LabVIEW RIO架构：创新的基础

已更新 2024年11月20日

概览

LabVIEW RIO架构是创新设计的最基础构建模块。该架构将实时处理器、用户可编程FPGA和模块化I/O与统一软件环境相结合，可用于编程和定制系统的每个元素。LabVIEW RIO架构能够连接任何类型的传感器或专用I/O、执行高级信号处理和自定义分析以及高级控制算法，是设计高级控制或测量系统的理想架构，尤其适用于物联网(IoT)应用。

内容

LabVIEW RIO架构
测量和控制系统的通用要求
将LabVIEW RIO架构映射到常见的系统要求
基于LabVIEW RIO架构的产品
基于平台进行创新，提高生产力、实现快速创新
后续步骤

LabVIEW RIO架构

LabVIEW RIO架构无缝集成了4个组件，为创新设计提供最基础的构建模块：实时处理器、用户可编程FPGA、模块化I/O以及用于对架构各个方面进行编程的完整软件工具链。

LabVIEW RIO架构

图1LabVIEW RIO架构结合了实时处理器、用户可编程FPGA、模块化I/O接口和完整的软件工具链，为所有控制或监测应用提供了最基础的架构。

处理器

NI提供各种高性能嵌入式处理器，包括运行NI Linux Real-Time的667 MHz双核ARM A9处理器和运行NI Linux Real-Time或WES7操作系统的1.9 GHz四核Intel Atom处理器。借助使用NI Linux Real-Time交叉编译支持的C/C++或直观的LabVIEW G数据流编程语言对处理器进行编程以完成常见任务，例如运行应用程序、操作数据集、处理信号、记录数据以及与本地HMI连接。

FPGA

可重配置FPGA是LabVIEW RIO架构的核心，可为处理器分担重要或计算密集型任务，以极高的吞吐量提供可靠的确定性执行。FPGA直接连接至I/O，可实现高性能信号和图像处理以及可自定义的定时、触发和同步功能。通过FPGA至I/O直连，而非总线，可使控制循环延迟几乎为零，从而提供最先进控制算法所需的性能。例如，使用FPGA，单个CompactRIO机箱能以100 kHz的速率同时执行超过20个模拟比例积分微分(PID)控制循环。基于LabVIEW RIO架构的NI硬件采用了Xilinx的最新FPGA技术和芯片组。

LabVIEW FPGA模块可在直观的图形化编程环境中对嵌入式FPGA进行编程，而无需具备VHDL或Verilog等硬件描述语言方面的知识。

模块化I/O

NI C系列I/O模块包含内置隔离、转换电路、信号调理以及与工业传感器、执行器、功能安全(SIL)传感器和执行器、摄像头、电机、驱动器以及工业通信协议（如Profibus、Profinet和EtherCAT）的直接连接。 NI提供超过100个C系列I/O模块，通过模块开发套件，用户可开发定制模块来满足特定应用的需求。

图2100余个C系列I/O模块可供选择，直接与传感器、电机、驱动器、执行器和工业通信协议连接。

LabVIEW系统设计软件

LabVIEW系统设计软件可编程和定制LabVIEW RIO架构的每个元素。 LabVIEW支持C/C++、IEC 61131-3和G数据流等编程语言，因此用户可充分利用现有的代码和编程专业知识。标准软件环境拥有一整套内置的数学和分析函数、信号和图像处理算法以及网络和I/O接口API。 NI Linux Real-Time模块是一款基于Linux发行版Angstrom的开源实时操作系统，可在嵌入式处理器上运行，提供可靠的确定性操作，并为数据记录、数据传输机制以及自定义处理分析提供一套完整的API。 LabVIEW FPGA模块可在直观的图形化编程环境中对嵌入式FPGA进行编程，而无需具备VHDL或Verilog等硬件描述语言方面的知识。 LabVIEW拥有完整的IP、附加软件、范例代码和支持社区，为基于LabVIEW RIO架构的嵌入式控制和监测系统的设计提供了完整的工具链。

测量和控制系统的通用要求

在实现控制和监测应用时，系统设计人员必须考虑从传感和处理到网络、同步和定时所涉及的所有问题。通常，无论是简单的开关数字控件还是高度复杂的多轴运动控制系统，都需要某种控制。这些要求可归纳为3类：计算、连接和控制。

图3物联网(IoT)控制和监测系统需要计算、连接和控制。

计算

系统可执行从复杂数学运算到布尔逻辑等一系列处理算法和分析例程。

连接

数字系统必须通过传感器以及企业网络、数据库、基于云的服务等其他数字系统，甚至是其他机器、设备和基础设施与真实世界连接。如需了解有关连接性发展的最新信息，请参阅基于以太网的分布式时间敏感网络测量系统的设计获取更多信息。

控制

嵌入式系统的输出通常由内部算法和分析生成。这些输出可控制电机、继电器或执行器。

将LabVIEW RIO架构映射到常见的系统要求

LabVIEW RIO架构非常适合需要计算、连接和控制的系统。模块化I/O提供了一个可自定义的接口，可满足几乎任何连接要求，如模拟和数字传感器、工业通信协议、自定义I/O，甚至摄像头和电机等专用I/O。用户可编程处理器和FPGA可用于实现高级信号或图像处理、执行复杂计算以及决策算法。尤其是FPGA，因其固有的快速、确定性和并行运行特性而成为控制的理想选择，可并行执行数十个控制循环，每个控制循环具有独特的定时和数据传输机制，循环速率为kHz至MHz级。