Összetett mérési rendszer tervezése

Budapest University of Technology and Economics

Összetett mérési rendszer tervezése Elektronikus Eszközök Tanszéke Ender Ferenc

mikofluidika.eet.bme.hu

Áttekintés Integrált hardver platform és PC alapú mérésvezérlés A rendszertervezés folyamata Funkcionális rendszerterv, HW-SW szétválasztás Implementációs kérdések: architektúra, sebesség, pontosság Mikrofluidika, Lab-on-a-Chip, mikrofluidikai platformok Mikrofluidikai tesztkörnyezet: rendszertervezés A tápellátás tervezési elvei Architektúra, buszrendszer és kommunikáció Firmware tervezés: vezérlés és állapotgép NI LabVIEW platform Programtervezési minták Szabályzókör kialakítása összetett mérési rendszerben eet.bme.hu

13-04-30 © BME Department of Electron Devices, 2010.

2

Integrált hardver platform Mérésvezérlés

PXI Modular Instrumentation

Desktop PC

Laptop PC

PDA

Kommunikációs interfész

High-Speed Digitizers

High-Resolution Multifunction Dynamic Digitizers and DMMs Data Acquisition Signal Acquisition

Instrument Control

Digital I/O

Counter/ Timers

Machine Vision

Motion Control

DAQ és DSP interfész Signal Conditioning and Switching

DUT interfész: szenzorok és beavatkozók

Unit Under Test

eet.bme.hu © BME Department of Electron Devices, 2010.

Distributed I/O and Embedded Control

PC alapú mérésvezérlés Bemeneti/Kimeneti jelek

Jelkondicionáló hardver

Adatgyűjtő hardver

Analóg Digitális Számláló, Időzítő Érzékelők Beavatkozás

Motorok Relék Modul meghajtó hardver


ZH

Meghajtó- és felhasználói programok

A rendszertervezés folyamata • Specifikáció – A megvalósítandó feladat pontos körülírása – Akkor jó, ha a másik fejlesztőcsapat ugyanazt hozza létre!

• Rendszerterv – Az összes megvalósítandó feladatrész blokkokra bontása és az azok közötti kapcsolatok leírása – A konkrét implementáció itt még nem eldöntött!


ZH

Rendszerterv példa - ébresztőóra


Rendszertervezés • Hardver – szoftver szétválasztás – Mit milyen platformon érdemes megvalósítani (szoftver, firmware, hardver, kontroller, DAQ, beágyazott rendszer) – Specifikációs adatok, költség stb. figyelembevétele


ZH

Rendszertervezés

ZH

• Funkcionális rendszerterv – Hardverre és szoftverre külön alkalmazható – A részfeladatok funkciók szerinti lebontását mutatja – Bitvonalszám, moduláris felépítés, célhardverek

• Architektúra terv – Célhardverek kiválasztása és összerendelése a becsült számítási igény szerint – Elosztott vagy központi intelligencia – Autonóm (beprogramozott) működés – PC vezérelt működés – Távvezérelt működés – Belső kommunikációs protokollok


Sebességbecslés • A szükséges számítási kapacitás meghatározói – Jelfeldolgozási feladatok • Soros vs. párhuzamos végrehajtás • Problémaméret és órajel

– Szabályozási feladatok • A szabályozott paraméterek száma • A folyamat dinamikája, időállandók • A szabályozási kör leglassabb része határozza meg a szabályzás sebességét!

– Belső kommunikáció • • • • •

Kommunikációs overhead Soros vs. párhuzamos kommunikáció Zavarvédettség Natív átviteli sebesség Ökölszabályok a beavatkozási időre: PC (USART, USB, Ethernet): ~200 ms (!), Belső kommunikáció (SPI, I2C): ~1 us, Mikrovezérlőn belül futó beavatkozó: <1 us


ZH

Bevezetés – Mi a mikrofluidika? • Minden olyan mikrorendszer mikrofluidikának tekinthető, ahol a rendszerben mozgó folyadékok nem makroszkópikus módon viselkednek • A mikrofluidika fő felhasználási területei manapság:  Orvosi és kémiai diagnosztika  Integrált áramkörök hűtése  Nyomtatóipar

• A mikrofluidikai rendszerek kutatása, tervezése és alkalmazása kapcsán érintett tudományterületek:  Villamosmérnök (kutatás és fejlesztés: szenzorok, aktuátorok, technológia)  Fizikus (kutatás: a mikrotartomány hatásai)  Gépészmérnök (kutatás és tervezés: az áramlás leírása)  Orvos és biológus (kutatás és fejlesztés: alkalmazások)

eet.bme.hu

10 © BME Department of Electron Devices, 2010.

“Mikro” és “fluidika” • “Fluidika” - tehát folyadékokkal foglalkozó • “Mikro”, ebben a jelentésben legalább egy az alábbiakból: Kis térfogatok (μl, nl, pl) Kis méret (mm, μm) Alacsony energiafelhasználás A mikrotartomány hatásai (lamináris áramlás, felületi feszültség, diffúzió, csatolt hőtranszfer)  A mikrorendszerek tipikus erősségei (sorozatgyárthatóság, párhuzamosíthatóság, reprodukálhatóság)    

eet.bme.hu


Esettanulmány: Lab-On-a-Chip

eet.bme.hu


Esettanulmány: Lab-On-a-Chip • Az influenzavírus kimutatása 240 nl mintából

eet.bme.hu


Esettanulmány: Lab-On-a-Chip • • • •

Minta betöltés Polimeráz láncreakció (PCR) Restrikciós enzimes bontás Elektroforézis

• Villamosmérnöki feladatok     

eet.bme.hu

Folyamatvezérlés Termikus vezérlés Termikus tervezés Szelepvezérlés Folyadék aktuáció vezérlése


Mikrofluidikai platform • Egy mikrofluidikai platform...  lehetővé tesz egy sor fluidikai műveletet  fluidikai elemeken (reagensek, pufferek)  melyeket úgy terveztek, hogy egymással keveredve reakciót végezzenek  a reakciók lefolyása a rendszerbe ágyazott szenzorokkal figyelhető  a folyamat a platformról, külső vagy belső aktuátorokkal irányítható  mindezt jól körülírt és lehetőleg olcsó technológián valósítja meg

eet.bme.hu


Mikrofluidikai tesztkörnyezet


Rendszerterv


Funkcionális blokkvázlat


Architektúra terv


Mechanikai tervezés


Rendszerplatform – IEEE 1101.10


A tápellátás tervezés kérdései • Precíziós, analóg áramkörök SNR-jét nagyrészt a tápból beszűrődő zavarok rontják le • Digitális és analóg illetve teljesítmény áramkörök mindig külön tápellátásról üzemelnek – Igen kritikus analóg részeknél akkumulátoros táplálás is gyakori – Nagyáramú/nagyteljesítményű tápellátás méretezésénél a pillanatnyi csúcsteljesítmény fölé kell tervezni!

• Analóg áramköröknél gyakori igény a szimmetrikus tápfeszültség • A különböző tápok földjei az egész rendszerben csak egyetlen ponton kapcsolódhatnak össze! • Tápegységek zavarszűrése párhuzamos kerámia és ELKO kondenzátorral • Kritikus áramköri részek (IC-k) külön szűrhetők • Fontos az elhelyezés a készüléken belül eet.bme.hu © BME Department of Electron Devices, 2010.

ZH

A tápellátás tervezés kérdései


ZH

Buszrendszer


Kommunikáció a buszon


Általános kapcsolási séma


Modulspecifikus kapcsolás


Általános PCB séma Általános rész Modulspecifikus rész


Modulspecifikus kapcsolás


Parancsvégrehajtás


Parancs és regiszter példa


Programvezérlési minták Állapotgép - Állapotkód - Állapot-tranzíciós kód - Állapot-átmeneti feltétel (időzített v. eseményvezérelt) - Mindig szinkron - Nehezen párhuzamósítható


ZH

Programtervezési minták Master-Slave minta -

Egyirányú Adatvesztéses Master szerinti időzítés Nincs bufferelés Slave-k egymástól nem függenek - Slave szinten párhuzamos


ZH

Programtervezési minták Producer-Consumer minta - Nem biztosított szinkron - Párhuzamosan működtethető - Bufferelt, nincs adatvesztés - Buffer túlcsordulás kérdése


ZH

Firmware működés vázlata


A firmware általános sémája Modul specifikus kód

Általános kód (lib)

*command[] pointer main.c

commandip.c

bus.c

interrupt parancs vektorok kiválasztás

SLAVE mode állapotgép

init while(1)

parancs vektor

MASTER mode állapotgép

modulefcn.c

usart.c

Modul specifikus

PC kommunik.


Firmware állapotgép


ZH

Forráskód betekintés


A LabVIEW és más programnyelvek

•LabVIEW = Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench •A LabVIEW adatfolyam típusú programozási nyelv. Az adatok irányítása két művelet között irányított gráffal történik. •Az adatfolyam típusú programnyelvek deklaratívak, tehát (az imperatív nyelvekkel ellentétben) nem az a fontos hogy a dolgok hogyan történnek, hanem az, hogyan kapcsolódnak egymáshoz


Imperatív vs. deklaratív programpélda

function btn_start_Callback(hObject, eventdata, handles) t = 0:pi/20:2*pi; k=0; y = sin(t); h = plot(t,y,'YDataSource','y'); while (get(handles.ck_run,'Value')) k=k+0.1; f=get(handles.sl_freq,'Value'); y = sin(t.*f+k); refreshdata(h,'caller'); drawnow; pause(.1); end


Front panel és Blokk diagram


41



Néhány fontosabb kiegészítő (Toolkit, Modul) •Modulációs •PID szabályozás •Szimulációs •Hang és vibráció analízis

eet.bme.hu 2011.09.07.

Virtuális műszerek a mérnöki gyakorlatban (VIEEAV04) © BME Department of Electron Devices, 2010.

44/23

Mikrofluidikai tesztkörnyezet szoftveres rendszerterv


Beágyazott állapotgép - Az állapottranzíciókat a felérendelt struktúra határozza meg, így nincs tranzíciós kód Init

Time critical requests Wait Read values Action


-

Esettanulmányok szabályzásokra Szakasz

-

-

Leírása analitikusan, numerikusan, méréssel, identifikációval A szakasz időállandói határozzák meg a szabályozó köridejét Helyes működésnél a szabályozó körideje kisebb a szakasz időállandójánál.

Szabályozó -

A szakaszhoz és a feladathoz illeszkedik Ha a szakasz változik, a szabályozó is változhat (adaptív szabályozó, pl. Fuzzy szabályozó) A szabályozó periódusideje a kör periódusidejével egyenlő Implementáció: hardveresen (pl. műveleti erősítőből épített integráló), szoftveresen (PC-n, uC-n, FPGA-n) Az implementációs platform kiválasztásánál a sebesség és a számítási igény a meghatározó Számításigény

Kis periódusidő

Nagy pediódusidő

Alacsony

Mikrokontroller / Analóg ák.

PC (LabVIEW) / Analóg ák.

Magas

FPGA / DSP

PC (LabVIEW)


ZH

Esettanulmányok szabályzásokra ●

Szenzor és beavatkozó ● ● ●

●

●

A szenzor válaszideje a kör periódusidejénél kisebb Szenzor kiolvasás, A/D, adatátvitel kérdése, bufferelés Szenzor jelének feldolgozása: egyszerűbb esetben analóg szűrés Számításigényes esetben (digitális szűrés, képfeldolgozás) célhardveren célszerű implementálni Beavatkozás módja: folyamatos v. diszkrét idejű

Adatátvitel Megszabja az implementációt: folytonos v. diszkrét Fix késleltetésű adatátvitel, kompenzáció: Smith prediktor


ZH

1. Hidrodinamikai fókusz szabályzása


Hidrodinamikai fókusz szabályzása


Hidrodinamikai fókusz szabályzása

ZH

Képfeldolgozási algoritmus implementálása a célhardveren a szenzorjel előállításához, szabályozó a PC-n fut. Megvalósítási platform

Megvalósítási platform A szakasz időállandója kb. 300 ms, így a PC-n futó szabályozó még éppen használható. A szenzor jel előállítása viszont számításigényes, az ehhez szükséges képfeldolgozási algoritmus a SmartCamera processzorában fut.


Identifikáció modellillesztéssel


Forráskód betekintés és videó


Áramlásszenzor szabályzása

A szakasz időállandója kb. 50 ms, így a szabályozó megvalósítási platformja a modult vezérlő mikrokontroller. Így megoldható a ~1 ms szabályozási köridő.


Áramlásszenzor


Áramlásszenzor szabályzása Identifikáció szimulációval


Áramlásszenzor szabályzása Nagysebességű szabályozás mikrokontrollerel, adaptív paraméterállítás LabVIEW-ből

Megvalósítási platform


ZH

Időmultiplexált érzékelés és beavatkozás


Időmultiplexált érzékelés és beavatkozás


Áramlásszenzor karakterisztika




Nyomástranziens korrekció


Nyomástranziens korrekció Adatgyűjtés nagyfelbontású A/D-vel cRIO-n keresztül Megvalósítási platform


ZH

Nyomástranziens korrekció Identifikáció méréssel

A szakasz időállandója kb. 8 sec, így a szabályozó megvalósítási platformja a PC-s LabVIEW vezérlő, illetve abban megvalósított PID szabályozó. A szabályozó körideje kb. 200 msec.


A szabályozó működése




ZH példa

ZH

Egy mini - klímakamra vezérlőjét készíti el. A kamra időállandója 120 sec, a hőmérsékletmérést 0.05 oC pontossággal valósítják meg egy műveleti erősítővel A=500 erősítés mellett. A kamra 300 W-os, 24V-os fűtése egy relével ki-be kapcsolható. A vezérlő egy PC-s mérésvezérlő rendszerre csatlakozik, ahol a célhőmérséklet beállítható. a) Rajzolja fel a berendezés rendszertervét. b) Adjon javaslatot a rendszer tápellátásának kialakítására. c) Az időzítési kritériumok figyelembevételével adjon javaslatot a szabályozó megvalósítási platformjára és jelölje a rendszerterven.


Összetett mérési rendszer tervezése

Recommend Documents