波士頓電機公司 (Boston Engineering) 機器控制應用中的高階原型製作硬體與軟體

Author(s):
Erik Goethert - Boston Engineering

Industry:
Machines/Mechanics

Products:
CompactRIO, LabVIEW, Embedded Development Module

The Challenge:
開發嵌入式微處理器系統，不僅具有機器控制功能，亦可處理整個製造程序。

The Solution:
切換至較高階的模型製作 (Modeling) 工具，以於環境中產生「由規格修正」的程式碼；該環境可讓具備有限編碼經驗的工程師評估所需的軟體，並互動地進行變更。

在波士頓電機公司 (Boston Engineering)，我們提供多種電機設計服務；透過微處理器架構的嵌入式系統，設計電子與機器系統，並控制電機活動。此工作需要傳統的程式設計語言、除錯程式 (Debugger)、連結程式 (Linker)，與 IDEs；亦需要簡單的機板原型。

為了符合客戶需要，我們需要相關工具以開發電腦架構的電機、電子，與嵌入式軟體控制模擬系統；圖形化使用者介面 (GUI) 模型；與函式系統原型。

 

建立張力 (Tension) 控制系統
我們使用多方位的方法，以建立張力控制器，可於數位印刷亭 (Printing kiosk) 中進行影像開發。在影像印刷 (Film printer) 中，可由驅動馬達透過印表機機頭 (Head) 灌充色彩媒介軸(Color media spool)，並透過接納 (Take-up) 與饋送 (Feed) 馬達控制張力 (Tension)。裁切頭 (Cutter head) 的振動、列印不同數量的相片，與馬達的不同速度，均將影響基板 (Substrate) 的張力。此專案的主要目的之一，即要能開發低價位的產品。

我們以霍爾效應 (Hall-effect) 的類比感測器，監控 2 個跳動器 (DANCER) 的位置，並間接控制基板張力。控制系統可調整 2 個馬達的位置，於建議的設定點 (Set point) 中保持該接納 (Take-up) 張力。如果無法精確控制此張力，則將造成相片的色度失真。

 

模擬系統
機器模型製作 (Modeling) 需要多種反覆運算 (Iteration)，讓客戶更明確地定義次系統掛載 (Subsystem mounting) 與數量分配。我們也根據控制系統的規格，進一步修正機器模型，如馬達尺寸、運動零件的最大慣性，與感測器選擇。

模擬作業定義了系統的開迴路與閉迴路特性。當決定要減低振動來源的縱向範圍與移動距離時，我們先開發了 3D 模型的反覆運算 (Iteration)。透過模型製作與反饋，簡易的 PID 控制器將無法針對閉迴路的頻寬，提供所需的穩定邊界。若要增加穩定度，則需要小型的 PID 增益，卻無法獲得 20 Hz 的閉迴路頻寬。

因此我們需要更完整的控制運算式。我們使用 4 階次 (Fourth-order) 的相位導向控制器，並以雙 4 元組 (Bi-quad) 的形式建置之。採用此建置方法可減少固定式 16 字元長度的錯誤，與繼承運算捨入誤差所造成的不穩定性。

當我們建立具有使用者介面的系統時，亦於 NI LabVIEW 中進行使用者介面的原型；該圖形化工具可於設計程序中進行後續的原型製作與佈署階段。透過 NI LabVIEW，可輕鬆並快速地拖曳介面要素至面板，讓使用者客制介面的相關位置、內容，與操作。此將減少介面調整週期的次數，與最後程式碼的轉換次數。我們發現此實作可搭配嵌入式系統，同時不需實際的使用者介面。我們使用原型介面以協助進行最高穩定度的系統微調。

 

系統原型製作
設計階段的下個步驟，即為進行系統的實際原型。原型製作有著多個重要功能。最重要的是，原型將確認設計者已完整了解問題所在。比較模擬作業與原型作業之後，我們可以了解差異處與發生差異的原因。在偶然情況下，於原型製作期間才會發現較高階次的效應。

在原型製作階段，我們一般使用現成的開發介面卡，並搭配某些可程式化的 DSP、FPGA，或可重設的微處理器。但是這些介面卡往往不具有適於重要時脈控制的 I/O，或針對該 I/O 的訊號處理。而即便使用如 FPGA 的可重新程式化要素，我們還是在設計程序中遇到許多問題；包含使用專屬語言、缺少技術文件記錄與支援、最小化的控制器彈性、缺乏效率的 I/O，與無法輕易修改的固定控制器運算式。

針對此專案，我們另外選擇包含控制器的 LabVIEW FPGA 快速原型硬體平台，與透過模組化 I/O 背板中的 FPGA，連接至控制器的模組化 I/O 系統。我們亦使用 NI CompactRIO 原型製作系統，具有 4 個或 8 個擴充槽的背板，可容納數位 I/O、類比 I/O，或通訊匯流排模組。

我們的張力控制硬體需要 2 組脈波寬度的模組輸出；2 組編碼器可提供 2 組馬達的電壓反饋；針對霍爾效應感測器的 2 個類比輸入通道，可偵測振動位置；產生訊號的 2 個數位通道；電熱與空氣讀數的通道。

我們使用客制的訊號處理電路，以於 NI CompactRIO 模組中連接模組至硬體；該模組整合 2 組控制器。第一組控制器為 266 MHz 的嵌入式微處理器，連接至乙太網路控制器與固態 (Solid-state) 硬碟。第二個控制器為機箱背板中的 1M 閘 FPGA，連接 I/O 模組與嵌入式微處理器。

我們利用 LabVIEW 圖形化資料流語言，不僅針對模組的遷入式微控制器進行程式設計，並管理背板中的 FPGA。由於該程式碼層次高於 C 語言，我們的控制、機器，與電子工程師可直接於 MCU 中進行程式碼作業。

我們選擇於嵌入式控制器中執行監控程式，並於 FPGA 中執行馬達控制運算式，以於原型製作與末端系統之間，進行較高相似度的程式設計模型。若要於 FPGA 中執行控制運算式，則可轉換零點-極點-增益 (zero-pole-gain) 模型，至相似於 LabVIEW 數位濾波器設計工具組的濾波器，我們可透過工具組，輕鬆轉換濾波器為可於 FPGA 中執行的程式碼。因為浮點架構必須於 FPGA 中佔有極大資源，我們使用工具組以自動產生定點程式碼。我們可以測試量子化 (Quantization) 選項，以穩定最後的濾波器。

我們亦可針對系統介面設計與基底硬體，使用 LabVIEW。每個 LabVIEW 函式包含程式碼代表的程式區，亦具有該函式的控制與指示碼 GUI。當進行跨系統作業時，GUI 將於系統中顯示視窗，可用來監控系統的內部情況，或調整程式的參數。我們可以針對嵌入式微處理器所執行的程式碼，使用人機介面以調整系統。

透過開放的 LabVIEW 圖型化系統設計平台，從設計、原型，到佈署，均節省了大量的時間。在我們所屬的產業中，節省的時間即為省下的成本；而 LabVIEW 嵌入式技術讓我們更受顧客青睞，並更具有競爭力。若要開發完整的嵌入式運動控制系統，則可使用標準設計工具，並於 LabVIEW 中整合模擬資料與實際資料，以最佳化整個設計。

替代模型、設計、測試，與系統設計的多種工具和環境，適用於 ADI Blackfin 處理器的 NI LabVIEW Embedded Module，提供了單一的整合工具鏈，讓我們針對工業設計進行作業，而不需注重語法。

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Erik Goethert
Boston Engineering
Tel: (781) 466-8010
Fax: (781) 466-8020
egoethert@boston-engineering.com

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