TUeDACS: Een universeel data acquisitie & control platform voor educatieve doeleinden en laboratorium en proces automatisering 1. Inleiding 1.1
Geschiedenis
In 1978 werd, in de toenmalige vakgroep Deeltjesfysica, de eerste aanzet gegeven tot de ontwikkelingen van een meet-, verwerkings- en besturingssysteem, dat uitgegroeid is tot het bekende PhyDAS (Physics Data Acquisition System). Al spoedig bleek het systeem zodanig aan te slaan dat het binnen enkele jaren in vrijwel de gehele faculteit werd toegepast. Intussen wordt PhyDAS op de gehele TU/e gebruikt. De naam is daarom dan ook enkele jaren geleden veranderd in TUeDACS (Technische Universiteit Eindhoven Data Acquisition and Control System). Dat het systeem nog steeds populair is, komt mede omdat er binnen TUeDACS een scheiding is aangebracht tussen het meet- en besturingsgedeelte enerzijds en het computergedeelte anderzijds. Het meet- en besturingsgedeelte blijkt in praktijk veel minder gevoelig te zijn voor de stormachtige ontwikkelingen zoals die op het gebied van computers en software gaande zijn. In 1978 werd de LSI-11 DEC computer gebruikt. In 1982 werd overgeschakeld naar een eigen ontwikkelde MicroGiant, een computer op basis van de Motorola chip M68000 in een VME-bus. In 1989 werd de MicroGiant opgevolgd door een eigen ontwikkeling, de MPS030, op basis van de Motorola chip M68030. Door de komst van de PC zijn de eigen ontwikkelingen van computers gestopt, vooral door de grafische faciliteiten die de PC kan bieden. Doordat TUeDACS computer-onafhankelijk is, hoeft niet het gehele systeem te worden aangepast wanneer het computergedeelte op het niveau van de huidige (computer)-techniek wordt gebracht, maar hooguit alleen een interface aan de kant van de computer en een interface voor de koppeling met TUeDACS. Toen de Technische Universiteit Eindhoven in 1997 startte met het notebookproject, waarbij alle studenten een notebook bij aanvang van hun studie krijgen, is BLN (Bedrijfsgroep Laboratorium-automatisering) daarop ingesprongen. BLN maakte al vele jaren data-acquisitie apparatuur. Met de komst van het notebook, heeft BLN een seriële koppeling ontwikkeld om TUeDACS met het notebook te verbinden. Iedere student kan nu de metingen uitvoeren met zijn/haar eigen notebook en de meetgegevens thuis verwerken. Om dit alles mogelijk te maken is een insteekkaart ontwikkeld, die in het PCMCIA-slot van het notebook wordt geschoven. Er is door BLN ook speciaal voor het notebookproject een protocol ontwikkeld voor een 20Mbit/s seriële verbinding met TUeDACS.
TUeDACS
www.tuedacs.nl
[email protected]
1.2
Bedrijfsgroep Laboratorium-automatisering BLN
TUeDACS wordt al lange tijd ontwikkeld en geproduceerd door de Bedrijfsgroep Laboratorium-automatisering (BLN), die stevig verankerd is in de faculteit Technische Natuurkunde. BLN is een zelfstandig werkende groep binnen de faculteit Technische Natuurkunde en houdt zich vooral bezig met de ontwikkeling van hardware en software voor real-time data-acquisitie en experimentbesturing. Verder levert BLN op projectbasis technische ondersteuning op dit gebied aan alle experimentele groepen die dat wensen. Door de eigen ontwikkelingen in de afgelopen 25 jaar, zowel in de hardware als in de software, heeft BLN een aanzienlijke vakkennis (knowhow) opgebouwd. BLN werkt nauw samen met vele capaciteitsgroepen. Daarom is in 2000 een Wetenschappelijke Advies Raad (WAR) ingesteld, waarin alle experimentele capaciteitsgroepen zijn vertegenwoordigd. De inspiratie op het gebied van laboratoriumautomatisering in de groepen en de interactie met de WAR, vormen doorlopend een voedingsbron voor nieuwe ontwikkelingen binnen BLN. Dit is een waarborg voor kwaliteit en het aandragen van geavanceerde oplossingen op het gebied van dataverwerving en -verwerking. BLN telt vier technische medewerkers. Dat BLN met zo’n kleine groep zoveel automatiseringswerk kan verrichten, is vooral te danken aan de professionele aanpak en het in de groep ontwikkelde TUeDACS-concept. De groep werkt projectmatig en gestructureerd in de trant van de ISO9001. Alvorens een project te realiseren, wordt met wederzijdse terugkoppeling tussen de gebruiker en opdrachtgever een ontwerpoverweging geschreven. Hardware-interfaces en software worden volgens een uitgedacht concept ontworpen. De regels en afspraken binnen de groep voldoen aan vastgelegde normen. De laatste technologische ontwikkelingen worden toegepast. Vanaf 1978 tot 1997 heeft BLN het ontwerpen van placements en het routen van printen uitbesteed aan externe bedrijven. Sinds 1997 is het echter mogelijk, door een eenmalige aanschaf van enkele professionele softwarepakketten, in eigen beheer de printlayouten te ontwerpen en te routen. De printen zijn veelal multi-layers, in de regel 6 tot 10 lagen, en complex van aard. De produktie en assemblage van printen worden door speciale externe bedrijven uitgevoerd. De ontwikkelde hardware en software wordt, alvorens uitgeleverd te worden aan de gebruikers, uitvoerig getest. Hierdoor kan de zogenaamde ‘after sales’ support tot een minimum beperkt worden.
TUeDACS
www.tuedacs.nl
[email protected]
1.3
Mogelijkheden van TUeDACS
Real-time data-acquisitie bij fysische experimenten is niet meer denkbaar zonder computerbesturing. In een ideaal systeem moet zowel de hardware als de software aan alle eisen van het experiment voldoen. Naast geavanceerde meetinterfaces zijn meestal koppelingen noodzakelijk voor een aantal elementaire acties, zoals bijvoorbeeld het uitlezen en het sturen van analoge spanningen, het tellen van pulsen, het meten en regelen, experimentbesturing en monitoring. Een opstelling wordt al snel complex en ter voorkoming van ad hoc oplossingen, verdient het aanbeveling te streven naar een compleet concept. TUeDACS biedt een goede oplossing voor een compleet real-time data-acquisitie en besturingssysteem. TUeDACS is een ‘embedded system’ dat bestaat uit een combinatie van hardware en software, die moet functioneren in een door de omgeving voorgeschreven context (communicatie, tijdeisen). Ten behoeve van TUeDACS is een groot scala aan interfaces beschikbaar, van eenvoudige tot geavanceerde meetinterfaces. Automatiseringsaspecten mogen de aandacht echter niet afleiden van het fysisch onderzoek/experiment. Het gebruik van een data-acquisitie systeem dient het experimenteren te vergemakkelijken en zeker niet te bemoeilijken. Uit praktijkervaring is gebleken dat bij het gebruik van commerciële totaalsystemen in het algemeen een grondige specifieke leverancierskennis van hardware- en softwaregebruik nodig is. In dit verband is het van belang om op te merken dat de integratie van ‘standaard’ commerciële interfaces en instrumenten in een goed werkend totaalsysteem vaak meer tijd en aandacht blijkt te vragen dan oorspronkelijk werd aangenomen. Verder is het belangrijk om erop bedacht te zijn dat eventuele uitbreidingen van het systeem moeten passen in het automatiseringsconcept dat in het begin gekozen is. De ervaring heeft geleerd dat het gebruik van TUeDACS, inclusief aanwezige knowhow, de studenten en de medewerkers behoedt voor onnodige inspanningen aan minder algemeen bruikbare oplossingen, zoals bijvoorbeeld insteekkaarten voor de PC. TUeDACS is een ‘maatkostuum’ en de modulen kunnen op klantspecificatie ontworpen worden. BLN heeft in eigen beheer veel hardware en software ontwikkeld. Onderzoek heeft geleid tot de ontwikkeling van geavanceerde interfaces zoals bijvoorbeeld de: - ASR (Analog Signal Recorder) - ASG (Analog Signal Generator) - PPG (Programmable Puls Generator) - MPM (Multi Purpose Memory) met DSP (Digital Signal Processor) - PARSAM (PARallel SAMpling ADC) - AMC (Advanced MultiChannel analyser) - TRC100 (100MHz Transient ReCorder) - TRC400 (400MHz Transient ReCorder)
TUeDACS
www.tuedacs.nl
[email protected]
BLN ontwerpt op klantenspecificatie. De systemen worden ook door studenten bij practica binnen de TU/e gebruikt. Dat het TUeDACS-concept breed ingezet kan worden, blijkt uit het feit dat er een geavanceerd ontwerp in de voorbereidingsfase van een ruimtevaart-project, in samenwerking met de capaciteitsgroep EPG (Elementary Processes in Gas discharges, TU/e), de GTD (Gemeenschappelijke Technische Dienst, TU/e) en Philips, is uitgevoerd. Al deze ontwikkelingen zijn door BLN gerealiseerd, zodat gebruikers in de faculteit en ook daarbuiten hiervan kunnen profiteren. Voortdurend wordt echter ook naar de ontwikkelingen op de markt gekeken. Het beleid van BLN wordt bijgesteld als de markt bruikbare en betaalbare produkten kan leveren die aansluiten bij de wensen en eisen van de experimentatoren in de faculteit. BLN verzorgt dan de volledige integratie van deze commerciële produkten in de bestaande laboratorium-automatisering. Hardwarevoorbeelden hiervan zijn de koppelingen van de VME, PCI, PCMCIA, de IEEE-488 en de RS232-interface met TUeDACS; softwarevoorbeelden zijn de commerciële pakketten LabWindows en VxWorks als gevolg van omschakeling van de MPS030/VME (computer) naar PCI. De ontwikkelingen rond EPEP en PEP030, zijn daardoor beëindigd. Wel zijn er nog steeds enkele opstellingen in de faculteit die nog draaien onder EPEP en PEP030. EPEP en PEP030 zijn een PASCAL-achtige taal, ontwikkeld op de TU/e. Er is, zoals eerder vermeld, bewust gekozen voor een scheiding tussen het acquisitieen besturingsgedeelte enerzijds en het computergedeelte anderzijds. TUeDACS is daardoor een computeronafhankelijk systeem dat kan meegroeien met de snelle computerontwikkelingen. Bij een groot aantal experimenten wordt, door de vooruitgaande technische mogelijkheden bij real-time data-acquisitie, de dataflow zodanig groot dat er gebruik moet worden gemaakt van de nieuwste technieken om deze toenemende dataflow aan te kunnen. Door één of meer Digital Signal Processoren (DSP’s) in het front-end (d.w.z. daar waar de signalen binnen komen op de interface en gedigitaliseerd worden) van TUeDACS op te nemen, is het mogelijk om naast de real-time dataverwerving ook realtime dataverwerking toe te passen. TUeDACS heeft een ruime keuze uit diverse typen interfaces. De printen van TUeDACS hebben het Eurokaart-formaat en zijn standaard uitgevoerd als multi-layer. Multi-layers zijn van essentieel belang voor de betrouwbaarheid van de interfaces. Alle interfaces worden uitgevoerd in de zogenaamde SMD (Surface Mount Device) technologie. Alle controle- en besturingsschakelingen zijn uitsluitend toegepast in programmeerbare logica (EPLD’s). TUeDACS is volledig aangepast aan de techniek van deze tijd. De prijs van TUeDACS is door al deze vernieuwingen flink omlaag gegaan.
TUeDACS
www.tuedacs.nl
[email protected]
TUeDACS is momenteel in 3 verschillende vormen uitgevoerd: *
TUeDACS/6: Een ‘state-of-the-art’, modulair acquisitie systeem dat de capaciteit heeft om complexe experimenten te besturen en metingen te verrichten. De interfaces zijn geïnstalleerd in een systeemkast. TUeDACS/6-interfaces kunnen ook gecombineerd worden met TUeDACS/3-interfaces. De TUeDACS/6-range bevat onder andere wave-generators, DSP’s, multichannel analysers en transient recorders.
*
TUeDACS/3: Een geavanceerd, modulair acquisitie systeem dat voor de meeste experimentele opstellingen geschikt is. Het wordt op gebruikersspecificatie geconfigureerd. Het TUeDACS/3 systeem bevat onder andere timers, counters, analoge en digitale I/O interfaces, stappenmotor controllers en IEEE-488 controllers. De interfaces zijn geïnstalleerd in een systeemkast (ook verkrijgbaar in halve breedte). Dit maakt het makkelijk om voor elk experiment zijn eigen specifieke samenstelling te gebruiken. Het brede scala van beschikbare interfaces en zijn modulaire concept maakt het systeem breed inzetbaar.
TUeDACS
www.tuedacs.nl
[email protected]
*
TUeDACS/1: Compacte stand-alone acquisitie- en controle-units. Het TUeDACS/1 acquisitie systeem is in staat om analoge en digitale signalen te verwerven en verwerken. Dit maakt het een ideaal instrument voor studenten voor hun praktijktraining. Omdat de behoeften voor elk experiment anders zijn, beschikt het TUeDACS/1 acquisitie systeem over een aantal basistaken en aanvullende functies gericht op het type experiment. De nieuwste TUeDACS/1units worden steeds geavanceerder. TUeDACS/1 wordt voornamelijk gebruikt in het onderwijs bij practica en het OGO-project (Ontwerp Gericht Onderwijs). Enkele voorbeelden van de huidige interfaces in het TUeDACS/1-systeem zijn: Quadrature Analog Digital (QAD) Advanced Quadrature analog digital Interface (AQI). x-t, x-y recorder timer/counter
Op hardware-niveau worden identieke koppelingen gebruikt voor alle TUeDACSsystemen. Eerst de (zeer snelle) parallelle koppeling, maar met de komst van TUeDACS/1 ook een (flexibelere) seriële koppeling. Alle drie de systeemtypen (TUeDACS/1, TUeDACS/3, TUeDACS/6) communiceren met de host-computer via het Serial Highway protocol. Er is maar één driver nodig voor elk operating system om met deze drie platvormen te communiceren. Dit zorgt voor een goede software compatibiliteit tussen de drie verschillende systemen. De software geschreven voor de
TUeDACS
www.tuedacs.nl
[email protected]
TUeDACS/3 kan dus ook gebruikt worden voor de TUeDACS/6. Het Serial Highway protocol is zo geïmplementeerd dat het ook bruikbaar is tussen op PCI-gebaseerde computers en TUeDACS. Een experiment kan hierdoor zowel op een PC (via PCI) als op een laptop (via PCMCIA) werken. Alle versies van het TUeDACS-systeem (TUeDACS/1, TUeDACS/3, TUeDACS/6) kunnen gebruikt worden met de huidige operating systems zoals Windows NT, Windows 2000 en Windows XP. TUeDACS-drivers voor andere operating systems kunnen op aanvraag ontwikkeld worden. De ontwikkelaar van gebruikerssoftware is vrij in de keuze van zijn ontwikkelsoftware. Hij of zij kan dus bijvoorbeeld gebruik maken van LabWindows/CVI, LabView, Microsoft Visual C++, Borland C++. Voor onder andere LabWindows/CVI bestaat een library met basisfuncties.
TUeDACS
www.tuedacs.nl
[email protected]
