6.4. prototypowanie systemów na sprzęcie specjalistycznym

6.4. prototypowanie systemów na sprzęcie specjalistycznym

122
Mrozek Z, Komputerowo wspomagane projektowanie systemów mechatronicznych, ZN PK, Kraków 2002
6.4. PROTOTYPOWANIE SYSTEMÓW NA SPRZĘCIE
SPECJALISTYCZNYM
Sprzęt do prototypowania używany do badań i pomiarów w skali laboratoryjnej jest
kosztowny i wymaga specjalistycznej obsługi. Nie jest on przeznaczony do stałego
użytkowania w warunkach przemysłowych. Wzmocnione zestawy do prototypowania (np. zamontowane do obudowy AutoBox z dSPACE) są odporne na wibracje
i zanieczyszczenia. Mogą one być używane do badań w warunkach polowych, w
samochodach podczas jazdy i w przemyśle. Po zakończeniu etapu prototypowania
i testowania wykonuje się system docelowy w wybranej technologii i przenosi się
do niego przetestowane podczas prototypowania algorytmy. Elementami systemu
docelowego będą podsystemy sterowania, pomiaru i urządzenia wykonawcze, na
przykład napędy. W zależności od potrzeb i przewidywanej skali produkcji, część
mikroprocesorowa i elektronika mogą mieć postać:
• standardowego komputera przemysłowego i specjalistycznych kart
interfejsów. Można też użyć systemu PLC lub podobnego;
• sprzętu specjalistycznego, zbudowanego z użyciem elementów dyskretnych
i gotowych modułów. Może to być sterownik zaprojektowany dla danego
systemu, z mikroprocesorem (embeded computer) i specjalistyczne
interfejsy;
• sprzętu specjalistycznego wykonanego w technologii ASIC (application
specific integrated circuit), a zwłaszcza w łatwo dostępnych i dość tanich
czipów FPGA (field programmable gate array);
• systemu sterowania przygotowany techniką prototypowania na sprzęcie
docelowym (rozdziały 6.5.1 i 7.4.8.1).
6.4.1. Modelowanie sterowników wirtualnych w pamięci karty
dSPACE
Do realizacji etapu szybkiego prototypowania oferowane są specjalistyczne karty
firmy dSPACE [34]. Są one wyposażone we własną pamięć i własny szybki
procesor (sygnałowy DSP lub inny) oraz analogowe i cyfrowe układy wejściawyjścia sprzęgające kartę z czujnikami oraz układami wykonawczymi. Karty te
mogą być instalowane w komputerach PC (ISA i PCI), w komputerach
przemysłowych z szyną VME oraz w obudowach zwanych ‘autobox’, dołączanych
do szyny ISA, PCI, VME lub poprzez sieci: CAN, Ethernet i inne. Karty dSPACE
umożliwiają realizację różnych układów sterowania. Przy korzystaniu z kart prototypowych komputer PC lub inny jest używany głównie jako interfejs użytkownika.
Program symulacyjny czasu rzeczywistego i obsługa interfejsów są realizowane
przez oprogramowanie załadowane do karty prototypowej.
Używana przez autora karta prototypowa typu DS1102, produkcji dSPACE GmbH,
ma następujące interfejsy:
Mrozek Z, Komputerowo wspomagane projektowanie systemów mechatronicznych, ZN PK, Kraków 2002
-
123
dwa analogowe, 16-bitowe porty wejściowe,
dwa analogowe, 12-bitowe porty wejściowe,
dwa analogowe porty wyjściowe z przetwornikiem 12-bitowym,
jeden 16-bitowy programowalny port cyfrowy wejściowo/wyjściowy,
dwa porty wejściowe dla enkodera,
dwa liczniki/timery.
Nowsze karty są oznaczane DS1104. Do budowy bardziej złożonych systemów
stosuje się karty modułowe, co pozwala na zwiększenie liczby interfejsów oraz daje
inne możliwości. Zmiana algorytmu sterowania odbywa się na zasadzie wymiany
programu sterującego kartą. Program sterujący przygotowywany jest automatycznie w środowisku systemu MATLAB/SIMULINK lub innym na podstawie
graficznych schematów blokowych. Współpraca środowiska MATLAB/SIMULINK
z omawianymi kartami realizowana jest za pomocą następujących programów :
•
•
•
•
Real Time Workshop (RTW) przetwarza schemat blokowy SIMULINKA na
kod w języku C;
Real Time Interface – biblioteka sterowników (drajwerów) w bostaci
biblioteki bloków SIMULINKA. Dostosowuje wygenerowany przez RTW
kod do aktualnej konfiguracji (adresy i przerwania) użytej w systemie karty
prototypowej dSPACE. Biblioteka RTI oraz oprogramowanie ControlDesk
i MLIB/MTRACE są dołączane do kart prototypowych dSPACE;
oprogramowanie ControlDesk (rozdział 7.4.8.2) to zintegrowane narzędzie
do sterowania i monitoringu. Umożliwia wizualizację stanu pracy badanego
urządzenia oraz zmianę parametrów układu podczas jego pracy (on-line).
Obsługa eksperymentu jest znacznie ułatwiona dzięki możliwości
zbudowania panelu sterującego w postaci konsoli operatora, z użyciem
wirtualnych instrumentów, jak oscyloskopy, woltomierze, obrotomierze,
nastawniki, przyciski itp.;
oprogramowanie MLIB/MTRACE: MTRACE to biblioteka umożliwiająca
zautomatyzowanie przekazywania i rejestracji danych z pamięci karty
prototypowej dSPACE do środowiska programu MATLAB. MLIB pozwala
na przygotowanie skryptów do automatycznego sterowania realizacją serii
zaplanowanych eksperymentów.
6.4.2. Karty pomiarowe z przetwornikami ADDA jako interfejs do
procesu
W odróżnieniu od karty prototypowej, karta pomiarowa nie może być wykorzystana
jako wirtualny sterownik, gdyż nie można do niej załadować programu
wykonywalnego, tworzonego podczas szybkiego prototypowania. Zadaniem karty
pomiarowej jest pobieranie do komputera wartości zmierzonych przez czujniki
i urządzenia pomiarowe oraz wysyłanie sygnałów sterujących z komputera do
124
Mrozek Z, Komputerowo wspomagane projektowanie systemów mechatronicznych, ZN PK, Kraków 2002
urządzeń wykonawczych. Sygnały sterujące wyjściami tej karty są wypracowywane
przez komputer, w którym tę kartę umieszczono.
Przykładem nowoczesnej, wielofunkcyjnej karty pomiarowej jest RT-DAC4/PCI.
Jest to karta pomiarowa z portami analogowymi i cyfrowymi, przeznaczona do
pracy w środowisku Windows 95/98/NT/2000. Karta może współpracować
z oprogramowaniem MATLAB/SIMULINK, LabView oraz z przemysłowymi
systemami SCADA, jak iFIX, inTouch. Zawiera ona reprogramowalny układ
scalony Xilinx, co umożliwia programową zmianę przeznaczenia portów cyfrowych
bez potrzeby jakichkolwiek przeróbek sprzętowych karty. Układ scalony
SPARTAN-II z Xilinx pracuje z zegarem 40 MHz. Prócz pełnej obsługi portów
cyfrowych, enkoderów i generatora PWM, realizuje on logikę dla przetworników
A/D i D/A i logikę współpracy z magistralą komputera PC.
Standardowo karta umożliwia generację funkcji dla 4 portów PWM oraz
bezpośrednie podłączenie czterech enkoderów. Wykrywanie fazy sygnałów
z enkodera pozwala na czterokrotne zwiększenie jego rozdzielczości. Wbudowane
liczniki/timery pozwalają na generowanie przerwań zależnych od czasu.
Podstawowe dane techniczne karty to:
- 16 analogowych, multipleksowanych 12-bitowych portów wejściowych,
- cztery analogowe, 12-bitowe porty wyjściowe,
- cztery porty cyfrowe 8-bitowe wejściowo/wyjściowy, programowalne,
- cztery porty wejściowe dla enkodera z 16-bitowymi licznikami,
- cztery porty wyjściowe PWM,
- 42-bitowy, 40 MHz licznik/timer.
Karta RTDAC-4/PCI jest produkowana w kraju i z uwagi na użycie układu FPGA
przewyższa nowoczesnością rozwiązań droższe wyroby oferowane przez
renomowane firmy, jak np. Advantech. W odróżnieniu od innych kart można w niej
zaprogramować niewykorzystaną część układu FPGA. Umożliwia to sprzętową,
a więc bardzo szybką, realizację niewielkich algorytmów przetwarzania mierzonych
informacji lub algorytmów sterowania wyjściami tej karty.
Karta może być używana do pracy w czasie rzeczywistym bez wprowadzania
istotnych opóźnień związanych z taktowaniem systemu Windows. Wymaga jednak
zainstalowania jądra czasu rzeczywistego, opisanego w rozdziale 6.6.3. Można tu
wykorzystać oprogramowanie RT-CON toolbox (tego samego producenta)
względnie oprogramowanie RT Windows Target lub xPC Target, oferowane przez
producenta MATLABA. Systemy czasu rzeczywistego opisano w dalszej części
pracy, w rozdziale 6.6.
Mrozek Z, Komputerowo wspomagane projektowanie systemów mechatronicznych, ZN PK, Kraków 2002
125
6.5. PROTOTYPOWANIE SYSTEMÓW NA SPRZĘCIE
DOCELOWYM
W chwili obecnej szybkie prototypowanie może być najłatwiej zrealizowane na
specjalistycznym sprzęcie komputerowym (np. karty prototypowe dSPACE lub
inne, zawierającym procesory DSP lub RISC). Producenci tego sprzętu oferują
narzędzia i metodykę wspierającą tę fazę projektowania. Jest to jednak
rozwiązanie kosztowne i wymaga dodatkowego etapu implementacji uzyskanych
rozwiązań w docelowej technologii.
Rozwijane obecnie przez wiele firm środowisko do szybkiego prototypowania na
sprzęcie docelowym daje możliwość dalszego skrócenia czasu realizacji projektu.
Główna idea to zastosowanie takiego samego sprzętu na etapie prototypowania
oraz w urządzeniu docelowym, czyli w sterowniku przeznaczonym do pracy
w warunkach przemysłowych. W związku z tym nie ponosi się żadnych
dodatkowych kosztów związanych z zakupem sprzętu do prototypowania. Nie ma
także problemów związanych z przenoszeniem otrzymanego rozwiązania
(oprogramowania) ze sprzętu, na którym realizuje się prototypowanie na sprzęt
docelowy. Oznacza to możliwość dalszego zmniejszenia kosztów i czasu realizacji
projektu – w porównaniu z prototypowaniem na sprzęcie specjalistycznym,
opisanym w rozdziale 6.4.1.
Obecnie dostępne są następujące technologie prototypowania na sprzęcie
docelowym:
- wykorzystanie sterownika PLC do prototypowania i jako sterownika
docelowego,
- wykorzystanie zestawu uruchomieniowego z mikrosterownikiem np.
dSPACE TargetLink, do prototypowania i jako sterownika docelowego,
- wykorzystanie
programowalnego
układu
scalonego
FPGA
do
prototypowania i jako sterownika docelowego np. rozwiązania Yokogawa
i Xilinx,
- wykorzystanie
standardowego
komputera
PC
lub
komputera
przemysłowego z szyną ISA, PCI lub VME .
Podczas prototypowaniu na sprzęcie docelowym projektanci mają zazwyczaj
słabsze wsparcie środowiska do projektowania, szczególnie w zakresie budowy
wirtualnych paneli z interfejsami użytkownika i wizualizacji wyników symulacji.
Ponadto decyzja o wyborze technologii musi być podjęta przed rozpoczęciem
prototypowania, a uzyskane wyniki nie mogą być łatwo przeniesione do urządzeń
wykonywanych w innej technologii.
126
Mrozek Z, Komputerowo wspomagane projektowanie systemów mechatronicznych, ZN PK, Kraków 2002
6.5.1. Mikrosterowniki i oprogramowanie dSPACE TargetLink
Oprogramowanie TargetLink 1.3 umożliwia automatyczną konwersję bloków
SIMULINKA i STATEFLOW na bloki TargetLink, po czym możliwa jest stało
i zmiennoprzecinkowa symulacja i generowanie kodu na docelowy procesor.
Korzystając z dSPACE TargetLink, nie używa się RTW (generator kodu języka C
do schematów SIMULINKA). Przyspiesza to pracę projektantów i obniża koszty.
W celu wygenerowania kodów binarnych na docelowy mikrosterownik (lub
standardowy zestaw uruchomieniowy wybranego mikrosterownika) należy, prócz
oprogramowania dSPACE TargetLink, mieć odpowiedni kompilator. Przykładowo,
aby użyć mikrosterownik Motorola M683xx z zestawem uruchomieniowym
potrzebny jest Microtec Research Inc. 68k C Compiler i Diab-SDS 68k/CPU32
Family C Compiler. TargetLink obsługuje następujące mikrosterowniki:
- Motorola M683xx (CPU32),
- Motorola MPC5xx,
- Motorola MC68HC12,
- Infineon C16x,
- Infineon TriCore,
- Hitachi H8S26xx,
- Hitachi SH2,
- Mitsubishi M32R,
- Texas Instruments TMS470R1x.
6.5.2. Zestawy uruchomieniowe ASIC/FPGA
Altera i Xilinx i inni producenci układów FPGA, oferują zestawy do prototypowania,
składające się z płytki drukowanej z układem FPGA, z interfejsem do
programowania, układami wejścia i wyjścia cyfrowego oraz z gniazdami do
podłączenia innych urządzeń. Wolne nóżki układu FPGA są wyprowadzone na
zewnątrz i mogą być dowolnie zastosowane. Często przekodowania układu FPGA
można dokonać bez przerywania ich pracy (in the fly).
Zestawy uruchomieniowe są przeznaczone do potrzeb edukacyjnych i zazwyczaj
nie mają wejść ani wyjść analogowych, potrzebnych do budowy systemów
mechatronicznych. Tą część należy oddzielnie zaprojektować i wykonać stosując
elementy dyskretne. W rozdziale 7.5.1.2 opisano wykorzystanie zestawu
uruchomieniowego Altera do aktywnego tłumienia drgań ramienia elastycznego.