РАЗРАБОТКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ НА ОСНОВЕ NI DIGITAL ELECTRONICS FPGA BOARD

Авторы: Маслюк Ю.А., Холстинина А.В., Салих С.М.
Источник: VI Международная научно-практическая конференция. ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ - 13–16 октября 2010г. Часть 2.

Для совершенствования учебного процесса в вузах сегодня стали использо- ваться аппаратно-программные комплексы для быстрой и эффективной разра- ботки и исследования средств измерений (СИ), контроля и испытаний. Компания National Instruments разработала новое устройство – NI DIGITAL ELECTRONICS FPGA BOARD [1], которое может применяться для этой цели, т. к. может под- ключаться к уже широко известным образовательным платформам NI ELVIS II и NI ELVIS II+. Устройство предназначено для использования в цикле лаборатор- ных работ при изучении студентами таких дисциплин, как «Методы и средства измерений, испытаний и контроля», «Автоматизация измерений» и др. Это уст- ройство может использоваться и разработчиками СИ, т. к. является единой удоб- ной платформой, в которой объединены возможности по созданию цифровых и аналоговых схем. Новая плата является результатом совместного сотрудничества National Instruments и Xilinx – компаний, являющихся крупнейшими в мире про- изводителями программного обеспечения измерительных систем и программи- руемых логических интегральных схем (ПЛИС). Применённая при создании пла- ты технология уже 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 графиче- ского программирования NI LabVIEW или в специализированной среде разра- ботки Xilinx ISE webPACK [2].

ПЛИС – электронный компонент, используемый для создания цифровых ин- тегральных схем. В отличие от обычных цифровых схем логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования. Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позво- ляющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиаль- ной электрической схемы или программы на специальных языках описания ап- паратуры Verilog, VHDL, AHDL и др. [2].

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

Основа платы – FPGA чип семейства Xilinx Spartan3Е, отличительной осо- бенностью семейства является встроенная конфигурационная память XC3S50Е:

– емкость – 50 тысяч эквивалентных вентилей;

– содержит 3 блока двухпортовой высокопроизводительной памяти, общей емкостью 54 кбит;

– 128 кБайт энергонезависимой Flash памяти (для хранения конфигурации), 80 кбайт из них свободны и могут быть направлены пользователем для собствен- ных нужд;

– содержит 3 блока умножителей.

В качестве подключенной памяти выступает статическое ОЗУ емкостью 512 кбит. Также имеется шестиконтактный разъем для подключения JTAG про- грамматора FPGA/PROM. Максимальное напряжение, которое можно подать на плату, составляет 3,3 В.

Для разработки СИ понадобятся следующие компоненты:

– аналоговые входные каналы; АЦП; FPGA; семисегментные дисплеи.

NI Digital Electronics FPGA Board содержит шесть каналов для аналоговых входных сигналов A10 – A15, 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 её 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 при помощи 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. LabVIEW – интегрированная графическая среда разработчика для создания интерактивных программ сбора, обработки данных и управления периферийными устройствами. Программирование осуще- ствляется на уровне функциональных блок-схем (блок-диаграмм) с использова- нием графического языка G. LabVIEW имеет обширные библиотеки функций для решения различных задач: ввод/вывод, обработка, анализ и визуализация сигна- лов; контроль и управление технологическими объектами; статистический анализ и комплексные вычисления и др.

Основными преимуществами использования графической оболочки LabVIEW являются:
– относительная простота и доступность;
– наглядность, т. к. программная оболочка LabVIEW содержит простые уни- версальные средства визуализации данных;
– актуальность и перспективы: в настоящее время большинство программ, связанных с лабораторными измерениями и экспериментами, создаются на LabVIEW.

Программные приложения, создаваемые в LabVIEW, носят название виртуаль- ных приборов, которые состоят из двух частей: блочной диаграммы, описываю- щей логику работы ВП и лицевой панели, описывающей внешний интерфейс ВП;
– передняя или лицевая панель, представляющая собой интерактивный ин- терфейс пользователя и имитирующая панель некоторого пульта управления, на котором размещаются кнопки, переключатели, индикаторы, диаграммы, графики и другие средства отображения и управления;
– функциональная панель или блок-схема, представляющая собой иллюст- рированный алгоритм действий ВП, одновременно являющийся исходным тек- стом ВП, в которой с помощью языка G осуществляется процесс разработки ис- ходного кода виртуального инструмента в виде отдельных графических пикто- грамм, осуществляющих различные функции, и связей между ними [2]. National Instruments предлагает инструмент для программирования FPGA – модуль для программирования ПЛИС (LabVIEW FPGA Module) [2]. Модуль LabVIEW FPGA упрощает программирование ПЛИС за счет приме- нения интуитивно понятного программного обеспечения. Среда LabVIEW позво- ляет 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 программи- рованию в LabVIEW FPGA является очень удобным для отображения параллель- ности процессов, происходящих внутри ПЛИС. Кроме того, в программном обеспечении LabVIEW FPGA уже имеется более двухсот готовых функциональ- ных блоков, позволяющих ускорить реализацию прорабатываемых проектов [2].

National Instruments предлагает инструмент для программирования FPGA – модуль для программирования ПЛИС (LabVIEW FPGA Module) [2].

Модуль LabVIEW FPGA упрощает программирование ПЛИС за счет приме- нения интуитивно понятного программного обеспечения. Среда LabVIEW позво- ляет 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 программи- рованию в LabVIEW FPGA является очень удобным для отображения параллель- ности процессов, происходящих внутри ПЛИС. Кроме того, в программном обеспечении LabVIEW FPGA уже имеется более двухсот готовых функциональ- ных блоков, позволяющих ускорить реализацию прорабатываемых проектов [2].

В работее приводятся результаты разработки следующих СИ: высокоточного термометра с коррекцией нормируемой статической характеристики термосопро- тивления, вольтметра переменных напряжений с коррекцией нелинейности де- тектора и функционального генератора с малыми искажениями выходного на- пряжения.

Литература

1. National Instruments Corporation NI Digital Electronics FPGA Board. User Man- ual. Circuit Development Platform. USA: National Instrumants Corporation, 2009. 52 с.
2. Модули и библиотеки LabVIEW [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.promelectronika.com/LabVIEW_Real_Time_Module.html, свободный. Загл. с экрана.