GRUNDLAGEN EMBEDDED: Einführung in NI LabVIEW

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1 S e i t e 1 GRUNDLAGEN EMBEDDED: Einführung in NI LabVIEW FPGA Jan Kniewasser Academic Relations Central Europe National Instruments 29. Oktober 2010

2 S e i t e 2 INHALTSVERZEICHNIS Wann wird die FPGA-Technologie interessant?. Fehler! Textmarke nicht definiert. LHC (Teilchenbeschleuniger) am CERN... 5 Hardware trifft Software... 6 Einfaches FPGA-Beispiel... 7 Wie funktioniert LabVIEW FPGA? Funktionsumfang von LabVIEW FPGA LabVIEW FPGA vs. VHDL? NI Digital Electronics FPGA Board NI-RIO-Plattform Rekonfigurierbare I/O NI-CompactRIO-System I/O-Module der C-Serie Hochgeschwindigkeitsregelung Intelligente Datenerfassung Digitale Kommunikationsprotokolle... 28

3 S e i t e 3 Die FPGA-Technologie (Field-Programmable Gate Array) erschließt immer neue Anwendungsgebiete. Seit Xilinx im Jahre 1984 die ersten FPGAs auf den Markt brachte, hat sich die Technologie von einfachen Schnittstellenchips stetig weiterentwickelt, so dass moderne FPGAs als Ersatz für benutzerdefinierte ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) und Prozessoren in Signalverarbeitungs-, Steuer- und Regelanwendungen genutzt werden. Der branchenübergreifende Einsatz von FPGA-Chips erklärt sich zudem aus dem Umstand, dasss FPGAs die besten Eigenschaften von ASICs und prozessorgestützten Systemen vereinen. Im Gegensatz zu ASICs bieten FPGAs viele Vorteile. Hier ein Überblick über die fünf entscheidenden Vorteile der FPGA-Technologie: Leistungsfähigkeit FPGAs nutzen Hardwareparallelität und die I/O-Steuerung auf Hardwareebene verkürzt nicht nur Reaktionszeiten, sondern ermöglicht auch spezielle Funktionen, die genau den Anwendungsanforderungen entsprechen. Kürzere Markteinführungszeiten Die FPGA-Technologie bietet Flexibilitätt und die notwendigen Funktionen für eine schnelle Prototypenerstellung. Dies ist besonders wichtig vor dem Hintergrund einer schnellen Markteinführung. Mithilfe von FPGAs können Ideen und Konzepte getestet und anschließend in Hardware überprüft werden, ohne dass ein langer Entwicklungs- und Fertigungsprozess wie bei ASICs notwendig wäre.

4 S e i t e 4 Kosten Die Kosten für benutzerdefiniertes ASIC-Design übersteigen bei weitem die Kosten für FPGAbasierte Lösungen. Die hohen Anschaffungskosten für ASICs rechnen sich für OEMs, die pro Jahr tausende von Chips ausliefern, jedoch weniger für Anwender, die benutzerdefinierte Hardwarefunktionen für eine geringere Anzahl von Systemen benötigen. Zuverlässigkeit FPGAs benötigen kein Betriebssystem und sorgen somit für mehr Zuverlässigkeit, da sie über wirkliche parallele Ausführung verfügen und jeden Task einem bestimmten Teil in der Hardwareschaltung zuordnen. Langzeiteinsatz Wie bereits erwähnt, können FPGA-Chips ohne großen Kosten- oder Zeitaufwand verändert werden. Bei digitalen Kommunikationsprotokollen können sich über die Jahre Spezifikationen verändern, was bei ASIC-basierten Systemen aufwendige Wartung sowie Aufwärtskompatibilität erfordert. Da FPGA-Chips rekonfigurierbar sind, können sie problemlos modifiziert werden, um auch zukünftigen Anwendungsanforderungen zu entsprechen.

5 S e i t e 5 Der Large Hadron Collider (LHC), der einen Umfang von 27 km hat und 150 m unter der Erde liegt, ist in der Lage, Teilchenstrahlen frontal kollidieren zu lassen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Die Aufgabe: Zuverlässige und präzise Echtzeitmessung und -steuerung der Position von Hauptkomponenten zur Absorption energiegeladener Teilchen aus dem nominalen Kern des Strahls im leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt Die Lösung mit NI-Komponenten: Einsatz von LabVIEW, dem LabVIEW Real-Time Module, dem LabVIEW FPGA Module und der Software NI SoftMotion mit rekonfigurierbarer I/O-Hardware der R-Serie von NI für PXI zur Entwicklung eines FPGA-basierten Motorsteuerungssystems, das in der Lage ist, fehlgeleitete oder instabile Teilchenstrahlen abzufangen Wir haben uns für eine Plattform mit LabVIEW und PXI entschieden, da sie kleiner, robuster und kostengünstiger ist als das traditionelle Modell mit VME und SPSen.

6 S e i t e 6 Bei der Entwicklung von Messsystemen steht man oft vor der Herausforderung, fix vorgegebene Hardwarearchitekturen durch entsprechende Softwarekomponenten möglichst flexibel und modular zu gestalten. Änderungen lassen sich umso einfacher vornehmen, wenn ein möglichst großer Anteil der Funktionalität in Software realisiert ist. Allerdings begrenzt meist die Messhardware die Flexibilität des Gesamtsystems. Dem gegenüber steht die kosten- und zeitintensive Entwicklung eines ASICs, der genau eine spezielle Aufgabe erledigt, anschließend aber nicht mehr geändert werden kann. Die beste Synthese aus Hardware und Software lässt sich derzeit mit FPGAs erzielen. Diese Chips erlauben es dem Anwender, seine programmierte Software unmittelbar in Hardware abzubilden. Dabei werden die einzelnen Operationen direkt in Logikgatter umgesetzt, wodurch die Leistungsfähigkeit eines ASICs erreicht wird. Müssen anschließend noch Änderungen am Design vorgenommen werden, so geschieht dies rein in Software, so dass höchste Flexibilität zur Verfügung steht.

7 S e i t e 7 FPGA steht für Field-Programmable Gate Array. Dieser Chip ist ein Halbleiterbaustein, der aus einer Vielzahl an Logikblöcken besteht, die wiederum programmierbare Logikgatter beinhalten. Die Funktionalität wird durch die so genannte Wiring List festgelegt, die in Software zu erstellen ist. Der Code wird anschließend kompiliert und auf den FPGA gespielt, wobei die Wiring List vorgibt, wie die einzelnen Logikgatter zu verbinden sind. Dies geschieht dynamisch durch Halbleiterschalter, die zuoder abgeschaltet werden können, um Verbindungen zu realisieren. FPGAs werden meist für Kleinserien verwendet, die den Aufwand und die Kosten für eine ASICdie häufige Änderungen Entwicklung nicht rechtfertigen. FPGAs sind besonders geeignet für Designs, oder Upgrades zwingend erfordern. Ingenieure nutzen die FPGA-Technologie, um Prototypen für spezielle ICs oder kompakte, skalierbare Hardwarelösungen zu erstellen. Durch diese Eigenschaften bietet der FPGA eine flexible Plattform für das Testen und Prüfen beliebiger Hardware. Der große Vorteil der FPGA-Technologie liegt darin, dass die Funktion der Hardware schnell durch Änderungen der Software an individuelle Anwendungen angepasst werden kann. Im Gegensatz zu Mikrocontrollern, die über eine festgelegte Architektur verfügen und lediglich Software ausführen, wird auf FPGAs unmittelbar die Hardware programmiert, um die entsprechenden Funktionen zu ermöglichen.

8 S e i t e 8 Als einfaches Beispiel dient hier folgende logische Verknüpfung: F = [(A OR B) AND C AND D] XOR E Diese Logik muss nun durch entsprechende Software in den FPGA geladen werden. Der Code wird anschließend interpretiert, wodurch die Logikblöcke in die jeweiligen Gatter (AND, OR, XOR) überführt werden. Des Weiteren werden die Ein- und Ausgänge mit Speicherzellen verknüpft, um die gewünschte Funktonalität zu implementieren. Mit dem LabVIEW FPGA Module lässt sich die angegebene Funktionalität denkbar einfach grafisch programmieren und auf dem FPGA zur Ausführung bringen.

9 S e i t e 9 Ein weiterer Vorteil ist die große Anzahl der Pfade, die auf einem FPGA zur Verfügung stehen, wodurch echte parallele Operationen möglich sind. So kann beispielsweise eine zusätzliche Formel integriert werden, um Aufgaben effektiver zu erledigen. Unter LabVIEW FPGA wird dazu lediglich ein weiterer, paralleler Formelzweig eingefügt.

10 S e i t e 10 Das LabVIEW FPGA Module erzeugt aus dem grafischen Code mittels integrierter Toolchain von Xilinx textbasierten VHDL-Code. Anschließend wird der Code kompiliert und das daraus resultierende so genannte Bitfile auf den FPGA übertragen und zur Ausführung gebracht.

11 S e i t e 11 Das NI LabVIEW FPGA Module bietet eine einfache Möglichkeit, FPGAs für anwenderdefiniert zu programmieren. automatisierte Abläufe Darüber hinaus stehen eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen und Werkzeuge für Steuer-, Regelund Verarbeitungsaufgaben bereit, die bei der Entwicklung und Markteinführung neuer Produkte schneller zum Ziel führen. Die meisten Funktionen befinden sich unmittelbar in der LabVIEW-FPGAdigitale und numerische Palette, wie beispielsweise I/O-Knoten, diskrete PID für analoge Regelung, Komparatoren und vieles mehr. Erweiterte Funktionen für Motorregelung und digitales Filterdesign werden mit den Add-ons NI SoftMotion Development Module und dem NI Digital Filter Design Toolkit installiert.

12 S e i t e 12 Anstelle einer Vielzahl von Seiten, die VHDL-Code enthalten, wird mit der grafischen Programmiersprache LabVIEW ein Blockdiagramm erstellt. Dies bringt eine erhebliche Zeiteinsparung bei der Implementierung des Codes für den FPGA.

13 S e i t e 13 Das neue NI-Digitalelektronik-FPGA-Board eignet sich hervorragend für die Vermittlung von Konzepten aus dem Bereich digitale Elektronik und digitales Design. Das neue Add-on-Board für NI ELVIS II und NI ELVIS II+, das über einen integrierten FPGA (Field-Programmable Gate Array) verfügt und mittels NI LabVIEW, LabVIEW FPGA und Xilinx-ISE-Werkzeugen programmiert werden kann, unterstützt Lehrende dabei, grundlegende und fortgeschrittene Konzepte der digitalen Elektronik zu unterrichten. Durch NI ELVIS II und ELVIS II+ (NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite) steht Lehrenden und Studierenden eine Vielzahl von Messgeräten, die in einer Plattform integriert sind, zur Verfügung, um so im Labor Messungen an realen Signalen vornehmen zu können.

14 S e i t e 14 Außerdem stehen bereits vorbereitete Lehrpläne mit LabVIEW und Verilog sowie Beispiele, technische Dokumentation und Antworten auf häufig gestellte Fragen zur Verfügung. Anwender können sich Webcasts anschauen, die zeigen, wie das Board mit LabVIEW und den Xilinx-ISE-Werkzeugen programmiert wird, und eine interaktive Tour zum Umgang mit der NI-ELVIS-Plattform einsehen.

15 S e i t e 15 National Instruments bietet vielfältige kommerzielle Standardhardware, die eine gemeinsame rekonfigurierbare I/O-Architektur (RIO) hat. Diese Architektur umfasst einen Echtzeitprozessor, einen FPGA (Field-Programmable Gate Array) und eine Vielzahl von Ein- und Ausgängen (Input/Output, I/O), darunter Analog-, Digital-, Steuerungs- und Kommunikations-I/O. Wird diese Standardarchitektur zusammen mit den grafischen Entwicklungswerkzeugen von NI LabVIEW eingesetzt, sind Anwender in der Lage, mithilfe flexibler, leistungsfähiger Hardware zügig Embedded-Systeme sowie Maschinen für die industrielle Überwachung, Steuerung und Regelung zu entwerfen und Prototypen davon zu erstellen. Dank der Möglichkeit Programmcode vollständig wiederzuverwenden, kann ein Prototyp schnell in ein kostenoptimiertes Serienprodukt verwandelt werden. Dabei wird dieselbe Hardwarearchitektur verwendet, um Kosten zu senkenn und die Markteinführungszeit zu verringern.

16 S e i t e 16 NI CompactRIO ist eine der am schnellsten wachsenden PAC-Plattformen auf dem Markt und unterscheidet sich von anderen PAC-Plattformen durch den integrierten FPGA. Sie ist extrem robust und eignet sich für Betriebstemperaturbereiche von -40 bis 70 Grad Celsius, Stöße bis 50 g und Schwingungen bis 5 g.

17 S e i t e 17 Das Herzstück der CompactRIO-Plattforund Flexibilität gewährleistet. Der FPGA wird an die I/O-Module angebunden, die die Schnittstelle nach ist der FPGA, der ein hohes Maß an Zuverlässigkeit, Leistung außen darstellen. Wie Sie im Schaubild sehen können, umfassen die I/O-Module integrierte Signalkonditionierung für einee direkte Anbindung an Industriesensoren und -aktoren, Motoren, Antriebe, Näherungsschalter sowie hydraulische und pneumatische Systeme. NI bietet I/O-Module mit Abtastraten bis zu 800 ks/s und bis zu 24-bit-A/D-Wandlung. Diese Architektur wird von einem Prozessor abgerundet, der ein Echtzeitbetriebssystem ausführt und somit für die leistungsstarken Mess-, Analyse-, Steuer- und Regelfunktionen sorgt, die Sie von einem PC erwarten. Diese Architektur wird eingesetzt, um sowohl Mess- als auch Steuer- und Regelfunktionen in eine Plattform zu integrieren, was zu wesentlichen Zeit- und Kosteneinsparungenn führt.

18 S e i t e 18 Das LabVIEW Real-Time Module ermöglicht mit dem CompactRIO Scan Mode über I/O-Variablen den direkten Zugriff auf Module der C-Serie und ihre Kanäle. Der CompactRIO Scan Mode wird durch zwei Technologien ermöglicht: NI Scan Engine und RIO Scan Interface. Bei letzterem handelt es sich um ein Set von FPGA-IP (Intellectual Property) von National Instruments, das auf den CompactRIO-FPGA heruntergeladen wird und für Erkennung, Timing, Synchronisation und Kommunikation von I/O- Scan-Schleife aus, die Modulen verantwortlich ist. Das RIO Scan Interface führt eine hardwaregetaktete die physikalischen I/O-Werte aktualisiert. Zwei DMA-Kanäle werden für den Transport von I/O-Daten zwischen FPGA und Echtzeitbetriebssystem verwendet. Mit dem Scan Mode können Abtastraten bis zu 1 khz erzielt werden. Dabei ist es nicht nötig, den FPGA des CompactRIO-Systems zu programmieren, da der integrierte FPGA über das LabVIEW FPGA Module direkt programmiert werden kann. Das LabVIEW- Technologie lassen FPGA-VI wird nach der Kompilierung als Bitfile auf dem FPGA ausgeführt. Mit dieser sich anwenderdefinierte Triggerung, hardwarebasierte Analysen und Signalverarbeitung, Regelungen im 100-kHz-Bereich oder Hochgeschwindigkeits-Analog-Streaming implementieren. Die Kommunikation zwischen dem Real-Time-Controller und dem FPGA wird über eine FPGA-Host-Schnittstelle auf einem oder mehreren Modulen eingesetzt, wird die Logik des ermöglicht. Wird der LabVIEW-FPGA-Modus CompactRIO Scan Mode, genannt RIO Scan Interface, mit dem LabVIEW-FPGA-V in eine einzelne FPGAkonfiguriert wird, ist die Anwendung kompiliert. Wenn kein Modul für die Verwendung des Scan-Modus RIO Scan Interface nicht in der Kompilation integriert.

19 S e i t e 19 Mit Modulen der C-Serie stehen eine Reihe unterschiedlicher I/O-Module für CompactRIO zur Verfügung, u. a. Spannungs-, Strom-, Thermoelement-, RTD-, Beschleunigungsmesser- und Dehnungsmessstreifeneingänge, simultan abgetastete Analog-I/O mit bis zu ±60 V, Industrie-Digital-I/O mit 12, 24 oder 48 V, Digital-I/O mit 5 V/TTL sowie Counter/Timer, Module zur Impulserzeugung und Relais für hohe Spannungen und Stromstärken. Da die Module über integrierte Signalkonditionierungsfunktionen für erweiterte Spannungsbereiche oder Industriesignale verfügen, können sie direkt an Sensoren und Aktoren angeschlossen werden.

20 S e i t e 20 Als erstes typisches Anwendungsgebiet dient hier die Hochgeschwindigkeitsregelung. Dabei bezieht sich die Geschwindigkeit in diesem Fall auf die möglichen Zykluszeiten, die mit einem RIO-System erreicht werden. Das LabVIEW FPGA Module beinhaltet bereits wichtige IP (Intellectual Property) für PIDmit PID-Regelung sowie Regelung und Filterung. Das dargestellte Beispiel zeigt eine While-Schleife Tiefpass- und Sperrfilter, um mechanische Resonanzen zu unterdrücken. Werden diese Funktionen mit analogen Ein-/Ausgangsknoten verbunden, steht ein zuverlässiges, rekonfigurierbares Regelungssystem mit Zyklusraten bis zu 200 khz zur Verfügung.

21 S e i t e 21 Im Bereich der intelligenten Datenerfassung lassen sich zahlreiche Aufgaben bewältigen, die mit Standarddatenerfassungshardware nicht lösbar sind, zum Beispiel simultane, benutzerspezifische, analoge I/O oder unterschiedliche Triggerschwellen für mehrere Kanäle.

22 S e i t e 22 Mit FPGA-basierter intelligenter Datenerfassung lassen sich unterschiedliche Abtastraten für einzelne Kanäle festlegen. Dazu müssen nur mehrere parallele Sequenzen aus analogen Eingängen mit unterschiedlichen Timern implementiert werden.

23 S e i t e 23 FPGAs ermöglichen es außerdem, eine große Anzahl an Countern/Zählern zu erstellen oder benutzerdefinierte Counter/Zähler zu entwickeln, die beispielsweise nur jedes dritte Ereignis zählen.

24 S e i t e 24 Eine weitere Möglichkeit der intelligenten Datenerfassung ist die Implementierung absolut deterministischer Taktgeber mittels FPGA-Technologie. Eine solche Impulsfolge am Ausgang kann ganz einfach mit einer Schleife, einem Schieberegister, einem Negierer und einem digitalen Ausgang erzeugt werden. Auch eine PWM (Pulsweitenmodulation) lässt sich ganz einfach mit einer Sequenz und zwei Timern realisieren.

25 S e i t e 25 Das oben dargestellte Beispiel zeigt die Möglichkeit des benutzerdefinierten Timings und der Synchronisierung. So wird hier der Flankenwechsel eines digitalen Eingangs genutzt, um die darauf folgende Regelschleife zu starten. Der untere Teil der Abbildung veranschaulicht, wie so genannte Intellectual Property auf einem FPGA eingebunden werden kann. Hier werden die Werte eines analogen Eingangs einer Fensterung und einer FFT unterzogen, um die Ergebnisse in Real- und Imaginärteil anschließend an das Hostsystem zu übertragen.

26 S e i t e 26 Der springende Punkt bei all diesen Code-Teilen ist, dass die Logik in LabVIEW definiert, aber in Hardware implementiert wird. Dies entspricht in etwa einem speziellen Datenerfassungs-Task für eigens entwickelte Hardware. Darüber hinaus lassen sich alle auf den vorherigen Seiten dargestellten Code-Stücke in einem Blockdiagramm vereinen, so dass mehrere, vollkommen unterschiedliche Aufgaben durch ein und dasselbe FPGA-basierte System erledigt werden können.

27 S e i t e 27 Ein dritter Themenschwerpunkt für FPGA-basierte Systeme ist das Design, die Implementierung und das Testen digitaler Kommunikationsprotokolle. Das können unter anderen standardisierte Protokolle wie I²C, SPI, RS-232 oder auch beliebige proprietäre Protokolle sein.