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先進控制應用中的DAQ設計挑戰與應對方案

上網時間: 2006年11月27日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:數據採集  工業控制  DAQ  採樣率  靈活性 

從完整的工廠到單台機電設備,即時數據採集(DAQ)對位於自動化中樞的控制和反饋系統而言極其重要。先進的超大規模積體電路(VLSI)技術提供的性能越來越高,同時也使更複雜的控制選項成為可能,但相對地需要更大的數據量。在空間侷促和預算有限的情況下,實現即時處理數據能力已成為工業控制設計的關鍵。

雖然DAQ在工業監測和控制應用中的需求情況存在差異,但也面臨一些共通趨勢。首先,數據採集的粒度級(levels of granularity)正逐漸增加。十年前的粒度級對於擷取處理過程中的一個不連續階段、一個動作甚至結果而言也許就已足夠,但今天,必須詳細記錄處理過程中的各個層面。雖然數據吞吐量不像採集、分析和反饋的原始速度那麼重要,但模擬過程的採樣速率已經很高,而且還將持續提升。

其次是‘成本至上’的觀念,雖然成本是生產過程中的一種重要考量,但許多製造商過去一直願意為好的DAQ方案付出更多成本。不過,這種情況正在產生變化,隨著能夠執行許多基本功能的低成本硬體問世,為專用解決方案支付高額的價格已經越來越難有正當理由了。

第三是尺寸因素。DAQ組件變得越來越小,選取的理由也非常充分。更多的過程和設備需要控制和反饋,且它們常常有空間方面的限制,因而制約了數據採集和控制硬體的大小。因此,隨著被控制設備尺寸的縮小,實現控制的方案尺寸可能也必須隨之縮小。

DAQ設計挑戰

這些趨勢為DAQ設計帶來了影響。在一個緊縮的封裝內,DAQ硬體必須更多更快。這種要求一般是ASIC的專長,確實,實際上有時就是使用ASIC,但這種情況僅產生在有適當預算的情形。在許多情況下,需採用現成元件打造一個滿足成本、功能和體積要求的方案。在其它領域,整合的系統單晶片(SoC)可能是首選方案。

為汽車、元件設計和馬達等工業應用打造控制系統的工程師面臨著在性能、靈活性和成本之間進行權衡的挑戰,且轉圜餘地越來越小。另外,他們也必須評估供應商的支援,在不犧牲重要特性的前提下擺脫各種制掣。

原始性能仍是驅動DAQ需求的動力。更高的採樣速率對處理輸入非常重要;即使來自多條訊息通道的輸入訊號,高採樣速率也能對輸入盡快處理。但進展和需求總會有差異。必須對輸入進行處理和關聯,以使反饋迴路能盡早啟動應變過程。控制目標是產生大量小幅調整,以使響應既迅捷又平穩。

舉例來說,汽車製造商會對電動車窗進行數據採集和控制,ADI的精密訊號處理部門產品總監Leo McHugh表示。廠商目標是使車窗的開關過程平緩,甚至達到一種享受體驗的境界。這是必須改進DAQ及反饋迴路以使整個過程更有效的標準例子。車窗控制應用還強調了減少控制方案體積使其能裝進緊密空間的重要性。

在某些情況下,為協調多個元件的工作,也需要較高DAQ性能。如今的處理器和DSP性能越來越強,已能處理從多個控制元件採集的數據、對這些數據進行彙總並將數據回送至所有受控過程或設備,以便協調其工作。

無論是處理從單一設備或多個設備中採集到的數據,更快的處理器是充分發揮性能的關鍵要素。來自ARM或摩托羅拉等公司的先進管線處理器可良好應對較長數據串流。但類比至數位的轉換必須與處理器能力呼應。由於處理器的管線架構,滯後的數據串流會降低整個系統速度,使平穩控制更困難。

因此,必須以很高的採樣速率和很大的吞吐量對類比輸入進行採集,並將其轉換為數位訊號。這需要高速週邊設備以及類比數位轉換器(ADC)及數位處理,它們既可能是整合的處理器,也可能以獨立方式提供。這意味著要從一系列分離式元件中作出選擇或尋找一種專用的高度整合方案。

工程師越來越希望控制元件具有靈活性。他們的目標是降低成本,以及透過專攻能處理多項任務的少量元件,因而盡可能地充分利用其設計經驗。

“工程師需要能工作於各種不同控制方案的元件,”ADI的McHugh表示。在不同方案中融入相同的設計經驗,還能加速產品上市速度。

擁有這種靈活性將具有降低採購成本的優勢,同時使工程師不必掌握各種具有類似功能元件的細節。但在某些領域,它也意味著工程師必須接受這樣的事實:該方案並非對任何應用都恰倒好處。前述的通用方案可能意味著額外的設計時間、更多的支援元件和更大的尺寸。

SoC解決方案

德州儀器(TI)正尋求透過一種SoC方案讓設計折衷變得更容易。其TMS320C2000系列包含晶片上週邊、週邊匯流排、快閃記憶體RAM和32位元DSP。若設計方案用到上述元件,則該整合方案能降低成本。這種方案在控制器內部提供了靈活性,而非僅在單獨元件中提供靈活性。


圖:TI的DSP整合了週邊設備控制器、RAM和快閃記憶體,瞄準工業控制應用

總之,設計過程控制設計師在選擇元件和將其整合成方案的過程中,要評估4種特性,TI的應用工程師Arefeen Mohammed指出:“首先,處理器具有滿足性能所需的能力嗎。第二,整合方案中包含充足的週邊設備嗎?第三是當必須增加特性和系統需求時,有辦法升級嗎?最後,有工具能快速搭建、測試和除錯硬體以及軟硬體方案嗎?”

在設計過程控制方案時,牢記這些要點還能控制成本。選擇既滿足設計目標又不太過耗電或不使用過多整合週邊設備,就可以消除為系統整合太多週邊設備或其它外部元件所帶來的複雜性及多餘成本。

TI的TMS320C2000系列能滿足Mohammed提出的問題,不僅如此,它們在進行設計決策和折衷方面還具有普遍指標意義。無論一種整合的SoC是否是一種適當的方案,遵循Mohammed的考量,將有助於設計師滿足技術和成本的雙重要求。

許多嵌入式工程師都會接觸到使用支援佈局、原型產生和模擬硬體設計的複雜工具。與之相較,支援控制系統的設計工具規模大概是其中最小的一種。諸如對A/D轉換等特定過程的模擬有可能在高的抽象層次上進行。但整體來說,設計是如此的大相徑庭,以致於若將一套設計工具用於全部可能的設計,則要獲得調整和除錯方案所需的直觀性就變得很困難。

由TI和ADI等供應商提供的參考和評估板提供了一個整合測試平台,在開始新設計時,可做為入門工具。雖然設計師一般要對評估板進行某些改動、最起碼對其中的某些元件進行調整後才將其派上用場,但這些板子常常可用做最初的概念驗證。

測試和除錯工具對確保方案的正確和成熟來說是必要的。用TI的系統單晶片來除錯設計是可能的。TI提供一個能與TMS320C2000數位訊號控制器系列共同使用、基於Windows的除錯環境。因該控制器提供的晶片上支援,在除錯中系統能即時執行。該能力降低了可能失察競爭情況及其它對速度感應錯誤的機率。

軟體考量因素

許多工程師採用類似C的高級語言編寫控制應用,與匯編語言相較,這類高級語言在維護和可重覆利用性方面具有優勢。要想建構高品質的設計過程控制系統,就必須具有與原始程式碼除錯器等高級語言相相容的測試和除錯方法。一個DAQ方案通常需要許多支援軟體,如負責處理中斷和底層數據作業的即時作業系統(RTOS);用於與採集點以外數據互動的網路堆疊;儲存、匯集和分析數據的應用程式。當軟體要求增加時,設計需具有靈活性以確保硬體設計具備相互適應的能力。

設計過程控制應用的原則仍一如既往;但在性能、體積、成本和靈活性這四方面的挑戰使控制設計師的任務更艱鉅。為打造一個能良好操作的系統,通常需要通盤考慮這四項要求。

到底是採用分離式元件方案抑或是整合方案,最終將取決於具體應用。不僅是對某一個設計專案、而且對以後及與其相關的專案來說,兩種方法都各具優勢。

作者:Peter Varhol




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