使用NI CompactRIO硬件升级扭矩测量仪

​​背景

​我们的客户是一家电机和机械动力传动设备的制造商，提供基于过时电子器件的专用扭矩仪表。该仪表的设计已有数十年历史，因此凭借我们在下列领域拥有的丰富经验，客户联系我们升级了该仪表：

• ​为嵌入式监控应用设计和构建自定义电子设备
• ​逆向工程专业知识
• ​小批量制造定制电子产品

​​挑战

​该应用需要获得1类/2分级认证，以及常规的CE、UL和FCC认证。现有的仪表包括两个传感器（我们可以保留）、用于传感器输出信号调理的电子设备，以及用于与外界通信的小型微处理器。通常，现有仪表的文档不完整，需要逆向工程才能了解项目范围。

​作为改造，替换设计必须至少满足这些相同的要求。除此之外，客户希望我们改进测量能力并添加一些功能以增强操作员的体验。仪表的输出必须与运行NI LabVIEW编写的操作员应用程序的PLC和PC通信，以管理扭矩趋势、警报和仪表配置。

​解决方案

​仪表概述

​由于产品已过时，我们的客户急需一个替代设计。但是，要获得Class 1/Div 2和其他认证（如CE、UL和FCC）需要很长时间。我们考虑了缩短总时间的方法，并决定将CompactRIO系统与定制的C系列模块相结合，以与客户的传感器交互。这一方案基于以下事实：CompactRIO控制器和机箱已符合1类/2分级认证、CE、UL及其他认证要求，从而减少了整个系统认证所需的总时间并降低了其复杂性。我们选择了cRIO-9042控制器和4插槽机箱。

​将仪表基于CompactRIO系统的另一个好处是可以使用其他NI模块。例如，传感器受温度影响较小，因此，我们包含一个4通道RTD模块来测量传感器温度。还包含一个4通道0－20 mA模拟输出，用于向其他系统（例如PLC）广播扭矩值，这些系统使用该信号进行趋势分析、报警，并可能关闭驱动电机。

​最后，我们希望在软件中增加系统功能，在硬件中减少系统功能。现有设计中的微控制器功能非常有限，大部分信号调理和基本处理（如滤波）都在硬件中完成。借助CompactRIO控制器的可用处理能力，我们可以使用硬件前端进行部分信号调理，并使用软件完成剩余的信号处理以及将原始值转换为扭矩。该方法比之前的设计更灵活且可维护。事实上，当我们在系统调试中发现某些初始要求描述不正确时，我们能够对软件进行更改。更改硬件将延迟交付计划。

​自定义硬件设计

​NI允许第三方开发人员遵循CompactRIO Module Development Kit (MDK)中的硬件和软件指南及要求，设计和创建自定义C系列模块。

​以下是MDK规范的范例：

• ​插入背板时，EEPROM需要为模块识别保存唯一的ID。
• ​C系列模块接口使用背板上的11条信号线，其中两条具有预定义的固定功能。因此，模块必须使用其他9条线通过FPGA层与控制器通信配置、数据和状态。
• ​自定义电路需要物理上适配C系列模块外壳。
• ​功耗必须低于指定的限制。

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​MDK文档中列出了许多其他要求。下图显示了我们设计的PCB。

​下图显示了插入C系列模块外壳的PCB。

我们的自定义硬件设计将来自两个位置传感器的信号调理为数字脉冲，用于下游定时分析。由于信号幅值随操作条件变化，该信号调理采用与信号幅值相关的阈值和去抖动滞后。

​软件设计

​自定义模块使用板载FPGA和VHDL，根据MDK中的规范与CompactRIO系统LabVIEW FPGA I/O节点进行通信。CompactRIO LabVIEW FPGA代码可检测两个数字信号的边沿，并对其进行高精度的时间标识。结果被传递至LabVIEW Real-Time应用程序。

​该应用程序通过Modbus以太网、Modbus 485串口和模拟0-20 mA信号输出扭矩测量。

​在用于Windows的LabVIEW中开发的操作员应用程序，作为Modbus设备与CompactRIO控制器交互。使用Modbus寄存器访问扭矩数据、状态信息和任何错误。该应用程序的操作员用户界面可针对特定设置（传感器类型、校准等）配置每个仪表。最后，仪表还可与PLC通信，以控制电机、监控设备，并在必要时执行安全关闭。

​结果和前进

​我们在设计中重点考虑了组件的生命周期，以便客户在未来许多年里无需担心产品过时的问题。

​基于这一目标，我们专门设计了以下标准：

• ​最小化C系列模块的功能，以便在硬件过时时简化设计替换硬件的工作。
• ​最大化软件的功能，实现更简单的生命周期管理。
• ​利用NI生命周期管理来管理其余的CompactRIO组件。

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​这种方法降低了客户对最终过时的担忧。

​未来，我们的客户将使用基于CompactRIO的全新设计替换之前的扭矩仪表，为其现有客户部署新的单元。我们相信他们的客户会很高兴。