Projektowanie aplikacji pomiarowych czasu rzeczywistego w zintegrowanym środowisku programistycznym

W artykule przedstawiono metodykę tworzenia programu obsługującego nowoczesny komputer przemysłowy wykorzystywany przez wiele przedsiębiorstw do monitorowania i diagnostyki urządzeń i procesów, np. w fabryce. Omówiono zarówno trendy rozwojowe systemów pracujących w warunkach przemysłowych pod kontrolą systemów operacyjnych czasu rzeczywistego, jak i nowatorskie rozwiązania programowe będące w dyspozycji projektanta. Na konkretnym przykładzie przedstawione zostaną możliwości i ograniczenia nowoczesnego rozwiązania do akwizycji danych.

Stałe unowocześnianie specjalistycznego sprzętu do zastosowań pomiarowych i jego malejąca cena decydują o dostępności dla różnorodnej i szerokiej rzeszy odbiorców. Nie są to już wyłącznie wysoko wykwalifikowani specjaliści z dziedziny elektroniki lub elektrotechniki, lecz szerzej rozumiana kadra inżynierska. Aby możliwe było wykorzystywanie przez nich specjalizowanego sprzętu, konieczne jest stosowanie przez producentów warstwy abstrakcji, oddzielającej zadania zlecane urządzeniu od szczegółów jego działania. Jest to powszechny trend w informatyce. Liczba użytkowników i projektantów wykorzystujących sprzęt komputerowy wciąż rośnie, zaś przyspieszające zmiany na rynku wymuszają coraz szybsze projektowanie aplikacji. Z tego powodu wprowadzane są języki programowania ukrywające przed projektantem szczegóły techniczne sprzętu, na którym działają aplikacje przy ich pomocy napisane.

W przypadku mikrokontrolerów odchodzi się powoli od asemblerów, które (choć zapewniające optymalny kod), wymagają dużej wiedzy na temat zasady działania komputera. Dodatkowo czas projektowania programu przy ich użyciu jest stosunkowo długi. Z tego powodu stosuje się coraz częściej języki typu C/C++ lub nawet Java, dzięki czemu tworzenie aplikacji pomiarowej jest znacznie łatwiejsze i szybsze (chociaż sam program zajmuje więcej miejsca i wykonuje się dłużej, niż w przypadku asemblera). Podobnie wygląda sytuacja ze sterownikami PLC oraz pokrewnymi im urządzeniami. W tej grupie urządzeń typowe są języki graficzne, które pozwalają skupić się na zadaniu do wykonania przez komputer, podczas gdy szczegóły implementacji programu ukryte są na poziomie kompilatora, czyli programu tłumaczącego abstrakcyjny język źródłowy na kod zrozumiały przez maszynę [1]. Aby było to jednak możliwe, konieczne są specjalistyczne struktury programowe, a także nowatorskie podejście do zagadnienia projektowania aplikacji, z uwzględnieniem jej specyfiki. Osobną grupę stanowią układy wyposażone w matryce FPGA, wymagające zwykle specjalizowanych pakietów projektowych (takich jak Quartus firmy Altera lub Xilinx ISE Design Suite), pozwalających na wysokim poziomie abstrakcji skonfigurować zestaw bramek logicznych.

Problem komputerowej akwizycji danych analizowany jest od czterdziestu lat. W efekcie powstało wiele rozwiązań sprzętowych, począwszy od kart akwizycji danych, poprzez zewnętrzne moduły komunikujące się z komputerem za pośrednictwem portu USB, a skończywszy na specjalizowanych samodzielnych jednostkach dysponujących wszystkimi elementami potrzebnymi do próbkowania sygnału, przekształcenia go na postać cyfrową oraz przetworzenia przez procesor. Pomimo że wszystkie wymienione rozwiązania są obecnie stosowane, wydaje się, że największe możliwości rozwoju mają moduły samodzielne. Są one dostatecznie małe, aby można je było umieścić w trudno dostępnych miejscach, integruje się w nich również wiele technologii, takich jak standardy ZigBee i Bluetooth, czy matrycę FPGA. Tak skomplikowane systemy wymagają odpowiedniego wsprarcia przez oprogramowanie.

Jako przykład tendencji rozwojowych w tym segmencie sprzętu pomiarowego mogą służyć karty akwizycji danych firmy Adlink Technology, które pierwotnie pełniły wyłącznie funkcje pomiarowe, do innych operacji wymagając mocy obliczeniowych i zasobów komputera. Obecnie zaś występują również modele typu PCI-9820, będące właściwie osobnymi komputerami, posiadając własne układy przetwarzające i pamięć, komunikują się z podstawowym systemem za pomocą magistrali rozszerzeń (typu PCI, PXI lub PCI Express). Podobnie ma się sprawa z samodzielnymi modułami przemysłowymi. Nieustannie pracuje się nad zmniejszaniem zapotrzebowania na moc zasilania, starając się utrzymać możliwości obliczeniowe na poziomie pozwalającym na wykonywanie niezbędnych obliczeń. Zmianom ulegają również standardy obudów oraz sposoby dołączania niezbędnych modułów dodatkowych, np. wejść i wyjść cyfrowych i analogowych. Obecnie standardem są obudowy kasetowe (czego dobrym przykładem jest platforma CompactRIO pokazana na fotografii 1.), do których wkłada się kolejne zestawy funkcjonalne, choć wcześniej, np. w przypadku urządzeń FieldPoint firmy National Instruments (fot. 2.) kolejne elementy łączono za pomocą zaczepów na zewnątrz obudowy [2].

literatura
[1] R. Sałat, K. Korpysz, P. Obstawski, "Wstęp do programowania sterowników PLC," WKŁ, Warszawa, 2010.
[2] "A quick guide to National Instruments FieldPoint I/O system," on-line: http://techteach.no/tekdok/fieldpoint/index.htm
[3] E. Tovar, "Guest editorial: embedded and real-time computing systems and applications," Real-Time Systems, Vol. 47, No. 3, May 2011, pp. 195-197.
[4] "CompactRIO Integrated System Whitepaper," on-line: http://www.isa.org/intech/whitepapers/CompactRIO-Integrated-System-Whitepaper.pdf.
[5] P. Bilski, W.Winiecki, T. Adamski, “Implementation of Symmetric Cryptography in Embedded Systems for Secure Measurement Systems”, materiały konferencji I2MTC 2011, Hangzhou, Chiny, 9-12, May 2011, pp. 1288-1293.
[6] "National Instruments Announces First Multicore CompactRIO With Intel Core i7 Processor and Smallest NI Single-Board RIO Devices," on-line: http://digital.ni.com/worldwide/bwcontent.nsf/websearch/f91e1d3b5bdd3ea7862578c70054af6a?OpenDocument&nisrc=RSS-news-en