cRIO con Linux RT e FPGA: Architettura, Funzionamento e Best Practice per LabVIEW

I sistemi CompactRIO di National Instruments integrano tre componenti fondamentali:

• Il controller real-time, che esegue il codice compilato per NI LinuxRT, un sistema operativo basato su Linux ottimizzato per applicazioni in tempo reale.
• Il modulo FPGA, una piattaforma riconfigurabile che esegue elaborazioni parallele ad alta velocità, ideale per la gestione di segnali e algoritmi computazionalmente intensivi.
• I moduli I/O (RIO), che permettono l’interfacciamento diretto con il mondo fisico, acquisendo e trasmettendo dati in tempo reale.

Questa combinazione permette di bilanciare il carico computil controller real-time gestisce il sistema operativo e le applicazioni.

FPGA accelera invece, operazioni specifiche, garantendo prestazioni elevate e determinismo complessivo.

NI Linux Real-Time: Scheduler e Determinismo.

Principi di Funzionamento di LinuxRT

NI Linux Real-Time è una versione di Linux potenziata con patch come il kernel PREEMPT_RT, che ne trasformano il comportamento in ambiente real-time. In pratica, questo sistema:

• Riduce la latenza e il jitter, consentendo una risposta quasi immediata agli eventi critici.
• Garantisce il determinismo, essenziale per applicazioni industriali e di controllo, assicurando che i task vengano eseguiti entro scadenze rigorose.

I Meccanismi di Scheduling

Il cuore del comportamento deterministico di LinuxRT risiede nei suoi scheduler, che gestiscono le risorse in maniera prevedibile:

• SCHED_FIFO (First In, First Out):
  I processi real-time vengono eseguiti in ordine di arrivo, senza time slice. Un processo continua a utilizzare la CPU finché non termina, si blocca o viene interrotto da un processo con priorità più alta.
• SCHED_RR (Round Robin):
  Simile a SCHED_FIFO, ma con l’introduzione di un time slice per i processi aventi la stessa priorità, garantendo equità e prevenendo la monopolizzazione della CPU.
• SCHED_DEADLINE:
  Basato sul principio Earliest Deadline First (EDF), assegna a ciascun processo una scadenza. Garantisce l’esecuzione entro il tempo prestabilito, sebbene richieda una pianificazione più complessa.

Questi meccanismi permettono a LinuxRT di gestire in modo rigoroso le risorse, assicurando che i task critici non subiscano interruzioni impreviste e che le operazioni siano svolte in tempi certi e misurabili .

Vantaggi di LinuxRT rispetto ad Altri RTOS

Ecosistema di Applicazioni di Comunicazione e Server

Essendo basato su Linux, NI LinuxRT offre l’accesso a un ampio ecosistema di applicazioni e strumenti:

• Web Server e Database:
  È possibile eseguire server web, servizi REST e database (MySQL, PostgreSQL, SQLite) direttamente sul controller real-time o in stretta interazione con esso, facilitando la raccolta, l’analisi e la visualizzazione dei dati.
• Integrazione con Python:
  Grazie alla compatibilità con Python e alla presenza di librerie dedicate, è possibile sviluppare applicazioni di monitoraggio, analisi dei dati e persino server di comunicazione. Python, con le sue potenti librerie (come Flask per i web server o Pandas per la gestione dei dati), si integra perfettamente con LabVIEW. Consentendo lo scambio di dati in tempo reale e l’implementazione di algoritmi avanzati per Machine Learning e Intelligenza Artificiale.
• Librerie per ML e IA:
  L’ecosistema Linux offre accesso a librerie open source per l’apprendimento automatico (TensorFlow, scikit-learn, PyTorch) che possono essere utilizzate per analisi predittive e ottimizzazioni operative, migliorando la gestione e l’elaborazione dei dati provenienti dai sistemi di controllo.

Efficienza e Flessibilità

Rispetto ad altri RTOS, LinuxRT presenta numerosi vantaggi:

• Ampia disponibilità di librerie:
  La natura open source di Linux e la sua vasta comunità garantiscono una continua disponibilità di aggiornamenti, strumenti e librerie che facilitano lo sviluppo di applicazioni complesse.
• Maggiore integrazione con soluzioni IT:
  La possibilità di eseguire applicazioni di comunicazione, web server, e script Python. Permettendo di creare sistemi integrati che vanno oltre il semplice controllo industriale. Funzioni che abilitano monitoraggio remoto, analisi in tempo reale e gestione dati centralizzata.
• Scalabilità e interoperabilità:
  LinuxRT supporta una vasta gamma di applicazioni e protocolli standard, facilitando l’interoperabilità con altri sistemi IT e l’implementazione di architetture distribuite, dove LabVIEW e altre tecnologie possono lavorare sinergicamente per massimizzare le prestazioni del sistema.

LabVIEW per la Comunicazione Interprocesso e Intertarget

Nel contesto di sistemi cRIO, la comunicazione efficace tra processi e tra target è cruciale per mantenere il determinismo e l’efficienza complessiva dell’applicazione. Di seguito le principali tecnologie e best practice:

Meccanismi di Comunicazione

InterTarget (Host-RT)

• Network Streams:
  Consentono la trasmissione di dati in modo deterministico tra host e target. Le Network Streams sono ideali per applicazioni in cui è fondamentale una bassa latenza e un flusso continuo di dati, come l’acquisizione di segnali o il controllo di processi.
• Network Shared Variables:
  Le Shared Variables, sebbene meno prestanti rispetto ai Network Streams, sono comode per la trasmissione di dati meno critici o per aggiornamenti di stato. L’uso dei Tag (nel contesto di alcuni sistemi di monitoraggio o Data Logger) permette di etichettare i dati in modo che possano essere facilmente identificati e gestiti.
• Protocolli: TCP e UDP sono i protocolli piu utilizzati quando si vuole rendere disponibile la comunicazione anche ad applicazioni diverse da labview, esempio Python, . TCP adatto a comunicazioni di messaggi e stream affidabili mentre UDP garantisce Streams veloci e multipli.

InterProcess (RT)

• Message Queue (Message, Streams): Utilizzati in architetture come QMH, per inviare comandi tra processi differenti. I messaggi basati su code (FIFO) garantiscono che le informazioni vengano trasmesse in modo affidabile. Il meccanismo Message è particolarmente utile per la sincronizzazione e la gestione di stati.
• Notifier (TAG): Utilizzati per trasmettere un segnale o una notifica a più loop o processi in modo simultaneo, senza mantenere una cronologia dei messaggi (sono, infatti, “lossy”). Questo meccanismo è particolarmente indicato quando si desidera comunicare cambiamenti di stato o segnali di trigger che non richiedono l’accumulo di dati (Tag).
• RT-FIFO: sono impiegate per gestire la comunicazione tra un loop deterministico (il producer, un Timed Loop in ambiente real-time) e un loop non deterministico (il consumer, che potrebbe essere un processo di logging o interfaccia utente su host).

Best Practice

Il layer RealTime, pur essendo basato su scheduler RT, rimane un determinismo di tipo Software.

È possibile ridurre l’incertezza con alcune attenzioni come quelle suggerite in questo articolo e nei corsi ufficiali NI o contattandoci per consulenza o formazione Hands-on.

FPGA provvede invece a spostare il determinismo a livello HW rendendolo effettivo.

Ritornando al sistema RT, usare queste best practice ottimizza ulteriormente l’efficienza del software e del sistema finale.

• Utilizzare Architetture Producer/Consumer:
  Suddividere l’applicazione in moduli “producer” (che acquisiscono i dati) e “consumer” (che elaborano e visualizzano i dati) riduce il carico sul sistema real-time, ottimizzando le risorse.
• Pre-allocazione della Memoria e Buffering:
  Per evitare allocazioni dinamiche durante l’esecuzione, è fondamentale pre-allocare array e buffer. In LabVIEW, l’uso di shift registers nei Timed Loops consente di mantenere una gestione stabile della memoria.
• Scelta del Canale di Comunicazione Adeguato:
  Per dati ad alta frequenza e con requisiti di bassa latenza, i Network Streams sono preferibili.
• Utilizzare Tag e Metadati per il Monitoraggio:
  L’integrazione di etichette (Tag) nei dati trasmessi può facilitare il debug e il monitoraggio del sistema. Consentono di tracciare il flusso delle informazioni e di implementare sistemi di logging efficienti.

Approfondimenti Tecnici

Sul sito National Instruments, sono disponibili approfondimenti e tutorial, per chi vuole approfondire e corsi teorici completi.

Bytelabs offre consulenza e formazione dedicata, accompagnandoti ad integrare LabVIEW e sistemi NI nei tuoi prossimi progetti di Test e Misura.

• NI CompactRIO Developer Guide:
  Una guida completa che illustra la configurazione hardware, la programmazione in LabVIEW e l’integrazione con LinuxRT e l’FPGA.
  (Disponibile sul sito ufficiale di National Instruments)
• High-Throughput FPGA Developer’s Guide:
  Un documento dettagliato dedicato alla programmazione FPGA su cRIO, con esempi pratici e tecniche di ottimizzazione.
  (Consultabile sul portale NI) )
• NI Linux Real-Time Documentation:
  Risorsa fondamentale per comprendere il funzionamento del kernel LinuxRT, le politiche di scheduling e la gestione delle risorse in ambiente real-time.
  (Accessibile dal sito di National Instruments e dalla Linux Foundation) )
• LabVIEW Best Practices for Real-Time Applications:
  White paper e documenti tecnici che illustrano le strategie ottimali per la programmazione in LabVIEW. Comunicazione interprocesso e all’ottimizzazione della memoria.
• Comunità e Forum NI:
  Luoghi ideali per scambiare esperienze e soluzioni con altri sviluppatori che lavorano con cRIO e LabVIEW in contesti real-time.
• Risorse Open Source e Librerie Python per ML/IA:
  Documentazione e guide relative. TensorFlow, scikit-learn e altre librerie. In combinazione con NI LinuxRT, permettono di estendere le capacità dei sistemi cRIO verso applicazioni di Machine Learning, analisi dati e server di comunicazione.

Collaborazione e Supporto Professionale

La nostra esperienza certificata in LabVIEW, unita alla stretta partnership con National Instruments, ci consente di offrire soluzioni su misura per le piattaforme cRIO.

Grazie a competenze avanzate sia nello sviluppo in LabVIEW che nell’integrazione con Python, progettiamo sistemi real-time che ottimizzano la gestione dei dati, la comunicazione interprocesso e la sincronizzazione tra host e target.

Il Nostro Approccio

• Esperienza Certificata:
  Il nostro team vanta una comprovata esperienza nella progettazione e nello sviluppo di applicazioni in LabVIEW, supportata da certificazioni riconosciute a livello internazionale. Questa competenza ci permette di implementare soluzioni robuste e affidabili, rispettando rigorosi requisiti di determinismo e prestazioni.
• Soluzioni Personalizzate su cRIO:
  In qualità di partner NI National Instruments, progettiamo e sviluppiamo applicazioni avanzate su sistemi CompactRIO, sfruttando appieno le capacità di NI Linux Real-Time e l’integrazione del modulo FPGA. Le nostre soluzioni si adattano alle specifiche esigenze del cliente, garantendo elevata scalabilità, flessibilità e sicurezza operativa.
• Integrazione LabVIEW – Python:
  Sfruttiamo l’integrazione tra LabVIEW e Python per realizzare sistemi di comunicazione, monitoraggio e analisi dati altamente performanti. Python, con la sua vasta gamma di librerie per il Machine Learning e l’Intelligenza Artificiale, si integra perfettamente con l’ambiente LabVIEW. Creazione server di comunicazione e applicazioni di analisi avanzata in tempo reale.
• Supporto Completo:
  Offriamo consulenza specialistica, formazione e supporto tecnico durante l’intero ciclo di vita del progetto. Dalla fase di analisi e progettazione, passando per lo sviluppo e la validazione, fino al deployment e alla manutenzione. Il nostro intervento garantisce una transizione fluida e un’ottimizzazione continua delle prestazioni del sistema.

La sinergia tra competenze tecniche, Best Practice e soluzioni integrate ci permette di fornire ai nostri clienti strumenti efficaci per gestire applicazioni industriali e di controllo in ambienti real-time.

Soluzioni che valorizzano al massimo le potenzialità dei sistemi cRIO.