5. EtherCAT RIO

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)）RIO是一個8槽從機(jī)箱，可實現(xiàn)基于以太網(wǎng)和確定性EtherCAT協(xié)議的通信。EtherCAT RIO可允許用戶以指定的確定性和同步性添加帶FPGA的I/O至高通道數(shù)或分布式I/O系統(tǒng)。借助EtherCAT RIO，用戶可以菊花鏈的方式將多個從設(shè)備連接至單個主設(shè)備，并將I/O與單個主時鐘同步。EtherCAT RIO非常適合用于需要基于多個同步機(jī)箱的硬確定性的分布式單點控制和運動應(yīng)用。用戶可以將EtherCAT RIO用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)監(jiān)測、同步測試裝置以及遠(yuǎn)程控制應(yīng)用。

6. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)

WSN平臺可允許用戶將無線I/O添加至任何現(xiàn)有監(jiān)測或控制系統(tǒng)。 通過NI WSN平臺可監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)和運行環(huán)境，電池供電的WSN測量節(jié)點還提供工業(yè)評級和局域分析控制功能。 每個無線網(wǎng)絡(luò)可從數(shù)十個節(jié)點擴(kuò)展到數(shù)百個節(jié)點，并可無縫集成到其他系統(tǒng)，包括CompactRIO、NI PXI以及與Windows PC。WSN是需要克服電源或距離限制的應(yīng)用的理想選擇。 由于無需布線連接I/O，因此用戶可監(jiān)測難以到達(dá)的地方、運動中的零件、移動設(shè)備以及戶外場所。

7. I/O 數(shù)

MXI-Express RIO、以太網(wǎng)RIO和EtherCAT RIO
MXI-Express RIO、以太網(wǎng)RIO和EtherCAT RIO系統(tǒng)可通過C系列I/O模塊連接至任何總線上的任何傳感器。FPGA可直接支持這些I/O， 用于執(zhí)行嵌入式信號處理、自定義定時、專用觸發(fā)和閉環(huán)控制。每個C系列I/O模塊含有內(nèi)置的信號調(diào)理和螺栓端子、BNC或D-Sub連接器。目前，有適合不同測量的100多款NI和第三方C系列模塊，包括：熱電偶、電壓、電阻溫度探測器(RTD)、電流、電阻、應(yīng)變、數(shù)字（TTL和其他）、加速度計和麥克風(fēng)等。單個模塊上的通道數(shù)從3路到32路不等，可滿足多種系統(tǒng)需求。

WSN
NI WSN測量節(jié)點可直接與傳感器連接，具有內(nèi)置信號調(diào)理功能和工業(yè)級性能。目前提供的WSN節(jié)點包含用于+/-10 V模擬輸入、熱電偶、RTD、電阻、RS232、RS485、數(shù)字I/O和全橋/四分之一橋/半橋應(yīng)變計的接口。

8. FPGA

MXI-Express RIO、以太網(wǎng)RIO和EtherCAT RIO
FPGA芯片能夠在各個行業(yè)中廣泛應(yīng)用的原因是FPGA集合了專用集成電路(ASIC)和基于處理器的系統(tǒng)的各種優(yōu)勢。FPGA提供硬件定時的速度和可靠性，但它們并沒有像自定義ASIC設(shè)計中設(shè)計高容量產(chǎn)生的前期高額費用。

可再編程硅芯片的靈活性與基于處理器的系統(tǒng)上運行的軟件相同，但它并不受限于可用處理內(nèi)核的數(shù)量。與處理器不同的是，F(xiàn)PGA屬于真正的并行結(jié)構(gòu)，因此不同的處理操作無需競爭相同的資源。每個獨立的處理任務(wù)都配有專用的芯片部分，在不受其它邏輯塊的影響下自主運作。因此，加入更多處理任務(wù)時，其它應(yīng)用的性能也不會受到影響。

表2. 查看用于NI RIO產(chǎn)品的FPGA，基于FPGA的擴(kuò)展機(jī)箱用粗體表示。

9. 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

MXI-Express RIO
MXI-Express RIO具有星型和菊花鏈配置。 可連接的機(jī)箱數(shù)量取決于系統(tǒng)，但一般來說，每條菊花鏈最多可包含六個機(jī)箱。星型配置的機(jī)箱總數(shù)取決于主控制器中可用的PCI總線部分，每個控制器可連接超過40個機(jī)箱。

EtherCAT RIO
EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的理論設(shè)備限制是65,535個從設(shè)備，快速以太網(wǎng)(100 Mbit/s)的限制與之相似。實際限制該系統(tǒng)的最大設(shè)備數(shù)量的因素包括所部署的I/O通道數(shù)量、控制器速度和運行的應(yīng)用。

注意，配置系統(tǒng)或計算總吞吐量需求時，菊花鏈上的所有機(jī)箱共享同一條連接回主控制器的“管道”或帶寬。另外，回路速率還受到設(shè)備數(shù)量和總線數(shù)據(jù)的影響，因為每個機(jī)箱、每條線纜都會增加系統(tǒng)的延遲。

WSN
每個WSN系統(tǒng)由節(jié)點和網(wǎng)關(guān)組成。 分布式測量節(jié)點與傳感器或儀器連接，以進(jìn)行數(shù)據(jù)收集并與中央網(wǎng)關(guān)無線通信，中央網(wǎng)關(guān)的作用相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)員，負(fù)責(zé)節(jié)點認(rèn)證、消息緩存和無線網(wǎng)絡(luò)與主系統(tǒng)之間的橋接。路由器是一種特殊的測量節(jié)點，用于擴(kuò)展WSN的距離和可靠性。WSN系統(tǒng)可以通過星型、樹型或網(wǎng)狀配置進(jìn)行連接，如圖2所示。

圖2. NI WSN系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

10. 距離

MXI-Express RIO、以太網(wǎng)RIO和EtherCAT RIO
MXI-Express RIO與總線上機(jī)箱的間距最長為7米。以太網(wǎng)RIO和EtherCAT從機(jī)箱在設(shè)備之間未連接集線器、交換機(jī)或中繼器之前最多可支持100米的距離。

注：為了擴(kuò)展EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的距離，用戶必須使用兼容EtherCAT的設(shè)備；一般的以太網(wǎng)交換機(jī)不兼容EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。

WSN
WSN系統(tǒng)可與網(wǎng)關(guān)的最長通信距離為900 m。實際距離和無線信號強(qiáng)度取決于幾個因素，包括RF環(huán)境、視距和所在地區(qū)認(rèn)證的WSN無線版本——美洲版具有17 dBm的發(fā)射功率，而歐洲/亞洲版的發(fā)射功率為10 dBm。這些版本對應(yīng)的單跳通信距離分別為300 m和200 m。路由器可用于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的整體距離，并可定位離網(wǎng)關(guān)最長三個跳躍距離的節(jié)點，使得整體網(wǎng)絡(luò)距離可達(dá)900 m。如需查看所在地區(qū)認(rèn)證的節(jié)點版本，請參考每個國家的無線產(chǎn)品認(rèn)證。

11. 多設(shè)備同步

定時和同步可實現(xiàn)事件的及時關(guān)聯(lián)或協(xié)調(diào)，這是許多控制和測量應(yīng)用不可分割的一部分，尤其是高通道數(shù)應(yīng)用。

MXI-Express RIO and 以太網(wǎng)RIO
MXI-Express RIO和以太網(wǎng)RIO機(jī)箱不支持基于通信總線（分別對應(yīng)MXI-Express和快速以太網(wǎng)）的本地同步。總線架構(gòu)沒有內(nèi)置時鐘共享且數(shù)據(jù)包丟失或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沖突而產(chǎn)生的延遲并沒有計算在內(nèi)（系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點之間的通信是異步的）。然而，由于共享機(jī)箱背板時鐘，單個機(jī)箱中的所有模塊均可同步，多個MXI-Express RIO或以太網(wǎng)RIO機(jī)箱也可使用C系列數(shù)字I/O模塊進(jìn)行同步，以在機(jī)箱間分配一個參考時鐘信號。多個CompactRIO機(jī)箱的DSA模塊同步設(shè)計參考包含了演示這一同步方法的參考架構(gòu)。

EtherCAT RIO
由于EtherCAT總線通信標(biāo)準(zhǔn)定義了網(wǎng)絡(luò)參考上的所有設(shè)備為主系統(tǒng)時鐘，因此EtherCAT RIO會自動同步到系統(tǒng)的其他部分。這使得EtherCAT總線成為需要嚴(yán)格同步（小于1微秒）和硬確定性的系統(tǒng)的理想選擇。

WSN
NI WSN系統(tǒng)并未提供單個節(jié)點之間的內(nèi)置同步，但是整個網(wǎng)絡(luò)確實共享同一個時基。每次數(shù)據(jù)采樣在采集時進(jìn)行時間標(biāo)記，然后與數(shù)據(jù)附加的定時信息一起發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。這意味著可在與主機(jī)相同的時間軸上繪制出整個網(wǎng)絡(luò)的所有數(shù)據(jù)。NI WSN網(wǎng)絡(luò)管理共享的時基，并以有規(guī)律的時間間隔糾正漂移。在任何給定的時間，每個節(jié)點時鐘與網(wǎng)關(guān)/主機(jī)時鐘誤差不超過一秒鐘。

12. 通信抖動

本規(guī)范僅指由通信總線引起的抖動。系統(tǒng)抖動的主要來源通常與控制器而非通信總線（尤其是Windows控制器）相關(guān)。另外，系統(tǒng)的抖動還取決于系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)據(jù)到達(dá)主機(jī)之前必須通過的菊花鏈的機(jī)箱數(shù)量。

確定性通信對于控制回路包含分布式實時計算節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用非常重要。這意味著網(wǎng)絡(luò)造成的任何抖動都會引起控制循環(huán)的抖動。可接受的控制循環(huán)抖動取決于所使用的系統(tǒng)，但標(biāo)準(zhǔn)范圍為控制循環(huán)時間的±10%。比如1 kHz的控制循環(huán)，如果每次迭代的執(zhí)行時間在900到1,100 μs內(nèi)，系統(tǒng)仍可正確響應(yīng)。

MXI-Express RIO和EtherCAT RIO的通信抖動分別低于10ms和1ms。以太網(wǎng)RIO和NI WSN設(shè)備并未對抖動做出規(guī)定。這是因為快速以太網(wǎng)和無線傳輸并非傳輸數(shù)據(jù)的確定性方法。

13. 總線吞吐量

MXI-Express RIO提供了與控制器通信的最大管道，具有250 MB/s的最大理論帶寬，而以太網(wǎng)RIO和EtherCAT僅為12.5 MB/s，WSB為250 kbit/s。請記住，總線性能不僅取決于總線的理論最大帶寬，也取決于其他因素，包括延遲、執(zhí)行、電源需求、應(yīng)用以及帶寬。對于高吞吐量應(yīng)用，MXI-Express RIO是最佳方案。Ethernet RIO和EtherCAT RIO的吞吐量對于大部分控制和監(jiān)測應(yīng)用來說已經(jīng)足夠。NI WSN的吞吐量則是低采樣率（大約1 S/s）的理想之選。

14. API

API（應(yīng)用程序接口）是用作為軟件應(yīng)用程序構(gòu)建模塊的一系列程序。對擴(kuò)展I/O終端進(jìn)行編程有兩種方法：CompactRIO掃描模式或LabVIEW FPGA主接口API。

EtherCAT、以太網(wǎng)以及WSN機(jī)箱可使用CompactRIO掃描模式（又稱為RIO掃描接口或RSI）。CompactRIO掃描模式可自動檢測I/O模塊并將其添加至LabVIEW項目。然后用戶可將I / O變量拖放至LabVIEW Real-Time和HOST VI的程序框圖中，并立即讀寫已換算和校準(zhǔn)的I/O數(shù)據(jù)，而無需編程或編譯FPGA。

圖3. 使用CompactRIO掃描模式

如果希望直接在FPGA上編程，則可使用LabVIEW FPGA模塊。編寫FPGA VI后，F(xiàn)PGA VI就會被編譯成比特流文件并部署至FPGA。如果主機(jī)應(yīng)用程序需要與FPGA通信，則可使用LabVIEW FPGA主機(jī)接口API。該API可允許用戶執(zhí)行讀寫寄存器和DMA傳輸?shù)裙δ堋?/p>

請注意，如果使用的是EtherCAT機(jī)箱，則只能使用用戶定義的I/O變量來實現(xiàn)控制器的實時VI和擴(kuò)展機(jī)箱的FPGA VI之間的通信。（用戶定義的I/O變量用于同步FPGA數(shù)據(jù)和NI掃描引擎。）這意味著擴(kuò)展機(jī)箱的FPGA VI不能使用FPGA主接口、DMA傳輸功能或前面板調(diào)試等功能。

只能使用LabVIEW FPGA主接口API來連接MXI-Express RIO。

對于機(jī)箱兼容能力取決于其支持NI掃描模式的能力的C系列模塊來說，也存在一定的局限性。由于MXI-Express RIO僅支持LabVIEW FPGA，因此NI 986x CAN模塊等依賴NI掃描模式的模塊并不兼容MXI-Express RIO。如需了解C系列兼容性的完整列表，請查看NI C系列兼容性表。

15. 主控制器

四款擴(kuò)展方案均使用不同的總線，因此控制器端需要采用不同的連接方式。

MXI-Express RIO

MXI-Express RIO需要使用MXI-Express接口卡來連接主系統(tǒng)： 可選擇的系統(tǒng)包括帶有多核處理器的CompactRIO、PXI或工業(yè)控制器以及運行Windows或?qū)崟r操作系統(tǒng)且具有MXI-Express PCI卡接口的PC。 MXI-Express ExpressCard適配器可用于將MXI-Express RIO機(jī)箱連接至沒有配備MXI-Express接口但內(nèi)置ExpressCard插槽的控制器，如NI PXIe-8115。還可使用NI的PXIe-8364 MXI-Express接口將MXI-Express RIO連接至PXI系統(tǒng)。 MXI-Express與PCI或PCI Express的適配器可用于連接MXI-Express RIO至PC。 在使用配備第三方控制器的MXI-Express RIO機(jī)箱之前，請參考PCI Express時鐘規(guī)范及其對NI MXI-Express RIO互操作性的影響文檔，了解更多信息。

以太網(wǎng)RIO

以太網(wǎng)RIO可插入至任何配有以太網(wǎng)端口的系統(tǒng)，且可與大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣涌谂浜鲜褂谩Ｈ缧柚苯訉⒁蕴W(wǎng)RIO直接連接至實時控制器的第二個以太網(wǎng)端口，請查看連接以太網(wǎng)RIO擴(kuò)展機(jī)箱至實時控制器的第二個以太網(wǎng)端口。

EtherCAT RIO?

EtherCAT RIO機(jī)箱可兼容所有配有兩個以太網(wǎng)端口的實時控制器，包括CompactRIO、PXI和工業(yè)控制器平臺。請注意，對于EtherCAT，如果實時PXI控制器沒有配備兩個以太網(wǎng)端口，則必須添加僅支持實時控制器的NI PXI-8231/8232以太網(wǎng)接口（不兼容NI8234以太網(wǎng)接口）。另外還需要采用NI-工業(yè)通信的EtherCAT驅(qū)動軟件，且第二個以太網(wǎng)端口必須處于“EtherCAT”模式。

WSN

在NI WSN系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)員的作用，負(fù)責(zé)節(jié)點認(rèn)證、消息緩沖和從無線網(wǎng)絡(luò)到主機(jī)系統(tǒng)的橋接。WSN網(wǎng)關(guān)提供三種不同的選擇： NI WSN-9791以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、NI 9792可編程網(wǎng)關(guān)以及NI 9795 C系列網(wǎng)關(guān)。以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以連接到任何支持以太網(wǎng)的主機(jī)控制器，如CompactRIO、NI PXI或Windows PC。NI 9792可編程網(wǎng)關(guān)是一個LabVIEW實時終端，無需主機(jī)連接即可自主工作。NI 9795 C系列網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了NI WSN和CompactRIO平臺之間的緊密集成。C系列網(wǎng)關(guān)可插入到CompactRIO系統(tǒng)的任何插槽，因而用戶可在現(xiàn)有系統(tǒng)中添加無線擴(kuò)展I/O。

16. 總結(jié): 應(yīng)用特性

許多不同的應(yīng)用需要在控制器提供的功能的基礎(chǔ)上具有擴(kuò)展I/O的能力。 無論您的應(yīng)用需要上百個通道的波形文件讀取、分布式控制還是遠(yuǎn)程監(jiān)控，NI均可提供一個滿足該需求的擴(kuò)展方案，如圖4所示。

圖4. 查看最適合您LabVIEW RIO系統(tǒng)和應(yīng)用特性的擴(kuò)展方案。