NI LabVIEW RIO架构基础知识简述 - 全文

NI LabVIEW可重配置I/O (RIO)架构是NI图形化系统设计平台的一个整体部分。 图形化系统设计方法作为如今设计、原型和部署测控系统的主流方式之一，将NI LabVIEW开放的图形化编程环境与商业现成可用(COTS)硬件相结合，大大简化开发，并提供了自定义设计的能力，帮助工程师实现更高质量的设计。

1. NI LabVIEW RIO架构

图1. RIO System Architecture

NI LabVIEW RIO架构基于以下四个部分： 处理器、可重配置的现场可编程门阵列(FPGA)、模块化I/O硬件以及图形化设计软件。 借助这四个部分的组合，您可获得高性能I/O和前所未有的系统定时控制灵活性，从而快速开发自定义硬件电路。

处理器

处理器用于部署代码，以实现与FPGA等其它处理单元的通信、连接外围设备、记录数据以及运行应用程序。 NI提供各种组成结构的RIO硬件系统，包括基于Microsoft Windows操作系统且具有对称多处理(SMP)的高性能多核系统以及NI Single-Board RIO和CompactRIO等紧凑型实时嵌入式系统。

FPGA

可重配置FPGA是RIO硬件系统架构的核心。 它用于帮助处理器分担密集型任务，具有极高的吞吐量，提供了确定性执行。 FPGA直接连接至I/ O模块，可实现每个模块I/O电路的高性能访问、无限制定时、触发和同步灵活性。 由于每个模块而没有通过总线而是直接连接到FPGA，因而相比其他工业控制器，该架构几乎不会有任何系统响应控制延迟。

由于FPGA的高速特性，RIO硬件经常用于搭建集成了高速缓冲I / O、超快速控制循环或自定义信号滤波的控制器系统。 例如，借助FPGA， CompactRIO机箱能够以100 kHz的速率同时执行超过20个模拟PID控制循环。 此外，由于FPGA在硬件上运行所有代码，因此它提供了高可靠性和确定性，非常适合用于基于硬件的互锁、自定义定时和触发以及无需定制电路的传感器自定义。

模块化I/O

NI C系列I/ O模块包含隔离、转换电路、信号调理以及可与工业传感器/执行器直接连接的内置连接口。 通过提供各种连线选项和将连接器接线盒集成到模块内，RIO系统显著降低了对空间的需求和现场连线成本。

图2. NI RIO系统可通过100多种I/O模块连接至几乎所有传感器或激励器

通过100多个NI和第三方开发的C系列I/O模块，该架构几乎可连接至任何传感器或执行器。 此外，借助NI cRIO-9951 CompactRIO模组开发工具包，您可以开发自定义模块来满足特定应用需求。

LabVIEW开发平台

NI针对嵌入式应用的图形化系统设计提供了完善的开发方案，帮助用户借助统一的软件平台有效实现系统的设计、原型与部署。 借助LabVIEW图形化系统设计软件，您可以开发处理器所需的应用程序、在FPGA上集成自定义测量电路以及通过模块化I / O将处理器与FPGA无缝集成，从而构建完整的RIO解决方案。

图3. LabVIEW提供了一个完整的RIO开发平台。

2. NI RIO硬件设备

图4.RIO设备矩阵

CompactRIO

CompactRIO是一款坚固的紧凑型RIO系统，适用于嵌入式和原型应用。 CompactRIO可通过四槽和八槽背板进行配置，具有各种FPGA选项以及各种用于控制器的处理器方案，是RIO产品家族中配置选项最为丰富的一员。 CompactRIO可用作低成本集成系统，也可结合NI 9144确定性以太网扩展机箱来构建真正的分布式系统。

图5. CompactRIO、集成式CompactRIO和CompactRIO确定性以太网扩展机箱

NI MXI-Express RIO

MXI-Express RIO机箱是NI RIO平台的最新成员。 MXI-Express RIO具有一个用于C系列I / O模块且支持FPGA的14槽机箱，与NI RIO平台上其他设备不同的是，它将FPGA和I / O从处理器上分离了出来，使得多个机箱可通过x1 MXI Express连接与同一个控制器进行通信。

MXI-Express RIO提供了一个有线RIO解决方案，可实现
. 更高的系统配置灵活性
. 更高通道数
. 用于现有PXI系统的C系列扩展I/O。

图6. MXIE-RIO将RIO平台的优势以及顶尖PXI和工业控制器的高速和强大功能集为一体

NI Single-Board RIO

NI Single-Board RIO设备在单块板卡上集成了RIO系统的各种组件（实时处理器、FPGA和I / O），专为需要高性能和高可靠性的大容量嵌入式控制和采集应用而设计。

图7. NI Single-Board RIO

NI FlexRIO

NI FlexRIO硬件为NI LabVIEW FPGA模块提供了灵活、可定制的I/O ，帮助用户创建高性能、可重新配置的仪器。 开放、可定制的信号前端能够确切地满足测试或嵌入式系统的各种需求。 您还可借助可使用LabVIEW进行编程的FPGA终端来设计特定的模数转换器、数字缓冲器、连接器甚至运行通道数。

图8. NI FlexRIO系统包含一个适配器模块和PXI FPGA模块，使LabVIEW FPGA应用的自定义程度提高到全新的水平

NI myRIO

NI myRIO采用NI行业标准的可重配置I/ O(RIO)技术，让学生能够轻松利用双核ARM® Cortex™-A9的实时性能和可定制的I/O。 借助这一集成的软硬件工具，学生们可以在NI myRIO的实时处理器上利用默认的FPGA功能快速开发应用程序，且随着项目的复杂度增加，学生也可对FPGA功能进行自定义。 NI myRIO配有板载设备，提供无缝的软件体验和丰富的课件教程库，为教师提供了一个价格合理、只需通过一台设备便可进行多个设计概念教学的工具，帮助学生在一个学期内掌握技术，完成真正的设计项目。

图9. NI myRIO这一嵌入式硬件设备经过专门设计，旨在帮助学生比以往更快速、更实惠地构建真正的复杂工程系统。

3. RIO探究

LabVIEW RIO架构的优势不断通过客户的成功案例得到验证。 针对您的应用领域探索可重配置技术的优势，可以了解如何更有效地进行设计、原型和部署。