将FPGA应用到国家仪器公司（NI）的CompactRIO(一款可重新配置的嵌入式测控系统)系统会帮助国家实验室的研究人

作者：Dave Wilson，学术营销总监，国家仪器公司（NI）

将可再生能源发电技术与现有的电网整合会出现许多严峻的挑战。NREL,国家可再生能源实验室的简称，正在应对处理这些挑战，他们在不同的实验室做了很多独立的实验，涉及到了很多方面，例如太阳能和风能发电系统，电网规划与运营，能源的存储，建筑技术，燃料电池和先进的汽车。NREL正在它的能源系统集成设备（ESIF）上尝试这些实验，这个设备是一个有182500平方英尺大小的测试设备，位于科罗拉多州的Golden市。NREL的研究人员需要想出一个简单的可重配置电源监控解决方案，能够提供实验的实时数据。对这个实验设备有两个特别的要求，一是能提供兆瓦级别的硬件在环（HIL）模拟，二是具有千万亿次的计算能力。复杂的能量实验的原型分析要求高速和高分辨率的数据支持。

这个设备具有两个交流和两个直流的环形总线，连接多个能量源穿过实验室，这样才能完成电网级别的实验测试。研究人员需要一个功率监视器，他们才能够进行配置实现多项的交流和直流电源的测量。他们同样需要一个可配置的功率计，在分析功率特性例如实际功率、有效功率和总能量的时候可以模拟多个断路器。这个功率监视器也要能够与各种各样的第三方人机接口和可编程逻辑控制器（PLC）相兼容。因为目前没有现成的可供使用的解决方案，所以国家仪器公司（NI）的合作伙伴Optimation公司负责为ESIF(能源系统集成设备)开发具有以上这些功能的一个仪器。

Optimation公司为NI公司的70多个CompactRIO系统的坚固可配置的控制和监测单元提供了软件镜像，安装在ESIF设备的配电板上，并且覆盖了整个设备。Optimation公司的整体解决方案监测了ESIF设备的电源与实验室电源之间的所有电气部件。因此，所有在实验室内被测试的器件和设备都能通过NI公司的CompactRIO系统进行监测。电压互感器将实验电压大小调节到与NI公司设备相兼容的范围内，防止了设备过电压而造成损坏。NI公司的CompactRIO器件分布在ESIF设备的全部部位，过去GPS同步电压和电流，最高可达1000V和1600A。

Optimation公司的设计团队考虑在项目的初级阶段采用传统的PLC器件，然而很快就可以明显的看出这个系统对于器件性能的要求远远超过了PLC器件的能力，所以Optimation公司选择了NI公司的CompactRIO硬件系统和LabVIEW软件进行设计，CompactTIO硬件系统具有编程灵活和准确的定时功能，以及可进行不同设置的兼容的高性能的I/O模块。定时器模块由嵌入在CompactRIO控制器内部的赛灵思FPGA芯片实现。Optimation公司的设计团队为CompactRIO平台开发了七款定制的不同配置的FPGA方案，允许对功率监测系统进行快速的可重配置，以满足不同的实验环境要求。

基于NI的解决方案中的几个重要部分决定了这个工程项目的成功。第一，LabView软件的FPGA模块让我们实现这样一个系统成为可能，这个系统能够识别不安全的电气条件并且实时向控制系统报告这些情况。第二，输入通道的及时采样数据与NI 9467 GPS时间标记同步模块组合提供了所需的100nsec的定时同步信号。最后，CompactRIO实时控制器的处理效率允许这个系统可以获取和处理28个通道每秒51200个采样的数据，同时并行管理其它一些功能，包括警报监测、TCP/IP通信和Modbus网络。NI的解决方案允许Optimation公司的设计团队以较快的效率推进这个工程项目，能够在开发经费预算范围内提前交出一份完美的解决方案。

注：Optimation科技公司的Craig Eidson和Jennfer Palumbo用这个项目参加了2014年度NI 工程影响力大奖角逐竞赛，并且获得了能源类工程冠军。Optimation可以同样获得了英特尔物联网奖，表彰它开发了一个高速的电气分析系统，实现了利用CompactRIO平台和LabVIEW实时模块进行全设备的能量研究。

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