Embedded ohne Box

Industrieelektronik

Embedded-Module – Mit dem neuen NI Single-Board-RIO präsentiert National Instruments ein leistungsstarkes Modul für Embedded-Steuer-, Regel- und Datenerfassungsanwendungen.

09. September 2009

NI Single-Board-RIO heißt die neue Embedded-Lösung von National Instruments. Auch wenn das Modul auf den ersten Blick an ein PC-Motherboard erinnert, basiert es auf der bewährten NI Compact-RIO-Systemarchitektur. Die Anatomie des NI Single-Board-RIO stellt sich wie folgt dar: Ein Embedded-Echtzeitcontroller fungiert als Gehirn des NI Boards und kommuniziert über einen Hochgeschwindigkeits-PCI-Bus, mit dem Herzstück des Gesamtpakets, einem Xilinx Spartan-3 FPGA. Zusätzlich verfügt die Karte über integrierte I/O, um mit der Außenwelt in Kontakt zu treten. Vergleicht man das NI Single-Board-RIO mit dem NI Compact-RIO, so gibt es eine Reihe an Gemeinsamkeiten. Da wäre zunächst der Embedded-Echtzeitcontroller, ein industrietauglicher 260-MHz- beziehungsweise 400-MHz-MPC5200-Prozessor von Freescale, der LabView-Real-Time-Anwendungen auf dem zuverlässigen Echtzeitbetriebssystem VxWorks von Wind River deterministisch ausführt.

Das Gehirn

Dabei können die Prozessoren auf jeweils 64 oder 128 Megabyte Arbeitsspeicher (DRAM) zugreifen. Insgesamt stehen mehrere hundert LabView-Funktionen bereit, um echtzeitfähige Steuer-, Regel-, Analyse-, Datenerfassungs- und Kommunikationsanwendungen zu implementieren. Zudem ist es möglich, bestehenden C/C++-Code in den LabView-Real-Time-Code zu integrieren und somit Entwicklungszeit zu sparen.

Das Herzstück

Wie beim NI Compact-RIO dreht sich auch beim NI Single-Board-RIO alles um den integrierten FPGA. Der leistungsstarke, rekonfigurierbare Spartan-3 FPGA von Xilinx kann mithilfe des LabView-FPGA-Moduls grafisch programmiert werden. Das heißt es besteht keine Notwendigkeit, komplexe Designsprachen wie VHDL für die Programmierung zu erlernen. Dennoch erlaubt die LabView-FPGA-Umgebung bereits entwickelten VHDL-Code und sogenannte IP-Blöcke einzubinden. Somit haben Entwickler nahezu unbegrenzte Möglichkeiten benutzerdefinierte Timing-, Trigger-, Synchronisations-, Steuer-, Regel- und Signalverarbeitungsfunktionen für Analog- und Digital-I/O zu implementieren. Ferner stellt LabView-FPGA integrierte Funktionen für den Datentransfer per Direct Memory Access (DMA) zwischen FPGA und Echtzeitprozessor zur Verfügung. National Instruments bietet derzeit zwei Varianten des Spartan-3 FPGA für das NI Single-Board-RIO an. Eine mit 1 Million und eine weitere mit 2 Millionen Gattern.

Unterschiede beim I/O

Die markantesten Unterschiede fallen jedoch beim Vergleich der I/O auf. Während NI Compact-RIO immer über die Module der C-Serie mit seiner physikalischen Umgebung kommuniziert, greift NI Single-Board-RIO auf bereits vorhandene I/O zurück. Anzahl und Art der Kanäle unterscheiden sich je nachdem, welche der acht verschiedenen Ausbaustufen gewählt wird. Alle Karten besitzen 110 digitale I/O und unterstützen 5-Volt/TTL-Spannungspegel. Die I/O sind direkt mit dem FPGA verbunden und ermöglichen so eine Low-Level-Anpassung von Timing- und I/O-Signalverarbei-tungsfunktion. Neben den integrierten I/O können auch Module der C-Serie verwendet werden. Jedes NI Single-Board-RIO-System kann um bis zu drei I/O-Module der C-Serie erweitert werden. Diese erlauben Entwicklern aus mehr als 60 Modulen für Kommunikation und I/O zu wählen. Die C-Serien-Module bestehen in der Regel aus A/D- beziehungsweise D/A-Wandlern und zugehöriger Signalkonditionierung. Die Palette reicht dabei von Digital- (5 Volt/TTL, 12, 24 oder 48 Volt), Analog- (bis zu 300 Vrms), Thermoelement-, RTD-, Beschleunigungs-, Dehnungsmessstreifen-, Counter/Timer-, und Relais- Modulen bis hin zu CAN- und Motorsteuerungsmodulen.

Der Zielmarkt

Mit den NI Single-Board-RIO-Modulen erweitert National Instruments seine FPGA-basierten Zielsysteme, die bisher PXI, PCI sowie das Embedded-Steuer-, -Regel- und -Datenerfassungssystem NI Compact-RIO umfassten. Durchgängig dabei ist für alle Geräte die rekonfigurierbare I/O-Architektur, kurz RIO, die es Anwendern erlaubt mittels NI LabView eigene, angepasste Embedded-Systeme zu kreieren. Diese Durchgängigkeit der grafischen Entwicklungsumgebung LabView macht NI Single-Board-RIO zur optimalen Lösung für den Serieneinsatz. Schnelle Entwicklung, niedrige Kosten und hohe Zuverlässigkeit prädestinieren das Board für den Einsatz in großen Stückzahlen, weshalb es sich auch hervorragend als Produkt für den OEM-Markt eignet. So kann der Code für den Embedded-Echtzeitcontroller und den integrierten FPGA beispielsweise auf einem NI Compact-RIO entwickelt und anschließend mühelos auf das NI Single-Board-RIO für den Serieneinsatz portiert werden. Lediglich die I/O müssen per Mausklick neu geroutet werden, da diese bei NI Compact-RIO und NI Single-Board-RIO abweichen können. Nach der erneuten Kompilierung des Codes steht sofort ein voll einsatzfähiges Embedded-System zur Verfügung.

Daniel Riedelbauch/csc

Erschienen in Ausgabe: 5-6/2009