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

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