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Como embarcar o hardware
RIO e aquisição de dados no
seu sistema
Fernando Cassão
Engenheiro de Vendas
Anderson Takemoto Engenheiro de Campo
Agenda
•
Considerações no projeto de sistemas
embarcados
•
DAQ versus RIO
•
Integração com hardware
•
Desenvolvimento de software
ni.com
Considerações no projeto de
sistemas embarcados
Sistemas embarcados
• Um computador para aplicação
específica em sistemas com
processamento e E/S
Dispositivos médicos Eletrônica de consumo
Captura de imagens científicas Muito mais…
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Fatores Relevantes
• Necessidade de E/S • Modelo
• Interface de usuário (UI) • Desempenho
• Integração com outros HW/SW • Custo
1ª Consideração de projeto: Customização
• Concepção de um sistema a partir do zero, adaptados às
necessidades específicas
• Normalmente requer projeto e layout PCB
• Alto investimento em desenvolvimento • Menor custo para grandes quantidades
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A complexidade de um projeto customizado
• Custo em hardware e software
• Componentes mecânicos (não eletrônicos) • Custo de ferramentas de desenvolvimento EDA
• Especificação de projeto e seleção dos componentes • Prototipagem
• Projeto de hardware
• Verificação e teste de hardware • Desenvolvimento de software • Verificação e teste de software • Projeto mecânico
• Ferramental e configuração de manufatura • Teste de manufatura
• Engenharia de conformidade e ambiental
• Documentação, treinamento e suporte a clientes
• Gestão de estoque e questões EOL • Engenharia Sustentável
2ª Consideração de projeto:
Tecnologias comerciais prontas (COTS)
•
Compra e montagem de produtos de uso
comprovado
•
Rápido lançamento no mercado devido a
flexibilidade e rápida prototipagem
•
Baixo custo de desenvolvimento e manutenção
•Fácil migração para novas tecnologias
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Visão da NI: Construir versus comprar
Volume por ano
Cu
sto
100
1000
10000
Comprar (COTS) Construir (customizar)…
3ª Consideração de projeto: Terceirizar
•
NI Alliance partners podem desenvolver um
sistema específico às suas necessidades
•
Rede global com mais de 600 consultores,
integradores de sistema, desenvolvedores e
especialistas da indústria
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Aquisição de dados (DAQ) versus
E/S reconfiguráveis (RIO)
Opções de arquiteturas embarcadas
FPGA Processador RT E/S Entrada/Saída (E/S) (PC ou IHM - opcionais)14
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Dispositivos DAQ OEM
Desempenho
E/S reconfiguráveis (RIO)
Usando o LabVIEW para projeto de hardware
Benefícios do FPGA
• Controle de alta velocidade (contador e temporizador digital de 1 MHz - Controle de movimento e PID analógico de 200 kHz)
• Lógica dedicada em silício, maior confiabilidade
• DAQ inteligente (customização de temporização, trigger, sincronismo, contadores, PWM)
CompactRIO Single-Board RIO CompactRIO multicore PC RIO / R Series PXI / FlexRIO Processador FPGA E/S customizado
Curva da tecnologia NI RIO
Novo
Novo
E/S E/S E/S
Novo!
- Dispositivo NI Single-Board RIO
Modelo Processador Temp. de
operação Memória
Armazena-mento FPGA USB CAN
Alimenta ção sbRIO-9605 400 MHz -40 to 70 128M 256M Spartan-6 LX25 Não Não 9-30V sbRIO-9606 400 MHz -40 to 70 256M 512M Spartan-6 LX45 Hi-Speed (x1) Sim 9-30V
Metade do tamanho, metade do custo
• Dimensões pequenas: 10.3 x 9.65 cm.2
• Acesso direto ao processador e às E/S do FPGA através do conector RIO Mezzanine Card (RMC)
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DAQ versus RIO
DAQ RIO
Driver NI-DAQmx LabVIEW FPGA: mais flexível, maior esforço inicial de
programação
Sistema operacional Windows ou LabVIEW RT LabVIEW RT e FPGA (sem SO)
Configuração da controladora Controlado via PC Independente ou comunicando com PC
Tipo de E/S Tensão, sensores, automotivo
Tensão, sensores, automotivo, motor, protocolos digitais
customizados, módulos de terceiros
Controle de alta velocidade e processamento de sinais em linha
Estudo de caso #1: FedEx sistema
de controle para supressão de Fogo
• Monitoramento e controle da
temperatura do sistema de supressão
• Proteção do piloto, mercadorias, e avião
contra fogo
• Prototipagem e implantação rápida com
hardware RIO e o LabVIEW
“Fomos capazes de prototipar a aplicação com LabVIEW e o cRIO e facilmente migrar o código para a nova
plataforma NI Single-Board RIO quando na implantação” – “tudo em menos de um ano.”
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Estudo de caso #2: Monitoramento e detecção
antecipada de problemas dentários
• Digitalização dos dentes para exame de
imagem
• Adquire dados de radiometria e
luminescência
• Placa DAQ multifunção USB-6221 (OEM) e
LabVIEW
“Dois caros e pesados amplificadores lock-in
substituídos por um único módulo OEM de aquisição de dados da National Instruments e o software LabVIEW instalados no notebook para tornar ainda menor o sistema” –Quantum Dental
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Desenho dimensional
• ni.com/dimensions para dimensões
mecânicas
• PDF em 2D e modelos 3D para
software CAD: Pro/ENGINEER, SolidWorks e AutoCAD
Considerações de ligação
• Geralmente usamos conectores IDC de 34
ou 50 pinos
• Cabos flat para curtas distâncias
• Criar o seu próprio encaixe direto com a
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Placa-filha
• Diferentes condicionamentos de sinal e diferentes
conectores (ex: BNC, MIL-SPEC)
• Multisim e o Ultiboard são ferramentas NI para
projeto de circuito e de placa PCB
• Diversos pacotes de SW de 3º aplicados a Projetos
de Circuitos Eletrônicos (EDA)
Invólucro
• Dependente da aplicação
• Certificar que a temperatura permanece
dentro de uma faixa apropriada: resfriamento pode ser necessário
• Fabricantes de invólucros: Hoffman, Emcor,
Adalet
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Interface homem máquina (IHM)
Web Services
Serial/SPI Ethernet
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Pilha de software
•Ambiente de desenvolvimento
•Driver
•Sistema operacional
Ambiente de desenvolvimento
• Projeto gráfico de sistema com LabVIEW
• Produtividade do software comprovada
• Integração com hardware e abstração de tecnologias
comerciais
• Funções de análise, E/S de arquivos e de rede
• Linguagem de programação baseada em texto
• Dispositivos DAQ suportam C/C++ e .NET
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Desenvolvimento da aplicação
•
Muitos fatores de desenvolvimento
• Desempenho e requisitos de recurso • Metodologia (ex: interativa, em equipe)
•
ni.com/softwareengineering
• Explicações de práticas de engenharia de
software
• Toolkits como: Unit Test Framework,
Driver NI-DAQmx
•
Suporta todos os dispositivos NI de aquisição
de dados com uma API única (AI, AO, DIO,
CTR)
•
Otimizado para largura de banda e latência:
multithread
•
Windows 7/Vista/XP
• No caso de XP Embedded e Linux, versões
específicas
•
Aproximadamente 150 MB de Runtime
32 ni.com Configura canal Configura temporização Configura trigger Inicia aquisição Lê dados Apaga tarefa
Lê dados
DAQmxCreateAIVoltageChan( taskHandle, “Dev1/ai0”, “”, DAQmx_Val_Cfg_Default,
-10.0, 10.0, DAQmx_Val_Volts, NULL );
DAQmxCfgSampClkTiming( taskHandle, “”, 10000.0, DAQmx_Val_Rising, DAQmx_Val_FiniteSamps, 1000 );
DAQmxCfgDigEdgeStartTrig( taskHandle, “/Dev1/PFI0”, DAQmx_Val_Rising );
DAQmxStartTask( taskHandle );
DAQmxReadAnalogF64( taskHandle, -1, 10.0, 0, data, 1000, &read, NULL ); printf( “Acquired %d samples. %d”, read );
DAQmxClearTask( taskHandle ); Apaga tarefa Configura canal
Configura temporização
Inicia aquisição Configura trigger
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Kit de desenvolvimento de driver (MHDDK)
• Escreva seu próprio driver programando em
register-level
• Documentação e exemplos • Ótima opção para:
• Permuta de SO
• Um driver de código fonte aberto • Driver de menor dimensão possível
• Driver de desenvolvimento e RLP requer
LabVIEW
Programando CompactRIO - Scan Mode
Interface FPGA
E/S FPGA
Físico
LabVIEW Real-Time LabVIEW FPGA
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LabVIEW
Programando CompactRIO - Scan Mode
E/S FPGA
Físico
Sistema operacional
Propósito geral Embarcado
Sistemas operacional (SO)
Windows, Mac, Linux VxWorks, Phar Lap, QNX, Windows Embedded, Linux
Dimensão Grande Pequeno Overhead de
Processamento
Médio – Grande Pequeno
Opção real-time? Não Sim Melhor para
(contexto: embarcado)
Prototipagem, integração com software de 3º
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Implantar e replicar sistema
•
Criar instaladores com LabVIEW
•Utilitário Real-time Application
Deployment (RTAD)
• Implementar imagens RT e FPGA
em múltiplos targets
• Baixe a partir do Dev Zone
•
API de configuração de sistema
• Programaticamente carrega driver,
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Solicitações de customização
Exemplos Relançamento Validação adicional Conectores customizados Cabos customizados Mudança no modelo (apenas na placa) Drivers especiais Instaladores personalizados Modificação elétrica Modificação de um produto existente Desenvolvimento de um novo produtoPersonalização do produto Personalização do projeto
Para aplicações OEM de grande volume, a NI avalia
Regulamentos e certificações
• Diferentes certificações:
• EMC e CE
• Médica (ex: FDA)
• Segurança (ex: Área perigosa, IP e UL)
• Outras empresas proveem serviços para se obter certificações (ex:
42 ni.com Descrição Certificação Compatibilidade eletromagnética (Emissão, Imunidade, EMC/EMI) EN 55011 Class A at 10 m FCC Part 15A above 1 GHz
Industrial levels per EN 61326-1:1997 + A2:2001, Table A.1 CE, C-Tick, and FCC Part 15 (Class A) Compliant
89/336/EEC
Tempo médio entre falhas (MTBF)
Bellcore Issue 6, Method 1, Case 3 MIL-HDBK-217F
Segurança do produto 73/23/EEC
EN 61010-1, IEC 61010-1 UL 3111-1, UL 61010B-1 CAN/CSA C22.2 No. 1010.1
Áreas perigosas, Classe I, Divisão 2
Class I, Division 2, Groups A, B, C, D, T4; Class I, Zone 2, AEx nC IIC T4
Choque e Vibração IEC 60068-2-64 IEC 60068-2-27 IEC 60068-2-6
Gerenciamento do ciclo de vida
•
Notificamos clientes OEM quando
ocorrem atualizações de hardware
•
Normalmente enviamos notificação de
EOL entre os 6 a12 últimos meses que
antecedem a última data de venda
•
Oferecemos serviços de hardware,
incluindo garantia entendida, reparos e
calibrações
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Resumo
• Considerações: necessidade de E/S, modele, IU,
desempenho, integração com outros HW/SW, custo, tempo de lançamento no mercado
• Selecionar as ferramentas certas para o desempenho
do trabalho ou solicitar ajuda de empresas parceiras
• Dispositivos NI DAQ e RIO possuem E/S flexíveis para
uma variedade de aplicações embarcadas
• LabVIEW acelera o tempo de lançamento para
