基于CompactRIO的PAC的特點及應用

彭小平++凌雙明

摘 要：簡要介紹了PAC、PLC、PC、工控機和FPGA，并闡述了它們之間的異同及其各自的優點。同時，還介紹了CompactRIO的開發過程，通過應用CompactRIO掃描模式、系統性能監測功能、NI分布式系統管理器、I/O強置工具來縮短CompactRIO的開發時間，降低測試系統的開發難度。

關鍵詞：LabVIEW；CompactRIO；PAC；掃描模式

中圖分類號：TP274+.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.005

1 PAC與PLC、PC和工控機的比較

PAC為可編程自動化控制器，它是結合了可編程序控制器和微機功能的新一代工業控制器，既具備帶邏輯編程的數字I/O，又有良好的循環速率、控制算法、功能和網絡集成。PAC結合了PC的軟件功能、豐富的圖形化編程和用戶環境，是一種更加靈活、高效、低成本的硬件。相對工控計算機而言，PAC的穩定性、可靠性和編程環境更好。

2 PAC與FPGA的比較

電子工程師們常用現場可編程邏輯器件（FPGA）開發、定制電子芯片。FPGA可以配置不同的邏輯塊、功能塊開發出電子芯片的輸入輸出模塊。開發商不需要生產專門的電子芯片，利用FPGA就可以開發出客戶需要的芯片。FPGA就像一臺計算機裸機，它的功能是由電子設計人員通過硬件描述語言來編程設置的。鑒于此，就需要那些熟悉硬件描述語言，比如VHDL的設計人員來開發產品。由于LabVIEW FPGA的出現，電子工程師們不需要掌握FPGA技術就可以掌握圖形編程語言。利用LabVIEW FPGA編程器開發FPGA芯片，能夠使其硬件具備定制的通信協議功能和高速循環等實時功能。

3 基于LabVIEW的PAC的特點

NI已經開發出了能運行LabVIEW程序的 PAC運載平臺。它的編程方式易于被設計工程師掌握，表達很直觀，類似于流程圖、功能圖等，利用簡潔的界面和控件就可以實現高級編程語言的功能。利用LabVIEW RT、LabVIEW FPGA、實時操作系統，可以將所需資料直接下載到FPGA（現場可編程門陣列）。CompactRIO是基于FPGA的可重復配置的控制和采集系統，其具有體積小、可靠性高、便攜的特點。將PAC與可重新配置I/O（RIO）、FPGA技術相結合，具有良好的性能，并且能夠靈活配置，適用于獨立、可靠的嵌入式或集散型測試控制系統中。其帶有可支持熱插拔功能的工業級別的I/O模塊。該模塊內置傳感器、調節器，具有信號調理功能。CompactRIO 有3種類型的嵌入式系統，即CompactRIO集成控制器及配件、R系列擴展系統及配件、獨立或分布式控制與采集系統，用戶可以根據需要選擇相應的系統。

4 CompactRIO的應用

4.1 LabVIEW Real-Time與主機VI的I/O直接連接

圖1 LabVIEW Real-Time與主機VI的I/O直接連接

過去，訪問CompactRIO I/O是通過FPGA編程來實現的。如圖1所示，在CompactRIO掃描模式下，LabVIEW Real-Time與主機VI的I/O可以直接連接，這樣讓CompactRIO應用系統更加簡單、快捷，并且CompactRIO掃描模式可以自動監測I/O模塊，并將其添加入LabVIEW項目中。如圖2所示，在LabVIEW實時系統下，在程序框圖中拖拽I/O變量可以直接訪問I/O，并立即讀寫經比例變換校準后的I/O數據，而且無需對FPGA編程和編譯。Real-Time組件中的用戶可以根據需要選擇I/O掃描速度。要想實現系統硬件不同模塊間的同步，可以定時控制系統的硬件。在LabVIEW項目程序中，可以為VI庫編程配置掃描引擎，通過其定時器的循環定時達到降低抖動的目的。CompactRIO掃描模式有8個通道，C系列模塊有計數、正交編碼、脈寬度調制等功能，不需編程就可以調用，它能夠在FPGA上精確、高速運行。

圖2 框圖I/O變量直接訪問I/O

4.2 NI分布式系統管理器的調試監測

在LabVIEW 8.6中，可以通過NI分布式系統管理器來監測網絡系統，以實現對數據的管理和發布。在CompactRIO的掃描模式下，系統管理器提供了測試前面板，如圖3所示。NI系統管理器在CompactRIO中加入測試前面板，這樣就可以快速啟動運行系統，系統聯網后也就能得到I/O的實時數據和歷史數據，以保證信號的準確度和完整性。CompactRIO掃描模式下的I/O強置工具可用于信號的調試和I/O值的設置，它不需要物理仿真，也不需要中斷實時程序，通過強制輸入、輸出便可測試系統的響應情況。

圖3 分布式系統管理器的快速啟動和運行

4.3 LabVIEW FPGA和CompactRIO掃描模式的應用

在LabVIEW 8.6的實時模塊中，可以利用CompactRIO掃描模式或LabVIEW FPGA連接每個模塊。LabVIEW FPGA可以實現信號的定義、處理和連接。在LabVIEW FPGA 模式下使用I/O模塊，只需將拖入LabVIEW 工程中的FPGA模塊編程，使用I/O變量讀寫其余模塊的I/O，如圖4所示。VI通過CompactRIO掃描模式來訪問輸入、輸出模塊，同時，LabVIEW FPGA對輸入的數據進行快速傅立葉變換。CompactRIO掃描模式中主要包含NI掃描引擎和RIO掃描接口。將RIO掃描接口下載在CompactRIO FPGA上，用于實現I/O模塊的定時掃描和檢測等功能，以達到循環掃描硬件的目的。RIO掃描接口在完成對I/O的掃描后，會將I/O變量添加到相應的內存映射中，并刷新當前所有I/O變量的值。在默認情況下，LabVIEW將I/O變量節點配置為掃描I/O，通過掃描引擎內存映射實現對I/O的讀寫。NI掃描引擎同時向網絡發布I/O變量，使其可以被主機應用、測試面板和I/O強置工具讀寫。

圖4 VI通過CompactRIO掃描模式訪問I/O

5 結論

LabVIEW主要使用的是一款支持圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發工具，其功能強大，具有許多高級編程語言才具備的編程功能。CompactRIO是基于LabVIEW開發的硬件平臺，LabVIEW 8.6版軟件實時模塊（CompactRIO掃描模式）在不需要對FPGA編程的情況下，能夠直接在LabVIEW Real-Time和主機應用程序中訪問I/O模塊，也可以在LabVIEW FPGA編程中訪問I/O模塊，通過對CompactRIO掃描模式的調試，系統性能的監測，NI分布式系統管理器、I/O強置工具的應用來縮短CompactRIO開發時間，降低測試系統的開發難度。

參考文獻

[1]吳平，張穎超.PAC技術的發展現狀及其應用前景[J].電氣傳動，2006（3）.

[2]李猛，金世俊.基于CompactRIO的應變采集系統的設計和實現[J].國外電子測量技術，2007（6）.

[3]王凱，李鋒.基于CompactRIO的電液伺服機構實時測控平臺設計[J].液壓與氣動，2013（5）.

————————

作者簡介：彭小平，男，講師，PLC高級技師，湖南省技術能手，工程碩士，主要從事PLC、計算機控制方面的研究。

〔編輯：白潔〕