LabVIEW的RIO与I/O对比

NI可重配置I/O(RIO)产品可在灵活的开发平台上实现高精度测量，适用于需要高速闭环控制的系统级应用。这些应用有时需要比核心系统可提供的更多的通道数或分布更广的架构。而扩展I/O系统可以实现1个对N个的系统拓扑结构，该拓扑结构使用一个控制器、“N”个现场可编程门阵列(FPGA)和多个I/O节点构成，该结构用于实现灵活的高通道数系统，这样的系统可以执行分布式控制和本地化处理。

1. 以总线为基础

高通道数系统的需求是多种多样的，而NI的差异化扩展I/O产品正是为了提供全面的产品系列来满足这些需求而设计的。不同扩展I/O方案之间的主要区别在于I/O与处理器之间的总线，如图1所示。每条总线具有各自的优势，使其成为各种扩展I /O应用的理想选择。

图1. 扩展I/O将I /O与处理器分离开。每个扩展方案在I /O与处理器间执行不同的通信总线协议，适合不同的应用领域。

2. 扩展比较

每款扩展I/O方案均基于决定系统某些功能的独特通信总线（MXI-Express、以太网、EtherCAT或无线）。表1总结了每个扩展I/O方案之间的一些主要区别。

表1. 扩展I/O主要特性比较

3. MXI-Express RIO

MXI-Express RIO扩展机箱为需要高吞吐量、高通道计数、混合信号调理的I/O和自定义信号处理和控制算法的应用提供了高性能解决方案。 每个MXI-Express RIO机箱可支持8个或14个C系列I/O模块，提供了同类性能最佳的Virtex-5 LX50、LX85或LX110 FPGA。以菊花链的方式可最多连接六个机箱，机箱通过有线PCI Express x1链路与主控制器通信，实现比以太网或EtherCAT RIO扩展机箱高出20倍的吞吐量。该MXI-Express链路实现了与各种主系统的连接，包括多核NI CompactRIO以及双核和四核PC、PXI以及运行NI LabVIEW Real-Time或Windows的工业控制器。MXI-Express RIO系统是硬件在环(HIL)测试、工业机器状态监控、声音和振动以及宏观物理复杂研究等应用的理想选择。

4. 以太网 RIO

用户可以使用坚固耐用的4槽或8槽以太网RIO机箱来添加带FPGA的分布式I/O至任何以太网络。由于标准CAT-5布线所具有的灵活性，用户可连接以太网RIO系统至几乎所有可支持以太网的主机，包括NI CompactRIO、PXI实时控制器以及NI工业控制器。用户还可以连接以太网RIO扩展系统至基于Windows的PC，以创建经混合信号调理且带FPGA的I/O的灵活分布式网络。借助板载FPGA，还可实现每个机箱的自定义信号分析、控制和安全联锁，搭建真正的模块化系统。基于以太网RIO的系统非常适合需要灵活易用且低成本的应用。这些应用包括温度测量和流量测量等单点测量的分布式监测。

5. EtherCAT RIO

EtherCAT（以太网控制自动化技术）RIO是一个8槽从机箱，可实现基于以太网和确定性EtherCAT协议的通信。EtherCAT RIO可允许用户以指定的确定性和同步性添加带FPGA的I/O至高通道数或分布式I/O系统。借助EtherCAT RIO，用户可以菊花链的方式将多个从设备连接至单个主设备，并将I/O与单个主时钟同步。EtherCAT RIO非常适合用于需要基于多个同步机箱的硬确定性的分布式单点控制和运动应用。用户可以将EtherCAT RIO用于风力发电机组的结构监测、同步测试装置以及远程控制应用。

6. 无线传感器网络(WSN)

WSN平台可允许用户将无线I/O添加至任何现有监测或控制系统。 通过NI WSN平台可监测设备状态和运行环境，电池供电的WSN测量节点还提供工业评级和局域分析控制功能。 每个无线网络可从数十个节点扩展到数百个节点，并可无缝集成到其他系统，包括CompactRIO、NI PXI以及与Windows PC。WSN是需要克服电源或距离限制的应用的理想选择。 由于无需布线连接I/O，因此用户可监测难以到达的地方、运动中的零件、移动设备以及户外场所。

7. I/O 数

MXI-Express RIO、以太网RIO和EtherCAT RIO
MXI-Express RIO、以太网RIO和EtherCAT RIO系统可通过C系列I/O模块连接至任何总线上的任何传感器。FPGA可直接支持这些I/O， 用于执行嵌入式信号处理、自定义定时、专用触发和闭环控制。每个C系列I/O模块含有内置的信号调理和螺栓端子、BNC或D-Sub连接器。目前，有适合不同测量的100多款NI和第三方C系列模块，包括：热电偶、电压、电阻温度探测器(RTD)、电流、电阻、应变、数字（TTL和其他）、加速度计和麦克风等。单个模块上的通道数从3路到32路不等，可满足多种系统需求。

WSN
NI WSN测量节点可直接与传感器连接，具有内置信号调理功能和工业级性能。目前提供的WSN节点包含用于+/-10 V模拟输入、热电偶、RTD、电阻、RS232、RS485、数字I/O和全桥/四分之一桥/半桥应变计的接口。

8. FPGA

MXI-Express RIO、以太网RIO和EtherCAT RIO
FPGA芯片能够在各个行业中广泛应用的原因是FPGA集合了专用集成电路(ASIC)和基于处理器的系统的各种优势。FPGA提供硬件定时的速度和可靠性，但它们并没有像自定义ASIC设计中设计高容量产生的前期高额费用。

可再编程硅芯片的灵活性与基于处理器的系统上运行的软件相同，但它并不受限于可用处理内核的数量。与处理器不同的是，FPGA属于真正的并行结构，因此不同的处理操作无需竞争相同的资源。每个独立的处理任务都配有专用的芯片部分，在不受其它逻辑块的影响下自主运作。因此，加入更多处理任务时，其它应用的性能也不会受到影响。

表2. 查看用于NI RIO产品的FPGA，基于FPGA的扩展机箱用粗体表示。

9. 网络拓扑

MXI-Express RIO
MXI-Express RIO具有星型和菊花链配置。 可连接的机箱数量取决于系统，但一般来说，每条菊花链最多可包含六个机箱。星型配置的机箱总数取决于主控制器中可用的PCI总线部分，每个控制器可连接超过40个机箱。

EtherCAT RIO
EtherCAT网络的理论设备限制是65,535个从设备，快速以太网(100 Mbit/s)的限制与之相似。实际限制该系统的最大设备数量的因素包括所部署的I/O通道数量、控制器速度和运行的应用。

注意，配置系统或计算总吞吐量需求时，菊花链上的所有机箱共享同一条连接回主控制器的“管道”或带宽。另外，回路速率还受到设备数量和总线数据的影响，因为每个机箱、每条线缆都会增加系统的延迟。

WSN
每个WSN系统由节点和网关组成。 分布式测量节点与传感器或仪器连接，以进行数据收集并与中央网关无线通信，中央网关的作用相当于网络协调员，负责节点认证、消息缓存和无线网络与主系统之间的桥接。路由器是一种特殊的测量节点，用于扩展WSN的距离和可靠性。WSN系统可以通过星型、树型或网状配置进行连接，如图2所示。

图2. NI WSN系统的网络拓扑

10. 距离

MXI-Express RIO、以太网RIO和EtherCAT RIO
MXI-Express RIO与总线上机箱的间距最长为7米。以太网RIO和EtherCAT从机箱在设备之间未连接集线器、交换机或中继器之前最多可支持100米的距离。

注：为了扩展EtherCAT网络的距离，用户必须使用兼容EtherCAT的设备；一般的以太网交换机不兼容EtherCAT网络。

WSN
WSN系统可与网关的最长通信距离为900 m。实际距离和无线信号强度取决于几个因素，包括RF环境、视距和所在地区认证的WSN无线版本——美洲版具有17 dBm的发射功率，而欧洲/亚洲版的发射功率为10 dBm。这些版本对应的单跳通信距离分别为300 m和200 m。路由器可用于扩展网络的整体距离，并可定位离网关最长三个跳跃距离的节点，使得整体网络距离可达900 m。如需查看所在地区认证的节点版本，请参考每个国家的无线产品认证。

11. 多设备同步

定时和同步可实现事件的及时关联或协调，这是许多控制和测量应用不可分割的一部分，尤其是高通道数应用。

MXI-Express RIO and 以太网RIO
MXI-Express RIO和以太网RIO机箱不支持基于通信总线（分别对应MXI-Express和快速以太网）的本地同步。总线架构没有内置时钟共享且数据包丢失或网络拓扑结构冲突而产生的延迟并没有计算在内（系统内节点之间的通信是异步的）。然而，由于共享机箱背板时钟，单个机箱中的所有模块均可同步，多个MXI-Express RIO或以太网RIO机箱也可使用C系列数字I/O模块进行同步，以在机箱间分配一个参考时钟信号。多个CompactRIO机箱的DSA模块同步设计参考包含了演示这一同步方法的参考架构。

EtherCAT RIO
由于EtherCAT总线通信标准定义了网络参考上的所有设备为主系统时钟，因此EtherCAT RIO会自动同步到系统的其他部分。这使得EtherCAT总线成为需要严格同步（小于1微秒）和硬确定性的系统的理想选择。

WSN
NI WSN系统并未提供单个节点之间的内置同步，但是整个网络确实共享同一个时基。每次数据采样在采集时进行时间标记，然后与数据附加的定时信息一起发送至网关。这意味着可在与主机相同的时间轴上绘制出整个网络的所有数据。NI WSN网络管理共享的时基，并以有规律的时间间隔纠正漂移。在任何给定的时间，每个节点时钟与网关/主机时钟误差不超过一秒钟。

12. 通信抖动

本规范仅指由通信总线引起的抖动。系统抖动的主要来源通常与控制器而非通信总线（尤其是Windows控制器）相关。另外，系统的抖动还取决于系统架构和数据到达主机之前必须通过的菊花链的机箱数量。

确定性通信对于控制回路包含分布式实时计算节点之间的数据通信的应用非常重要。这意味着网络造成的任何抖动都会引起控制循环的抖动。可接受的控制循环抖动取决于所使用的系统，但标准范围为控制循环时间的±10%。比如1 kHz的控制循环，如果每次迭代的执行时间在900到1,100 μs内，系统仍可正确响应。

MXI-Express RIO和EtherCAT RIO的通信抖动分别低于10ms和1ms。以太网RIO和NI WSN设备并未对抖动做出规定。这是因为快速以太网和无线传输并非传输数据的确定性方法。

13. 总线吞吐量

MXI-Express RIO提供了与控制器通信的最大管道，具有250 MB/s的最大理论带宽，而以太网RIO和EtherCAT仅为12.5 MB/s，WSB为250 kbit/s。请记住，总线性能不仅取决于总线的理论最大带宽，也取决于其他因素，包括延迟、执行、电源需求、应用以及带宽。对于高吞吐量应用，MXI-Express RIO是最佳方案。Ethernet RIO和EtherCAT RIO的吞吐量对于大部分控制和监测应用来说已经足够。NI WSN的吞吐量则是低采样率（大约1 S/s）的理想之选。

14. API

API（应用程序接口）是用作为软件应用程序构建模块的一系列程序。对扩展I/O终端进行编程有两种方法：CompactRIO扫描模式或LabVIEW FPGA主接口API。

EtherCAT、以太网以及WSN机箱可使用CompactRIO扫描模式（又称为RIO扫描接口或RSI）。CompactRIO扫描模式可自动检测I/O模块并将其添加至LabVIEW项目。然后用户可将I / O变量拖放至LabVIEW Real-Time和HOST VI的程序框图中，并立即读写已换算和校准的I/O数据，而无需编程或编译FPGA。

图3. 使用CompactRIO扫描模式

如果希望直接在FPGA上编程，则可使用LabVIEW FPGA模块。编写FPGA VI后，FPGA VI就会被编译成比特流文件并部署至FPGA。如果主机应用程序需要与FPGA通信，则可使用LabVIEW FPGA主机接口API。该API可允许用户执行读写寄存器和DMA传输等功能。

请注意，如果使用的是EtherCAT机箱，则只能使用用户定义的I/O变量来实现控制器的实时VI和扩展机箱的FPGA VI之间的通信。（用户定义的I/O变量用于同步FPGA数据和NI扫描引擎。）这意味着扩展机箱的FPGA VI不能使用FPGA主接口、DMA传输功能或前面板调试等功能。

只能使用LabVIEW FPGA主接口API来连接MXI-Express RIO。

对于机箱兼容能力取决于其支持NI扫描模式的能力的C系列模块来说，也存在一定的局限性。由于MXI-Express RIO仅支持LabVIEW FPGA，因此NI 986x CAN模块等依赖NI扫描模式的模块并不兼容MXI-Express RIO。如需了解C系列兼容性的完整列表，请查看NI C系列兼容性表。

15. 主控制器

四款扩展方案均使用不同的总线，因此控制器端需要采用不同的连接方式。

MXI-Express RIO

MXI-Express RIO需要使用MXI-Express接口卡来连接主系统： 可选择的系统包括带有多核处理器的CompactRIO、PXI或工业控制器以及运行Windows或实时操作系统且具有MXI-Express PCI卡接口的PC。 MXI-Express ExpressCard适配器可用于将MXI-Express RIO机箱连接至没有配备MXI-Express接口但内置ExpressCard插槽的控制器，如NI PXIe-8115。还可使用NI的PXIe-8364 MXI-Express接口将MXI-Express RIO连接至PXI系统。 MXI-Express与PCI或PCI Express的适配器可用于连接MXI-Express RIO至PC。 在使用配备第三方控制器的MXI-Express RIO机箱之前，请参考PCI Express时钟规范及其对NI MXI-Express RIO互操作性的影响文档，了解更多信息。

以太网RIO

以太网RIO可插入至任何配有以太网端口的系统，且可与大多数标准网络拓扑接口配合使用。如需直接将以太网RIO直接连接至实时控制器的第二个以太网端口，请查看连接以太网RIO扩展机箱至实时控制器的第二个以太网端口。

EtherCAT RIO 

EtherCAT RIO机箱可兼容所有配有两个以太网端口的实时控制器，包括CompactRIO、PXI和工业控制器平台。请注意，对于EtherCAT，如果实时PXI控制器没有配备两个以太网端口，则必须添加仅支持实时控制器的NI PXI-8231/8232以太网接口（不兼容NI8234以太网接口）。另外还需要采用NI-工业通信的EtherCAT驱动软件，且第二个以太网端口必须处于“EtherCAT”模式。

WSN

在NI WSN系统中，网关充当网络协调员的作用，负责节点认证、消息缓冲和从无线网络到主机系统的桥接。WSN网关提供三种不同的选择： NI WSN-9791以太网网关、NI 9792可编程网关以及NI 9795 C系列网关。以太网网关可以连接到任何支持以太网的主机控制器，如CompactRIO、NI PXI或Windows PC。NI 9792可编程网关是一个LabVIEW实时终端，无需主机连接即可自主工作。NI 9795 C系列网关实现了NI WSN和CompactRIO平台之间的紧密集成。C系列网关可插入到CompactRIO系统的任何插槽，因而用户可在现有系统中添加无线扩展I/O。

16. 总结: 应用特性

许多不同的应用需要在控制器提供的功能的基础上具有扩展I/O的能力。 无论您的应用需要上百个通道的波形文件读取、分布式控制还是远程监控，NI均可提供一个满足该需求的扩展方案，如图4所示。

图4. 查看最适合您LabVIEW RIO系统和应用特性的扩展方案。