Rekonfigurierbare FPGA-Hardware für. Jan Kniewasser, National Instruments Academic Relations Central Europe

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Nora Goldschmidt
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1 Rekonfigurierbare FPGA-Hardware für Echtzeitregelungen Jan Kniewasser, National Instruments Academic Relations Central Europe

2 Inhaltsverzeichnis Die LabVIEW Plattform LabVIEW Real-Time Anwendungsbereiche Was ist Echtzeit? Was ist Determinismus? Was ist Jitter? Was ist Zykluszeit? Charakteristika eines Betriebssystems LabVIEW Real-Time Entwicklungstools Programmierung Hardware Beispiele Fragen? / Diskussion Dauer: 30 Minuten

3 Die LabVIEW-Plattform Die freie Wahl des Programmierparadigmas & der Hardwareplattform Datenfluss Textbasierte Programmierung/OOP Textbasierte Mathematik Simulation Statecharts Weitere Programmierkonzepte Desktop Real-Time FPGA Mikroprozessor/DSP Vision Mobile Touchpanel Zielplattformen

Textbasierte Mathematik Simulation Statecharts Weitere

4 LabVIEW Real-Time Anwendungsbereiche Steuer- und Regelungstechnik (CONTROL): Prozessüberwachung, Regelung, Steuerung Anwendungen mit flexiblen Anbindungsmöglichkeiten Einfache und leistungsfähige Visualisierung Autonome Systeme in rauen Umgebungen

Steuerung Anwendungen mit flexiblen Anbindungsmöglichkeiten

5 Was ist Echtzeit? Echtzeit heißt nicht Aufgaben schnell abzuarbeiten Echtzeit heißt Determinismus Determinismus ist die Fähigkeit, eine Aufgabe in einer definierten Zeit abzuarbeiten = absolute Zuverlässigkeit

6 Was ist Determinismus? Von Determinismus spricht man, wenn man die Dauer eines Vorganges voraussagen kann. Beispielsweise das Ticken des Sekundenzeigers einer Uhr

7 Was ist Jitter? n Jitter = maximale Abweichung 10. Schleifenzyklus 11. Schleifenzyklus 12. Schleifenzyklus Definierte Schleifenzykluszeit t

8 Was ist Zykluszeit? Erfassen Ausgeben Berechnen

9 Charakteristika eines Betriebssystems Standard-Betriebssystem Tasks mit hoher Priorität können durch Tasks mit niedrigerer Priorität unterbrochen werden Dienste/Programme im Hintergrund: Bildschirmschoner, Virenscanner etc. Interrupts durch Peripherie: Maus, Tastatur etc. Zykluszeit Jitter Hz Nicht kritisch Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) Tasks mit hoher Priorität werden zuerst abgearbeitet (Scheduler) Direkte(r) Zugriff/Steuerung aller Tasks Stand-alone-Betrieb (keine Maus, keine Tastatur etc.) Bis zu 50 khz Kritisch

Interrupts durch Peripherie: Maus, Tastatur etc.

10 LabVIEW Real-Time Entwicklungstools Compiler Real-Time- Hardware Linker Debugger Werkzeuge für Systemanalyse RTOS Mikroprozessor I/O-Schnittstellen LabVIEW und LabVIEW Real-Time Execution Trace Toolkit Entwicklungssoftware LabVIEW-Real-Time- Zielsystem

Mikroprozessor I/O-Schnittstellen LabVIEW und LabVIEW

11 LabVIEW Real-Time System Entwicklung am Host-Computer Ausführung am RT-Zielsystem

12 Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung 1: Das Real-Time-Projekt

13 Der Projekt-Explorer Windows Real-Time

14 Programmierung Prozesse Windows-PC LabVIEW-Real-Time-System Windows Host VI Netzwerk- Kommunikation Normal Priority VI Inter-Thread- Kommunikation Time-Critical VI Netzwerk Datenspeicher LabVIEW für Windows LabVIEW Real-Time

15 Timed Loop Jede Timed Loop hat eine definierte Priorität Verschiedene Timingquellen Feedback, über Schleifendurchläufe Dynamisches Ändern der Timingparameter Zuweisung einzelner Prozessoren

über Schleifendurchläufe Dynamisches Ändern der

16 VI-Kommunikation mit Umgebungsvariablen Einfache Kommunikation zwischen zwei VIs Auf einem Rechner: Single-Process Netzwerkbasiert: Network-Published RT-FIFO Variablen für zeitkritischen Schleifen Inter-Thread-Kommunikation

Single-Process Netzwerkbasiert: Network-Published

17 LabVIEW Real-Time Hardwarezielsysteme Industrial Smart Camera Controller / EVS Compact Vision System Desktop oder IPC PXI CompactRIO Compact FieldPoint

18 CompactRIO: Rekonfigurierbares Embedded- System Real-Time-Prozessor Rekonfigurierbarer FPGA I/O-Module Extreme Robustheit Temperaturbereich von -40 bis 70 C 50 g Stoß-, 5 g Vibrationsfestigkeit Geringe Leistungsaufnahme von 9 bis 35 VDC, 7-10 W typ. I/O-Module mit integrierter Signalkonditionierung für beliebige Sensoren/Aktuatoren Rekonfigurierbarer FPGA für Hochgeschwindigkeits-Timing, -Triggerung und -Regelung der I/O-Kanäle Real-Time-Prozessor für deterministisches Loggen und Analysieren von Daten

I/O-Module mit integrierter Signalkonditionierung für beliebige Sensoren/Aktuatoren Rekonfigurierbarer FPGA für

19 RIO-System: Module der C-Serie Mehr als 100 I/O-Module verfügbar * Bis zu 256 Analog/Digital-Mischkanäle Benutzerdefinierbare Kanalanzahl und Sensorunterstützung Anbindung an tausende Sensoren Kompatibilität mit verschiedenen NI-Chassis *Stand August 2010

Benutzerdefinierbare Kanalanzahl und Sensorunterstützung

20 Hands-on-Hardwareaufbau RT-Controller CompactRIO Zum Host-PC +24 VDC DO +5 VDC DI DC- Netzteil ~230 VAC +24 VDC Position, Geschwindigkeit PWM DC-Motor

21 Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung 2: LED ansteuern

22 LabVIEW Real-Time mit Multicore-Prozessoren Timed Loops werden Timed Loops werden Prozessoren zugeordnet.

23 Real-Time Symmetric Multiprocessing (SMP) LabVIEW-Real-Time-Unterstützung für Multicore-Prozessoren Zwei häufige Implementierungen: LabVIEW und Echtzeit-Betriebssystem können die Prozesslast automatisch verteilen. Timed Loops können verwendet werden, um einzelne Prozesse bestimmten Prozessoren zuzuordnen. Vorteile für Real-Time-Anwendungen: SMP hilft mehrere Prozesse simultan auszuführen. Für leistungsstarke Anwendungen: SMP bietet eine bessere Ausnutzung der Hardwareressourcen.

24 Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung 3: Motor ansteuern PWM

25 Werkzeuge für die Systemanalyse Execution Trace Toolkit Distributed System Manager

26 I/O Forcing Überschreiben der I/O-Werte zur Laufzeit und während der Bearbeitung Keine Änderungen am Code erforderlich I/O Forcing über Distributed System Manager oder durch spezielle I/O- Forcing-VIs Wird ignoriert, Aufheben durch Unforce oder Neustart Forced Physikalische I/O

27 LabVIEW Real-Time Control & Simulation Integrierte Werkzeuge für Regelung und Simulation PID, Fuzzy etc. Import von C-Code und Simulink -Modellen Einfache I/O-Integration Datenerfassung Modulare Messgeräte Seriell, GPIB, CAN, IEEE 1394, PROFIBUS etc. IEC Funktionsblöcke 18 typische Funktionen für die industrielle Regelung Nahtlose Integration in den LabVIEW-Project-Explorer

28 Netzwerkpanels Integrierter Web-Server für LabVIEW-Anwendungen Überwachen und Steuern der Anwendung mittels Browser (z. B. IE)

29 LabVIEW Web Services Web Server Windows und Real-Time Anwenderdefinierte Web- Clients Keine LabVIEW Run Time Standard-HTTP-Protokoll IT/Firewall-freundlich Thin Client Thin Client

30 Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung Übung 4: Geschwindigkeitsregelung Position, Geschwindigkeit PWM

31 NI 9144 Expansion Chassis 2 Ports: Serienschaltung Robustes Chassis: -40 bis 70 C 9-30 V Versorgung Ex-Schutz Stoß-/vibrationsfest 8 Steckplätze für Module der C-Serie

32 Die Hardwarearchitektur PAC-System von NI für deterministische, verteilte I/O CompactRIO Host-Computer PXI (RT) Industrial Controller (RT) WSN Gateway (RT) Standard- Ethernet (TCP/IP) Deterministisches Ethernet (EtherCAT) NI 9144

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