Programarea hardware-ului reconfigurabil cu modulul LabVIEW 7 FPGA conf. Tom SAVU U.P.B. C.T.A.N.M. Odat cu lansarea noii versiuni LabVIEW 7 Express a mediului su de programare grafic, National Instruments a anunat de asemenea modulul LabVIEW 7 FPGA i placa multifuncional reconfigurabil PXI-7831R, ambele menite s contribuie la simplificarea integrrii circuitelor FPGA (Field Programmable Gate Array) în aplicaiile de msurare i control. Tehnologia FPGA permite încrcarea în hardware-ul reconfigurabil a algoritmului ce include funciile pentru intrri i ieiri analogice i digitale. Executându-se în hardware, algoritmul aplicaiei beneficiaz de valori de înalt performan ale vitezei i calitii sincronizrii între diverse operaii. Circuitele FPGA îi gsesc utilitatea într-o gam larg de aplicaii din domeniile controlului mrimilor continui sau discrete, simulrii, emulrii de protocoale digitale.a.m.d. Placa reconfigurabil PXI-7831R (figura 1) dispune de opt canale de intrare analogic pe 16 bii, fiecare capabil s efectueze o conversie la 4,3 µs într-un interval maxim de ±10 V, opt canale pentru ieiri analogice pe 16 bii actualizabile la 1 µs în acelai interval i 96 de linii digitale ce pot fi configurate ca intrri sau ieiri digitale, pentru numrare cronometrare (inclusiv intrri pentru encodere), drept canale PWM (pulse-width modulated) sau ca porturi pentru protocoale de comunicaie definite de utilizator.
Fig 1 O configuraie particular definit de ctre utilizator poate fi stocat în memoria Flash a plcii, permiându-se astfel încrcarea i lansarea automat a aplicaiei. Circuitul FPGA dispune de 10 6 pori, 11.520 de celule logice i 16 kb RAM (expandabil la 80 kb), fiind capabil s lucreze la frecvene de pân la 200 MHz. Modulul software LabVIEW 7 FPGA permite configurarea circuitului FPGA pe hardware-ul National Instruments reconfigurabil, prin simpla desenare a diagramei unei aplicaii. Nu sunt necesare cunotine de programare VHDL sau de alte unelte de proiectare hardware, fiind redus în mod semnificativ complexitatea activitilor de dezvoltare a unor aplicaii sofisticate ce implic decizii luate în hardware, control precis al sincronizrii (cu o reoluie de pân la 25 ns) sau grad ridicat de paralelism al execuiei. Aplicaia ce urmeaz a fi executat pe circuitul FPGA se dezvolt ca un Instrument Virtual LabVIEW pe un computer cu sistem de operare Windows, având selectat circuitul FPGA drept destinaie a execuiei (figura 2), apoi este compilat de ctre modulul LabVIEW FPGA i implementat în hardware.
Fig 2 Exemplu de utilizare În figura 3 se prezint panoul unui Instrument Virtual a crei comunicaie cu aplicaia din circuitul FPGA al plcii PXI-7831R este asigurat prin intermediul server-ului NI VISA prezent în LabVIEW. Aplicaia din circuitul FPGA numr impulsurile primite de la o surs conectat la o linie I/O digital a plcii reconfigurabile. Diagrama instrumentului virtual este prezentat în figura 4. Fig 3 Fig 4 La fiecare iteraie a buclei While, starea liniei digitale la care este primit trenul de impulsuri este comparat cu starea din iteraia anterioar. Dac, la un moment dat, valoarea citit este mai mare decât cea din iteraia anterioar (aceast situaie poate apare doar dac valoarea citit în iteraia curent este True iar valoarea din iteraia anterioar este False, adic dac a aprut un impuls între momentele efecturii a dou comparaii succesive), atunci se incrementeaz valoarea care circul prin al doilea registru de transfer al buclei While, aceast din urm valoare reprezentând numrul de impulsuri. În mod normal o aplicaie de numrare nu poate fi astfel implementat într-un software Windows i nici mcar într-un sistem de operare în timp real, deoarece viteza cu care bucla While este executat este mai mic decât cea a unui numrtor hardware. În aceast situaie îns, aplicaia fiind încrcat în circuitul FPGA al plcii reconfigurabile, ea este în mod real implementat în hardware, ceea ce îi permite s se execute cu viteza corespunztoare. Aa cum este construit, aplicaia se comport satisfctor, dar nu ofer nici un avantaj comparativ cu utilizarea unui circuit hardware de numrare. Utilizarea modulului LabVIEW FPGA i a unei plci de achiziie de date reconfigurabile, permit îns adugarea, de exemplu, a unor faciliti de trigger i sincronizare doar prin modificarea diagramei VI-ului.
Condiia de trigger implementat în acest exemplu a constat în efectuarea unei operaii adiionale de msurare a unui semnal analogic în momentul în care numrul de impulsuri a atins valoarea 200. Simultan cu operaia de intrare analogic, se dorete generarea unui semnal digital care s comande un echipament. Pentru implementare, din meniul de funcii FPGA pentru achiziie de date (meniu prezent în paleta de funcii datorit existenei modulului LabVIEW 7 FPGA), au fost introduse în diagrama aplicaiei o funcie pentru intrri analogice (figura 5), configurat pentru citire de pe canalul 0 al plcii PXI-7831R (figura 6), i o funcie pentru ieiri digitale (figura 7), configurat pentru trecerea în starea True a semnalului de pe pinul TRIG0 al aceleiai plci reconfigurabile (figura 8). Fig 5 Fig 6
Fig 7 Fig 8 În poriunea de diagram din figura 9 se poate observa c cele dou funcii sunt apelate atunci când numrul de impulsuri depete valoarea 200. Fig 9 Indicatorul numeric, la care este trimis valoarea rezultat din operaia de intrare analogic, i cel boolean, la care este conectat valoarea logic True trimis funciei de ieire digital, au fost dispuse pe panoul aplicaiei (figura 10) pentru a asigura transferul ctre aceasta, prin intermediul server-ului NI-VISA, a valorilor de la placa reconfigurabil. Prezena celor dou funcii, de intrare analogic i de ieire digital, în aceeai fereastr a structurii Case din diagrama aplicaiei, asigur execuia cvasisimultan a acestora, într-un interval de 25 ns.
Fig 10 Comanda lansrii în execuie a aplicaiei, prin apsarea butonului Run, conduce la compilarea acesteia (figurile 11, 12 i 13) i transferarea sa automat în circuitul FPGA (figurile 14, 15 i 16). Fig 11 Fig 12 Fig 13 Fig 14
Fig 15 Fig 16 Pe un PC Pentium 4 la 2,8 GHz, compilarea VI-ului a fost efectuat în 1 min i 42 secunde, comparabil cu alte unelte software de configurare a circuitelor FPGA. În cursul execuiei, numrul de imuplsuri aprut la intrarea digital a plcii PXI-7831R este afiat în panoul aplicaiei (figura 17), iar în momentul în care s-a înregistrat un numr de 200 de impulsuri i au fost declanate operaiile de intrare analogic i ieire digital, faptul este semnalizat, fiind afiate i valoarea msurat a tensiunii (figura 18) Fig 17 Fig 18 Aplicaii Modulul LabVIEW 7 FPGA i placa reconfigurabil PXI-7831R au fost deja testate într-o gam larg de aplicaii de ctre companii partenere ale National Instruments. Compania elveian Nanonis Gmbh. a anunat, pentru luna septembrie a acestui an, lansarea unui controller pentru microscopie electronic cu baleiaj, declarând c utilizarea modulului LabVIEW 7 FPGA i a plcii reconfigurabile National Instruments a adus reduceri de costuri de circa 20.000 USD în etapa corespunztoare de dezvoltare a propriului produs. Woodward Industrial Controls, leader în domeniul tehnologiilor de control pentru industria energetic, a estimat, prin utilizarea modulului LabVIEW 7 FPGA i a plcii reconfigurabile PXI-7831R, o reducere cu circa 90 % a costurilor pentru realizarea unui simulator în timp real al unui motor cu ardere intern.