Steuern, Regeln: Schnelle Echtzeitverarbeitung unter Windows

Nano- statt Mikrosekunden

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Beim Einsatz von PCs mit MS-Windows als Betriebssystem für industrielle Steuer- und Regelungsaufgaben bereitet die mangelnde „Echtzeitfähigkeit“ von Windows – in den Köpfen der Anwender häufig ein Synonym für ein schnelles System, was so nicht richtig ist – oft Probleme. Abhilfe: Intelligente Systeme mit flexiblen Lösungen und mit Reaktionszeiten schneller als 1 Mikrosekunde!

Die Autoren sind Johann Winterholler, Leiter Applikation und Support, Keithley Instruments GmbH, Germeringund Heinz-Peter Beinert, Jäger Meßtechnik GmbH, Lorsch

Windows-PCs werden echtzeitfähig
Der Begriff „Echtzeit“ legt nur fest, daß ein System (Hardware und/oder Software) innerhalb einer definierten Zeit auf eine Anforderung reagiert. Nicht Schnelligkeit, sondern Stabilität und garantierte Reaktionsintervalle sind dabei die Kenngrößen.
Für Temperaturregelungen oder Füllstandsüberwachungen z.B. sind Reaktionszeiten von einigen Sekunden ausreichend. Steuerungen und Regelungen, basierend auf Mikrokontrollern oder Intel486-basierende PC Erweiterungskarten, erreichen typischerweise Reaktionszeiten von bis zu wenigen Millisekunden.
Schnelle digitale Regelungen, Signalerfassung mit online Auswertung oder Signalgenerierung erfordern dann Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich, wenn verschiedene Funktionen auf einem einzigen System parallel ablaufen sollen. Das hier beschriebene System ADwin-Gold reagiert, unabhängig vom Betriebszustand des PCs, garantiert in weniger als einer Mikrosekunde. Auf einem einzigen System können PID-Regler, Signalgeneratoren, Meßwerterfassungen, online-Analysen usw. mit Wiederholraten von bis zu 1 MHz. ablaufen.
ADwin-Gold – das Konzept
Das System ADwin-Gold hat analoge und digitale Ein- und Ausgänge, sowie als eigentlichen Kern einen eigenen, schnellen Signal-Prozessor und lokalen Speicher. Jeder Meßwert wird durch den Prozessor sofort nach der Erfassung weiterverarbeitet:
– Der auf kürzeste Reaktionszeiten optimierte Prozessor, ein 32-Bit Floatingpoint-DSP (ADSP21062), realisiert die komplette Echtzeitverarbeitung
– Ein Echtzeitbetriebssystem auf dem DSP verwaltet pa-rallel ablaufende Prozesse mit unterschiedlichen Prioritätsebenen. Für die präzisen Aufrufe der Prozesse sorgt das Betriebssystem in Zusammenarbeit mit dem im DSP integrierten Timer (Timerauflösung = 25 Nanosekunden)
– Ein ständig im Hintergrund laufender Kommunikationsprozeß ermöglicht einen kontinuierlichen Datenaustausch zwischen dem System und dem PC. Die Kommunikation zwischen ADwin-Gold und dem PC hat keinerlei Auswirkungen auf die schnelle und zeitlich exakte Abarbeitung der Programme; schnell ablaufende Prozesse beeinflussen nicht die Kommunikation
– Das ADwin-System ist zwar mit dem PC verbunden, alle Anwendungen laufen jedoch eigenständig ab. Der PC kann jederzeit auf das System zugreifen, um Daten auszutauschen oder neue Programme zu laden.
Es ergibt sich eine einfache Aufgabenteilung: Auf dem System ADwin-Gold läuft alles ab, was schnell und sicher durchgeführt werden muß, also digitale Regelungen, Steuerungen und Meßwerterfassungen.
Der Windows-PC dient als Benutzerinterface – hier läuft ein Programm zur Visualisierung der Meßdaten und zum Speichern der Ergebnisse auf Festplatte. Daraus resultiert eine absolute Betriebssicherheit.
Das System wird über eine Link-Verbindung oder USB an einen PC oder an ein Notebook angeschlossen.
Ein- und Ausgänge
Die Struktur der analogen Eingänge des Systems ADwin-Gold ist eine Besonderheit:
– 16 analoge Eingänge, davon jeweils acht mit einem der zwei Multiplexer verbunden
– Jeder Multiplexer-Ausgang ist mit einem 16 Bit-ADC (10 µs, Abtastrate 100 kHz) und mit einem weiteren 12 Bit-ADC (0.8 µs, Abtastrate 1 MHz) verbunden. Dadurch sind in einem System wahlweise sehr genaue oder sehr schnelle Messungen durchführbar
– Alle ADCs sind synchron oder asynchron startbar. Das ermöglicht exakt paralleles Erfassen von Meßdaten auf zwei Kanälen
Das System enthält zusätzlich zwei bis acht analoge Ausgänge mit einer Auflösung von 16 Bit. Die Ausgabe neuer Spannungswerte auf DACs kann auf allen synchron gestartet werden (Eingangspuffer).
Die 32 konfigurierbaren digitalen Ein-/Ausgänge sowie ein Triggereingang liegen auf SUB-D-Buchsen. Die digitalen I/O-Leitungen können in Gruppen von 8 per Software als Ein- oder Ausgang konfiguriert werden.
Die Programmierung
Das Echtzeit-Entwicklungstool ADbasic ermöglicht die einfache und schnelle Erstellung von zeitkritischen Programmen für das ADwin-Gold-System. ADbasic ist eine integrierte Entwicklungsumgebung unter Windows (95, 98, NT) mit Möglichkeiten zum Online-Debugging und ein echter 32 Bit-Compiler, der schnellsten Maschinencode für DSP erzeugt. Es bietet dem Entwickler eine gewohnte Basic-Befehlssyntax mit vielen erweiterten Funktionen für den Zugriff auf analoge und digitale Ein- und Ausgänge sowie Funktionen zur Prozeßsteuerung und zum Datenaustausch mit dem PC. Die Programmstruktur der ADbasic-Programme:
– DIM: Dimensionierungen von benutzen Variablen und Array, z.B. für Meßwerte
– Init: Initialisierungen, einmal ausgeführt am Programmstart
– Event: Timer- oder triggergesteuertes Einlesen, Verarbeiten und Ausgeben
– Finish: abschließende Berechnungen, einmal ausgeführt am Programmende
Der Event-Abschnitt stellt den eigentlichen Kern eines ADbasic-Programms dar. Dieser Abschnitt wird immer dann einmal ausgeführt, wenn ein Impuls vom internen Timer oder dem externen Triggereingang eintrifft.
Der Timer kann in Schritten von 25 ns eingestellt werden. Gibt der Timer beispielsweise alle 2 µs einen Impuls ab, wird der Event-Abschnitt mit 500 kHz ausgeführt. In diesem Abschnitt erfolgt das Einlesen, Verarbeiten und Ausgeben von analogen und digitalen Daten, also das eigentliche Regeln, Steuern und Messen.
Der Event-Abschnitt kann mit der Anweisung END den ADbasic-Prozeß abbrechen. Die Bedingungen für einen Prozeßabbruch können vom Benutzer frei definiert und kombiniert werden.
Benutzerinterface
Die Wahl des PC-Betriebssystems und der Benutzeroberfläche hat keinerlei Auswirkungen auf das Echtzeitverhalten des ADwin-Gold-Systems. Für den Datenaustausch zwischen System und PC stehen DLLs für alle Windows-Betriebssysteme zur Verfügung. Die Benutzeroberfläche kann mit allen gängigen Programmiersprachen wie z.B. VisualBasic, Delphi, Visual-C, C/C++, usw. oder Programmpaketen wie TestPoint, Matlab, LabView und Diadem realisiert werden.
Egal welche PC-Software zur Visualisierung genutzt wird, es stehen komfortable Funktionen zur Verfügung zum Austausch von globalen Variablen und Arrays, Starten und Stoppen von ADbasic-Programmen, Booten des Systems und zum Programmdownload.
Einsatzmöglichkeiten und Anwendungen
Typische Einsatzbereiche sind:
– Steuerung von schnellen Prüfständen
– Entwicklung schneller Regler (z.B. PID bis 500 kHz), wobei auf einem System gleichzeitig verschiedene Regler mit unterschiedlichen Regelalgorithmen und Zykluszeiten parallel ablaufen können
– Generieren analoger und digitaler Signale mit einem System (vielkanalige periodische und nicht-periodische Signalformen)
– Schwingungs-, Motoren- und Getriebeprüfstände mit all ihren applikationsspezifischen Echtzeit-Erfordernissen usw.
Kostenloser Beratungsservice
ADwin-Systeme sind je nach Anwendung nahezu beliebig konfigurier- und erweiterbar. Keithley Instruments bietet deshalb einen kostenlosen Beratungsservice an. Auf jede per Fax übermittelte Aufgabenstellung unterbreitet der Distributor umgehend ein Lösungsangebot. Fax-Nr: 089/849307-34.
Ausführliche Informationen
Steuern und Regeln in Echtzeit unter Windows
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