NI 9144擴展機箱內部原理

實時以太網擴展I/O

NI 9144是用于C系列模塊的8槽位擴展機箱，它使用稱為EtherCAT®（以太網控制自動化技術）的實時以太網技術，確定性地與實時主控制器進行通信。這個高性能的工業(yè)協議擴展了IEEE 802.3以太網標準，能夠以可預測的定時與精確同步傳送數據。這個開放式標準是作為IEC 61158的一部分發(fā)布的，通常使用在機器設計與運動控制等應用中。

要建立確定性的分布式I/O系統，通常在標準的以太網布線上使用主/從體系結構。您可以將任何帶有雙以太網接口的CompactRIO控制器或帶有NI PXI-8231/8232以太網接口的PXI系統作為主控制器。使用菊花鏈可以將多個NI 9144從機箱連接到主控制器，擴展了嚴格時間應用的同時，也利用最少的處理器資源維持硬件確定性。

圖1：以NI 9144機箱構成的EtherCAT主/從體系結構。

NI 9144擴展機箱由多個硬件組件構成，使得確定性分布式I/O成為可能。每個從機箱都帶有兩個以太網接口，用于接收EtherCAT數據包。這些數據包通過物理層傳送到EtherCAT IP棧。EtherCAT IP包含了多個fieldbus內存管理單元（FMMU），用來正確地將EtherCAT數據映射到特定的從設備上。直接內存訪問（DMA）在EtherCAT IP和C系列I/O模塊之間傳送同步I/O數據。Xilinx FPGA作為C系列模塊接口，根據來自EtherCAT的指令和定時，用循環(huán)的方式處理I/O讀和寫。微控制器管理在主設備和從設備之間的任何異步消息，并且管理不同硬件組件的配置任務。

定時與同步

C系列模塊接口是NI掃描引擎技術的一部分，掃描引擎技術是與LabVIEW實時模塊8.6和CompactRIO一起推出的。這個組件負責同步C系列模塊的I/O數據，使NI 9144的I/O更新能夠與主設備的循環(huán)時間無縫匹配。

確定性網絡的循環(huán)時間包括主控制器程序掃描和I/O掃描的總時間。程序掃描包括LabVIEW程序進行處理（包含嚴格時間任務和普通任務）、完成常規(guī)的清理維護以及與DMA和內存表傳送數據包所需的時間。I/O掃描時間包括EtherCAT數據包通過整個從設備網絡并再返回所需要的時間。

圖3：主設備和從設備循環(huán)時間的時序圖。

NI 9144從設備的循環(huán)時間包括從設備更新和I/O掃描的總時間。從設備更新是從設備使用DMA傳輸、處理數據并更新其I/O所需的時間。由于I/O掃描在主設備和從設備之間是同步的，從設備更新與主設備的程序掃描同時運行。因此，根據花費時間的長短，最小循環(huán)時間受到從設備更新或程序掃描時間的限制。

循環(huán)時間＝程序掃描（內存數據傳輸與數據處理）+I/O掃描（數據傳輸）

＝從設備更新（數據更新與處理）+I/O掃描（數據傳輸）

程序掃描時間可能會隨著網絡中從設備數量的增加而增加，因為主控制器需要處理更多數據。但是，從設備更新時間不會增加，因為從設備并行地對所有I/O進行更新。因此，在網絡中從設備越多，主程序掃描就越可能成為系統瓶頸。如果您的應用含有較高的I/O通道數，可以考慮為主設備使用高性能處理器。

I/O同步

NI 9144擴展機箱的優(yōu)點是不僅包含模塊到模塊同步，還包含了從設備到從設備同步。主控制器通過使用分布式時鐘，將所有從設備與相同的時間進行同步，完成了從設備之間的同步。在I/O掃描完成并且傳送EtherCAT數據包之后，EtherCAT IP就發(fā)出Sync0信號，通知從設備有新的數據就緒。

* SS＝同步采樣模塊；Mux＝多路復用模塊

圖4：從設備更新的時序圖。

主控制器還使用Sync0對齊“虛擬點”，這是所有從機箱對各自的I/O進行更新的精確時間點。由于NI掃描引擎作用于單點數據，虛擬輸出點已經經過優(yōu)化以便最快地獲取輸出模塊的更新，虛擬輸入點已經過優(yōu)化以提供輸入模塊的最新采樣。在這種模式下，在個別通道之間的更新只會出現很小的抖動，這對于控制應用而言是十分理想的。對于含有多路復用I/O的模塊而言，輸入在每個周期中都會包含一定的延遲，因此通道0讀數相對于下一個通道0讀數而言，會有相同的偏差值。此外，同步采樣模塊對于所有使用的相同模塊都在準確的相同時間進行I/O通道更新，即使使用不同的模塊，也可達到最小的相位偏移。假設在從設備更新中，每個從設備采樣發(fā)生在兩個相同的虛擬點上，那么對于所有網絡上的NI 9144從設備的輸出和輸入都會有同步的開始時間。