LabVIEW 8.6实时模块中的新功能 - CompactRIO扫描模式

LabVIEW 8.6实时模块引入了功能强大的新功能，在CompactRIO硬件编程中能够缩短开发时间，降低开发复杂度，同时提供实现监测和维护CompactRIO应用的工具。CompactRIO是一款高性能可编程自动化控制器(PAC)，不同的核心构架使它区别于现场可编程门阵列(FPGA)。FPGA的最高层是可重复编程的硅片，FPGA为自定义硬件提供高性能及可靠性的同时，保持了软件定义系统的灵活性。传统上，对FPGA的使用仅限于能够熟练使用VHDL及其它硬件描述语言的硬件设计工程师；然而LabVIEW让您无需这类专业知识就能从FPGA中受益。LabVIEW是一款功能强大且直观的图形化编程语言，它内置上百种控制、分析、通信、及数据记录功能。CompactRIO完全可通过LabVIEW来编程，包括FPGA、实时处理器、及人机界面(HMI)等。

通过LabVIEW 8.6实时模块中的新功能 - CompactRIO扫描模式，您可以在两个方案中选择其一：在无需对FPGA编程的情况下直接在LabVIEW Real-Time及主机应用程序中访问I/O模块；或者在LabVIEW FPGA编程中访问I/O模块从而实现最大的灵活性及性能。您还能通过全新的测试面板及I/O强置功能来快速启动、运行，实现高级调试及系统性能监测。

1. 缩短开发时间，降低开发难度

图1. CompactRIO扫描模式提供与LabVIEW Real-Time和主机VI的I/O直接连接，无需FPGA编程或编译

传统上，访问CompactRIO I/O是通过对FPGA编程来实现的，而在LabVIEW Real-Time中，通过LabVIEW FPGA交互VI。CompactRIO扫描模式自动监测I/O模块，将其添加入LabVIEW项目。您可以将I/O变量拖拽到LabVIEW Real-Time及主机VI程序框图中，并立即读写经比例变换、校准后的I/O数据，无需FPGA编程或编译(见图2)。

图2.在LabVIEW实时系统下，通过在程序框图中拖拽I/O变量直接访问I/O

NI扫描引擎，是一款新的LabVIEW Real-Time组件，它能够以用户设定频率值来更新I/O变量(频率最高达1 kHz)。所有扫描的通道由硬件定时来实现模块间的同步。您可以在LabVIEW项目中配置扫描引擎，或通过内含的 VI库来编程。扫描引擎还能提供定时循环的定时源，从而可以同步低抖动控制应用中的I/0更新的代码。还可以为I/O变量创建别名，在物理I/O通道上抽象出新的I/O层。同时，可对I/O变量和命名进行线性比例变换。

CompactRIO扫描模式为现有的8通道数字NI C系列模块加入计数器、正交编码器、及脉冲宽度调制器(PWM)等功能，无需任何编程。您可以在LabVIEW项目中配置这些专业数字功能，然后在FPGA上精确、高速运行。现在，您可以在无需编译的情况下实现高达1 MHz的边沿计数器、脉宽及频率测量、正交编码、及PWM控制等功能。

计数器特有属性

在8通道上实现1 MHz计数

32位计数寄存器，可编程中断计数

可配置中断计数及中断计数行为

可配置计数边沿 (上升沿、下降沿、或同时)，源及门

周期、PWM、及频率测量并且可配置时基

正交编码器特有属性

1 MHz最大四倍计数率

32位计数寄存器

32位速率测量寄存器

可配置速率测量时基 (256 µs, 512 µs, ... 16384 µs, 或32768 µs)

X4 编码

双四通道，每个模块包含A+B+Index输入

可选编码极性

PWM特有属性

8输出通道

配置每通道占空比及周期

可配置频率(1 Hz, 50 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 或20 kHz)

2. 轻松安装、调试、及监测

NI分布式系统管理器是LabVIEW 8.6中的另一新工具，它能够监测网络系统，管理发布数据。在CompactRIO扫描模式下，全新的系统管理器为CompactRIO模块提供了测试前面板。系统联网并就绪后，即刻能得到I/O的实时值及历史趋势值，用于快速校验连接性及信号完整性。除了测试面板外，系统管理器还能显示CompactRIO控制器的内存占用及处理器负载。

图3.全新NI分布式系统管理器通过在CompactRIO中加入测试面板帮助您快速启动及运行

CompactRIO扫描模式下引入I/O强置工具，这款调试工具用于重置I/O变量值，且无需中止或修改实时应用程序。您可以通过强制设置输入值来测试系统响应，从而代替物理仿真；还可以强制设置输出来重置程序的输出值。您可以通过系统管理器或全新I/O强置VI来强制设置通道值。

3. LabVIEW FPGA及CompactRIO扫描模式

LabVIEW 8.6实时模块中可通过CompactRIO扫描模式或LabVIEW FPGA来访问每个模块。通过LabVIEW FPGA可以实现自定义触发、基于硬件的分析、信号处理、或高速模拟传输。要在LabVIEW FPGA 模式下使用I/O模块，只需简单地将其拖入LabVIEW 工程中的FPGA目标，从扫描模式下移除。然后在LabVIEW FPGA下对模块编程，使用I/O变量读写其余模块的I/O(见图4)。

图4.该VI通过CompactRIO扫描模式访问I/O，同时通过LabVIEW FPGA对输入的加速度数据进行快速傅立叶变换

如果在一个或多个模块中采用LabVIEW FPGA模式，FPGA上的CompactRIO扫描模式逻辑，又称RIO扫描接口，通过LabVIEW FPGA VI在单独FPGA应用中编译。如果模块都未配置为扫描模式，RIO扫描接口就不会被编译。

4. 深入理解CompactRIO扫描模式

CompactRIO扫描模式主要包括两个技术：NI扫描引擎和RIO扫描接口。RIO扫描接口是由美国国家仪器公司开发的一系列FPGA知识产权(IP)，下载在CompactRIO FPGA上，用于实现I/O模块检测、定时、同步、通信等功能。RIO扫描接口执行硬件定时的扫描循环，更新物理I/O值。两条DMA通道用于在FPGA和实时操作系统(RTOS)之间传输I/O数据。之前创建的专用于数字化的功能也是RIO扫描接口的一个组件。更多关于RIO扫描接口的信息，请参阅下文的“相关资源”部分。

NI扫描引擎是LabVIEW Real-Time中的新组件，它的执行优先级高于严格定时或界于严格定时和定时结构之间，用户可自由配置。RIO扫描接口每次完成I/O扫描后LabVIEW会将I/O变量添加到全局扫描内存映射，并更新当前所有I/O变量的值。然而，您可以对每一个I/O变量节点进行配置，采用扫描访问方式或直接访问方式。默认情况下，LabVIEW将I/O变量节点配置为扫描I/O，通过扫描引擎内存映射来实现非阻塞I/O读写(见图5)。直接I/O访问绕过扫描引擎内存映射，直接与I/O设备驱动通信，从而实现阻塞I/O读写(见图5)。NI扫描引擎同时向网络发布I/O变量，使其可以被主机应用、测试面板及I/O强置工具读写。扫描引擎，而非LabVIEW共享变量引擎，处理I/O变量的网络发布，可通过I/O变量属性页面关闭该功能。

当LabVIEW FPGA使用CompactRIO扫描模式时(有些模块使用CompactRIO扫描模式；而另一些模块采用LabVIEW FPGA模式)，RIO扫描接口及FPGA VI共同编译成一个比特流，并部署于FPGA上。在LabVIEW FPGA模式下通过LabVIEW Real-Time 中的FPGA接口VI来访问I/O模块，而在扫描模式下通过I/O变量来连接I/O模块。如果将扫描模式下的所有模块都移除，RIO扫描接口将不会被编译到比特流。RIO扫描接口在FPGA上占用的空间取决于处于扫描模式下的模块数量。

图5. 深入理解CompactRIO扫描模式

5. CompactRIO扫描模式的应用场合

在某些应用中，需要高达1 kHz的同步更新率来更新I/O，CompactRIO扫描模式就是专为了这些应用所设计的。通过特定的数字化功能您可以在扫描模式下将现有的8通道数字I/O模块设计成高级的PWM、计数器、正交编码器模块等。通过系统管理器中的 I/O强置及测试面板功能，可在扫描模式下实现初始化设置、系统性能监测、及高级的故障排除等功能。对于更高性能要求的应用，例如接近1 MHz的模拟传输、高于1 kHz的高速PID控制回路、自定义硬件分析及信号处理、或不支持扫描模式的I/O模块等，可采用LabVIEW FPGA模块的扫描模式。您还可以通过LabVIEW FPGA模块从实时控制器上卸载处理。

由于RSI FPGA空间需求，扫描模式能够支持运行VxWorks RTOS的至少2M门的FPGA控制器。支持的控制器包括：NI 9012、NI 9014、NI 9073、及NI 9074。支持的底板包括： NI 9103、NI 9104、NI 9073、及NI 9074。

在使用CompactRIO扫描模式时可能要牺牲一些性能，例如：特定数字化功能支持高达1 MHz的计数器，相对的LabVIEW FPGA的支持可达到20 MHz。扫描引擎用到的系统资源，包括：FPGA空间、2个DMA通道、存储器、及取决于扫描频率的CPU运算时间。RSI消耗的FPGA空间取决于运行于扫描模式下模块数量。

6. 结论

LabVIEW 8.6实时模块添加了一系列功能强大的特性，能够缩短CompactRIO开发时间，降低开发难度。通过CompactRIO扫描模式，无需FPGA编程即可在LabVIEW Real-Time及主机应用中访问I/O，同时还能选择直接对FPGA编程来满足最高级的应用需求。NI分布式系统管理器及I/O强置工具同时为CompactRIO提供了测试面板和高级调试功能，从而能够轻松实现对CompactRIO应用的监测，维护。