Aktuální vydání

celé číslo

06

2022

Vodohospodářství, energetika a využití obnovitelných zdrojů energie

IIoT, vestavné a průmyslové počítače a edge computing

celé číslo

Využití programovatelných hradlových polí v zařízeních pro sběr dat

Historie využití počítačů v měřicí technice začíná přibližně před dvaceti lety, kdy byly představeny první karty určené pro sběr dat (DAQ). Dnes už počítačové měřicí karty neodmyslitelně patří k všedním nástrojům všech techniků v oboru měření a testování. Za dobu své existence prošly v mnoha ohledech zásadním vývojem. V současné době odborníci stojí před dalším vývojovým milníkem, který vytváří zcela nové představy o možnostech flexibility počítačových měřicích karet. Tento článek se zabývá evolucí karet DAQ a zvláště si všímá důsledků spojených s využitím programovatelných hradlových polí – FPGA.
 

Úvod

 
Klasické karty pro sběr dat mají v oblasti počítačové měřicí a automatizační techniky své pevné místo. V průběhu let se vyvíjely především jejich komponenty: analogově-digitální převodníky, multiplexory, filtry, zesilovače atd. V současné době procházejí karty DAQ architektonickými změnami, vyvolanými překotným vývojem v oblasti komerčního hardwaru i softwaru. Zatímco dříve byl základem těchto karet zpravidla na zakázku vyvinutý integrovaný obvod ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), dnes se do popředí stále více dostávají programovatelná hradlová pole (FPGA – Field-Programmable Gate Array). Jako alternativa k obvodům ASIC přinášejí FPGA ve spojení s vhodným grafickým vývojovým prostředím (např. LabView od National Instruments) nejen širší možnosti uplatnění měřicích karet, zrychlení jejich činnosti, možnost paralelního zpracování dat a rekonfigurovatelnost, ale také zlepšení ochrany duševního vlastnictví (IP).
 

Současný stav

 
Karty DAQ jsou často koncipovány jako multifunkční. Mohou měřit, zpracovávat a vysílat analogové statické i dynamické signály a přijímat i vysílat digitální signály. Krátce řečeno, plní funkce A/D převodníků, D/A převodníků, digitálních I/O modulů, čítačů nebo časovačů. Karty DAQ umožňují získávat data z elektrických signálů simultánně z několika vstupních kanálů s rychlostí vzorkování větší než 1 MS/s a s rozlišením více než 18 bitů a předávat je k dalšímu zpracování v počítači prostřednictvím různých sběrnic, např. PXI, Ethernetu nebo USB.
 
Základem klasických karet DAQ je, jak už bylo uvedeno, zpravidla obvod ASIC. Ten je odpovědný zvláště za synchronizaci činností v rámci karty i mezi různými kartami a za časování operací při zpracování dat (obr. 1). Za příklad může posloužit obvod DAQ STC2, tj. ASIC, který je implementován v různých produktech DAQ od firmy National Instruments. Obvod navíc tvoří rozhraní pro hostitelský systém, např. PC, na kterém je provozován vlastní aplikační software (virtuální přístroje, softwarové přístroje). Je navržen tak, aby umožnil realizovat i speciální úlohy multifunkčních karet DAQ, a v rámci technických specifikací daných typů nabízí uživatelům optimální výpočetní výkon.
 
V typické úloze kontinuálního sběru a zpracování dat jsou data nejprve digitalizována, uložena do interního zásobníku FIFO a následně po blocích přenášena prostřednictvím DMA po sběrnici (např. PXI) do systémové paměti RAM hostitelského systému. Zde jsou data dostupná pro další zpracování aplikačním softwarem. Takový tok dat mezi kartou DAQ a hostitelským systémem je pro většinu úloh DAQ vyhovujícím řešením, protože v době moderních výpočetních systémů se sběrnicemi PCIe a PXIe a s multijádrovými CPU nejsou latence sběrnice, datová propustnost a doba zpracování dat limitujícími faktory. Přesto existuje skupina úloh, kde tato architektura nevyhovuje. Patří k nim např. vysokorychlostní
vícesmyčkové regulátory, systémy s filtry nebo digitální testovací zařízení realizující testovací úlohy podle daných protokolů. Zde je nutné použít jinou architekturu – karty s FPGA.
 
Integraci FPGA do karet DAQ lze označit za nejvýznamnější pokrok v oblasti počítačové měřicí a automatizační techniky v současné době. Pomocí FPGA lze splnit dříve neuskutečnitelné požadavky v oblasti determinismu, paralelních výpočtů, rychlosti zpracování dat a robustnosti. Technika FPGA je zvláště vhodná pro použití v oblastech testování komunikačních protokolů, rádiové techniky, polovodičových součástek a v řídicí technice. Současně ale staví návrháře před problém, jak zvládnout složitý návrh obvodů s FPGA a plně využít jejich potenciál. Společnost National Instruments proto pro programování FPGA nabízí spolehlivé grafické prostředí: LabView. Zbavuje tak programátory nutnosti detailně znát jazyky pro popis hardwaru, jako např. VHDL.
 
Hradlová pole FPGA jsou základem různých cílových komponent, označovaných např. jako rekonfigurovatelné moduly vstupů a výstupů (RIO – Reconfigurable Input/Output) nebo jako inteligentní karty DAQ. S využitím LabView pro ně může uživatel v navyklém grafickém prostředí navrhovat programové bloky v podobě virtuálních přístrojů, provést syntézu a umístit program na cílovou platformu s FPGA.
 
Z hlediska připojení signálů ke kartě má uživatel k dispozici různé možnosti. Může si podle požadavků dané úlohy vybrat takové řešení, které mu poskytuje větší nebo menší možnost řídit rozhraní s hostitelským systémem a jeho aplikačními programy, FPGA-I/O a reálným světem. Nabídka začíná u jednoduchých přístrojů s pevně daným, integrovaným rozhraním (frontend), pokračuje přes přístroje s výměnnými moduly rozhraní a končí u přístrojů s moduly rozhraní v odobě adaptérů. Uživatel tedy buď může sáhnout po řešení, které nejvíce připomíná klasickou multifunkční kartu DAQ, nebo si může navrhnout vlastní zařízení pro přijímání vstupních signálů a generování výstupních signálů, jejich úpravu a zpracování a s různými funkcemi pro časování, spouštění záznamu a synchronizaci. V každém případě může využít výhody FPGA: velký výpočetní výkon, spolehlivost a dlouhou životnost.
 

Karty s pevně daným rozhraním

 
Na kartě RIO, určené pro sběrnici PXI (obr. 2), se vedle FPGA (např. u karty z řady R-Serie NI-7852R je to Xilinx Virtex-5) nacházejí také kompletní analogové a digitální obvody (A/D převodníky, D/A převodníky, buffer, časovač atd.) a všechna rozhraní. U této karty má uživatel k dispozici osm analogových vstupů nebo výstupů, každý s šestnáctibitovým rozlišením a vzorkováním 1 MS/s, a 96 digitálních I/O. Přístup na I/O obstarávají I/O uzly ve vytvořeném virtuálním přístroji FPGA-VI, řízení je realizováno VI na hostitelském PC. Díky tomu, že IP core karty pracují odděleně od IP core sběrnice PXI, jsou uživateli k dispozici všechny výhodné vlastnosti karet PXI: přenos dat do hostitelského systému pomocí DMA a přerušení, funkce spouště (trigger) a synchronizace.
 

Karty s výměnným modulem rozhraní

 
FlexRIO jsou karty, které mají na rozdíl od klasických RIO charakter stavebnice. Skládají se ze dvou hlavních částí: modulu FlexRIO-FPGA pro PXI a výměnného adaptéru (obr. 3). Zatímco modul FlexRIO-FPGA (např. NI-7954 s obvodem Virtex-5 a 128 MB DRAM) zajišťuje pouze řízení a obsluhu tzv. General-Purpose I/O (GPIO), modul adaptéru se stará o obsluhu fyzických I/O systému. Modul adaptéru je výměnný, uživatelsky konfigurovatelný a díky specifickému rozhraní mezi oběma komponentami umožňuje realizovat mnoho úloh. Program se vytváří jako obvykle pomocí LabView a I/O uzlů, jejichž typ a počet jsou závislé na použitém adaptéru. Adaptéry dodává firma National Instruments, ale i další firmy. Jako příklad lze jmenovat 100MHz vysokorychlostní modul digitálních vstupů a výstupů NI-6581 s nastavitelnými úrovněmi napětí.
 

Karty s uživatelským adaptérem

 
FlexRIO MDK (Module Development Kit) je vhodná alternativa pro ty uživatele, kteří si chtějí vyvinout vlastní adaptér, v němž budou integrovány obvody pro speciální funkce a který není ve standardní nabídce. Umožní jim zkrátit dobu vývoje zařízení a náklady udržet téměř na stejné úrovni, jako kdyby použili standardní, hromadně vyráběný modul. Součástí MDK je úplná dokumentace včetně všech elektrických a mechanických charakteristik použitých komponent a CAD výkresů desek plošných spojů a krytů, které mohou být při vývoji adaptéru použity.
 
Protože pro programování není v LabView k dispozici žádná předem připravená knihovna I/O, jako je tomu u jiných adaptérů, integrují se I/O pomocí tzv. Socketed-CLIP (Socketed Component Level IP). Jde o program pro FPGA, který běží paralelně s FPGA-VI, na komponentové úrovni má prostřednictvím GPIO přístup k I/O adaptéru a vyměňuje si s ním data. I/O uzly jsou pak definovány např. pomocí souborů v XML, které popisují vztah s CLIP. Proto jsou v tomto případě nezbytné zkušenosti z vývoje elektronických obvodů s FPGA a znalost VHDL.
 

FlexRIO v praxi

 
Moduly FlexRIO umožňují snadno realizovat úlohy, které by s klasickými zařízeními DAQ byly realizovatelné jen velmi obtížně, pokud vůbec. Příkladem mohou být např. zařízení pro automatické testování polovodičových součástek podle předem daného protokolu nebo automatizační úlohy typu „hadware-in-the loop“. Moduly FlexRIO používá např. firma Konrad Technologies, jejímž oborem je vývoj, výroba a integrace zakázkových testovacích zařízení určených pro výrobu elektroniky. FlexRIO umožňuje sestavit celý systém z jednotlivých komponent přesně podle toho, co zákazník očekává. Podle Armina Lechnera, vedoucího oddělení testování polovodičových komponent, představuje FlexRIO s FPGA pro firmu Konrad Technologies „velký krok na cestě k co nejefektivnějšímu vývoji hardwaru“. „Velkou předností pro testovací zařízení je 128Mb vestavěná paměť na desce a možnost integrovat optimalizované algoritmy ve VHDL. Přímý přístup k I/O prostřednictvím námi vyvinutého adaptéru zlepšuje možnosti úpravy signálů. FlexRIO je pro nás v současné době i při úvahách o budoucím vývoji klíčovým prvkem, nejen pro testování polovodičových součástek.“
 
Literatura:
[1] LECHNER, A. – KONRAD, M: Protokollbasierter Halbleitertest. In: Sborník ke kongresu VIP 2008. Hüthig Verlag, 2008.
 
Rahman Jamal, Christoph Landmann,
National Instruments Central Europe
 
Obr. 1. Klasická multifunkční karta DAQ se sběrnicí PXI (typová řada M) využívá jako klíčový prvek obvod ASIC
Obr. 2. Rekonfigurovatelná karta PXI-FPGA (typová řada R), programovatelná pomocí LabView
Obr. 3. FlexRIO nabízí konstruktérům díky vyměnitelným modulům pro připojení externích signálů velkou volnost
Obr. 4. Příklad realizace karty DAQ: na kartě FlexRIO je umístěn zákaznický vysokofrekvenční adaptér
Obr. 5. Testovací stanice ABex od firmy Konrad Technologies se skládá ze šasi pro sběrnici PXI, řadiče reálného času a několika
karet FlexRIO s vysokofrekvenčními adaptéry