LabView - řízení aplikací s FPGA Ing. Martin Bušek, Ph.D.
Použítí hradlových polí FPGA (Field Programmable Gate Array)
Programovatelné propojení
Bloky I/O Source: Xilinx
Konfigurovatelné logické bloky
• Spolehlivost hardwaru • Paralelní struktura pro zajištění vysokého výkonu • Rekonfigurovatelnost a rozšiřitelnost
FPGA-základní řízení
Základní vzorkování 40 MHz Analogové I/O až do 800 kHz PID algoritmy 200 kHz Spolehlivost hardware Žádný operační systém
Úvod do LabVIEW FPGA Vytvoření projektu pro LabVIEW FPGA Přidání vlastních I/O modulů Psaní LabVIEW FPGA aplikace Kompilace do hardware
LabVIEW FPGA Module – jak funguje?
1
2
3
LabVIEW FPGA aplikace převedena do VHDL kódu
Xilinx compile -kompilační nástroj
Bit stream nahrán do FPGA
• VHDL generování
• VHDL kód je optimalizován • Redukce logiky • Syntetizace hradlového pole
• Bit stream generování • Nahrání a spuštění FPGA
LabVIEW FPGA vývojář může vytvořit stejně efektivní kód jako zkušený programátor VHDL.
NI FPGA -platformy hardware
CompactRIO rekonfigurovatelný embedded systém PXI R Series inteligentní DAQ systém
Compact Vision System
PCI R Series inteligentní DAQ systém
NI CompactRIO rekonfigurovatelný embedded systém Real-Time procesor
Rekonfigurovatelné (RIO) FPGA pole I/O
I/O I/O
I/O
I/O
Real-Time Controller
I/O
I/O
I/O moduly
• DC napájení • Rázová odolnost 50g • Teplotní rozsah – 40 to 70 °C
Snímání
Signálové úpravy
I/O
ADC
I/O moduly pro CompactRIO
Analogové vstupy
Analogové výstupy
Digitální vstupy
◦ vzorkování 800 kHz, ± 60 V ◦ 24-bit rozlišení ◦ vzorkování 100 kHz ◦ napětí (± 10 V) ◦ proud (0 to 20 mA) ◦ vzorkování 30 MHz, 32 kanálů ◦ časovače/čítače, enkodéry
Digitální výstupy
◦ vzorkování 20 MHz, 32 kanálů ◦ 20 A proudová zatížitelnost ◦ PWM modulace, digitální waveform, elektro-mechanické relé
• CAN komunikace – 2-porty CAN
• Motion Control/Drive – bezkartáčové DC servo motory
• Zákaznické I/O moduly
Řízení strojů – použití FPGA Návrhy aplikací, které vyžadují: Vysoký výkon
Minimální jitter Jeden čip nahrazuje i několik obvodů a subsystémů
Spolehlivost Možnost řízení na embedded zařízení (bez operačního systému)
Návrh, realizace a nasazení pomocí nástrojů LabVIEW Přeprogramovatelnost FPGA bez změny hardwaru
LabVIEW FPGA - knihovny a software nástroje
Vstupy/výstupy Analogové řízení Diskrétní logika Časování, triggerování a synchronizace Komparační funkce Matematické funkce a operace Přenosy dat SoftMotion PID Návrh digitálních filtrů
FPGA -funkce PID regulátoru
Rozlišení: 16-bit pro datový typ integer Vzorkovací čas běhu programu: 300 nanosekund (12 ticks při 40 MHz) Wind up funkce regulátoru
Přístup k LabVIEW FPGA hardware FPGA Aplikace
Real-Time/PC Procesor
LabVIEW speciální možnosti
Přímí přístup do paměti (DMA) ◦ Rychlejší přenos dat, přenosové pásmo ◦ realizace FIFO přenosu dat
Projekt Manažer ◦ Konfigurace FPGA hardware ◦ Nahrání LabVIEW FPGA programu do FPGA flash
Sdílené proměnné ◦ Jednoduší komunikace s OPS serverem a dalšími aplikacemi projektu
Podpora Modbus/TCP a seriál ◦ Průmyslový komunikační standard s PLC a HMI
LabVIEW FPGA možnosti 1.
Možnost vytváření podprogramů (subVIs) • Funkční bloky mohou být jednotlivě navrhovány a testovány • Výhoda paralelního zpracování vláken
2.
Simulace a testování programu před kompilací • Testování navržených funkčních bloků na windows hardware • Použití zpomaleného chodu programu, sond, breakpointů a debug nástrojů
LabVIEW FPGA řídicí schéma User Interface
Enterprise
• Uživatelský interface • Napojení na okolí • Nadřazení řízení • Analýzy bez RT
Rekonfigurovatelné FPGA
Real-Time Procesor
Host Program Network Communication
Normal Priority Loop
Inter - Thread Communication
Time-Critical Loop
FPGA Interface
LabVIEW FPGA VI
Data Storage
• Kritická priorita – Spojení s FPGA kodem (DMA/IRQ) • Normální priorita – Konverze dat – Analýzy a řízení – Záznam dat – Komunikace (TCP/IP, UDP, Modbus/TCP)
• I/O časování • Zákaznický trigger • Řízení • Digitální filtrace • Vyhodnocení snímačů
Výhody FPGA FPGA
poskytují výkon a spolehlivost nutnou pro řízení aplikací
Použití
LabVIEW FPGA šetří čas a finance
Quick Time – rychlý návrh a realizace Nahrazuje více systémů Snadný upgrade hardware
