基于CompactRIO的PAC的特点及应用

彭小平++凌双明

摘 要：简要介绍了PAC、PLC、PC、工控机和FPGA，并阐述了它们之间的异同及其各自的优点。同时，还介绍了CompactRIO的开发过程，通过应用CompactRIO扫描模式、系统性能监测功能、NI分布式系统管理器、I/O强置工具来缩短CompactRIO的开发时间，降低测试系统的开发难度。

关键词：LabVIEW；CompactRIO；PAC；扫描模式

中图分类号：TP274+.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.005

1 PAC与PLC、PC和工控机的比较

PAC为可编程自动化控制器，它是结合了可编程序控制器和微机功能的新一代工业控制器，既具备带逻辑编程的数字I/O，又有良好的循环速率、控制算法、功能和网络集成。PAC结合了PC的软件功能、丰富的图形化编程和用户环境，是一种更加灵活、高效、低成本的硬件。相对工控计算机而言，PAC的稳定性、可靠性和编程环境更好。

2 PAC与FPGA的比较

电子工程师们常用现场可编程逻辑器件（FPGA）开发、定制电子芯片。FPGA可以配置不同的逻辑块、功能块开发出电子芯片的输入输出模块。开发商不需要生产专门的电子芯片，利用FPGA就可以开发出客户需要的芯片。FPGA就像一台计算机裸机，它的功能是由电子设计人员通过硬件描述语言来编程设置的。鉴于此，就需要那些熟悉硬件描述语言，比如VHDL的设计人员来开发产品。由于LabVIEW FPGA的出现，电子工程师们不需要掌握FPGA技术就可以掌握图形编程语言。利用LabVIEW FPGA编程器开发FPGA芯片，能够使其硬件具备定制的通信协议功能和高速循环等实时功能。

3 基于LabVIEW的PAC的特点

NI已经开发出了能运行LabVIEW程序的 PAC运载平台。它的编程方式易于被设计工程师掌握，表达很直观，类似于流程图、功能图等，利用简洁的界面和控件就可以实现高级编程语言的功能。利用LabVIEW RT、LabVIEW FPGA、实时操作系统，可以将所需资料直接下载到FPGA（现场可编程门阵列）。CompactRIO是基于FPGA的可重复配置的控制和采集系统，其具有体积小、可靠性高、便携的特点。将PAC与可重新配置I/O（RIO）、FPGA技术相结合，具有良好的性能，并且能够灵活配置，适用于独立、可靠的嵌入式或集散型测试控制系统中。其带有可支持热插拔功能的工业级别的I/O模块。该模块内置传感器、调节器，具有信号调理功能。CompactRIO 有3种类型的嵌入式系统，即CompactRIO集成控制器及配件、R系列扩展系统及配件、独立或分布式控制与采集系统，用户可以根据需要选择相应的系统。

4 CompactRIO的应用

4.1 LabVIEW Real-Time与主机VI的I/O直接连接

图1 LabVIEW Real-Time与主机VI的I/O直接连接

过去，访问CompactRIO I/O是通过FPGA编程来实现的。如图1所示，在CompactRIO扫描模式下，LabVIEW Real-Time与主机VI的I/O可以直接连接，这样让CompactRIO应用系统更加简单、快捷，并且CompactRIO扫描模式可以自动监测I/O模块，并将其添加入LabVIEW项目中。如图2所示，在LabVIEW实时系统下，在程序框图中拖拽I/O变量可以直接访问I/O，并立即读写经比例变换校准后的I/O数据，而且无需对FPGA编程和编译。Real-Time组件中的用户可以根据需要选择I/O扫描速度。要想实现系统硬件不同模块间的同步，可以定时控制系统的硬件。在LabVIEW项目程序中，可以为VI库编程配置扫描引擎，通过其定时器的循环定时达到降低抖动的目的。CompactRIO扫描模式有8个通道，C系列模块有计数、正交编码、脉宽度调制等功能，不需编程就可以调用，它能够在FPGA上精确、高速运行。

图2 框图I/O变量直接访问I/O

4.2 NI分布式系统管理器的调试监测

在LabVIEW 8.6中，可以通过NI分布式系统管理器来监测网络系统，以实现对数据的管理和发布。在CompactRIO的扫描模式下，系统管理器提供了测试前面板，如图3所示。NI系统管理器在CompactRIO中加入测试前面板，这样就可以快速启动运行系统，系统联网后也就能得到I/O的实时数据和历史数据，以保证信号的准确度和完整性。CompactRIO扫描模式下的I/O强置工具可用于信号的调试和I/O值的设置，它不需要物理仿真，也不需要中断实时程序，通过强制输入、输出便可测试系统的响应情况。

图3 分布式系统管理器的快速启动和运行

4.3 LabVIEW FPGA和CompactRIO扫描模式的应用

在LabVIEW 8.6的实时模块中，可以利用CompactRIO扫描模式或LabVIEW FPGA连接每个模块。LabVIEW FPGA可以实现信号的定义、处理和连接。在LabVIEW FPGA 模式下使用I/O模块，只需将拖入LabVIEW 工程中的FPGA模块编程，使用I/O变量读写其余模块的I/O，如图4所示。VI通过CompactRIO扫描模式来访问输入、输出模块，同时，LabVIEW FPGA对输入的数据进行快速傅立叶变换。CompactRIO扫描模式中主要包含NI扫描引擎和RIO扫描接口。将RIO扫描接口下载在CompactRIO FPGA上，用于实现I/O模块的定时扫描和检测等功能，以达到循环扫描硬件的目的。RIO扫描接口在完成对I/O的扫描后，会将I/O变量添加到相应的内存映射中，并刷新当前所有I/O变量的值。在默认情况下，LabVIEW将I/O变量节点配置为扫描I/O，通过扫描引擎内存映射实现对I/O的读写。NI扫描引擎同时向网络发布I/O变量，使其可以被主机应用、测试面板和I/O强置工具读写。

图4 VI通过CompactRIO扫描模式访问I/O

5 结论

LabVIEW主要使用的是一款支持图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具，其功能强大，具有许多高级编程语言才具备的编程功能。CompactRIO是基于LabVIEW开发的硬件平台，LabVIEW 8.6版软件实时模块（CompactRIO扫描模式）在不需要对FPGA编程的情况下，能够直接在LabVIEW Real-Time和主机应用程序中访问I/O模块，也可以在LabVIEW FPGA编程中访问I/O模块，通过对CompactRIO扫描模式的调试，系统性能的监测，NI分布式系统管理器、I/O强置工具的应用来缩短CompactRIO开发时间，降低测试系统的开发难度。

参考文献

[1]吴平，张颖超.PAC技术的发展现状及其应用前景[J].电气传动，2006（3）.

[2]李猛，金世俊.基于CompactRIO的应变采集系统的设计和实现[J].国外电子测量技术，2007（6）.

[3]王凯，李锋.基于CompactRIO的电液伺服机构实时测控平台设计[J].液压与气动，2013（5）.

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作者简介：彭小平，男，讲师，PLC高级技师，湖南省技术能手，工程硕士，主要从事PLC、计算机控制方面的研究。

〔编辑：白洁〕