LabVIEWRT实时控制开发系统结构与开发应用.pdf

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收稿日期:

2002-10-19作者简介:

项晓峰（1973）,男,硕士,现主要从事数据采集、实时控制等方面研究工作。

文章编号:

1000-8829（2002）12-0061-03LabVIEWRT实时控制开发系统结构与开发应用LabVIEWReal2TimeArchitectureandApplicationDevelopment（上海交通大学,上海200030）项晓峰,田作华,张忆摘要:

LabVIEWRT是在图形化编程语言LabVIEW的基础上增加了实时控制模块。

LabVIEWRT在保持了原有图形化编程特点的基础上,在实时系统和有关硬件的支持下,提供了实时控制控能。

为开发实时控制系统,提出了一个很好的解决方案。

本文介绍了LabVIEWRT的基本结构及其在实时控制中的开发实例。

关键词:

实时控制;LabVIEWRT中图分类号:

TP273文献标识码:

BAbstract:

LabVIEWRTistherealtimeaddonmoduleforLabVIEW2graphicprogramminglanguage.WiththesupportofrealtimeOSandhardware,LabVIEWRTprovidestherealtimecontrolcapabilitywhilekeepingthefeaturesofgraphiclanguage.Itprovidesagoodso2lutionforrealtimeapplications.ThearchitectureofLabVIEWRTisintroducedandarealexampleofrealtimecontrolapplicationisgiven.Keywords:

realtimecontrol;LabVIEWRT随着测控系统的发展,实时控制系统的应用越来越广泛。

实时系统的开发和应用,和传统的基于Win2dows平台的系统有很大不同。

尤其是实时系统建立在实时操作系统的基础上,对熟悉Windows平台的开发人员来说,提出了较高的要求。

LabVIEW是应用于Windows平台上的图像化编程语言,广泛地应用于测控系统开发中。

LabVIEWRT系统是NI公司在Lab2VIEW开发环境上加上了RT模块,配合必要的硬件平台,为实时系统开发提供的一个易用的高性能平台。

本文旨在对实时系统的特点,LabVIEWRT系统结构和应用程序开发做系统描述。

1实时测控系统概述实时测控系统的实时性要求对于不同的应用差异很大。

最容易混淆的定义就是把实时系统和绝对的高速联系起来。

实时性和高速并不是相同的含义,更为确切的实时性的定义,可以定义为系统能够在确定的时间内完成要求的操作的能力。

绝大部分实时系统的核心是实时操作系统。

与通用的操作系统比较,实时操作系统最大的特点是其可以保证在最差情况下对外部事件的响应延时,而通用操作系统如Windows,Mac等为多任务系统,外部的事件通常放入一个队列中等待处理,因而很难保证实时特性。

因此建立在实时操作系统上的应用系统一般有如下的实时特性:

系统具有确定性。

确定性定义为系统在给定的时间内对事件响应的一致性。

通常在控制循环中,用循环时间的波动性作为考察指标。

波动性定义为每次循环时间和平均循环时间的相对差异。

波动越大,则每次循环之间时间差异越大,系统确定性差。

实时系统提供最大的可靠性。

实时系统大多不需要用户的交互干涉,在嵌入式系统中应用广泛。

典型的实时测控系统可以分为3部分功能模块:

数据采集、控制算法实现、控制信号输出。

选择系统开发方案和实时操作系统时,主要的指标有控制循环时间、控制循环时间波动、实时响应时间等。

和基于Windows平台的控制系统比较,实时测控系统的控制循环时间较短,甚至可以达到10Ls以下。

实时操作系统可以提供一般通用操作系统无法保证的实时性,但是对于开发人员来说,系统的特殊性带来了很大的开发难度。

实时系统的开发,往往周期很长,系统维护比较困难。

LabVIEWRT通过将Lab2VIEW图形化编程环境和实时操作系统的巧妙结合,提供了一个较为方便的开发实时测控系统的途径。

LabVIEW作为图形化编程的语言,在测试领域中得到了广泛的应用,其图形化的编程方式极大地提高#61#LabVIEWRT实时控制开发系统结构与开发应用北京本原同济科技发展有限公司经销PLC、Moxa、FIX产品Tel:

010-68465010FAX:

68467255http:

M了系统开发效率,被称为工程师的语言。

普通Lab2VIEW程序还是建立于通用的操作系统上,如Win2dows系统,因此这些系统仍然无法提供很高的实时性能。

LabVIEWRT系统通过在普通的LabVIEW开发环境中增加的RT模块,最终可以将开发完成的程序下载到一些指定的硬件环境中（称为目标环境）,而在目标环境中运行实时操作系统,进而提供实时性。

在目标机和上位机之间,可以通过TCP/IP协议完成数据传递和人机交互、上位监控等功能。

这样既保证了系统的实时特性,又保证了系统开发的简便。

2LabVIEWRT系统结构LabVIEWRT包括3个部分,LabVIEW、RT开发系统和RT引擎。

图1表示LabVIEWRT的结构。

主机（Windows操作系统）LabVIEWRT开发系统QT数据通信RT系列硬件（实时操作系统）RT引擎图1LabVIEWRT系统结构主机为开发环境运行Windows操作系统,包括普通的LabVIEW开发环境和RT模块,其中RT模块提供将LabVIEW的VI程序编译下载到执行的目标环境并提供两者之间的数据通信的功能。

RT引擎在不同的硬件平台即目标环境上提供实时运行VI程序的能力。

目标环境即RT系列硬件目前有几种不同的形式,但是基本结构都可以分为两部分,一部分为处理器和存储器部分,运行实时操作系统并将LabVIEW的VI下载到其存储器,使它在实时系统下运行;第二部分为采集和控制部分,即输入输出通道。

LabVIEWVI程序编译、下载和通信必须与一定目标环境配合,必须使用特定的支持RT系统的硬件平台。

目前NI公司针对不同的实时应用要求,提供了3种平台类:

RT系列采集卡、RT系列PXI、RT系列的FieldPoint模块。

RT系列采集卡包括AD,DA,DIO数据采集通道和一个嵌入式计算机系统。

LabVIEWVI下载到RT系统采集卡的内存,并在处理器上运行。

采集卡的部分RAM可以在主计算机和采集卡的处理器之间共享,计算机和RT采集卡通过这部分共享的RAM进行通信。

通过这种方式,实时操作系统和LabVIEWVI在RT系列采集卡上运行,保证系统的实时性能;系统的可靠性也有很大提高,可以保证在主机操作系统死机等情况下,位于采集卡的实时控制应用程序继续有效发挥作用。

RT系列采集卡安装在主计算机的PCI插槽中。

以PCI27030/6030ERT采集卡为例,包括16通道100kS/s模拟输入,2通道模拟输出,8通道DIO,即2通道计数器/计时器;486/133MHz处理器,8MBDRAM,其中1KBRAM可以和计算机共享,进行数据通信。

图2LabVIEWRT硬件平台及其通信方式RT系列PXI平台通过以太网连接将运行实时操作系统的PXI平台和PC联系起来。

PXI控制器运行实时操作系统,实时应用程序下载到控制器并在其上运行。

通过这种方式,PXI机箱的模块不需要自己独立的处理器就可以在控制器的实时系统中运行。

PXIRT系统的能力比RT系列采集卡有很大的提高。

第一,PXI的控制器运算能力比一般的嵌入式系统较高,因此实时性能有大的提高,如单路的PID控制算法在最新的控制器上,可以达到每秒4万次以上;第二,PXI平台有更多模块可以选择,除了大量的数据采集模块之外,目前还支持PXI平台的运动控制模块、图像采集模块、GPIB模块和CAN总线模块等。

FP22000和FP22010是Fieldpoint分散式采集系统的网络模块,LabVIEWVI程序可以下载到这些网络模块中,并通过其控制整个系统中的任何I/O模块。

FP22010包含内置的串口,可以和外围的串口设备进行通信。

网络模块同样可以通过OPC,LabVIEW等和主计算机进行通信。

表1对3种RT系列的硬件平台的性能特点作简单说明。

表13种RT系列的硬件平台的性能特点硬件平台RT系列采集卡RT系列PXIRT系列FieldPoint性能（单通道PID循环速率）1kHz40kHz（max）1kHzI/O类型选择好最好很好I/O通道数较少多多坚固一般好好#62#5测控技术62002年第21卷第12期北京长城工业控制计算机技术公司OR.APPRO.ICS.TMI系列工控机电话:

010-65680124图4LabVIEWPID控制实例（硬件控制循环时间）3LabVIEWRT程序开发实例LabVIEWRT实时控制系统基本开发步骤可以分为3步:

（1）在LabVIEW平台上开发应用程序。

这是系统开发的第一步,也是最重要的步骤。

开发人员在运行Windows系统的计算机上,利用LabVIEWRT开发应用程序。

此计算机通过以太网或者PCI总线和目标硬件系统连接。

（2）下载实时应用程序。

开发人员将完成的应用程序下载到目标硬件系统中。

RT系列PXI或Field2point模块是通过以太网下载程序,而RT系列采集卡则通过PCI总线下载程序。

（3）在目标硬件系统平台运行实时系统。

当VI在目标平台上运行的时候,目标硬件系统和主计算机之间自动建立数据通信,在主计算机上的LabVIEWVI前面板上显示出来自目标硬件系统的数据。

下面以LabVIEWRT平台开发单通道PID控制程序为例,说明提高系统实时性的方法。

如图3所示,此系统是一个典型的基于采集卡的LabVIEW控制程序,数据由采集卡的模拟通道采集,送入PID控制算法模块。

根据PID算法得到的控制信号由采集卡的模拟输出通道送出。

注意到在此波动工程序中,控制循环的时间是由软件实现的。

在实时控制系统中,最重要的指标之一是控制时间的确定性,也就是希望循环的时间的波动最小。

实现循环的时间控制可以通过软件和硬件两个不同的方法。

上面程序中,所有的硬件完成的事件由软件触发,因此系统的时间波动是和处理器时钟、循环内的其他功能联系在一起的。

通常的软件循环的时间波动在微秒的数量级上。

对于有些系统这样的性能指标可以完全满足要求,对于要求更高的系统,那就需要用硬件来得到更高的系统确定性。

在LabVIEW和NI的采集卡驱动基础上对上面的程序进行改进,可以用如下的方法。

在此程序中,硬件的时钟用来触发模拟输入操作,模拟输入时钟决定了循环时间。

系统的模拟输出操作仍然由软件触发。

循环开始之前,硬件初始化,设置为连续无缓冲的模拟输入方式。

数据采集的驱动程序功能使每当模拟输入采集得到数据时,VI被激活进而完成循环内的操作。

循环时间由模拟输入扫描速率决定,使得循环周期达到微秒量级,相关的时间波动在毫微秒的量级。

图3LabVIEWPID控制实例（软件控制循环时间）4结束语LabVIEWRT在原有图形化编程的基础上,通过RT模块和相应的硬件系统提供了实时控制的功能。

因为是在LabVIEW的语言基础上开发的,所以开发的实时应用程序保存了原有G语言的特点,开发人员可以最大限度地利用原有的LabVIEW编程经验。

通过这样的方式,实时控制系统开发周期可以有比较大的缩短。

另一方面,LabVIEWRT提供支持的硬件有几种不同的类型,分别适应不同的实时控制要求,为开发人员提供多种选择。

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