1. Úvod

Jednou z nejoblíbenějších demonstrací na konferenci NIWeek 2012 byl automatizovaný systém pro vaření piva, který používá pro řízení celého procesu desku NI Single-Board RIO (sbRIO) a kartu typu RIO Mezzanine Card (RMC) s vlastním návrhem. Návrh karty byl proveden s pomocí nástrojů Multisim a Ultiboard. Zařízení sbRIO hostuje aplikaci typu LabVIEW Real-Time, která monitoruje teplotu a řídí různé elementy (například pumpy). Karta RMC obsahuje vlastní obvody pro připojení signálů a senzorů.

2. Multifunkční I/O zařízení NI Single-Board RIO

Produkty NI Single-Board RIO byly navrženy pro vestavné aplikace pro řízení a sběr dat, které jsou vyráběny ve velkých objemech. Tato zařízení mají procesor reálného času a obvod FPGA, které lze programovat s pomocí LabVIEW Real-Time a LabVIEW FPGA. Pivovarnický systém je řízen deskou sbRIO-9626, která obsahuje procesor s taktem 400 MHz, rekonfigurovatelný obvod FPGA Xilinx Spartan-6LX45, komunikační porty (Ethernet, sériová linka, USB, CAN, SDHC), konektor IDC s 50 piny (který umožňuje připojit 16 analogových vstupů, 4 analogové výstupy a 4 digitální linky na 3,3 V) a konektor pro RIO Mezzanine Card (RMC), který nabízí přímý přístup k 96 digitálním linkám s napětím 3,3 V na obvodu FPGA.

Na obrázcích 1 a 2 vidíte zařízení sbRIO-9626 s konektory IDC a RMC zvýrazněnými žlutou barvou.

Obrázek 1. Čelní strana sbRIO-9626 s konektorem IDC s 50 piny

Obrázek 2. Zadní strana sbRIO-9626 s konektorem RMC

3. Karta RIO Mezzanine

Konektor IDC s 50 piny a konektor RMC představují otevřenou architekturu pro rozšiřování a úpravy na míru, a také dávají uživatelům možnost navrhovat vlastní přípojné karty (označované jako RIO Mezzanine Card). Pro potřeby pivovarnického systému jsme potřebovali analogové vstupy pro senzory a potenciometry a dále digitální vstupy a výstupy pro relé a spínače.

V tomto referenčním návrhu jsme k návrhu vlastní přípojné karty použili NI Multisim a NI Ultiboard, nástroje pro návrh obvodů a tvorbu prototypů od National Instruments.

4. Návrh karty RIO Mezzanine v prostředí Multisim

Multisim zahrnuje obsáhlou databázi schematických značek a simulačních modelů. Tato databáze dále obsahuje symboly a rozměry konektorů, které mohou návrháři použít při návrhu vlastních desek pro hardwarové systémy NI, jako jsou: zařízení pro sběr dat (řada R, řada S, řada X), CompactRIO, Single-Board RIO, GPIB a SCXI.

RMC konektor, který je použit v sbRIO-9626 (a v dalších zařízení sbRIO), je standardní high-density 240 pinový konektory typu Searay. Doporučený protikus je SEAM-40-03.0-S-06-2-A-K-TR, který je obsažen v databázi prostředí Multisim. Jeho symbol je rozdělen na tři části: DIO, MISC (napájení, zem, USB) a RES (rezervované kontakty), jak je vidět na obrázku 3.

Obrázek 3. Symbol konektoru RMC

Návrh RMC desky zahrnuje čtyři hlavní moduly: napájení, analogové I/O, digitální I/O a relé a teplotní senzory. Aby byla zachována modulární architektura, je schéma v prostředí Multisim organizováno ve formě většího počtu stránek s obvody, jak je vidět na obrázku 4.

Obrázek 4. Organizace schémat do stránek v prostředí Multisim

Napájecí modul

Napájecí modul se skládá ze šesti bloků umístěných na jedné stránce (obrázek 5). Popis jednotlivých bloků naleznete v tabulce 1.

Obrázek 5. Napájecí modul RMC

Tabulka 1. Popis napájecího modulu

Analogový I/O modul

Jak již bylo zmíněno dříve, obsahuje sbRIO-9626 16 analogových vstupů a 4 analogové výstupy, ke kterým lze přistupovat prostřednictvím konektoru IDC s 50 kontakty (viz obrázek 1). Všechny tyto kanály jsou připojeny k vlastní desce prostřednictvím plochého kabelu a kvůli snadnému připojení signálů k desce máme i dvě šroubovací svorky.

(a)

(b)

Obrázek 6. Modul RMC AIO module

Digitální I/O modul

Konektor RMC umožňuje připojení 96 vstupů a výstupů k obvodu FPGA; 12 digitálních kanálů se používá pro ovládání relé, 8 digitální kanálů se používá pro čtení teplotních senzorů a 32 digitálních kanálů se používá pro jiné úkoly.

Obrázek 7. Vstupy a výstupy FGPA

Pro budoucí vývoj a rozšiřování jsme přidali dva konektory, které nabízejí přístup k nevyužitým digitálním kanálům.

Obrázek 8. Konektory pro nevyužité digitální linky

Relé modul

Na navržené desce je k dispozici 12 reléových kanálů. Signály se připojují prostřednictvím šroubovacích konektorů. Každý reléový kanál má vlastní řídicí obvod, který vyžaduje externí napájení 15 V (konektor pro napájení se nachází na napájecím modulu). Obvod pro řízení relé byl simulován v prostředí Multisim, aby se ověřilo, že proudové a napěťové úrovně jsou dostatečné.

Obrázek 9. Obvod pro řízení relé

Modul teplotního senzoru

Pro měření teploty jsme použili digitální senzor DS18B20. Toto zařízení vyžaduje napájení a pull-up rezistor. Celkově máme 8 senzorů, které se připojují prostřednictvím šroubovacích konektorů. Použití digitálního senzoru zjednodušilo obvody na navržené desce, náročnou částí však byla implementace protokolu pro jednovodičovou komunikaci na zařízení sbRIO.

5. Návrh karty RIO Mezzanine v nástroji Ultiboard

NI Ultiboard je flexibilní prostředí pro návrh desek plošných spojů (DPS), které dává uživatelům k dispozici nástroje pro rychlou tvorbu prototypů. Nástroj Ultiboard je také plně integrován s prostředím Multisim, takže je možné rychle navrhnout prototyp DPS z vytvořeného obvodu.

V prostředí Multisim jednoduše vyberete nabídku Transfer»Transfer to Ultiboard»Transfer to Ultiboard 12.0 pro přenesení zapojení (netlist) do nástroje Ultiboard. Ultiboard vytvoří výchozí obrys desky a umístí všechny součástky mimo tuto desku (viz obrázek 10).

Obrázek 10. Přenesení zapojení z prostředí Multisim do nástroje Ultiboard

Žluté linky představují spoje (netlist).

Rozměry této desky se přesně shodují s rozměry desky sbRIO-9626. Rozměrové značky desky jsou umístěny v mechanické vrstvě, takže na desku nejsou ve výrobě vytištěny. Mechanická vrstva se také dobře hodí, pokud potřebujete k návrhu přidat dodatečné informace.

Navrhli jsme desku se čtyřmi vrstvami, napájecí vrstvy byly umístěny uprostřed. Vrstva Copper Inner 1 obsahuje rozvody pro všechny napěťové úrovně dostupné na desce a vrstva Copper Inner 2 představuje zemnící vrstvu pro digitální i analogovou část.   

Obrázek 11. Návrh karty RMC v nástroji Ultiboard

Spoje na této desce byly vedeny v šířce 6-8 mil. Relé pracují s vyššími proudovými úrovněmi, proto byla pro všechny reléové vstupy použita šířka spojů 45 mil. Většina spojů na desce byla umístěna s pomocí funkce Bus Autorouting, kterou Ultiboard nabízí. Ta vám umožňuje vést spoje vedle sebe a dosáhnout tak vyšší integrity signálu. Některé spoje byly také umístěny s pomocí funkce Autorouter.

Obrázek 12. Vedení spojů v nástroji Ultiboard

Náročný úkol představovalo vedení signálů od konektoru RMC. Tento proces by vyžadoval hodiny manuální práce. Pro usnadnění jsme proto použili funkci Fanout z nástroje Ultiboard a práce tak byla hotova za několik sekund.

Obrázek 13. Funkce Fanout v nástroji Ultiboard

Před exportem výrobních dat (Gerber, NC vrtání, atd.) si v nástroji Ultiboard můžete prohlédnout 3D model své desky, jak vidíte na obrázku 15. S pomocí myši můžete desku otáčet v rozsahu 360 stupňů ve všech směrech.

Obrázek 14. Pohled na RMC kartu shora (3D)

Na závěr uvádíme obrázky celého elektronického zařízení, které řídí proces vaření piva. Karta RIO Mezzanine je připojena za desku sbRIO-9626.

(a)

(b)

Obrázek 15. Spojení sbRIO-9626 a vlastní karty RMC

Sokolovská 136D
186 00 Praha 8
Česká republika
Tel: +420 224 235 774
Fax: +420 224 235 749
E-mail: ni.czech@ni.com
http://czech.ni.com

CZ: 800 267 267
SK: 00 800 182 362