选择您的LabVIEWRT(实时)硬件平台

选择您的LabVIEW RT（实时）硬件平台简介National Instruments的实时与嵌入式开发一系列快速开发实时应用特性，包括： 确定性闭环控制 高町靠性测试 嵌入式和独立运行这篇文档对NI的各个LabVIEW Real-TimeH标硬件作了比较，包括：PCI、PXI、FieldPoint Compact FieldPointfll Compact Vision Systems （紧凑型视觉系统）。对丁每个目标换件，都从确定性、鲁棒性、 丁戟性以及M用程序开发力面进厅T评估。LabVIEW Real-Time 开发软件实时平台为应用程序提供了一个运行架构： 确定性地运行（在一段可预测的时间内） 可靠性提高 能嵌入在其它设备中Nl LabVIEW Real-Time模块对Nl LabVIEW的开发坏境进行了扩展，包括町旅性和时间确定性。使用 LabVIEW Real-Time,您可在整个开发过程中使用同一种工具定义程序运行,包括系统配置、算法原 醴设计和应用程序的发布。您町以/l-Windows或MacOSX系统上进行开发，然后将应用FM；卜我到 独工的1-1标便件平台上运行，这些硬件平台是建立在现成即用的计算机组件和实时操作系统里础上。 实时应用系统的开发炎似丁桌面系统，LabVIEW Real-Time模块为开发环境增加了一些Tfl,以帮助 您充分利用实时开发平台。实时操作系统平台专为高町靠性和确定性设计。实时操作系统和桌面操作系统心在以卜三点不同： OS的时序安排机制确保高优先级的任务先被执行 软件开发人员能苴接控制系统的所有任务 系统不需要來广1外设的输入如鼠标和键盘与此相反，桌而操作系统要求能处理并种应用程序，包括财务软件、视频淤戏和工程工具等。此外， 桌面OS需箜能对来自鼠标和键盘的用户输入做出及时的反应。因此 桌面操作系统并没何为时间确定 性作优化处理。所仃LabVIEW Real-Time口标平台都包金一个嵌入式实河操作系统，它是按抢先式和时间片循坏式 （round-robin）对执行任务进行排序，优化了确定件性能c使用抢先式排列，高优先级线程抢先F低 优先级线世执行。在低优先级纟戈出执彳亍时，如果高优先级线程需要处理器时间，则低优先级线程将立 刻停止运行以保证高优先级线程运行。当同等优先级线程被执行时，时间片循环排序为每个线程分配 了同等的处理器时间。在个线用用完可用的时间片，OS系统口动地停止处理该线程，开始执彳了队列 中的卜一个线程。这种混介了抢先式和时间片循坏的任务排序能确保LabVIEW Real-Time应用程序具 有时间确定性性能，并尽叮能减小时间抖动。在LabVIEW中，线程优先级的分配叮以基单个VI或循 环。使用VI的属性配置对话框，可选择6种不同的优先级。表1列出了每个开发系统软件集可使用的LabVIEW Real-Time标平台用于ETS g标平台的LabVIEW Real-Time 模块用于RTXg标平台 的LabVIEWReal-Time 模块 (Windows)WindowsMac OS XPXI/-Compact FieldPoint/-FieldPoint/-Compact Visio n System/-PCI插入式板卡/台式PC/LabVIEW Real-Time 平台概述所仃LabVIEW Real-Time平台都基丁通用的软破件架构。每种忖标硬件平台都是rh现成即用计篦机组 件组成，如微处理器、RAM.非挥发性内存和I/O总线接门。嵌入式软件包括实时操作系统（RTOS）, 驱动软件以及特定版木的LabVIEW run-time引擎。尽管所冇的LabVIEW实时忖标平台都使用同样的内核架构，但是根据您所选平台的不同所能达到的 性能也有所不同。PXI和PCI系统只有最好的确定性,而Compact FieldPoint和Compact Vision Systems （紧凑熨视觉系统）仃最高的町旅性。肖作为嵌入式和独立系统时这些平台的功能都是相同 的。编译器链接器调试器系统分析工具RTOS微处理器I/O板卡PCI实时系统现今很女的测试利测応应用是At J PCI系统的通过向Windows系统增加一个实时组件或者把台式PC 转化为专门的实时目标平台，您町以在这些系统中使用LabVIEW Real-Time实时PCI插入式板卡经过设计，Nl PCI-7041/6040E RT系列插入式板作为实时模块加入到现仃的测试和测战系统屮。 PCI-7041/6040E包括两个板卡一处理器板卡和多功能数据采集板卡一它们永久地结合在一起。您 町以把处理器板K插入基丁Windows的计算机PCI插槽屮。该板卡上包含与计算机主板相同的基本组 件个恨入式微处理器、RAM和卄挥发性存储介质。多功能数据采集卡町连接16个模拟输入、2个模拟输出、8个数字输入/输出线和2个计数器/定时器信号。使用LabVIEW Real-Time,您町以把程序卜墩到处理器板匕 板上处理器运行实时操作系统。在板卡 的嵌入式处理器上运行的程序独立于Windows处理器上的所冇操作。只要RT系列数据采集卡供电，憐 入式应用程序将保持运行状态。因此，如果耍在基J Windows的系统中増加一个町靠的控制组件，使 用实时PCI插入式板卡是非常适介的。MVI科技公司使用LabVIEW Real-TimefllPCI-7041 /6040E插入式板卡建立了雷诺发动机部件的门动 化耐久性测试平台。该测试卜台包括有一个装白待测电机、热电机的机械床、并装配仃一个模拟机轴、 一个真实的凸轮轴和位于热工作室中的测试部件（传送带.水泵.汕泵等）0 一旦安装好待测发动机, 就让它帀:复进行循坏作宜到齿轮皮带断裂。每个测试需要持续儿个月的时间。该耐久性测试半台基台式PC,由PCI-7041/6040E板卡控制发动机的转速。通过使用实时板卡，控 制循坏nlfevir操作系统运行，从而保证了闭环控制系统的时间确定性一每个循环周期必须在20ms 内完成。在同一PC上结合NI数据采集卡町同时采集测试数据，如釆集运行时发动机的扭矩值等。请访问： htte ment&node24100 US.参看NI用户解决方案LabVIEW Real-Time Manages an Endurance Test Bench for Renault Engine Components.获得更多冇关该应用的信息。台式PC如果需要比PCI-7041/6040E更多的I/O接口,您可以通过用于ETS目标平台或RTX目标平台的 LabVIEW Real-Time把标准的台式PC转变为Real-Time （实时）系统。用PETSH标平台的LabVIEW Real-Time t j Venturcom Phar Lap公司的ETS实时操作系统，可用于于小型minitower Dell Optiplex PC上。在这种情况下,包含单一实时内核（kernel）的专用RTOS将被F裁到台式电脑的微 处理器屮。为专用RTOS开发的应用程序町在另一台主机二开发，然后下我到实时目标平台上。同样 的架构可以用于所有的NI实时硬件目标平台。用 T RTXII 标平台的 LabVIEW Real-Time Ji fVenturcom RTX 实时操作系统，町在运行 Venturcom RTX RTOS的任何PC上使用。在这种情况F，经扩展的实时操作系统被卜我到台式PC的微处理卜， RTOS扩展包括实时内核（kernel）和丿7相同处理器的非实时内核（kernel）。使用这种双内核架构, 您町以在同一台机器I:运行主机用用程序和实时系统。利用该架构，町为实时任务分配更高的优先级；Windows任务只能在所有实时任务处于休眠状态卜被 执行。然而，曲丁实时和Windows应用程序共享相同的硕!件资源，如果Windows操作长时间占用换件,（例如占用数据总线用于传送来自CD ROM的大杲数据），实时任务在该操作完成Z前将无法使用此 蚁件。这种情况町能会导致实时和Windows任务的优先级错位因此，必须小心避免出现这种资源竟 争情况这需要冇效地限制运行在Windows环境卜程序的功能。Hardware Abstraction Layer (HAL) Microprocessor图2RTX软件架构U尤先级错位是指低优先级线程阻塞执行高优先级线程的惜况。通估在资源竞争时会出现这种情况。PXI实时系统实时PXI系统包括牢固的机箱，嵌入式控制器和插入式I/O模块。使用ETSD标平台的LabVIEW Real-Time-通过把专用RTOS和应用程序软件卜墩到专用微处理器1您町以将恨入式控制器转变为 实时控制器。这样，嵌入式软件就町以访问所仃的PXI系统中所仃的I/O,充分利用PXI高级定时和同步 功能以获得精确的I/O触发和女模块间同步。Lockheed Martin和G Systems公司通过使用LabVIEW Real-Time和PXI,丿F发illF-35联介战斗机的风 洞测试系统。新的测试系统的开发只用r四个月时间，代桥了基于VME设备进行采集、分析和储存动 态压力数据,这些数据来肖下一代喷气式战斗机发动机的设计。最终的系统使用Nl PXI-4472动态信号 采集模块同步采集128个通道的动态斥力测駅数据。选用LabVIEW Real-Time是因为它能保证测试系 统典有蚁佳的可靠性，从而避免了其它不必要的测试。使用LabVIEW Real-Time和PXI以后，Lockheed Martin的匸程师们现在配置的系统比他们早先的VME 设备快10倍，同时通道的数乗也增加了2倍。此外，测试周期由2秒钟缩短到50ms.请访问htt0 C?OpenDocum ent&node=124100 US,参看Nl用户解决方案 Lockheed Martin Reduces Costs and Time Testing F35 Joint Strike Fighter with LabVIEW,获得更多仃关该应用的信息。FieldPoint 和 Compact FieldPoint 实时系统FieldPoint和Compact FieldPoint系统包括一个运行实时換作系统的嵌入式处理器控制器和备种I/O模 块。这些系统八仃坚固的驶件结构，能在工业坏境卜工作。利用一种发布/获取通信协议一Nl Logos, 能和其它网络节点共亨最近的I/O值和内存标记，FieldPoint和Compact FieldPoint系统的软件架构卄 常适合于分布式应用。壳牌全球解决方案使用LabVIEW Real-TimefflFieldPoint分布式I/O开发了用F输油管道的铁棒抑制 (Slug Suppression)系统。实时控制系统通过抑制严重的节涌和由于无天然气喷涌而引起的挟棒不 隐定状态从而减少久产浪费。该控制系统包括放置在升降端和第一层分离器的小熨分离器。LabVIEW Real-Time和FieldPoint系统控制小型分离器气体流量和液体流量阀门。所有LabVIEW的控制算法町在PID控制工具包中实现。和PLC和DCS匸具相比，LabVIEW提供一 住恰当的T具并将快速实现系统所盂的复杂控制算法的抽象出花 此外,FieldPoint系统还包括和现 右系统通信的串II以及远程控制点和幺种匸作方式。便用内世的兀余特性，假定在系统册溃时需4个 小时的修复时间，系统的冇效性仍町高达99.95%请访问 http【/ ment&node=124100 US,参看 Nl 用户解决方案Shell Stabilizes Long Pipeline-Riser Gas/Liquid Flow,获得更多有关该应用的信息。紧凑型视觉实时系统Compact Vi引on System (紧凑取视觉系统)足小熨坚固的系统，为门动化检测这样的机器视觉应用进 行了优化。一个小型Compact Vision System包括1个运行实时操作系统的嵌入式处理器、3个IEEE 1394 DCAM摄像头接II、1个本地视频显示接II、以A网II、15个数字输 入和14个数字输出端I I。LabVIEW Real-Time硬件平台的比较不同的LabVIEW Real-Time fell件平台适合于不同的应用。PCI和PXI系统能提供最佳的性能,而 Compact FieldPointflICompact Vision System提供最为坚固的破件结构。在这一节，我们将比较各个 LabVIEW Real-Time件平台的关键部分：I/O、性能和物理属性。可用的I/O种类运行ETS RTOS的PXI和台式PC仃种类最多的I/O,使用NI和第三方PCIfHPXI/CompactPCI模块，它能 提供的信号接II有：模拟、数字、计数器/定时器、图像、运动控制、内存映射、串II、GPIB、CAN 和其它接口。由丁这些系统能提供的I/O种类最为丰富,所以编程要比FieldPoint和Compact FieldPoint 系统复杂。对于FieldPoint和Compact FieldPoint, I/O定时由I/O硬件定义:因此应用程序接丨I (application program interface , API)相比其它平台为少。通过LabVIEW软件编程，运行ETS或RTX的台式PC, PXI和Compact Vision System也能和LabVIEW FPGAH标平台、N冋配置I/O破件协同T作。使用这种特殊级别的自定义功能，工程师们町以定义皎 件操作來定制数字协议、板载处理和快速决策。经过设计，使丿I经以人网连接的多个卩点，所仃LabVIEWReal-Time系统都能在分布式的架构卜-顺利 地运行。而FI,运行ETS RTOS的台式PC和PXI系统能够使用Nl MXI來进行软件透明的I/O扩展（software-transparent I/O expandability）。通过 MXL 您可以菊花形链接（daisy-chain）两个或多 个PXI机箱，这样您就町以用一个PXI或台式PC控制器来控制所有的I/O。表2 LabVIEW Real-Time系统的输入/输出比较I/O特性PC （ETS）PC （RTX）PCI-7041PXIcFPFPCVS种类ooQooo标准驱动APIoQQQ自定义性QOQooQ扩展性ooQQoO好Q较好最好PXI系统表3列出了现仃LabVIEW Real-Time PXI系统能够使用的I/O系列模块。衷中每列代农丿I：发系统和JMj 相应I/O的RTOS0标平台的不同组合。表3 对用 fLabVIEW Real-Time PXI系统的Nl I/O模块发布系统RTOSPhar Lap ETSPhar Lap ETS开发系统OSWindowsMac OS X数据采集/ （传统DAQ和DAQmx）/ （传统DAQ）信号调理（SCXI和SCC）/ （传统DAQ和DAQmx）/ （传统DAQ）动态倍兮采集/数字化仪/-DMMs （万用表）/开关/-IMAQ/-运动/-可重配置I/O/VISA/串I I和GPIB/CAN/-1394硬件驱动和摄像头/-机箱扩展（MXI）/-第三方feH牛/ （VISA驱动）/ （VISA驱动）台式PC表4列出了可用FLabVIEW Real-Time台式PC系统的I/O系列模块。表屮每列代表开发系统和具仃相应 I/O的RTOS目标平台的不同组合。表4町用JLabVIEW Real-Time台式PC系统的Nl I/O模块发布系统RTOSPhar Lap ETSRTX开发系统OSWindowsWindows数据采集/ （传统DAQ和DAQmx）-信号调理（SCXI和SCC）/ （传统DAQ和DAQmx）-可设置I/O/VISA/串口和GPIB/CAN/-1394硬件驱动和摄像机/机箱扩展（MXI）/-第三方软件/ （VISA驱动）/ （VISA驱动）FieldPoint 和 Compact FieldPointLabVIEW Real-Time FieldPoint filCompact FieldPoint系统町以使用所仃的FieldPoint filCompact FieldPoint I/O模块。表5列出了可使用的I/O系列模块。表5 町用LabVIEW Real-Time FieldPoint和Compact FieldPoint系统的Nl I/O模块发布系统RTOSPhar Lap ETS开发系统OSWindows模拟输入/热电偶输入/RTD输入/模拟输出/数字输入/计数器输入/枳分编码器输入/数字输出/机械式继电器/脉宽调制输出/脉冲发生器/性能LabVIEW Real-Time系统的性能町根据确定性执行.I/O定时、触发、同步和处理器的速度这几个方而 来评价。确定性是所何实时系统最为某本的部分，它决定一个系统在多人程度I:能始终保持同定时间 内完成给定操作的能力。操作系统、软件架构、应用软件和I/O定时及同步能力的集成都会影响确定性。 处理器速度则决定最小的循环周期时间。表6 LabVIEW Real-Time系统牲能比较性能PC (ETS)PC (RTX)PCI-7041PXIcFPFPCVS确定性执行oo定时，触发和同步QooQ处理器速度QQooQO好。较好最好PXI和PCI实时平台NIPXI和PCI实时平台具冇最快的处理器，为高速数据传送优化的数据总线和多设备同步的时钟信乃。 所令这些设备的泄时都町以通过编程來实现。使用LabVIEW和驱动API,您能设定输入信号的采样频 率和输出信号的更新速率。例如，图3的LabVIEW代码使用NI-DAQmx和PXI或PCI E系列数据采集映 件来实现硬件定时的单点闭环控制。在循环开始前，设定板卡的模拟输入和模拟输出使用同一个时基，这样能确保I/O同步。在循环内， 软件获取最新的模拟输入信号，执行PID运算，并在下-个采样时钟上升沿到來前及时更新模拟输出 缓冲器。该示例也能通过模拟输入采样时钟上升沿來使同步各个软件循环。因而只要能在一个采样周期内完成 所仃的软件运算，那么受控系统的时间抖动只來口诚件时钟。所以，PXI和PCI实时平台在运行毫秒 级循环时，Jt时间抖动能降低到3到4纳秒。Hardware EventsAI/AO ClockSoftware EventsAl sample (iteration n AO update (Iteration n-1)Al sample (iteration n*1) AO update (itsrvtion m)Al sample (iteration n*2) AC update (iteration n*1)Corird AlgorthmControl AlgorithmSend AO Vabe to Buffer Send AO Value Io Buffer图4控制循环周期时间示意图使用PXI触发总线，您对以把硬件定时扩展到两个或幺个I/O模块，这样就町以同步炙模块Z间的操作。 PXI定义了8条高度灵活的触 八它们可用于多种应用.例如.触发可用于同步几种不同的PXI外部 模块间的操作。在比它的应用屮.一个模块对以控制经过将确定时的操作序列.这些操作可能在系统 屮的其它模块上运行。此外，在监控异步外#时,多个模块NJL 7-触发信号以确定性地响应此 件。根据爭件的复杂性和数気 一个特定的应用对触发数乗的要求也有所不同。使用PXI用形触发总线能进一步降低系统的时间抖动。星形触发总线是在赧形触发插槽（邻近系统插 槽的第-个外部插槽）和其它外部插tftZlHj的-条专门的鮭发线。PXI星形触发在强化总线式触发方 面何两个独特的优势。第一是保证了系统的每个模块都付独立的触发线。对于人空系统，这样能避免 多个模块功能共同-条触发线或者人为地限制町便用的触发次数。第二个优势是山丁出发來口同一个 傩发点,这样就保证了模块间傩发延时最小为了在各个模块间有非常精确的触发关系,PXI背板定 义了特殊布线的耍求以使星形触发线能提供相匹配的传输时间，即星形触发槽到每个模块的时间。FieldPoint 和 Compact FieldPoint 系统FieldPoint和Compact FieldPoint系统的设计小巧而紧凑，此外（i更件模块确定了每个I/O模块独特的固 定采样率。所以，和PXI和PCI相比这些系统的I/O编程非常少。图5是闭环模拟PID控制应用程序的例子。在循环内部，软件获取加新的模拟输入采样，执行PID计算 并把卜一个模拟输出值送到输出模块。软件循环的定时由软件时钟来控制。ANALCX3 INPUTSOFTWARE LOOP TI卜环匕F扈rPoiZ10八159-一1工两江120 艸 InrvANALOG OU IPUIE对TFieldPoint和Compact FieldPoint系统，由丁洪I/O定时是由唤件模块决定的因而这些系统町并 行执行三种异步循环：输入通道更新从输入模块发出到软件控制循环软件控制循坏运行在嵌入式控制器上输出通道更新一从软件控制循环发出到输出模块所以，这些系统最适介丁控制循环速率低T200 Hz的应用。物理特性除了确定性，实时操作系统还H仃校高的町靠性，这是因为它们是改进过的专用操作系统，仅便用很 少的资源并fl消除了标准操作系统的脆弱性。结介町慕的软件架构和可更改的硬件，LabVIEW Real-Time平台八备了适合工业环境的高町靠性。表7 LabVIEW Real-Time系统的物理特性比较物理特性PC (ETS)PC (RTX)PCI-7041PXIcFPFPCVS坚固性OooQQ便携性OooQQ0好o较好最好National Instruments提供多种坚固的实时硕件平台,把LabVIEW Real-Time的应用空间扩展到比较恶 劣的环境之中。在那里唤件要经受剧烈的温度、撞击、振动和间蚣停电的考验。经过设计，Compact FieldPoint. Compact Vision System和PXI-8145 RT嵌入式控制器没何可活动部件，避免了最常由 振动和撞击引起的匸作失常。Compact FieldPoint经过设计可在很宽的温度范别F工作,从-25到60 C,这样就消除了由于过热而导致的工作失常。它们还有兀余的电源输入接口，能无缝地和备用电池 相连。此外，经过认证，Compact FieldPoint系统符合下列工业标准。低斥指导，欧洲CEiIj场指导(73/23/EEC) 测试和测量,控制和实验室电子设备欧共体(EN)和国际(IEC)安全标准(EN 61010-1, IEC 61010-1) 过程控制设备(UL312, UL61010C-1) 测试和测最，控制和实验家应用安全标准(CAN/CSA C22.2 No. 1010.1) 危险区域(一类，2部，2区)小巧而坚固的设计使Compact FieldPoint和Compact Vision系统有最佳的便携性。Compact FieldPoint还具有带I/O模块螺钉扣的硬质背板。结论LabVIEW Real-Timenf用丁丿I：发各种应用，包括高可靠性的测试系统、确定性的闭环控制应用和独立 操作系统。通过选择不同的硬件半台，您总可以找到合适的駛件来满足您的应用在I/O、性能和尺寸方 而的要求。CT NATIONAL INSTRUMENTS021-65557838 800 820 3622 china.infoni.coni nixoni/china