原创 选择LabVIEW RT(实时)硬件平台

简介

National Instruments的实时与嵌入式开发工具具有一系列快速开发实时应用特性，包括：

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  确定性闭环控制

  
  
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  高可靠性测试

  
  
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  嵌入式和独立运行

这篇文档对NI的各个LabVIEW Real-Time目标硬件作了比较，包括：PCI、PXI、FieldPoint?、Compact FieldPoint和 Compact Vision Systems（紧凑型视觉系统）。对于每个目标硬件，都从确定性、鲁棒性、可靠性以及应用程序开发方面进行了评估。

LabVIEW Real-Time开发软件

实时平台为应用程序提供了一个运行架构：

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  确定性地运行（在一段可预测的时间内）

  
  
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  可靠性提高

  
  
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  能嵌入在其它设备中

NI LabVIEW Real-Time模块对NI LabVIEW的开发环境进行了扩展，包括可靠性和时间确定性。使用LabVIEW Real-Time，您可在整个开发过程中使用同一种工具定义程序运行，包括系统配置、算法原型设计和应用程序的发布。您可以在Windows 或 Mac OS X系统上进行开发，然后将应用程序下载到独立的目标硬件平台上运行，这些硬件平台是建立在现成即用的计算机组件和实时操作系统基础上。

实时应用系统的开发类似于桌面系统，LabVIEW Real-Time模块为开发环境增加了一些工具，以帮助您充分利用实时开发平台。

实时操作系统平台专为高可靠性和确定性设计。实时操作系统和桌面操作系统存在以下三点不同：

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  OS的时序安排机制确保高优先级的任务先被执行

  
  
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  软件开发人员能直接控制系统的所有任务

  
  
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  系统不需要来自外设的输入如鼠标和键盘

与此相反，桌面操作系统要求能处理各种应用程序，包括财务软件、视频游戏和工程工具等。此外，桌面OS需要能对来自鼠标和键盘的用户输入做出及时的反应。因此，桌面操作系统并没有为时间确定性作优化处理。

所有LabVIEW Real-Time目标平台都包含一个嵌入式实时操作系统，它是按抢先式和时间片循环式（round-robin）对执行任务进行排序，优化了确定性性能。使用抢先式排列，高优先级线程抢先于低优先级线程执行。在低优先级线程执行时，如果高优先级线程需要处理器时间，则低优先级线程将立刻停止运行以保证高优先级线程运行。当同等优先级线程被执行时，时间片循环排序为每个线程分配了同等的处理器时间。在一个线程用完可用的时间片，OS系统自动地停止处理该线程，开始执行队列中的下一个线程。这种混合了抢先式和时间片循环的任务排序能确保LabVIEW Real-Time应用程序具有时间确定性性能，并尽可能减小时间抖动。在LabVIEW 中，线程优先级的分配可以基于单个VI或循环。使用VI的属性配置对话框，可选择6种不同的优先级。

表1 列出了每个开发系统软件集可使用的LabVIEW Real-Time目标平台

LabVIEW Real-Time平台概述

所有LabVIEW Real-Time平台都基于通用的软硬件架构。每种目标硬件平台都是由现成即用计算机组件组成，如微处理器、RAM、非挥发性内存和I/O总线接口。嵌入式软件包括实时操作系统（RTOS），驱动软件以及特定版本的LabVIEW run-time引擎。

尽管所有的LabVIEW实时目标平台都使用同样的内核架构，但是根据您所选平台的不同，所能达到的性能也有所不同。PXI和PCI系统具有最好的确定性，而Compact FieldPoint 和 Compact Vision Systems（紧凑型视觉系统）有最高的可靠性。当作为嵌入式和独立系统时这些平台的功能都是相同的。

现今很多的测试和测量应用是基于PCI系统的，通过向Windows系统增加一个实时组件或者把台式PC转化为专门的实时目标平台，您可以在这些系统中使用LabVIEW Real-Time。

实时PCI插入式板卡

经过设计，NI PCI-7041/6040E RT系列插入式板卡可作为实时模块加入到现有的测试和测量系统中。PCI-7041/6040E包括两个板卡——处理器板卡和多功能数据采集板卡——它们永久地结合在一起。您可以把处理器板卡插入基于Windows的计算机PCI插槽中。该板卡上包含与计算机主板相同的基本组件——一个嵌入式微处理器、RAM和非挥发性存储介质。多功能数据采集卡可连接16个模拟输入、2个模拟输出、8个数字输入/输出线和2个计数器/定时器信号。

使用LabVIEW Real-Time，您可以把程序下载到处理器板卡，板上处理器运行实时操作系统。在板卡的嵌入式处理器上运行的程序独立于Windows处理器上的所有操作。只要RT系列数据采集卡供电，嵌入式应用程序将保持运行状态。因此，如果要在基于Windows的系统中增加一个可靠的控制组件，使用实时PCI插入式板卡是非常适合的。

MVI科技公司使用LabVIEW Real-Time和PCI-7041/6040E插入式板卡建立了雷诺发动机部件的自动化耐久性测试平台。该测试平台包括有一个装有待测电机、热电机的机械床、并装配有一个模拟机轴、一个真实的凸轮轴和位于热工作室中的测试部件（传送带、水泵、油泵等）。一旦安装好待测发动机，就让它重复进行循环工作直到齿轮皮带断裂。每个测试需要持续几个月的时间。

该耐久性测试平台基于台式PC，由PCI-7041/6040E板卡控制发动机的转速。通过使用实时板卡，控制循坏可独立于操作系统运行，从而保证了闭环控制系统的时间确定性——每个循环周期必须在20ms内完成。在同一PC上结合NI数据采集卡可同时采集测试数据，如采集运行时发动机的扭矩值等。

请访问:
http://digital.ni.com/csma.nsf/IntAllCSDocs/CB118B660DE12E6D86256D25005113EA?OpenDocument&node=124100_US，参看NI用户解决方案——LabVIEW Real-Time Manages an Endurance Test Bench for Renault Engine Components，获得更多有关该应用的信息。

台式PC

如果需要比PCI-7041/6040E更多的I/O接口，您可以通过用于ETS目标平台或RTX目标平台的LabVIEW Real-Time把标准的台式PC转变为Real-Time（实时）系统。用于ETS目标平台的LabVIEW Real-Time是基于Venturcom Phar Lap公司的ETS实时操作系统，可用于于小型minitower Dell Optiplex PC上。在这种情况下，包含单一实时内核（kernel）的专用RTOS将被下载到台式电脑的微处理器中。为专用RTOS开发的应用程序可在另一台主机上开发，然后下载到实时目标平台上。同样的架构可以用于所有的NI实时硬件目标平台。

图1 软件架构

用于RTX目标平台的LabVIEW Real-Time是基于Venturcom RTX实时操作系统，可在运行Venturcom RTX RTOS的任何PC上使用。在这种情况下，经扩展的实时操作系统被下载到台式PC的微处理上。RTOS扩展包括实时内核（kernel）和共享相同处理器的非实时内核（kernel）。使用这种双内核架构，您可以在同一台机器上运行主机应用程序和实时系统。

利用该架构，可为实时任务分配更高的优先级；Windows任务只能在所有实时任务处于休眠状态下被执行。然而，由于实时和Windows应用程序共享相同的硬件资源，如果Windows操作长时间占用硬件，（例如占用数据总线用于传送来自CD ROM的大量数据），实时任务在该操作完成之前将无法使用此硬件。这种情况可能会导致实时和Windows任务的优先级错位*。因此，必须小心避免出现这种资源竞争情况，这需要有效地限制运行在Windows环境下程序的功能。

图2 RTX软件架构

*优先级错位是指低优先级线程阻塞执行高优先级线程的情况。通常在资源竞争时会出现这种情况。

PXI实时系统

实时PXI系统包括牢固的机箱，嵌入式控制器和插入式I/O模块。使用ETS目标平台的LabVIEW Real-Time，通过把专用RTOS和应用程序软件下载到专用微处理器上，您可以将嵌入式控制器转变为实时控制器。这样，嵌入式软件就可以访问所有的PXI系统中所有的I/O，充分利用PXI高级定时和同步功能以获得精确的I/O触发和多模块间同步。
　

Lockheed Martin和G Systems公司通过使用LabVIEW Real-Time和PXI，开发出F-35联合战斗机的风洞测试系统。新的测试系统的开发只用了四个月时间，代替了基于VME设备进行采集、分析和储存动态压力数据，这些数据来自下一代喷气式战斗机发动机的设计。最终的系统使用NI PXI-4472动态信号采集模块同步采集128个通道的动态压力测量数据。选用LabVIEW Real-Time是因为它能保证测试系统具有最佳的可靠性，从而避免了其它不必要的测试。

使用LabVIEW Real-Time和PXI以后，Lockheed Martin的工程师们现在配置的系统比他们早先的VME设备快10倍，同时通道的数量也增加了2倍。此外，测试周期由2秒钟缩短到50ms。

请访问http://digital.ni.com/csma.nsf/IntAllCSDocs/37D5124EF0C1EB5486256D090068231C?OpenDocument&node=124100_US，参看NI用户解决方案——Lockheed Martin Reduces Costs and Time Testing F-35 Joint Strike Fighter with LabVIEW，获得更多有关该应用的信息。

FieldPoint 和 Compact FieldPoint实时系统

FieldPoint 和Compact FieldPoint系统包括一个运行实时操作系统的嵌入式处理器控制器和各种I/O模块。这些系统具有坚固的硬件结构，能在工业环境下工作。利用一种发布/获取通信协议——NI Logos，能和其它网络节点共享最近的I/O值和内存标记，FieldPoint 和Compact FieldPoint系统的软件架构非常适合于分布式应用。

壳牌全球解决方案使用LabVIEW Real-Time和FieldPoint分布式I/O开发了用于输油管道的铁棒抑制（Slug Suppression）系统。实时控制系统通过抑制严重的节涌和由于无天然气喷涌而引起的铁棒不稳定状态从而减少生产浪费。该控制系统包括放置在升降端和第一层分离器的小型分离器。LabVIEW Real-Time和FieldPoint系统控制小型分离器气体流量和液体流量阀门。

所有LabVIEW的控制算法可在PID控制工具包中实现。和PLC和DCS工具相比，LabVIEW 提供一套恰当的工具并将快速实现系统所需的复杂控制算法的抽象出来。此外，FieldPoint系统还包括和现有系统通信的串口以及远程控制点和多种工作方式。使用内置的冗余特性，假定在系统崩溃时需4个小时的修复时间，系统的有效性仍可高达99.95%。

请访问http://digital.ni.com/csma.nsf/IntAllCSDocs/CA24A0C33B3F090C86256BAD0064D3F1?OpenDocument&node=124100_US，参看NI用户解决方案——Shell Stabilizes Long Pipeline-Riser Gas/Liquid Flow，获得更多有关该应用的信息。

紧凑型视觉实时系统

Compact Vision System（紧凑型视觉系统）是小型坚固的系统，为自动化检测这样的机器视觉应用进行了优化。一个小型Compact Vision System包括1个运行实时操作系统的嵌入式处理器、3个IEEE 1394 DCAM摄像头接口、1个本地视频显示接口、以太网口、15个数字输入和14个数字输出端口。

LabVIEW Real-Time硬件平台的比较

不同的LabVIEW Real-Time硬件平台适合于不同的应用。PCI和PXI系统能提供最佳的性能，而Compact FieldPoint和Compact Vision System提供最为坚固的硬件结构。在这一节，我们将比较各个LabVIEW Real-Time硬件平台的关键部分：I/O、性能和物理属性。

可用的I/O种类

运行ETS RTOS的PXI和台式PC有种类最多的I/O，使用NI和第三方PCI和PXI/CompactPCI模块，它能提供的信号接口有：模拟、数字、计数器/定时器、图像、运动控制、内存映射、串口、GPIB、CAN和其它接口。由于这些系统能提供的I/O种类最为丰富，所以编程要比FieldPoint和Compact FieldPoint系统复杂。对于FieldPoint 和Compact FieldPoint，I/O定时由I/O硬件定义；因此应用程序接口（application program interface ，API）相比其它平台为少。

通过LabVIEW软件编程，运行ETS或RTX的台式PC，PXI和Compact Vision System也能和LabVIEW FPGA目标平台、NI可配置I/O硬件协同工作。使用这种特殊级别的自定义功能，工程师们可以定义硬件操作来定制数字协议、板载处理和快速决策。

经过设计，使用经以太网连接的多个节点，所有LabVIEW Real-Time系统都能在分布式的架构下顺利地运行。而且，运行ETS RTOS的台式PC和PXI系统能够使用NI MXI来进行软件透明的I/O扩展
（software-transparent I/O expandability）。通过MXI，您可以菊花形链接（daisy-chain）两个或多个PXI机箱，这样您就可以用一个PXI或台式PC控制器来控制所有的I/O。

表2 LabVIEW Real-Time系统的输入/输出比较

PXI系统

表3列出了现有LabVIEW Real-Time PXI系统能够使用的I/O系列模块。表中每列代表开发系统和具有相应I/O的RTOS目标平台的不同组合。

表3 可用于LabVIEW Real-Time PXI系统的NI I/O模块

台式PC

表4列出了可用于LabVIEW Real-Time台式PC系统的I/O系列模块。表中每列代表开发系统和具有相应I/O的RTOS目标平台的不同组合。

表4 可用于LabVIEW Real-Time台式PC系统的NI I/O模块

FieldPoint 和 Compact FieldPoint

LabVIEW Real-Time FieldPoint 和Compact FieldPoint系统可以使用所有的FieldPoint 和Compact FieldPoint I/O模块。表5列出了可使用的I/O系列模块。

表5 可用于LabVIEW Real-Time FieldPoint和Compact FieldPoint系统的NI I/O模块

性能

LabVIEW Real-Time系统的性能可根据确定性执行、I/O定时、触发、同步和处理器的速度这几个方面来评价。确定性是所有实时系统最为基本的部分，它决定一个系统在多大程度上能始终保持固定时间内完成给定操作的能力。操作系统、软件架构、应用软件和I/O定时及同步能力的集成都会影响确定性。处理器速度则决定最小的循环周期时间。

表6 LabVIEW Real-Time系统性能比较

PXI和PCI实时平台

NI PXI和PCI实时平台具有最快的处理器，为高速数据传送优化的数据总线和多设备同步的时钟信号。所有这些设备的定时都可以通过编程来实现。使用LabVIEW和驱动API，您能设定输入信号的采样频率和输出信号的更新速率。例如，图3的LabVIEW代码使用NI-DAQmx和PXI或PCI E系列数据采集硬件来实现硬件定时的单点闭环控制。

在循环开始前，设定板卡的模拟输入和模拟输出使用同一个时基，这样能确保I/O同步。在循环内，软件获取最新的模拟输入信号，执行PID运算，并在下一个采样时钟上升沿到来前及时更新模拟输出缓冲器。

图3 硬件定时单点闭环控制的LabVIEW VI

该示例也能通过模拟输入采样时钟上升沿来使同步各个软件循环。因而只要能在一个采样周期内完成所有的软件运算，那么受控系统的时间抖动只来自于硬件时钟。所以，PXI和PCI实时平台在运行毫秒级循环时，其时间抖动能降低到3到4纳秒。

图4 控制循环周期时间示意图

使用PXI触发总线，您可以把硬件定时扩展到两个或多个I/O模块，这样就可以同步多模块之间的操作。PXI定义了8条高度灵活的触发线，它们可用于多种应用。例如，触发可用于同步几种不同的PXI外部模块间的操作。在其它的应用中，一个模块可以控制经过精确定时的操作序列，这些操作可能在系统中的其它模块上运行。此外，在监控异步外部事件时，多个模块可共享触发信号以确定性地响应此事件。根据事件的复杂性和数量，一个特定的应用对触发数量的要求也有所不同。

使用PXI星形触发总线能进一步降低系统的时间抖动。星形触发总线是在星形触发插槽（邻近系统插槽的第一个外部插槽）和其它外部插槽之间的一条专门的触发线。PXI星形触发在强化总线式触发方面有两个独特的优势。第一是保证了系统的每个模块都有独立的触发线。对于大型系统，这样能避免多个模块功能共同一条触发线或者人为地限制可使用的触发次数。第二个优势是由于出发来自同一个触发点，这样就保证了模块间触发延时最小。为了在各个模块间有非常精确的触发关系，PXI背板定义了特殊布线的要求，以使星形触发线能提供相匹配的传输时间，即星形触发槽到每个模块的时间。

FieldPoint 和Compact FieldPoint系统

FieldPoint 和Compact FieldPoint系统的设计小巧而紧凑，此外硬件模块确定了每个I/O模块独特的固定采样率。所以，和PXI和PCI相比这些系统的I/O编程非常少。

图5是闭环模拟PID控制应用程序的例子。在循环内部，软件获取最新的模拟输入采样，执行PID计算并把下一个模拟输出值送到输出模块。软件循环的定时由软件时钟来控制。

对于FieldPoint 和Compact FieldPoint系统，由于其I/O定时是由硬件模块决定的，因而这些系统可并行执行三种异步循环：

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  输入通道更新从输入模块发出到软件控制循环

  
  
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  软件控制循环运行在嵌入式控制器上

  
  
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  输出通道更新——从软件控制循环发出到输出模块

所以，这些系统最适合于控制循环速率低于200 Hz的应用。

物理特性

除了确定性，实时操作系统还具有较高的可靠性，这是因为它们是改进过的专用操作系统，仅使用很少的资源并且消除了标准操作系统的脆弱性。结合可靠的软件架构和可更改的硬件，LabVIEW Real-Time平台具备了适合工业环境的高可靠性。

表7 LabVIEW Real-Time系统的物理特性比较

National Instruments提供多种坚固的实时硬件平台，把LabVIEW Real-Time的应用空间扩展到比较恶劣的环境之中。在那里硬件要经受剧烈的温度、撞击、振动和间歇停电的考验。经过设计，Compact FieldPoint、 Compact Vision System和 PXI-8145 RT嵌入式控制器没有可活动部件，避免了最常由振动和撞击引起的工作失常。Compact FieldPoint经过设计可在很宽的温度范围下工作，从-25 到60 oC，这样就消除了由于过热而导致的工作失常。它们还有冗余的电源输入接口，能无缝地和备用电池相连。此外，经过认证，Compact FieldPoint系统符合下列工业标准。

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  低压指导，欧洲CE市场指导(73/23/EEC)

  
  
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  测试和测量，控制和实验室电子设备欧共体（EN）和国际（IEC）安全标准(EN 61010-1, IEC 61010-1)

  
  
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  过程控制设备（UL 3121-1，UL 61010C-1）

  
  
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  测试和测量，控制和实验室应用安全标准(CAN/CSA C22.2 No. 1010.1)

  
  
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  危险区域（一类，2部，2区）

小巧而坚固的设计使Compact FieldPoint 和 Compact Vision系统有最佳的便携性。Compact FieldPoint还具有带I/O模块螺钉扣的硬质背板。

结论

LabVIEW Real-Time可用于开发各种应用，包括高可靠性的测试系统、确定性的闭环控制应用和独立操作系统。通过选择不同的硬件平台，您总可以找到合适的硬件来满足您的应用在I/O、性能和尺寸方面的要求。