第二章

选择CompactRIO编程模式

第一章中介绍的CompactRIO架构为我们提供了通过LabVIEW FPGA定制FPGA硬件或使用NI CompactRIO扫描模式来实现I/O的选项。如果计算机上有LabVIEW Real-Time和LabVIEW FPGA，那么当向LabVIEW项目添加CompactRIO目标时，将提示选择想要使用的编程模式。在选择一种模式后，如果想为应用程序使用LabVIEW FPGA和CompactRIO扫描模式的混合，也可以进入混合模式。如图2.1所示。如果安装了LabVIEW FPGA，在向LabVIEW项目添加CompactRIO系统时，会提示选择编程模式

图2.1 选择编程模式

下面是每种编程模式的概述。

LabVIEWFPGA接口模式

使用LabVIEW FPGA接口模式，除了对实时处理器进行编程外，还可以通过定制FPGA个性来解锁CompactRIO的真正功能。这可以帮助开发人员实现通常需要定制硬件的性能。使用LabVIEW FPGA，可以实现自定义定时和触发，卸载信号处理和分析，创建自定义协议，并以最大速率访问I/O。当在FPGA VI和Real-Time VI之间通信数据时，可以选择使用DMA FIFO以非常高的速率传输数据，或者使用控件和指示器通信单点数据。

CompactRIO扫描模式

使用CompactRIO扫描模式，可以对CompactRIO系统的实时处理器进行编程，但不能对FPGA进行编程。在这种模式下，NI为FPGA提供了一个预定义的特性，它定期扫描I/O并将其放置在内存映射中，使其可用于LabVIEW Real-Time。CompactRIO扫描模式足以满足需要以几百赫兹的速率对I/O进行单点访问的应用程序。它不支持高速率的流数据

混合模式

同时在目标上使用CompactRIO扫描模式和LabVIEW FPGA被称为混合模式。使用这种方法，开发人员选择直接使用LabVIEW FPGA编程的模块从I/O扫描中删除，其余模块与RIO扫描接口通信。请注意，RIO扫描接口使用了通常可用于LabVIEW FPGA的三个DMA通道中的两个。本节提供有关为CompactRIO应用程序选择编程模式的提示。开发人员应该根据应用程序对性能、可靠性、自定义和I/O的需求来选择编程模式。NI LabVIEW for CompactRIO开发人员指南讨论了LabVIEW FPGA编程和RIO扫描接口使用的编程技术和最佳实践。

何时使用LabVIEW FPGA

与基于处理器的控制系统一样，FPGA已被用于实现所有类型的工业控制系统，包括模拟过程控制、离散逻辑以及基于批处理或状态机的控制系统。然而，基于FPGA的控制系统在很多方面与基于处理器的系统不同。如果应用程序有下面列出的任何需求，应该使用LabVIEW FPGA编程I/O和其他低级任务。可以在第5章:通过LabVIEW FPGA定制硬件中找到更多关于使用LabVIEW FPGA编程的信息。

使用LabVIEW FPGA，您可以创建用于高速数据采集、控制回路或自定义定时和触发的自定义FPGA vi。

图2.2使用LabVIEW FPGA

最大性能和可靠性

当为FPGA设备编译控制应用程序时，结果是一个高度优化的处理流程，提供真正的并行处理，并具有专用硬件电路的性能和可靠性优势。由于FPGA芯片上没有操作系统，因此代码以确保最大性能和可靠性的方式实现。

高速波形采集/产生(> 500hz)

RIO扫描接口针对运行在低于500 Hz的控制回路进行了优化，但许多C系列I/O模块能够以更高的速率获取和生成。如果需要充分利用这些模块功能并以高于500 Hz的速度采集或生成，则可以使用LabVIEW FPGA以根据具体的应用定制的用户定义速率进行采集。自定义触发/时间/同步

使用可重新配置的FPGA，可以创建简单、高级或其他自定义的触发器、定时方案和I/O或机箱同步实现。这些可以像基于超过阈值的模拟采集的上升触发自定义CAN消息一样复杂，也可以像在外部时钟源的上升沿上获取输入值一样简单。

基于硬件的分析/生成和协同处理

许多传感器输出的数据比实时处理器单独合理处理的数据要多。可以将FPGA用作协处理器来分析或生成复杂信号，同时将处理器释放给其他关键线程。这种基于FPGA的协同处理通常用于以下应用:

■编码/解码传感器

转速表

标准和/或自定义数字协议

■信号处理和分析

光谱分析(快速傅立叶变换和窗化)

过滤、平均等

数据简化

第三方IP集成

■传感器仿真

凸轮和曲柄

线性可变差动变压器(LVDTs)

■硬件在环仿真

最高性能控制

FPGA不仅可以实现高速采集和生成，还可以在FPGA上实现多种控制算法。可以使用单点I/O与多通道，可调PID或其他控制算法来实现确定性控制，环路速率超过1 MHz。例如，LabVIEW FPGA模块包含的PID控制算法在300 ns内执行。

使用LabVIEW FPGA接口模式

当从LabVIEW项目中发现CompactRIO控制器时，选择LabVIEW FPGA Interface作为编程模式。LabVIEW FPGA接口模式自动检测I/O模块并将其添加到LabVIEW项目中。可以在第5章:通过LabVIEW FPGA定制硬件中找到更多关于使用LabVIEW FPGA接口模式的信息和最佳实践。

何时使用CompactRIO扫描模式

一些工业控制和监控应用基于单点I/O数据。这些进程中使用的数据表示物理I/O通道的当前值。流程不关心跟踪数据的时间历史、将当前值与任何先前值进行比较，或测量值的变化率。它们通常不需要超过500赫兹的循环速率。可以使用CompactRIO扫描模式来简化这些类型的应用程序。

RIO扫描接口技术允许单点I/O访问高达几百赫兹的速率，而无需编写FPGA代码或RT到FPGA接口。当控制器通过扫描接口访问I/O时，将自动从模块中读取模块I/O，并将其放入CompactRIO控制器上的当前值表中。

图2.3 RIO扫描接口

当决定为CompactRIO应用程序使用Scan Mode时，应该考虑所需的性能或循环速率和通道计数。图2.4中的图形显示了使用扫描模式对PID控制回路完成的基准测试，包括一个模拟输入和一个模拟输出。数据显示，高于100 Hz的PID循环速率加上高通道数对CPU使用率有显著影响。一般来说，当需要比500hz更快的循环速率时，不应该使用扫描模式。

图2.4当使用RIO扫描接口时，高通道数和高环路速率对CPU的影响很大

虽然不应该使用扫描模式高速数据采集或控制回路，但它确实提供了几个好处:

■易于编程-在开发过程中将I/O变量直接拖放到LabVIEW实时VI中。

■动态检测I/O模块的能力-未通过项目配置的插槽自动检测插入的模块。然后，可以通过变量API配置这些模块。

■故障引擎- NI扫描引擎具有内置的NI故障引擎，可以确定地抛出错误。

■诊断和调试-使用分布式系统管理器，可以查看当前值和故障，以及在程序运行时覆盖当前I/O值。

并非所有CompactRIO硬件都适用于NI扫描模式。有关支持扫描模式的C系列I/O模块列表，请参见CompactRIO扫描模式支持的C系列模块。带有1M门FPGA的CompactRIO目标不能完全支持扫描接口。可以在不支持的目标上实现一些扫描接口功能，但必须使用LabVIEW FPGA。

使用CompactRIO扫描模式

当从LabVIEW项目中发现CompactRIO控制器时，选择Scan Interface作为编程模式。RIO扫描接口自动检测I/O模块并将它们添加到LabVIEW项目中。然后，可以将I/O变量拖放到LabVIEW实时和主机VI框图上，并立即读写缩放，校准的I/O数据，而无需任何FPGA编程或编译。

图2.5 将I/O变量拖放到实时VI框图上。

扫描引擎还提供了一个Timed-Loop定时源，因此您可以将代码与低抖动控制应用程序的I/O更新同步。

图2.6 使用将时钟源设置为同步到扫描引擎的定时环路，将环路同步到I/O更新。

可以在\LabVIEW\examples\ScanEngine中找到使用扫描模式的示例程序。在扫描模式下编程时，与I/O变量接口的另一个选项是通过I/O变量可编程API，如图2.7所示。与静态I/O可变节点API相比，编程API提供了以下几个优点:

■可以一次迭代多个变量，而不会拉下大量的I/O变量节点

■部署到CompactRIO目标不那么复杂，因为项目没有绑定到LabVIEW项目

■程序化API提高了可伸缩性

■可以在运行应用程序时更改I/O变量配置设置，并且配置设置可以在框图中查看

图2.7 使用I/O变量可编程API

虽然编程API提供了几个优点，但它确实需要更多的编程。I/O变量编程API可以在Data Communication»Shared Variable»I/OVariable.下的LabVIEW函数面板中找到。

在将Scan Engine I/O变量部署到CompactRIO控制器时，请注意这些变量可能会占用很大一部分CPU带宽。如果在Scan Mode下部署机箱，其中物理上包含您想要使用的所有模块，那么它将发布一个名为PercentHWScanUtilization的变量。根据扫描时间和部署的硬件，该值告诉我们用于读取或写入I/O变量的CPU带宽百分比。在此基础上，可以了解有多少时间可以专用于其他流程。

图2.8 监控读写扫描引擎I/O变量所占用的CPU带宽。

何时使用混合模式

同时在一个目标上使用扫描模式和LabVIEW FPGA被称为混合模式。使用这种方法，选择直接使用LabVIEW FPGA编程的模块从I/O扫描中删除，其余模块与RIO扫描接口通信。当编译LabVIEW FPGA VI时，如果任何I/O模块被配置为使用扫描模式，则编译中包含RIO扫描接口的必要组件。结果是单个位文件，该文件与配置为使用扫描模式的模块的扫描模式功能以及与剩余I/O模块直接通信的自定义FPGA逻辑一起工作。

图2.9 激活混合模式后，编写FPGA VI与模块接口，并将数据传递给实时主机。

在混合模式下，可以在某些模块上继续使用RIO扫描接口，同时直接在FPGA上编程其他模块。可以使用FPGA编程模型来处理高速操作、内联处理、波形缓冲采集以及不支持扫描模式的某些模块。通过将模块项目项从CompactRIO机箱下拖放到FPGA目标下，激活特定模块的FPGA编程。通过这样做，可以对FPGA进行编程，使自定义代码与其他模块的扫描接口并行运行。可以通过使用FPGA主机接口函数或用户定义变量从实时VI访问FPGA I/O。

图2.10 激活特定模块的FPGA编程。

在使用混合模式时，需要注意一些重要的限制。首先，编译时间显著增加，因为编译器必须将默认RIO Scan Interface位文件和创建到一个位文件中的FPGA代码结合起来。其次，由于扫描引擎使用两个通道，因此可以在FPGA代码中使用的DMA通道数量减少。大多数FPGA有三个DMA通道，因此大多数应用程序在FPGA代码中只剩下一个DMA通道。