Modelmatige ontwikkeling van embedded software

Modelmatige ontwikkeling van embedded software in het engineeringsproces voor mechatronische systemen

Jan Leideman

Inhoudsopgave • • • • •

DEMCON introductie Mechtronica ontwikkelingsproces Beschikbare hardwareoplossingen Voor- en nadelen Voorbeeldprojecten

5 november 2008 Evoluon - Eindhoven


Brede expertise… • • • •

advanced mechatronics opgericht in 1993 spin off Universiteit Twente 65 medewerkers



Sterk in concepten

Van concept naar productie…

P [W/m2] venster v [m/s]

T 1 [K]

vloeistof

T 2 [K]

T2 T1 lengte

development

meting Tin

realisation

test

meting flow toevoer infuusvloeistof

Voorwaartskoppeling

flow Tgewenst

Terugkoppeling

+

production

Tin

certifying

Tuit Lampen

vermogen

process development

Disposable

meting Tuit



1

Sterk in verschillende markten

Mechatronica ontwikkelingsproces •V-model •Kenmerken: •Parallel ontwikkelen •Meerdere disciplines zijn gelijktijdig werkzaam in verschillende stadia

Halfgeleider

Medische

Industrieel 5 november 2008 Evoluon - Eindhoven

Complete productontwikkeling


Probleembeschrijving • Bij mechatronische product / systeem ontwikkeling is parallel ontwikkelen in verschillende disciplines noodzakelijk – Vanwege gewenste doorlooptijd – Om juiste conceptkeuzes te maken


DEMCON aanpak • Het in beginstadium van het project simuleren van de hardware zodat problemen vroegtijdig kunnen worden gevonden eventuele ontbrekende specificaties voor het ontwerp kunnen worden afgeleid. • Met deze informatie kunnen gefundeerde conceptbeslissingen worden genomen.


Voorbeeld Simulink model (1/2) • Voertuigmodel met gesimuleerde hardware

• Als hardware beschikbaar is kan software voor besturing al gereed zijn.



2

Voorbeeld Simulink model (2/2) • Als hardware beschikbaar komt wordt gesimuleerde hardware vervangen door echte hardware.

Beschikbare hardware oplossingen • DM3 bord voor “eenvoudige” toepassingen – Standaard versterkers en i/o op Dm3 bord beschikbaar

• Industriële pc met i/o kaarten voor applicaties waarvoor veel rekenkracht noodzakelijk is. – Afhankelijk van applicatie kan insteekkaart gekozen worden


DM3 oplossing • Voor toepassingen waarbij universele oplossing toepasbaar is • Fixed Point Processor Arm7 van NXP • Demcon library beschikbaar voor drivers • Beschikbaar in zowel Simulink versie als in Command base versie


DEMCON library voor Arm7 • Voor standaardfunctionaliteit zijn standaard blokken beschikbaar • Dit maakt systeem ook geschikt voor systeemontwerpers die geen specifieke embedded kennis hebben.


DM3 •Demcon Motion Control board •3 versterkers (5A continu, 10A piek) • 16 Digitale ingangen (24 VDC of 5V DC) • 16 Digitale uitgangen (24VDC-200mA) • 12 Analoge ingangen (16 bits) • 4 Analoge uitgangen (12 bits) 5 november 2008 Evoluon - Eindhoven

xPC oplossing • Maakt gebruik van industriële (host) pc met i/o kaarten • Op host pc draait klein real- time operating system. • Systeem kan standalone werken, maar kan ook bediend worden vanuit host pc. • Maakt gebruik van krachtige floating point processor van pc

• Voorbeeld motordriverblock



3

xPC oplossing • Veel keuze in beschikbare I/O • Drivers voor niet ondersteunde hardware zelf te ontwikkelen • Ook eenvoudige stand-alone toepassingen te ontwikkelen

Voordelen van deze methode • De code van de controller kan al in Matlab gekoppeld worden aan een simulatiemodel van de mechanica, en het geheel in ‘closed loop’ getest. • Ontwikkelplatform is tevens toepassingsplatform • Ontwikkelde software beter te analyseren door grafische opbouw. Dit stimuleert hergebruik en teamwork. • Applicatie is licentievrij.



Er zijn natuurlijk ook nadelen: • Complete ontwikkelomgeving is prijzig. • Bij hoge samplerates altijd latencymetingen doen. • Latency afhankelijk van • Gebruikte hardware • GUI acties • Gebruik van netwerk • Gebruik van toetsenbord, muis etc.

Voorbeeldprojecten • Raketlanceerinrichting (xPC) • Humanoid (Dm3) • Productiemachines (xPC)


Raketlanceerinrichting


Blokschema xPC opstelling VML turret block diagram

IGH 1x motor IGH Azimuth housing 4x motor Azimuth Elevation housing

• Acht servomotoren • Hoge eisen aan: – Nauwkeurigheid – Padplanning – Spelingscompensatie – timing • Ontwikkeltijd 40 weken

2x motor Elevation position/rate commands pannier load status system state commands double system enable lines

1x motor Gravity Compensation TPU amplifiers

1x encoder Gravity Compensation 2x encoder Elevation

TPU PC running XPC target Fire Control Computer

IO cards: DO DI D/A T/C

2 (!)x encoder Azimuth 2x end sensor Elevation 1x up/down absolute encoder Elevation locking status Elevation

azimuth/elevation positions locking status Azimuth, Elevation system state limited BIT

lock/unlock Elevation (option)

•8 Motoren •6 encoders •4 Endswitches •5 Status uitlezen

2x end sensor Azimuth 1x left/right absolute encoder Azimuth locking status Azimuth lock/unlock Azimuth (option) IGH position up/down



4

Hoogste niveau van het Simulink model

Processing unit

•

• Kast met 2 niveaus

Alle functies zitten in meerdere sub-niveaus Turret Software [Ca lHig h2 ]

[Ca lLo w2 ] func tion()

[Ca lLo w4 ] f unct () s UDP In S etion point

P acket out

P ac ketIn

fun ction() S e tpoint s UDP S et points logdat a

S e tpoint s R aw

RES ER VED

[RE SE RVE D]

[fb P ositio n s]

[Lo g d a ta Se tp o in ts]

f bpos

[S ta tu sS e tp oin tFilte r]

S tat us R es et

C om man ds

S e tpoint Co ntrol

1 /z

S e tpoint s C ontroller Tu rret_m ax_a ccelerat ion Tim in gIn

Tim ing

rm

[Ca lLo w1 ] S e tp o in tFilte r

R es et

Re c eive from FCC

fu nction() S e tpoint s

In p u tFro mFCC

S tat us

[S ta tu sCo n tro lle r]

E n co d e rs [Ca lLo w3 ] fu nction() f unct ion ()

Enco pu ls e

En co fb pos

[Ca lHig h 1 ]

S etpo int C ontrol

S erv oErro r C ontrollerC ontrol

TPU software v ersion 1.0 Written by Thales Netherlands and Demcon Twente B.V. Softw are to control demonstrator VML launcher turret P u rp o se o f th e ma in b lo cks a re : Re ce iv e fro m FCC: p o lls a t 1 0 kHz fo r n e w me ssa g e s fro m th e FCC Inp u tFro m FCC: u n p a ck th e p o ssib le re c e ive d me ssa g e S e tp o in tFilte rs: S witch in g b e twe e n se t p o in t a n d ra te co n tro l, re co n stru ct tim e lin e se tp o in ts in te rp o la te if a n y me ssa g e s a re missin g a n d g e n e ra tio n o f a th ird o rd e r p a th fo r th e co n tro ller. Co n tro lle r: re a din g th e e n co d e rs (h o min g a n d CBIT in clu d e d ) a n d c o ntro lle r o f th e tu rre t E n co d e rs: Re a d th e e n co d e rs a t 1 0 kHz . IO_ m a n ag e r: a ll d ig ita l IO a re m a n ag e d b y th is b lo ck. It m a n a g e th e o th e r b lo ck b y a mo d e m a ch ine . (d e scrib e d in th e IDD) O u tp u t toFCC: G e n e ra te s th e p a cke t se n d to th e FCC

t urret _max _acc

[S ervo E rro r]

C on trollerCo ntrol Logdat aC ontrolle r

Abs olute Encoder

[Lo g d a ta Co n tro lle r]

Ab os luteEnc

IBIT_s elect

[fb P o sitio n s]

[fb P o sitio n s]

p uls e

C om ma nds

IBIT_ s tat us

IBIT_s elect

[IBIT _ sta tu s]

P os it ion s Turret

Co n tro lle r UDP S end Enable

[S ta tu sS e tp o in tFilte r]

UDP S en dEnable

S t atu s S etpo int F ilt er S t atus Rep ort

[S ta tu sCon tro lle r]

S tat us R eport

Temp erat ure s

S t atu s Co ntroller

Int ernalModeNum ber

[IBIT_ sta tu s]

[Te m p e ra tu re s]

[fb P o sitio n s]

[In te rn a lMo d e ]

[S ta tu sS e tp o in tFilte r]

[Am p sAn d Bra ke s]

[S e rv o Erro r]

P os itions Tu rret

R ateTu rret

IBIT_ s tat us Amps An dBrake s

turre t_s erv o_error

IO _ m an a g e r [RE S E RVE D]

Data lo g g in g

EnableMonitor

O u tp u tT o FCC De te rmin a tio n o f e xe cu tio n o rd e r [Ca lLo w5 ]

[Ca lHig h 1 ] f() Fu n ctio n -Ca ll h ig h frq u e n cy

[Ca lHig h 2 ]

A h ig h e r sa m p le fre q u e nc y in Ma tla b h a s a h ig h e r prio rity. It is n o t p o ssib le to ch a n g e th is. It wa s a g re e d to p o ll th e UDP co m mu n ica tio n a t 1 0 Kh z. He n ce , th e fo llo win g ca lcu la tio n o rd e r is u se d .

E n a b le Lo g g in g funct ion() lo gtrigg er_t o_works pace

[Ca lLo w1 ]

[Lo g d a ta Co n tro lle r]

t rigger_m ode_out Lo gdata Co ntroller

Ru n n in g th is m o d e l o n xP C re su lts in a lo g o f the two sig n a ls a t th e sa mp le ra te o f th e m o d e l. T h e b lo ck e n a b lin g lo g g in g is u se d to co n tro l lo g g in g fro m th e FCC sim u la to r

At 1 0 kHz first th e E n co d e rs a re re a d a n d th e n th e UDP co mm u n ica tio n p o lle d . [Ca lLo w2 ] f()

[Ca lLo w3 ]

Fu n ctio n -Ca ll Lo w frq u e n cy

[Ca lLo w4 ]

At 1 kHz th e co n tro lle r (a n d DA) a re firstly ca lc u la te d to min im ize th e time b e twe e n rea d in g th e e n co d e rs a n d writin g the DA. (n o w a b o u t 4 0 µ s). T h e re st o f th e b lo ck a re ca lcu la te d a fter. T h e la st b lo ck ('lo g trig g e r_ to _ wo rksp a ce ') is ca lle d la st so a ll lo g d ata is fro m th e sa me in te rru pt lo o p .

[Se rvo E rro r] [Lo gd a ta S e tp o in ts]

S erv oError Lo gdata S etpoint sLo gDataTP U

1 Lo g Da ta T PU

[T e mp e ra tu re s]

Te mperat ures

[In te rn a lMo d e ]

Inte rnalMode

[Ca lLo w5 ]

[Amp sAn d Bra ke s]

Am ps AndBrakes

[RE S ERVE D]



Humanoid

Humanoid • • • • •


Andere xPC / DM3 projecten • Active Piston Prover (APP) , Instrument voor kalibratie van massaflow meters. • Proof of Principle gebouwd m.b.v xPC. • Definitieve product is uitgevoerd met embedded controller. • xPC software kon voor grootste deel opnieuw worden gebruikt.


2 DM3 borden 4 aangedreven assen Gekoppeld via I2C Uitbreidbaar Ontwikkelt door studenten in 7 maanden


Andere xPC/Dm3 projecten • Productiemachine in de papierverwerkende industrie • 19 servoassen die zijn aangestuurd met bij Demcon ontwikkeld universeel servoblock. • Machine in halfgeleiderindustrie • 27 servoassen, alle sensoren worden uitgelezen met frequentie van 5 kHz • Dus ook 27 padplanners, PID controllers en erg veel signalen • Alle signalen kunnen worden getraced


5

Bedankt voor uw aandacht!

Voor meer info www.demcon.nl


6

Modelmatige ontwikkeling van embedded software

Recommend Documents