Expansión de E/S para Sistemas LabVIEW RIO: Una Comparación Detallada

Visión General

Los productos de E/S reconfigurable (RIO) han sido usados en aplicaciones a nivel de sistema que requieren control de lazo cerrado de alta velocidad con medidas de alta precisión en una plataforma flexible de desarrollo. Algunas veces, estas aplicaciones requieren más canales o una arquitectura más distribuida que la que el sistema principal puede ofrecer. Los sistemas de expansión de E/S permiten una topología del sistema de 1 a N con un controlador y "N" arreglos de compuertas programables en campo (FPGAs) y nodos de E/S para sistemas flexibles de gran cantidad de canales que pueden realizar control y procesamiento distribuido.

Contenido

Todo Comienza con el Bus

Las necesidades de sistemas de gran cantidad de canales son diversas y la plataforma de expansión de E/S de National Instruments ofrece toda una gama de productos para cumplir con las diferentes necesidades de estos sistemas. La principal diferencia entre las opciones de expansión de E/S está en el bus que separa la E/S del procesador, como se muestra en la Figura 1.  Cada bus ofrece beneficios y ventajas únicos que lo hacen ideal para un subconjunto de aplicaciones de expansión de E/S.

Figura 1. La expansión de E/S separa al procesador de la E/S. Cada opción de expansión implementa un bus de comunicación distinto entre los dos y se ajusta a diferentes áreas de aplicación.

Comparación de Expansiones

Cada opción de expansión de E/S está basada en un bus de comunicación único (MXI-Express, Ethernet, EtherCAT o inalámbrico) que estipula ciertas características del sistema. La tabla 1 resume algunas diferencias clave entre cada opción de expansión de E/S.

 

 

MXI-Express RIO

Utilice el chasis de expansión de alto rendimiento para aplicaciones de gran cantidad de canales.

Ethernet RIO

Añada E/S habilitadas por FPGA en cualquier parte de su red Ethernet.

EtherCAT RIO

Use E/S deterministas por EtherCAT para aplicaciones distribuidas.

WSN

Monitoree fácilmente su equipo con nodos de medida confiables y alimentados con batería.

Número de E/S 8 o 14 ranuras de la Serie C 4 u 8 ranuras de la Serie C 8 ranuras de la Serie C 36 Nodos/Gateway
FPGA Virtex-5 (LX50/LX85/LX110) Spartan 2M/Spartan 6 (LX45) Spartan 2M  N/A
Topología de Red Daisy Chain/Estrella Igual que Ethernet Daisy Chain/Estrella  Estrella/Árbol/Malla
Distancia 7 m entre chasis 100 m antes del hub 100 m antes del repetidor  Hasta 300 m de rango de un solo salto
Sincronización de Múltiples Dispositivos E/S digitales basadas en FPGA E/S digitales basadas en FPGA Implícito en bus Base de tiempo compartida por red
Fluctuación (Jitter) de Comunicación <10 μs No Especificado <1 μs No Especificado
Rendimiento del Bus 250 MB/s 12.5 MB/s 12.5 MB/s 250 kb/s
Soporte para API Interfaz Principal FPGA Interfaz Principal FPGA/RSI RSI  RSI
Principal Windows/Real-Time Windows/Real-Time Real-Time Únicamente  Windows/Real-Time

Tabla 1. Una Comparación de las Características Clave de Expansión de E/S

MXI-Express RIO

El chasis de expansión MXI-Express RIO ofrece una solución para aplicaciones que requieren alto rendimiento, gran cantidad de canales, E/S mixtas con acondicionamiento de señal y procesamiento de señales personalizado y algoritmos de control. Cada chasis MXI-Express RIO soporta 8 o 14 módulos de E/S de la Serie C y ofrece los mejores FPGA Virtex-5 LX50, LX85 o LX110. Los chasis pueden ser conectados en daisy chain hasta seis chasis de profundidad y se comunican a un controlador principal por un enlace cableado PCI Express x1 para rendimiento 20 veces mayor que el chasis de expansión Ethernet o EtherCAT RIO. Este enlace MXI-Express permite conectar a una variedad de sistemas, incluyendo NI CompactRIO multinúcleo y controladores de PC dual-core y quad-core, PXI e industriales que ejecutan NI LabVIEW Real-Time o Windows. Los sistemas MXI-Express RIO son ideales para pruebas de hardware-in-the-loop (HIL), monitoreo de condición de maquinaria industrial, sonido y vibración y aplicaciones complejas de investigación, como aquellas en la física de alto nivel.

Ethernet RIO

Usted puede usar el chasis Ethernet RIO robusto de 4 u 8 ranuras para añadir E/S distribuidas e impulsadas por FPGA a cualquier red Ethernet. Con la flexibilidad del cableado CAT-5, usted puede conectar sistemas Ethernet RIO a casi cualquier servidor que soporte Ethernet, incluyendo NI CompactRIO, controladores PXI en tiempo real y el controlador industrial de NI. Usted también puede conectar sistemas de expansión Ethernet RIO a PCs basadas en Windows para crear una red flexible altamente distribuida de E/S mixtas con acondicionamiento de señal habilitadas por FPGA. Con el FPGA interno, usted puede implementar análisis de señal personalizado, control y seguros integrados que son locales en cada chasis, creando un sistema completamente modular. Los sistemas basados en Ethernet RIO son ideales para aplicaciones en las que la facilidad de uso, el costo y la flexibilidad son críticos. Estas aplicaciones incluyen monitoreo distribuido para medidas de un solo punto como temperatura y flujo.

EtherCAT RIO

EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology) RIO es un chasis esclavo de 8 ranuras que implementa comunicación por Ethernet con el protocolo EtherCAT determinístico. EtherCAT RIO le permite añadir E/S habilitadas por FPGA a su sistema de E/S distribuidas o de gran cantidad de canales con una cantidad definida de determinismo y sincronización. Al usar EtherCAT RIO, usted puede conectar en daisy chain múltiples dispositivos esclavo desde un solo maestro y sincronizar la E/S a un solo reloj maestro. EtherCAT RIO es el más adecuado para aplicaciones distribuidas de control y movimiento de un solo punto que requieren alto determinismo en múltiples chasis sincronizados. Los clientes usan EtherCAT RIO para monitoreo estructural de turbinas eólicas, equipos de pruebas sincronizados y aplicaciones de control a larga distancia.

Redes Inalámbricas de Sensores (WSNs)

La plataforma WSN le permite añadir E/S inalámbricas a cualquier sistema de control o monitoreo existente. Con la plataforma NI WSN, usted puede monitorear fácilmente su equipo o entorno con nodos de medida confiables y alimentados con batería que ofrecen rangos industriales y habilidades de control y análisis local. Cada red inalámbrica puede escalar de decenas a cientos de nodos e integrarse perfectamente con otros sistemas, incluyendo CompactRIO, NI PXI y PCs con Windows. Las WSNs son ideales para aplicaciones en las cuales usted necesita resolver limitaciones de alimentación o distancia. Al eliminar el cableado a sus E/S, usted puede monitorear lugares de difícil alcance, partes con movimiento o lugares al exterior.

Número de E/S

MXI-Express RIO, Ethernet RIO y EtherCAT RIO

Los sistemas MXI-Express RIO, Ethernet RIO y EtherCAT RIO pueden conectarse a cualquier sensor en cualquier bus a través de módulos de E/S de la Serie C. Las E/S están disponibles directamente para el FPGA, donde usted puede implementar procesamiento de señales en línea, temporización personalizada, disparo especializado y control de ciclo cerrado. Cada módulo de E/S de la Serie C contiene acondicionamiento de señales integrado y conectores de terminal de tornillo, BNC o D-SUB. Actualmente, existen más de 100 módulos de la Serie C de NI y de terceros para diferentes medidas incluyendo de termopar, voltaje, detector de resistencia de temperatura (RTD), corriente, resistencia, galgas, digitales (TTL y otros), acelerómetros y micrófonos. La cantidad de canales en los módulos individuales van desde 3 a 32 canales para alojar una amplia variedad de requerimientos del sistema.

WSN

Los nodos de medida NI WSN tienen conectividad directa al sensor, acondicionamiento de señales integrado y clasificaciones industriales. Actualmente, hay nodos WSN disponibles con interfaces para entrada analógica de +/-10 V, termopares, RTD, resistencia, RS232, RS485, E/S digital y galgas extensiométricas de cuarto de puente, medio puente y puente completo. 

FPGA

MXI-Express RIO, Ethernet RIO y EtherCAT RIO

La adopción de circuitos FPGA en las industrias es guiada por el hecho que los FPGAs combinan las mejores partes de los circuitos integrados de aplicación específica (ASICs) y sistemas basados en procesadores. Los FPGAs ofrecen velocidad temporizada por hardware y fiabilidad, pero no requieren altos volúmenes para justificar un gran gasto por diseño como los ASICs personalizados.

El silicio reprogramable también tiene la misma flexibilidad que software ejecutándose en un sistema basado en procesador, pero no está limitado por el número de núcleos de procesamiento disponibles. A diferencia de los procesadores, los FPGAs son verdaderamente paralelos por naturaleza, así diferentes operaciones de procesamiento no tienen que competir por los mismos recursos. Cada tarea de procesamiento independiente es asignada a una sección del FPGA y puede funcionar autónomamente sin ninguna influencia de otros bloques lógicos. Como resultado, el rendimiento de una parte de la aplicación no es afectada cuando añade más procesamiento.

 Chasis FPGA Compuertas Flip-Flops Tablas LUT Multiplicadores

RAM en Bloque 

(kbit)

  Virtex-II 1000 1 millón 10,240 10,240 40 720
  Virtex-II 3000 3 millones 28,672 28,672 96 1,728
  Spartan-3 1000 1 millón 15,360 15,360 24 432

NI 9144, 

NI 9148

Spartan-3 2000 2 millones 40,960 40,960 40 720
NI 9146 Spartan-6 LX45 -- 54,576 54,576 58 2,088
  Virtex-5 LX30 720 19,200 19,200 32 1,152
NI 9154 Virtex-5 LX50 -- 28,800 28,800 48 1,728

NI 9155, 

NI 9157

Virtex-5 LX85 -- 51,840 51,840 48 3,456
NI 9159 Virtex-5 LX110 -- 69,120 69,120 64 4,608

Tabla 2. Vea FPGAs usados en productos NI RIO, con chasis de expansión basado en FPGA en negrita.

 

Topología de Red

MXI-Express RIO

En MXI-Express RIO, usted puede usar configuraciones de conexión en serie o en estrella. El número de chasis posible depende del sistema, pero en general, usted puede alcanzar hasta seis chasis por enlace. El total de chasis en una configuración de conexión en estrella depende de los segmentos del bus PCI disponibles en el controlador principal, con más de 40 chasis posibles en un solo controlador.

EtherCAT RIO

El límite teórico de dispositivos para una red EtherCAT es de 65,535 esclavos y los límites para Fast Ethernet (100 Mbit/s) son similarmente altos. El factor real de límite en el número máximo de dispositivos en este sistema es el número de canales de E/S que usted está desarrollando, la velocidad del controlador y la aplicación que usted está ejecutando.

Note que todos los chasis en un enlace en serie (daisy chain) comparten el mismo "conducto" o ancho de banda con el controlador principal al configurar un sistema y al calcular los requerimientos de rendimiento total. También, la razón del ciclo es afectada por la cantidad de dispositivos y los datos en el bus, ya que cada chasis y cable añade latencia al sistema.

WSN

Cada sistema WSN consiste en nodos y entradas. Los nodos de medidas distribuidos se conectan con sensores o instrumentos para recolectar datos y comunicarse de manera inalámbrica a un gateway central, el cual actúa como el coordinador encargado de la autenticación del nodo, almacenamiento de mensajes y puente entre la red inalámbrica y el sistema principal. Los ruteadores son un tipo especial de nodo de medida que usted puede usar para ampliar la distancia y la fiabilidad de su red WSN. Los sistemas WSN pueden estar conectados en configuraciones en estrella, árbol o de malla, como se muestra en la Figura 2.

 

Figura 2. Topologías de Red para Sistemas NI WSN

Distancia

MXI-Express RIO, Ethernet RIO y EtherCAT RIO

MXI-Express RIO está limitado a distancias de 7 m entre los chasis en el bus. Los chasis esclavo Ethernet RIO y EtherCAT soportan hasta 100 m antes de necesitar un hub, conmutador o repetidor entre los dispositivos.

Nota: Para ampliar el rango de una red EtherCAT, debe usar un dispositivo EtherCAT compatible; un conmutador Ethernet normal no es compatible con una red EtherCAT.

WSN

En sistemas WSN, usted puede alcanzar distancias de comunicación hasta de 900 m del gateway. Las distancias reales y las fuerzas de señal inalámbrica varían dependiendo de varios factores, incluyendo el entorno de RF, línea de vista y la versión de radio WSN certificada en su región—la versión de América cuenta con potencia de transmisión de 17 dBm, mientras que la versión de Europa/Asia tiene potencia de transmisión de 10 dBm. Estas versiones corresponden a rangos de comunicación de un solo salto de 300 m y 200 m respectivamente.  Al usar los enrutadores, usted puede ampliar el rango total de la red y los nodos de posición hasta tres saltos desde su gateway, teniendo como resultado 900 m de rango total de la red. Para saber cuál versión del nodo está certificada para su región, consulte Certificaciones de Productos Inalámbricos por País.

Sincronización de Múltiples Dispositivos

La temporización y sincronización permite la correlación o coordinación de eventos en el tiempo, lo cual es una parte integral de varias aplicaciones de control y medida, especialmente cuando se escalan a grandes cantidades de canales.

MXI-Express RIO y Ethernet RIO

Los chasis MXI-Express RIO y Ethernet RIO no soportan nativamente sincronización por medio del bus de comunicación (MXI-Express y Fast Ethernet, respectivamente). Compartir reloj no es parte de la arquitectura del bus y el retraso inducido por los paquetes faltantes o choques debido a la topología de la red no se toma en cuenta (la comunicación entre los nodos en el sistema es asincrónica). Sin embargo, todos los módulos en un solo chasis pueden ser sincronizados ya que comparten el plano trasero del chasis y múltiples chasis MXI-Express RIO o Ethernet RIO pueden ser sincronizados usando un módulo de E/S digital de la Serie C para distribuir una señal de reloj de referencia entre los chasis. Una arquitectura de referencia que demuestra este método de sincronización está disponible en el Diseño de referencia de sincronización de Módulos DSA para Múltiples Chasis CompactRIO.

EtherCAT RIO

EtherCAT RIO es sincronizado automáticamente con otras partes del sistema ya que el estándar del bus de comunicación EtherCAT define un reloj maestro del sistema al que todos los dispositivos de la red hacen referencia. Esto hace al bus EtherCAT una opción ideal para sistemas que requieren una estrecha sincronización (menos de un microsegundo) y alto determinismo.

WSN

Los sistemas NI WSN no ofrecen sincronización integrada entre nodos individuales, pero la red si comparte una base de tiempo común. La estampa de tiempo de cada muestra de datos es registrada al momento de la adquisición y la muestra es enviada al gateway con la información de la temporización adjunta a los datos. Esto significa que todos los datos en una red pueden graficarse en el mismo eje de tiempo que el servidor. La red NI WSN administra la base de tiempo compartida y corrige la variación en intervalos regulares. En cualquier momento dado, el reloj de cada nodo individual está dentro de un segundo de diferencia con el reloj del gateway/servidor.

Fluctuación (Jitter) de Comunicación

Esta especificación se refiere a la fluctuación introducida únicamente por el bus de comunicación. La fuente principal de la fluctuación en un sistema generalmente está asociada con el controlador en lugar de con el bus de comunicación (especialmente si es un controlador con Windows). También, la fluctuación en un sistema depende de la arquitectura del sistema y del número de chasis que los datos tienen que negociar en un enlace para llegar al servidor. 

La comunicación determinística es importante en aplicaciones donde la comunicación de datos entre los nodos de cómputo distribuidos en tiempo real es una parte integral del lazo de control. Esto significa que cualquier fluctuación inducida por la red resulta en fluctuación para el lazo de control. La fluctuación de lazo de control aceptable depende del sistema en cuestión, pero un rango estándar es del ±10% del tiempo del lazo de control. Considerando un lazo de control de 1 kHz, esto significa que cada iteración debe ejecutarse entre 900 a 1,100 μs para que el sistema responda apropiadamente.

La fluctuación de comunicación para MXI-Express RIO y EtherCAT RIO es menor a 10 microsegundos y menor a un microsegundo respectivamente. Los dispositivos Ethernet RIO y NI WSN no tienen una especificación para fluctuación. Esto se debe a que la transmisión inalámbrica y Fast Ethernet no son métodos determinísticos para transferir datos.

Rendimiento del Bus

MXI-Express RIO proporciona el conducto más grande hacia el controlador con máximo ancho de banda teórico de 250 MB/s comparado con 12.5 MB/s para Ethernet RIO y EtherCAT, y 250 kbit/s para WSN. Tenga en mente que el rendimiento del bus depende de otros factores además del máximo ancho de banda teórico del bus; considere los factores como latencia, implementación, requerimientos de potencia y su aplicación además del ancho de banda. Para aplicaciones de alto volumen de información, MXI-Express RIO es la mejor opción. Las habilidades de manejo de volumen de Ethernet RIO y EtherCAT RIO son suficientes para la mayoría de las aplicaciones de control y monitoreo. El rendimiento de NI WSN es ideal para velocidades de muestreo bajas (cerca de 1 S/s).

API

Un API o interfaz de programación de aplicaciones, es un conjunto de rutinas usado como bloques de construcción para aplicaciones de software. Existen dos métodos para programar dispositivos de expansión de E/S: Modo de Escaneo de CompactRIO o el API de Interfaz Principal de LabVIEW FPGA.

Usted puede usar el Modo de Escaneo de CompactRIO (también llamado Interfaz de Escaneo RIO o RSI) en los chasis EtherCAT y Ethernet, así como en WSN. El Modo de Escaneo de CompactRIO detecta automáticamente sus módulos de E/S y los añade a un proyecto de LabVIEW. Usted puede arrastrar las variables de E/S al diagrama de bloques de su VI de LabVIEW Real-Time o de su aplicación principal y leer y escribir inmediatamente datos de E/S escalados y calibrados sin necesitar programación o compilación de FPGA. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 3. Usar el Modo de Escaneo de NI CompactRIO

Si usted quiere programar el FPGA directamente, use el Módulo LabVIEW FPGA. Una vez que ha escrito su VI de FPGA, este es compilado a un archivo de bitstream y desplegado al FPGA. Para comunicarse con el FPGA desde su aplicación principal, use el API de LabVIEW FPGA Host Interface. Esto le permite realizar funciones como lectura y escritura de registros y transferencias DMA.

Note que con el chasis EtherCAT, usted puede usar solamente variables de E/S definidas por el usuario para comunicarse entre el VI en tiempo real del controlador y el VI de FPGA del chasis de expansión. (Las variables de E/S definidas por el usuario son usadas para sincronizar datos de FPGA con el NI Scan Engine.) Esto significa que para el VI de FPGA del chasis de expansión, usted no tiene Interfaz Principal FPGA, funciones de transferencia DMA o depuración del panel frontal.

Usted solamente puede usar el API de Interfaz Principal de LabVIEW FPGA para conectarse con el MXI-Express RIO. 

También existen algunas limitaciones en los tipos de módulos de la Serie C que son compatibles con cada chasis basadas en la habilidad de los módulos para soportar el Modo de Escaneo de NI. Ya que MXI-Express RIO solamente soporta LabVIEW FPGA, los módulos que dependen del Modo de Escaneo de NI, como los módulos CAN NI 986x, no son compatibles con MXI-Express RIO. Para una lista completa de compatibilidad con la Serie C, vea la Tabla de Compatibilidad de la Serie C.

Controladores Principales

Las cuatro opciones de expansión utilizan diferentes buses, por lo que requieren diferentes conexiones del lado del controlador.

MXI-Express RIO

MXI-Express RIO requiere una interfaz MXI-Express al sistema principal: las opciones incluyen controladores CompactRIO multinúcleo, PXI o industriales, así como PCs que ejecutan un SO Windows o en tiempo real que tienen una interfaz de tarjeta PCI MXI-Express. Usted puede usar un adaptador MXI-Express ExpressCard para conectar el chasis MXI-Express RIO a los controladores que todavía no tienen una interfaz MXI-Express RIO, pero que tienen una ranura ExpressCard como el NI PXIe-8115. Usted también puede usar la interfaz MXI-Express NI PXIe-8364 para conectar un MXI-Express RIO a su sistema PXI. Usted puede usar un adaptador MXI-Express a PCI o PCI Express para conectar MXI-Express RIO a una PC. Antes de usar el chasis MXI-Express RIO con controladores de terceros, consulte el documento Efecto y Especificaciones de Reloj PCI Express en Interoperabilidad NI MXI-Express RIO

Ethernet RIO

Ethernet RIO se puede insertar en cualquier sistema que tenga un puerto Ethernet y puede ser usado con la mayoría de las topologías estándares de red. Para conectar el Ethernet RIO directamente al puerto Ethernet secundario de un controlador en tiempo real, vea Conectar un Chasis de Expansión Ethernet RIO al Puerto Ethernet Secundario en un Controlador en Tiempo Real.

EtherCAT RIO

El chasis EtherCAT RIO es compatible con todos los controladores en tiempo real con dos puertos Ethernet, incluyendo CompactRIO, PXI y plataformas de controlador industrial. Note que para EtherCAT, si un controlador PXI en tiempo real no tiene dos puertos Ethernet, usted debe incluir una interfaz Ethernet NI PXI-8231/8232 (la interfaz Ethernet NI 8234 no es compatible), la cual es soportada en controladores en tiempo real. Usted también necesita el software controlador NI-Industrial Communications for EtherCAT y el segundo puerto Ethernet debe estar en modo “EtherCAT”.

WSN

En un sistema NI WSN, el gateway actúa como el coordinador de red encargado de la autenticación del nodo, almacenamiento de mensajes y puente entre la red inalámbrica y el sistema principal. Hay tres diferentes opciones de gateway WSN: el gateway Ethernet NI WSN-9791, el gateway programable NI 9792 y el gateway NI 9795 de la Serie C. El gateway Ethernet puede conectarse a cualquier controlador principal soportado por Ethernet, como CompactRIO, NI PXI o PCs con Windows. El gateway programable NI 9792 es un dispositivo de LabVIEW Real-Time y puede operar en forma autónoma sin conexión al servidor. El gateway NI 9795 de la Serie C ofrece estrecha integración entre las plataformas NI WSN y CompactRIO. El gateway de la Serie C se inserta en cualquier ranura disponible en su sistema CompactRIO, así usted puede complementar sistemas existentes con expansión inalámbrica de E/S.

 

Resumen: Características de la Aplicación

Muchas aplicaciones requieren la habilidad de ampliar sus E/S más allá de los límites de su controlador. Ya sea que su aplicación requiera cientos de canales de escritura de forma de onda, control distribuido o monitoreo remoto, existe una opción de expansión para usted, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Vea opciones de expansión para su sistema LabVIEW RIO y las características de las aplicaciones que son más adecuadas.

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