Entorno Didáctico para Sistemas Digitales de Instrumentación y Control

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1 Entorno Didáctico para Sistemas Digitales de Instrumentación y Control Rafael Ramos-Lara 1, Mariano López-García 1, Enrique Cantó-Navarro 2 1 Universidad Politécnica de Catalunya, Victor Balaguer s/n, 000 Vilanova i Geltrú 2 Universidad Rovira i Virgili, Avda. Paisos Catalans, 26, 43007, Tarragona {lara, lopezg}@eel.upc.edu, ecanto@etse.urv.es Resumen. En este trabajo se presenta la experiencia didáctica desarrollada por los profesores de la Universidad Politécnica de Cataluña y la Universidad Rovira i Virgili con relación a los dispositivos FPGA (Field Programmable Gate Array) y su actual aplicación tecnológica. En este sentido se expone un conjunto de experiencias prácticas que permiten al estudiante profundizar en el diseño del sistemas de instrumentación y control basados en dispositivos FPGA s. Las experiencias presentadas forman parte del contenido de la asignatura Sistemas Digitales de Instrumentación y Control que se oferta actualmente como asignatura optativa en la Escuela Politécnica Superior de Ingeniería de Vilanova y la Geltrú (UPC). 1 Introducción Los avances en la fabricación de componentes electrónicos digitales y las tecnologías de integración de estos, han potenciado e incrementado el uso de dispositivos lógicos programables en los diseños que requieren cierta complejidad y que realizados con componentes discretos obligaría a emplear un número elevado de circuitos integrados. Esta tendencia viene apoyada por el fuerte desarrollo de las tecnologías relacionadas con este tipo de dispositivos, tanto en lo que se refiere a la tecnología de fabricación como respecto a los programas de desarrollo y configuración de los mismos. Actualmente los dispositivos programables no solo constituyen una solución para aplicaciones de complejidad media/baja, sino que también reúnen las prestaciones suficientes para implementar diseños de muy alto nivel de complejidad hasta ahora reservados a microprocesadores de altas prestaciones o DSPs [1], [2]. Basta indicar, a modo de ejemplo, que la capacidad de la FPGA XC4VFX140 de Xilinx [3] contiene bloques lógicos configurables, kbits de memoria RAM distribuida en 552 bloques, 192 bloques Xtreme DSP que contienen cada uno de ellos un multiplicador de 1x1 bits, un acumulador y un sumador; 2 procesadores RISC IBM PowerPC 405, 20 Digital Clock Manager (DCM), 1 convertidor analógico-digital de 20 bits y 200kSPS, 4 módulos Ethernet Media Access Controller (MAC), 24 full-duplex serial transceivers capaces de alcanzar una velocidad de transmisión de hasta 11.1Gb/s y 96 pines de entrada/salida disponibles para el usuario. 257

2 Desde este punto de vista y previendo la importancia de esta materia en un futuro inmediato se presentan en este artículo un conjunto de experiencias didácticas de bajo coste que permiten al estudiante abordar el diseño, simulación e implementación práctica de sistemas basados en dispositivos FPGA s para aplicaciones de instrumentación y control. Cabe destacar que estas experiencias forman parte de los contenidos de la asignatura Sistemas Digitales de Instrumentación y Control (SDIC), que se oferta actualmente en la Universidad Politécnica de Cataluña, como asignatura optativa en la titulación de Ingeniería en Automática y Electrónica Industrial. En el apartado 2 se resumen las herramientas de trabajo utilizadas para llevar a cabo las experiencias propuestas. En los apartados 3, 4, 5, 6 y 7 se describen brevemente el conjunto de experiencias propuestas. Finalmente, en el último apartado se resumen las conclusiones del presente trabajo. 2 Herramientas de trabajo El software utilizado para desarrollar las experiencias didácticas es el ISE Foundation de Xilinx. Este programa es un potente entorno de trabajo que incorpora un completo conjunto de herramientas que permiten realizar de forma sencilla todos los pasos involucrados en el proceso de diseño y realización de un sistema digital con los dispositivos programables de Xilinx. Para ello dispone de diversas herramientas que permiten definir el diseño: el editor de esquemáticos, el editor de lenguajes de alto nivel (ABEL, VHDL, Verilog), el editor de diagramas de estados StateCAD, el generador de componentes CORE Generator, etc. También incorpora un simulador que permite realizar simulaciones funcionales, donde se evalúa únicamente las funciones lógicas asociadas al diseño, y simulaciones temporales donde se tiene en cuenta además los retardos derivados del rutado resultante de compilar el diseño. Además del software ISE Foundation, en las experiencias propuestas intervienen una serie de placas de evaluación de bajo coste que se utilizan para desarrollar los diseños propuestos. En total se dispone de cuatro placas, las dos primeras son placas comerciales [4] y las dos últimas han sido diseñadas por los autores del presente trabajo: 1. Placa Digilab IIE: incorpora una FPGA Spartan2E de puertas lógicas equivalentes, así como cuatro puertos de expansión, un puerto de comunicación serie RS-232, un puerto paralelo, un reloj de 50MHz y un zócalo para colocar la memoria que contiene la configuración de la FPGA. 2. Placa DIO1: esta placa de expansión dispone de un display de 4 dígitos de 7 segmentos, cuatro botones, diodos luminosos, interruptores, un puerto VGA y un puerto PS2. 3. Placa de convertidores DAC y ADC: esta placa incorpora un convertidor ADC MAX1246 de cuatro canales analógicos de entrada con una frecuencia máxima de muestreo de 133kS/s y compatible con el bus SPI/QSPI, Microwire y DSP s TMS320. También incorpora un convertidor DAC MAX5253 de 4 canales de salida con bits 12 de resolución y compatible con el bus SPI/QSPI y Microwire. La placa dispone de dos sensores de temperatura: un sensor analógico AD22103, con salida por tensión y rango de funcionamiento entre 0ºC y 100ºC, y un sensor digital DS1S20/DS122 con interface 1-Wire, 9/12 bits de precisión y un rango de medida de -55ºC a 125ºC (ver figura 1a). 4. Placa de drivers: esta placa dispone de un integrado L293E con cuatro canales Push- Pull, adecuados para controlar el funcionamiento de motores DC, y de un sistema de 25

3 acondicionamiento de un fotointerruptor utilizado en la medida de la velocidad de giro de un motor de corriente continua (ver figura 1b). (a) Fig. 1. (a) Placa de convertidores y (b) placa de driver. (b) 3 Experiencia primera: Introducción al diseño digital basado en dispositivos FPGA Esta primera experiencia pretende iniciar al estudiante en el conocimiento del entorno de desarrollo Digilab IIE, que contiene la FPGA con la que se realizan los diseños, y la placa de expansión DIO1. A través de un ejemplo de diseño, consistente en un conversor binario-bcd con visualización en un display de 7 segmentos, el estudiante va adquiriendo habilidad de diseño con las diferentes herramientas que incorpora el software ISE Foundation: el editor de diseños esquemáticos Schematic Editor (ECS), el editor de sistemas secuenciales StateCAD, el generador de bloques lógicos CORE Generator, etc. El objetivo final de esta experiencia es que el estudiante se familiarice con el entorno de trabajo, tanto a nivel de software como a nivel de hardware. 4 Experiencia segunda: Voltímetro digital con el ADC MAX1246 y el µp PicoBlaze Esta experiencia tiene como objetivo introducir al estudiante en el uso de microprocesadores software como parte integrante de un diseño FPGA. El estudiante puede comprobar, mediante este ejercicio de diseño práctico, las ventajas de utilizar un sistema microprocesador en una aplicación basada en FPGA. El estudiante deberá ser capaz de modificar la estructura original del microprocesador para adaptarla a las necesidades de la aplicación. En una primera parte de esta experiencia docente se realiza una descripción del µp PicoBlaze [5] de bits diseñado en VHDL para FPGA s de Xilinx. Se comenta la arquitectura de este microprocesador así como el conjunto de instrucciones que ejecuta. Para facilitar la comprensión de este dispositivo se presentan dos sencillas aplicaciones basadas en el µp 259

4 PicoBlaze: un sumador de dos números de 4 bits y el control de un display de cuatro dígitos de 7 segmentos. En la segunda parte de esta experiencia didáctica el alumno debe desarrollar una aplicación de instrumentación consistente en un voltímetro digital basado en el convertidor de 12 bits MAX1246 y controlado por el µp PicoBlaze. El voltímetro debe ser capaz de medir tensiones de entrada para un rango de valores comprendido entre 0 y 2.5V con 3 decimales de precisión y visualizar el resultado en el display de 4 dígitos de 7 segmentos. También debe ser capaz de enviar el resultado en código ASCII a un PC a través del puerto de comunicación serie RS232 con un velocidad de transmisión de baudios (ver figura 2). 3.3k 10k 3.3V Vi CH0 COM 0V Vi 2.5V MAX 1246 SCLK CS DIN SSTRB DOUT /SHDN FPGA XC2S200/2E D P111 P113 P115 P120 P122 P125 D/2E P109 P111 P113 P115 P120 P122 Byte de control SW1...SW RS232 Full duplex LED s LD1...LD Fig. 2. Esquema del voltímetro digital basado en el convertidor MAX1246. En esta práctica el µp PicoBlaze controla el funcionamiento del convertidor ADC MAX1246, a través de protocolo de comunicación serie SPI, y procesa el resultado de la conversión para obtener el valor de la tensión de entrada, con tres decimales de precisión, en código BCD y ASCII. El resultado en código BCD se visualiza en el display de 4 dígitos y el resultado en código ASCII se envía al PC a través del puerto serie que incorpora la placa DIGILAB IIE y se visualiza en el PC mediante el Hiperterminal. El estudiante debe diseñar un programa que controle el convertidor ADC y procese adecuadamente el resultado para extraer la información de la tensión, realizando rutinas básicas como la de multiplicación de 16 por 16 bits, conversión binario-bcd, conversión binario ASCII, etc. Igualmente el estudiante debe modificar la estructura original del µp Pico- Blaze para adaptarlo a las necesidades de la aplicación. Para ello, deberá incorporar un número adecuado de puertos de entrada y salida, así como variar el proceso que controla el puerto de comunicación serie para configurar la velocidad de transmisión a baudios. 260

5 5 Experiencia tercera: Medida de temperatura con el sensor AD22103 En esta experiencia el estudiante desarrolla un sistema de monitorización de la temperatura basado en el sensor analógico de temperatura AD22103 de Analog Devices cuya tensión de salida sigue la siguiente expresión: Vs Vo 0.25V 2mV º C 3.3V El convertidor ADC MAX1246 digitaliza la tensión (1) proporcionando un resultado de 12 bits que debe ser procesado convenientemente para calcular la temperatura con un decimal de precisión. Posteriormente el valor de la temperatura en código ASCII se envía al PC a través del puerto serie. El procesado a realizar consiste básicamente en eliminar la componente continua de la expresión (1), multiplicar el resultado por el factor de conversión adecuado para obtener una sensibilidad de 10 unidades/ºc y realizar la conversión binario-bcd. Todas estas funciones quedan englobadas en un bloque denominado acondicionador digital de señal que debe diseñar el estudiante. Para ello, en primer lugar evaluará dos posibles soluciones de realización: una solución software consistente en una rutina que lleva a cabo todas las funciones descritas y una solución hardware basada en diseñar un bloque específico que contenga los elementos necesarios (restador, multiplicador, conversor binario-bcd) para realizar el procesado y que actuará como periférico del µp PicoBlaze. Como resultado de la evaluación el estudiante debe comprobar que la solución hardware tiene como inconveniente que consume mas recursos de la FPGA, pero presenta la importante ventaja de que es capaz de realizar el cálculo en pocos ciclos de reloj, mientras que con la solución software se invierten decenas de ciclos de reloj en obtener el resultado. Puertos de salida PicoBlaze Puertos de entrada ADC 7-0 ADC 11- Decena Unidad 1 er Decimal T A Acondicionador digital de señal - x Binario-BCD Fig. 3. Esquema del acondicionador digital de señal como periférico del µp PicoBlaze. El principal objetivo de esta práctica es conseguir que el estudiante adquiera las habilidades necesarias para realizar aplicaciones que combinen adecuadamente microprocesadores con periféricos diseñados a medida de forma que se optimice el diseño en relación a los recursos utilizados y la velocidad de ejecución. (1) 261

6 6 Experiencia cuarta: Conversor RMS síncrono El estudiante debe realizar en este caso el diseño e implementación de un sistema que calcula el valor eficaz (RMS) de una señal periódica v(t) definido como: V RMS 1 2 T v t dt donde T es el periodo de la señal v(t). En la figura 4 se muestra el diagrama de bloques de una implementación analógica de la expresión (2) que contiene un elevador al cuadrado para calcular v(t) 2, un filtro paso bajo de primer orden que permite obtener el valor medio y un extractor de raíz cuadrada en cuya salida se obtiene el valor eficaz de la señal. El estudiante debe realizar un diseño que reproduzca digitalmente la función realizada por cada uno de estos tres bloques. El diseño debe controlar además el convertidor ADC MAX1246 que digitaliza la señal de entrada v(t) con una precisión de 12 bits y el convertidor DAC MAX5253 que proporciona en su salida el valor eficaz de la señal v(t) de entrada. Para aumentar la velocidad de proceso se realiza un diseño hardware de los tres bloques que componen el extractor RMS utilizando el µp PicoBlaze únicamente para controlar los convertidores, el puerto serie y coordinar el funcionamiento de los tres bloques que forman el extractor RMS (ver figura 5). (2) v(t) X Y Cuadrado v(t) 2 R XY C 1 2 v t dt T _ Valor medio Raíz cuadrada V eff Fig. 4. Esquema funcional de los bloques de un conversor RMS. FPGA XC2S200 v(t) ADC 12 12b 11b signo CONVERSOR RMS v(n) 2 22 Valor medio Raíz cuadrada DAC 12b V eff PicoBlaze RS-232 Fig. 5. Diseño FPGA del conversor RMS. 262

7 Una parte importante de esta práctica es el dimensionado adecuado de los tres bloques hardware a diseñar en relación al número de bits de precisión utilizados para calcular cada una de las funciones asociadas a la obtención del valor eficaz. El objetivo del dimensionado es obtener una buena relación entre el error de cálculo cometido con respecto al valor eficaz ideal y la cantidad de recursos de la FPGA utilizados en la implementación del diseño. Lógicamente, mientras mayor sea el número de bits de precisión menor será el error cometido pero mayor será el porcentaje de recursos utilizados. Para realizar el dimensionado el estudiante dispone de un modelo Simulink (MatLab) que reproduce el comportamiento del diseño FPGA y de un conversor RMS ideal (ver figura 6). Este modelo proporciona, además, información sobre el error relativo y absoluto entre el valor RMS obtenido con el diseño FPGA y el valor obtenido con el conversor RMS ideal. El alumno puede ajustar los parámetros (bits de precisión) del diseño FPGA del modelo Simulink y determinar cuales son los valores más adecuados para optimizar el diseño en referencia al error y al número de puertas lógicas equivalentes necesarias para implementarlo. DISEÑO FPGA RMS IDEAL CALCULO DE ERROR Fig. 6. Modelo Simulink del diseño FPGA y de un convertidor RMS ideal. Con esta práctica se pretende que el alumno adquiera habilidades como el conocimiento de estrategias de implementación de bloques de procesado digital de señal, que sea capaz de diseñar y dimensionar adecuadamente los componentes y bloques necesarios para realizar operaciones de procesado de señal y que conozca métodos de simulación que permitan validar y optimizar las prestaciones del diseño en relación al error cometido y recursos utilizados. 7 Experiencia quinta: Control de un motor DC El control de velocidad de un motor de corriente continua constituye un ejemplo clásico dentro del ámbito de aplicación de la regulación automática. En esta experiencia el estudiante realiza el diseño de un control de un motor de corriente continua utilizando la placa de expansión que incorpora el driver de cuatro canales L293E (ver figura 7). En primer lugar el estudiante realiza el diseño del control en lazo abierto compuesto por un modulador de anchura de pulso (PWM) de bits de precisión. El estudiante puede comprobar 263

8 como variando el valor del ciclo de trabajo se modifica la tensión de alimentación del motor y con ello la velocidad y el sentido de giro del mismo. En la siguiente fase de la práctica el estudiante diseña un sistema de monitorización de la velocidad de giro del motor basado en un fotointerruptor. El valor de la velocidad se visualiza, en revoluciones por segundo, en el display de 4 dígitos de la placa DIO1. Placa de drivers FPGA L293E Acondicionador Fig. 7. Esquema del sistema de control de velocidad de un motor de corriente continua. En la última parte de esta experiencia didáctica el estudiante incorpora al diseño un control PID para regular la velocidad de giro. En la figura se muestra el diagrama de bloques y la función de transferencia del control PID implementado mediante una aproximación rectangular y utilizando el algoritmo de velocidad [6], donde e(n) es la señal de error definida como la diferencia entre la velocidad real y la deseada. e(n) E(z) K P D I (z) D D (z) u(n) U(z) u n u n 2 K e n K e n 1 K e n 2 K K K 1 2 p K K 3 i d K d K T 2K d T K T K T p T 1 i 2 3 Fig.. (a) Diagrama de bloques del control PID y (b) función de transferencia. El estudiante debe realizar la implementación del control PID siguiendo la estructura mostrada en la figura 9. z -1 e(n-1) e(n) z -1 e(n-2) K 1 X K 2 X K 3 X u(n-2) z -1 z -1 u(n) Fig. 9. Esquema de la implementación digital del control PID. 264

9 Modificando adecuadamente los parámetros del control PID, el estudiante puede observar la respuesta del sistema en régimen permanente y su comportamiento frente a saltos de la consigna de velocidad. También puede comparar los resultados obtenidos en la práctica con los resultados obtenidos mediante simulación. Conclusiones En esta comunicación se ha presentado un conjunto de experiencias didácticas para el diseño de sistemas de instrumentación y control basado en dispositivos FPGA de Xilinx, utilizando para ello el software ISE Foundation de Xilinx y placas de evaluación de bajo coste que permiten realizar las experiencias propuestas. Estas experiencias docentes permiten al estudiante adquirir gradualmente un conjunto de habilidades y capacidades necesarias para realizar diseños de complejidad media-alta basados en FPGA, con especial incidencia en el diseño de aplicaciones de instrumentación y control. Entre estas capacidades cabe destacar: Utilización combinada de las herramientas de diseño disponibles en el software ISE Foundation de Xilinx. Capacidad de integrar en un diseño microprocesadores software modificando adecuadamente su estructura para adaptarla a las necesidades de la aplicación. Capacidad de determinar que parte del diseño se resuelve con sistemas microprocesadores y que parte se implementa mediante periféricos diseñados a medida de forme que se optime el tiempo de ejecución y los recursos disponibles. Capacidad de dimensionado óptimo de los bloques de procesado digital en base al análisis de los resultados de error obtenidos mediante simulación. Capacidad de implementar arquitecturas básicas de controladores digitales. Referencias 1. Jenkins, Jesse H.: Designing with FPGAs and CPLDs. Prentince Hall, New Jersey Salcic Z., Smailagic A.: Digital Systems Design and Prototyping Using Field Programmable Logic. Kluwer Academic Publishers Xilinx Company Inc.: Virtex-4 Family Overview Chapman K.: PicoBlaze -Bit Microcontroller for Virtex-E and Spartan-II/IIE Devices. Xilinx Application Note XAPP213, Ahmed I.: Implementation of PID and Deadbeat Controllers with the TMS320 Family. Application Report SPRA03, Texas Instruments,