Die LabVIEW-RIO-Architektur: Eine Stiftung im Dienste der Innovation

Bei der LabVIEW-RIO-Architektur werden vier Komponenten nahtlos integriert, um den ultimativen Baustein für innovative Designs zu erstellen: ein Echtzeitprozessor, ein anwenderprogrammierbarer FPGA, modulare I/O und eine vollständige Software-Toolchain zur Programmierung aller Aspekte der Architektur  

Abbildung 1 Die LabVIEW RIO-Architektur kombiniert Echtzeitprozessoren, anwenderprogrammierbare FPGAs, modulare I/O-Schnittstellen und eine vollständige Toolchain und stellt damit die ultimative Architektur für jede Steuer-, Regel- und Überwachungsanwendung dar.

Prozessor

NI bietet eine Reihe leistungsstarker Embedded-Prozessoren an, die von 667 MHz Dual-Core ARM A9, auf denen NI Linux Real-Time ausgeführt wird, bis zu 1,9 GHz Quad-Core Intel Atom reichen, auf denen NI Linux Real-Time oder WES7-Betriebssysteme ausgeführt werden. Der Prozessor kann mithilfe von C/C++ und der Cross-Compile-Unterstützung von NI Linux Real-Time oder mit der intuitiven LabVIEW G-Datenfluss-Programmiersprache programmiert werden, um gängige Aufgaben wie das Ausführen von Anwendungen, die Bearbeitung von Datensätzen, die Verarbeitung von Signalen, die Datenaufzeichnung und die Kopplung mit lokalen HMIs zu bewältigen.

FPGA

Das rekonfigurierbare FPGA (Field-Programmable Gate Array) bildet das Herzstück der LabVIEW-RIO-Architektur und kann zur Auslagerung kritischer oder intensiver Aufgaben vom Prozessor eingesetzt werden, um eine zuverlässige, deterministische Ausführung mit extrem hohem Durchsatz zu ermöglichen. Das FPGA ist direkt mit dem I/O verbunden und ermöglicht so eine leistungsstarke Signal- und Bildverarbeitung sowie anpassbare Timing-, Trigger- und Synchronisationsfunktionen. Und aufgrund der direkten Verbindung zwischen FPGA und I/O – und nicht über einen Bus – gibt es praktisch keine Latenz in der Steuerungsschleife, wodurch die für die fortschrittlichsten Steuerungsalgorithmen erforderliche Leistung erreicht wird. Mit dem FPGA kann ein einzelnes CompactRIO Chassis beispielsweise mehr als 20 analoge PID-Regelkreise (Proportional-Integral-Derivative) gleichzeitig mit einer Rate von 100 kHz ausführen. NI-Hardware, die auf der LabVIEW-RIO-Architektur basiert, basiert auf der neuesten FPGA-Technologie und Chipsätzen von Xilinx. 

Das LabVIEW FPGA Module ermöglicht die Programmierung von Embedded-FPGAs in einer intuitiven, grafischen Programmierumgebung, ohne Kenntnisse von Hardwarebeschreibungssprachen wie VHDL oder Verilog. 

Modulare I/O

Die I/O-Module der C-Serie von NI enthalten integrierte Isolations- und Konvertierungsschaltungen, Signalaufbereitung und direkte Anschlussmöglichkeiten für industrielle Sensoren, Aktoren, Sensoren und Aktoren für funktionale Sicherheit (SIL), Kameras, Motoren, Antriebe und industrielle Kommunikationsprotokolle wie Profibus, Profinet und EtherCAT.  NI bietet über 100 I/O-Module der C-Serie an. Mit dem Modul-Entwicklerkit können Sie benutzerdefinierte Module entwickeln, um anwendungsspezifische Anforderungen zu erfüllen.

Abbildung 2 Wählen Sie aus über 100 I/O-Modulen der C-Serie eine direkte Schnittstelle zu Sensoren, Motoren, Antrieben, Aktoren und industriellen Kommunikationsprotokollen aus.

Systemdesignsoftware LabVIEW

Mit der LabVIEW-Systemdesignsoftware kann jedes Element der LabVIEW-RIO-Architektur programmiert und benutzerdefiniert angepasst werden.  LabVIEW bietet Unterstützung für Programmiersprachen wie C/C++, IEC 61131-3 und G-Datenfluss, sodass Sie vorhandenen Programmcode und Programmierkenntnisse nutzen können.  Die Standardsoftwareumgebung verfügt über ein umfassendes Set an integrierten Mathematik- und Analysefunktionen, Signal- und Bildverarbeitungsalgorithmen sowie Netzwerk- und I/O-Schnittstellen-APIs.  Das NI Linux Real-Time Module ist ein quelloffenes Echtzeit-Betriebssystem, das auf der Angstrom-Distribution von Linux basiert. Es wird auf dem Embedded-Prozessor ausgeführt und ermöglicht einen zuverlässigen, deterministischen Betrieb sowie einen vollständigen Satz von APIs für die Datenaufzeichnung, den Datenübertragungsmodus und die benutzerdefinierte Verarbeitung und Analyse.  Das LabVIEW FPGA Module ermöglicht die Programmierung von Embedded-FPGAs in einer intuitiven, grafischen Programmierumgebung, ohne Kenntnisse von Hardwarebeschreibungssprachen wie VHDL oder Verilog.  Mit einer umfangreichen Community mit IP, Zusatzpaketen, Programmcode und Support bietet LabVIEW eine vollständige Toolchain für die Entwicklung von Embedded-Steuer-, Regel- und Überwachungssystemen auf der Grundlage der LabVIEW-RIO-Architektur.

Bei der Implementierung von Steuerungs- und Überwachungsanwendungen müssen Systementwickler alle relevanten Aspekte berücksichtigen, von der Erfassung und Verarbeitung bis hin zur Vernetzung, Synchronisierung und dem Timing.  Oftmals müssen die Systeme auch in irgendeiner Form gesteuert werden, sei es durch eine einfache digitale Ein-Aus-Steuerung oder durch hochkomplexe mehrachsige Bewegungssysteme.  Diese Anforderungen lassen sich in drei Kategorien zusammenfassen: Rechenleistung, Konnektivität und Steuerung.

Abbildung 3 Steuerungs- und Überwachungssysteme für IoT erfordern Rechenleistung, Konnektivität und Steuerung.  

Rechenleistung

Die Systeme können eine Reihe von Verarbeitungsalgorithmen und Analyseroutinen ausführen, die von komplexer Mathematik bis zu boolescher Logik reichen.  

Konnektivität

Digitale Systeme müssen über Sensoren mit der physischen Welt sowie mit anderen digitalen Systemen wie Unternehmensnetzwerken, Datenbanken, cloudbasierten Diensten und auch mit anderen Maschinen, Geräten und der Infrastruktur vernetzt werden.  Weitere Informationen zu den neuesten Entwicklungen im Bereich der Konnektivität finden Sie auf der Seite Entwurf von verteilten TSN-Ethernet-basierten Messsystemen.

Steuerung

Embedded-Systeme verfügen häufig über Ausgaben, die als Ergebnis interner Algorithmen und Analysen erzeugt werden.  Mit diesen Ausgaben können Motoren, Relais oder Aktoren gesteuert werden.

Die LabVIEW-RIO-Architektur eignet sich ideal für Systeme, die Rechenleistung, Konnektivität und Steuerung erfordern.  Die modulare I/O verfügt über eine anpassbare Schnittstelle, mit der sich praktisch alle Konnektivitätsanforderungen erfüllen lassen – analoge und digitale Sensoren, industrielle Kommunikationsprotokolle, benutzerdefinierte I/O und sogar spezielle I/O wie Kameras und Motoren.  Benutzerprogrammierbare Prozessoren und FPGAs können zur Implementierung fortgeschrittener Signal- oder Bildverarbeitung, zur Durchführung komplexer Berechnungen und zur Ausführung von Entscheidungsalgorithmen verwendet werden.   Insbesondere FPGAs eignen sich aufgrund ihrer naturgemäß schnellen, deterministischen und parallelen Ausführung ideal für die Steuerung – sie führen Dutzende von Steuerschleifen parallel aus, jede mit einzigartigen Timing- und Datenübertragungsmodi im Bereich von kHz- bis MHz-Schleifengeschwindigkeiten.  

Abbildung4 Die LabVIEW-RIO-Architektur eignet sich ideal für Systeme, die Rechenleistung, Konnektivität und Steuerung erfordern.

NI verfügt über eine große Auswahl an Hardware-Zielgeräten, die auf der LabVIEW-RIO-Architektur basieren.  Sie können aus einem Spektrum von Größen, Leistungsmerkmalen und Preisklassen auswählen, um die individuellen Anforderungen Ihrer Anwendung zu erfüllen. Gleichzeitig profitieren Sie von einer konsistenten Architektur, die Ihnen die Wiederverwendung von Programmcode über verschiedene Zielgeräte hinweg und die Nutzung einer einheitlichen Softwareumgebung von der Simulation und Prototypenerstellung bis hin zu Design, Validierung und Bereitstellung ermöglicht.  

Abbildung 5 Unabhängig davon, ob Sie die geringe Größe von Single-Board RIO, die Robustheit von CompactRIO oder die extrem hohe Leistung von FlexRIO benötigen, können Sie eine einheitliche Systemdesignsoftware verwenden und den Programmcode nahtlos auf alle Zielgeräte zur Bereitstellung portieren.

Die Integration von Hardware und Software bietet eine komplette Plattform für jede Anwendung im Bereich Embedded Control oder Embedded Monitoring.  

• Sie müssen nicht mehr bei Null anfangen, weil Sie eine anpassbare Standardplattform nutzen.
• Erfüllung der Anforderungen an die Rechenleistung, Konnektivität und Steuerung, die für Embedded- und IoT-Anwendungen üblich sind
• Erfüllung der sich im Laufe der Zeit ändernden Anforderungen mit flexiblen, skalierbaren und vor Ort programmierbaren Produkten
• Wählen Sie aus einer Vielzahl von hochwertigen Formfaktoren, Preisklassen und Leistungsoptionen aus
• Nutzung einer konsistenten Softwareumgebung für die Programmierung aller Elemente des Systems und über alle Entwurfsphasen hinweg

Lernen Sie Kundenlösungen kennen, die auf der LabVIEW-RIO-Architektur basieren:

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