控制和監(jiān)測應(yīng)用的基準測試詳解

最新的NI CompactRIO軟件設(shè)計控制器cRIO-9068配有Xilinx Zynq片上系統(tǒng)(SOC)，它在同一機箱內(nèi)集成了時鐘頻率為667 MHz的雙核ARM Cortex-A9處理器以及具有85K邏輯單元和220個數(shù)字信號處理片的Artix-7 FPGA。兩個處理器單元以ARM AXI-4技術(shù)為支撐，共享一千多個互聯(lián)點。 NI LabVIEW Real-Time使用的操作系統(tǒng)是ARM Cortex-A9上的NI Linux Real-Time OS。ARM Cortex-A9包含一個優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、一個優(yōu)化的進程調(diào)度器以及一個可自動壓縮數(shù)據(jù)的高級文件系統(tǒng)。 這些技術(shù)與LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計軟件和NI-RIO驅(qū)動相結(jié)合，大大提高了系統(tǒng)的吞吐量，加快了數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)讀寫速率，并降低了閉環(huán)控制的延遲，從而使得cRIO-9068成為CompactRIO高性價比產(chǎn)品家族中性能最高的成員。 NI研發(fā)部編寫了一系列控制和監(jiān)測應(yīng)用的基準測試代碼，用于證明該產(chǎn)品在性能和吞吐量上的大幅提升。

1. 基準測試設(shè)置和測量

NI研發(fā)部選擇了具有代表性的通用控制和監(jiān)測應(yīng)用以及這些應(yīng)用中常見的主要任務(wù)進行基準測試。下表簡要介紹了本次研究所進行的測試。

表1. 在CompactRIO控制器上進行測試，測量應(yīng)用程序的性能和吞吐量

這些測試在穩(wěn)定的狀態(tài)下通過改變I/O通道數(shù)量和循環(huán)率來測量CPU使用率。通過比較兩個CompactRIO控制器的相對性能得出CPU使用率的平均值。這些參數(shù)可以幫助用戶了解添加代碼、提高循環(huán)率和增加I/O通道所需的資源。對于cRIO-9068中的雙核ARM Cortex-A9處理器，則對兩個內(nèi)核的結(jié)果取平均值。

2. 控制應(yīng)用性能基準測試

cRIO-9068將多種技術(shù)相結(jié)合，極大提高了真實復(fù)雜應(yīng)用的性能。如果要測試一個復(fù)雜的控制場景，可選擇?CompactRIO的LabVIEW FPGA控制項目范例來開發(fā)三次樣條生成算法。然后將應(yīng)用程序擴展到8個執(zhí)行低于兩毫秒控制循環(huán)的并行通道進行算法計算。

圖1. CompactRIO的LabVIEW FPGA控制項目范例的架構(gòu)框圖，包含三次樣條生成算法

將該基準測試部署到CompactRIO高性價比產(chǎn)品家族的成員NI cRIO-9074和新的cRIO-9068上。cRIO-9074占用72％的可用處理器時間，而cRIO-9068僅占用了11%。

圖 2. 比較運行一個控制應(yīng)用程序所需的處理器時間，該應(yīng)用程序在2 ms內(nèi)運行八個通道的樣條插值

3. 監(jiān)測應(yīng)用吞吐量基準測試

我們設(shè)計了一個基準測試來測量cRIO-9068系統(tǒng)從I/O通道至實時應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸能力，數(shù)據(jù)傳輸是監(jiān)控應(yīng)用中的常見任務(wù)。每個I/O通道的數(shù)據(jù)流由以100 kHz速率傳輸?shù)?6位采樣數(shù)據(jù)組成。

現(xiàn)有的高性價比CompactRIO產(chǎn)品cRIO-9074占用了 46％的可用處理器時間來讀寫10個通道的I/ O數(shù)據(jù)流，而cRIO-9068只需7％。cRIO-9074以這個速率最多可讀寫25個I/O通道，而cRIO-9068則最多可達100個通道。

圖 3. 以100kHz每通道的速率讀寫10個通道的16位采樣數(shù)據(jù)所需的時間對比

cRIO-9068控制器令人贊嘆的數(shù)據(jù)讀寫性能大部分歸功于在FPGA和ARM處理器之間進行I/ O數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呒堿XI-4總線技術(shù)。如果單獨進行基準測試，該總線的數(shù)據(jù)傳輸速率可達300 MB/s，比PCI總線技術(shù)要快得多。PCI總線技術(shù)的最大理論帶寬大約為133.33 MB/s，應(yīng)用于之前版本的CompactRIO控制器。

cRIO-9068提高的帶寬使得開發(fā)人員能夠同時運行多達16個的獨立DMA通道。與之前的CompactRIO控制器相比增加了超過3倍。

4. 控制和監(jiān)測應(yīng)用性能的基準測試

cRIO-9068的最佳性能基準測試也許應(yīng)該是在結(jié)合了所有常見監(jiān)測和控制任務(wù)的復(fù)雜真實應(yīng)用上進行測試，包括多速率控制的多個處理循環(huán)、數(shù)據(jù)處理、從I/O通道讀取數(shù)據(jù)并記錄到磁盤、通過網(wǎng)絡(luò)與HMI通信以及執(zhí)行非時間關(guān)鍵型健康和狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)。

該復(fù)雜應(yīng)用通過常見的LabVIEW架構(gòu)組件（如實時FIFO、定時循環(huán)和網(wǎng)絡(luò)流等）在各種應(yīng)用程序組件之間進行協(xié)調(diào)和溝通。

圖 4. 該架構(gòu)框圖顯示的是一個復(fù)雜的控制和監(jiān)測應(yīng)用

如果在該應(yīng)用上進行測試，cRIO-9074在占用97%處理器的情況下可達到最大控制回路頻率500 Hz，而cRIO-9068只需占用18％的可用處理器時間即可達到500 Hz循環(huán)頻率。這樣可以為復(fù)雜的控制和監(jiān)測應(yīng)用留出大量的處理器時間來處理其他應(yīng)用任務(wù)或?qū)⒀h(huán)率提高到超過2 kHz。

圖 5. 比較以不同控制循環(huán)率運行包含多個常見監(jiān)控任務(wù)的復(fù)雜應(yīng)用所需的處理器時間。

5. 提升cRIO-9068性能

顯然，如果將cRIO-9068用于真實應(yīng)用和任務(wù)，在許多對于監(jiān)控應(yīng)用來說十分重要的指標上，cRIO-9068均證明比其他高性價比CompactRIO控制器具有更高的性能。這些改進歸功于其獨特的硬件架構(gòu)以NI Linux Real-Time OS的使用。

由于cRIO-9068在設(shè)計上與cRIO-9074等其他高性價比CompactRIO系統(tǒng)大相徑庭，因此性能的提升很大程度上取決于應(yīng)用的設(shè)計方法和控制器正在使用的特性，認識這一點是非常重要的。

但是通過這些基準測試可以證明，cRIO-9068的性能比同一系列的控制器（如cRIO-9074）大約提高了4倍。