Seitdem cRIO 2004 auf den Markt kam, beruhte die Plattform auf der LabView-RIO-Architektur (rekonfigurierbare I/O). Ihre Schaltzentrale war LabView und ihr Leistungszentrum eine Mischung aus programmierbaren Prozessoren, FPGAs und modularen I/O. Die Plattform beinhaltet inzwischen Prozessoren mit hohen Taktraten, eine Auswahl an Xilinx-FPGAs aus vier verschiedenen Technologiegenerationen und über 70 verschiedene I/O-Module. Weltweit nutzen Ingenieure und Wissenschaftler cRIO, um Überwachungs-, Steuerungs- und Regelungsanwendungen zu verwirklichen, mit denen Brände an Bord von Frachtflugzeugen bekämpft, Gleitschirme zur effizienteren Erzeugung von Strom eingesetzt oder mehrere Tonnen nasser Beton präzise aufgeschichtet werden.
Integration modernster ARM- und Xilinx-Technologien
Die neueste Erweiterung der Plattform, das cRIO-9068, ist ein softwaredesignter Controller, den NI komplett anders entwickelt hat als alle Controller zuvor. Die F&E-Teams haben dabei weitreichende Änderungen vorgenommen. Zwei wesentliche Vorteile blieben aber erhalten: die vertraute Entwicklung in LabView und die vollständige Abwärtskompatibilität von vorhandenem Programmcode. Da der Controller softwaredesignt ist, können mit LabView benutzerdefinierte Hardwaredesigns, Firmware und Anwendungssoftware in derselben Entwicklungsumgebung verwirklicht werden. Andere Embedded-Controller nutzen Hard- und Firmware mit festgelegter Funktionalität und bieten eingeschränkten Support für Anwendungssoftware, die durch den Anbieter definiert wurde. Aus der Zusammenarbeit mit Xilinx ergab sich, dass der Controller auf dem All Programmable System on Chip (SoC) Zynq-7020 basiert, das Prozessor und FPGA auf einem Siliziumchip kombiniert. Daraus entstand ein Produkt, das zahlreiche Vorteile bietet:
- einen Dual-Core-Prozessor Cortex-A9 von ARM mit 667MHz, der die vierfache Leistung eines vergleichbaren cRIO mit der bisherigen Architektur bietet
- einen FPGA der 7-Series von Xilinx mit 85.000 Logikzellen für benutzerdefiniertes Timing, Triggern und I/O oder Signalverarbeitung
- 16 DMA-Kanäle zur Übertragung der vom Anwender benötigten Daten
- 220 DSP-Slices
- ein erweiterter Betriebstemperaturbereich von -40 bis 70°C
Wenn auch alle diese Technologien 2013 ihr Debüt auf der cRIO-Plattform haben, stellt LabView sie über bestehende Programmierschnittstellen direkt bereit. Vorhandene Anwendungen können auf den neuen Controller migriert werden. Der Programmcode muss nicht verändert werden, um alle Leistungsverbesserungen zu nutzen.
LabView-RIO-Architektur mit Linux Real-Time
Alle cRIO-Systeme werden mit LabView, dem LabView Real-Time (RT) Module und dem LabView FPGA Module programmiert. Der cRIO-9068 ist dabei keine Ausnahme. Sieht man sich ihn aber genauer an, erkennt man, dass sich sein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) verändert hat. NI entschied sich dafür, ein Linux-basiertes RTOS zu entwickeln, damit der aktuelle ARM-basierte Prozessor optimal unterstützt wird. Damit Zuverlässigkeit und Abwärtskompatibilität des neuen Linux RTOS gewährleistet sind, flossen über 60 Entwicklungsjahre in den Produktentwicklungsprozess. Das Ergebnis ist eine Entwicklungserfahrung, die sich nicht von früheren cRIO-Systemen unterscheidet. So kann der Anwender von neuen Funktionen profitieren, ohne etwas an seiner Vorgehensweise bei der Entwicklung von Embedded-Systemen ändern zu müssen. Linux RT unterstützt mehrere Netzwerkadapter und einen verbesserten Netzwerkstack, eine optimierte Prozessplanung und ein erweitertes Dateisystem mit automatischer Datenkomprimierung. Anwendern, die mit Linux vertraut sind, ist das Angebot an Software aus der Community direkt von LabView aus zugänglich. Linux Real-Time erlaubt es zudem, durch Unterstützung der Eclipse Development Environment bestehenden C/C++-Programmcode zu integrieren sowie auf bestehendes Know-how in der C/C++-Programmierung zurückzugreifen. C-Bibliotheken können nun in LabView-RT-Anwendungen integriert werden. Auch das Erstellen ausführbarer Dateien ist möglich, die über eine Schnittstelle direkt mit der LabView-FPGA-Anwendung kommunizieren.
Erhebliche Leistungsverbesserungen
Die Vorteile des neuen Designs werden sofort an den Leistungsverbesserungen für komplexe Anwendungen ersichtlich. Der Vergleich zwischen einem Controller der vorherigen Generation (cRIO-9074) und dem neuen Controller cRIO-9068 war eindeutig. Getestet wurde anhand eines Benchmarks für eine Steuer- und Regelungsanwendung, die einen kubischen Spline-Algorithmus zur Bewegungserzeugung auf acht Kanälen bei einer Zykluszeit von 2ms ausführte. Der Controller cRIO-9074 benötigte 72% der verfügbaren Prozessorleistung, der cRIO-9068 lediglich elf Prozent. Ein weiteres Benchmark wurde zum Messen der Fähigkeit des neuen cRIO-Controllers erstellt, Daten von den I/O-Kanälen zur Echtzeitanwendung zu übermitteln. Dabei handelt es sich um einen gängigen Task in Überwachungsanwendungen. Der Datenstream jedes I/O-Kanals besteht aus 16Bit-Samples, die bei 100kHz übertragen werden. Der cRIO-9074 beanspruchte 46% der verfügbaren Prozessorleistung zum Streaming von Daten auf zehn I/O-Kanälen, während der cRIO-9068 nur sieben Prozent beanspruchte. Damit steht der Verarbeitung von Daten mehr Prozessorleistung zur Verfügung als je zuvor mit einem CompactRIO-System.
