NI CompactRIO的边缘及未来极限解决方案

​为实时自动化控制架构选择最佳的CompactRIO控制器需要仔细了解计算密度、FPGA架构复杂度和外设连接之间的折衷。选择控制器时，有两种NI系列可供选择：cRIO-904x系列和cRIO-905x系列控制器。这些控制器构成了实时嵌入式控制系统的基础，提供了超越传统PLC设计的灵活性和性能。将CompactRIO架构与PLC和其他平台进行比较时，CompactRIO提供了实时处理和FPGA加速紧密集成、坚固耐用以及小型无风扇外形的理想组合。 

​NI CompactRIO系列通过NI Linux Real-Time提供确定性执行环境。该操作系统基于标准内核构建，但针对工业控制的低延迟要求进行了优化，支持NI LabVIEW Real-Time和庞大的C/C++和Python工具生态系统。 

​cRIO-904x高性能控制器

​cRIO-904x CompactRIO控制器专为需要大量板载处理和集成人机界面(HMI)功能的高端应用而设计。该架构由Xilinx Kintex™ 7 FPGA定义，与cRIO-905x中的Artix™ 7相比，Xilinx Kintex™ 7可提供更高的逻辑单元数和更稳健的数字信号处理(DSP)逻辑片。该FPGA使cRIO-904x更适合复杂控制算法、高速视觉集成或大规模并行数据处理的应用。 

​cRIO-904x最重要的区别之一是其连接性。它包括两个集成串口（支持RS-232和RS-485）和一个USB 3.1 C型端口（配备DisplayPort™ Alternate Mode（DP Alt Mode））。该Alt模式允许控制器直接驱动外部显示器，启用“嵌入式UI”功能，本地HMI可由处理器提供，无需单独的工业PC。

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​cRIO-905x优化值控制器

​cRIO-905x是一种更具成本效益的替代方案，不会牺牲平台固有的耐用性和确定性。通过使用Xilinx Artix 7 FPGA技术，这些控制器可为温度监控、中低速控制循环和分布式数据记录等标准工业任务提供均衡的性能。

​虽然cRIO-905x缺少cRIO-904x的集成串口、全尺寸SD卡和直接DisplayPort视频输出，但它引入了用于可拆卸存储的microSD卡槽，这对于必须物理传输大量数据的数据记录应用非常有利。cRIO-905x通常是通过以太网与集中式服务器或HMI通信的分布式“无头”节点的首选。

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FPGA集成至CompactRIO架构可实现确定性控制系统和实时运动控制功能。该功能使CompactRIO成为实时预测控制和监控等高性能应用程序的理想选择。例如，Kintex 7 FPGA可实现复杂的实时运动控制和高速并行处理，其中FPGA作为可编程背板管理C系列I/O模块和实时处理器之间的通信。

Kintex 7与Artix 7功能对比

选择这两种FPGA系列是影响系统成本和功能的主要因素。Kintex 7是一款中端FPGA，可提供高逻辑密度和高性能功耗比。其较大的逻辑单元数允许在硬件中实现更复杂的数字信号处理(DSP)算法。例如，cRIO-9049中的Kintex 7 325T包含超过325,000个逻辑单元和840个DSP逻辑片，可实现高阶滤波器、快速傅立叶变换(FFT)和超出CPU的多轴运动控制配置文件。

相反，Artix 7经过优化，功耗更低，占用空间更小，是cRIO-905x的理想选择。尽管是“值”选项，Artix 7 100T FPGA仍然拥有足够的资源来执行大多数标准工业控制任务，包括PWM生成、正交编码器解码和自定义数字触发。cRIO-904x通常满足更严格的定时限制，这是Kintex架构卓越的连线和时钟架构的二阶影响。

​cRIO-904x和905x控制器最具创新性的功能之一是能够在Real-Time NI-DAQmx、LabVIEW FPGA和Real-Time扫描模式之间按插槽选择编程模式。这种“混合模式”功能允许开发人员在单个机箱中混合使用高层驱动程序易用性和底层硬件自定义。

Real-Time NI-DAQmx编程模式

NI-DAQmx引入CompactRIO平台后,开发人员的工作效率发生了积极的变化。从历史上看，CompactRIO大多数任务都需要更高级的编程技术。在NI-DAQmx模式下，即使C系列模块用作CompactRIO系统的一部分，其行为与CompactDAQ机箱类似。NI-DAQmx驱动程序是所有NI DAQ产品的标准驱动程序，为工程师快速开发任务配置、定时和触发提供了熟悉的接口。与传统的CompactRIO编程方法相比，该模式可显著缩短开发时间。

cRIO-904x控制器的控制速率建议为5 kHz，cRIO-905x控制器的控制速率建议为2.5 kHz。它支持硬件定时单点采集，这对于需要以最小延迟处理最新采样且无需缓冲管理开销的控制循环至关重要。在该模式下，模块将出现在LabVIEW项目浏览器中的程序模式>实时资源项下。

图1：使用NI Measurement & Automation Explorer (MAX)，可在三种不同的编程模式中配置单个模块。

LabVIEW FPGA编程模式

对于需要更高性能、自定义定时或亚微秒级同步的应用程序，LabVIEW FPGA编程模式（使用LabVIEW FPGA Module）仍是首选。该模式提供对FPGA架构的直接访问。创建LabVIEW FPGA VI，将其编译为硬件比特文件并部署到控制器。

对于任何超过5 kHz的控制速率或必须以零抖动执行的任务（例如，高频PWM或自定义通信协议），LabVIEW FPGA编程都是必需的。如需使用该模式，必须在开发主机上安装LabVIEW FPGA Module。

Real-Time扫描模式（I/O变量）

RIO扫描接口或扫描模式用于快速开发低速控制和监控系统（通常小于1 kHz）。LabVIEW使用固定比特文件自动对FPGA编程，以用户定义的速率扫描所有模块，并将数据显示为I/O变量。虽然大多数现代系统的推荐方法是Real-Time NI-DAQmx模式，但扫描模式对于I/O模块频繁交换的系统可能具有优势，因为它支持动态检测模块类型。 

学习使用扫描模式。

表1：cRIO-904x和cRIO-905x编程模式的比较。

CompactRIO平台的通用性来自于C系列模块生态系统，该生态系统支持可扩展的多通道数据采集(DAQ)，包括100多种不同的模块，用于多种信号类型、环境条件以及高速和高精度测量系统等应用。

模拟输入(AI)架构

选择合适的模拟输入模块需要评估所需的分辨率（位）、采样率和隔离。NI为C系列AI模块使用三种主要架构：

1. 架构基于连续逼近寄存器(SAR)－这些模块（如NI-9201和NI-9205）是通用的，通常具有多路复用输入。它们适用于压力或流量等中速测量。
2. 基于delta-sigma架构－用于高分辨率模块（如NI-9234、NI-9232和NI-9250），可提供出色的抗混叠性能，是声音、振动和精密应变测量的标准。
3. 基于同步采样的架构－这些模块（如NI-9223）具有每个通道专用的ADC，可确保测量之间无相位延迟，这对于电能质量或高速结构分析至关重要。

温度和专用传感器模块

温度测量是监控系统的基石。NI提供专用于热电偶的模块（如NI-9213）和电阻温度检测器(RTD)（如NI-9216）。这些模块包括集成的冷端补偿(CJC)和高精度ADC，以处理温度传感器的毫伏级信号。 

对于结构健康监测或材料测试，NI-9237等应变/桥模块可为1/4桥、半桥和全桥传感器提供集成桥补全，以及可编程激励电压。

数字I/O和工业控制

数字模块(NI-94xx)与工业逻辑电平交互，通常为5 V TTL或24 V工业逻辑。NI-9401是一种常用的高速双向数字模块，NI-9477是一种32通道漏极数字输出模块，用于驱动高达60 V的工业螺线管和继电器。

除了标准I/O，CompactRIO还支持多种工业通信协议，包括EtherCAT（作为主设备）、802.1AS或时间敏感网络(TSN)、CAN、CANopen和Modbus，用于实时监控和控制。NI-9862提供带NI-XNET驱动程序支持的单端口CAN接口，这对于汽车或航空航天测试至关重要。对于传统串行设备，NI-9870将为系统添加4个RS-232端口。CompactRIO是工业机械、实时过程控制和分布式工业系统的工业监控和远程监控的理想选择。

系统扩展

虽然8插槽控制器提供显著的I/O密度，但许多应用程序需要通过扩展至8插槽机箱之外来增加插槽。cRIO-904x和cRIO-905x支持多种扩展方法：

1. cDAQ-9185/9189机箱:在采用NI-DAQmx的cDAQ-9185/9189机箱上使用cRIO-904x/905x的时间敏感网络(TSN)功能是扩展I/O并保持高速同步的一种路径。
2. NI-9145 EtherCAT CompactRIO机箱：将cRIO控制器连接至NI-9145 8插槽EtherCAT从机箱可提供确定性工业协议，是运动控制和分布式实时任务的理想选择。EtherCAT RIO使用菊花链拓扑，最多支持65535个从设备。
3. NI-9149以太网CompactRIO机箱：NI-9149以太网CompactRIO机箱最适合硬件确定性不太重要但需要标准网络灵活性的分布式监控。

在工业环境中，接地回路和电磁干扰(EMI)通常会影响信号完整性。CompactRIO模块通过各种隔离策略来解决这个问题：

• 通道对地隔离－保护系统免受高压浪涌的影响，并确保控制器不受接地电势差的损坏。
• 通道间隔离－每个通道都与其他通道进行电子隔离，以提供最高级别的抗噪性和安全性。
• 组隔离－一组通道共享一个公共隔离地，在成本和保护之间居中分配。 

CompactRIO模块提供高速DAQ性能，同时在恶劣环境中用作坚固耐用的DAQ硬件。其环境评级进一步证明了平台的耐用性。大多数模块和控制器的工作温度范围为-40 °C至70 °C，可承受50 g的冲击和5 g的振动。对于极端恶劣的环境，保形涂层是许多型号防潮和防污染的可选方案。CompactRIO增强了耐用性和可靠性,是恶劣环境下工业数据采集的理想解决方案。

成功的CompactRIO部署依赖于适当的物理基础架构。CompactRIO可在耐用性和散热设计至关重要的恶劣环境DAQ应用中实现移动数据采集。正确的集成可确保CompactRIO机箱在工业系统中的可靠运行。该环境包括选择合适的电源、安装硬件和确保热管理。

电源系统选择

cRIO-904x和cRIO-905x需要9 V～30 V直流电源。对于工业安装，NI PS-25 (24 VDC, 5 A)等DIN导轨固定电源是标准选择。cRIO-904x系列控制器的冗余电源输入允许连接两个独立的电源，确保单个电源故障不会导致系统关闭，这是关键任务监控的一项重要功能。

表2：CompactRIO系统的基本电源附件。

安装和热设计

CompactRIO设计用于安装在用作散热片的金属表面。NI建议使用特定的“参考安装配置”（水平方向），以达到指定的最高工作温度。

• 面板固定－将机箱直接螺栓连接至金属面板是高振动环境的最佳方法。
• DIN导轨固定－NI-990x套件允许机箱与标准35 mm DIN导轨连接。
• 支架安装－19英寸支架安装外壳或NI支架套件用于集成至服务器式机柜。

危险环境安全

cRIO-904x和cRIO-905x通过Class I、Division 2和ATEX Zone 2危险环境认证，可用于石油和天然气、化工或制药厂。这些认证表明硬件在正常操作条件下不能提供点火源。但是，安装程序必须遵守特定的“Ex ec”（提高安全性）准则，例如使用IP54级外壳，并确保在系统上电时不会移除模块，除非处于非危险环境。

维护CompactRIO系统需要仔细考虑软件版本。要使用CompactRIO控制器，需要LabVIEW、LabVIEW Real-Time Module和LabVIEW FPGA Module。也可使用Python和C/C++对控制器进行编程，但有一定限制。为FPGA创建自定义比特文件需要LabVIEW FPGA Module。工程师还经常使用NI VeriStand等常用的HIL工具进行实时控制系统测试。

NI硬件配置工具

NI硬件配置工具是系统发现和配置的主要工具。通过USB或以太网连接新控制器时，可使用NI硬件配置工具安装NI Linux Real-Time操作系统，格式化内部驱动器，并安装所需的所有驱动程序和软件。该工具还提供测试面板，在编写单行代码之前验证控制器和模块是否通信正常。

安全性变得非常重要，因为组织在部署CompactRIO系统时必须解决工业控制系统的网络安全和边缘计算安全问题。我们提供符合工业控制系统安全标准和SCADA网络安全实践的指导。 

查看影响CompactRIO的相关安全问题的最新信息。

将CompactRIO用于控制和监控应用程序是对控制系统寿命和功能的战略性投资。通过使用NI-DAQmx驱动程序，可显著缩短传统基于FPGA系统的开发时间，同时包含TSN等技术可确保系统为未来的分布式网络同步测量做好准备。

CompactRIO平台的功能和性能为工业创新提供了无与伦比的基础。无论应用是手术机器人还是地理分布的结构监控网络，CompactRIO都具备PLC的耐用性以及用户可编程FPGA的无限灵活性。

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