Was ist RIO-Technologie? Veröffentlichungsdatum: Nov 07, 2012 Inhaltsverzeichnis 1. NI-RIO-Technologie 2. NI-RIO-Geräte 3. RIO-Technologie kennenlernen Übersicht Rekonfigurierbare I/O-Technologie (RIO) von National Instruments ermöglicht die Erstellung benutzerdefinierter Messhardware mithilfe rekonfigurierbarer FPGA-Chips (Field-Programmable Gate Array) und der grafischen Entwicklungsumgebung NI LabVIEW. Der RIO-Kern umfasst einen FPGA-Chip und ihn umgebende Schaltungen, die es LabVIEW ermöglichen, eine Hardwaresynthese durchzuführen. 1. NI-RIO-Technologie Abbildung 1: RIO-Systemarchitektur Die rekonfigurierbare I/O-Technologie (RIO) von NI setzt sich aus vier Komponenten zusammen: einem Prozessor, einem rekonfigurierbaren FPGA (Field-Programmable Gate Array), modularer I/O-Hardware und Software für grafisches Design. Mithilfe dieser Bestandteile lassen sich benutzerspezifische Hardwareschaltungen mit leistungsstarken I/O und bisher nicht erreichter Flexibilität bei der Steuerung des System-Timings erstellen. Prozessor Der Prozessor dient zur Ausführung des Programmcodes, Kommunikation mit anderen Verarbeitungseinheiten, wie z. B. dem FPGA, Verbindungsherstellung mit Peripheriegeräten, Protokollierung von Daten und Ausführung von Anwendungen. RIO-Systeme von NI sind in unterschiedlichen Formfaktoren erhältlich, von leistungsstarken Multicore-Systemen mit symmetrischem Multiprocessing (SMP), auf denen das Betriebssystem Microsoft Windows ausgeführt wird, bis hin zu kompakten echtzeitfähigen Embedded-Systemen wie NI Single-Board RIO und CompactRIO. FPGA Der rekonfigurierbare FPGA ist das Kernstück der RIO-Systemarchitektur. Er dient dazu, rechenintensive Aufgaben aus dem Prozessor auszulagern und eine deterministische Ausführung mit extrem hohem Durchsatz zu gewährleisten. Der FPGA ist direkt an die I/O-Module angeschlossen, wodurch ein leistungsstarker Zugriff auf die I/O-Schaltkreise eines jeden Moduls sowie unbegrenzte Timing-, Trigger- und Synchronisationsflexibilität möglich werden. Da jedes Modul direkt und nicht über einen Bus mit dem FPGA verbunden ist, kommt es im Gegensatz zu anderen industriellen Controllern bei der Systemantwort kaum zu einer Latenz. Aufgrund der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit wird die RIO-Hardware häufig zur Erstellung von Anwendungen eingesetzt, die gepufferte Hochgeschwindigkeits-I/O, schnelle Steuer- und Regelschleifen oder anwenderspezifische Signalfilterung erfordern. Bei Nutzung des FPGAs kann ein einzelnes CompactRIO-Chassis beispielsweise mehr als 20 analoge PID-Regelschleifen simultan mit einer Geschwindigkeit von 100 kHz ausführen. Darüber hinaus bietet der FPGA als ausführendes Zielsystem hohe Zuverlässigkeit sowie hohen Determinismus und ist daher ideal geeignet für hardwarebasierte Schutzmechanismen, benutzerdefiniertes Timing und Triggern. Des Weiteren sind weniger benutzerdefinierte Schaltungen erforderlich, als es bei spezifischen Sensoren üblicherweise der Fall ist. Modulare I/O I/O-Module der C-Serie von NI bieten neben Signalkonditionierung, Isolierung und notwendigen Wandlerschaltkreisen auch Anschlussmöglichkeiten für die direkte Anbindung an industrielle Sensoren und Aktoren. Da verschiedene Anbindungsoptionen verfügbar sind und die Anschlusstechnik in die Module integriert ist, werden Platzbedarf sowie Kosten für die Anschlusstechnik durch das RIO-System maßgeblich gesenkt. Abbildung 2: Anwender können aus über 100 I/O-Modulen für RIO-Systeme von NI wählen, um eine Anbindung an fast jeden Sensor oder Aktor umzusetzen. Anwender können aus über 100 I/O-Modulen der C-Serie wählen, um eine Anbindung an fast jeden Sensor oder Aktor zu gewährleisten. Mit dem CompactRIO Module Development Kit NI cRIO-9951 können Anwender benutzerdefinierte Module entwickeln, um anwendungsspezifischen Anforderungen gerecht zu werden. LabVIEW-Entwicklungsplattform National Instruments bietet eine vollständige Entwicklungslösung für die grafische Erstellung von Embedded-Anwendungen, so dass Systeme mit einer einzigen Plattform effizient entworfen, prototypisiert und anschließend in Serie eingesetzt werden können. Mit der Software LabVIEW für das grafische Systemdesign können Anwendungen für den Echtzeitprozessor entwickelt, benutzerspezifische Messschaltungen auf dem FPGA synthetisiert und anschließend mit modularen I/O für eine vollständige RIO-Lösung nahtlos eingesetzt werden. 1/4 www.ni.com Abbildung 3: LabVIEW bietet eine vollständige RIO-Entwicklungsumgebung. 2. NI-RIO-Geräte Abbildung 4: RIO-Architektur und -Hardware CompactRIO CompactRIO ist ein kompaktes, robustes RIO-System, das sich ideal für Embedded-Anwendungen und das Prototyping eignet. Es bietet die umfassendste Auswahl an Konfigurationsoptionen der gesamten RIO-Produktfamilie. Die Backplane kann aus Varianten mit vier und acht Steckplätzen gewählt werden, die eine Vielzahl an FPGA-Optionen bieten. Selbiges gilt für den Controller, der mit unterschiedlichen Echtzeitprozessoren ausgestattet sein kann. CompactRIO kann als kostengünstiges integriertes System erworben werden oder mit dem deterministischen Ethernet-Erweiterungschassis NI 9144 für den Aufbau weit verteilter Systeme zum Einsatz kommen. Abbildung 5: CompactRIO, integriertes CompactRIO-System und deterministisches Ethernet-Erweiterungschassis für CompactRIO 2/4 www.ni.com NI MXI-Express RIO Das MXI-Express-RIO-Chassis ist die aktuellste Erweiterung der NI-RIO-Plattform. Das FPGA-fähige Chassis mit vierzehn Steckplätzen für I/O-Module der C-Serie unterscheidet sich von den anderen Geräten der NI-RIO-Plattform, da es FPGA und I/O vom Prozessor entkoppelt und die Kommunikation mehrerer Chassis mit demselben Controller über eine x1-MXI-Express-Verbindung ermöglicht. Die kabelgebundene RIO-Lösung MXI-Express RIO ermöglicht folgendes: Größere Flexibilität bei der Systemkonfiguration Höhere Kanalanzahl Erweiterungs-I/O der C-Serie für bestehende PXI-Systeme Abbildung 6: MXI-Express-RIO-Chassis vereinen die Vorteile der RIO-Plattform mit der Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit von PXI- und Industrie-Controllern. NI Single-Board RIO Die Geräte der Reihe NI Single-Board RIO integrieren die RIO-Systemkomponenten (Echtzeitprozessor, FPGA und I/O) in einem Einplatinenrechner und wurden für Embedded-Steuer-, -Regel- und -Erfassungsanwendungen entwickelt, die hohe Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit erfordern. Abbildung 7: NI Single-Board RIO NI FlexRIO Die NI-FlexRIO-Hardware bietet flexible, benutzerdefinierbare I/O zur Erstellung leistungsstarker, rekonfigurierbarer Messgeräte, die mit dem LabVIEW FPGA Module programmiert werden. NI FlexRIO stellt ein offenes, benutzerdefinierbares Front-End für den Signalanschluss zur Verfügung und eignet sich somit für Prüf- und Embedded-Systeme. Es ist möglich, spezifische A/D-Wandler, Digitalpuffer, Anschlüsse und sogar eine bestimmte Kanalanzahl zu entwerfen, die mit einem LabVIEW-FPGA-Zielgerät kompatibel sind. Abbildung 8: NI-FlexRIO-Systeme bestehen aus einem Adapter- und einem PXI-FPGA-Modul, die für LabVIEW-FPGA-Anwendungen benutzerdefiniert angepasst werden können. 3. RIO-Technologie kennenlernen Die Vorteile der NI-RIO-Technologie zeigen sich vor allem durch den erfolgreichen Einsatz bei Kunden. Die folgenden Beispiele zeigen die Vorteile der RIO-Technologie in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen auf und liefern Anregungen, wie die Technologie effiziente Unterstützung in Entwurf, Prototypenerstellung und Serieneinsatz geben kann. Industrieanwendungen Embedded-Anwendungen Anlagensteuerung Robotik Motorsteuerung Entwicklung medizinischer Geräte Prüfanwendungen Unterhaltungselektronik 3/4 Hardware-in-the-Loop www.ni.com Motorsteuerung Entwicklung medizinischer Geräte Hardware-in-the-Loop Maschinenüberwachung Erneuerbare Energien Rapid Control Prototyping 4/4 www.ni.com
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