RIO 시스템을 위한 NI C시리즈 확장 I/O

한국내쇼날인스트루먼트 정원혁 대리

Overview

재구성 가능한 I/O(RIO) 확장 섀시는 수백 개 또는 수천 개 채널이 필요한 어플리케이션에서 NI RIO 플랫폼과 NI C 시리즈 I/O 하드웨어의 장점을 구현한다. 본 문서는 각 NI RIO 확장섀시를 비교해 사용자가 어플리케이션에 가장 적합한 섀시선택을 돕는 것을 목적으로 한다.

MXI-Express RIO

NI 9157과 NI 9159는 x1 MXI-Express 연결을 통해 호환되는 모든 컨트롤러와 통신하는 14 슬롯 섀시이다. 각 섀시에는 두 개의 MXI-Express 포트가 있으므로 시스템 컴포넌트 간 최대 7m 케이블로 여러 개의 섀시를 동일한 컨트롤러에 데이지 체인 연결할 수 있다. 본 섀시는 MXI-Express 버스와 고성능 FPGA를 통해 수많은 채널에서 데이터 스트리밍을 수행해야 하거나, 집약적인 처리로 맞춤 측정을 실행해야 하는 로컬 고속 컨트롤 또는 모니터링 어플리케이션에 적합하다. 예제 어플리케이션으로는 고급 연구, big physics, HIL 테스트, 머신 상태 모니터링 등이 있다.

Ethernet RIO

견고한 NI 9148 8 슬롯 이더넷 섀시를 사용해 분산 I/O를 네트워크에 추가할 수 있다. 본 섀시는 표준 CAT 5 이더넷 케이블 연결을 통해 모든 NI CompactRIO, 리얼타임 PXI, NI 산업용 컨트롤러 또는 네트워크 연결된 모든 PC와 통신한다.
또한 이더넷에서 많은 채널 수의 어플리케이션을 개발하기 위해 Microsoft Windows 기반 머신에 연결할 수도 있다. NI 9148은 유연성이 뛰어나 기존 네트워크 토폴로지에 확장 I/O를 긴밀하게 연결하기 위한 최상의 선택이다.
온보드 FPGA로 맞춤 신호 분석, 컨트롤 및 안전용 인터록을 실행하여 완벽한 모듈형 시스템을 구축할 수 있다.

EtherCAT(리얼타임 이더넷)

NI 9144는 결정성 있는 EtherCAT 프로토콜로 이더넷에서 통신을 수행하는 8 슬롯 슬레이브 섀시다. 본 섀시는 동기화된 여러 섀시에서 강력한 결정성이 요구되는 분산형 단일 포인트 컨트롤 및 모션 어플리케이션에 적합하다. 고객들은 윈드 터빈 구조 모니터링, 동기화된 테스트 시설, 장거리 컨트롤 어플리케이션에 리얼타임 이더넷을 사용한다.

섀시 비교

RIO 확장 섀시에는 다음과 같은 여러 가지 유사한 점이 있다.

1. 온보드 재구성 가능한 FPGA가 포함되어 있어서
ㆍNI LabVIEW FPGA Module을 이용한 프로그래밍
ㆍ맞춤 I/O 및 타이밍 구현
ㆍ고속 처리 및 컨트롤 구현
2. 100개 이상의 NI 및 타사 C 시리즈 모듈이 있는 C 시리즈 플랫폼을 사용해
ㆍ온보드 신호 컨디셔닝 활용
ㆍ혼합 I/O 시스템을 효율적으로 구축
ㆍ통합 터미널 블록을 사용해 깔끔하고 편리한 와이어 연결

그러나 각 섀시에 사용되는 통신 버스(MXI-Express, Ethernet, EtherCAT)의 각 특성상 몇 가지 차이점도 존재한다. 따라서 채널수가 많은 시스템을 위해 확장 섀시를 선택할 때는 이 같은 차이점 또한 염두에 두어여 한다.

결정성

확장 I/O를 살펴볼 때 섀시 또는 시스템이 ‘결정성’을 갖추었다는 뜻은 시스템의 노드간 결정성 있는 통신을 수행한다는 것을 의미한다. 다시 말해 시스템에서 확장 섀시를 다른 노드와 연결하는 데 사용되는 버스의 결정성을 의미한다. 모든 확장 섀시에는 프로그래밍 가능한 FPGA가 있으며, 이는 특성상 결정성 있게 실행되지만, 세 가지 섀시 중 EtherCAT 확장섀시는 결정성 있는 버스를 사용하는 유일한 섀시이다.
분산 리얼타임 연산 노드 간의 데이터 통신이 컨트롤 루프의 중대한 부분을 차지하는 어플리케이션에서 결정성 있는 통신은 중요하다. 다시 말해 네트워크에 의해 발생한 모든 지터는 컨트롤 루프의 지터를 유발하며 이는 일반적으로 용납되지 않는다.

동기화

타이밍과  동기화를 통해 시간 내에 이벤트가 상호 연계되거나 조정된다. 이는 여러 컨트롤 및 측정 어플리케이션에 있어 중요하며, 특히 어플리케이션이 더욱 많은 채널수로 확장됨에 따라 더욱 중요하다.
EtherCAT 버스 통신 표준은 네트워크의 모든 디바이스가 참조하는 마스터 시스템 클럭을 정의하므로 EtherCAT RIO는 시스템의 다른 부분과 동기화된다. 이를 통해 EtherCAT 버스는 긴밀한 동기화(마이크로 초 단위)와 강한 결정성이 요구되는 시스템에 가장 적합한 선택이다.
MXI-Express 및 Ethernet RIO 섀시는 버스 아키텍처가 결정성이 없으므로 통신버스(MXI-Express 및 Fast Ethernet 각각)에서 현재 동기화되지 않는다. 클럭 공유는 버스 아키텍처에 내장되어 있지 않다. 즉 누락된 패킷이나 네트워크 토폴로지로 인한 충돌에 의해 발생되는 지연은 설명되지 않는다(시스템의 노드간 통신은 비동기적이다). 단일 섀시의 모든 모듈은 섀시 백플레인을 공유하지 않으므로 동기화되지 않는다. 그러나 여러 MXI-Express 또는 Ethernet RIO 섀시는 참조 클럭 신호를 제공하기 위해 외부 디지털 I/O를 사용해 반드시 동기화되어야 한다. 사용자는 밀리로 정확도를 구현하기 위해 IEEE 1588 타이밍 및 동기화 표준을 사용해 섀시를 동기화하는 옵션을 곧 사용할 수 있게 될 것이다.

분산

분산 시스템에는 동일 네트워크 및 장거리에서 데이터를 통신하고 공유하는 여러 개의 노드가 있다. 분산 시스템은 동일한 태스크 또는 조율된 태스크를 전용으로 수행한다.
MXI-Express RIO는 버스에서 디바이스간 거리가 7 m로 제한된다. Ethernet RIO와 EtherCAT 슬레이브 섀시는 최고 100m까지 디바이스 간 허브, 스위치 또는 리피터가 필요하지 않다.

버스 성능

MXI-Express는 Ethernet RIO와 Ethercat의 100MB/s와 비교해 이론상 최고 250MB/s의 대역폭으로 최대의 파이프를 컨트롤러에 제공한다. 그러나 버스성능은 버스의 이론상 최고 대역폭 뿐만이 아닌 다른 여러 요소의 영향을 받으므로 지연, 실행, 어플리케이션 등 여러 요소를 고려한다.

채널수

MXI-Express RIO에서 스타 또는 데이지 체인(라인) 구성을 사용할 수 있다. 사용 가능한 섀시 개수는 시스템에 따라 달라지지만 일반적으로 데이지 체인 당 4개의 섀시를 사용할 수 있으며, 최적의 시스템 구성 하에서 최고 10개를 사용할 수 있다. 스타 구성에서 전체 섀시는 호스트 컨트롤러에서 사용 가능한 PCI 버스 세그먼트에 따라 달라지며, 단일 컨트롤러에서 30개 이상의 섀시를 사용할 수 있다.
EtherCAT 네트워크의 이론상 디바이스 제한은 65,535 슬레이브이며, Fast Ethernet 한계 또한 유사한 수준으로 높다. 본 시스템의 디바이스 최대 개수에 대한 실질적인 제한 요소로는 배포하는 I/O 채널 개수, 컨트롤러 속도, 실행하는 어플리케이션이 있다.
참고로 데이지 체인의 모든 섀시는 시스템을 구성하고 총 처리량 조건을 계산할 때 호스트 컨트롤러에 대해 동일한 ‘파이프’를 공유한다. 또한 각 섀시가 시스템에 지연을 추가함에 따라 루프 속도는 디바이스 개수와 버스 데이터의 영향을 받는다.

API

LabVIEW FPGA Module을 사용해 세 가지 섀시를 모두 프로그래밍할 수 있다. 또한 EtherCAT 및 이더넷 섀시에서 CompactRIO 스캔 모드를 사용할 수도 있다. CompactRIO 스캔 모드는 I/O 모듈을 자동 감지하고 이를 LabVIEW 프로젝트에 추가한다. 그후 사용자는 LabVIEW Real-Time과 호스트 VI 블록 다이어그램에 I/O 변수를 드래그 앤 드롭하여 FPGA 프로그래밍 또는 컴파일링 없이 확장되고 교정된 I/O 데이터를 즉시 읽거나 쓸 수 있다.
EtherCAT 섀시의 경우, 컨트롤러의 리얼타임 VI와 확장섀시의 FPGA VI 간 통신을 위해 사용자 정의된 I/O 변수만을 사용할 수 있다(사용자 정의된 I/O 변수는 FPGA 데이터를 NI 스캔 엔진과 동기화하기 위해 사용된다). 다시 말해 확장 섀시의 FPGA VI의 경우, FPGA 호스트 인터페이스, DMA 전송기능 또는 프런트 패널 디버깅이 없다.
또한 NI 스캔모드를 지원하는 모듈의 기능에 기반해 각 컨트롤러와 호환되는 C시리즈 모듈 유형에 몇 가지 제한이 있다. MXI-Express RIO는 LabVIEW FPGA만을 지원하므로 NI 스캔모드에 의존하는 모듈(NI 951x 모션 컨트롤 모듈 등)은 MXI-Express RIO와 호환되지 않는다.

호환 컨트롤러

모든 컨트롤러는 각기 다른 버스를 사용하므로 컨트롤러 측에서 각기 다른 연결이 요구된다.
MXI-Express RIO에는 MXI-Express 인터페이스가 필요하다. MXI-ExpressCard 어댑터를 사용해 MXI-Express 인터페이스가 없고 내장된 ExpressCard 슬롯이 있는 컨트롤러에 MXI-Express RIO 섀시를 연결할 수 있다. MXI-Express-PCI/PCI Express 어댑터를 사용해 MXI-Express RIO를 PC에 연결할 수 있다. MXI-Express RIO 섀시를 타사 컨트롤러와 사용하기 전에 PCI Express 클럭 사양과 NI 9159/9157 상호연동에 따른 효과문서를 참조하여 자세한 내용을 살펴볼 수 있다.
Ethernet RIO는 이더넷 포트가 있는 모든 시스템에 연결할 수 있고, 대부분의 표준 네트워크 토폴로지와 함께 사용된다.
EtherCAT 섀시와 Ethernet RIO 섀시는 두 개의 이더넷 포트가 있는 모든 리얼타임 컨트롤러(CompactRIO, PXI, 산업용 컨트롤러 플랫폼)와 호환된다.
참고로 EtherCAT의 경우, 리얼타임 PXI 컨트롤러는 반드시 NI PXI-8231/8232 이더넷 인터페이스(NI 8234 이더넷 인터페이스는 호환하지 않음)를 포함해야 하며, 이는 리얼타임 컨트롤러에서만 지원된다. 또한 NI Industrial Communication for EtherCAT 드라이버 소프트웨어가 필요하며, 두 번째 이더넷 포트는 반드시 EtherCAT 모드여야 한다.