機器控制的圖形化系統設計

概論

Embedded System Development for Machine Control Using a Single, Automated Graphical Programming Tool Chain and Programmable Automation Controllers (PACs) Todd Dobberstein及Brian MacCleery著

深入認識CompactRIO和圖形化系統設計，請光臨ni.com/compactrio。

簡介

設計嵌入式機器控制系統的傳統程序通常包括數個開發階段，每個階段都需要特殊的電子設計自動化 (EDA) 工具，如狀態圖和流程圖工具、SPICE電路模擬、電路版繪製與排程、控制設計工具、有限元素分析 (FEA)、C、VHDL 程式語言、針對多重目標的編譯器，與人機界面(HMI) 工具。

新的高度自動化圖形化系統設計 (GSD) 工具與 PAC 硬體系統可協助使機器控制開發程序更加流暢。這些新的 GSD 工具使用 NI LabVIEW圖形化程式設計語言，為可重設組態 FPGA、即時處理器，與工業用 I/O 模組提供完全的客制化功能。利用 NI LabVIEW 工具，可開放存取低階資源，同時運用簡易的嵌入式程式設計和數百種內建函數，將常見的機器控制工作自動化。PAC硬體系統（如低價位的 CompactRIO 嵌入式系統）是為了與 LabVIEW GSD 工具鍊進行完美整合而設計的。利用 PAC 即可建立進階系統，將進階控制、通訊、資料記錄，與訊號處理等軟體功能，整合執行行邏輯、運動、處理控制，與視覺的控制器。

圖 1. 單一的圖形化程式設計工具鍊，供嵌入式系統開發應用

開發客製FPGA邏輯

不需是 VHDL 程式設計的專家，就可運用可重設組態 FPGA 硬體的穩定性和效能。LabVIEW FPGA 模組能夠迅速開發 CompactRIO 的可程式化邏輯應用程式，並根據圖形化程式產生 VHDL 程式碼，然後自動執行最佳化、合成，與下載作業。LabVIEW 為 RIO 硬體提供完整的程式設計語言，利用 FPGA 真正平行處理的能力，並可在 1 個 FPGA 時脈循環 (40 MHz) 中執行程式碼。除了基本程式設計架構和數位邏輯函數之外，亦可拖放函數區塊，執行運動控制、類比PID、分析、波型產生、濾波器，與更多功能。

圖 2. LabVIEW FPGA 中的高速平行迴圈

確實的即時處理

利用LabVIEW Real-Time 模組，即可使用 650 餘種內建的 LabVIEW 函式區塊 (包含運動、PID、分析，與更多功能)，在浮點處理器上精確執行。即時應用程式通常包含 2 個基礎迴圈：Time-critical 迴圈與 FPGA 通訊，並與 FPGA I/O 進行決定性互動。透過中斷要求(Interrupt request)，以同步執行 Time-critical 迴圈。Time-critical 迴圈將執行控制，而即時應用程式中的 Normal priority 迴圈則和網路化的主機電腦一起執行資料儲存、分析，與通訊工作。


 

圖 3. 在 LabVIEW Real-Time 中的即時精確處理

人機界面 (HMI)

利用任何 Windows/Linux/Macintosh 電腦，可為嵌入式機器控制系統提供使用者界面。LabVIEW 即時控制器具備內建的網頁伺服器，會自動通過網路，將即時應用程式的使用者界面發佈到主機電腦上建立 HMI，不需要額外設計程式。

圖 4. 內建 HMI，不需要額外的程式設計

硬體技術

CompactRIO 為堅固的可重設嵌入式系統，內含 3 項元件：工業用 I/O 模組，1 組可重設的 FPGA，與 1 組即時控制器。

圖 5. 可重設組態的嵌入式系統硬體技術

工業用 I/O 模組

I/O 模組包含隔離、轉換電路、訊號處理，並內建連結功能，可直接連至工業感測器/致動器。若整合連接盒與模組，則 CompactRIO 系統可大幅降低空間的需求與現場連線費用。有多種不同類型的 I/O 可供選擇，包含 ±80 mV 熱電偶輸入；±10 V 同步取樣類比 I/O；24 V 工業數位 I/O，最高 1A 電流驅動；差動 TTL 數位輸入；與 24 位元 IEPE 加速計輸入。

圖 6. CompactRIO I/O 模組，具備 D-Sub 纜線、BNC，與螺絲端子選項

可重設的 FPGA 機箱

可重設 FPGA 機箱是嵌入式系統技術的核心。RIO FPGA 以星狀拓樸連接至 I/O 模組，便於直接存取每個模組的 I/O 電路，並提供無限制的計時、觸發，與同步化的彈性。由於每個模組都直接連接至 FPGA，而非透過 1 組匯流排，因此與其他工業控制器相較，系統回應幾乎沒有控制延遲。1 組機箱可同時 以100 kHz 的速度執行超過 20 個的類比 PID 控制迴圈。

圖 7. CompactRIO 可重設組態的 FPGA 機箱

「CompactRIO和LabVIEW FPGA的可重設組態本質改變了機器控制和震動監測的規則。最後的結果是一部堅固的低價位嵌入式系統，可以佈署於多種傳統設備不適用的應用環境中。」
– Darren Lingafeldt 為 Nexjen Systems 公司的系統工程師。該公司為重型電子測試設備及客製震動監視系統的供應商。

 

即時控制器

即時控制器包含 1 組工業處理器，可穩定且精確 LabVIEW Real-Time 應用程式，並提供多重速率的控制、執行追蹤，與週邊通訊。額外的功能則有 2 組 11 ~ 30 VDC 電源供應、1 組使用者 DIP 切換器、LED狀態指示器、即時時鐘、Watchdog 計時器，與其他穩定的功能。

圖 8. CompactRIO 即時控制器

 

CompactRIO規格

亦可參閱：
點選此處以了解CompactRIO產品驗證和評比。
點選此處取得CompactRIO使用手冊（內附詳細規格）
點選此處取得CompactRIO尺寸圖

 

客製模組開發

利用 CompactRIO Module Development Kit，即可開發客制模組，以滿足應用程式的特殊需求。此工具組可以存取低階電力 CompactRIO 嵌入系統技術，以設計專業化 I/O、通訊，與控制模組。其中包含 LabVIEW FPGA 函式庫，可作為客制模組電路之間的界面，並以超過 40 Mb/s 的速度進行通訊。

圖 9 和 圖 10 即為 1 組客制 CompactRIO VR 模組的設計圖與佈線。


 

圖 9. Variable Reluctance (VR) 模組設計圖

圖 10. 完成的客制模組 PCB 佈線

「CompactRIO和模組開發工具提供一個功能強大的通用原型製作系統，控制設計工程師可以運用，以立即可用的工具迅速佈署高度客製化的嵌入系統。」
– Carroll G. Dase, Drivven, Inc. 總裁。該公司為汽車控制及資料擷取方案供應商。

Process Automation Corporation (PAC) 使用CompactRIO 製作 1 組控制與擷取系統，可於多個通道上擷取高速類比資料，執行客制處理運算法，並可精確控制 1 組 可驗證扣件安裝 (Verifiable fastener installation，VFI) 工具，做為金屬扣件之用。這個應用程式需要 1 組高效能的穩定系統，才能在固定至不同密度和厚度的金屬時，於即時擷取過程中，隨著扭力和位移值的變換，計算 VFI 工具的適當停止點。

Process Automation Corporation 認為 CompactRIO 最大的優點在於可達到高價客制硬體的速度，從系統感測器擷取並處理資料。由於體積精巧且嵌入式的系統運作，Process Automation Corporation 可縮短開發時間與開發週期，發展獨立且嵌入式的應用，以進一步控制硬體。

 圖 11. 可驗證扣件安裝 (VFI) 機器

「配合National Instruments所擁有的高效能技術和高價值比的名聲，CompactRIO平台成為這個應用領域中成本最低廉的平台。CompactRIO系統提供足夠的功率，允許多項扣件安裝工具(fastener installation tool) 在一個CompactRIO機箱上操作。這使得CompactRIO的成本比前一代系統低了兩倍有餘。」
– Greg Sussman，Process Automation Corporation自動化系統顧問

 

圖12是 Drivven, Inc .設計的 3 款客制模組，用於 2004 Yamaha YZF-R6 中，以 15,500 RPM 以上的速度控制火星塞與燃料噴射器。

圖 12. 客制模組的應用

典型的機器控制應用：

• 工業包裝
• 焊接機器
• 高速運動控制
• 化學藥品混合
• 固定機器
• 預防性維護

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