Dalla prototipazione rapida alla produzione in serie a basso costo con CompactRIO e Single-Board RIO

Sulla base degli obiettivi di produzione di componenti hardware su larga scale, è possibile stabilire a priori le tempistiche di commercializzazione, a partire dalla fase di design. In questo modo si ottiene una riduzione del carico di lavoro ed è quindi possibile produrre un sistema embedded più affidabile ed in tempi più brevi, utilizzando una buona parte di software e hardware del proprio sistema prototipato all'interno del prodotto distribuito.

Curva di distribuzione degli I/O riconfigurabili (RIO) di National Instruments

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Figura 1. Curva di distribuzione di NI RIO: Dalla prototipazione alla produzione in serie a basso costo

National Instruments fornisce una varietà di componenti hardware off-the shelf che condividono un’architettura comune basata su I/O riconfigurabili (RIO). Quest’architettura combina un processore real-time, un chip FPGA e una vasta gamma di moduli per I/O analogici, digitali, di comunicazione e di movimentazione assi. Questa architettura standard, unita all’impiego di LabVIEW per la programmazione grafica, consente di progettare e prototipare rapidamente sistemi embedded e applicazioni per il monitoraggio industriale e controllo macchine con un hardware flessibile ad alte prestazioni. Grazie al completo riutilizzo del codice, è possibile trasformare rapidamente il prototipo in un sistema distribuito ed ottimizzato in termini di costo, adattando la medesima architettura hardware per ridurre i costi e il time-to-market.

Sistema hardware embedded di controllo e acquisizione NI Single-Board RIO

I nuovi prodotti embedded Single-Board RIO di National Instruments estendono la gamma di opzioni NI RIO per la produzione su larga scala di componenti a bordo scheda. Ancora una volta, utilizzando l'architettura standard basata su NI RIO e LabVIEW, è possibile prototipare rapidamente sistemi embedded con una struttura flessibile e modulare, validandoli attraverso un CompactRIO e successivamente distribuirli rapidamente a bordo dei nuovi dispositivi hardware embedded su scheda NI RIO Single-Board. Il riutilizzo di codice LabVIEW, dalla prototipazione alla distribuzione, consente di ridurre il time-to-market e di incrementare l'affidabilità dei dispositivi embedded. I nuovi prodotti NI Single-Board RIO forniscono:

• Acquisizione e controllo embedded direttamente su singola scheda
• Programmazione grafica in LabVIEW e utilizzo di driver strumento “intermedi” (middleware) per diminuire i tempi di sviluppo
• Processore real-time a bordo scheda, operatività stand-alone ed elaborazione di segnali
• FPGA riconfigurabile per operazioni di I/O personalizzate, controllo ed elaborazione
• I/O digitale e analogico a bordo scheda
• Sistemi a basso costo per la progettazione embedded orientata alla singola scheda dedicata
  

Figura 2. NI Single-Board RIO integra un processore, FPGA e I/O digitali e analogici su un'unica scheda programmabile attraverso LabVIEW

Ogni dispositivo NI Single-Board RIO integra un processore embedded real-time, un chip FPGA ad alte prestazioni ed una serie di I/O analogici e digitali a bordo scheda. Come qualsiasi hardware RIO di National Instruments, ciascun modulo I/O è connesso direttamente al chip FPGA, fornendo una capacità di personalizzazione e temporizzazione a basso livello ed elaborazione dei segnali di I/O. Il chip FPGA è connesso al processore embedded real-time tramite un bus PCI ad alta velocità. LabVIEW dispone di funzioni integrate per il trasferimento dati dagli I/O all’FPGA e dall’FPGA al processore embedded per l’analisi real-time, post-elaborazione, data logging o comunicazione a un computer host connesso in rete.

“Il sistema embedded CompactRIO e gli strumenti grafici di LabVIEW forniti da National Instruments ci hanno permesso di progettare, prototipare e distribuire rapidamente il sistema di controllo del nostro dispositivo medico Visica 2 e di raggiungere gli obiettivi commerciali risparmiando denaro ed eliminando la necessità di realizzare hardware dedicato. L’architettura embedded standard RIO e i nuovi hardware a basso costo, come i sistemi cRIO-907x, ci consentono di passare rapidamente a soluzioni hardware a basso costo per alti volumi di distribuzione, senza la necessità di riprogettare il software o iniziare da zero un nuovo progetto."

Jeff Stevens, Principal Systems Engineer, Sanarus Medical

 

Distribuisci rapidamente sistemi embedded con LabVIEW

L’ambiente di programmazione grafico di LabVIEW consente di programmare il processore real-time, il chip FPGA riprogrammabile e gli I/O dei propri sistemi embedded RIO per applicazioni di controllo, monitoraggio, elaborazione e registrazione utilizzando lo stesso progetto LabVIEW. Grazie a speciali moduli di LabVIEW, è possibile programmare il processore real-time (LabVIEW Real-Time Module) e il chip FPGA (LabVIEW FPGA Module). LabVIEW dispone inoltre di un vasto set di driver intermedi, in grado di integrare strettamente tutti i componenti hardware del sistema embedded RIO (I/O analogici e digitali, FPGA, processore, periferiche e memoria).

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Figura 3. Gestisci e scrivi il codice per il processore, il chip FPGA e gli I/O con LabVIEW Project.

 

Il Modulo LabVIEW Real-Time

La programmazione del processore embedded real-time all’interno del sistema, avviene tramite il modulo LabVIEW Real-Time che dispone di librerie di funzioni integrate per il controllo della virgola mobile, elaborazione, analisi, data logging e comunicazione. LabVIEW Real-Time Module include:

• Il supporto per le variabili condivise di LabVIEW per semplificare la connessione tra i vari sistemi in rete
• Temporizzazione software deterministica con risoluzione dell’ordine dei microsecondi
• Oltre 600 funzioni di controllo avanzato della virgola mobile e di elaborazione di segnali
• Integrazione del codice C/C++ esistente
• Strumenti per la replicazione dell’intero sistema embedded al fine di poter duplicare facilmente le configurazioni già esistenti.

Il Modulo LabVIEW FPGA

È possibile programmare rapidamente il chip FPGA all’interno dei sistemi hardware RIO attraverso il modulo LabVIEW FPGA per il controllo personalizzabile e ad elevata velocità, la temporizzazione degli I/O e l’elaborazione dei segnali acquisiti. Il modulo LabVIEW FPGA dispone delle seguenti funzioni:

• Nodi Component-level IP (CLIP) per semplificare l'integrazione del codice HDL esistente
• L’FPGA Wizard per progettare rapidamente codice FPGA e real-time
• L’FPGA Project Wizard per semplificare la fase di avvio
• Il modulo LabVIEW Statechart per implementare il controllo basato sul chip FPGA, macchine a stati e altre funzioni
• L’opzione di simulazione per il chip FPGA per facilitare lo sviluppo e il debugging
• I registri FPGA IP a virgola fissa
  • Trasformata di Fourier (FFT)
  • PID multicanale
  • Generatori di segnale
  • Filtro notch

Possibilità di visualizzare tutte le funzioni predefinite di LabVIEW FPGA e IP sulla IPNet

Strumenti driver intermedi (middleware)

Uno dei maggiori problemi nella progettazione embedded riguarda la creazione, il debug e la validazione della sequenza di chiamate a livello di driver per l'integrazione di tutti i componenti hardware del sistema embedded. Tradizionalmente, questo processo di integrazione viene lasciato all’utente e ciò complica e prolunga la fase di progettazione del sistema embedded.
I driver middleware di National Instruments si sovrappongono ai driver di basso livello presenti sui tradizionali computer single-board e su altri sistemi embedded per favorire maggiore produttività e prestazioni riducendo il time-to-market. Ciascun dispositivo RIO-compatibile include driver software e ulteriori software per la fase di configurazione. Gli strumenti driver middleware integrati contengono le seguenti funzioni:

• • Funzioni integrate per l’interfacciamento tra gli I/O analogici, digitali, motion, di comunicazione e il chip FPGA
  • Funzioni di trasferimento per la comunicazione dei dati tra chip FPGA e processore
  • Metodi per l'interfacciamento dell’FPGA/processore con la memoria
  • Funzioni di interfacciamento tra processore e periferiche (porta seriale RS232, Ethernet)
  • Driver multithread per elevate prestazioni

Passaggio dalla prototipazione alla produzione in serie

Il sistema integrato CompactRIO e la single-board RIO di National Instruments sono la scelta migliore per sistemi embedded interessati da elevati volumi di produzione. Alla stregua di altre schede integrate, la Single Board RIO deve essere conforme ai requisiti standard, come la compatibilità elettronica (EMC), favorendo inoltre un’adeguata dissipazione del calore. I sistemi CompactRIO forniscono questo tipo di certificazioni.
Prendiamo in considerazione la Tabella 1 per determinare quale hardware RIO risponde al meglio ai requisiti della propria applicazione.

 

	CompactRIO Sistemi modulari	Sistemi integrati CompactRIO	NI Single-Board RIO
Intervallo di temperatura	da -40 a 70 ºC	da -20 a 55 ºC	da -20 a 55 ºC
Certificazioni ECM	√	√	−
Case	√	√	−
Abilità di combinare controller e chassis	√	−	−
Slot o espansioni della Serie C	4 o 8 slots	8 slots	3 connettori per espandere gli I/O
Porta USB per memorie esterne rimovibili	√	−	−
Memoria non volatile interna	Fino a 2 GB	Fino a 256 MB	Fino a 256 MB
Intervallo di alimentazione	Doppia da 9 a 35 VDC	Singola da 19 a 30 VDC	Singola da 19 a 30 VDC
FPGA	Xilinx Virtex FPGA	Xilinx Spartan-3 FPGA	Xilinx Spartan-3 FPGA

Tabella 1. Confronto tra dispositivi hardware RIO

 

 

Maggiori informazioni su CompactRIO e Single-Board RIO

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