PXI或PCI接口的R系列设备上。在这种配置情况下，FGPA位于R系列设备上，同时CompactRIO I/O模块提供工业I/O、隔离和信号调理功能。利用PXI-7831R或PCI-7831R，每一块R系列设备都可以连接到2个R系列扩展机箱，即最多8个I/O模块上。利用PXI-7811R，每一块R系列设备都可以连接到4个R系列扩展机箱，即最多16个I/O模块上。

CompactRIO R系列扩展系统的操作系统选项

CompactRIO R系列扩展系统可以与运行Windows或者LabVIEW实时操作系统的台式机或者PXI计算机系统配合使用。NI公司的LabVIEW Real-Time Module（7.1及以上版本）软件支持将标准的台式机作为LabVIEW实时目标。需要更多实时配置平台选型的信息，请访问网页ni.com/realtime。

CompactRIO远程高速接口系统

在这种配置下，NI公司的cRIO-9052型高速远程控制器代替了cRIO-900x型实时控制器，提供了从任意的NI cRIO-910x可重新配置机箱到便携式电脑、PXI系统或者PC机的高速接口。利用NI cRIO-9052，工程师们可以从CompactRIO机箱内的FPGA获得高达50MB/s的接口速度。对于需要利用CompactRIO中FPGA的灵活性并且要求与便携式电脑或PC机高速接口的应用而言，cRIO-9052是一个远程的、可重新配置的理想解决方案。用户可以选择使用CompactRIO高速远程系统连接到运行LabVIEW Windows应用程序的便携式电脑、PC机或者PXI系统上，也可以连接到运行LabVIEW Real-Time应用程序的PC机或者PXI系统上。

LabVIEW Real-Time（ETS）

用于ETS的LabVIEW Real-Time提供种类最多的PXI机箱、控制器和内插式模块，用于数据采集、机器视觉、运动控制、模块化仪器以及工业网络（CAN、GPIB、串行接口等）。

 

实时控制应用设计

可重新配置的控制和采集系统通常包含四个主要部分：

• 用于输入、输出、通信和控制的RIO FPGA核心应用程序

• 用于浮点控制、信号处理、分析和点对点决策的严格定时循环

• 用于嵌入式数据记录、远程面板Web界面和以太网/串口通信的普通优先级循环

• 用于远程图形化用户界面、历史数据记录及后续处理的网络化主机电脑

 

用户可以根据应用需求来决定实现一个或所有的应用部分。

LabVIEW FPGA Module软件

LabVIEW和LabVIEW FPGA Module软件实现了对NI RIO硬件上的FPGA芯片进行图形化开发。利用LabVIEW FPGA Module软件，用户可以在运行Windows系统的主机电脑上开发FPGA应用程序，然后LabVIEW编译并在硬件中实现代码。使用LabVIEW FPGA Module，用户可以在不了解硬件设计或VHDL的情况下定义个性化的I/O和控制硬件电路。对FPGA进行图形化编程使得LabVIEW用户合成自定义的测量电路，而且其工作性能和优化特性可与专门定制设计的硬件电路媲美。

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重要的嵌入式系统开发者工具

LabVIEW FPGA Module、LabVIEW Real-Time Module和用于Windows开发环境的LabVIEW为加速开发高级、可靠且性能高度优化的可重新配置嵌入式系统提供了大量的工具和技术。 

 

嵌入式项目管理者

• FPGA硬件目标配置和自动模块查找

• CompactRIO模块和I/O通道别名管理

• FPGA应用程序flash存储器下载和自动加载配置 

 

LabVIEW FPGA开发环境

• 用于模拟输入／输出、数字输入／输出和I/O属性节点／方法节点的FPGA设备I/O

• 中断(IRQ)生成和同步功能

• 40MHz单个定时循环，以25ns的时间间隔执行代码

• 利用while循环、顺序结构、条件结构、for循环和其他执行控制结构的并行处理

• FPGA的FIFO数据缓存和存储器读／写

• 使用40MHz FPGA时基的循环定时器／计数器(25ns定时脉冲、微秒或毫秒级分辨率)

• 布尔逻辑、比较、数值计算、饱和算数函数和逐位数据操作函数

• HDL接口节点用于集成非LabVIEW IP核

• 非线性系统和包括PID和五阶FIR滤波器的离散线性控制函数

• 一维查找表、线性插值、过零检测和直接数字合成正弦波发生器

 

LabVIEW实时开发环境

• 目标配置选项，包含应用程序启动运行设置和开发、Web、远程面板和文件服务器访问

• 开放的打开FPGA VI引用的函数用于有规划的比特流下载、通信接口引用和程序启动

• 利用FPGA产生中断（IRQ）的确定性实时while循环线程同步

• FPGA前面板控件/显示器读/写传输的数据

• 用于整数到浮点数工程单元转换的数据缩放/映射函数

• 实时FIFO数据缓冲

• 定时时间循环结构用于多速率确定性控制

• 浮点PID、定点特性描述、增益调度和速率限制器函数

• 模糊逻辑控制、连续和离散线性系统和非线性系统及二维查找表函数

• 点对点信号生成、时域分析、频域变换和谱分析、滤波器、统计、曲线拟合/插值、线性代数、矩阵/向量操作

• SMTP E-mail、TCP/IP、UDP、IrDA、DataSocket和VISA RS232串行编程性服务器/客户端通信（包含802.11无线以太网）

• 二进制和文本文件I/O用于嵌入式数据记录和恢复

 

应用模块和工具箱

• LabVIEW PDA模块

• LabVIEW企业版连接用工具包

• LabVIEW远程面板许可证（5个用户）

• LabVIEW执行跟踪工具包

• LabVIEW阶次分析工具包

• LabVIEW声音和振动工具包

• LabVIEW信号处理工具包

• LabVIEW仿真模块

• LabVIEW控制设计工具包

• LabVIEW系统辨识工具包

• LabVIEW仿真接口工具包

• LabVIEW状态图工具包

 

LabVIEW网络化主机应用开发

• web浏览器远程面板图形化用户界面插件用于远程控制／监视（Windows、Linux、Mac OS X、Solari系统）

• 快速谱信号分析、失真／音调、幅度／电平、时序／变换、卷积／相关、掩模／限定、直方图函数

• 本地或远程数据库连接、文本/HTML／DIAdem报告生成

• 手持式移动设备／便携式PDA用户界面／远程控制（LabVIEW PDA模块）

具体应用和客户成功案例

凭借其低成本、可靠性和在大容量嵌入式测量和控制应用中的适用性，CompactRIO系统可满足大量的工业和应用需求。案例包括：重型工业设备控制、车内数据采集、设备状态监测和快速控制原型化（RCP）等：

• 批量控制

• 离散控制

• 运动控制

• 车内数据采集

• 机械状态监测

• 快速控制原型化（RCP）

• 工业控制和采集

• 分布式数据采集和控制

• 移动/便携式噪声、振动和声振粗糙度（NVH）分析

   

CompactRIO是为使用LabVIEW图形化开发工具来构建可重配置硬件使之用于范围广泛的工业和应用的高级开发者而设计的。MTS、 Roush、 Göpel、 Process Automation及Virginia Tech等公司的客户们已经成功地开发出用于重型机械控制、车内数据采集、声学和振动分析及电动马达驱动定性等CompactRIO嵌入式系统。

 

客户成功案例

 飞行器数据采集

 “我们发现对于在极限环境状态下进行高空测试这样的应用而言，CompactRIO嵌入式系统非常优秀。虽然多数研究型飞行器的高度都在70,000英尺以下，但是在此次测试中，我们将压力降低到钟罩工作范围的下限值，即使在这种极限情况下，CompactRIO系统仍表现得完美无缺。”

         David Thomson，研究科学家

         美国国家海洋气候中心(NOAA)

 

便携式噪声、振动和声振粗糙度测试

 “这是MTS与NI公司的另一次早期合作，来为用户提供噪声和振动测试标准。CompactRIO为我们产品提供了噪声和振动测试方面的补充，允许用户进一步标准化用户界面来适应多样的独特的测试场景。这为我们的长期目标，即为噪声和颤动测试提供更高级别的可承受性、灵活性和生产率，提供了支持。”

Doug Marinaro，副总裁

MTS 软件与咨询公司

 

工业过程和运动控制

 “在这项应用中，CompactRIO是至关重要的。我们在LabVIEW Real-Time下运行的嵌入式MFA控制器配合在LabVIEW FPGA下运行的NI-SoftMotionto提供了即时可用的、高速度高精度自适应控制解决方案，只有专门定制的硬件才能与之匹敌。”

Dr. George Cheng，首席执行官

CyboSoft公司

 

车内数据采集（机箱/机身动态数据）

 “利用大量的LabVIEW技术和NI公司的新型CompactRIO平台，我们创建了智能化的车内动态数据采集应用，所花的时间只是从头开始创建专门定制硬件的1/4。我们选择了CompactRIO系统，因为市场上其他的解决方案不能在足够强健以经受住试验路面恶劣地形考验的同时，提供这种级别的自定义。因为我们可以方便地修改LabVIEW下的应用程序，所以只需要几天就能够重新配置我们的系统，而不是数周。”

Joel Gorsegner，开发工程师

Roush 工业公司

 

自动化测试系统

 “使用RIO技术，我们节省了50%的开发时间，将系统成本降低了$40,000-$150,000。最重要的是，对我们的用户而言，90-95%的平台可以在未来的应用中被重用。”

Daren Williamson，技术销售经理

AmFax有限公司

 

交通运输研究

 “在现今这个高科技研发如迅猛发展的时代，RIO技术给我们提供了很多好处。与完全定制的解决方案相比，RIO不仅显著地节省了开支和时间，而且它的可重新配置特性对于我们的行业而言是更大的优势，它允许我们在重新定制测试计划和项目目标时，可以迅速作出相应的修改。”

Corey Jaskolski，总裁

Hydro 技术公司

 

重型机械控制

 “对CompactRIO系统的简短预测试证明了该平台可以满足我们项目的所有需求。同时考虑到NI公司的产品以坚实的技术性能和高性价比闻名，CompactRIO系统成为这项应用中最具性价比的平台。CompactRIO系统提供了足够的处理能力，允许多个即插即用设备可以在一个ComactRIO机箱中使用，使得CompactRIO系统的性价比提高到了原有系统的两倍。”

Greg Sussman，自动化系统顾问

Process Automation公司

 

车内数据采集（电子测试）

 “NI公司CompactRIO系统的优势在于它的体积小和灵活性。我们的开发部门在CARLOS系统中便利用了它的灵活性。利用CompactRIO，我们创建了高度个性化的算法并将其整合到CARLOS中，实现了便携式的、用户自定义的板上汽车分析和诊断系统。”

Rainer Lindner，硬件工程师

GÖPEL electronic GmbH公司

 

汽车的快速控制原型化（ＲＣＰ）

 “使用我们现有的动力机车控制和LabVIEW技术，我们利用CompactRIO制造出了全权限引擎控制系统的原型来控制高性能的摩托车引擎，而且只用了三个人月。在以前的项目中，使用定制设计的硬件，通常需要我们花费两年的工时（以及超过50万美元的资金）来开发类似的ECU系统。利用CompactRIO，我们运行微妙级的定时循环，并且采用基于FPGA的毫秒级燃料和火花定时。另外，我们可以方便地添加传感器和驱动器，或者以最快的速度修改我们的系统。”

Carroll G. Dase，总裁

Drivven公司

 

电动马达驱动研究

 “使用LabVIEW软件和CompactRIO模块，我们成功构建出解决方案，用于测量开关磁阻（SR）设备完整的电磁特性。CompactRIO提供了用于精确的实验数据测量的方便易用的工具，并允许我们的研究团队消除了由于热效应产生的涡流损失和阻抗变化所带来的误差。”

Keunsoo Ha，研究员

Virginia Tech公司运动控制系统研究组