Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

RIO – revoluce v měření, řízení a automatizaci

číslo 2/2006

RIO – revoluce v měření, řízení a automatizaci

Rekonfigurovatelné I/O (RIO) nabízejí vývojářům úplnou kontrolu nejen nad aplikačním softwarem, ale nově i nad hardwarovou strukturou zařízení. Článek stručně představuje tuto nejmodernější techniku a její možné využití v technické praxi.

Technika RIO

Programovatelná hradlová pole (Field Programmable Gate Array – FPGA) jsou stále oblíbenější v úlohách, kde se k řízení dosud využívají zakáznické integrované obvody (Application Specific Integrated Circuit –ASIC). Vývojáři přecházejí k používání FPGA zejména proto, že výsledné zařízení je rychlejší, má menší spotřebu energie a je prostorově úspornější a flexibilnější než cokoliv jiného, co je v současné době v tomto oboru dostupné, lze snadno aktualizovat jeho firmware a současně je i levnější. Technologie FPGA umožňuje vytvořit zákaznický obvod bez nutnosti velkých výdajů za složitý návrh a vývoj tradičních ASIC. Při změně vnitřního zapojení není třeba jej znovu vyvíjet, ale stačí přidat nové funkce, znovu přeložit kód a nový obvod je hotov.

Obr. 1.

Obr. 1. Měřicí a řídicí systém Compact RIO

Znalosti dostatečné k návrhu a programování FPGA většinou mají pouze zkušení vývojáři hardwaru. Kdyby tyto nástroje měli k dispozici i běžní uživatelé, měli by tím i téměř neomezené možnosti při vytváření a úpravách měřicích a řídicích systémů na svých pracovištích.

Společnost National Instruments má takové nástroje, které programování a tvorbu hradlových polí FPGA zpřístupňují širokému okruhu uživatelů. Jí navržená a realizovaná technika RIO (Reconfigurable I/O) značně zkracuje dobu vývoje výkonných systémů a prostředí LabVIEW poskytuje vývojářům nástroje pro využití všech předností FPGA. Hardware pro měření může uživatel navrhnout podle svých představ a potřeb, ať už jde o úlohu zaměřenou na testování, řízení, vizuální kontrolu nebo řízení pohonů apod. Technika RIO je velmi flexibilní hardwarová platforma, jejíž uspořádání se navrhuje v prostředí LabVIEW obvyklým způsobem – prostřednictvím blokových diagramů. Modul LabVIEW FPGA přitom automaticky vygeneruje optimální vnitřní strukturu a tu následně implementuje přímo do FPGA. Výsledek je, že uživatel má na základní desce RIO přímou a okamžitou kontrolu nad I/O signály. Tato metoda poskytuje zcela nové možnosti tvorby především velmi rychlých systémů s uživatelsky stanoveným časováním, synchronizací a rozhodovací logikou při rychlostech dosahujících až 40 MHz. V praxi lze tuto metodu použít např. k realizaci modulů pro diskrétní i analogové řízení, simulaci, emulaci speciálních sběrnic a nestandardních rozhraní, která vyžadují přesné časování a spolehlivé řízení, apod.

Obr. 2.

Obr. 2. Vestavná architektura systému Compact RIO

Spuštění programu přímo v FPGA znamená dosažení několika zcela zásadních změn oproti dosavadnímu stavu. Program díky tomu, že se v kompilátoru přeloží přímo do struktury hradel, je prováděn daleko rychleji než ve strojovém kódu na univerzálních procesorech x86. Všechny procesy, které by na PC sdílely jeden procesor, běží na FPGA zcela nezávisle, paralelně, deterministicky a bez jakékoliv možnosti přerušení procesem s nižší prioritou (tak, jak tomu běžně je na PC např. při spuštění antivirové kontroly). Protože čas procesoru není sdílený, lze dosáhnout naprosto přesného časování.

Produkty založené na technice RIO

Společnost National Instruments (NI) rozšířila techniku RIO do několika řad svých výrobků, a to od zásuvných karet řady R pro sběrnice PCI či PXI, určených ke zpracování analogových i digitálních signálů, až po kompaktní systém pro zpracování obrazu CVS. Technika RIO byla nedávno implementována také do autonomního měřicího a řídicího systému Compact RIO, který ji využívá v kombinaci se zástavbou do jedné z nejodolnějších skříní ve své třídě (obr. 1).

Obr. 3.

Obr. 3. Technika RIO v multifunkční kartě pro sběrnici PCI

Platforma NI Compact RIO je založena na kombinaci procesoru se stabilním a spolehlivým operačním systémem reálného času a FPGA společně s průmyslovými I/O moduly, jež je možné vyměnit za chodu (hot swap). Uvedené vlastnosti ji předurčují k použití ve vestavných (embedded) měřicích a řídicích systémech. Vlastní aplikační program pro obě programovatelná jádra (pro FPGA i pro procesor s operačním systémem reálného času) je vyvíjen v jednom vývojovém prostředí – v LabVIEW. Také díky tomu se významně zkracuje doba potřebná na návrh i velmi složitých systémů. Modul LabVIEW Real-Time zpřístupňuje tisíce funkcí pro realizaci algoritmů pro sběr a analýzu dat, řízení, různé druhy komunikace a mnoho dalších v mnohovláknové architektuře. Základem systému Compact RIO je FPGA, které je paralelní topologií propojeno s průmyslovými moduly I/O (obr. 2). Tím je umožněn přímý přístup k potřebným funkcím, a tedy i větší flexibilita při nastavování časování, spouštění a synchronizace. Každý modul I/O je vybaven šroubovacími svorkami nebo konektorem Canon a dokáže přesně upravovat signály včetně jejich izolace, zajišťující bezpečné připojení i průmyslových senzorů a akčních členů. Konečným výsledkem je architektura s dobrým poměrem ceny k výkonu, poskytující vývojářům přístup i k nízkým hierarchickým úrovním hardwaru spolu s možností rychlé a pružné změny jeho nastavení a vnitřní struktury podle potřeb konkrétní úlohy.

Multifunkční karty řady R založené na technice RIO

Na stejné technice jako Compact RIO je založena i moderní řada karet R (obr. 3). Stejně jako v předchozím případě běží kód přímo v FPGA. Jedna karta může disponovat až 160 digitálními I/O a až osmi simultánně vzorkovanými analogovými vstupy i výstupy. Vnitřní strukturu – tj. kolik digitálních I/O bude využito jako vstupy, výstupy, čítače, modulaci šířkou pulsu (PWM) apod. – si na rozdíl od klasických multifunkčních karet určuje sám uživatel. Ke kartám řady R lze připojit i moduly pro úpravu signálu původně určené pro systém Compact RIO. Karta R je propojena se základní deskou kabelem. Do ní se zasouvají jednotlivé moduly. K jedné kartě lze připojit až čtyři základní desky a tak dosáhnout ještě většího počtu kanálů I/O než u původního systému Compact RIO.

Systém Compact RIO v praxi

Architektura Compact RIO je převratem v oblasti měřicích a řídicích prostředků. Žádný jiný systém ani zdaleka neposkytuje takovou flexibilitu, výkon a stabilitu při tak malých rozměrech a značné odolnosti proti téměř všem vnějším vlivům i v jejich extrémní podobě.

Obr. 4.

Obr. 4. Systém Compact RIO jako řídicí jednotka vysokootáčkového motoru

Firma Drivven (www.drivven.com), dodavatel měřicích a řídicích systémů pro automobilový průmysl, např. hledala odolný, malý a rychlý systém pro návrh prototypu řídicí jednotky pro motocykl Yamaha YZF-R6 2004. Řízení motoru vyžaduje přesné a deterministicky prováděné řídící cykly s periodou řádu milisekund. Předpokládané maximální otáčky motoru okolo 15 500 min–1 vyžadují pro řízení vstřikovací a zapalovací jednotky přesné časování až na úrovni jednotek mikrosekund! V situaci, kdy jedna otáčka klikové hřídele trvá méně než 4 ms a kdy systém musí řídit vstřikování a zapalování s přesností pod 1°, si lze jistě představit požadavky kladené na řídicí systém. Systém Compact RIO všechny požadavky splnil; navíc je i dostatečně odolný, aby vydržel vibrace a měnící se pracovní teplotu při provozu stroje (obr. 4).

Podobně si firma Process Automation Corporation vybrala systém Compact RIO k realizaci měřicího a řídicího systému, který rychlými simultánně vzorkovanými analogovými vstupy snímá signály, ihned je analyzuje a současně ovládá mechanické rameno (obr. 5). Vše se děje v deterministických řídících smyčkách s přesným časováním, což vyžaduje velmi výkonnou a spolehlivou řídicí jednotku. Ta musí být dost rychlá na to, aby mohla přesně počítat dráhu, pohyby ramene, potřebný krouticí moment a sílu pohonu v závislosti na druhu, pevnosti a tloušťce materiálu břemene.

Obr. 5.

Obr. 5. Compact RIO jako řídicí jednotka mechanického ramene

Za největší přednost systému Compact RIO považují ve firmě Process Automation schopnost snímat analogové signály rychlostí dostupnou u zásuvných karet do stolních PC nebo u mnohem dražších řídicích systémů navrhovaných na zakázku. Díky již zmíněným vlastnostem systému Compact RIO byla firma Process Automation schopna vyvinout samostatnou prostorově nenáročnou řídicí jednotku v krátké době, a tedy s nízkými náklady na vývoj.

Shrnutí

Při použití systému Compact RIO, techniky RIO a FPGA, mají návrháři měřicích, řídicích i kombinovaných systémů při své práci naprosto nové možnosti. Jen s těmito prostředky lze realizovat zařízení vyhovující požadavkům na extrémní rychlost, odolnost i spolehlivost, speciální komunikační rozhraní, rychlé řízení krokových motorů i servomotorů apod. Žádná jiná platforma není tak flexibilní ohledně konfigurace hardwaru a současně uživatelsky vstřícná (díky intuitivnímu grafickému vývojovému prostředí LabVIEW). Propojením softwaru LabVIEW a hardwaru RIO vznikla unikátní kombinace umožňující realizovat systémy spojující velkou flexibilitu FPGA s rychlostí zásuvných karet do PC a s rozměry, stabilitou a spolehlivostí průmyslových programovatelných automatů za zlomek času a nákladů, které by vyžadoval jejich vývoj tradičními postupy.

Ing. Roman Vala,
National Instruments (Czech Republic), s. r. o.

National Instruments Czech Republic, spol. s r. o.
Národní třída 19/949
110 00 Praha 1
tel.: +420 224 235 774
fax: +420 224 235 749
e-mail: ni.czech@ni.com
http://www.ni.com/czech