Neue DSP-Hard- und Softwarelösungen für den Einsatz in Mehrkoordinaten- Nanomess- und Positioniersystemen

Transkript

1 Neue DSP-Hard- und Softwarelösungen für den Einsatz in Mehrkoordinaten- Nanomess- und Positioniersystemen Christian Uhle, Bernd Däne, Todor Vangelov, Wolfgang Fengler TU Ilmenau, Fachgebiet Rechnerarchitekturen

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Gestaltung der Hardware 3. Gestaltung der Software 4. Ergebnisse 5. Ausblick 2

3 1. Einleitung Nanomess- und Positioniersysteme: Einrichtungen zur schnellen Positionierung und Positionsbestimmung mit Auflösungen im Nanometerbereich Anwendungsbeispiele: Bearbeitungs- und Messaufgaben in der Mikrosystemtechnik Atomkraftmikroskope 3

4 Aufbau eines Atomkraftmikroskopes: Demonstrator aus dem Fachgebiet Prozessmesstechnik der TU Ilmenau 4

5 Funktionsweise Interferenzoptische Positionsmessung in drei Achsen Lageregelung in geschlossenen Regelkreisen Sehr schnelle Messwertfilterung und Reglerberechnung durch eingebettetes Rechnersystem 5

6 Signalfluss im Gesamtsystem Sensoren Regelstrecke Antriebe Optomechanisches System Sensorsignal- Auswertung Regler- Algorithmen Messwertfilterung und -formatierung Ausgabe Rechnerteil 6

7 2. Gestaltung der Hardware Sehr schneller RISC-Signalprozessor mit VLIW- Architektur: TMS320-C6701 (Texas Instruments) Verwendung eines industriellen Kompaktmoduls mit Prozessor, Randelektronik und Speicher Experimentalaufbau zur Entwicklung von Funktionen wie Messwerterfassung und Hostkommunikation ohne Verfügbarkeit des Gesamtsystems 7

8 Blockschaltbild des Experimentalaufbaus Stromversorgung USB- Interface Bedientasten LED- Anzeige Reset DSP-Modul: Prozessor TMS320C6701, integrierte Peripherie, Speicher und Randelektronik Serielles Interface A/D-Wandler D/A-Wandler Inkrementalinterface 8

9 3. Gestaltung der Software Eigenes Echtzeitbetriebssystem ertos Applikationstasks für Digitalfilter, Host-Kommunikation, Ablauforganisation usw. Spezielle Optimierung zeitkritischer Teile Modulare Erweiterbarkeit und Modifizierbarkeit 9

10 Grundanforderungen an das Echtzeitbetriebssystem ertos Modularität Beschränkung auf wirklich benötigte Funktionen (z.b. Tasksteuerung, Synchronisation, Nachrichtensystem) Schlankes Applikationsinterface Spezielle Unterstützung für Tasks, die in einem festen Zyklus laufen müssen Geringer Ressourcenverbrauch unter Beachtung der Eigenheiten des verwendeten Prozessors Kompromiss von Funktion zu Ressourcenbedarf 10

11 Zwei Typen von Tasks ktask (kooperierend) nktask (nicht kooperierend) Start in festen Intervallen preemptives Scheduling keine Preemption Start bei: konstanter Zeitbedarf bevorrechtigt z.b. für Filteralgorithmen Tick Ende einer ktask Suspendierung einer nktask z.b. für Bedien- und Kommunikationsvorgänge 11

12 Beispiel für das Scheduling der Tasks TICK ktask 0 (0;6) ktask 1 (2;3) ktask 2 (3;6) nktask 0 nktask 1 12

13 Struktur des Echtzeitbetriebssystems ertos Scheduler TCB (k) 1...n Timer-Interrupt Zeitüberwachung Pseudotick 1 Pseudotick n k-task 1 k-task n Sonstige Interrupts IST Tick nk - Task - Verwaltung Tick - Anzahl TCB (nk) 1...m nk-task 1 nk-task m Message- System ISR1 ISRn 13

14 4. Ergebnisse Aktueller Entwicklungsstand: Erste Version fertiggestellt Untersuchungen zu Performance und Stabilität Vorbereitung der nächsten Versionen Kernpunkte: Einfluss des Betriebssystems auf die Performance der Filter- und Reglerfunktionen Testweise Einbindung unterschiedlicher E/A-Funktionen und sonstiger Zusatzfunktionen 14

15 Umschaltzeiten in Abhängigkeit von der Anzahl der Tasks (gemessen) 3,5 Umschaltzeit (µs) 3 2,5 2 1,5 ohne Optimierung mit Optimierung Taktfrequenz:167 MHz Anzahl der nktasks 15

16 Spezielle Erkenntnisse Flexibilität schluckt Ressourcen. Tick-Länge nicht kürzer als nötig einstellen. E/A-Funktionen kosten Zeit. Verbesserung durch: Blockbildung DMA-Benutzung Speicher-Mapping muss geplant werden. Handoptimierung ist stellenweise unverzichtbar. 16

17 5. Ausblick Weiterführung als Kooperationsthema (gefördert vom Land Thüringen) Stärkere Einbeziehung formaler Entwurfs- und Testverfahren Weiterentwicklung bezüglich Messgenauigkeit und Dynamik Nutzung von Ergebnissen auch für verwandte Projekte 17