NI可重配置I/O(RIO)產(chǎn)品可在靈活的開發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，適用于需要高速閉環(huán)控制的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用。這些應(yīng)用有時(shí)需要比核心系統(tǒng)可提供的更多的通道數(shù)或分布更廣的架構(gòu)。而擴(kuò)展I/O系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)1個(gè)對(duì)N個(gè)的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用一個(gè)控制器、“N”個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和多個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)靈活的高通道數(shù)系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)可以執(zhí)行分布式控制和本地化處理。

1. 以總線為基礎(chǔ)

高通道數(shù)系統(tǒng)的需求是多種多樣的，而NI的差異化擴(kuò)展I/O產(chǎn)品正是為了提供全面的產(chǎn)品系列來滿足這些需求而設(shè)計(jì)的。不同擴(kuò)展I/O方案之間的主要區(qū)別在于I/O與處理器之間的總線，如圖1所示。每條總線具有各自的優(yōu)勢(shì)，使其成為各種擴(kuò)展I /O應(yīng)用的理想選擇。

圖1. 擴(kuò)展I/O將I /O與處理器分離開。每個(gè)擴(kuò)展方案在I /O與處理器間執(zhí)行不同的通信總線協(xié)議，適合不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

2. 擴(kuò)展比較

每款擴(kuò)展I/O方案均基于決定系統(tǒng)某些功能的獨(dú)特通信總線（MXI-Express、以太網(wǎng)、EtherCAT或無線）。表1總結(jié)了每個(gè)擴(kuò)展I/O方案之間的一些主要區(qū)別。

表1.?擴(kuò)展I/O主要特性比較

3. MXI-Express RIO

MXI-Express RIO擴(kuò)展機(jī)箱為需要高吞吐量、高通道計(jì)數(shù)、混合信號(hào)調(diào)理的I/O和自定義信號(hào)處理和控制算法的應(yīng)用提供了高性能解決方案。 每個(gè)MXI-Express RIO機(jī)箱可支持8個(gè)或14個(gè)C系列I/O模塊，提供了同類性能最佳的Virtex-5 LX50、LX85或LX110 FPGA。以菊花鏈的方式可最多連接六個(gè)機(jī)箱，機(jī)箱通過有線PCI Express x1鏈路與主控制器通信，實(shí)現(xiàn)比以太網(wǎng)或EtherCAT RIO擴(kuò)展機(jī)箱高出20倍的吞吐量。該MXI-Express鏈路實(shí)現(xiàn)了與各種主系統(tǒng)的連接，包括多核NI CompactRIO以及雙核和四核PC、PXI以及運(yùn)行NI LabVIEW Real-Time或Windows的工業(yè)控制器。MXI-Express RIO系統(tǒng)是硬件在環(huán)(HIL)測(cè)試、工業(yè)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控、聲音和振動(dòng)以及宏觀物理復(fù)雜研究等應(yīng)用的理想選擇。

4. 以太網(wǎng) RIO

用戶可以使用堅(jiān)固耐用的4槽或8槽以太網(wǎng)RIO機(jī)箱來添加帶FPGA的分布式I/O至任何以太網(wǎng)絡(luò)。由于標(biāo)準(zhǔn)CAT-5布線所具有的靈活性，用戶可連接以太網(wǎng)RIO系統(tǒng)至幾乎所有可支持以太網(wǎng)的主機(jī)，包括NI CompactRIO、PXI實(shí)時(shí)控制器以及NI工業(yè)控制器。用戶還可以連接以太網(wǎng)RIO擴(kuò)展系統(tǒng)至基于Windows的PC，以創(chuàng)建經(jīng)混合信號(hào)調(diào)理且?guī)PGA的I/O的靈活分布式網(wǎng)絡(luò)。借助板載FPGA，還可實(shí)現(xiàn)每個(gè)機(jī)箱的自定義信號(hào)分析、控制和安全聯(lián)鎖，搭建真正的模塊化系統(tǒng)。基于以太網(wǎng)RIO的系統(tǒng)非常適合需要靈活易用且低成本的應(yīng)用。這些應(yīng)用包括溫度測(cè)量和流量測(cè)量等單點(diǎn)測(cè)量的分布式監(jiān)測(cè)。

5. EtherCAT RIO

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）RIO是一個(gè)8槽從機(jī)箱，可實(shí)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(gè)從設(shè)備連接至單個(gè)主設(shè)備，并將I/O與單個(gè)主時(shí)鐘同步。EtherCAT RIO非常適合用于需要基于多個(gè)同步機(jī)箱的硬確定性的分布式單點(diǎn)控制和運(yùn)動(dòng)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(cè)、同步測(cè)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(tái)可允許用戶將無線I/O添加至任何現(xiàn)有監(jiān)測(cè)或控制系統(tǒng)。 通過NI WSN平臺(tái)可監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境，電池供電的WSN測(cè)量節(jié)點(diǎn)還提供工業(yè)評(píng)級(jí)和局域分析控制功能。 每個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)可從數(shù)十個(gè)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展到數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(cè)難以到達(dá)的地方、運(yùn)動(dòng)中的零件、移動(dòng)設(shè)備以及戶外場(chǎng)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(hào)處理、自定義定時(shí)、專用觸發(fā)和閉環(huán)控制。每個(gè)C系列I/O模塊含有內(nèi)置的信號(hào)調(diào)理和螺栓端子、BNC或D-Sub連接器。目前，有適合不同測(cè)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(cè)器(RTD)、電流、電阻、應(yīng)變、數(shù)字（TTL和其他）、加速度計(jì)和麥克風(fēng)等。單個(gè)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(cè)量節(jié)點(diǎn)可直接與傳感器連接，具有內(nèi)置信號(hào)調(diào)理功能和工業(yè)級(jí)性能。目前提供的WSN節(jié)點(diǎn)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(jì)的接口。

8. FPGA

MXI-Express RIO、以太網(wǎng)RIO和EtherCAT RIO
FPGA芯片能夠在各個(gè)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(shì)。FPGA提供硬件定時(shí)的速度和可靠性，但它們并沒有像自定義ASIC設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)高容量產(chǎn)生的前期高額費(fèi)用。

可再編程硅芯片的靈活性與基于處理器的系統(tǒng)上運(yùn)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(gè)獨(dú)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(yùn)作。因此，加入更多處理任務(wù)時(shí)，其它應(yīng)用的性能也不會(huì)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(gè)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(gè)控制器可連接超過40個(gè)機(jī)箱。

EtherCAT RIO
EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的理論設(shè)備限制是65,535個(gè)從設(shè)備，快速以太網(wǎng)(100 Mbit/s)的限制與之相似。實(shí)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(yùn)行的應(yīng)用。

注意，配置系統(tǒng)或計(jì)算總吞吐量需求時(shí)，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?yàn)槊總€(gè)機(jī)箱、每條線纜都會(huì)增加系統(tǒng)的延遲。

WSN
每個(gè)WSN系統(tǒng)由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)組成。 分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(cè)量節(jié)點(diǎn)，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(shí)際距離和無線信號(hào)強(qiáng)度取決于幾個(gè)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(duì)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(gè)跳躍距離的節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)版本，請(qǐng)參考每個(gè)國家的無線產(chǎn)品認(rèn)證。

11. 多設(shè)備同步

定時(shí)和同步可實(shí)現(xiàn)事件的及時(shí)關(guān)聯(lián)或協(xié)調(diào)，這是許多控制和測(cè)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(duì)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(shí)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(jì)算在內(nèi)（系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的通信是異步的）。然而，由于共享機(jī)箱背板時(shí)鐘，單個(gè)機(jī)箱中的所有模塊均可同步，多個(gè)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(gè)參考時(shí)鐘信號(hào)。多個(gè)CompactRIO機(jī)箱的DSA模塊同步設(shè)計(jì)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(shí)鐘，因此EtherCAT RIO會(huì)自動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)之間的內(nèi)置同步，但是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)確實(shí)共享同一個(gè)時(shí)基。每次數(shù)據(jù)采樣在采集時(shí)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記，然后與數(shù)據(jù)附加的定時(shí)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(shí)間軸上繪制出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有數(shù)據(jù)。NI WSN網(wǎng)絡(luò)管理共享的時(shí)基，并以有規(guī)律的時(shí)間間隔糾正漂移。在任何給定的時(shí)間，每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘與網(wǎng)關(guān)/主機(jī)時(shí)鐘誤差不超過一秒鐘。

12. 通信抖動(dòng)

本規(guī)范僅指由通信總線引起的抖動(dòng)。系統(tǒng)抖動(dòng)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(dòng)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(duì)于控制回路包含分布式實(shí)時(shí)計(jì)算節(jié)點(diǎn)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(dòng)都會(huì)引起控制循環(huán)的抖動(dòng)。可接受的控制循環(huán)抖動(dòng)取決于所使用的系統(tǒng)，但標(biāo)準(zhǔn)范圍為控制循環(huán)時(shí)間的±10%。比如1 kHz的控制循環(huán)，如果每次迭代的執(zhí)行時(shí)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(dòng)分別低于10ms和1ms。以太網(wǎng)RIO和NI WSN設(shè)備并未對(duì)抖動(dòng)做出規(guī)定。這是因?yàn)榭焖僖蕴W(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(qǐng)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(duì)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(duì)于大部分控制和監(jiān)測(cè)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(duì)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(dòng)檢測(cè)I/O模塊并將其添加至LabVIEW項(xiàng)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(huì)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(qǐng)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(shí)現(xiàn)控制器的實(shí)時(shí)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(duì)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(qǐng)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(yùn)行Windows或?qū)崟r(shí)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(qǐng)參考PCI Express時(shí)鐘規(guī)范及其對(duì)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(shí)時(shí)控制器的第二個(gè)以太網(wǎng)端口，請(qǐng)查看連接以太網(wǎng)RIO擴(kuò)展機(jī)箱至實(shí)時(shí)控制器的第二個(gè)以太網(wǎng)端口。

EtherCAT RIO?

EtherCAT RIO機(jī)箱可兼容所有配有兩個(gè)以太網(wǎng)端口的實(shí)時(shí)控制器，包括CompactRIO、PXI和工業(yè)控制器平臺(tái)。請(qǐng)注意，對(duì)于EtherCAT，如果實(shí)時(shí)PXI控制器沒有配備兩個(gè)以太網(wǎng)端口，則必須添加僅支持實(shí)時(shí)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(dòng)軟件，且第二個(gè)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(diǎn)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(gè)LabVIEW實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了NI WSN和CompactRIO平臺(tái)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(gè)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(gè)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。