NI Compact FieldPoint 控制器的即時效能比較

NI Compact FieldPoint 為可程式化自動控制器 (PAC)，針對工業級控制應用所設計，可執行進階嵌入式控制、資料記錄，與網路連結作業。其堅固耐用的平台並適用於工業級環境，可耐高衝擊、高振動，與 -40 ~ 70°C 的溫度落差。最重要的是，Compact FieldPoint 更為簡單易用的系統，可於數分鐘內建立控制應用。Compact FieldPoint 控制器執行 NI LabVIEW Real-Time 軟體，可於精巧的模組化平台上提供 LabVIEW 的功能與彈性。

介紹

NI 最近剛發表了 Compact FieldPoint 控制器的新系列產品，可提升系統效能與控制應用的速度。cFP-2220 為 LabVIEW Real-Time 控制器，具有較快的處理速度、更多的記憶體，並提升 10 倍的乙太網路輸出率。此份技術文件將說明新 cFP-2220 控制器的改良重點；比較舊型 cFP-21xx 與 cFP-20xx 控制器的處理功能；比較 I/O 與 CPU 的提升效能；並解釋其更適用於控制應用的技術優勢。此外，在文章的最後一段中，將另外針對 8 通道、類比輸入、通道對通道隔離，與 10 kHz 取樣率的 cFP-AI-118 模組進行比較。

cFP-2220 所提升的重點包含：

• 更強的處理功能 – cFP-22xx 控制器具有 400 MHz Freescale MPC5200 即時處理器，適用於工業級標準的智慧型分散式應用。若需要極高的精確度，則可於 Wind River VxWorks 即時作業系統 (RTOS) 中執行 LabVIEW Real-Time Module。新處理器與作業系統可達到 cFP-2020 控制器的 3 ~ 5.5 倍效能。
• 更多的記憶體 – cFP-2220 控制器包含 256 MB SDRAM 與 256 MB 非揮發性內建記憶體；為舊型 Compact FieldPoint 控制器記憶體的 2 倍。針對需要額外儲存與嵌入式資料記錄的應用，控制器並提供可移除的 CompactFlash 插槽，還有 USB 大量儲存裝置的新 USB 連接埠。
• 更高的乙太網路輸出率 – cFP-2220 的新雙乙太網路埠，可同時連接企業與專屬 I/O 網路。整合了 3 組 RS-232 埠與 1 組 RS-485 埠之後，即可透過 TCP/IP、UDP、Modbus、序列協定、內建的 Web (HTTP)，與檔案 (FTP) 伺服器進行通訊。

 

圖 1. cFP 控制器的乙太網路輸出率

 

cFP-2220 的比較基準點

NI 進行多項對比測試，以比較 cFP-2220、cFP-2120，與 cFP-2020 控制器的速度。這些對比測試分析了 I/O 速度、PID 迴路率，與基本的處理功能。

設定
測試設定包含 3 組不同的 cFP-2x20 控制器，視情況搭配 cFP-AIO-610、cFP-AI-118，與 cFP-DIO-550 模組。NI 工程師在 LabVIEW 中撰寫控制 VI，並於 Compact FieldPoint 控制器中執行此 VI。

此測試作業將測試模擬的 PID 迴路，並透過模組進行資料的寫入與讀取，進一步完成 PID 計算作業。Figure 2 則為此控制 VI 範例。由於 FP Write/Read VI 效能優於獨立的 FP Write 與 FP Read VI，因此建置於該測試作業中。

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圖 2. 簡易的 PID 控制系統

控制 VIs 將以 2 種模式執行 – 一般優先性與極高優先性。在一般優先性下，控制 VI 必須等待較高優先性的作業完成。只要將 VI 設定為極高優先性，則控制 VI 將立刻優先於其他程序及/或 VI 而執行之。

 

測試 I – 單一 PID 迴路/數位迴路的執行速率

為了比較 3 組控制器的處理速度，此處使用 cFP-AIO-610 模組進行單一 PID 迴路以比較執行速度。由於這些迴路中並無資料驗證，因此僅能代表軟體的負載程度。如圖 3 所示，cFP-2220 控制器的處理速度約為 cFP-2020 控制器的 4 ~ 5.5 倍；而 cFP-2120 的速度又為 cFP-2020 的 2 ~ 2.5 倍。

圖 3. 單一類比 PID 迴路的執行速率

 

接著再以 cFP-DIO-550 進行相似測試，以計算數位控制迴路的執行速率。cFP-DIO-550 為 16 個通道的數位 I/O 模組，其更新速率高於 cFP-AIO-610 模組。因此如圖 4 所示，當與類比模組比較時，數位 I/O 模組可達較高的迴路速率。cFP-2220 控制器的速度可達 cFP-2020 控制器的 5 ~ 5.5 倍。

圖 4. 單一數位 PID 迴路的執行速率

 

測試 II - 多通道 PID 速率與可調整性

此測試作業使用 cFP-AIO-610 模組，用於比較處理器進行多重 PID 迴路的速度。於單一控制器中模擬執行數個並行的 PID 迴路。為了達到最高速度，則於單一「While」迴路中使用多通道的 FieldPoint 裝置，以進行寫入/讀取與平行 PID。由於這些迴路中並無資料驗證，因此僅能代表軟體的負載程度。圖 5 顯示多重 PID 迴路的執行速率比較結果。在此 4 種情況下，cFP-2220 則展現了最快的執行速率，且效能高於 cFP-2020 達 3 ~ 5 倍。

圖 5. 類比多通道 PID 迴路速率

 

測試 III - 數學運算式與資料分析的處理速度

為了比較 3 組控制器的運算速度，特別讓各組控制器分別進行複雜的數學運算式，而測試作業則計算處理時間。此處則使用快速傅利葉轉換 (FFT) 進行模擬的正弦波。FFT 並非 Compact FieldPoint 的常用分析方式，但其縝密的計算方式，可協助呈現新處理器的效能。如圖 6 所示，cFP-2220 於一般優先性可達 12 倍的速度；最高優先性可達 18 倍的速度。

圖 6. FFT 迴路的執行速率

 

cFP-AI-118 比較結果

在包含通道對通道隔離功能的 cFP-AI-118 類比電壓輸入模組問世之後，工程師可透過 Compact FieldPoint 系統執行較佳的擷取作業。cFP-AI-118 模組具有較新的架構，可支援雙記憶體存取作業。透過此新架構，控制器可立刻存取模組記憶體，並檢索已擷取的資料；大幅降低了抖動 (Jitter) 現象。

此測試於模組中使用正弦波，並以 100 Hz 讀取訊號。白色曲線 (Smooth) 代表輸入的正弦波，而紅色曲線 (Jagged) 則代表所擷取的資料。當以 cFP-2120 控制器於 cFP-AI-118 (圖 7a) 與 cFP-AIO-610 (圖 7b) 模組進行比較時，則可看出極大的差異。與搭配 cFP-AIO-610 相較，cFP-2120 搭配 cFP-AI-118 可擷取較完整的正弦波。由於 cFP-AI-118 模組具有較高的取樣率，且控制器可立刻存取模組記憶體，才能夠達到此效果。

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圖 7a. cFP-2120 搭配 cFP-AI-118

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圖 7b. cFP-2120 整合 cFP-AIO-610

相關連結：
NI cFP-AI-118 產品頁面

 

結論

這些比較測試表現了 Compact FieldPoint 控制器所提升的處理速度與功能。cFP-2220 控制器的軟體執行速度，在單一 PID 迴路中最高可達 cFP-2020 控制器的 5.5 倍。cFP-2220 控制器亦可執行如 FFT 的運算，並可達 cFP-2020 的 18 倍速度。透過最新的 Compact FieldPoint 控制器與類比輸入模組，工程師可較妥善控制其應用、在固定時間內處理較多資訊，並以較高速率擷取有效資料。若需更多 Compact FieldPoint 的相關測試，請參閱下列文章。

相關連結：
NI cFP-2220 產品頁面
LabVIEW Real-Time FieldPoint 系統的比較測試
NI Real-Time 硬體單點 (Single-Point) 效能的比較測試
NI 資料記錄硬體