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基于NI LabVIEW 2010和NI RIO构建精确定时的嵌入式系统
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2017-11-17
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1、介绍
在构建嵌入式系统时，不论是为了确保控制循环能够可 靠的执行，还是保证I/O信号能够被及时响应，或是让处理速度达到系统应用的要求，定时都是其中的关键。构建一套可以满足定时要求的系统，首先从硬件开始 进行选择，必须在尺寸、功耗、处理能力和延迟等方面进行很好的平衡。另外，嵌入式系统的软件在执行调节、中断响应和计算任务之间的时间平衡几个方面扮演着 重要的角色。
在考虑定时性能的前提下进行嵌入式软硬件集成将是一件极其耗时的挑战。但是，在NI LAbVIEW 2010软件平台和RIO硬件平台的帮助下，构建一套可以满足绝大部分系统应用需求的可靠的精确定时系统所需要付出的代价将极大降低。继续深入下去，了解 集成了实时CPU和FPGA的NI RIO硬件系统，以及定时特性是如何与LabVIEW 2010无缝集成的，可以帮助工程师、科学家和嵌入式设计人员们利用这套硬件系统构建出健壮的实时响应系统。
2、集成实时CPU和高性能FPGA的NI RIO硬件
NI 嵌入式硬件的目标系统是基于RIO架构的，包括了一个一般用于运行实时操作系统的CPU和一套或多套FPGA。在这样的集成架构下，用户可以在FPGA上 完成那些需要纳秒级定时精度或者大量并行的任务；在CPU上完成诸如浮点计算等密集计算任务。FPGA和CPU之间通过PCI总线进行通信，通过NI- RIO驱动模块提供的直接明了、功能强大的数据传输接口， 使用LabVIEW或C可以很容易的进行相关开发。
最终的结论是：NI-RIO 是可以适用于范围广泛的嵌入式原型设计，并且具有很高灵活性的平台。同时，由于NI-RIO框架是很多不同NI硬件目标系统的标准架构，例如NI Single-Board RIO和NI CompactRIO，用户在部署软件时，不论是坚固型系统还是经济型系统，都可以最大限度地实现代码的复用。
图1. NI-RIO嵌入式设备均基于集成了CPU、FPGA和模块化I/O的统一架构
例如，Ventura市航空中心使用LabVIEW和NI Single-Board RIO开发了一套火情监控系统，用于在联邦快递公司的运输机上防控火灾。在这套系统中，实时CPU负责运行确定性控制算法、网络通讯和数据记录，FPGA硬件上则执行其他的关键任务。
3、LabVIEW 2010和内置的定时特性简化了确定性可靠系统的编程
LabVIEW 不单可以使用图形化的编程界面来编写目标CPU（包括了运行实时操作系统的CPU）和FPGA（包括RIO目标硬件上的FPGA）程序，同时 LabVIEW图形化编程语言本身也是基于定时和同步概念而设计的。下面的一些例子将说明，LabVIEW结合Real-Time模块和FPGA模块是如 何让嵌入式系统的定时变得简洁明了的。
在构建嵌入式系统时，不论是为了确保控制循环能够可 靠的执行，还是保证I/O信号能够被及时响应，或是让处理速度达到系统应用的要求，定时都是其中的关键。构建一套可以满足定时要求的系统，首先从硬件开始 进行选择，必须在尺寸、功耗、处理能力和延迟等方面进行很好的平衡。另外，嵌入式系统的软件在执行调节、中断响应和计算任务之间的时间平衡几个方面扮演着 重要的角色。
在考虑定时性能的前提下进行嵌入式软硬件集成将是一件极其耗时的挑战。但是，在NI LAbVIEW 2010软件平台和RIO硬件平台的帮助下，构建一套可以满足绝大部分系统应用需求的可靠的精确定时系统所需要付出的代价将极大降低。继续深入下去，了解 集成了实时CPU和FPGA的NI RIO硬件系统，以及定时特性是如何与LabVIEW 2010无缝集成的，可以帮助工程师、科学家和嵌入式设计人员们利用这套硬件系统构建出健壮的实时响应系统。
2、集成实时CPU和高性能FPGA的NI RIO硬件
NI 嵌入式硬件的目标系统是基于RIO架构的，包括了一个一般用于运行实时操作系统的CPU和一套或多套FPGA。在这样的集成架构下，用户可以在FPGA上 完成那些需要纳秒级定时精度或者大量并行的任务；在CPU上完成诸如浮点计算等密集计算任务。FPGA和CPU之间通过PCI总线进行通信，通过NI- RIO驱动模块提供的直接明了、功能强大的数据传输接口， 使用LabVIEW或C可以很容易的进行相关开发。
最终的结论是：NI-RIO 是可以适用于范围广泛的嵌入式原型设计，并且具有很高灵活性的平台。同时，由于NI-RIO框架是很多不同NI硬件目标系统的标准架构，例如NI Single-Board RIO和NI CompactRIO，用户在部署软件时，不论是坚固型系统还是经济型系统，都可以最大限度地实现代码的复用。
图1. NI-RIO嵌入式设备均基于集成了CPU、FPGA和模块化I/O的统一架构
例如，Ventura市航空中心使用LabVIEW和NI Single-Board RIO开发了一套火情监控系统，用于在联邦快递公司的运输机上防控火灾。在这套系统中，实时CPU负责运行确定性控制算法、网络通讯和数据记录，FPGA硬件上则执行其他的关键任务。
3、LabVIEW 2010和内置的定时特性简化了确定性可靠系统的编程
LabVIEW 不单可以使用图形化的编程界面来编写目标CPU（包括了运行实时操作系统的CPU）和FPGA（包括RIO目标硬件上的FPGA）程序，同时 LabVIEW图形化编程语言本身也是基于定时和同步概念而设计的。下面的一些例子将说明，LabVIEW结合Real-Time模块和FPGA模块是如 何让嵌入式系统的定时变得简洁明了的。
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