5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye FPGA DONANIMI İLE GÖRSEL TABANLI ÖLÇME SİSTEMİ VISUAL BASED MEASUREMENT SYSTEM WITH FPGA HARDWARE Levent PARALI a, * Sezai TAŞKIN b A. Murat PİNAR c Celal Bayar Üniversitesi, Turgutlu Meslek Yüksek Okulu, 45400, Turgutlu / Manisa-Türkiye a Endüstriyel Elektronik Bölümü, levent.parali@bayar.edu.tr b Endüstriyel Otomasyon Bölümü, sezai.taskin@bayar.edu.tr c Makine Bölümü, ahmet.pinar@bayar.edu.tr Özet Bu çalışmada, FPGA tabanlı gerçek zamanlı bir sıcaklık ölçme uygulaması sunulmuştur. Donanım olarak, National Instruments firmasının CompactRIO modülleri kullanılmıştır. Ölçme sistemi verilerinin izlenebilmesi ve kontrolü amacıyla görsel tabanlı bir kullanıcı arayüzü oluşturulmuştur. Uygulama, çeşitli fiziksel değişkenlerin ölçülebilmesi ve kontrol edilebilmesi amacıyla ileriye dönük çalışmaların yapılabilmesine olanak sağlayacak yapıda düzenlenmiştir. Aynı zamanda, bu ölçme düzeneği ile yapılacak çalışmaların internet tabanlı olarak izlenebilmesi de sağlanmıştır. Anahtar kelimeler: FPGA, sıcaklık ölçme, gerçek zamanlı kontrol, LabVIEW, CompactRIO. Abstract In this study, FPGA based real-time temperature measurement application has been given. For the study, product of National Instrument CompactRIO hardware is chosen. In order to monitor and control measurement data a user interface is designed using the graphical programming language. This application is designed to conduct all physical measurements for advanced measurements. The measurement system also can be used remotely over the internet as a remote physical measurement laboratory. Keywords: FPGA, temperature measurement, real-time control, LabVIEW, CompactRIO. 1. Giriş Ölçme yöntemlerinin güvenirliliği, doğru ölçme metotlarının kullanılmasıyla birlikte ürün, gözlemci, cihaz ve çevre gibi etkileşimlerden ortaya çıkabilecek ölçme hatalarının en aza indirgenmesiyle sağlanmaktadır. Gerek endüstriyel alanlardaki, gerekse bilimsel çalışmalardaki ölçme sistemleri içerisinde birçok ölçme elemanı ile sıcaklık, basınç, titreşim, frekans, kuvvet, darbe, ağırlık, gerilim, akım gibi değişkenlerin ölçümleri yapılabilmektedir [1]. Günümüzde gömülü sistemlerle gerçekleştirilen gerçek zamanlı ölçme sistemleriyle, fiziksel değişimlerin nanosaniyelik gecikme tepkimesiyle alınması, ölçme ve kontrol sistemlerinin gelişimine katkı sağlamaktadır. Bu çalışmada, FPGA(Field Programmable Gate Array- Alan Programlanabilir Mantık Dizileri) tabanlı bir sıcaklık ölçme uygulaması verilmiştir. FPGA lar herhangi bir sayısal fonksiyonu gerçekleştirebilmek için kullanıcı tarafından programlanabilen tümleşik devrelerdir. Günümüzde FPGA lar genelleştirilmiş sayısal kaynakları, programlanabilen bağları, mikroişlemcileri, çarpıcıları, hafızaları ve diğer birçok genel çekirdek yapısını içerisinde bulunduran tek yonga yapılardır [2]. Sıradan teknolojilerle karşılaştırıldığında FPGA yüksek hız, düşük güç, kısa geliştirme zamanı ve düşük fiyat gibi artı özelliklere sahiptir. 2. FPGA (Alan Programlanabilir Kapı Dizileri) FPGA, mantık hücrelerinden meydana gelir. Bunlar, Girdi/Çıktı hücrelerine ya da diğer mantık hücrelerine bağlanabilirler. Mantık hücreleri programlanabilen tümleşik elemanlara sahiptirler. Günümüz teknolojisinde sık kullanılan sayısal fonksiyonlar FPGA içerisinde toplanmıştır ve kullanıcılar bu fonksiyonlara sahip donanımı tek yonga içerisinde tasarlayabilirler. FPGA içerisinde; toplayıcı, çarpıcı, bölücü, kod çözücü, mikroişlemci, programlanabilen girdi/çıktı blokları yer almaktadır [2]. 2.1 FPGA İle Tasarım Kullanıcı, donanım tanımlama dilini (VHDL ya da Verilog) kullanarak FPGA ile uygulamasını yapmak istediği devreyi tasarlar. Bilgisayar destekli tasarım yazılımı yardımıyla, yazılan kod sentezlenir. Diğer bir bilgisayar destekli tasarım yazılımı kullanılarak sentezlenen koda karşılık uygun bağlantılar FPGA içinde gerçekleştirilir. Yazılım gerekli veri akışını oluşturup FPGA içerisine aktararak FPGA yı programlar [3]. Günümüzde FPGA büyük mantık devrelerinin tek entegre olarak gerçekleştirilmesi için kullanılmaktadır. Bu kullanım pazara sunulacak ürünün tasarım zamanını, güç tüketimini ve kapladığı yeri azaltmaktadır. Şekillendirilebilir hesaplama (reconfigurable computing), FPGA genel amaçlı mantıksal eleman olduğu için yüksek performanslı hesaplama işlemleri için kullanılabilir. Geliştirilen bir algoritmanın donanım olarak gerçekleştirilmesi, paralel yapıların kullanılmasına ve mikroişlemcilerden çok daha hızlı işlem yapılmasına imkân vermektedir. FPGA nın en önemli özelliklerinden birisi de çalışma sahasında hatta çalışırken bile tekrar programlanabilmesidir. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
FPGA ların başlıca avantajları; yeni mimarilerin uygulanmasına, hızlı denetleme algoritmalarının geliştirilmesine, dinamik donanım yapılandırmasına, uzaktan donanım tanımlamasına olanak vermeleri şeklinde sıralanabilir. 2.2. FPGA Uygulama Örnekleri Son zamanlarda FPGA kullanımı birçok alanda hızla artmaktadır. FPGA yüksek hızda seri haberleşme ve bilgi iletimini yerine getirmek amacıyla kullanıldığı gibi bulanık mantık uygulamalarında da başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Yapılan bir çalışmada robot kontrolü için tasarlanan algoritma FPGA üzerinde gerçekleştirilmiştir [4]. Diğer bir çalışmada yüksek performanslı 3 boyutlu bir görüntüleme sistemi, FPGA nın paralel işlem yeteneğinden faydalanılarak gerçekleştirilmiştir [5]. Kadir vd. tarafından yapılan çalışmada LabVIEW yazılımı ve CompactRIO donanımı kullanılarak online güç kalitesi izleme sistemi oluşturulmuştur [6]. Bakhri vd. tarafından yapılan çalışmada ise, LabVIEW yazılımı ve CompactRIO donanımı ile bir asenkron motor için gerçek zamanlı durum izleme uygulaması gerçekleştirilmiştir [7]. Elektrik enerji sistemlerinde güç kalitesi analizi ile ilgili olarak yapılan benzer bir çalışmada da yine FPGA tabanlı işlemcisi olan donananım kullanılmıştır [8]. FPGA tabanlı CompactRIO teknolojisi kullanılarak Tıp alanında yapılan bir çalışmada ise, hastaların kalp sesi verileri toplanarak ayrık dalgacık dönüşümü yöntemiyle erken tanı yöntemleri üzerine çalışılmıştır [9]. Bir diğer çalışmada ise FPGA tabanlı gömülü kontrol sistemi kullanılarak bir motosiklet prototipi üzerinde yapılan çalışma sunulmuştur [10]. Literatürde FPGA teknolojisi kullanılarak yapılmış başka çalışmalardan örnekler ise kaynak [11-14] de verilmiştir. Bu çalışmada ise, Radyo Lüminesans cihazı ile yapılan deneysel çalışmalar için FPGA tabanlı ölçme yeteneğine sahip sıcaklık izleme ve kontrol sistemi uygulaması sunulmuştur. 3. CompactRIO Sistemi NI CompactRIO yeniden şekillendirilebilir (RIO) teknoloji ve real-time(gerçek zamanlı) kontrolör içerir. FPGA çipi CompactRIO şasesine gömülüdür ve yıldız topolojisiyle I/O modüllerine bağlıdır. Bu özellik doğrudan her modüle erişimi sağlar. Ayrıca zamanlamada esneklik, tetikleme ve senkronizasyon özellikleri katar. I/O modülleri algılayıcı ve eyleyicilere doğrudan bağlantı sağlamak amacıyla sinyal koşullama ve izolasyon özelliklerini içerecek şekilde tasarlanmıştır. NI CompactRIO real-time kontrolör güçlü floating-point işlemciye sahiptir ve kapalı çevrim kontrol, veri toplama, sinyal işleme, veri kaydı ve haberleşme için LabVIEW Real-Time uygulamalarını destekler [15]. Deney çalışmalarında kullanılan donanım; NI crio 9002 gerçek zamanlı gömülü kontrolör ile NI 9211; 4 kanal, 14 S/s, 24 bit, +/- 80 mv termokupl giriş modülüdür. Kullanılan gerçek zamanlı kontrolör aşağıda gösterilmiştir. Şekil 1. NI CompactRIO Gerçek Zamanlı Kontrolörü Şekil 2 de ise şase aksamına gömülü olan FPGA donanımı ve termokupl modülü görülmektedir. Şekil 2. FPGA Gömülü Şase ve Termokupl Modülü Sistemin ölçüm ve kontrol yeteneklerini genişletmek amacıyla, giriş-çıkış modülleri için 8 modül bağlantısına imkan veren şase kullanılmıştır. Yeniden şekillendirilebilir şaselerin amacı, otomatik olarak sisteme ilave edilen giriş çıkış modüllerini algılayarak programlamaya uygun FPGA uygulamaları geliştirmektir. 4. LabVIEW FPGA National Instruments firmasının LabVIEW FPGA yazılımı ve yeniden şekillendirilebilir gömülü I/O (RIO) donanımı kullanılarak, geleneksel donanım tanımlama HDL (hardware description language) dilleri ya da Board Level donanım tasarlama hakkında temel bilgiler olmaksızın özel I/O işlemleri ve kontrol donanımı oluşturulabilir. NI LabVIEW FPGA ile LabVIEW grafiksel yazılım geliştirme ortamı, yine NI ın RIO donanım içerisinde yer alan FPGA yongalarıyla sentezlenebilir. Bir RIO uygulaması için, LabVIEW FPGA blok diyagram oluşturulduktan sonra onu derleyip RIO cihazına aktarmak yeterlidir.
5. Uygulama Bu çalışmada kullanılan sistem, modüler içerikli gelişmeye açık bir alt yapı içermektedir. Sistemin devamında, genişlemeye olanaklı şase alt yapısıyla; ağırlık, titreşim, frekans, sayıcı, gerilim, akım, gerilme, hız, basınç, nem, akışkanlık gibi fiziksel büyüklüklerin bilgisayar destekli ve gerçek zamanlı olarak ölçülmesi olanaklı duruma gelecektir. bir veri izleme için sunucu bilgisayarda bir kullanıcı arayüzü tasarlanmıştır. Bu çalışmada aşağıdaki donanımlar ve yazılımlar kullanılmıştır: Gerçek Zamanlı crio İşlemci Ünitesi-NI crio 9002 Yeniden şekillendirilebilir crio Şasesi-NI crio 9102 4 Kanallı crio Termokupl Giriş Modülü-NI crio 9211 Güç Besleme Ünitesi- FP-PS-4 K tipi Termokupllar NI LabVIEW Programları: LabVIEW TM 8.5 Full Development System LabVIEW TM 8.5.1 Real Time Module LabVIEW TM 8.5 FPGA Module NI-RIO Driver VISA Server 4.3 Programı Sıcaklık ölçümleri için öncelikle FPGA için grafik kaynak kodu oluşturulmuştur. Buna ait LabVIEW program kodu Şekil 3 de gösterilmiştir. Burada FPGA içindeki gerçek zamanlı verilerin değişimi izlenmektedir. Fakat anlaşılabilir Şekil 3. FPGA Grafik Kaynak Kodu Sistemin bağlı olduğu bilgisayar ekranından, network ağda çalışan gerçek zamanlı FPGA gömülü sistemin verilerini izlemek için Şekil 4 te verilen LabVIEW grafik kaynak kodu oluşturulmuştur. Sıcaklık verilerinin izlenmesi ve kayıt edilmesi için tasarlanan kullanıcı arayüzü de Şekil 5 te verilmiştir. Şekil 4. Uzaktan İzleme Birimi İçin Yazılan LabVIEW Grafik Kaynak Kodu
Şekil 5. Sıcaklık verileri izleme ve kontrol ekranı Kullanıcı tarafından bu ekran üzerinde şu ayarlar yapılabilir: Termokupl tipi seçilebilir ( J, K vb.), Sıcaklık birimi (C, F) değiştirilebilir, Örnekleme zamanı aralığı değiştirilebilir, Ölçüm süresince ne kadar veri alınacağı girilebilir, Sadece ölçüm verisi izleme veya hem izleme hem kaydetme seçenekleri belirlenebilir. 6. Değerlendirme Bu çalışmada, bilgisayar destekli gerçek zamanlı sıcaklık ölçme sistemi için FPGA tabanlı bir uygulama örneği sunulmuştur. Uygulaması gerçekleştirilen sistem Celal Bayar Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü Lüminesans Laboratuvarındaki deneysel çalışmalarda kullanılması amacıyla tasarlanmıştır. Bu ölçüm sistemi ile Fizik Bölümü - Lüminesans Laboratuvarındaki Radyo Lüminesans cihazındaki sıcaklık değişimleri bilgisayar destekli ve gerçek zamanlı olarak ölçülebilmekte ve kontrol edilebilmektedir. Sisteminin uygulaması genişletilebilir şase aksamı üzerinde gerçekleştirilmiştir. İleriki çalışmalarda sisteme yapılacak modül eklentileriyle sıcaklık değişimlerinin yanında basınç, nem, titreşim, ağırlık, gerilim, akım, frekans vb gibi fiziksel değişimlerin de ölçülmesi olanaklı hale gelecektir. Ayrıca sistem bu çalışmada sunulan mevcut yapısıyla internet üzerinden ölçme verileri izlenebilir hale de getirilmiştir. Teşekkür: Celal Bayar Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonuna FEF 2007-087 nolu projeye yaptığı destek için teşekkürlerimizi sunarız. Kaynaklar [1] Paralı, L., Bilgisayar Kontrollü Gerçek Zamanlı Sıcaklık Ölçüm Sistemi, Celal Bayar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, (2008). [2] Koca, H., Robot Manipülatör Denetimi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, (2007). [3] Long, P.H.W., Tsoi, K.H., Field Programmable Gate Array Technology for Robotics Applications, Robio05, 70-76 (2005). [4] Kung, Y.S., Shu, G.S., Development of a FPGAbased Motion Control IC for Robot Arm, ICIT 2005, 1397-1402 (2005).
[5] Reynolds, R., Smith, P., Bell, L., Keller, H., The design of mars lander cameras for mars pathfinder, mars surveyor 98 and mars surveyor 01, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 50(1):63-71 (2001). [6] Kadir, M. Z. A Ab, Othman S. S. Tuan, Lombigit, L., On-Line Power Quality Monitoring System Using CompactRIO Device: A Review on System Development, European Journal of Scientific Research ISSN 1450-216X Vol.21 No.2, 288-295 (2008). [7] Bakhri, S. Ertugrul, N. Soong, W.L. Al-Sarawi, S. Investigation and development of a real-time on-site condition monitoring system for induction motors, Australasian Universities Power Engineering Conference, Perth, Australia, (9-12 December 2007). [8] Bilik, P., Koval, L., Hajduk, J., CompactRIO Embedded System in Power Quality Analysis, Proceedings of the International Multiconference on Computer Science and Information Technology, 577 580, (2008). [9] Al-Naami, B., Chebil, J., Trabsheh, B., Mgdob, H., Developing Custom Signal Processing Algorithm with LabView FPGA and Compact RIO to Detect the Aortic Stenosis Disease, Computers in Cardiology, 33, 193 196, (2006). [10] Dase, C., Sullivan J., Maccleery, B., Motorcycle Control Prototyping Using an FPGA-Based Embedded Control System, IEEE CONTROL SYSTEMS MAGAZINE, (2006). [11] Hashemian, R., Riddley, J., FPGA e-lab, a Technique to Remote Access a Laboratory to Design and Test, IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education (MSE'07), (2007). [12] Qin, J.,Stroud, C.E., Dai, F.F, FPGA-Based Analog Functional Measurements for Adaptive Control in Mixed-Signal Systems, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 54, No. 4, August, (2007). [13] Postolache, O., Girão P., Pereira J., Ramos, H., Water Quality Sensors Calibration System Based On Reconfigurable FPGA Technology, XVIII IMEKO WORLD CONGRESS Metrology for a Sustainable Development, September, 17 22, (2006). [14] Vineet, A., Sensor Simulation on FPGA Hardware, IEEE Autotestcon, (2007). [15] http://www.ni.com/compactrio/, Erişim Tarihi: Kasım 2008 Paralı, L., Taşkın, S., Pinar, A.M..