1、引言：神電測控為什么要做支持LabVIEW直接編程的樹莓派+PCIe+FPGA國產(chǎn)化cRIO（圖形化、國產(chǎn)化、定制化、模塊化、成本化）

?????? ?在很多嵌入式設(shè)備里面，除了FPGA外，一般還會(huì)存在一個(gè)運(yùn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制器，比如NI的cRIO設(shè)備，就是其中一種典型的代表。這種設(shè)備跟我們平時(shí)將FPGA插到電腦或者工控機(jī)上有些許不同，電腦和工控機(jī)主板上的CPU一般都是Intel X86結(jié)構(gòu)，運(yùn)行的系統(tǒng)一般都是非實(shí)時(shí)的Windows系統(tǒng)，這種主板的功耗和體積一般都比較大。

?????? ?隨著ARM內(nèi)核的興起，小型嵌入式設(shè)備逐步崛起，并且性能甚至超過了某些X86芯片，比如4核Cortex-A72，主頻1.5G的樹莓派ARM芯片，就是其中之一。ARM芯片非常適合跑嵌入式系統(tǒng)，比如開源的Linux系統(tǒng)（Ubuntu、Debian和Raspbian）。目前市面是上跑Linux系統(tǒng)銷量最高的莫過于樹莓派了，號稱口袋計(jì)算機(jī)，相信很多人聽說過。

?????? ?好消息是，最新的樹莓派開始往工業(yè)界滲透了，出現(xiàn)了工業(yè)級樹莓派CM4（具體內(nèi)容我們在后面給大家介紹），上面開始支持PCIe接口，這個(gè)PCIe接口不僅提高了樹莓派跟其他外設(shè)之間的傳輸帶寬，也給我們做FPGA嵌入式開發(fā)的工程師帶來了福音，我們將Pro4開發(fā)寶典里面的FPGA板卡通過PCIe線纜直接接到樹莓派主板上，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)類似于NI的cRIO控制器架構(gòu)。

?????? ?而Linux系統(tǒng)的程序開發(fā)，相信很多工程師都不會(huì)，所以我們選擇LabVIEW直接編寫Linux程序，極大的降低了開發(fā)門檻，加上我們一直以來的LabVIEW My FPGA軟件工具包搞定了FPGA芯片里面的程序開發(fā)，這樣二者一結(jié)合，一個(gè)人就能使用LabVIEW搞定Linux和FPGA的編程了，想要快速做出一個(gè)帶FPGA高速處理的邊緣計(jì)算盒子，也就是半天的功夫。更為重要的是，可以極大的降低硬件開發(fā)和設(shè)計(jì)成本，相對于NI的cRIO來說，硬件成本不到十分之一。而且樹莓派和FPGA都是模塊化的，樹莓派的核心板，網(wǎng)上一大堆，白菜價(jià)，還是工業(yè)級的，F(xiàn)PGA的核心板也是一樣，性價(jià)比都是極高的。

?????? ?說到cRIO控制器架構(gòu)，估計(jì)沒有接觸過NI的用戶不是很了解，下面我們專門給用戶講解一下NI的cRIO控制器為什么受大家喜愛，有哪些特點(diǎn)值得我們學(xué)習(xí)。

????? ?2、NI cRIO控制器架構(gòu)、優(yōu)勢、特點(diǎn)（RT OS+FPGA+Module）

?????? ?NI公司最出名的莫過于PXI機(jī)箱和PXI控制器，這種設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下的抗干擾能力有限，于是在很多年前，NI創(chuàng)始人Dr.T開始規(guī)劃和設(shè)計(jì)了一種全新的兼顧性能、可靠性、模塊化、支持LabVIEW圖形化編程的控制器，稱之為compact RIO，簡稱cRIO。

?????? ?下面，我們給出幾種NI常見的cRIO設(shè)備實(shí)物照片和軟件開發(fā)示意圖，如圖9-1~9-5所示。

? ? ? ? 這些cRIO設(shè)備由3部分構(gòu)成：運(yùn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)的CPU、機(jī)箱背板上的FPGA、各種功能模塊?？梢酝ㄟ^一幅系統(tǒng)框架來闡明cRIO設(shè)備的架構(gòu)，如圖9-6所示。

? ? ? ??CPU：相當(dāng)于大腦。早期的cRIO里面的控制器采用的是飛思卡爾PowerPC架構(gòu)的CPU，跑VxWorks實(shí)時(shí)系統(tǒng)；隨著ARM芯片的興起，現(xiàn)在的cRIO控制器部分基本上都是ARM內(nèi)核和X86 CPU，跑的是開源的Linux實(shí)時(shí)系統(tǒng)，簡稱Linux RT；當(dāng)然也可以在里面跑Windows系統(tǒng)。當(dāng)下和未來，Linux RT將是NI重點(diǎn)發(fā)展的方向，畢竟Linux開源和免費(fèi)。

?????? ?FPGA：相當(dāng)于神經(jīng)中樞。這個(gè)是cRIO里面最核心的部件，不同于市面上其他家的硬件，因?yàn)镹I開發(fā)了LabVIEW FPGA工具包，可以直接對FPGA進(jìn)行圖形化編程，所以在cRIO里面集成FPGA，可以有效的解決并行和高速信號采集、處理、閉環(huán)控制等問題，極大的降低了RT里面的程序壓力；同時(shí)解放了Linux RT里面的外設(shè)驅(qū)動(dòng)編寫，F(xiàn)PGA作為連接RT和模塊之間的橋梁，可以將功能模塊采集的數(shù)據(jù)直接通過PCIe或者AXI總線（ZYNQ）傳輸?shù)絃inux系統(tǒng)里面；也可以承擔(dān)復(fù)雜的、對速度響應(yīng)要求極高的任務(wù)執(zhí)行以及對原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理，比如濾波，F(xiàn)FT，數(shù)值特征提取等等；FPGA既能起到橋梁的作用，還可以做CPU做不到的事情，一舉兩得。

?????? ?功能模塊：相當(dāng)于手、腳和感官。NI針對cRIO開發(fā)了幾百種功能模塊，其功能覆蓋了目前所有已知領(lǐng)域：數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動(dòng)控制、信號生成、圖像視覺、總線通信，更是在風(fēng)電、能源、健康狀態(tài)監(jiān)測、資產(chǎn)監(jiān)測、HIL硬件在環(huán)、模型仿真有著諸多的應(yīng)用和案例。

?????? ?總結(jié)：RT系統(tǒng)適合跑一些us級的任務(wù)，F(xiàn)PGA可以做多個(gè)并行的ns級的任務(wù)，功能模塊負(fù)責(zé)輸入和輸出，也就是I/O。

?????? ?可以看出，NI發(fā)明的cRIO設(shè)備有著許多其他廠商控制器無法取代的優(yōu)勢：

n? 充分發(fā)揮出Linux實(shí)時(shí)系統(tǒng)和FPGA并行計(jì)算的優(yōu)勢，二者結(jié)合基本上可以搞定80%的工程應(yīng)用問題；us級的任務(wù)代碼交給Linux RT處理，ns級的程序交給FPGA搞定，通力合作干掉市面上所有PAC控制器。

n? 支持LabVIEW圖形化編程，Linux RT和FPGA里面的所有代碼都可以采用LabVIEW編程，并且NI有著比Matlab更多更全面、極為豐富的軟件工具包和各種算法VI，都可以直接編譯部署下載到RT和FPGA里面運(yùn)行，這個(gè)也是NI為人類貢獻(xiàn)的寶貴財(cái)富。

n? 幾百種功能模塊可以自由組合，任意插拔，給不同行業(yè)的客戶提供了快速的解決方案，就像樂高機(jī)器人那樣，只要用戶有好的idea，cRIO都能幫大家快速實(shí)現(xiàn)。

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?????? ?講了這么多NI cRIO設(shè)備的優(yōu)勢，大家是不是都有點(diǎn)心動(dòng)了，是不是想在自己現(xiàn)在或者今后的項(xiàng)目當(dāng)中也試試cRIO呢？cRIO確實(shí)是個(gè)好東西，可惜價(jià)格太貴了，對于一般的公司和個(gè)體戶來說，cRIO幾~十幾W的價(jià)格還是一座難以逾越的大山，畢竟我們是發(fā)展中國家，美國是發(fā)達(dá)國家，由于匯率和人民生活水平的原因，導(dǎo)致了NI硬件昂貴的感覺。

?????? ?一個(gè)項(xiàng)目本身可能也就十幾W的預(yù)算，如果全部被硬件占用的話，基本上大家就不用干了。所以我們這本書（Pro5）就是給用戶開辟了一條另辟蹊徑的道路，并且經(jīng)過很多企業(yè)客戶的實(shí)踐證明是可行的，那就是接下來我們要向大家介紹的國產(chǎn)化cRIO。

?????? ?無論是NI的cRIO設(shè)備還是我們這里提到的國產(chǎn)化cRIO，核心本質(zhì)和靈魂都是前面介紹的那一套框架：Linux RT+PCIe+FPGA+Module。并且我們提出的由樹莓派（英國Raspberry）或者RK3399（中國）+PCIe+FPGA實(shí)現(xiàn)的控制器跟NI本身沒有版權(quán)沖突，用戶可以放心自由的開發(fā)和使用。