NI可重配置I/O(RIO)產品可在靈活的開發平臺上實現高精度測量，適用于需要高速閉環控制的系統級應用。這些應用有時需要比核心系統可提供的更多的通道數或分布更廣的架構。而擴展I/O系統可以實現1個對N個的系統拓撲結構，該拓撲結構使用一個控制器、“N”個現場可編程門陣列(FPGA)和多個I/O節點構成，該結構用于實現靈活的高通道數系統，這樣的系統可以執行分布式控制和本地化處理。

1. 以總線為基礎

高通道數系統的需求是多種多樣的，而NI的差異化擴展I/O產品正是為了提供全面的產品系列來滿足這些需求而設計的。不同擴展I/O方案之間的主要區別在于I/O與處理器之間的總線，如圖1所示。每條總線具有各自的優勢，使其成為各種擴展I /O應用的理想選擇。

圖1. 擴展I/O將I /O與處理器分離開。每個擴展方案在I /O與處理器間執行不同的通信總線協議，適合不同的應用領域。

2. 擴展比較

每款擴展I/O方案均基于決定系統某些功能的獨特通信總線（MXI-Express、以太網、EtherCAT或無線）。表1總結了每個擴展I/O方案之間的一些主要區別。

表1.?擴展I/O主要特性比較

3. MXI-Express RIO

MXI-Express RIO擴展機箱為需要高吞吐量、高通道計數、混合信號調理的I/O和自定義信號處理和控制算法的應用提供了高性能解決方案。 每個MXI-Express RIO機箱可支持8個或14個C系列I/O模塊，提供了同類性能最佳的Virtex-5 LX50、LX85或LX110 FPGA。以菊花鏈的方式可最多連接六個機箱，機箱通過有線PCI Express x1鏈路與主控制器通信，實現比以太網或EtherCAT RIO擴展機箱高出20倍的吞吐量。該MXI-Express鏈路實現了與各種主系統的連接，包括多核NI CompactRIO以及雙核和四核PC、PXI以及運行NI LabVIEW Real-Time或Windows的工業控制器。MXI-Express RIO系統是硬件在環(HIL)測試、工業機器狀態監控、聲音和振動以及宏觀物理復雜研究等應用的理想選擇。

4. 以太網 RIO

用戶可以使用堅固耐用的4槽或8槽以太網RIO機箱來添加帶FPGA的分布式I/O至任何以太網絡。由于標準CAT-5布線所具有的靈活性，用戶可連接以太網RIO系統至幾乎所有可支持以太網的主機，包括NI CompactRIO、PXI實時控制器以及NI工業控制器。用戶還可以連接以太網RIO擴展系統至基于Windows的PC，以創建經混合信號調理且帶FPGA的I/O的靈活分布式網絡。借助板載FPGA，還可實現每個機箱的自定義信號分析、控制和安全聯鎖，搭建真正的模塊化系統。基于以太網RIO的系統非常適合需要靈活易用且低成本的應用。這些應用包括溫度測量和流量測量等單點測量的分布式監測。

5. EtherCAT RIO

EtherCAT（以太網控制自動化技術）RIO是一個8槽從機箱，可實現基于以太網和確定性EtherCAT協議的通信。EtherCAT RIO可允許用戶以指定的確定性和同步性添加帶FPGA的I/O至高通道數或分布式I/O系統。借助EtherCAT RIO，用戶可以菊花鏈的方式將多個從設備連接至單個主設備，并將I/O與單個主時鐘同步。EtherCAT RIO非常適合用于需要基于多個同步機箱的硬確定性的分布式單點控制和運動應用。用戶可以將EtherCAT RIO用于風力發電機組的結構監測、同步測試裝置以及遠程控制應用。

6. 無線傳感器網絡(WSN)

WSN平臺可允許用戶將無線I/O添加至任何現有監測或控制系統。 通過NI WSN平臺可監測設備狀態和運行環境，電池供電的WSN測量節點還提供工業評級和局域分析控制功能。 每個無線網絡可從數十個節點擴展到數百個節點，并可無縫集成到其他系統，包括CompactRIO、NI PXI以及與Windows PC。WSN是需要克服電源或距離限制的應用的理想選擇。 由于無需布線連接I/O，因此用戶可監測難以到達的地方、運動中的零件、移動設備以及戶外場所。

7. I/O 數

MXI-Express RIO、以太網RIO和EtherCAT RIO
MXI-Express RIO、以太網RIO和EtherCAT RIO系統可通過C系列I/O模塊連接至任何總線上的任何傳感器。FPGA可直接支持這些I/O， 用于執行嵌入式信號處理、自定義定時、專用觸發和閉環控制。每個C系列I/O模塊含有內置的信號調理和螺栓端子、BNC或D-Sub連接器。目前，有適合不同測量的100多款NI和第三方C系列模塊，包括：熱電偶、電壓、電阻溫度探測器(RTD)、電流、電阻、應變、數字（TTL和其他）、加速度計和麥克風等。單個模塊上的通道數從3路到32路不等，可滿足多種系統需求。

WSN
NI WSN測量節點可直接與傳感器連接，具有內置信號調理功能和工業級性能。目前提供的WSN節點包含用于+/-10 V模擬輸入、熱電偶、RTD、電阻、RS232、RS485、數字I/O和全橋/四分之一橋/半橋應變計的接口。

8. FPGA

MXI-Express RIO、以太網RIO和EtherCAT RIO
FPGA芯片能夠在各個行業中廣泛應用的原因是FPGA集合了專用集成電路(ASIC)和基于處理器的系統的各種優勢。FPGA提供硬件定時的速度和可靠性，但它們并沒有像自定義ASIC設計中設計高容量產生的前期高額費用。

可再編程硅芯片的靈活性與基于處理器的系統上運行的軟件相同，但它并不受限于可用處理內核的數量。與處理器不同的是，FPGA屬于真正的并行結構，因此不同的處理操作無需競爭相同的資源。每個獨立的處理任務都配有專用的芯片部分，在不受其它邏輯塊的影響下自主運作。因此，加入更多處理任務時，其它應用的性能也不會受到影響。

表2. 查看用于NI RIO產品的FPGA，基于FPGA的擴展機箱用粗體表示。

9. 網絡拓撲

MXI-Express RIO
MXI-Express RIO具有星型和菊花鏈配置。 可連接的機箱數量取決于系統，但一般來說，每條菊花鏈最多可包含六個機箱。星型配置的機箱總數取決于主控制器中可用的PCI總線部分，每個控制器可連接超過40個機箱。

EtherCAT RIO
EtherCAT網絡的理論設備限制是65,535個從設備，快速以太網(100 Mbit/s)的限制與之相似。實際限制該系統的最大設備數量的因素包括所部署的I/O通道數量、控制器速度和運行的應用。

注意，配置系統或計算總吞吐量需求時，菊花鏈上的所有機箱共享同一條連接回主控制器的“管道”或帶寬。另外，回路速率還受到設備數量和總線數據的影響，因為每個機箱、每條線纜都會增加系統的延遲。

WSN
每個WSN系統由節點和網關組成。 分布式測量節點與傳感器或儀器連接，以進行數據收集并與中央網關無線通信，中央網關的作用相當于網絡協調員，負責節點認證、消息緩存和無線網絡與主系統之間的橋接。路由器是一種特殊的測量節點，用于擴展WSN的距離和可靠性。WSN系統可以通過星型、樹型或網狀配置進行連接，如圖2所示。

圖2. NI WSN系統的網絡拓撲

10. 距離

MXI-Express RIO、以太網RIO和EtherCAT RIO
MXI-Express RIO與總線上機箱的間距最長為7米。以太網RIO和EtherCAT從機箱在設備之間未連接集線器、交換機或中繼器之前最多可支持100米的距離。

注：為了擴展EtherCAT網絡的距離，用戶必須使用兼容EtherCAT的設備；一般的以太網交換機不兼容EtherCAT網絡。

WSN
WSN系統可與網關的最長通信距離為900 m。實際距離和無線信號強度取決于幾個因素，包括RF環境、視距和所在地區認證的WSN無線版本——美洲版具有17 dBm的發射功率，而歐洲/亞洲版的發射功率為10 dBm。這些版本對應的單跳通信距離分別為300 m和200 m。路由器可用于擴展網絡的整體距離，并可定位離網關最長三個跳躍距離的節點，使得整體網絡距離可達900 m。如需查看所在地區認證的節點版本，請參考每個國家的無線產品認證。

11. 多設備同步

定時和同步可實現事件的及時關聯或協調，這是許多控制和測量應用不可分割的一部分，尤其是高通道數應用。

MXI-Express RIO and 以太網RIO
MXI-Express RIO和以太網RIO機箱不支持基于通信總線（分別對應MXI-Express和快速以太網）的本地同步。總線架構沒有內置時鐘共享且數據包丟失或網絡拓撲結構沖突而產生的延遲并沒有計算在內（系統內節點之間的通信是異步的）。然而，由于共享機箱背板時鐘，單個機箱中的所有模塊均可同步，多個MXI-Express RIO或以太網RIO機箱也可使用C系列數字I/O模塊進行同步，以在機箱間分配一個參考時鐘信號。多個CompactRIO機箱的DSA模塊同步設計參考包含了演示這一同步方法的參考架構。

EtherCAT RIO
由于EtherCAT總線通信標準定義了網絡參考上的所有設備為主系統時鐘，因此EtherCAT RIO會自動同步到系統的其他部分。這使得EtherCAT總線成為需要嚴格同步（小于1微秒）和硬確定性的系統的理想選擇。

WSN
NI WSN系統并未提供單個節點之間的內置同步，但是整個網絡確實共享同一個時基。每次數據采樣在采集時進行時間標記，然后與數據附加的定時信息一起發送至網關。這意味著可在與主機相同的時間軸上繪制出整個網絡的所有數據。NI WSN網絡管理共享的時基，并以有規律的時間間隔糾正漂移。在任何給定的時間，每個節點時鐘與網關/主機時鐘誤差不超過一秒鐘。

12. 通信抖動

本規范僅指由通信總線引起的抖動。系統抖動的主要來源通常與控制器而非通信總線（尤其是Windows控制器）相關。另外，系統的抖動還取決于系統架構和數據到達主機之前必須通過的菊花鏈的機箱數量。

確定性通信對于控制回路包含分布式實時計算節點之間的數據通信的應用非常重要。這意味著網絡造成的任何抖動都會引起控制循環的抖動。可接受的控制循環抖動取決于所使用的系統，但標準范圍為控制循環時間的±10%。比如1 kHz的控制循環，如果每次迭代的執行時間在900到1,100 μs內，系統仍可正確響應。

MXI-Express RIO和EtherCAT RIO的通信抖動分別低于10ms和1ms。以太網RIO和NI WSN設備并未對抖動做出規定。這是因為快速以太網和無線傳輸并非傳輸數據的確定性方法。

13. 總線吞吐量

MXI-Express RIO提供了與控制器通信的最大管道，具有250 MB/s的最大理論帶寬，而以太網RIO和EtherCAT僅為12.5 MB/s，WSB為250 kbit/s。請記住，總線性能不僅取決于總線的理論最大帶寬，也取決于其他因素，包括延遲、執行、電源需求、應用以及帶寬。對于高吞吐量應用，MXI-Express RIO是最佳方案。Ethernet RIO和EtherCAT RIO的吞吐量對于大部分控制和監測應用來說已經足夠。NI WSN的吞吐量則是低采樣率（大約1 S/s）的理想之選。

14. API

API（應用程序接口）是用作為軟件應用程序構建模塊的一系列程序。對擴展I/O終端進行編程有兩種方法：CompactRIO掃描模式或LabVIEW FPGA主接口API。

EtherCAT、以太網以及WSN機箱可使用CompactRIO掃描模式（又稱為RIO掃描接口或RSI）。CompactRIO掃描模式可自動檢測I/O模塊并將其添加至LabVIEW項目。然后用戶可將I / O變量拖放至LabVIEW Real-Time和HOST VI的程序框圖中，并立即讀寫已換算和校準的I/O數據，而無需編程或編譯FPGA。

圖3. 使用CompactRIO掃描模式

如果希望直接在FPGA上編程，則可使用LabVIEW FPGA模塊。編寫FPGA VI后，FPGA VI就會被編譯成比特流文件并部署至FPGA。如果主機應用程序需要與FPGA通信，則可使用LabVIEW FPGA主機接口API。該API可允許用戶執行讀寫寄存器和DMA傳輸等功能。

請注意，如果使用的是EtherCAT機箱，則只能使用用戶定義的I/O變量來實現控制器的實時VI和擴展機箱的FPGA VI之間的通信。（用戶定義的I/O變量用于同步FPGA數據和NI掃描引擎。）這意味著擴展機箱的FPGA VI不能使用FPGA主接口、DMA傳輸功能或前面板調試等功能。

只能使用LabVIEW FPGA主接口API來連接MXI-Express RIO。

對于機箱兼容能力取決于其支持NI掃描模式的能力的C系列模塊來說，也存在一定的局限性。由于MXI-Express RIO僅支持LabVIEW FPGA，因此NI 986x CAN模塊等依賴NI掃描模式的模塊并不兼容MXI-Express RIO。如需了解C系列兼容性的完整列表，請查看NI C系列兼容性表。

15. 主控制器

四款擴展方案均使用不同的總線，因此控制器端需要采用不同的連接方式。

MXI-Express RIO

MXI-Express RIO需要使用MXI-Express接口卡來連接主系統： 可選擇的系統包括帶有多核處理器的CompactRIO、PXI或工業控制器以及運行Windows或實時操作系統且具有MXI-Express PCI卡接口的PC。 MXI-Express ExpressCard適配器可用于將MXI-Express RIO機箱連接至沒有配備MXI-Express接口但內置ExpressCard插槽的控制器，如NI PXIe-8115。還可使用NI的PXIe-8364 MXI-Express接口將MXI-Express RIO連接至PXI系統。 MXI-Express與PCI或PCI Express的適配器可用于連接MXI-Express RIO至PC。 在使用配備第三方控制器的MXI-Express RIO機箱之前，請參考PCI Express時鐘規范及其對NI MXI-Express RIO互操作性的影響文檔，了解更多信息。

以太網RIO

以太網RIO可插入至任何配有以太網端口的系統，且可與大多數標準網絡拓撲接口配合使用。如需直接將以太網RIO直接連接至實時控制器的第二個以太網端口，請查看連接以太網RIO擴展機箱至實時控制器的第二個以太網端口。

EtherCAT RIO?

EtherCAT RIO機箱可兼容所有配有兩個以太網端口的實時控制器，包括CompactRIO、PXI和工業控制器平臺。請注意，對于EtherCAT，如果實時PXI控制器沒有配備兩個以太網端口，則必須添加僅支持實時控制器的NI PXI-8231/8232以太網接口（不兼容NI8234以太網接口）。另外還需要采用NI-工業通信的EtherCAT驅動軟件，且第二個以太網端口必須處于“EtherCAT”模式。

WSN

在NI WSN系統中，網關充當網絡協調員的作用，負責節點認證、消息緩沖和從無線網絡到主機系統的橋接。WSN網關提供三種不同的選擇： NI WSN-9791以太網網關、NI 9792可編程網關以及NI 9795 C系列網關。以太網網關可以連接到任何支持以太網的主機控制器，如CompactRIO、NI PXI或Windows PC。NI 9792可編程網關是一個LabVIEW實時終端，無需主機連接即可自主工作。NI 9795 C系列網關實現了NI WSN和CompactRIO平臺之間的緊密集成。C系列網關可插入到CompactRIO系統的任何插槽，因而用戶可在現有系統中添加無線擴展I/O。

16. 總結: 應用特性

許多不同的應用需要在控制器提供的功能的基礎上具有擴展I/O的能力。 無論您的應用需要上百個通道的波形文件讀取、分布式控制還是遠程監控，NI均可提供一個滿足該需求的擴展方案，如圖4所示。

圖4. 查看最適合您LabVIEW RIO系統和應用特性的擴展方案。