概覽

    分布式系統有多種形式。例如，在與中央處理器不同的位置處理輸入和輸出（I/O）的方法通常稱(chēng)為分布式I/O。另一個(gè)例子是為單系統添加多個(gè)處理器，對運算分布式化。本文討論了如何使用NI VeriStand 2010創(chuàng )建分布式處理和I/O系統，其中包含將開(kāi)發(fā)分布式系統變得更為有效和有力的許多特性。例如飛機、汽車(chē)或其他工業(yè)項目中的控制系統常常需要比單個(gè)處理器板卡和機箱所能提供的更多的計算能力和I/O來(lái) 進(jìn)行監視、測試或仿真。本白皮書(shū)詳細介紹了如何創(chuàng )建可擴展、分布式的同步系統，滿(mǎn)足大型硬件在環(huán)（HIL）或實(shí)時(shí)測試系統的需求。NI VeriStand 2010是用于配置包括HIL測試系統在內的實(shí)時(shí)測試應用的即用型軟件環(huán)境。利用NI VeriStand 2010特性，無(wú)需對軟件體系結構進(jìn)行設計、編程和維護，就可以創(chuàng )建系統。

    分布式系統需求

    您通?？梢詫⒋笮拖到y分解為多個(gè)不同組件，獨立實(shí)現每個(gè)組件的硬件和軟件。要提供更高計算能力和I/O容量，您可以在不同硬件上實(shí)現系統的各個(gè)組件。

    例如，飛機的襟翼、縫翼、方向舵、引擎、副翼等都需要仿真和測試?？梢匀鐖D1所示，將系統分解為多個(gè)硬件部件，從而使用模塊化方法。

                 

                                      圖1. 可以用多個(gè)PXI系統仿真飛機組件

    系統級集成特性

    使用NI VeriStand 2010，一個(gè)或多個(gè)操作者（主機）計算機可以在最少用戶(hù)配置的情況下，與一個(gè)或多個(gè)實(shí)時(shí)執行目標進(jìn)行通信。NI VeriStand處理操作者計算機（主機）與實(shí)時(shí)執行目標之間的通信。圖2給出了包含主機和目標的簡(jiǎn)單拓撲結構。

                                

                           圖2. 簡(jiǎn)單拓撲結構

    主機用于和目標通信的組件是NI VeriStand Gateway。雖然通信管理是自動(dòng)完成的，它是理解大型拓撲結構所需的重要概念。
您可以方便地在NI VeriStand 2010系統瀏覽器中將目標添加到拓撲結構中。

                       

                             圖3. 在系統瀏覽器中添加目標

    單個(gè)系統定義文件可以包含無(wú)限多個(gè)目標，甚至可以混和不同目標類(lèi)型。

                            

                    圖4. 單個(gè)系統定義文件可以包含多個(gè)目標

    每個(gè)目標有自己的專(zhuān)用硬件和軟件配置，所有目標可以通過(guò)單個(gè)網(wǎng)關(guān)實(shí)現部署和交互。

                      

                                 圖5. 可在單個(gè)主機上部署多個(gè)目標并進(jìn)行交互

    通過(guò)與另一個(gè)主機網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，其他主機計算機可以與相同的拓撲結構進(jìn)行通信。

                      

                                  圖6. 多個(gè)主機與多個(gè)目標拓撲結構

    要完成這點(diǎn)，其他主機只需要修改NI VeriStand網(wǎng)關(guān)地址為遠程主機即可。其他應用程序保持不變。

    在分布式計算機之間共享數據

    要讓分布式系統如同單個(gè)系統一樣工作，必須在系統組件之間共享數據。這是讓不同部分可以一起工作的關(guān)鍵要素。通?？梢允褂梅瓷鋬却娼涌趯?shí)現。

    反射內存網(wǎng)絡(luò )是實(shí)時(shí)本地局域網(wǎng)（LAN），每個(gè)計算機總是擁有共享內存集合的最新本地復本。這些專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )是為了提供高確定性的數據通信而專(zhuān)門(mén)設計的?？梢蕴峁┒喾N分布式仿真和工業(yè)控制應用所需的高級定時(shí)性能。反射內存網(wǎng)絡(luò )獲益于通用數據網(wǎng)絡(luò )，是不同需求推動(dòng)下產(chǎn)生的完全獨立的技術(shù)，適用于要求確定性、簡(jiǎn)單實(shí)現和軟件負荷小的應用程序1。

    反射內存為NI VeriStand提供了在多個(gè)目標之間共享數據的能力，并且滿(mǎn)足了整個(gè)系統的性能與確定性需求。使用反射內存，仿真模型可以分割在不同的目標系統上同時(shí)執行。輸入與輸出數值通過(guò)反射內存在不同目標系統上共享。GE Fanuc反射內存板卡本地支持NI VeriStand 2010。NI VeriStand 2010的許多組件可以使用反射內存無(wú)縫創(chuàng )建多目標系統。

    此外，NI VeriStand 2010將數據在目標之間自動(dòng)分步用于不同的用途。例如，您可以配置激勵（測試）檔案運行在需要目標B數據的目標A上。NI VeriStand 2010在目標之間自動(dòng)創(chuàng )建并激活鏈路獲取數據。這可以在無(wú)需用戶(hù)配置的情況下自動(dòng)完成。

    圖7顯示了包含反射內存板卡的實(shí)例系統。

                  

                             圖7. 使用反射內存的多個(gè)機箱

    同步分布式系統

    在設計系統時(shí)，考慮時(shí)序與同步的需求是十分重要的。如果分布式硬件不進(jìn)行同步，輸入和輸出的采樣將不同時(shí)發(fā)生。另外，隨著(zhù)時(shí)間的推移，漂移會(huì )導致系統的一個(gè)組件比另一個(gè)組件得到更多采樣，盡管它們被配置為同樣的速率。如果仿真是您的目標，這將導致問(wèn)題。例如，兩個(gè)襟翼仿真可能處于不同的時(shí)間狀態(tài)。另外，因為數據并非來(lái)自相同的時(shí)間點(diǎn)，數據記錄和分析將被破壞。

    同步基礎概要介紹了例如時(shí)鐘漂移和時(shí)鐘偏差的許多細節。

    分布式系統的同步包括硬件同步和軟件同步。您可以選擇性地將整個(gè)系統與GPS或IRIG等外部時(shí)間參考進(jìn)行同步。

    硬件同步

    硬件同步意味著(zhù)系統的每個(gè)硬件共享一個(gè)硬件參考時(shí)鐘，用于定時(shí)和開(kāi)始I/O任務(wù)。系統中的每個(gè)硬件都利用相同的硬件參考時(shí)鐘生成其自己的時(shí)鐘，每個(gè)硬件都在相同的時(shí)間開(kāi)始。

    常見(jiàn)的硬件定時(shí)和同步任務(wù)實(shí)例包含多個(gè)數據采集板卡的同步采樣，在更新數據采集模擬輸出同時(shí)，更新現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）板卡數字輸出PWM的占空比，在數字萬(wàn)用表（DMM）與開(kāi)關(guān)之間握手，波形發(fā)生器和數字化儀的鎖相，或者射頻（RF）下變頻器和中頻（IF）數字化儀的同步。

    您可以用NI PXI機箱創(chuàng )建NI VeriStand分布式系統。PXI（PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統的PCI擴展）是基于PC的堅固平臺，提供了用于測量與自動(dòng)化系統的高性能低成本部署解決方案。PXI將外設組件互連標準（PCI）電子總線(xiàn)與堅固的CompactPCI模塊化Eurocard機械封裝結合在一起，并增加了專(zhuān)用同步總線(xiàn)和關(guān)鍵軟件特性。

    機箱包含高性能PXI背板，其中包含PCI總線(xiàn)和定時(shí)與觸發(fā)總線(xiàn)。PXI模塊化儀器增加了10 MHz專(zhuān)用系統參考時(shí)鐘、PXI觸發(fā)總線(xiàn)、星型觸發(fā)總線(xiàn)和槽對槽局部總線(xiàn)，滿(mǎn)足了高級定時(shí)、同步與邊帶通信的需求，并且不損失任何PCI的優(yōu)點(diǎn)。

    在PXI機箱之間共享參考時(shí)鐘最簡(jiǎn)單的方法是使用機箱背部的CLK10 BNC接頭。幾乎所有的現代PXI機箱都有BNC端子。每個(gè)機箱有CLK10輸出接頭和CLK10輸入接頭。將機箱的CLK10輸出與另一個(gè)機箱的CLK10輸入相連，就可以確保使用相同的參考時(shí)鐘。

    要共享開(kāi)始觸發(fā)器，推薦使用NI數據采集（DAQ）設備。一個(gè)機箱可以將觸發(fā)信號導出供一個(gè)或多個(gè)其他機箱作為開(kāi)始信號使用。

    圖8 是硬件同步配置的例子。在這個(gè)配置中，NI PXI-1042主機箱利用BNC電纜將CLK10作為時(shí)鐘參考導出到N個(gè)其他PXI機箱。所有機箱均導入外部開(kāi)始信號。您可以閱讀高級定時(shí)與同步系統設計了解多機箱同步的更多信息。

                    

                                圖8. 多機箱的硬件同步

    NI VeriStand在一個(gè)機箱內自動(dòng)處理所有硬件同步，還可以導出或導入采樣時(shí)鐘和觸發(fā)信號到其他目標上。

    在NI VeriStand系統瀏覽器中將數據采集設備添加到系統配置后，您可以在圖9中看到一個(gè)數據采集設備的名稱(chēng)用粗體顯示。NI VeriStand自動(dòng)選擇了這個(gè)設備作為機箱的主數據采集設備。主數據采集設備接受外部觸發(fā)信號完成多目標同步。NI VeriStand在單個(gè)機箱中將從數據采集設備與主數據采集設備進(jìn)行同步，從設備不包含在多機箱同步中。

                  

                   圖9. 粗體顯示的設備被選中作為主數據采集設備

    在機箱頁(yè)面中，您可以定制主數據采集設備選擇并進(jìn)行觸發(fā)。在樹(shù)形結構中選擇機箱。您可以看到如圖10所示的頁(yè)面，圖中標出了對多機箱硬件同步而言重要的環(huán)節。

               

                               圖10. 在PFI 6機箱中導入觸發(fā)器

    在圖10中，機箱配置為在PFI 6的Dev1中導入觸發(fā)器。查閱Dev1設備的硬件手冊尋找PFI 6端子。

    在創(chuàng )建這些配置并完成BNC與觸發(fā)器排線(xiàn)之后，可以將它們部署到運行VeriStand的實(shí)時(shí)執行目標上來(lái)實(shí)現硬件同步。

    如果您所使用的機箱沒(méi)有CLK10 BNC接頭，或是您需要更好的同步性能，您可以使用定時(shí)與同步板卡（NI-665x）實(shí)現相同功能。如果您決定使用NI-665x板卡實(shí)現這個(gè)功能，需要確定每個(gè)系統配置都添加了“10MHz PLL”定時(shí)與同步設備，而且配置為導入或導出10 MHz時(shí)鐘。

    軟件同步

    軟件同步意味著(zhù)系統中（在這個(gè)例子中是NI VeriStand實(shí)時(shí)引擎），不同代碼塊共享相同的執行時(shí)鐘和一個(gè)開(kāi)始信號實(shí)現在相同時(shí)間開(kāi)始執行。

    在適當的硬件設備可用時(shí)，NI VeriStand實(shí)時(shí)引擎被設計為使用硬件定時(shí)單點(diǎn)I/O（HWTSPIO）。HWTSPIO是一種數據采集軟硬件特性，允許將軟件執行鎖定到物理硬件時(shí)鐘上。將軟件鎖定到硬件只適用于模擬輸入，因此即使不使用模擬輸入通道，PXI系統配置中至少要包含一個(gè)模擬輸入通道。

    所以如果硬件采用如上同步方式，模擬輸入通道會(huì )出現在每個(gè)配置中，每個(gè)目標的NI VeriStand實(shí)時(shí)引擎軟件被自動(dòng)同步。

    參考時(shí)鐘同步

    在一些情況下，不僅要求系統組件相互同步，還要求同步到外部時(shí)鐘參考。因為上述同步系統組件的方法包含主目標與分布式系統其他部分共享時(shí)鐘和觸發(fā)信號，參考時(shí)鐘同步可以通過(guò)簡(jiǎn)單地將主目標連接到外部時(shí)鐘參考實(shí)現。

    NI VeriStand的Clock 10 Discipline附加組件讓NI VeriStand引擎可以根據外部參考時(shí)鐘進(jìn)行同步。外部參考時(shí)鐘可以是NI PXI-6682模塊支持的參考之一。附加組件結合PXI-6682和其他定時(shí)與同步板卡，對PXI機箱按照外部參考時(shí)鐘約束。您可以在這個(gè)頁(yè)面了解關(guān)于這個(gè)附加組件的更多細節。

    圖11給出了相互同步并與外部時(shí)鐘參考進(jìn)行同步的分布式系統實(shí)例。

                  

                        圖11. 多機箱與外部時(shí)鐘參考的硬件同步

    結論

    使用NI VeriStand，您可以配置實(shí)時(shí)I/O、激勵檔案、數據記錄、警報和其他任務(wù)，通過(guò)從多個(gè)軟件環(huán)境中導入模型實(shí)現控制算法或系統仿真，使用運行時(shí)間可編輯的用戶(hù)界面快速構建可以和商用工具媲美的測試系統界面，使用NI LabVIEW、NI TestStand、ANSI C/C++、.NET、Python和其他軟件環(huán)境添加定制功能。

    通過(guò)利用NI VeriStand 2010，您可以方便地創(chuàng )建分布式HIL、實(shí)時(shí)測試或是采用高效多目標特性監視系統。