Steuer-, Regel- und Überwachungsanwendungen Mit RIO-Architekturen effizienter zum passenden Systemdesign

National Instruments hat seine Plattform für rekonfigurierbare I/O (RIO) um höchste Leistungsfähigkeit mit den ersten Multicore-basierten NI-CompactRIO-Systemen und den kleinsten NI-Single-Board-RIO-Varianten erweitert. Die neuen Varianten lassen sich noch besser benutzerdefiniert anpassen und bieten zudem mehr integrierte I/O-Unterstützung als vorherige Versionen.

Anbieter zum Thema

Weidmüller Deutschland

compmall GmbH

Process Sensing Technologies PST GmbH

National Instruments Germany GmbH

Embedded-Entwickler setzen Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) bereits seit Jahren neben Mikroprozessoren (MPUs) und Mikrocontrollern (MCUs) ein. FPGAs wurden dazu verwendet, die Fähigkeiten der I/O des Mikroprozessors zu erweitern und eine Anbindung an verschiedene Subsysteme und Kommunikationsschnittstellen bereitzustellen. Mit der Weiterentwicklung von FPGAs wurden sie zusammen mit Mikrocontrollern und -prozessoren eingesetzt, um die Flexibilität und Leistungsfähigkeit von Embedded-Systemen über die Möglichkeiten von Mikrocontrollern oder -prozessoren hinaus zu steigern. Mikroprozessoren und FPGAs werden zwar zusammen in Embedded-Systemen in allen technologieorientierten Industriezweigen genutzt, jedoch findet diese Architektur verstärkt Anklang bei Entwicklerteams, die Steuer-, Regel- und Überwachungssysteme für anspruchsvolle Anwendungen entwerfen.

Schon immer bestand Bedarf für zusätzliche Verarbeitungsfunktionalität für Regel- und Überwachungssysteme. Spezialisierte digitale Signalprozessoren (DSPs) werden neben Mikrocontrollern eingesetzt, um rechenintensive Regelalgorithmen oder Signalverarbeitungsanwendungen auszuführen. Die verteilte Verarbeitung mit mehreren Mikrocontrollern stellt eine weitere geläufige Architektur dar. Umfangreiche Motorsteuerungssysteme oder dynamische Überwachungssysteme mit einer hohen Kanalanzahl können über einen Mikrocontroller pro Achse oder Kanal verfügen. Moderne FPGAs eignen sich als Auslagerungseinheiten und als sehr flexible Alternative zu digitalen Signalprozessoren und verteilten Mikrocontrollern.

Neben Mikroprozessor und FPGA wird für komplexe Steuer-, Regel- und Überwachungssysteme spezielle I/O benötigt, um Sensoren, Aktoren oder anwendungsspezifische Kommunikationsbusse und -netzwerke anbinden zu können. Die direkte Anbindung jedes spezialisierten I/O-Subsystems an einen FPGA erlaubt höchste Flexibilität und Systemleistung. Die Kombination von Mikroprozessor, FPGA und spezieller I/O stellt eine rekonfigurierbare I/O-Architektur (RIO) dar, die optimal für anspruchsvolle Steuer-, Regel- und Überwachungssysteme geeignet ist.

Entwicklung innovativer Systeme mit einzigartiger Funktionalität

Ingenieure und Wissenschaftler verwenden die RIO-Architektur, um Embedded-Systeme für vielfältigste Branchen und Anwendungsbereiche zu entwerfen, darunter medizinische Bildverarbeitung, erneuerbare Energien, Strukturüberwachung und Stromversorgung. Die RIO-Architektur ermöglicht die Entwicklung innovativer Systeme mit einzigartiger Funktionalität und sehr hoher Leistungsfähigkeit. Zum Beispiel entwarfen Dr. Kohji Ohbayashi und sein Entwicklerteam an der Kitasato Universität das weltweit erste OCT-Bildgebungssystem zur dreidimensionalen Darstellung in Echtzeit, für das jede Sekunde über 700.000 schnelle Fourier-Transformationen (FFTs) mit 512 Abtastpunkten verarbeitet werden müssen. Des Weiteren arbeitet Matt Bennett von der Firma Windlift an der Entwicklung eines mobilen Höhenwindkraftwerks mit einer Leistung von 12 kW, wobei eine anspruchsvolle Regelung und ein hohes Maß an Flexibilität nötig sind, um den Anforderungen an diese neue Technologie gerecht zu werden.

Die RIO-Architektur in Steuer-, Regel- und Überwachungssystemen für anspruchsvolle Anwendungen

Der FPGA in der RIO-Architektur bietet zahlreiche Vorteile bei Steuer-, Regel- und Überwachungssystemen für anspruchsvolle Anwendungen — etwa dass der FPGA den Mikroprozessor um digitale Signalverarbeitung, aufwendige Regelalgorithmen, benutzerdefinierte Schnittstellen, Timing und Triggerung erweitern kann. Diese Aufgaben mit einem FPGA zu lösen, sorgt für höhere Flexibilität und leichte Veränderbarkeit im Vergleich zu ASICs oder diskreten digitalen Aufbauten. Durch das Leiten aller speziellen I/Os durch den FPGA lässt sich digitale Signalverarbeitung auf beliebigen oder allen I/O-Kanälen durchführen. Embedded-Entwickler können fertig verfügbare Algorithmen (IP) nutzen, um gängige Verarbeitungsfunktionen wie Filterung, Mittelung, Dezimierung, Spektrumanalyse und Down- und Upsampling durchzuführen oder eine vollständig benutzerdefinierte Verarbeitung mit FPGAs zu entwickeln. Dieselben Möglichkeiten bestehen für digitale Regelalgorithmen, da hierfür ebenfalls IP verfügbar ist und benutzerdefinierte Regelalgorithmen für die Ausführung mit dem FPGA entwickelt werden können. Mithilfe der RIO-Architektur kann die gesamte Regelschleife – Istgrößen-Eingang, Regelalgorithmus und Stellgrößen-Ausgang – vollständig im FPGA enthalten sein und dadurch sehr hohe Schleifenraten, Determinismus sowie äußerst geringe Latenz erzielt werden.

(ID:382428)