探討FPGA
FPGA是一個(gè)內(nèi)含可重設(shè)組態(tài)之閘門陣列邏輯電路矩陣的設(shè)備。當(dāng)工程師設(shè)定FPGA的組態(tài)時(shí)，內(nèi)部電路便連接，將軟件的應(yīng)用轉(zhuǎn)換為硬件布制。和處理器不同的是，F(xiàn)PGA采用專屬硬件來(lái)處理邏輯，而且沒有作業(yè)系統(tǒng)。FPGA技術(shù)提供許多優(yōu)勢(shì)，包括自訂I/O計(jì)時(shí)和同步化、20 MHz控制迴圈速率、專屬硬件的穩(wěn)定性，以及數(shù)字信號(hào)處理和分析。

傳統(tǒng)上，工程師需要擁有硬件設(shè)計(jì)工具和VHDL等程式語(yǔ)言的龐大知識(shí)，才能設(shè)計(jì)FPGA的功能。.CompactRIO中的FPGA使用National Instruments LabVIEW圖形化開發(fā)工具來(lái)設(shè)計(jì)程式，因此工程師可以用很短的時(shí)間，自行訂定并重設(shè)CompactRIO中的FPGA的組態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)功能需要改變時(shí)，開發(fā)人員只需將新的NI LabVIEW程式下載到FPGA，即可改變CompactRIO的特性。
 
FPGA運(yùn)用于載具內(nèi)I/O的彈性及效能
CompactRIO提供廣泛的I/O模組，用于連接至任何載具內(nèi)感測(cè)器、致動(dòng)器，以及網(wǎng)路。工程師可以完全自行設(shè)定每一項(xiàng)應(yīng)用的I/O時(shí)間、同步作業(yè)、處理，以及控制速率。
　
I/O 感測(cè)器和信號(hào)類型 模組 通道 特殊功能
溫度 熱電偶 NI 9211 4 24位元解析度，15 S/s
　 RTD    NI 9217 4 24位元解析度，100 S/s
聲音和震動(dòng) IEPE感測(cè)器（加速計(jì)／麥克風(fēng)） NI 9233 4 24位元解析度，每個(gè)通道50 kS/s，同步， IEPE調(diào)節(jié)，反失真
張力 橋接式感測(cè)器（應(yīng)力規(guī)，壓力傳感器） NI 9237 4 24位元解析度，每個(gè)通道50 kS/s，同步，全／半橋(full-/half-bridge)
電壓 ±200 mV至±10 V NI 9205 32 16位元解析度，250 kS/s
　 ±60 V    NI 9221 8 12位元解析度，800 kS/s
燃料電池(Fuel cell)  ±200 mV至±10 V NI 9206 32 16位元解析度，250 kS/s, 600 V DC CAT I 隔離
CAN通訊 雙埠高速CAN介面  NI 9583 2 雙埠高速CAN模組

表一：CompactRIO的載具內(nèi)I/O
 
 
取樣速率的彈性
由于FPGA直接連接至每一個(gè)I/O模組，因此工程師可以設(shè)定CompactRIO中每一個(gè)模組的取樣速率。這項(xiàng)功能為系統(tǒng)提供無(wú)與倫比的時(shí)間彈性。在一部CompactRIO系統(tǒng)中，工程師可以用10 S/s的速度擷取溫度量測(cè)，同時(shí)以50 kS/s的速度監(jiān)督震動(dòng)量測(cè)。工程師也可以直接在FPGA上進(jìn)行資料取捨，在同一個(gè)I/O模組中設(shè)定不同的通道，采用不同的速率。
 
I/O同步化
FPGA技術(shù)應(yīng)用于載具內(nèi)資料擷取及測(cè)試方面的優(yōu)點(diǎn)之一，就是能夠在任何I/O模組之間獲得決定性的硬體同步化。舉例來(lái)說(shuō)，NI 9853 CAN介面模組和任何模擬或數(shù)字輸入模組都可以執(zhí)行讀取動(dòng)作，以獲得毫微秒(nanosecond)解析度的同步測(cè)量功能。運(yùn)用這種同步化功能，測(cè)試工程師可以從一部特定的CAN設(shè)備（例如電子控制元件ECU或致動(dòng)器）讀取數(shù)值，再將數(shù)值和來(lái)自同步執(zhí)行的模擬或數(shù)字輸入埠的資料作比較。
　
 
40 MHz的決策
對(duì)于快速建立原型之類的控制應(yīng)用而言，F(xiàn)PGA客制硬件的效能會(huì)以極快的速度進(jìn)行密閉迴圈控制。只要使用任一種I/O模組，工程師就可以設(shè)定CompactRIO，使它對(duì)輸入的CAN、模擬或數(shù)字資料進(jìn)行反應(yīng)，決定速度可以高達(dá)40 MHz。過去這一類的應(yīng)用需要使用高價(jià)的客制硬件，才能獲得這樣的效能。
「過去我們至少要花兩年的人力和五十萬(wàn)元，才能使用自行設(shè)計(jì)的硬體開發(fā)出類似的ECU原型建立系統(tǒng)。就這個(gè)專案而言，設(shè)備的成本（包括機(jī)車和CompactRIO）是一萬(wàn)五千元。此外，我們大約花了三個(gè)月的人力在這項(xiàng)專案上。CompactRIO和LabVIEW Real-Time提供我們需要的穩(wěn)定性和精確計(jì)時(shí)資源，而且系統(tǒng)有足夠的堅(jiān)固性，可以承受操作環(huán)境的高溫和高震動(dòng)。」
–Drivven, Inc.總裁Carroll G. Dase

　
 
感測(cè)器層級(jí)的信號(hào)處理及分析
CompactRIO中的FPGA就像一個(gè)平行處理引擎，因此工程師可以對(duì)任何感測(cè)器信號(hào)執(zhí)行高級(jí)信號(hào)處理和分析。舉例來(lái)說(shuō)，解譯轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)通常需要大量的處理器運(yùn)算能力。工程師可以設(shè)計(jì)FPGA，讓它在硬件中解譯多種感測(cè)器信號(hào)，允許網(wǎng)路上的CPU去執(zhí)行其它的處理作業(yè)。此外，工程師也可以使用LabVIEW數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具組(Digital Filter Design Toolkit)，輕松地在FPGA硬件中使用高級(jí)數(shù)字濾波器。
　
 
獨(dú)立操作及網(wǎng)路化操作
CompactRIO控制器內(nèi)含一顆嵌入式即時(shí)處理器，用于智慧型獨(dú)立運(yùn)作；包含乙太網(wǎng)路及序列埠，可以連接至主電腦和週邊；并且使用LabVIEW Real-Time軟體進(jìn)行決定控制、資料記錄，以及分析。此外，你可以將乙太網(wǎng)路埠與內(nèi)附的網(wǎng)頁(yè)及檔案伺服器結(jié)合，這樣操作者就可以輕易地取用在控制器上執(zhí)行的嵌入式程式。由于它具備兩個(gè)9至35 V（操作時(shí)為6至35 V）電源供應(yīng)輸入，因此工程師可以直接用載具電瓶提供CompactRIO電力。控制器內(nèi)含最多512 MB的非永久存儲(chǔ)器，用于載具內(nèi)資料記錄之用。 
 

利用嵌入式FPGA以及通用的程式設(shè)計(jì)環(huán)境，工程師可以使用CompactRIO和LabVIEW來(lái)建立任何載具內(nèi)測(cè)試、控制及設(shè)計(jì)應(yīng)用程式。FPGA的高速及同步化功能，結(jié)合堅(jiān)固的外形及廣泛的I/O模組，使CompactRIO成為載具內(nèi)應(yīng)用的理想平臺(tái)。