Jste zde

Průmyslový řídící systém - Micro PC

Antonín Vojáček, 20. Duben 2005 - 19:48

Firma Octogon Systems nabízí malou a jednoduchou verzi průmyslového PC, kterou lze zařadit někam mezi dnešní systémy PAC a vyspělá průmyslová PC. Ve formě zásuvných karet do šasi lze vytvořit komplexní řídící systém s CPU, RAM, I/O, RS-232/422/485, Ethernet, ARCNET, PCMCIA, modemem atd. pro libovolnou aplikaci z oblasti průmyslu a MaR.

Na výstavě Amper 2005 bylo možné zhlédnout malou verzi jednoduchého průmyslového PC firmy Octagon Systems Comporation, označená jako Micro PC. Jde o tzv. Embedded Computer System (Vestavný počítačový systém), který svou výpočetní univerzálností a sortimentem periferií patří do oblasti průmyslových PC, zatímco svou hardwarovou strukturou zásuvných karet (desek) do šasi připomíná dnešní systémy PAC (Programmable Automation Controller). První zařazení potvrzuje Ethernet, EIDE, LPT, USB, floppy, video rozhraní na řídící desce CPU a OS DOS, Windows či Linux. Příslušnost k PAC zase dokládá provedení ve formě modulů zásuvných karet a schopnost pracovat v rozsahu teplot -40°C až 85°C nebo vydržet nárazový šok/vibrace až 40g/5g.

Struktura systému Micro PC

Stejně jako u systémů PAC, i lze strukturu systému rozdělit na bloky:

šasi
řídící karty (desky) s CPU
vestavné karty (desky) periferií

Vzájemné propojení je prováděno ISA sběrnicí, což poskytuje přenosovou rychlost až 1MB/s. Všechny karty mají jednotný rozměr 4.5" x 4.9" (palců).

V praxi ale může karta s CPU pracovat samostatně bez šasi i dalších přidaných periferií. Případně při malém počtu periferních karet lze použít jen lokální flexibilní propojení kabelem bez pevného šasi. V systému samozřejmě může být více CPU karet, které si rozdělí zpracování náročné úlohy, kterou by jedna CPU karta nezvládla.

Šasi

Šasi může být tvořeno jen hliníkovou "krabicí" se vzájemně propojenými 3 až 6 sloty a držáky pro zasunutí karet v poloze svislé nebo vodorovné nebo kompletním šasi robustní konstrukce včetně napájecího zdroje pro napájení zasunutých karet. Tedy něco podobného jako šasi pro složitější systémy PAC (například Compact FieldPoint od NI) - viz. obrázek. Tyto šasi jsou v nabídce se 4, 6 nebo 8 sloty.

CPU karty

Karty s CPU vhodné pro Micro PC lze rozdělit do skupin dle použitých typů CPU:

nízko příkonové CPU 5x86 128MHz - karty 5070
CPU 5x86 133MHz - karty 5066
CPU 386SX 40MHz - karty 60x0 a 6225

Karty 5070

Tyto karty využívají nízkopříkonový procesor 5x86 128MHz, který má jádro vhodné pro OS Linux s jádrem 2.4 nebo 2.6, lze použít i OS DOS 7.1 (firmware), Windows CE.net 4.1 nebo Real-Time QNX Momentics 6.2. Operační systémy, ve formě dodatečných kitů, se dodávají na předprogramovaných Compact Flash kartách, pro něž má CPU karta slot. Pro běh operačního systému a programy se případně dá využít harddisku nebo připojené externí CD-ROM jednotky. Tím se ale sníží celková teplotní i vibrační odolnost systému.

Další vlastnosti:

Paměť: 32 MB SDRAM, až 2 GB Compact Flash
Komunikanční porty a rozhraní: 2xRS-232/422/485, LPT, EIDE (HDD,CD-ROM), Floppy, Ethernet 10/100Base -T, 2xUSB 1.1, PCI BUS, ISA BUS, PC/104, Digital I/O
HMI : standardní AT port pro klávesnici, myš a speaker, XVGA video pro CRT & ploché displeje panels (až 1280x1024 bodů)
Firmware: BIOS, DOS 7.1 a vestavěná diagnostika
BIOS: 256K Phoenix
Napájení: 5 V DC, max. 1,5 A
Další: watchdog

Karty 5066

Tyto karty využívají procesor 5x86 133MHz, který svým výkonem lze přirovnat k výkonu PC CPU Pentium 75MHz. Standardní OS DOS 7.1 (standardní operační systém uložený v ROM přímo na kartě), může však být použit i Windows NT nebo QNX. BIOS Phoenix podporuje klasické INT (Interrupt) rutiny. Přímo na kartě jsou umístěny chipy s EDO DRAM pamětí 1MB, přičemž součástí je DIMM konektor pro 32MB paměťový modul (viz. obrázek). Pro programy a obecně souborový systém se využívá tzv. Solid-State disků 1 a 2, což jsou vlastně dvě Flash EEPROM o 512kB a 2MB, které se hlásí jako disk C:, stejně jako například v PC. Programy je možné psát v jazyku C.

Další vlastnosti:

Paměť: až 33 MB EDO DRAM (DIMM konektor), 2.5 MB Flash EEPROM
Komunikanční porty a rozhraní: 2xRS-232/422/485 (COM1 a COM2) , LPT (IEEE1284 EPP a ECP módy), IDE, opticky izolované digitální I/O, ISA BUS
Firmware-ROM : BIOS, DOS 7.1
Napájení: 5 V DC, max. 1,5 A
Další: watchdog, diagnostika

Karty řady 60x0

Tato řada nabízí celkem pět CPU karet (6010 až 6050). Všechny obsahují procesor ALi M6117 386SX 40MHz, který je vhodný pro méně náročné aplikace založené na operačním systému DOS 7.1, uložený v ROM paměti na desce, a programovacím jazyku C. Jde sice o nízkovýkonné CPU karty, ale za ceny až o třetinu nižší než předchozí. Každá karta má trochu odlišnou výbavu, hlavně v oblasti počtu periferií a velikosti paměti umístěné přímo na kartě.

Další vlastnosti:

Paměť: až 4 MB DRAM, až 1 MB Flash EEPROM , až 128 kB RAM zalahované baterií
Komunikanční porty a rozhraní: až 4xRS-232/422/485, LPT (IEEE1284 EPP a ECP módy), až 2x EIDE, až 65 opticky izolovaých digitální I/O, ISA BUS, PC/104 rozšíření, až 12/2 analogových I/O
Firmware-ROM : BIOS, DOS 7.1
Napájení: 5V DC, max. 3W
Další: watchdog

Karty 6225

Tato karta je, narozdíl od předchozích z řady 6xxx, určena pro aplikaci vyžadující Ethernet. Proto je karta vybavena kompletním rozhraním 10Base-T i s konektorem RJ-45. Dále je tato karta vybavena větší pamětí a větším počtem ostatních komunikačních rozhraní. Díky větší paměti a možnosti použití harddisku, je tato CPU karta vhodná i pro použití s OS Linux nebo QNX, které, jako volitelné kity, firma také nabízí.

Další vlastnosti:

Paměť: až 8MB DRAM, 2 MB Flash EEPROM , 512 kB RAM zalahované baterií, podpora až 288MB DiskOnChip
Komunikanční porty a rozhraní: 4xRS-232/422/485, LPT (IEEE1284), 2x EIDE, 34 opticky izolovaných digitální I/O, ISA BUS, PC/104 rozšíření, 4vodičové rozhraní pro LCD displej a rozhraní pro maticovou 16x16 klávesnici, klasický výstup na PC speaker
Firmware-ROM : BIOS, DOS 7.1
Napájení: 5V DC, max. 2.4W
Další: watchdog

Periferní a komunikační rozšiřující karty

Pro systém Micro PC je možnost vybrat velké množství přídavných periferií ve stejné formě zásuvných karet stejné velikosti jako jsou CPU karty.

Vstupně / výstupní (I/O) karty:

digitální I/O karty (označení 5600-96, 5600-48) - 4 nebo 2 porty po 24 linkách, které mohou být naprogramovány jako vstupní nebo výstupní v bankách po 4 nebo 8 linkách. Výstupy mohou pojmout proud až 16mA a produkovat až 5mA.
analogové/digitální I/O karty (označení 5648) - 48 linek digitálních I/O, které přímo podporují G5 analogové moduly od Grayhill. Tyto moduly nabízejí napěťové a proudové I/O, vstupy pro termočlánky, odporové senzory teploty atd.
opticky izolovaní digitální I/O karty (označení 5624) - poskytuje 16 opticky izolovaných vstupů s 3 až 28 V DC (příp. až 84 V DC). 8 výstupů může spínat zátěž až 50V AC/DC a až 200mA. Na vstuo je možní připojit napětí až 500V.
13bitové analogové I/O karty (označení 5700) - poskytují 24 linek, kde signál je převáděn na 13bitový číslo (12 bitů plus znaménko). Dovoluje vzorkovat až 50000 vzorků/s a programově nastavovat zisk v krocích 1, 10 a 1000.
ekonomické 12bitová A/D karty (označení 5710) - nabízí 16 jednovstupých kanálů nebo 8 diferenčních vstupů se vzorkovací frekvencí 70 kvzorků/s. Zisk je nastavitelný jumpery na 1, 10 nebo 100. Navíc jsou zde dva kanály analogových výstupů, 3 čítače/časovače a 19 digitálních I/O linek.
low-cost A/D karty (označení 5720) - vhodná pro aplikace, kde stačí pro řízení 256 úrovní analogového signálů. Rychlost vzorkování je až 90 kvzorků/s a napěťový vstupní rozsah mezi 0 a 5V. Vstupy jsou přitom chráněny až do napětí 16V. Dále karta poskytuje 24 linek digitálních I/O.
DAC karty (označení 5750) - karta nabízí 8 výstupů, kde každý je jumpery přednastavitelný na rozsahy: +-15V, 0 - 5V, 0 - 10V nebo proudovou smyčku 4 - 20mA. Navíc každý výstup umožňuje regulovat offset. Rozlišení je 12 bitů.
Karty pro řízení motorů (označení 5328) - Tato karta nabízí dva kanály pro řízení servo motorů. Využívá k tomu 32bitové registry pro řízení pozice, rychlosti a akcelerace. K dispozici je programovatelný PID filter se 16 koeficienty. Navíc je zde kvadraturní kodér s diferenčními i jednoduchými vstupy.
Karty čítačů/časovačů (označení 5300) - karta poskytuje čítání, časování, měření frekvence nebo PWM. Navíc pro komplexnost obsahuje 8 digitálních vstupů

Komunikační karty

Karta pro Ethernet (označení 5500) - karta nabízí dvě rozhraní pro Ethernet : 10Base-2 (koaxiální kabel - BNC konektor), 10Base-T (UTP - RJ45 konektor). Podporuje standard IEEE 802.3/ANSI 8802-3. Navíc tzv. Automatic twisted pair receive polarity detection and correction.
Karta pro PCMCIA (označení 5842) - Karta obsahuje rozhraní pro PCMCIA včetně sloty pro PCMCIA karty. Ty jsou akceptovány ve typech I, II a III. Karta tak podporuje moduly jako jsou například SRAM, flash, modem, Ethernet, harddisk, A/D a další moduly. Teplotní omezení je hlavně dané parametry PCMCIA karty.
SCSI karta (označení 5530) - karta tvoří SCSI adapter schopný řízení až 7 zařízení včetně harddisků, magneticky-optriclých zařízení, CD-ROM jednotek apod. Je kompatibilní s SCSI-1 i SCSI-2.
ARCNET Lan karta (označení 5560) - vhodné pro použití v průmyslových sítích. Komunikaci charakterizuje variabilní datová délka paketu, 16bitový CRC, podpora 255 uzlu a sítí typu hvězda, sběrnice. Maximální přenosová rychlost až 2.5Mb/s.
Karty pro sériovou komunikaci (označení 5554, 5558) - poskytují 4 nebo 8 sériových portů, které je možné konfigurovat pro standard RS-232,RS-422 nebo RS-485.
Multifunkční karta (označení 5540) - kombinuje více rozhraní. Obsahuje 2x sériový port RS-232/RS-422/RS-485 v podobě 9pinového klasického Dsub portu, paralelní LPT port (jen signály), 24 digitálních vstupů/výstupů, LCD displej port a rozhraní pro klávesnici.
Modémová karta (označení 5556) - poskytuje komunikace dle klasického standardu V.90 a V.34, tzn. komunikační rychlost až 56 kbaudů pro downlink. Karta je opatřena konektory RJ11.

Ostatní karty

Karta pro harddisk a disketovou mechaniku (označení 5802, 5815) - poskytuje rozhraní a připevnění pro klasickou 3.5" disketovou mechaniku (floppy) pro 1.44MB diskety a klasický PC harddisk (2.5-in. HDD) s rozhraním 16-bit IDE drive. Zde je omezená pracovní teplota na -4°C až 45°C hlavně z důvodu samotné disketové mechaniky nebo harddisku.
Video karta (označení 5445) - obsahuje rozhraní pro klasické PC CRT monitory, ploché LCD i plasmové. Jako výstup je zde i klasický VGA konektor. Maximální rozlišení je 1280 x 1024 bodů.

Operační systémy a programování

Firma Octagon Systems přímo nabízí operační systémy vhodné pro konkrétní CPU karty v podobě tzv. OS Embedder Kits, které obsahují vše potřebné k úspěšnému nahrání a zprovoznění daného OS na dané kartě (omezení pro různé typy CPU karet dle jejich parametrů). Součástí jsou i tištěné manuály, CD-ROMy, potřebné kabely nebo přídavná paměťová média potřebné pro tu konkrétní CPU kartu.

Pro v tomto článku uváděné CPU karty je sortiment OS:

Linux OS Embedder - je založen na optimalizovaném kernelu verze 2.4 nebo 2.6, open source code, GPL licence, sada potřebných driverů, Extended 3 File System (EXT3), podpora bezdrátové i síťové komunikace. Vhodný pro stabilní řídící programy psané v programovacím jazyku C (překladač je součástí).
Windows OS Embedder - pro systém MicroPC hlavně Windows CE.net (v budoucnu i Windows XP Embedded), podpora bezdrátových technologií, grafiky, síťová komunikace, sada potřebných driverů, Windows API
QXN OS Embedder - QNX Momentics, deterministický, odolný a stabilní operační systém optimalizovaný pro real-time aplikace a zpracování signálů, součástí je potřebná sada driverů.
DOS OS Embedder - DOS 7.1 (ROM-DOS Datalight licence) , součástí všech karet jako firmware uložený v ROM chipu, je tedy v ceně každé CPU karty. Používání na Octagon CPU kartách není vázáno žádnou licencí. Vhodný pro rychlé řídící a zprácovávající aplikace programované převážně v programovacím jazyku C. Samozřejmostí je plná podpora INT 17 BIOS přerušení jako v PC.

Příklady použití

Využití je téměř neomezené. Systém sestavený z jedné či více CPU karet a libovolného množství periferních karet je možné použít jak přímo v průmyslu továren a výrobních hal, tak i v laboratorních podmínkách nebo jako součástí rozvaděče, například v podobě MaR topných systémů ve výměníkové stanici. Teplotní a vibrační odolnost MicroPC je tomu přizpůsobená. Z tohoto důvodu jsou na CPU kartách použitý sice méně výkonné, ale odolnější procesory z pohledu elektomagnetického rušení a teploty (nevyžadují větrák ani jiné nadstandardní chlazení).

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz