Открытая архитектура CompactRIO

 
Разработка приложений реального  времени  
Реконфигурируемые контрольно-измерительные системы обычно включают в себя четыре основных компонента:

• • Реконфигурируемое приложение, исполняемое на ПЛИС, и служащее для ввода/вывода сигналов, реализации коммуникационных протоколов, и управления внешними системами и оборудованием
• • Цикл с детерминированным временем выполнения операций с плавающей точкой, обработки сигналов, анализа и пошагового принятия решений
• • Цикл нормального приоритета, служащий для передачи данных в контроллер реального времени, реализации удаленного доступа к приложению через Web и связи по Ethernet и последовательному интерфейсам
• • Сетевой управляющий компьютер, на котором реализован удаленный интерфейс пользователя, сохранение собранных данных и их обработка.

В зависимости от требований вашего приложения вы можете использовать в  нем один или все из этих компонентов.

 
1.3 Ключевые инструменты разработчика приложений для систем CompactRIO

Такие среды разработки, как LabVIEW FPGA Module, LabVIEW Real-Time Module и LabVIEW for Windows, предоставляют пользователям  широкий выбор инструментов и  технологий, ускоряющих процесс разработки передовых, надежных, обладающих высокой  степенью оптимизации реконфигурируемых  систем на базе ПЛИС и контроллеров реального времени. Ниже перечислены  основные возможности, предоставляемые  программными модулями и средствами разработки приложений для ПЛИС и систем реального времени.

 
Менеджер встраиваемых проектов (Embedded Project Manager)

• • Конфигурирование ПЛИС в качестве целевой платформы исполнения приложений
• • Автоматический поиск и распознавание модулей
• • Управление идентификационными именами (alias names) модулей CompactRIO и каналов ввода/вывода
• • Автоматическое конфигурирование, загрузка и выгрузка приложений ПЛИС на флэш-память

 
 
Режим работы ScanMode

Для сокращения времени, затрачиваемого на обучение инженеров программированию ПЛИС, в LabVIEW 2010 предусмотрена возможность  работы с системой NI CompactRIO в режиме ScanMode, которая обеспечивает получение  сигналов с датчиков без необходимости  программирования ПЛИС.

 
Графическая среда разработки приложений для ПЛИС (LabVIEW FPGA Development Environment)

• • Наличие методов (methods) и свойств (property nodes) для управления аналоговым и цифровым вводом/выводом, осуществляемыми устройством, содержащим ПЛИС
• • Генерация прерываний (IRQ)
• • Наличие функций синхронизации
• • Исполнение итераций циклов с частотой до 40 МГц
• • Параллельное исполнение циклов (for loop, while loop), структур выбора (case structure) и последовательного исполнения программного кода (sequence structure), а также других управляющих структур
• • Буферизация, чтение и запись данных в стек ПЛИС
• • Наличие таймера и счетчика исполнения итераций цикла с тактом, определяемым частотой работы ПЛИС (40 МГц)
• • Поддержка функций булевой логики, операций сравнения, математических операций и побитовых операций
• • Наличие одномерных таблиц соответствия функций
• • Возможность встраивания в приложение HDL кода
• • Поддержка управления нелинейными системами и дискретного управления линейными системами, включая ПИД-регулирование и фильтров с ограниченным откликом (FIR filter) пятого порядка
• • Возможность проведения линейной интерполяции сигналов, определения момента изменения знака сигнала, цифровой синтез гармонического сигнала и т.д.

 

Графическая среда разработки приложений реального времени (LabVIEW Real-Time Development Environment)

• • Конфигурирование параметров исполнения приложения на целевой платформе, включая разработку и настройку автозапуска приложения, а также организацию доступа к приложению через Web, удаленные панели или файл-сервер
• • Возможность получения ссылки на программу работы ПЛИС (Open FPGA VI reference), служащей для побитовой загрузки программы на ПЛИС, получения коммуникационной ссылки для связи и обмена данными с ПЛИС, а также для запуска программы работы ПЛИС на исполнение
• • Детерминированная по времени синхронизация циклов исполнения программы с прерываниями, сгенерированными ПЛИС
• • Запись и чтение данных, содержащихся в индикаторах и элементах управления, расположенных на лицевой панели программы работы ПЛИС
• • Наличие функций масштабирования и преобразования данных для преобразования целочисленных значений в единицы измерения физических величин с плавающей точкой
• • Возможность записи данных в стек памяти в реальном времени
• • Возможность использования циклов с контролируемым временем исполнения итераций в задачах время-детерминированного управления
• • ПИД-регулирование с использованием коэффициентов с плавающей точкой, с возможностями управления величиной уставки, задания различных коэффициентов усиления в различных областях значений контролируемого параметра, и ограничения скорости изменения контролируемого параметра
• • Управление с использованием методов нечеткой логики, поддержка линейных и нелинейных непрерывных и дискретных систем, наличие двумерных таблиц соответствия функций
• • Поточечная генерация сигналов, спектральный, частотный и временной анализ сигналов, фильтрация сигналов, интерполяция и аппроксимация кривых, статистический анализ данных, операции с многомерными массивами, наличие функций линейной алгебры.
• • SMTP E-mail, TCP/IP, UDP, IrDA, DataSocket и программирование последовательного интерфейса RS232 функциями VISA
• • Чтение и запись бинарных и текстовых файлов для сохранения, резервации и поиска данных

 

Специализированные модули и наборы инструментов

• • LabVIEW PDA Module - модуль для программирования карманных компьютеров
• • LabVIEW Enterprise Connectivity Toolset - библиотека для систем управления предприятием
• • LabVIEW Remote Panel License - лицензия на осуществления удаленного доступа к лицевым панелям виртуальных приборов
• • LabVIEW Execution Trace Toolkit - набор инструментов для отладки виртуальных приборов, написанных для систем реального времени
• • LabVIEW Order Analysis Toolkit - набор инструментов для проведения порядкового анализа
• • LabVIEW Sound and Vibration Toolkit - набор инструментов для проведения виброакустического анализа
• • LabVIEW Signal Processing Toolset - набор инструментов для проведения обработки сигналов
• • LabVIEW Simulation Module - модуль для моделирования динамических систем реального времени
• • LabVIEW Control Design Toolkit - набор управляющих элементов и индикаторов для LabVIEW
• • LabVIEW Simulation Interface Toolkit - набор инструментов для работы с MathWorks Simulink®
• • LabVIEW State Diagram Toolkit - набор инструментов для разработки диаграмм, определяющих логику работы приложения

 

Разработка сетевых приложений в LabVIEW

• • Возможность удаленного мониторинга и управления элементами лицевой панели виртуальных приборов из окна Web-браузера (Windows, Linux, Mac OS X, Solaris)
• • Экспресс-анализ спектральных характеристик сигналов, искажений и гармоник, уровня и амплитуды, переходных характеристик, свертки и корреляции сигналов, их гистограмм и т.п.
• • Локальный или удаленный доступ к базам данных
• • Генерация отчетов в текстовом/HTML/DIAdem форматах
• • Возможность разработки интерфейса пользователя и программ управления карманными компьютерами

 

LabVIEW FPGA Module

Использование LabVIEW совместно  с LabVIEW FPGA Module позволяет использовать технику графического программирования для конфигурирования ПЛИС, установленных  в оборудование NI RIO. С помощью LabVIEW FPGA Module вы сможете разрабатывать  приложения для ПЛИС на вашем персональном компьютере, управляемом Windows, а затем  производить их компиляцию и загрузку кода на микросхему. Пользователям, использующим LabVIEW FPGA Module, не требуется обладать специальными знаниями в области схемотехники или знаниями языка программирования VHDL для создания собственной схемы  ввода/вывода на базе ПЛИС. Возможность  графического программирования ПЛИС позволяет  пользователям LabVIEW разрабатывать собственные  контрольно-измерительные схемы, по производительности и оптимизации  соперничающие с продукцией ведущих  компаний-разработчиков встраиваемых систем.

 

Рисунок 8 – Схема работы LabVIEW FPGA Module

 

 

Примеры приложений и решения пользователей

Благодаря своей невысокой  стоимости, надежности и пригодности  для использования в широком  классе встраиваемых контрольно-измерительных  приложений, CompactRIO может применяться  практически во всех отраслях промышленности. В частности CompactRIO используется в  управлении тяжелыми станками, бортовыми  системами измерения, для проведения мониторинга состояния машин  и быстрого прототипирования управляющих  систем. Так системы CompactRIO обладают всеми необходимыми возможностями  и функционалом для применения их в качетве таких систем как:

• • Распределенные системы
• • Имитаторы
• • Встраиваемые системы
• • Мобильные регистраторы

 

Такие компании как ЗАО "РУССНА", ОАО "РЖД", Улан-уденский авиационный завод, CGM Engeneering Inc., ЗАО "Бэта ир" и другие уже обладают успешным опытом применения CompactRIO в  задачах управления машинами, проведения бортовых измерений, виброакустического анализа и испытаний электродвигателей.

2. LabVIEW

LabVIEW (англ.  Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) — это среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования «G» фирмы National Instruments (США). Первая версия LabVIEW была выпущена в 1986 году для Apple Macintosh, в настоящее время существуют версии для UNIX, Linux, Mac OS и пр., а наиболее развитыми и популярными являются версии для Microsoft Windows.

LabVIEW используется в системах сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами. Идеологически LabVIEW очень близка к SCADA-системам, но в отличие от них в большей степени ориентирована на решение задач не столько в области АСУ ТП, сколько в области АСНИ.

Программирование, основанное на потоках данных

Графический язык программирования «G», используемый в LabVIEW, основан на архитектуре потоков данных. Последовательность выполнения операторов в таких языках определяется не порядком их следования (как в императивных языках программирования), а наличием данных на входах этих операторов. Операторы, не связанные по данным, выполняются параллельно в произвольном порядке.

2.1. Программы LabVIEW

 

Программа LabVIEW называется и является виртуальным прибором и состоит из двух частей:

• блочной диаграммы, описывающей логику работы виртуального прибора;
• лицевой панели, описывающей внешний интерфейс виртуального прибора.

Виртуальные приборы могут использоваться в качестве составных частей для  построения других виртуальных приборов.

Лицевая панель виртуального прибора  содержит средства ввода-вывода: кнопки, переключатели, светодиоды, верньеры, шкалы, информационные табло и т. п. Они используются человеком для управления виртуальным прибором, а также другими виртуальными приборами для обмена данными.

Блочная диаграмма содержит функциональные узлы, являющиеся источниками, приемниками и средствами обработки данных. Также компонентами блочной диаграммы являются терминалы («задние контакты» объектов лицевой панели) и управляющие структуры (являющиеся аналогами таких элементов текстовых языков программирования, как условный оператор «IF», операторы цикла «FOR» и «WHILE» и т. п.). Функциональные узлы и терминалы объединены в единую схему линиями связей.

Рисунок 9 – Лицевая панель

Рисунок 10 - Блочная диаграмма

 
2.2. Сбор данных в labview

Сбор данных – это  процесс измерения электрического или физического явления, такого как напряжение, сила тока, температура, давление или сила звука. Сбор данных на базе ПК использует комбинацию модульного оборудования, прикладного ПО, и  компьютера для проведения измерений. В то время как каждая система  сбора данных, определяется требованиями его конкретного приложения, каждая система имеет общие задачи сбора, анализа, и представления информации. Системы сбора данных объединяют сигналы, датчики, исполнительные механизмы, согласование сигнала, приборы для сбора данных, и программное обеспечение.

2.3. 4 компонента системы сбора данных

 
1.Преобразователи/Датчики  
          Сбор данных начинается с физического явления, которое надо измерить. Таким физическим явлением является комнатная температура, интенсивность светового потока, давление внутри сосуда, сила, с которой воздействуют на объект и многие другие вещи. Преобразователь, или датчик, - это прибор, который конвертирует физическое явление в измеримый электрический сигнал, такой как напряжение или сила тока. Существуют специфические преобразователи для различных приложений, такие как  термопары  для измерения температур, тензодатчики для давления, или микрофоны для звука.  
 
 
2.Согласование 
        Иногда преобразователи генерируют сигналы слишком сложные или слишком опасные для измерения их напрямую с помощью прибора для сбора данных. Например, при работе с высокими напряжениями, помехонасыщенной  средой, или экстремально высокими или низкими сигналами, согласование сигнала очень важно для эффективной системы сбора данных. Согласование сигнала увеличивает до максимума точность системы, дает возможность датчикам правильно функционировать, и гарантирует безопасность системы. Некоторое оборудование для сбора данных имеет встроенное согласование сигнала таким образом, что можно соединить датчик напрямую с каналом ввода данных.  
 
3.Оборудование 
 
         Оборудование для сбора данных действует как интерфейс между компьютером  и внешним миром. Первоначально оно функционирует как прибор, который оцифровывает входящие аналоговые сигналы таким образом, чтобы компьютер мог их интерпретировать. Прочий функционал оборудования для сбора данных включает аналоговый выход, цифровой ввод/вывод, счетчики/таймеры, триггеринг и графики синхронизации.  
4.Драйвера 
 
          Программное обеспечение трансформирует ПК и оборудование для сбора данных в полностью завершенный механизм по сбору данных, их анализу, и визуализации.  Существует 2 основных уровня ПО в системе сбора данных: программный драйвер и прикладное программное обеспечение. Программный драйвер представляет собой канал коммуникации между прикладным ПО и оборудованием. Прикладное ПО является средой разработки, в которой можно создать приложение, отвечающее специфическим требованиям клиента, или программу, основанную на механизмах конфигурации системы с помощью заданных функциональных инструментов. Прикладное ПО добавляет возможности для анализа и визуализации к программному драйверу.  
 
 
2.4. 4 критических замечания о системе сбора данных