Összetett mérési rendszer tervezése

Átírás

1 Budapest University of Technology and Economics Összetett mérési rendszer tervezése Elektronikus Eszközök Tanszéke Ender Ferenc mikofluidika.

2 Áttekintés Integrált hardver platform és PC alapú mérésvezérlés A rendszertervezés folyamata Funkcionális rendszerterv, HW-SW szétválasztás Implementációs kérdések: architektúra, sebesség, pontosság Mikrofluidika, Lab-on-a-Chip, mikrofluidikai platformok Mikrofluidikai tesztkörnyezet: rendszertervezés A tápellátás tervezési elvei Architektúra, buszrendszer és kommunikáció Firmware tervezés: vezérlés és állapotgép NI LabVIEW platform Programtervezési minták Szabályzókör kialakítása összetett mérési rendszerben

3 Integrált hardver platform Mérésvezérlés PXI Modular Instrumentation Desktop PC Laptop PC PDA Kommunikációs interfész High-Speed Digitizers High-Resolution Multifunction Dynamic Digitizers and DMMs Data Acquisition Signal Acquisition Instrument Control Digital I/O Counter/ Timers Machine Vision Motion Control DAQ és DSP interfész Signal Conditioning and Switching DUT interfész: szenzorok és beavatkozók Unit Under Test Distributed I/O and Embedded Control

4 PC alapú mérésvezérlés Bemeneti/Kimeneti jelek Jelkondicionáló hardver Adatgyűjtő hardver Analóg Digitális Számláló, Időzítő Érzékelők Beavatkozás Motorok Relék Modul meghajtó hardver ZH Meghajtó- és felhasználói programok

5 A rendszertervezés folyamata Specifikáció A megvalósítandó feladat pontos körülírása Akkor jó, ha a másik fejlesztőcsapat ugyanazt hozza létre! Rendszerterv Az összes megvalósítandó feladatrész blokkokra bontása és az azok közötti kapcsolatok leírása A konkrét implementáció itt még nem eldöntött! ZH

6 Rendszerterv példa - ébresztőóra

7 Rendszertervezés Hardver szoftver szétválasztás Mit milyen platformon érdemes megvalósítani (szoftver, firmware, hardver, kontroller, DAQ, beágyazott rendszer) Specifikációs adatok, költség stb. figyelembevétele ZH

8 Rendszertervezés ZH Funkcionális rendszerterv Hardverre és szoftverre külön alkalmazható A részfeladatok funkciók szerinti lebontását mutatja Bitvonalszám, moduláris felépítés, célhardverek Architektúra terv Célhardverek kiválasztása és összerendelése a becsült számítási igény szerint Elosztott vagy központi intelligencia Autonóm (beprogramozott) működés PC vezérelt működés Távvezérelt működés Belső kommunikációs protokollok

9 Sebességbecslés A szükséges számítási kapacitás meghatározói Jelfeldolgozási feladatok Soros vs. párhuzamos végrehajtás Problémaméret és órajel Szabályozási feladatok A szabályozott paraméterek száma A folyamat dinamikája, időállandók A szabályozási kör leglassabb része határozza meg a szabályzás sebességét! Belső kommunikáció Kommunikációs overhead Soros vs. párhuzamos kommunikáció Zavarvédettség Natív átviteli sebesség Ökölszabályok a beavatkozási időre: PC (USART, USB, Ethernet): ~200 ms (!), Belső kommunikáció (SPI, I2C): ~1 us, Mikrovezérlőn belül futó beavatkozó: <1 us ZH

10 Bevezetés Mi a mikrofluidika? Minden olyan mikrorendszer mikrofluidikának tekinthető, ahol a rendszerben mozgó folyadékok nem makroszkópikus módon viselkednek A mikrofluidika fő felhasználási területei manapság: Orvosi és kémiai diagnosztika Integrált áramkörök hűtése Nyomtatóipar A mikrofluidikai rendszerek kutatása, tervezése és alkalmazása kapcsán érintett tudományterületek: Villamosmérnök (kutatás és fejlesztés: szenzorok, aktuátorok, technológia) Fizikus (kutatás: a mikrotartomány hatásai) Gépészmérnök (kutatás és tervezés: az áramlás leírása) Orvos és biológus (kutatás és fejlesztés: alkalmazások) 10

11 Mikro és fluidika Fluidika - tehát folyadékokkal foglalkozó Mikro, ebben a jelentésben legalább egy az alábbiakból: Kis térfogatok (μl, nl, pl) Kis méret (mm, μm) Alacsony energiafelhasználás A mikrotartomány hatásai (lamináris áramlás, felületi feszültség, diffúzió, csatolt hőtranszfer) A mikrorendszerek tipikus erősségei (sorozatgyárthatóság, párhuzamosíthatóság, reprodukálhatóság) 11

12 Esettanulmány: Lab-On-a-Chip 12

13 Esettanulmány: Lab-On-a-Chip Az influenzavírus kimutatása 240 nl mintából 13

14 Esettanulmány: Lab-On-a-Chip Minta betöltés Polimeráz láncreakció (PCR) Restrikciós enzimes bontás Elektroforézis Villamosmérnöki feladatok Folyamatvezérlés Termikus vezérlés Termikus tervezés Szelepvezérlés Folyadék aktuáció vezérlése 14

15 Mikrofluidikai platform Egy mikrofluidikai platform... lehetővé tesz egy sor fluidikai műveletet fluidikai elemeken (reagensek, pufferek) melyeket úgy terveztek, hogy egymással keveredve reakciót végezzenek a reakciók lefolyása a rendszerbe ágyazott szenzorokkal figyelhető a folyamat a platformról, külső vagy belső aktuátorokkal irányítható mindezt jól körülírt és lehetőleg olcsó technológián valósítja meg 15

16 Mikrofluidikai tesztkörnyezet

17 Rendszerterv

18 Funkcionális blokkvázlat

19 Architektúra terv

20 Mechanikai tervezés

21 Rendszerplatform IEEE

22 A tápellátás tervezés kérdései Precíziós, analóg áramkörök SNR-jét nagyrészt a tápból beszűrődő zavarok rontják le Digitális és analóg illetve teljesítmény áramkörök mindig külön tápellátásról üzemelnek Igen kritikus analóg részeknél akkumulátoros táplálás is gyakori Nagyáramú/nagyteljesítményű tápellátás méretezésénél a pillanatnyi csúcsteljesítmény fölé kell tervezni! Analóg áramköröknél gyakori igény a szimmetrikus tápfeszültség A különböző tápok földjei az egész rendszerben csak egyetlen ponton kapcsolódhatnak össze! Tápegységek zavarszűrése párhuzamos kerámia és ELKO kondenzátorral Kritikus áramköri részek (IC-k) külön szűrhetők Fontos az elhelyezés a készüléken belül ZH

23 A tápellátás tervezés kérdései ZH

24 Buszrendszer

25 Kommunikáció a buszon

26 Általános kapcsolási séma

27 Modulspecifikus kapcsolás

28 Általános PCB séma Általános rész Modulspecifikus rész

29 Modulspecifikus kapcsolás

30 Parancsvégrehajtás

31 Parancs és regiszter példa

32 Programvezérlési minták Állapotgép - Állapotkód - Állapot-tranzíciós kód - Állapot-átmeneti feltétel (időzített v. eseményvezérelt) - Mindig szinkron - Nehezen párhuzamósítható ZH

33 Programtervezési minták Master-Slave minta - Egyirányú Adatvesztéses Master szerinti időzítés Nincs bufferelés Slave-k egymástól nem függenek - Slave szinten párhuzamos ZH

34 Programtervezési minták Producer-Consumer minta - Nem biztosított szinkron - Párhuzamosan működtethető - Bufferelt, nincs adatvesztés - Buffer túlcsordulás kérdése ZH

35 Firmware működés vázlata

36 A firmware általános sémája Modul specifikus kód Általános kód (lib) *command[] pointer main.c commandip.c bus.c interrupt parancs vektorok kiválasztás SLAVE mode állapotgép init while(1) parancs vektor MASTER mode állapotgép modulefcn.c usart.c Modul specifikus PC kommunik.

37 Firmware állapotgép ZH

38 Forráskód betekintés

39 A LabVIEW és más programnyelvek LabVIEW = Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench A LabVIEW adatfolyam típusú programozási nyelv. Az adatok irányítása két művelet között irányított gráffal történik. Az adatfolyam típusú programnyelvek deklaratívak, tehát (az imperatív nyelvekkel ellentétben) nem az a fontos hogy a dolgok hogyan történnek, hanem az, hogyan kapcsolódnak egymáshoz

40 Imperatív vs. deklaratív programpélda function btn_start_callback(hobject, eventdata, handles) t = 0:pi/20:2*pi; k=0; y = sin(t); h = plot(t,y,'ydatasource','y'); while (get(handles.ck_run,'value')) k=k+0.1; f=get(handles.sl_freq,'value'); y = sin(t.*f+k); refreshdata(h,'caller'); drawnow; pause(.1); end

41 Front panel és Blokk diagram 41

42

43

44 Néhány fontosabb kiegészítő (Toolkit, Modul) Modulációs PID szabályozás Szimulációs Hang és vibráció analízis Virtuális műszerek a mérnöki gyakorlatban (VIEEAV04) 44/23

45 Mikrofluidikai tesztkörnyezet szoftveres rendszerterv

46 Beágyazott állapotgép - Az állapottranzíciókat a felérendelt struktúra határozza meg, így nincs tranzíciós kód Init Time critical requests Wait Read values Action

47 - Esettanulmányok szabályzásokra Szakasz - - Leírása analitikusan, numerikusan, méréssel, identifikációval A szakasz időállandói határozzák meg a szabályozó köridejét Helyes működésnél a szabályozó körideje kisebb a szakasz időállandójánál. Szabályozó - A szakaszhoz és a feladathoz illeszkedik Ha a szakasz változik, a szabályozó is változhat (adaptív szabályozó, pl. Fuzzy szabályozó) A szabályozó periódusideje a kör periódusidejével egyenlő Implementáció: hardveresen (pl. műveleti erősítőből épített integráló), szoftveresen (PC-n, uc-n, FPGA-n) Az implementációs platform kiválasztásánál a sebesség és a számítási igény a meghatározó Számításigény Kis periódusidő Nagy pediódusidő Alacsony Mikrokontroller / Analóg ák. PC (LabVIEW) / Analóg ák. Magas FPGA / DSP PC (LabVIEW) ZH

48 Esettanulmányok szabályzásokra Szenzor és beavatkozó A szenzor válaszideje a kör periódusidejénél kisebb Szenzor kiolvasás, A/D, adatátvitel kérdése, bufferelés Szenzor jelének feldolgozása: egyszerűbb esetben analóg szűrés Számításigényes esetben (digitális szűrés, képfeldolgozás) célhardveren célszerű implementálni Beavatkozás módja: folyamatos v. diszkrét idejű Adatátvitel Megszabja az implementációt: folytonos v. diszkrét Fix késleltetésű adatátvitel, kompenzáció: Smith prediktor ZH

49 1. Hidrodinamikai fókusz szabályzása

50 Hidrodinamikai fókusz szabályzása

51 Hidrodinamikai fókusz szabályzása ZH Képfeldolgozási algoritmus implementálása a célhardveren a szenzorjel előállításához, szabályozó a PC-n fut. Megvalósítási platform Megvalósítási platform A szakasz időállandója kb. 300 ms, így a PC-n futó szabályozó még éppen használható. A szenzor jel előállítása viszont számításigényes, az ehhez szükséges képfeldolgozási algoritmus a SmartCamera processzorában fut.

52 Identifikáció modellillesztéssel

53 Forráskód betekintés és videó

54 Áramlásszenzor szabályzása A szakasz időállandója kb. 50 ms, így a szabályozó megvalósítási platformja a modult vezérlő mikrokontroller. Így megoldható a ~1 ms szabályozási köridő.

55 Áramlásszenzor

56 Áramlásszenzor szabályzása Identifikáció szimulációval

57 Áramlásszenzor szabályzása Nagysebességű szabályozás mikrokontrollerel, adaptív paraméterállítás LabVIEW-ből Megvalósítási platform ZH

58 Időmultiplexált érzékelés és beavatkozás

59 Időmultiplexált érzékelés és beavatkozás

60 Áramlásszenzor karakterisztika

62 Nyomástranziens korrekció

63 Nyomástranziens korrekció Adatgyűjtés nagyfelbontású A/D-vel crio-n keresztül Megvalósítási platform ZH

64 Nyomástranziens korrekció Identifikáció méréssel A szakasz időállandója kb. 8 sec, így a szabályozó megvalósítási platformja a PC-s LabVIEW vezérlő, illetve abban megvalósított PID szabályozó. A szabályozó körideje kb. 200 msec.

65 A szabályozó működése

67 ZH példa ZH Egy mini - klímakamra vezérlőjét készíti el. A kamra időállandója 120 sec, a hőmérsékletmérést 0.05 oc pontossággal valósítják meg egy műveleti erősítővel A=500 erősítés mellett. A kamra 300 W-os, 24V-os fűtése egy relével ki-be kapcsolható. A vezérlő egy PC-s mérésvezérlő rendszerre csatlakozik, ahol a célhőmérséklet beállítható. a) Rajzolja fel a berendezés rendszertervét. b) Adjon javaslatot a rendszer tápellátásának kialakítására. c) Az időzítési kritériumok figyelembevételével adjon javaslatot a szabályozó megvalósítási platformjára és jelölje a rendszerterven.