LabVIEW FPGA. Реконфигурируемые измерительные и управляющие системы

LabVIEW FPGA.

Реконфигурируемые

измерительные и

управляющие системы

Е. Д. Баран

Москва, 2017

УДК 62.01:004.9LabVIEW FPGA
ББК 30.2с51

Б24

Баран Е. Д.

Б24
LabVIEW FPGA. Реконфигурируемые измерительные и управляющие
системы. – М.: ДМК Пресс. – 448 с.

ISBN 9785970604557

В книге представлено описание нового модуля графической среды проектирования LabVIEW. С помощью этого модуля, расширяющего концепцию виртуальных инструментов в область разработки аппаратных средств,
можно создавать собственные каналы вводавывода и устройства обработки данных, функциональность и характеристики которых определяются не
на заводе изготовителе, а инженеромразработчиком прикладных систем
автоматизации экспериментальных исследований, испытаний и управления. Рассмотрены архитектурные особенности реконфигурируемых систем, изложен порядок и основные приемы их проектирования, приведены
описания и характеристики технических компонентов, а также некоторые
примеры практической реализации технологии реконфигурированного
вводавывода.

Издание предназначено для специалистов в области разработки информационноизмерительных и управляющих систем, может использоваться
в процессе обучения студентов соответствующих специальностей.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой

бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность

технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную
точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

© Баран Е. Д.

ISBN 9785970604557
© Оформление, ДМК Пресс

ББК 30.2с51
УДК 62.01:004.9LabVIEW FPGA

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ....................................................................................................11

 1

Программируемые логические интегральные схемы ........................15

1.1. Простые программируемые логические устройства – SPLD.....16

1.2. Технологии программирования ПЛИС ........................................21

1.3. Сложные программируемые логические устройства – CPLD .... 25

1.4. Оперативно программируемые логические матрицы – FPGA ....30

1.5. Сравнение архитектур  ПЛИС.......................................................37

1.6. Средства проектирования цифровых устройств на ПЛИС ........39

1.7. Применение ПЛИС ........................................................................47

 2

Многофункциональные устройства вводавывода .............................56

2.1. 2.1. Основные узлы модулей вводавывода. Модули
стандартной архитектуры .....................................................................57

2.1.1. Блок аналогового ввода.............................................................59

2.1.2. Блок аналогового вывода...........................................................62

2.1.3. Блок цифрового вводавывода ..................................................63

Содержание
4

2.1.4. Блок таймерного вводавывода ................................................ 66

2.1.5. Функционирование модуля вводавывода ................................ 66

2.2. Реконфигурируемые модули вводавывода................................ 69

 3

Виртуальные измерительные приборы и программное
обеспечение National Instruments .........................................................76

3.1. Об истории появления LabVIEW ...................................................77

3.2. Основные свойства LabVIEW ........................................................78

3.3. Как развивались технологии виртуальных инструментов…........ 82

3.4. Measurement and Automation eXplorer (MAX) ............................. 84

3.4.1. Конфигурирование технических средств в MAX........................86

3.4.2. Тестирование технических средств в MAX ................................ 88

3.4.3. Создание задачи ....................................................................... 90

3.4.4. Создание симуляторов устройств вводавывода .......................97

3.4.5. Конфигурирование программного обеспечения ................... 100

3.4.6. Конфигурирование сетевого окружения ................................ 103

 4

Организация среды проектирования LabVIEW ................................ 106

4.1. Запуск LabVIEW. Начало работы ................................................ 108

4.2. Создание проекта ........................................................................115

4.3. Редакторы для проектирования программ LabVIEW ................ 117

4.4. Инструменты редакторов программ ........................................ 119

4.4.1. Инструментальные линейки кнопок ........................................ 119

4.4.2. Палитра инструментов Tools Palette ........................................ 122

4.4.3. Объекты программ LabVIEW. Пример программы ..................123

4.4.4. Оценка сложности программ LabVIEW................................... 130

Содержание

4.4.5. Палитра объектов лицевой панели Controls Palette ..................133

4.4.6. Палитра объектов блокдиаграммы Functions Palette .............. 141

4.4.6.1. Субпалитра Programming ..................................................... 144

4.4.6.2. Базовые конструкции языка G. Субпалитра Structures .......... 146

4.4.6.3. Работа с однородными совокупностями данных.
Массивы. Субпалитра Array .............................................................. 149

4.4.6.4. Работа с неоднородными совокупностями данных.
Кластеры. Субпалитра Cluster, Class & Variant .................................... 150

4.4.6.5. Простейшие математические операции. Субпалитра
Numeric.............................................................................................152

4.4.6.6. Логические операции. Субпалитра Boolean .........................154

4.4.6.7. Операции сравнения. Субпалитра Comparison ....................154

4.4.6.8. Операции со строками. Субпалитра String .......................... 156

4.4.6.9. Функции системного таймера. Субпалитра Timing ................157

4.4.6.10. Сохранение и воспроизведение данных.
Субпалитра File I/O ............................................................................ 158

 4.4.6.11. Организация взаимодействия с техническими
средствами. Субпалитра Measure I/O ............................................... 160

4.4.6.12. Субпалитра DAQmx – Data Acquisition............................... 161

 5

Техника программирования в графической среде LabVIEW ......... 164

5.1. Разработка лицевой панели и настройка объектов
лицевой панели................................................................................... 164

5.1.1. Настройка свойств объекта из контекстного меню ................ 168

5.1.2. Задание свойств объекта в окне Properties............................. 170

5.1.3. Массивы и кластеры на лицевой панели.................................. 172

5.2. Разработка блокдиаграммы .......................................................175

5.2.1. Соединение узлов блокдиаграммы. Первая программа ........ 176

Содержание
6

5.2.2. Техника проектирования программ. VI генератора
сигналов ........................................................................................... 179

5.2.3. Разработка пиктограммы VI .................................................... 180

5.2.4. Вызов подпрограмм subVI. Цикл While. Ошибки
проектирования ................................................................................184

5.3. Техника отладки программ в LabVIEW ........................................188

5.3.1. Устранение ошибок до компиляции,
или Почему в LabVIEW мало грубых ошибок .....................................188

5.3.2. Отладка с помощью пробников и контрольных точек..............189

5.3.3. Средства пошаговой отладки программ. Анимация
выполнения программы ....................................................................193

5.3.4. Кластер ошибок. Интерпретация ошибок выполнения
программы....................................................................................... 194

5.3.5. Помощь в среде проектирования LabVIEW ............................ 196

5.4. Разработка блокдиаграммы – продолжение ............................198

5.4.1. Цикл While. Туннели и регистры сдвига, массивы ................... 199

5.4.2. Структура выбора – Case ....................................................... 201

5.4.3. Работа со свойствами объектов ............................................. 202

5.4.4. Цикл For и другие структуры................................................... 204

5.4.5. Объявление и использование переменных ............................ 206

5.4.6. Программирование операций вводавывода......................... 208

5.5. Типы данных и терминалы блокдиаграммы ...............................215

 6

Реконфигурируемые системы и среда
проектирования LabVIEW FPGA .......................................................... 217

6.1. Типовые архитектуры систем реконфигурируемого
вводавывода .......................................................................................218

6.1.1. Системы на основе модуля Rсерии ........................................218

6.1.2. Системы на основе контроллера реального времени ............ 221

Содержание

6.2. Состав и особенности среды проектирования
реконфигурируемых систем ..............................................................224

6.2.1. Особенности среды LabVIEW FPGA ........................................225

6.2.2. Как получается код, загружаемый в FPGA?.............................. 226

6.3. Палитры LabVIEW FPGA .............................................................. 227

6.3.1. Субпалитра арифметических операций ................................. 230

6.3.2. Субпалитра функций математической обработки
данных...............................................................................................232

6.3.2.1. Субпалитра функций управления ..........................................233

6.3.2.2. Субпалитры Utilities и Generation ..........................................237

6.3.2.3. Другие экспрессфункции субпалитры Math & Analysis .........239

6.3.3. Субпалитра вводавывода FPGA I/O .........................................243

6.3.4. Субпалитра узлов для работы с памятью FPGA.........................245

6.3.5. Субпалитра функций тактирования FPGA ................................ 247

6.3.6. Субпалитра функций синхронизации задач в FPGA..................248

6.3.6. Субпалитра Advanced ............................................................ 250

6.4. Методы и средства отладки FPGAприложений ....................... 250

 7

Разработка реконфигурируемых систем в LabVIEW .......................254

7.1. Этапы разработки реконфигурируемых систем .......................254

7.1.1. Создание проекта системы на основе модуля Rсерии ...........255

7.1.2. Программирование целевой платформы. Разработка
программы FPGA VI...........................................................................259

7.1.2.1. Аналоговый вводвывод........................................................259

7.1.2.2. Реализация счетчиков/таймеров .......................................... 264

7.1.3. Тактирование и синхронизация в FPGA................................... 266

7.1.3.1. Тактирование с использованием структуры Single Cycle
Timed Loop....................................................................................... 267

Содержание
8

7.1.3.2. Синхронизация и обмен данными между параллельными
структурами ..................................................................................... 270

7.1.4. Параллелизм выполнения операций в FPGA ........................... 277

7.1.5. Разделяемые ресурсы .............................................................281

7.2. Оптимизация FPGA VI...................................................................284

7.2.1. Оптимизация ресурсов FPGA ..................................................284

7.2.2. Оптимизация быстродействия FPGA ........................................286

7.2.3. Оценка результатов оптимизации ........................................... 292

7.3. Компиляция FPGA VI .....................................................................293

 8

Управление FPGA VI. Разработка Host VI ...........................................298

8.1. Программный обмен данными через элементы лицевой
панели. Субпалитра FPGA Interface ................................................... 301

8.2. Функция Invoke Method................................................................311

8.3. Функция Up Cast............................................................................314

8.4. Синхронизация обмена данными между Host VI и FPGA VI ..... 316

8.4.1. Синхронизация Host VI и FPGA VI методом поллинга...............317

8.4.2. Синхронизация Host VI и FPGA VI с использованием
прерывания.......................................................................................319

8.4.3. Обмен данными с использованием канала прямого
доступа к памяти................................................................................321

 9

Расширение возможностей систем, выполненных
на модулях Rсерии ................................................................................329

9.1. Краткая характеристика модулей вводавывода Ссерии ........331

9.2. Конфигурирование систем с шасси расширения
и модулями Ссерии............................................................................337

9.3. Программирование модулей Ссерии. FPGA VI и Host VI .......342

Содержание

 10

Автономные и распределенные системы
с реконфигурируемыми каналами вводавывода .............................352

10.1. Оборудование систем Compact RIO .......................................354

10.2. Проектирование систем на платформе cRIO..........................359

10.2.1. Конфигурирование среды проектирования ..........................359

10.2.2. Разработка системы реального времени ..............................364

10.2.2.1. Краткая характеристика объекта и структура
проектируемой системы ...................................................................365

10.2.2.2. Создание и конфигурирование проекта ............................ 366

10.2.2.3. Разработка FPGA VI.............................................................368

10.2.2.4. Проектирование программы для контроллера
реального времени ...........................................................................372

10.2.2.5. Разработка Host VI ..............................................................375

 11

Примеры применения технологий
реконфигурируемого вводавывода ..................................................379

11.1. Контроллеры стандартных
и пользовательских интерфейсов ......................................................380

11.1.1. Разработка интерфейса SPI в FPGA ........................................382

11.1.2. Разработка интерфейса I2C в FPGA .......................................386

11.1.3. О реализации протоколов и некоторых особенностях
проектирования интерфейсов в FPGA...............................................389

11.2. Цифровые фильтры в FPGA .......................................................392

11.3. Применение FPGA в системах радиосвязи............................. 404

11.3.1. Цифровые генераторы радиосигналов ................................ 405

11.3.2. Цифровые анализаторы радиосигналов ............................... 408

11.3.3. Усилители и коммутаторы радиосигналов. Программные
средства .......................................................................................... 409

Содержание
10

11.4. Применение технологии cRIO при разработке
прототипов систем измерения и управления ...................................418

11.4.1. Модель процесса проектирования приложений
и ее реализация ................................................................................418

11.4.2. Программнотехническое моделирование датчиков ............428

11.4.2.1. Датчик линейных перемещений..........................................428

11.4.2.2. Датчик температуры – термопары......................................431

Заключение ............................................................................................ 440

Литература ..............................................................................................442