Jste zde

Meteorologický radar: od návrhu až po nasazení s platformou NI

Vyvinuli jsme meteorologický radar s flexibilní jednotkou pro zpracování signálů, která bude připravena na možné změny v návrhu, a vymysleli způsob pro verifikaci systému prostřednictvím kosimulace digitální a analogové části.
A řešení? Velmi výhodné použití platformy NI FlexRIO pro hardware digitální části, využití grafického přístupu k návrhu systému pro usnadnění možných změn v návrhu softwaru a použití možnosti kosimulace mezi systémy AWR Visual System Simulator (VVS) a NI LabVIEW pro společnou simulaci analogové a digitální části na úrovni systému.
 

 
Společnost Furuno Electric Co., Ltd. od uvedení prvního vyhledávače ryb na světě v roce 1948 stabilně roste. S použitím radaru a GPS jakožto svých základních technologií jsme svou nabídku rozšířili o elektroniku pro námořní využití. Časté krátké lijáky na omezeném území, nazývané v angličtině „guerilla rain“, spolu s tornády způsobily záplavy a zničení domů, rozvodnění řek a sesuvy bahna v horských oblastech Japonska. To nás motivovalo k orientaci na nový obor. Soustředíme se nyní na meteorologické radary. Věříme, že díky naší technologii a znalostem, které jsme v průběhu let získali při práci na námořních radarech, dokážeme takovým přírodním pohromám předcházet.
 
Obr. 1: Rozdíl mezi meteorologickým radarem Furuno a konvenčním meteorologickým radarem
 
Meteorologické radary jsou navrženy k tomu, aby předpovídaly počasí a monitorovaly hurikány a srážkové fronty, přičemž jejich rozměry mohou být značné. Rozhodli jsme se vyvinout kompaktní a nenákladný meteorologický radarový systém, který by pomohl předpovídat silné průtrže a předcházet dalším škodám způsobeným přírodními živly (obr. 1). Jak je pak vidět na obr. 2, základní stavební bloky budou stejné jako u typického radaru. Hlavní funkcí totiž bude zjistit informace o cíli prostřednictvím vysílání radiových vln a měření zpoždění a úrovní odrazu od cíle. V případě námořních radarů jsou cílem obvykle jiné lodě, u radarů meteorologických nás bude zajímat déšť či sníh.
 
Obr. 2: Základní konfigurace meteorologického radaru
 
Dále je popsána funkce každého bloku:
 
  • Operation/Display Unit (Provozní / Zobrazovací jednotka) - slouží k ovládání meteorologického radaru a zobrazení naměřených informací
  • Signal Processing Unit (Jednotka pro zpracování signálu) - slouží ke generování vysílaných průběhů, řízení signálů souvisejících s vysíláním / příjmem a zpracování přijímaných signálů (A/D převod)
  • RF Converter (Vf konvertor) - ve vysílací cestě je mezifrekvenční signál z jednotky pro zpracování signálu konvertován na vf signál (pásmo X, 9,4 GHz). V cestě přijímače pak bude vf signál získaný z antény převáděn na mezifrekvenci
  • Power Amplifier (Výkonový zesilovač) - používá se k zesilování vf signálu z konvertoru
  • Circulator (Cirkulátor) - používá se k oddělení vysílací a přijímací trasy. Ve vysílací je signál z výkonového zesilovače šířen prostřednictvím antény. V cestě přijímače pak bude signál přijímaný anténou odesílán do vf konvertoru
  • Antenna (Anténa) - ve vysílací cestě je signál z cirkulátoru šířen do okolí a v cestě pro příjem bude získáván signál odražený od cíle
 
Při vývoji meteorologického radaru jsme čelili dvěma hlavním výzvám:
 
  • Potřeba vývojové metody pro flexibilní reakci na změny v návrhu
Meteorologický radar jsme vyvíjeli poprvé. Předpokládali jsme, že při práci na prototypu a během verifikace vyvstane potřeba častých oprav a změn. Nicméně soustředili jsme se především na jednotku pro zpracování signálu. Doposud jsme používali vlastní návrhový proces, který zahrnoval návrh desky plošných spojů, programování obvodu FPGA v jazyce HDL a programování softwaru běžícího na CPU v jazyce C. Takový návrhový proces může být problematický, když je potřeba provést revizi. Potřebovali jsme proto proces, který dokáže na revize pružně reagovat.
 
 
  • Potřeba unifikovaného prostředí pro provádění simulací na úrovni systému
Neexistovalo praktické unifikované prostředí pro provádění simulací digitálních obvodů (jednotka pro zpracování signálu) a analogových obvodů. U takového typu vf systému jsou digitální a analogové obvody obvykle navrhovány nezávisle a následně jsou verifikovány v různých prostředích. Digitální a analogové obvody jsou simulovány nezávisle na sobě. Návrh digitálních a analogových obvodů se považuje za kompletní, když jsou kompletní simulace. Potom se považuje za hotový i návrh celého systému. Ve skutečnosti dochází k verifikaci systému, který zahrnuje digitální i analogové části, poprvé až ve fázi prototypu. Některé simulátory analogových obvodů dokážou využít kód pro zpracování signálu napsaný v jazyce C a provádět současnou simulaci obvodu a kódu. Nicméně pro návrháře analogových obvodů je psaní takového kódu obtížné a nejde o efektivní využití zdrojů.
 
  • „Odhadujeme, že ve srovnání s konvenčním vývojovým procesem, používaným při vývoji podobných nových produktů, jsme s pomocí řešení NI zkrátili čas potřebný pro vývoj o více než 40 procent.“
 
Takuo Kashiwa, Ph.D., Furuno Electric Co., Ltd.
Funkce radarů od různých výrobců závisejí na algoritmech a intelektuálním vlastnictví, které jsou použity v jednotce pro zpracování signálu. Pro zvýšení výkonu systému musí výrobce nejprve verifikovat výkon systému jako metriku tak, že vyvine analogový obvod odpovídající jednotce pro zpracování signálu, unikátní pro daného výrobce, místo toho, aby se snažil vylepšit fungování analogového obvodu samotného. Pro uskutečnění takového procesu je nutná kosimulace jednotky pro digitální zpracování signálu a analogové části.
 
Jako odpověď na tyto výzvy jsme zvolili řešení od National Instruments. Pro každou oblast jsme zvolili jeden z níže uvedených přístupů.
 
 

Přechod na grafický návrh systémů

 
Jako odpověď na první výzvu jsme se rozhodli implementovat jednotku pro zpracování signálu na platformě NI FlexRIO. Platforma NI FlexRIO se skládá ze třech částí: FPGA modulu NI FlexRIO, který zahrnuje rekonfigurovatelný obvod FPGA a dále z adaptérového modulu poskytujícího vysoce výkonné vstupy a výstupy a ze systému PXI. Všechen software byl implementován v návrhovém prostředí NI LabVIEW. Prostřednictvím doplňku NI LabVIEW FPGA Module můžeme graficky z LabVIEW programovat i obvod FPGA. S pomocí této grafické metody pro vývoj systémů můžeme vytvářet nové revize tak, že pro fixní hardware píšeme grafický kód v LabVIEW.
 
Obr.3: Vnější pohled na vyvinuté meteorologické radary
 
Další výhodou spojenou s použitím hardwaru NI FlexRIO byla mimořádná jednoduchost vývoje mechanismu pro sběr dat. Protože šlo o naši první aplikaci typu meteorologický radar, nevěděli jsme, jaké hodnoty očekávat při detekci deště a sněhu. Proto jsme chtěli mít systém, který dokáže ve fázi prototypu ukládat na pevný disk (HDD) velké objemy dat. Nicméně v případě tradičních návrhových postupů by byl návrh takového systému od začátku spojen se značným úsilím. Hardware NI FlexRIO dokáže snadno ukládat data na HDD bez nutnosti dodatečné práce na návrhu.
 

 

Použití kosimulace mezi AWR VSS a LabVIEW

 
Druhou výzvu jsme vyřešili tak, že jsme využili možnosti kosimulace sady AWR Visual System Simulator (VSS) a systému LabVIEW. VSS je software pro návrh bezdrátových komunikačních systémů, který jsme používali při návrhu analogové části. Díky možnosti kosimulace je možné volat a spouštět kód vytvořený v LabVIEW z prostředí VSS. Analogové obvody v systému VSS a kód vytvořený v LabVIEW byly kosimulovány tak, že jsme importovali LabVIEW kód vytvořený naším specialistou pro jednotku pro zpracování signálu. To znamená, že jsme nejen mohli ověřit fungování analogové části samostatně, ale také zkontrolovat funkcionalitu systému, který zahrnuje i jednotku pro zpracování signálu. V průběhu tohoto procesu nenarazili návrháři analogových obvodů na žádné technické problémy. Protože jsme mohli přímo použít kód v LabVIEW pro systém NI FlexRIO, mohli jsme předem prověřit fungování celého systému.
 
 

Zkrácení délky vývoje o více než 40 procent

 
S pomocí doposud popsaných metod jsme dokázali navrhnout, sestavit prototyp, vyhodnotit a upravit funkce a charakteristiky našeho meteorologického radaru (obr. 3 a 4). Čas, který jsme k dosažení tohoto cíle potřebovali, byl pozoruhodně krátký. Odhadujeme, že ve srovnání s konvenčním vývojovým procesem, používaným při vývoji podobných nových produktů, jsme s pomocí řešení NI zkrátili čas potřebný pro vývoj o více než 40 procent.
 
Obr. 4: Obrázek získaný zpracováním 3D obrazových dat z meteorologického radaru. Lze na něm pozorovat ustávající déšť na obloze nad Ósackým zálivem a Jižní Ósakou
 
Při použití konvenčního procesu při vývoji digitální části systému vedly obvykle problémy na úrovni desky plošných spojů k nutnosti od začátku ji přepracovat. Díky tomu, že jsme použili platformu NI FlexRIO, nemuseli jsme provádět žádné změny v hardwaru. Kromě toho, vývoj celého systému v LabVIEW byl velice efektivní z hlediska lidských zdrojů. Nepotřebovali jsme odborníky na různé oblasti jako je návrh desek plošných spojů, programování FPGA v jazyce HDL či programování host systému v jazyce C. Kromě toho jsme vyvinuli simulaci na úrovni systému, která kombinuje analogovou a digitální část, což nebylo dříve prakticky možné.
 

 

Další práce

 
Momentálně uvádíme meteorologický radar na trh. Náš radar dokáže provádět měření jako samostatná jednotka, ale plánujeme vyvinout pokročilejší systém, který dokáže provádět simultánní měření s několika radary. Navíc chceme vyvinout systém, který z naměřených dat dokáže předpovídat srážky, a vyvinout řešení, které pomůže omezit škody způsobené přírodními živly.
 
Díky meteorologickému radaru máme od řešení NI vysoká očekávání také pro naše budoucí projekty. Existuje rozšířený názor, že LabVIEW se používá k ovládání přístrojů. V poslední době se nicméně rozšiřuje použití LabVIEW jakožto nástroje pro zpracování signálů v různých produktech. V textově orientovaném jazyce je implementace funkcí pro zpracování signálů velice komplikovaná. Ale v grafickém vývojovém prostředí LabVIEW může být složitost značně redukována. Možnost kosimulace kódu v LabVIEW a v systému AWR VSS ještě více podporuje význam používání LabVIEW. V rámci naší společnosti se vnímání užitku spojeného s používáním LabVIEW rychle rozšířilo a neustále roste počet jeho uživatelů ve výzkumném oddělení. Z hlediska analogového vývoje plánujeme využít metodologie spojení VSS a LabVIEW i pro aplikace, jež s meteorologickým radarem nijak nesouvisí. Doufáme, že se nám ve společnosti podaří tento úspěch zopakovat.

 
Autoři: Takuo Kashiwa, Ph.D., Yasunobu Asada a Tomonao Kobayashi, Furuno Electric Co., Ltd.

 
National Instruments (Czech Republic), s.r.o.
Sokolovská 136D
186 00 Praha 8
Česká republika
Tel: +420 224 235 774
Fax: +420 224 235 749

 
CZ: 800 267 267
SK: 00 800 182 362

 

 

Hodnocení článku: