CC BY
79РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ СБОРА ИНФОРМАЦИИ
НА ОСНОВЕ NI DIGITAL ELECTRONICS FPGA BOARD
*
Ю. К. Рыбин, М. А. Пушных , C. C. M. Caлих
Институт кибернетики Национального исследовательского Томского политехнического университета, 634034, Томск, Россия
ЗАО "Томский кабельный завод"
УДК 621.3.08
Рассматриваются технические характеристики и функциональные возможности комплекса разработки средств измерений на основе отладочной платы NI DIGITAL ELECTRONICS FPGA BOARD и программы LabVIEW.
Ключевые слова: средства измерений, отладочная плата, LabVIEW.
The article describes the device characteristics and features of the complex development of measuring physical quantities based on the debug board NI DIGITAL ELECTRONICS FPGA BOARD.
Key words: measuring instruments, development board, LabVIEW.
В настоящее время для совершенствования учебного процесса в вузах используются аппаратно-программные комплексы для быстрой и эффективной разработки и исследования средств измерений (СИ), контроля и испытаний. Компания National Instruments (NI) разработала новое устройство NI Digital Electronics FPGA Board (http://www.ni.com/), которое может применяться для этой цели, подключаясь к широко известным образовательным платформам NI ELVIS II и NI ELVIS II+. Устройство предназначено для использования в цикле лабораторных работ при изучении студентами таких дисциплин, как "Электроника", "Методы и средства измерений, испытаний и контроля", "Автоматизация измерений" и др. Это устройство может использоваться также разработчиками СИ, поскольку является единой удобной платформой, в которой объединены возможности по созданию цифровых и аналоговых схем. Новая плата является результатом совместного сотрудничества компаний NI и Xilinx, являющихся крупнейшими в мире производителями программного обеспечения измерительных систем и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Примененная при создании платы технология утверждена американской национальной образовательной корпорацией Project Lead The Way в качестве основной технологии обучения студентов и разработки СИ.
Базовым компонентом платы NI Digital Electronics FPGA Board является ПЛИС Xilinx Spartan-3E, которая может программироваться средствами графического программирования NI LabVIEW или в специализированной среде разработки Xilinx ISE webPACK (http://www.promelectronika.com/LabVIEW_Real_Time_Module.html).
Рис. 1. Внешний вид платы NI Digital Electronics FPGA Board: 1 - разъем питания; 2 - блок макетной платы общего назначения; 3 - блок сигнальной макетной платы ВВ2; 4 - выключатель питания; 5 - блок сигнальной макетной платы ВВ3; 6 - кнопка сброса; 7 - семисегментные дисплеи; 8 - USB-соединитель; 9 - LD-G-светодиод; 10 - светодиоды; 11 - FPGA; 12 - переключатель SW9; 13 - энкодер с кнопкой; 14 - кнопки; 15 - движковые переключатели; 16 - соединители; 17 - блок сигнальной макетной платы ВВ1; 18 - блок сигнальной макетной платы ВВ4; 19 - (NI ELVIS)-соединитель;
20 - блок сигнальной макетной платы ВВ5
ПЛИС - электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых схем логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задается посредством программирования. Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры Verilog, VHDL, AHDL и др. (http://www.promelectronika.com /LabVIEW_Real_Time_Module.html).
Внешний вид платы NI Digital Electronics FPGA Board представлен на рис. 1.
Основа платы - FPGA-чип семейства Xilinx Spartan3B, особенностью семейства является встроенная конфигурационная память XC3S50B, которая содержит:
- 50 000 эквивалентных вентилей;
- 3 блока двухпортовой высокопроизводительной памяти общей емкостью 54 кбит;
- энергонезависимую Flash-память (для хранения конфигурации) объемом 128 Кб (80 Кб из них свободны и могут быть использованы пользователем для собственных нужд);
- 3 блока умножителей.
В качестве подключенной памяти используется статическое ОЗУ емкостью 512 Кб. Также имеется шестиконтактный разъем для подключения JTAG-программатора FPGA/PROM. Максимальное напряжение, которое можно подать на плату, составляет 3,3 В.
Рис. 2. Фрагмент блочной программы обработки сигналов
NI Digital Electronics FPGA Board содержит шесть каналов для ввода аналоговых входных сигналов AI0 - AI5, а также 32 цифровые входные (выходные) линии общего пользования GPIOO - GPIO31.
При работе в системах конфигурация схемы, которая должна быть получена "внутри" ПЛИС, и алгоритм ее работы задаются на текстовом языке описаний (ADHL, VDHL или Verilog), напоминающем язык программирования высокого уровня. Программирование может быть выполнено также на графическом уровне в виде электрической схемы (в форматах OrCAD, PCAD, LabVIEW) либо с помощью блок-схем алгоритмов или графиков входных и выходных сигналов. В дальнейшем все этапы работы, включая программирование или загрузку ПЛИС, выполняет автоматизированная система.
Для разрабатываемого СИ алгоритм его работы будет задан на графическом уровне с помощью средств LabVIEW - интегрированной графической среды разработчика для создания интерактивных программ сбора, обработки данных и управления периферийными устройствами. Программирование осуществляется на уровне функциональных блок-схем (блок-диаграмм) с использованием графического языка G. LabVIEW имеет обширные библиотеки функций для решения различных задач: ввода-вывода, обработки, анализа и визуализации сигналов; контроля и управления технологическими объектами; статистического анализа и комплексных вычислений и др.
Основными преимуществами использования графической оболочки LabVIEW являются:
- относительная простота и доступность;
- наглядность (программная оболочка LabVIEW содержит простые универсальные средства визуализации данных);
- актуальность и перспективы (в настоящее время большинство программ, используемых при проведении лабораторных измерений и экспериментов, создаются на LabVIEW).
Программные приложения, создаваемые в LabVIEW и называемые виртуальными приборами (ВП), состоят из двух частей: блочной диаграммы, описывающей логику работы виртуального прибора (рис. 2), и лицевой панели, описывающей внешний интерфейс ВП (рис. 3).
Функциональная панель, или блок-схема, представляет собой иллюстрированный алгоритм действий ВП, одновременно являющийся исходным текстом ВП, в котором с помощью языка G осуществляется разработка исходного кода виртуального инструмента в виде отдельных графических пиктограмм, выполняющих различные функции, и связей между ними. Передняя, или лицевая, панель представляет собой интерактивный интерфейс пользователя и имитирует панель пульта управления, на котором размещаются кнопки, переключатели, индикаторы, диаграммы, графики и другие средства отображения и управления.
National Instruments предлагает инструмент для программирования FPGA - модуль для программирования ПЛИС (LabVIEW FPGA Module) (http://www.promelectronika.com /LabVIEW_Real_Time_Module.html). Модуль LabVIEW FPGA упрощает программирование ПЛИС за счет применения интуитивно понятного программного обеспечения. Среда LabVIEW позволяет абстрагироваться от кода VHDL, необходимого для описания работы ПЛИС, и открывает доступ к технологиям ПЛИС для всех специалистов независимо от их опыта в разработке цифровой аппаратуры. Графический подход к программированию в LabVIEW FPGA является очень удобным для отображения параллельности процессов, происходящих внутри ПЛИС. Кроме того, в программном обеспечении LabVIEW FPGA имеется более 200 готовых функциональных блоков, позволяющих ускорить реализацию разрабатываемых проектов.
С помощью рассмотренного комплекса средств разработана структурная схема вольтметра переменных напряжений с коррекцией нелинейности характеристики преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение. Проведено тестирование взаимодействия аппаратных и программных средств структурной схемы.
Рыбин Юрий Константинович - канд. техн. наук, доц. Института кибернетики Томского политехнического университета; тел. (382-2) 41-75-27; e-mail: rybin@tpu.ru;
Пушных Максим Александрович - инженер-метролог ЗАО "Томский кабельный завод"; e-mail: testmax@sibmail.com;
Салих Соран Махмуд Салих - магистрант Института кибернетики Томского политехнического университета; тел. (382-2) 41-75-27
Рис. 3. Фрагмент панели управления и индикации
Дата подачи -28.10.11
