Разработка средств сбора информации на основе NI Digital Electronics FPGA Board

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 , 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 .

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. /.

Внешний вид платы NI Digital Electronics FPGA Board представлен на рис. 1.

Основа платы – FPGA-чип семейства Xilinx Spartan3Е, особенностью семейства является встроенная конфигурационная память XC3S50Е, 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 GPIO0 – 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

Рис. 3. Фрагмент панели управления и индикации

для программирования FPGA – модуль для программирования ПЛИС (LabVIEW FPGA Module) /. 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.

Салих Соран Махмуд Салих – магистрант Института кибернетики Томского политехнического университета; тел. (382-2) 41-75-27

Дата подачи –28.10.11