wersja mobilna
Online: 550 Środa, 2017.05.24

Technika

Wykorzystanie NI Multisim oraz NI Ultiboard do projektu karty I/O typu RIO Mezzanine używanej do automatyzacji procesu warzenia piwa

środa, 23 października 2013 09:32

Jedną z demonstracyjnych aplikacji, które cieszyły się największą popularnością podczas konferencji NIWeek 2012, był automatyczny system warzenia piwa wykorzystujący NI Single-Board RIO (sbRIO) i kartę RIO typu mezzanine (RIO Mezzanine Card - RMC). Tę ostatnią zaprojektowano z wykorzystaniem narzędzi Multisim i Ultiboard. Sterownik sbRIO zawiera zaimplementowaną w LabVIEW aplikację czasu rzeczywistego, monitorującą temperaturę oraz kontrolującą różne elementy systemu (np. pompy). W celu połączenia wszystkich dostępnych czujników i innych elementów zaprojektowano płytkę RMC.

WIELOFUNKCYJNY STEROWNIK I/O NI SINGLE-BOARD RIO

Rys. 1. Górna strona płyty sbRIO-9626 zawierająca 50-pinowe złącze IDC

Platforma NI Single-Board RIO została zaprojektowana z myślą o popularnych aplikacjach wbudowanych wykorzystywanych do sterowania oraz akwizycji danych. sbRIO zawiera wbudowany procesor czasu rzeczywistego oraz układ programowalnych bramek logicznych (FPGA), które mogą być zaprogramowane za pomocą modułów LabVIEW Real-Time i LabVIEW FPGA.

System warzenia piwa jest oparty na sbRIO-9626 z procesorem taktowanym zegarem 400 MHz, który zawiera rekonfigurowany układ Xilinx Spartan-6 LX45 FPGA, porty komunikacyjne (Ethernet, szeregowy, USB, CAN, SDHC) i 50-pinowe złącze IDC z 16 wejściami analogowymi, 4 wyjściami analogowymi i 4 liniami DIO o poziomach napięć 3,3 V. Jako uzupełnienie dodano moduł RMC zapewniający dostęp do 96 linii DIO 3,3 V układu FPGA. Rysunki 1 i 2 przedstawiają urządzenie sbRIO-9626 ze złączami IDC i RMC.

NIESTANDARDOWA KARTA TYPU RIO MEZZANINE

Rys. 2. Dolna strona płyty sbRIO-9626 zawierająca złącze RMC

Wymienione 50-pinowe złącze IDC oraz złącze RMC zapewniają otwartą architekturę, przygotowaną do ewentualnej rozbudowy i modernizacji systemu, umożliwiając jednocześnie tworzenie niestandardowych kart rozszerzeń (bądź kart typu RIO Mezzanine). W przypadku procesu warzenia piwa wymagany jest odczyt sygnałów analogowych z potencjometrów i czujników oraz wykorzystanie zarówno wejść, jak i wyjść cyfrowych do sterowania stycznikami i przełącznikami. Do stworzenia karty uzupełniającej w opisywanym projekcie wykorzystano narzędzia do projektowania i prototypowania obwodów firmy National Instruments - NI Multisim oraz NI Ultiboard.

PROJEKT KARTY TYPU RIO MEZZANINE W PROGRAMIE NI MULTISIM

NI Multisim zawiera obszerną kolekcję symboli i modeli symulacji zorganizowanych w głównej bazie danych (Master Database). Ponadto baza ta zawiera symbole złączy i ich zarysu na płytce (tzw. footprint), które projektanci mogą wykorzystać do tworzenia niestandardowych płytek współpracujących z układami NI, wliczając w to urządzenia akwizycji danych (seria R, S i X), CompactRIO, Single-Board RIO, GPIB i SCXI.

Port RMC wykorzystany w sbRIO-9626 (oraz pozostałych modułach sbRIO) jest 240-pinowym złączem Searay, którego rekomendowanym odpowiednikiem jest SEAM-40-03.0-S-06-2-A-K-TR (dostępne w bazie danych Multisim). Symbol tego elementu jest podzielony na trzy obszary: DIO, MISC (zasilanie, uziemienie, USB) oraz RES (zarezerwowane), jak przedstawiono na rysunku 3.

Rys. 3. Symbol złącza RMC

Rys. 4. Wielostronicowy projekt w programie Multisim

Projekt RMC składa się z czterech głównych modułów: mocy, wejść/wyjść analogowych, wejść/wyjść cyfrowych, przekaźników i czujników temperatury. Aby utrzymać uporządkowaną, modułową architekturę, schematy w programie Multisim są zorganizowane w wielostronicowy projekt, jak pokazano na rysunku 4.

Wykorzystane moduły

Moduł mocy
Moduł mocy jest zorganizowany w sześć bloków na jednym schemacie (patrz rys. 5).

Moduł wejść/wyjść analogowych
Jak już wspominano, sbRIO-9626 zawiera 16 wejść analogowych i 4 analogowe wyjścia, które są dostępne na 50-pinowym złączu IDC. Wszystkie te kanały są połączone ze specjalnie zaprojektowaną płytką za pomocą kabla taśmowego oraz - w celu zapewnienia łatwego połączenia sygnałów z płytą - za pomocą dwóch złączy śrubowych.

Rys. 5. Moduł mocy RMC

Rys. 6. Moduł RMC AIO

Moduł wejść/wyjść cyfrowych
Złącze RMC zapewnia połączenie z 96 wejściami/wyjściami cyfrowymi układu FPGA, z których 12 zostało wykorzystywanych do sterowania przekaźnikami, 8 do odczytu danych z czujników, a 32 są zarezerwowane do innych zadań. Dwa dodatkowe złącza wyprowadzają niewykorzystane linie, które zostały dodane z myślą o przyszłej rozbudowie projektu.

Rys. 7. Wejścia/wyjścia FPGA wykorzystane w projekcie

Rys. 8. Połączenia z niewykorzystanymi liniami cyfrowych wejść/wyjść

Moduł przekaźników

Rys. 9. Obwód sterownika przekaźnika

Zaprojektowana płytka zawiera 12 przekaźników, do których sygnały podłączane są za pomocą złączy śrubowych. Każdy przekaźnik zawiera obwód sterujący, który z kolei wymaga dodatkowego zewnętrznego zasilania 15 V. Aby zapewnić odpowiednie poziomy prądów i napięć, wykonano wcześniej symulację pracy układu za pomocą programu Multisim.

Moduł czujników temperatury
W celu wykonania pomiarów temperatury wykorzystano czujnik cyfrowy DS18B20. Do poprawnej pracy urządzenie to wymaga dodatkowego zasilania oraz rezystora podciągającego. W sumie 8 czujników może być podłączonych do płyty za pomocą złączy śrubowych. Mimo, że wykorzystanie cyfrowego układu uprościło projekt płytki, wyzwaniem stała się implementacja protokołu 1-Wire na sbRIO.

PROJEKT PŁYTY TYPU RIO MEZZANINE W PROGRAMIE ULTIBOARD

NI Ultiboard jest elastycznym środowiskiem do projektowania płytek drukowanych, zapewniającym narzędzia niezbędne do szybkiego prototypowania. Jest on w pełni zintegrowany z programem Multisim, co umożliwia niezwykle wygodne przeniesienie schematu na projekt płytki. W programie Multisim wystarczy wybrać opcje "Transfer » Transfer to Ultiboard » Transfer to Ultiboard 12.0", aby przenieść informacje o elementach i ich połączeniach do środowiska Ultiboard. Ten z kolei dobiera domyślny kształt płytki i umieszcza wszystkie elementy poza jej obszarem.

Rys. 10. Projekt RMC

Rys. 11. Połączenia w programie Ultiboard

Rozmiar stworzonej płytki jest identyczny jak w przypadku płyty sbRIO-9626. Wymiary są oznaczone w warstwie mechanicznej, dzięki czemu nie będą przeniesione na płytkę w trakcie produkcji. Wykorzystanie tej właśnie warstwy do umieszczenia dodatkowych informacji o projekcie jest bardzo wygodne. Zaprojektowano czterowarstwową płytę z płaszczyznami zasilania umieszczonymi wewnątrz. Pierwsza z nich zawiera ścieżki ze wszystkimi poziomami napięć wykorzystywanymi w projekcie, a druga poziomy odniesienia odpowiednie dla sygnałów cyfrowych i analogowych.

Rys. 12. Widok na górną część karty RMC (3D)

Grubość ścieżek sygnałowych mieści się w przedziale 6-8 mil, za wyjątkiem układów sterowania przekaźnikami, które z racji przewodzenia dużych prądów zostały zaprojektowane na szerokość 45 mil. Większość połączeń utworzono za pomocą funkcji Bus Autorouting, co umożliwia grupowanie sąsiednich sygnałów i umieszczenie ich równolegle, zapewniając większą integralność. Niektóre ścieżki zostały stworzone także za pomocą funkcji Autorouter.

Jednym z wyzwań okazuje się wyprowadzenie ścieżek ze złącza RMC. Proces ten wykonywany manualnie wymagałby prawdopodobnie wielu godzin pracy. Aby ułatwić rozwiązanie tej kwestii, wykorzystano funkcję "Fanout", dzięki czemu ścieżki zostały rozmieszczone w ciągu kilku sekund. Przed wysłaniem ostatecznego projektu do produkcji (pliki Gerber, NC Drill, itp.) istnieje możliwość obejrzenia produktu końcowego w widoku 3D, jak przedstawiono na rysunku 13. Za pomocą myszki można zmieniać orientację modelu trójwymiarowego.

Rys. 13. Obudowa zawierająca sbRIO-9626 oraz zaprojektowaną płytkę RMC

Na koniec umieszczono kilka zdjęć gotowego produktu sterownika procesu warzenia piwa. Zaprojektowana płyta typu RIO Mezzanine jest umieszczona bezpośrednio za sbRIO-9626.

National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com

 

 

Szukaj w serwisie Semicon

zobacz wszystkie Nowe produkty

Specjalizowana płytka rozwojowa dla robotyki

2017-05-24   | Farnell element 14
Specjalizowana płytka rozwojowa dla robotyki

Farnell element14 oferuje nową płytkę projektową BeagleBone Blue opracowaną przez fundację BeagleBoard.org i przeznaczoną do tworzenia aplikacji z obszaru robotyki i pojazdów autonomicznych. BBB bazuje na komputerze BeagleBone i systemie Linux oraz na dodatkowych układach peryferyjnych pozwalających na wygodne sterowanie silnikami, urządzeniami wykonawczymi i odczyt czujników wchodzących w skład robotów.
czytaj więcej

Monitorowanie miniaturowych systemów lutowania na fali

2017-05-24   | Fluke Europe B. V.
Monitorowanie miniaturowych systemów lutowania na fali

Fluke Process Instruments prezentuje najmniejszy na rynku system profilowania termicznego zaprojektowany specjalnie do monitorowania miniaturowych systemów lutowania selektywnego na fali. Datapaq SelectivePaq korzysta z czterech termopar mierzących temperaturę modułu elektronicznego przechodzącego przez fazy nagrzewania wstępnego i lutowania.
czytaj więcej

Nowy numer APA