FlexRIO用コントローラは、モジュール式I/Oインタフェース、プロセッサ、2 GB DDR3 DRAMに接続された大規模なKintex-7 FPGAを中心に構築されています。40万を超える論理スライス、1,540のデジタル信号処理 (DSP) スライス、28 MbのBRAMによって、大量の信号処理をFPGAに実装できます。デュアルコアARMプロセッサは、他のデバイスとインタフェースするためのネットワーク接続とUSB接続、およびパラメータとデータロギング用のオンボードストレージを提供します。 

大規模FPGAと低電力プロセッサの組み合わせは、ほとんどのアルゴリズムをFPGAに実装でき、電源投入時の構成とシステム監視にデュアルコアARMプロセッサを使用できる場合に特に有用です。このアーキテクチャにより、インテリジェンスはエッジに近づき、高性能FPGAを使用して高速データを意味のある情報に変えることができます。

高帯域幅のデータを1か所に集約する必要がある場合、NI 7932RとNI 7935Rモデルには2つの高速シリアルポートが搭載されており、10ギガビットイーサネットUDP、Xilinx Aurora、またはカスタムプロトコルを使用してFPGAから直接データを転送できます。

FlexRIOモジュール開発キットの詳細

ユーザは、LabVIEW FPGAモジュールを搭載したLabVIEWシステム開発ソフトウェアを使用して、FPGAをプログラムし、LabVIEWベースのアルゴリズムキャプチャとVHDL/Verilogの統合の両方を可能にしています。既存のLabVIEWライブラリを使用して、データ移動インフラストラクチャ、超広帯域高速フーリエ変換 (FFT) や並列リサンプリングアルゴリズムなどの高度な信号処理機能、ホストへのマネージドDMAストリーミングを使用した開発を加速することができます。設計は、ローカルまたはNIコンパイルクラウドサービスを介してコンパイルする前にLabVIEWでシミュレーションできます。LabVIEW FPGAとXilinx Vivadoを使用してFPGAビットファイルをコンパイルした後で、ビットファイルは開発マシンのLabVIEW、コントローラ上で動作するLabVIEWまたはC/C++で構築されたリアルタイムアプリケーション、または電源投入時にデバイスのフラッシュからデプロイされます。多くのFlexRIO設計では、論理のクロックが数100Mhzであるため、タイミングの制約を満たすことが難しい場合があります。新規のLabVIEW FPGA開発者は、タイミングとリソースの最適化のベストプラクティスについて、『高性能LabVIEW FPGA開発者ガイド』を参照することをお勧めします。

エンジニアはXilinx Kintex-7 K325Tおよびより大きなK410Tの2つのFPGAオプションから選択できます。開発の初期段階では、利用できる最大のFPGAを使用すると大きな利点があります。開発中に機能を追加できるだけでなく、同じコードをより大きなFPGAでコンパイルできるため、一般的に設計時のコンパイル時間が短縮され、より高速の反復が可能になります。NIが提供するI/Oインタフェースを使用すると、あるハードウェアを対象に作成したLabVIEW FPGAコードを他のNIハードウェア (さらには異なるFPGAおよびI/O機能を備えたハードウェア) に移植することができます。

DRAMは、マルチステージ信号処理アルゴリズムと非確定的バス間のデータバッファリングに大きな価値を追加するリソースです。 これらのタイプの操作を可能にするため、FlexRIO用コントローラの3つのバージョンはすべて、FPGAに接続された1つの2 GBのDDR3 DRAMバンクがあります。DRAMインタフェースは512ビットのデータ幅を持ち、最大166 MHzのクロックレートで効率的にアクセスされるため、DRAMとFPGA間の最大理論帯域幅は10.6 GB/秒となります。ランダムアクセスの読み取り/書き込みによりDRAMのスループットは低下しますが、NIでは9GB/秒を超えるシーケンシャル読み取り/書き込みを記録しました。DRAMは、LabVIEW FPGAのLabVIEWメモリ項目を使用するか、メモリ計測器デザインライブラリ (IDL) を使用してFIFOとしてアドレス指定できます。

DRAMを効果的に使用する方法を紹介します。

信号を取得して処理した後に、高帯域幅のデータストリーミングが必要なアプリケーション向けに、NI 7932RとNI 7935Rには2つの高速シリアルトランシーバが搭載されており、それぞれ最大10.3125 Gb/秒でデータをストリーミングできます。このテクノロジは、FPGAからフロントパネルの2つのSFP+コネクタに配線されているXilinx GTXマルチギガビットトランシーバ (MGT) に依存しています。NIでは、10ギガビットイーサネットUDPプロトコルとXilinx Auroraプロトコル用のLabVIEW FPGAサンプルプロジェクトを提供しています。VHDLの使用経験があるユーザは、Serial RapidIOやカスタムプロトコルなどを実装できます。

これらの高速シリアルポートを使用したデータストリーミング構成の例には、Xilinx Auroraを使用した複数のコントローラ間でのデータ共有、Auroraや10ギガビットイーサネットを使用したPXIへのデータのストリーミングバック、10ギガビットイーサネットを使用したデスクトップPC、データレコーダ、ネットワークエリアストレージ (NAS) やサーバへのデータストリーミングがあります。

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FPGAや高速I/Oを扱うエンジニアは、適切なクロック機能および同期アーキテクチャの実装にしばしば多くの時間を費やします。このプロセスを簡素化するために、FlexRIO用コントローラには外部10 MHz基準クロック入力、双方向トリガライン、オンボード100 MHz発振器、外部基準に対する位相ロック機能などのいくつかのクロック機能オプションがあります。 I/OモジュールとFPGAの間での同期データ転送を確実に行うために、I/OモジュールのサンプリングクロックはFlexRIOクロック回路用コントローラと共有されます。FPGAで追加のクロックを生成することもできます。

分散システムとタイムスタンプ用にGPS受信機を接続して、10 MHzのクロックを基準クロック入力に供給し、1パルス/秒の入力をトリガSMAに供給します。同期要件が厳しくない場合には、NI Linux Real-TimeホストはソフトウェアベースのIEEE 1588もサポートしています。電気的同期が可能なシステムでは、Ettus Octoclockのような10 MHzソースを使用して、共有基準クロックを提供できます。複数のユニットが同じ場所にある場合は、PXIプラットフォームの高度なクロック機能や同期機能の使用を検討してください。

デュアルコアARM Cortex-A9プロセッサにより、現場でのFlexRIO用コントローラのデプロイに必要な柔軟性と接続性が向上します。これを使って、ネットワークへのデータ提供、構成パラメータの調整、データとメッセージのログ記録、デバイスで実行しているソフトウェアやFPGAファームウェアのアップデートも可能です。このプロセッサはNI Linux Real-Time OSを実行し、Linuxカーネルの標準的な利点に加えて、確定性と信頼性が向上します。リアルタイムOS (RTOS) は、LabVIEW Real‐Timeモジュールを搭載したLabVIEWを介してプログラム可能であり、好きな統合開発環境 (IDE) を使用したC/C++による開発も可能です。LabVIEWからプログラミングやアプリケーションを作成すると、開発者はネットワーク通信およびファイルI/O用に事前に構築されたライブラリが使用できるため、開発が大幅に簡素化されます。

FlexRIOに慣れているユーザにとって、PXIのFlexRIOからFlexRIO用コントローラに移行する際の一番の違いは、FPGAと従来のWindowsクライアントの間にネットワーク通信レイヤが追加されることです。Windowsから直接FPGAをターゲットとするのではなく、NI Linux Real-Time用に開発されたコードがFPGAをターゲットとし、ユーザはシステムの監視や構成を行うためにネットワーク通信をプログラミングする必要があります。NI 7932RとNI 7935Rでは、2つの高速シリアルポートを利用して、10ギガビットイーサネットUDPまたはXilinx Auroraを介してFPGAから直接データストリーミングできます。

このプロセッサは、512 MBのフラッシュストレージ、512 MBのRAM、1ギガビットイーサネットインタフェース、USB 2.0デバイス、ホストインタフェース、マイクロSDカードスロットにアクセス可能です。実装するアプリケーションのプライマリインタフェースは、非常に多くの帯域幅をサポートする1ギガビットイーサネットにする必要があります。ただし、USBデバイスポートはセットアップ、構成、診断用に使用できます。

すべての接続インタフェースはハードウェアの1つの面に配置されており、大規模なシステムに簡単に統合できます。I/Oはモジュール式ですが、アナログアダプタモジュールは補助I/Oコネクタを介してFPGAにデジタルI/Oも提供します。コントローラは9 V～30 VのDC電源に対応しており、ポータブルシステムではバッテリ駆動が可能です。

2つのUSBポートを除き、すべてのコネクタにはケーブル保持機能があります。USBホストポート (オレンジ色) は高い保持力を持つように設計され、USBデバイスポートは主に診断用に設計されています。

本デバイスのアルミニウム筐体により、カスタム機構を設計する必要がなくなり、さまざまなシナリオで一貫したアナログおよび熱性能を提供することで統合を容易にします。マウントキットを使用すると、ユニットをパネルに確実に取り付けることができます。

このパッケージには、長期間の信頼性と保守性を保証するいくつかの機能も含まれています。最初に、開発者はソフトウェアフックにアクセスして、FPGA温度とプロセッサ温度を監視できます。FPGA温度またはプロセッサ温度が安全限界を超えた場合、デバイスは自動的にシャットダウンして内部コンポーネントの損傷を防ぎます。アクティブ冷却はソフトウェアで監視し、デバイスの温度を自動的に調整することができる、ユーザによる保守が可能なファンで実行します。40℃では、ファンの平均故障間隔 (MTBF) は7年以上です。

衝撃、振動、温度、湿度が懸念される状況用に、FlexRIO用コントローラはPXIと同様の等級が付けられ、30gのピーク正弦半波衝撃、5Hz～500Hzの間で0.3 g_rmsの振動、0℃～55℃の周囲温度、5%～95%の湿度 (結露しないこと) に耐えることができます。

リアルタイムで実行されるアルゴリズムを短時間でプロトタイプできることは、NIがLabVIEW再構成可能I/O (RIO) アーキテクチャとLabVIEW FPGAで10年以上提供してきた利点です。レーダ、スペクトルモニタリング、通信、産業機械、超音波、医療用イメージングといった分野で新技術のプロトタイプ作成に取り組むエンジニアや科学者は、このプラットフォームにより製品化あるいは実装時に最大限にコードを再利用できるため、より迅速なプロトタイプ作成が可能になります。

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