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Anschlusskolloquium SPP 1148Tübingen imat
Thomas Reinemann, Roland KasperSteffen Toscher
Institut für Mechatronik und AntriebstechnikOtto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Echtzeitrekonfiguration mechatronischer Systeme auf Basis direkt implementierter Zustandsmaschinen
Echtzeitrekonfiguration mechatronischer Systeme auf Basis direkt implementierter Zustandsmaschinen
Inhalt
• Anforderungen an Echtzeitrekonfiguration mechatronischer Systeme
• Zustandsautomatenbasierte Spezifikation und Implementierung
• Implementierungskonzept
• Zusammenfassung zu den bisherigen Arbeiten
• Ausblick auf geplante Arbeiten
2imat
Anforderungen an Echtzeitrekonfiguration
Beispiel: Piezoventil
AktorW
VS
Mengen-steller
Regler
Ent-laden
Spe
iche
r
LadenFluid
Ver
sorg
ung
3imat
• Aufgabe: Ladungstransport von Speicher in Aktor und zurück in kleinen Dosenmit hoher Frequenz (Abtastrate 1 MHz)
• Methode: Modellbasierter Aufwärts- + Abwärtsschaltregler mit Spule als Zwischenspeicher (Zustandswechsel < 100 µs)
• Spezifikation und Implementierung: Blockschaltbild (Aktor, Elektronik) + Hierarchischer Zustandsautomat (Schaltzustände)
Informationsverarbeitung in mechatronischen Systemen
Arbeitspunkt
• Kennlinien, Kennfelder physikalischer Größen
• Linearisierung nichtlinearer Effekte
Betriebszustand
• Physik: Laden, Entladen
• Sequenz: Self-Test, Operation, Fail-Safe, …
y=fA(u)y=fB(u)
y=fC(u)
u
y
Struktur ist variabel in Abhängigkeit von
Function A
Function B
Function C
4imatZustandsautomat
Spezifikation mechatronischer Systeme
Datenfluss
• Blockdiagramm basierend
• Beschreibung der Signalverarbeitung
Steuerfluss
• Aktivierung der Algorithmen
• FSM basierend
Function A
Function B
Function C
Y=YBY
Y=YC
Y=YA
YA
YB
YC
U=UB
U=UC
U=UA
UA
UB
UC
U
Steuerung der Struktur des Datenflusses
5imat
Spezifikation mechatronischer Systeme
Datenfluss
• Blockdiagramm basierend
• Beschreibung der Signalverarbeitung
Steuerfluss
• Aktivierung der Algorithmen
• FSM basierend
Y=fB(U)U Y
Y=fA(U)U Y
Y=fC(U)U Y
Funktionen werden ersetzt
6imat
Spezifikation des Datenflusses dynamisch rekonfigurierbarer Funktionalitäten
Toplevel Module, Slots
Funktionen Typen
Gatter, Register
LeitungenSignale
Blöcke
bitseriell
7imat
Modul FSM
• Definiert die Reihenfolge für das Laden und Aktivieren der Typen
• Resultiert aus der Spezifikation der Zustandsautomaten
• Um Echtzeitbedingungen einzuhalten sind alle erreichbaren Zustände vorzuladen.
• Eine Aktivierungsinformation ist auszutauschen, da immer nur ein Typ aktiv sein darf.
• Verteilte Modul-FSM Implementierung, mehrere Typen sind gleichzeitig geladen.
Beispiel-FSM
8imat
Typ FSM
• Steuert die Aktivierung und Deaktivierung der Typen
• Struktur ist für alle Typ-FSMs identisch
In Modul-FSM definiert
notloaded ready
activesend T-markerdeactivate
outputs
T-markerreceived
condition xstart signalprocessing
activate outputs
type loaded
type replaced
--
--
9imat
T-Marker• Jeder Typ hat seinen eigenen T-Marker zur Aktivierung
• Zuordnung Typ <> T-Marker erfolgt während der Kompilierung
Kommunikationssystem
D
CS-FSM CS-FSMCS-FSM
S-REG
D D
T-Marker
ModuleBoundary
T-Marker T-Marker
GeneralControlModule(GCM)
10imat
• Statisch, nicht rekonfigurierbar, Überbrücken von Slots während der Rekonfiguration
• General Control Module (GCM) nimmt an der Kommunikation teil• Deterministisches Zeitverhalten
Control System
11imat
Dezentrale Lösung• Weiterschalten der Typ-FSM erfolgt im Slot• GCM muss keine Prozesssignale verarbeiten• Gute Skalierung
CS-FSM
D
T-Marker
Message-In
Message-Out
ICAP
Types to Load
Type's AddressMemory
USB
InitialT-Marker
ReceivedT-Marker
D
CS-FSM
T-Marker
T-FSM
Message-In
Message-Out
Start-Signal-
Processing
ProcessSignals
Rekonfigurierbarer Slot General Control Modul
Implementierungsbeispiel
• Xilinx XC2V1000
• Exemplarisch zwei rekonfigurierbare Slots
• Die Multiplexer-Steuersignale zur Auswahl der Prozess-signale werden in den Typ-FSMs generiert
• Antriebsregler für DC-Motoren
Recon-figurable
Slot2
Recon-figurable
Slot1
GeneralControlModule
Communication System
ProcessSignal
12imat
Zusammenfassung bisheriger Arbeiten
• Konzept für einen universellen rekonfigurierbaren Controller wurde erarbeitet
• Echtzeitfähige Rekonfigurationsmechanismen wurden entwickelt und implementiert
• Kommunikationssystem ist implementiert
• I/O-Funktionen sind realisiert
– Analog: Delta-Sigma-Wandler als Eingabe und PWM für die Ausgabe
– Digital: USB
• FSMs werden direkt auf Gatterebene realisiert
• Bitserielles Arithmetikkonzept wurde weiterentwickelt
• Validiertes Konzept zur Nutzung der partiellen Rekonfiguration im Bereich Mechatronik ist vorhanden
13imat
Veröffentlichungen
1. Reinemann, Kasper: Anwendung rekonfigurierbarer Logik im Maschinenbau am Beispiel einer adaptiven Regelung; MMT, Magdeburg, 2003
2. Toscher: Entwurf und Realisierung einer durchgängigen Entwicklungsumgebung zur flexiblen Umsetzung von Steuergerätefunktionalität für elektronisch kommutierte Elektromotoren in Hardware und Software unter Ausnutzung der Rekonfigurierbarkeit von programmierbarer Logik; Diplomarbeit; 2004
3. Reinemann, Kasper, Toscher: Function replacement of hard real-time systems using partial reconfiguration; International Workshop on Applied Reconfigurable Computing ARC; Faro; 2005
4. Toscher, Kasper, Reinemann: Dynamic Reconfiguration of Mechatronic Real-Time Systems Based on Configuration State Machines; Reconfigurable Architectures Workshop; Denver; 2005
5. Toscher, Kasper, Reinemann: Rapid Control Prototyping mechatronischer Systeme auf Basis rekonfigurierbarer FPGAs 6. VDI Mechatroniktagung –Innovative Produktentwicklung; Wiesloch; 2005
14imat
Kooperationen
Prof. Dr.-Ing. Renate Merker; TU Dresden
Entwicklung von Partitionierungsstrategien im Entwurf dynamischrekonfigurierbarer Systeme
• Alternative Implementierungsstrategien für den Regelalgorithmus sind von Interesse
• Lösung, bei der der Regelalgorithmus in einem vorgegebenen Parameterraum mit minimalem Aufwand rekonfiguriert werden kann
Interesse an weiteren Kooperationen insbesondere
• Echtzeitkommunikation
15imat
Weitere Arbeiten
Kommunikations- und Kontrollsystem /Steuerung der Rekonfiguration
• Sicherung von Zustandsvariablen vor und deren Verteilung nach der Rekonfiguration, unter Erweiterung des Kommunikationssystem
• Variable/dynamische Zuordnung zwischen Slots und Typen
• Analyse und Klassifizierung weiterer Busstrukturen wie z.B. TTP, …
• Ablösung von Tri-State basierten Busmacros
• Wechsel auf Virtex 4
16imat
Weitere Arbeiten
Schnittstellen
• Ausbau bestehender Bibliotheken für den Blockdiagramm-Editor in Bezug auf rekonfigurierbare Schnittstellen für Prozesssignale und Einbindung in übergeordnete Strukturen
• Delta-Sigma-Wandler für analoge Ein-/Ausgabe unterstützen das Konzept der Rekonfigurierbarkeit durch Implementierung anpassbarer digitaler Filter direkt im FPGA
+1V
-1VComparator/
Quantizer
IntegratorSubtracteru yDigital Filter/
Decimation
Modulator (analog)
+
-Σ
+
-∆
17imat
Weitere Arbeiten
Bitserielle Arithmetik
Bitserielle Arithmetik und Operandenkommunikation kommt mit nur
einer Signalleitung je Operand aus
• Problem: feste Kopplung zwischen Abtastfrequenz, Wortlänge und Takt
Burst Mode: Einfügen einer Lücke zwischen Operanden-MSB und dem nächsten Operanden (Multirate)
• Problem: Synchronisierung der Verzögerungen in Operatoren
Vermeiden von Registern in den Operatoren (partiell asynchrones Design)
18imat
Weitere Arbeiten
Anwendungsbeispiele
• Rekonfigurierbarer Motorcontroller
– Einfacher und übersichtlicher Anwendungsfall
– Lineare Regelung
• Piezocontroller
– aufwändigerer Anwendungsfall
– Nichtlineare Regelung
• KFZ-Motorsteuerung (Phase 3)
– Wirtschaftlich interessant
– Umfangreiche Möglichkeiten zur dynamischen Rekonfiguration
– Sehr komplexer Anwendungsfall
19imat
Weitere Arbeiten
Framework
• durchgängige Werkzeugkette von Spezifikation über Implementierung bis Prototyping von Controller-Funktionalitäten in rekonfigurierbarer Hardware
• Angabe der rekonfigurierbaren Bereiche bereits während der Spezifikation im Blockdiagramm-Editor
– Partitionierung (Module <> Slots)
– Definition der Zuordnung Modul <> Typen
• Ziel:
– Einfacher Zugang zu rekonfigurierbarer Hardware für den Entwickler mechatronischer Produkte
– Schnelle Verbreitung rekonfigurierbarer Hardware in mechatronischen Produkten
20imat
Vielen Dank!
21imat