彭小平++凌雙明

摘 要：簡(jiǎn)要介紹了PAC、PLC、PC、工控機(jī)和FPGA，并闡述了它們之間的異同及其各自的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，還介紹了CompactRIO的開(kāi)發(fā)過(guò)程，通過(guò)應(yīng)用CompactRIO掃描模式、系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)功能、NI分布式系統(tǒng)管理器、I/O強(qiáng)置工具來(lái)縮短CompactRIO的開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；CompactRIO；PAC；掃描模式

中圖分類號(hào)：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.005

1 PAC與PLC、PC和工控機(jī)的比較

PAC為可編程自動(dòng)化控制器，它是結(jié)合了可編程序控制器和微機(jī)功能的新一代工業(yè)控制器，既具備帶邏輯編程的數(shù)字I/O，又有良好的循環(huán)速率、控制算法、功能和網(wǎng)絡(luò)集成。PAC結(jié)合了PC的軟件功能、豐富的圖形化編程和用戶環(huán)境，是一種更加靈活、高效、低成本的硬件。相對(duì)工控計(jì)算機(jī)而言，PAC的穩(wěn)定性、可靠性和編程環(huán)境更好。

2 PAC與FPGA的比較

電子工程師們常用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）開(kāi)發(fā)、定制電子芯片。FPGA可以配置不同的邏輯塊、功能塊開(kāi)發(fā)出電子芯片的輸入輸出模塊。開(kāi)發(fā)商不需要生產(chǎn)專門的電子芯片，利用FPGA就可以開(kāi)發(fā)出客戶需要的芯片。FPGA就像一臺(tái)計(jì)算機(jī)裸機(jī)，它的功能是由電子設(shè)計(jì)人員通過(guò)硬件描述語(yǔ)言來(lái)編程設(shè)置的。鑒于此，就需要那些熟悉硬件描述語(yǔ)言，比如VHDL的設(shè)計(jì)人員來(lái)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。由于LabVIEW FPGA的出現(xiàn)，電子工程師們不需要掌握FPGA技術(shù)就可以掌握?qǐng)D形編程語(yǔ)言。利用LabVIEW FPGA編程器開(kāi)發(fā)FPGA芯片，能夠使其硬件具備定制的通信協(xié)議功能和高速循環(huán)等實(shí)時(shí)功能。

3 基于LabVIEW的PAC的特點(diǎn)

NI已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了能運(yùn)行LabVIEW程序的 PAC運(yùn)載平臺(tái)。它的編程方式易于被設(shè)計(jì)工程師掌握，表達(dá)很直觀，類似于流程圖、功能圖等，利用簡(jiǎn)潔的界面和控件就可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)編程語(yǔ)言的功能。利用LabVIEW RT、LabVIEW FPGA、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以將所需資料直接下載到FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）。CompactRIO是基于FPGA的可重復(fù)配置的控制和采集系統(tǒng)，其具有體積小、可靠性高、便攜的特點(diǎn)。將PAC與可重新配置I/O（RIO）、FPGA技術(shù)相結(jié)合，具有良好的性能，并且能夠靈活配置，適用于獨(dú)立、可靠的嵌入式或集散型測(cè)試控制系統(tǒng)中。其帶有可支持熱插拔功能的工業(yè)級(jí)別的I/O模塊。該模塊內(nèi)置傳感器、調(diào)節(jié)器，具有信號(hào)調(diào)理功能。CompactRIO 有3種類型的嵌入式系統(tǒng)，即CompactRIO集成控制器及配件、R系列擴(kuò)展系統(tǒng)及配件、獨(dú)立或分布式控制與采集系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的系統(tǒng)。

4 CompactRIO的應(yīng)用

4.1 LabVIEW Real-Time與主機(jī)VI的I/O直接連接

圖1 LabVIEW Real-Time與主機(jī)VI的I/O直接連接

過(guò)去，訪問(wèn)CompactRIO I/O是通過(guò)FPGA編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖1所示，在CompactRIO掃描模式下，LabVIEW Real-Time與主機(jī)VI的I/O可以直接連接，這樣讓CompactRIO應(yīng)用系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單、快捷，并且CompactRIO掃描模式可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)I/O模塊，并將其添加入LabVIEW項(xiàng)目中。如圖2所示，在LabVIEW實(shí)時(shí)系統(tǒng)下，在程序框圖中拖拽I/O變量可以直接訪問(wèn)I/O，并立即讀寫經(jīng)比例變換校準(zhǔn)后的I/O數(shù)據(jù)，而且無(wú)需對(duì)FPGA編程和編譯。Real-Time組件中的用戶可以根據(jù)需要選擇I/O掃描速度。要想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件不同模塊間的同步，可以定時(shí)控制系統(tǒng)的硬件。在LabVIEW項(xiàng)目程序中，可以為VI庫(kù)編程配置掃描引擎，通過(guò)其定時(shí)器的循環(huán)定時(shí)達(dá)到降低抖動(dòng)的目的。CompactRIO掃描模式有8個(gè)通道，C系列模塊有計(jì)數(shù)、正交編碼、脈寬度調(diào)制等功能，不需編程就可以調(diào)用，它能夠在FPGA上精確、高速運(yùn)行。

圖2 框圖I/O變量直接訪問(wèn)I/O

4.2 NI分布式系統(tǒng)管理器的調(diào)試監(jiān)測(cè)

在LabVIEW 8.6中，可以通過(guò)NI分布式系統(tǒng)管理器來(lái)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的管理和發(fā)布。在CompactRIO的掃描模式下，系統(tǒng)管理器提供了測(cè)試前面板，如圖3所示。NI系統(tǒng)管理器在CompactRIO中加入測(cè)試前面板，這樣就可以快速啟動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后也就能得到I/O的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，以保證信號(hào)的準(zhǔn)確度和完整性。CompactRIO掃描模式下的I/O強(qiáng)置工具可用于信號(hào)的調(diào)試和I/O值的設(shè)置，它不需要物理仿真，也不需要中斷實(shí)時(shí)程序，通過(guò)強(qiáng)制輸入、輸出便可測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)情況。

圖3 分布式系統(tǒng)管理器的快速啟動(dòng)和運(yùn)行

4.3 LabVIEW FPGA和CompactRIO掃描模式的應(yīng)用

在LabVIEW 8.6的實(shí)時(shí)模塊中，可以利用CompactRIO掃描模式或LabVIEW FPGA連接每個(gè)模塊。LabVIEW FPGA可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的定義、處理和連接。在LabVIEW FPGA 模式下使用I/O模塊，只需將拖入LabVIEW 工程中的FPGA模塊編程，使用I/O變量讀寫其余模塊的I/O，如圖4所示。VI通過(guò)CompactRIO掃描模式來(lái)訪問(wèn)輸入、輸出模塊，同時(shí)，LabVIEW FPGA對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換。CompactRIO掃描模式中主要包含NI掃描引擎和RIO掃描接口。將RIO掃描接口下載在CompactRIO FPGA上，用于實(shí)現(xiàn)I/O模塊的定時(shí)掃描和檢測(cè)等功能，以達(dá)到循環(huán)掃描硬件的目的。RIO掃描接口在完成對(duì)I/O的掃描后，會(huì)將I/O變量添加到相應(yīng)的內(nèi)存映射中，并刷新當(dāng)前所有I/O變量的值。在默認(rèn)情況下，LabVIEW將I/O變量節(jié)點(diǎn)配置為掃描I/O，通過(guò)掃描引擎內(nèi)存映射實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O的讀寫。NI掃描引擎同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布I/O變量，使其可以被主機(jī)應(yīng)用、測(cè)試面板和I/O強(qiáng)置工具讀寫。

圖4 VI通過(guò)CompactRIO掃描模式訪問(wèn)I/O

5 結(jié)論

LabVIEW主要使用的是一款支持圖形化編程語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具，其功能強(qiáng)大，具有許多高級(jí)編程語(yǔ)言才具備的編程功能。CompactRIO是基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的硬件平臺(tái)，LabVIEW 8.6版軟件實(shí)時(shí)模塊（CompactRIO掃描模式）在不需要對(duì)FPGA編程的情況下，能夠直接在LabVIEW Real-Time和主機(jī)應(yīng)用程序中訪問(wèn)I/O模塊，也可以在LabVIEW FPGA編程中訪問(wèn)I/O模塊，通過(guò)對(duì)CompactRIO掃描模式的調(diào)試，系統(tǒng)性能的監(jiān)測(cè)，NI分布式系統(tǒng)管理器、I/O強(qiáng)置工具的應(yīng)用來(lái)縮短CompactRIO開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：彭小平，男，講師，PLC高級(jí)技師，湖南省技術(shù)能手，工程碩士，主要從事PLC、計(jì)算機(jī)控制方面的研究。

〔編輯：白潔〕