概覽
分布式系統(tǒng)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）的方法通常稱為分布式I/O,。另一個例子是為單系統(tǒng)添加多個處理器,，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(tǒng),，其中包含將開發(fā)分布式系統(tǒng)變得更為有效和有力的許多特性。
例如飛機,、汽車或其他工業(yè)項目中的控制系統(tǒng)常常需要比單個處理器板卡和機箱所能提供的更多的計算能力和I/O來 進行監(jiān)視,、測試或仿真,。本白皮書詳細介紹了如何創(chuàng)建可擴展、分布式的同步系統(tǒng),，滿足大型硬件在環(huán)（HIL）或?qū)崟r測試系統(tǒng)的需求,。NI VeriStand 2010是用于配置包括HIL測試系統(tǒng)在內(nèi)的實時測試應(yīng)用的即用型軟件環(huán)境,。利用NI VeriStand 2010特性,，無需對軟件體系結(jié)構(gòu)進行設(shè)計、編程和維護,，就可以創(chuàng)建系統(tǒng),。
分布式系統(tǒng)需求
您通常可以將大型系統(tǒng)分解為多個不同組件,，獨立實現(xiàn)每個組件的硬件和軟件,。要提供更高計算能力和I/O容量，您可以在不同硬件上實現(xiàn)系統(tǒng)的各個組件,。
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(tǒng)分解為多個硬件部件,，從而使用模塊化方法,。
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圖1. 可以用多個PXI系統(tǒng)仿真飛機組件
系統(tǒng)級集成特性
使用NI VeriStand 2010，一個或多個操作者（主機）計算機可以在最少用戶配置的情況下,，與一個或多個實時執(zhí)行目標(biāo)進行通信,。NI VeriStand處理操作者計算機（主機）與實時執(zhí)行目標(biāo)之間的通信。圖2給出了包含主機和目標(biāo)的簡單拓撲結(jié)構(gòu),。
圖2. 簡單拓撲結(jié)構(gòu)
主機用于和目標(biāo)通信的組件是NI VeriStand Gateway,。雖然通信管理是自動完成的，它是理解大型拓撲結(jié)構(gòu)所需的重要概念,。
您可以方便地在NI VeriStand 2010系統(tǒng)瀏覽器中將目標(biāo)添加到拓撲結(jié)構(gòu)中,。
圖3. 在系統(tǒng)瀏覽器中添加目標(biāo)
單個系統(tǒng)定義文件可以包含無限多個目標(biāo)，甚至可以混和不同目標(biāo)類型,。
圖4. 單個系統(tǒng)定義文件可以包含多個目標(biāo)
每個目標(biāo)有自己的專用硬件和軟件配置,，所有目標(biāo)可以通過單個網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)部署和交互。
圖5. 可在單個主機上部署多個目標(biāo)并進行交互
通過與另一個主機網(wǎng)關(guān)進行通信,，其他主機計算機可以與相同的拓撲結(jié)構(gòu)進行通信,。
圖6. 多個主機與多個目標(biāo)拓撲結(jié)構(gòu)
要完成這點,，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(yīng)用程序保持不變,。
在分布式計算機之間共享數(shù)據(jù)
要讓分布式系統(tǒng)如同單個系統(tǒng)一樣工作,，必須在系統(tǒng)組件之間共享數(shù)據(jù)。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?nèi)存接口實現(xiàn)。
反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)是實時本地局域網(wǎng)（LAN）,，每個計算機總是擁有共享內(nèi)存集合的最新本地復(fù)本,。這些專用網(wǎng)絡(luò)是為了提供高確定性的數(shù)據(jù)通信而專門設(shè)計的?？梢蕴峁┒喾N分布式仿真和工業(yè)控制應(yīng)用所需的高級定時性能,。反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)獲益于通用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，是不同需求推動下產(chǎn)生的完全獨立的技術(shù),，適用于要求確定性,、簡單實現(xiàn)和軟件負荷小的應(yīng)用程序1。
反射內(nèi)存為NI VeriStand提供了在多個目標(biāo)之間共享數(shù)據(jù)的能力,，并且滿足了整個系統(tǒng)的性能與確定性需求,。使用反射內(nèi)存，仿真模型可以分割在不同的目標(biāo)系統(tǒng)上同時執(zhí)行,。輸入與輸出數(shù)值通過反射內(nèi)存在不同目標(biāo)系統(tǒng)上共享,。GE Fanuc反射內(nèi)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(nèi)存無縫創(chuàng)建多目標(biāo)系統(tǒng),。
此外,，NI VeriStand 2010將數(shù)據(jù)在目標(biāo)之間自動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(biāo)B數(shù)據(jù)的目標(biāo)A上,。NI VeriStand 2010在目標(biāo)之間自動創(chuàng)建并激活鏈路獲取數(shù)據(jù)。這可以在無需用戶配置的情況下自動完成,。
圖7顯示了包含反射內(nèi)存板卡的實例系統(tǒng),。
圖7. 使用反射內(nèi)存的多個機箱
同步分布式系統(tǒng)
在設(shè)計系統(tǒng)時，考慮時序與同步的需求是十分重要的,。如果分布式硬件不進行同步,，輸入和輸出的采樣將不同時發(fā)生。另外,，隨著時間的推移,，漂移會導(dǎo)致系統(tǒng)的一個組件比另一個組件得到更多采樣，盡管它們被配置為同樣的速率,。如果仿真是您的目標(biāo),，這將導(dǎo)致問題,。例如，兩個襟翼仿真可能處于不同的時間狀態(tài),。另外,，因為數(shù)據(jù)并非來自相同的時間點，數(shù)據(jù)記錄和分析將被破壞,。
同步基礎(chǔ)概要介紹了例如時鐘漂移和時鐘偏差的許多細節(jié),。
分布式系統(tǒng)的同步包括硬件同步和軟件同步。您可以選擇性地將整個系統(tǒng)與GPS或IRIG等外部時間參考進行同步,。
硬件同步
硬件同步意味著系統(tǒng)的每個硬件共享一個硬件參考時鐘,，用于定時和開始I/O任務(wù),。系統(tǒng)中的每個硬件都利用相同的硬件參考時鐘生成其自己的時鐘,，每個硬件都在相同的時間開始。
常見的硬件定時和同步任務(wù)實例包含多個數(shù)據(jù)采集板卡的同步采樣,，在更新數(shù)據(jù)采集模擬輸出同時,，更新現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）板卡數(shù)字輸出PWM的占空比，在數(shù)字萬用表（DMM）與開關(guān)之間握手,，波形發(fā)生器和數(shù)字化儀的鎖相,，或者射頻（RF）下變頻器和中頻（IF）數(shù)字化儀的同步。
您可以用NI PXI機箱創(chuàng)建NI VeriStand分布式系統(tǒng),。PXI（PCI eXtensions for Instrumentation,，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展）是基于PC的堅固平臺，提供了用于測量與自動化系統(tǒng)的高性能低成本部署解決方案,。PXI將外設(shè)組件互連標(biāo)準(zhǔn)（PCI）電子總線與堅固的CompactPCI模塊化Eurocard機械封裝結(jié)合在一起,，并增加了專用同步總線和關(guān)鍵軟件特性。
機箱包含高性能PXI背板,，其中包含PCI總線和定時與觸發(fā)總線,。PXI模塊化儀器增加了10 MHz專用系統(tǒng)參考時鐘、PXI觸發(fā)總線,、星型觸發(fā)總線和槽對槽局部總線,，滿足了高級定時、同步與邊帶通信的需求,，并且不損失任何PCI的優(yōu)點,。
在PXI機箱之間共享參考時鐘最簡單的方法是使用機箱背部的CLK10 BNC接頭。幾乎所有的現(xiàn)代PXI機箱都有BNC端子,。每個機箱有CLK10輸出接頭和CLK10輸入接頭,。將機箱的CLK10輸出與另一個機箱的CLK10輸入相連，就可以確保使用相同的參考時鐘,。
要共享開始觸發(fā)器,，推薦使用NI數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備,。一個機箱可以將觸發(fā)信號導(dǎo)出供一個或多個其他機箱作為開始信號使用。
圖8 是硬件同步配置的例子,。在這個配置中,，NI PXI-1042主機箱利用BNC電纜將CLK10作為時鐘參考導(dǎo)出到N個其他PXI機箱。所有機箱均導(dǎo)入外部開始信號,。您可以閱讀高級定時與同步系統(tǒng)設(shè)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在一個機箱內(nèi)自動處理所有硬件同步，還可以導(dǎo)出或?qū)氩蓸訒r鐘和觸發(fā)信號到其他目標(biāo)上,。
在NI VeriStand系統(tǒng)瀏覽器中將數(shù)據(jù)采集設(shè)備添加到系統(tǒng)配置后,，您可以在圖9中看到一個數(shù)據(jù)采集設(shè)備的名稱用粗體顯示。NI VeriStand自動選擇了這個設(shè)備作為機箱的主數(shù)據(jù)采集設(shè)備,。主數(shù)據(jù)采集設(shè)備接受外部觸發(fā)信號完成多目標(biāo)同步,。NI VeriStand在單個機箱中將從數(shù)據(jù)采集設(shè)備與主數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行同步，從設(shè)備不包含在多機箱同步中,。
圖9. 粗體顯示的設(shè)備被選中作為主數(shù)據(jù)采集設(shè)備
在機箱頁面中,，您可以定制主數(shù)據(jù)采集設(shè)備選擇并進行觸發(fā)。在樹形結(jié)構(gòu)中選擇機箱,。您可以看到如圖10所示的頁面,，圖中標(biāo)出了對多機箱硬件同步而言重要的環(huán)節(jié)。
圖10. 在PFI 6機箱中導(dǎo)入觸發(fā)器
在圖10中,，機箱配置為在PFI 6的Dev1中導(dǎo)入觸發(fā)器,。查閱Dev1設(shè)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)器排線之后,，可以將它們部署到運行VeriStand的實時執(zhí)行目標(biāo)上來實現(xiàn)硬件同步,。
如果您所使用的機箱沒有CLK10 BNC接頭，或是您需要更好的同步性能,，您可以使用定時與同步板卡（NI-665x）實現(xiàn)相同功能,。如果您決定使用NI-665x板卡實現(xiàn)這個功能，需要確定每個系統(tǒng)配置都添加了“10MHz PLL”定時與同步設(shè)備,，而且配置為導(dǎo)入或?qū)С?0 MHz時鐘,。
軟件同步
軟件同步意味著系統(tǒng)中（在這個例子中是NI VeriStand實時引擎），不同代碼塊共享相同的執(zhí)行時鐘和一個開始信號實現(xiàn)在相同時間開始執(zhí)行,。
在適當(dāng)?shù)挠布O(shè)備可用時,，NI VeriStand實時引擎被設(shè)計為使用硬件定時單點I/O（HWTSPIO）。HWTSPIO是一種數(shù)據(jù)采集軟硬件特性,，允許將軟件執(zhí)行鎖定到物理硬件時鐘上,。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(tǒng)配置中至少要包含一個模擬輸入通道,。
所以如果硬件采用如上同步方式,，模擬輸入通道會出現(xiàn)在每個配置中，每個目標(biāo)的NI VeriStand實時引擎軟件被自動同步,。
參考時鐘同步
在一些情況下,，不僅要求系統(tǒng)組件相互同步，還要求同步到外部時鐘參考,。因為上述同步系統(tǒng)組件的方法包含主目標(biāo)與分布式系統(tǒng)其他部分共享時鐘和觸發(fā)信號,，參考時鐘同步可以通過簡單地將主目標(biāo)連接到外部時鐘參考實現(xiàn)。
NI VeriStand的Clock 10 Discipline附加組件讓NI VeriStand引擎可以根據(jù)外部參考時鐘進行同步,。外部參考時鐘可以是NI PXI-6682模塊支持的參考之一,。附加組件結(jié)合PXI-6682和其他定時與同步板卡，對PXI機箱按照外部參考時鐘約束,。您可以在這個頁面了解關(guān)于這個附加組件的更多細節(jié),。
圖11給出了相互同步并與外部時鐘參考進行同步的分布式系統(tǒng)實例。
圖11. 多機箱與外部時鐘參考的硬件同步
結(jié)論
使用NI VeriStand,，您可以配置實時I/O,、激勵檔案、數(shù)據(jù)記錄,、警報和其他任務(wù)，通過從多個軟件環(huán)境中導(dǎo)入模型實現(xiàn)控制算法或系統(tǒng)仿真,，使用運行時間可編輯的用戶界面快速構(gòu)建可以和商用工具媲美的測試系統(tǒng)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,。
通過利用NI VeriStand 2010,，您可以方便地創(chuàng)建分布式HIL、實時測試或是采用高效多目標(biāo)特性監(jiān)視系統(tǒng),。
參考文獻
1. GE反射內(nèi)存節(jié)點 - http://www.ge-ip.com/products/family/reflective-memory-nodes
更多資源：
軟件下載：Veristand完整版開發(fā)系統(tǒng)
技術(shù)資料：下載NI Veristand 2010 指南
更多關(guān)于NI Veristand技術(shù)信息