Открытая архитектура CompactRIO

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОБНИНСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ - филиал

Федерального государственного автономного образовательного учреждения   высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский  ядерный университет «МИФИ» (ИАТЭ НИЯУ МИФИ)

Факультет кибернетики

Кафедра КССТ

 

 

 

 

УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ  РАБОТА

Система контроля освещенности

 

 

 

 

Студент гр. ВТ2– С08    _____________________  Ковтун Д. А.

 

 

 

 

Руководитель   _____________________  Подвысоцкий Р.Г.

 

 

 

 

Обнинск 2012

Оглавление

Введение 3

1. Открытая архитектура CompactRIO 5

1.1. Технологии реконфигурируемого ввода/вывода 8

1.2. Физические характеристики 10

2. LabVIEW 17

2.1. Программы LabVIEW 17

2.2. Сбор данных в labview 18

2.3. 4 компонента системы сбора данных 19

Заключение 23

Список литературы 24

Приложение 25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 

 

Введение

NI CompactRIO представляет собой  надежную промышленную компактную  систему управления и сбора  данных, возможности которой расширены,  благодаря технологии реконфигурируемого  ввода/вывода ПЛИС.

Рисунок 1- Система управления NI CompactRIO

 

Продукты линейки CompactRIO отличаются высокой производительностью  и гибкостью настройки, а также  позволяют создавать пользовательские контрольно-измерительные системы. NI CompactRIO сочетает в себе процессор  реального времени и реконфигурируемую  ПЛИС, позволяющие создавать автономные встраиваемые и распределенные приложения, а также промышленные модули ввода/вывода со встроенным согласованием сигналов, возможностью прямого подключения  датчиков и поддержкой горячего подключения. Платформа CompactRIO представляет собой  недорогую архитектуру с открытом доступом к низкоуровневым аппаратным ресурсам. Системы на базе CompactRIO разрабатываются  с использованием инструментов высокопроизводительной графической среды разработки приложений LabVIEW. Используя CompactRIO, вы сможете в  кратчайшие сроки создавать контрольно-измерительные  системы, способные конкурировать  по производительности и оптимизации  с оборудованием ведущих фирм.

Платформа NI CompactRIO включает в себя более 10 контроллеров реального  времени cRIO-90хх на базе производительных процессоров, поддерживающего операции с плавающей точкой; семейство cRIO-910x четырех- и восьми-слотовых реконфигурируемых  шасси, включающих в себя ПЛИС c 1 или 3 миллионами логических вентилей; а  такжеболее 50 модулей ввода/вывода различного типа, начиная от термопарных модулей с диапазоном измерения сигналов ±80 мВ и заканчивая 250 VAC/VDC универсальными модулями цифрового ввода. Системы CompactRIO могут быть исполнены еще и в варианте с интегрированным контроллером реального времени. Программное обеспечение для систем на базе CompactRIO разрабатывается с использованием LabVIEW, LabVIEW Real-Time Module и LabVIEW FPGA Module.

Интегрированные системы CompactRIO работают с восьми-слотовыми шасси, содержащими программируемую ПЛИС и поддерживающими горячую замену промышленных модулей ввода/вывода. Эта недорогая архитектура предоставляет  пользователям открытый доступ к  низкоуровневым аппаратным ресурсам ПЛИС, тем самым существенно уменьшая время, затрачиваемое на разработку пользовательских автономных и распределенных контрольно-измерительных систем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Открытая  архитектура CompactRIO

Система на базе CompactRIO объединяет в себе встраиваемый процессор реального  времени и высокопроизводительную ПЛИС, необходимую для выполнения задач реконфигурируемого ввода/вывода. ПЛИС-ядро такой системы обладает встроенными механизмами передачи данных во встроенный процессор реального  времени для их последующего анализа, обработки и сохранения, а также  для связи с внешними компьютерами.

 

Рисунок 2 - ПЛИС

 

CompactRIO обеспечивает прямой  аппаратный доступ к электрическим  цепям каждого из модулей ввода/вывода  посредством простейших функций,  реализованных в LabVIEW FPGA Module. При  этом каждый из модулей ввода/вывода  содержит в себе встроенные  разъемы, систему согласования  сигналов, цепи преобразования (такие  как ЦАП и АЦП), а также изоляционные  барьеры. Подобная схема представляет  собой недорогую архитектуру  с открытым доступом к низкоуровневым  аппаратным ресурсам.

 
Шасси

Реконфигурируемое шасси  с ПЛИС является сердцем системы NI CompactRIO со встроенным контроллером реального  времени. На базе встроенной в шасси  реконфигурируемой ПЛИС вы можете реализовывать  свои пользовательские приложения управления, синхронизации и запуска цифрового  и аналогового ввода/вывода сигналов. В данной системе ПЛИС соединена  со всеми измерительными модулями, установленными в шину, по топологии звезда, что обеспечивает возможность прямого доступа к каждому из них, и позволяет осуществлять их гибкую и точную синхронизацию. При этом локальная PCI шина обеспечивает высокопроизводительное соединение ПЛИС с процессором реального времени. Реконфигурируемое шасси, как и все другие компоненты платформы CompactRIO, выполнено в надежном металлическом корпусе.

Реконфигурируемое шасси  с интегрированным контроллером сочетает в себе контроллер реального  времени, ПЛИС и восемь слотов для  подключения модулей ввода/вывода и позволяют создавать недорогие  многоканальные распределенные системы  сбора данных и управления. Рабочий  температурный диапазон от -20С до +55С 

Рисунок 3- Реконфигурируемое шасси  с интегрированным контроллером

Контроллеры

В системах CompactRIO контроллером реального времени используются промышленные процессоры класса Pentium с частотами от 266 до 800 МГц, на котором производится выполнение LabVIEW Real-Time приложений с детерминированным временем исполнения отдельных операций. Вы можете использовать тысячи функций, поставляемых с LabVIEW, для построения своей собственной многопотоковой контрольно-измерительной системы, работающей в масштабе жесткого реального времени. Входящий в систему контроллер может поддерживать связь с удаленными компьютерами по сети Ethernet (10/100/1000 Мбит/сек), и обладает встроенными WEB и FTP серверами. Возможности, предоставляемые WEB-сервером, позволяют автоматически публиковать в сети лицевые панели ваших приложений, исполняемых на контроллере, тем самым, предоставляя удаленным пользователям возможность мониторинга и управления вашим приложением. Контроллер реального времени может запитываться напряжением 11-30 В, обладает DIP переключателем, позволяющим проводить его конфигурацию, набором световых индикаторов состояния, тактовым генератором реального времени, сторожевым таймером и другими особенностями.

Рисунок 4 – Контроллер CompactRIO с  шасси 

 
Модули ввода-вывода

Каждый модуль ввода/вывода CompactRIO включает в себя встроенную систему  согласования сигналов, а также винтовые терминалы, BNC или D-Sub разъемы. На данный момент времени пользователям доступен широкий набор модулей ввода/вывода, включая термопарный модуль с  диапазоном входных сигналов ±80 мВ, модули одновременного аналогового  ввода/вывода сигналов с нескольких каналов с диапазоном ±10 В, модули цифрового ввода/вывода с промышленным напряжением 24 В и током до 1 А, ТТЛ цифровые модули с регулируемым выходом для энкодеров, и 250 Vrms универсальные  модули цифрового ввода. Наличие  в модулях встроенной системы  согласования сигналов, а также поддержка  расширенного диапазона напряжений и различных промышленных типов  сигналов позволяет напрямую подключать к модулям датчики и управляемые  устройства.

Рисунок 5 – Модули CompactRIO

 
1.1. Технологии реконфигурируемого ввода/вывода

Технология реконфигурируемого ввода/вывода National Instruments позволяет  осуществлять разработку контрольно-измерительных  систем на аппаратном уровне, используя  реконфигурируемую ПЛИС и инструментарий LabVIEW. Есть возможность в полной мере воспользоваться преимуществами использования  ПЛИС для автоматического создания высоко-оптимизированных электрических  цепей, реализующих функции ввода/вывода, управления приложением и связью.

 

Рисунок 6 – ПЛИС с кодом LabVIEW

 

 
Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС)

Разработчики контрольно-измерительного оборудования широко используют ПЛИС, в основном благодаря их высокой  производительности, возможности реконфигурирования, малым размерам и малым затратам на разработку приложений. Однако до сегодняшнего времени устройства на базе ПЛИС создавались  в основном производителями оборудования, нежели его пользователями, прежде всего, в силу сложности применения средств их разработки. Теперь вы с  легкостью можете воспользоваться  всеми преимуществами, предоставляемыми технологией реконфигурируемых  ПЛИС, при создании узкоспециализированных настраиваемых контрольно-измерительных  систем. При этом от вас не потребуется  знания достаточно сложных языков программирования ПЛИС, таких как, например, VHDL. С помощью CompactRIO вы сможете разрабатывать  свои собственные контрольно-измерительные  аппаратные цепи, синхронизация и  тактирование которых будет осуществляться с разрешением 25 нс.

 

Рисунок 7 – Схема ПЛИС

 

Устройства на базе ПЛИС обладают реконфигурируемой цифровой архитектурой, включающей в себя матрицу  конфигурируемых логических блоков окруженных периферийными блоками ввода/вывода. В пределах матрицы ПЛИС возможна произвольная маршрутизация сигналов, посредством управления программируемыми переключателями и коммутирующими линиями. В линейке продуктов CompactRIO поставляются четырех- и восьми-слотовые шасси с установленными ПЛИС на 1 или 3 миллиона логических вентилей.

 
 
Производительность 

Используя LabVIEW FPGA Module и  технологию реконфигурируемого ввода/вывода, можно создавать высокопроизводительные системы управления и сбора данных на базе устройств семейства CompactRIO. Цепи ПЛИС представляют собой реконфигурируемую  счетную машину, осуществляющую параллельную обработку данных и исполняющую LabVIEW приложения на аппаратном уровне микросхемы. Вы можете разрабатывать  на базе ПЛИС свои собственные схемы  управления и сбора данных с тактированием  и синхронизацией процессов с  точностью до 25 нс. В LabVIEW FPGA Module встроен  набор функций для работы с  ПЛИС, а также для реализации ПИД-регулирования, фильтрации сигналов, их линейной интерполяции, определения моментов изменения  знака сигнала, и цифрового синтеза  сигналов.

С помощью систем CompactRIO со встроенным контроллером реального  времени вы можете разрабатывать  многоконтурные аналоговые ПИД-регуляторы со скоростью исполнения цикла до 100 кГц. При этом созданные вами цифровые системы управления могут исполняться  с частотами до 1 МГц. Кроме этого  вы можете проводить множество различного рода логических операций на частотах до 40 МГц, определяемых частотой работы ПЛИС. Благодаря возможности параллельной обработки данных, заложенной в ПЛИС, добавление новых вычислений в программу, исполняемую на микросхеме, не приводит к уменьшению скорости исполнения приложений.

 
 
1.2. Физические характеристики

Линейка CompactRIO разработана  для использования в жестких  условиях и в ограниченном пространстве. В приложениях такого рода критическими параметрами являются размеры оборудования, его вес и плотность каналов. Используя преимущества в производительности и размерах, предоставляемые устройствами ПЛИС, CompactRIO сочетает в компактном и  сверхнадежном исполнении беспрецедентные  возможности по управлению и сбору  данных. Четырех-слотовая система со встроенным контроллером реального  времени обладает размерами 179.6 х 88.1 х 88.1 мм и весит 1.58 кг. Восьмислотовая система с установленными в нее  модулями ввода/вывода (32 канала) обеспечивает массовую плотность каналов 9.7 г/канал  и объемную плотность каналов 8.2 см3/канал.

 
Размеры (4-слотовая система) 179.6 х 88.1 х 88.1 мм  
Размеры (8-слотовая система) 274 х 88.1 х 88.1 мм  
Вес (типовая 4-слотовая система) 1.58 кг  
Вес (типовая 8-слотовая система) 2.48 кг  
Массовая плотность каналов (8-канальный модуль) 38.7 г/канал  
Объемная плотность каналов (8-канальный модуль) 32.9 см3/канал  
Массовая плотность каналов (32-канальный модуль) 9.7 г/канал  
Объемная плотность каналов (32-канальный модуль) 8.2 см3/канал  
 
 
Промышленные сертификаты

CompactRIO представляет собой  реконфигурируемую систему ввода/вывода, с возможностью установки в  нее контроллера реального времени,  сочетающую в себе надежность  встраиваемых систем и поддержку  ряда промышленных сертификатов  соответствия работе в жестких  условиях. Системы на базе CompactRIO могут использоваться в диапазоне  температур от -40 до +70 °C в потенциально  опасном и взрывоопасном окружении  (Class I, Div 2) и выдерживают ударные  нагрузки до 50 g. Большинство модулей  имеют изоляцию до 2300 Vrms. Каждый  из компонентов поставляется вместе с набором международных сертификатов безопасности, электромагнитной совместимости (EMC) и рядом климатических и имеющих отношение к окружающей среде сертификатов.

• Рабочий диапазон температур от -40 до +70 °C

• • Изоляция до 2300 Vrms
• • Ударные нагрузки до 50 g
• • Международные сертификаты безопасности, электромагнитной совместимости (EMC), климатические и имеющие отношение к окружающей среде сертиф икаты
• • Class I, Division 2 соответствие нормативам использования в потенциально опасном окружении
• • Напряжение питания от 11 до 30 В
• • Типовое потребление электроэнергии 7-10 Вт (17 Вт максимум)