Häufig gestellte Fragen (FAQs) zu Multifunktions-Datenerfassungskarten der R-Serie von NI

Rekonfigurierbare I/O-Technologie (RIO) von National Instruments ermöglicht die Erstellung benutzerdefinierter Datenerfassungssysteme mithilfe rekonfigurierbarer FPGA-Bausteine (Field-Programmable Gate Array) und der grafischen Entwicklungsumgebung NI LabVIEW. Die Multifunktions-Datenerfassungsgeräte der R-Serie von National Instruments bieten ein besonders gutes Preis-Leistungs-Verhältnis, da sie RIO-Technologie mit acht Analogeingängen, acht Analogausgängen sowie 96 Digital-I/O-Kanälen in einem einzigen Gerät integrieren, das auf Standard-PC-Formfaktoren wie z. B. PCI, PCI Express und PXI/CompactPCI angeboten wird. Mit dem LabVIEW FPGA Module lassen sich individuelle Hardwareeigenschaften für benutzerdefinierte Datenerfassung, Steuerung, Regelung, digitale Kommunikationsprotokolle, Sensorsimulation und integrierte Signalverarbeitung erstellen – auch ohne detaillierte Kenntnisse von Hardwarebeschreibungssprachen.

Abb. 1: Geräte der R-Serie werden in Standard-PC-Formfaktoren wie z. B. PCI, PCI Express und PXI/CompactPCI angeboten.

Weitere Informationen zu Geräten der R-Serie

Die neuen Multifunktionsdatenerfassungskarten der R-Serie sind: NI 7841R, NI 7842R, NI 7851R, NI 7852R, NI 7853R und NI 7854R. Tabelle 1 führt alle Funktionen dieser neuen Geräte auf, wie z. B. simultane Update-Raten an Analogeingängen von 750 kS/s, simultane Abtastraten an Analogausgängen von 1 MS/s und leistungsstarke Virtex-5-FPGA-Bausteine. Alle zehn Geräte der R-Serie können mit dem LabVIEW FPGA Module programmiert werden.

Tabelle 1: Multifunktions- und digitale Datenerfassungskarten der R-Serie

Die neuen Geräte der R-Serie bieten leistungsstarke Virtex-5-FPGAs, die über verbesserte Funktionen für eine schnellere Codeausführung verfügen. Des Weiteren können die FPGAs mehr LabVIEW-Code aufnehmen als Geräte vorheriger Generationen. Virtex-5-FPGAs besitzen 6-Eingangs-LUTs (Look-Up-Tables) für eine verbesserte Ressourcennutzung und DSP-Slices, welche die Implementierung komplexerer Funktionen zur Digitalsignalverarbeitung bei schnelleren Taktraten ermöglichen. Die neuen LX30-FPGAs der Virtex-5-Familie sind ca. doppelt so groß wie die FPGAs mit 1 Mio. Gattern der Virtex-II-Familie, während die LX50-FPGAs der Virtex-5-Familie geringfügig größer sind als die FPGAs mit 3 Mio. Gattern der Virtex-II-Familie.

Vergleichen Sie Virtex-II-FPGAs mit Virtex-5-FPGAs anhand des Whitepapers LabVIEW-FPGA-Bewertungskriterien für Geräte der R-Serie mit Virtex-5.

Zusätzlich ist das neue Modul NI PXI-785xR in der Lage, auf allen acht Analogeingangskanälen bei 16 bit Auflösung mit einer Rate von 750 kS/s abzutasten. PID-Regelschleifen können nun mehr als 3,5-mal so schnell ausgeführt werden, als mit Geräten vorheriger Generationen und durch die parallele Ausführung von FPGAs müssen mehrere Regelschleifen keine Prozessorbandbreite mehr teilen. Schnellere Analogeingangsraten verbessern zudem die Genauigkeit von Analogtriggern und die Funktionen für Frequenzmessungen.

Für die Geräte der R-Serie ist die Treibersoftware NI-RIO Version 3.2 oder höher erforderlich. Falls Sie über eine frühere Version von NI-RIO verfügen, können Sie kostenlos auf die neueste Version aktualisieren.

Die Anzahl der Gatter war bisher die Grundlage für den Vergleich von FPGA-Bausteinen mit der ASIC-Technologie, allerdings gibt dies keinen wirklichen Aufschluss über die Bestandteile eines FPGAs. Dies ist einer der Gründe, warum Xilinx bei der neuen Virtex-5-Familie auf die Angabe der Gatteranzahl verzichtet. LabVIEW-FPGA-Vergleiche haben gezeigt, dass die neuen LX30-FPGAs der Virtex-5-Familie ca. doppelt so groß wie die FPGAs mit 1 Mio. Gattern der Virtex-II-Familie sind, während die LX50-FPGAs der Virtex-5-Familie geringfügig größer sind als die FPGAs mit 3 Mio. Gattern der Virtex-II-Familie. Die Virtex-5-LX85- und Virtex-5-LX110-FPGAs sind sogar noch größer.

Leider ist es sehr schwierig, festzustellen, welche FPGA-Größe für eine Anwendung erforderlich ist. Das LabVIEW FPGA Module und die Treibersoftware NI-RIO ermöglichen die Kompilierung von Blockdiagrammen ohne jegliche Hardware. Deshalb ist es am einfachsten, auszuprobieren, welche Ressourcen benötigt werden.

Die folgende Auflistung dient als grobe Richtlinie für die Auswahl des passenden FPGAs. Anwendungen mit grundlegenden Timing-, Trigger- und Synchronisationsfunktionen im FPGA benötigen einen kleinen FPGA. Anwendungen, die zusätzlich noch Signalverarbeitungsfunktionen (Steuerung/Regelung, digitale Filterung, komplexe analoge Triggerung) beinhalten, benötigen einen größeren FPGA, der mehr Ressourcen zur Verfügung stellt.

Nähere Informationen zur Funktionsweise von FPGAs finden Sie im Whitepaper Wie funktionieren FPGAs.

In der Regel sollte ein Programm, das mit einem Virtex-II-FPGA mit 1 Mio. Gatter kompiliert wurde, auch von einem Virtex-5-LX30-FPGA (oder größer) kompiliert werden. Das Gleiche gilt für Virtex-II-FPGAs mit 3 Mio. Gattern und Virtex-5-LX50-FPGAs (oder größer). Da beide FPGA-Familien jedoch unterschiedlich aufgebaut sind, gibt es keine Garantie, dass die Programme mit beiden Produktfamilien gleich ausgeführt werden können.

Mit dem LabVIEW FPGA Module und dem Treiber NI-RIO können Blockdiagramme ohne jegliche Hardware kompiliert werden. Um Unterstützung für die neuen Geräte der R-Serie mit Virtex-5-FPGAs zu gewährleisten, laden Sie sich hier Ihr kostenloses Treiber-Upgrade herunter.

Abb. 2: NI PXI-7852R mit Virtex-5-FPGA-Chip (rot markiert)

Die neue Virtex-5-FPGA-Architektur wurde mithilfe von zeitgesteuerten Schleifen im LabVIEW FPGA Module für eine schnellere Ausführung und größere Effizienz optimiert. Die grundlegenden Bestandteile für digitale Logik im FPGA-Chip werden Slices genannt. Jedes Slice besteht aus Flipflops und LUTs. Die älteren Virtex-II-FPGAs verfügen über 4-Eingangs-LUTs mit bis zu 16 Kombinationen aus digitalen Logikwerten. Die neuen Virtex-5-FPGAs nutzen 6-Eingangs-LUTs mit bis zu 64 Kombinationen. Dies erhöht die Anzahl der Logikfunktionen pro Slice. Zusätzlich werden die Slices näher aneinander platziert, um die Laufzeit der Elektronen zu verringern und somit eine schnellere Ausführung zu gewährleisten. Das bedeutet, die zeitgesteuerte Schleife in LabVIEW-FPGA-Anwendungen kann 6-Eingangs-LUTs verwenden, um die Ressourcennutzung wesentlich zu verbessern. Dies bedeutet, dass mehr LabVIEW-FPGA-Code in einem Virtex-5-FPGA untergebracht werden kann und mehr Operationen pro Taktrate ausgeführt werden können.

Erfahren Sie mehr zu den Vorteilen der Virtex-5 FPGAs von Xilinx.

Nein. Mithilfe des LabVIEW FPGA Module lässt sich grafischer Code direkt von LabVIEW in den FPGA eines R-Serien-Geräts überführen. Kenntnisse über die Kompilierung von LabVIEW-Blockdiagrammen in VHDL können durchaus hilfreich sein, es sind jedoch keine Kenntnisse über FPGAs oder VHDL notwendig, um LabVIEW verwenden zu können. LabVIEW eignet sich für Ingenieure, welche die Vorteile der FPGA-Technologie für Hardwaredesign nutzen möchten, jedoch über wenige Kenntnisse in Low-Level-Hardwarebeschreibungssprachen, wie z. B. VHDL oder Verilog, verfügen.

Erfahren Sie mehr zum LabVIEW FPGA Module.

Ja, das LabVIEW FPGA Module ist zur Programmierung von Geräten der R-Serie erforderlich. Sollten Sie jedoch über bestehende VHDL-IP-Cores bzw. anderen VHDL-Code verfügen, den Sie weiterhin verwenden möchten, können Sie diesen über den HDL-Schnittstellenknoten oder als Component-Level-IP (CLIP) in ein LabVIEW-Blockdiagramm integrieren.

Diese Application Note beschreibt, wie externe IP in LabVIEW FPGA importiert wird.

Mithilfe der neuen C-Schnittstelle zu LabVIEW FPGA können Anwender den Echtzeitprozessor von FPGA-basierter Hardware von NI mit C-Werkzeugen wie z. B. NI LabWindows™/CVI und Microsoft Visual Studio programmieren sowie eine Schnittstelle zum LabVIEW-FPGA-Code schaffen, der auf dem FPGA ausgeführt wird. Der Code auf dem Host-Rechner kann also in C/C++ oder LabVIEW geschrieben sein, wohingegen der auf dem FPGA eingesetzte Code in LabVIEW FPGA geschrieben werden muss.

Erfahren Sie mehr über die C-Schnittstelle zu LabVIEW FPGA.

Anstelle eines festgelegten ASICs zur Steuerung der Gerätefunktionen besitzen Datenerfassungsprodukte der R-Serie einen benutzerdefinierbaren FPGA-Baustein für Onboard-Verarbeitung und flexible I/O-Operationen. Multifunktionsdatenerfassungsgeräte der R-Serie verfügen über einen dedizierten A/D-Wandler pro Kanal für unabhängige Timing- und Trigger-Funktionen. Dies ermöglicht spezielle Funktionen, wie z. B. unterschiedliche Abtastraten und Triggerung einzelner Kanäle, die in Datenerfassungshardware normalerweise nicht verfügbar sind. Die hardwaregetakteten Digital-I/O-Kanäle können z. B. flexibel als Zähler, PWM-Kanäle, flexible Encoder oder Kanäle für digitale Kommunikationsprotokolle festgelegt werden.

Alle Multifunktions-Datenerfassungsgeräte der R-Serie nutzen den Treiber NI-RIO und sind nicht mit NI-DAQmx oder NI-DAQmx Base kompatibel. Das NI Measurement Hardware DDK (Driver Development Kit) bietet Unterstützung für die Treiberentwicklung über Registerprogrammierung. Sobald eine LabVIEW-FPGA-Anwendung auf ein Gerät der R-Serie kompiliert und heruntergeladen ist, bietet das NI Measurement Hardware DDK Anleitungen zur Anbindung der Host-Anwendung an Register am FPGA über den PCI- oder PXI-Bus.

Das LabVIEW FPGA Module beinhaltet eine Palette mit Signalverarbeitungsfunktionen, u. a.:

• PID-Regelung
• Butterworth-Filter (Hochpass und Tiefpass)
• Notch-Filter
• Analoge Periodenmessungen
• DC- und RMS-Messungen

Ja. Alle Multifunktionsdatenerfassungsgeräte der R-Serie verfügen über dedizierte A/D- und D/A-Wandler für jeden Analogeingangs- und -ausgangskanal. Dies ermöglicht die simultane Abtastung bzw. Aktualisierung aller Kanäle. Die Kanäle können auch mit verschiedenen Raten abgetastet werden. Mithilfe der unabhängigen A/D-Wandler kann jeder Kanal des Geräts mit der maximalen Abtastrate (bis zu 750 kS/s) abgetastet werden. Die unabhängigen D/A-Wandler können so programmiert werden, dass sie Analogausgangskanäle mit Raten bis zu 1 MS/s aktualisieren.

Das LabVIEW-Blockdiagramm in Abbildung 3 zeigt, wie einfach simultane Abtastung/Aktualisierung der Analogein- und -ausgänge implementiert werden kann. Durch den Einsatz eines Analogeingangs-I/O-Knotens in LabVIEW FPGA, der alle acht Kanäle des Moduls NI PXI-7854R in derselben While-Schleife liest, ist das Programm in der Lage, alle acht Kanäle simultan mit 750 kS/s abzutasten. Die untere Schleife wird mithilfe des Analogausgangs-I/O-Knotens parallel ausgeführt und aktualisiert alle acht Analogausgangskanäle mit 1 MS/s.

Abb. 3: Simultane Abtastung/Aktualisierung der Analogein- und -ausgänge mit Geräten der R-Serie und LabVIEW FPGA

Ja. Mit den Erweiterungschassis der R-Serie NI 9151 für NI CompactRIO (siehe Abbildung 4) können Sie bis zu vier CompactRIO-I/O-Module pro Erweiterungschassis unterbringen und so leistungsstarke, industrietaugliche Signalkonditionierung erzielen. Das NI 9151 lässt sich direkt mit dem digitalen Anschluss an Datenerfassungsgeräten der R-Serie für PXI und PCI anbinden. Die Produktpalette von National Instruments bietet eine große Auswahl an I/O-Modulen, u. a. industrielle Digital-I/O-Module mit 24 V und bis zu 32 Kanälen pro Modul, elektromechanische Relais, Thermoelementeingänge mit ±80 mV, Analogeingänge für IEPE-Beschleunigungsmesser mit ±5 V sowie Analogausgänge zur simultanen Ausgabe von Spannungs- und Stromsignalen.

Abb. 4: Erweiterungschassis der R-Serie NI 9151 für CompactRIO

Erfahren Sie mehr zum Erweiterungschassis der R-Serie NI 9151 für CompactRIO.

LabVIEW FPGA eignet sich für zahlreiche Anwendungen, die benutzerdefinierte Hardware erfordern. Nachfolgend finden Sie eine kurze Liste mit Aufgaben, die mithilfe von LabVIEW FPGA und Geräten der R-Serie gelöst werden können:

• Signalverarbeitungsfunktionen wie z. B. Filter und FFT (Fast-Fourier-Transformation)
• Digitale Kommunikationsprotokolle
• Hochgeschwindigkeitsregelschleifen (analog/digital)
• Benutzerdefinierte Motorsteuerung
• Analog- und Digitalsignalerzeugung

Die Bezeichnung LabWindows ist lizenziert von der Microsoft Corporation. Windows ist ein in den USA und anderen Ländern eingetragenes Warenzeichen der Microsoft Corporation.