Návrh karty RIO Mezzanine s nástroji NI Multisim a NI Ultiboard

Představení

Tento referenční návrh ukazuje, jak lze použít nástroje NI Multisim a NI Ultiboard pro návrh vlastní karty typu RIO Mezzanine Card pro systém určený k vaření piva v domácích podmínkách. Systém byl vytvořen na platformě NI Single- -Board RIO a LabVIEW.

Úvod

Jednou z nejoblíbenějších demonstrací na konferenci NIWeek 2012 byl automatizovaný systém pro vaření piva, který používá pro řízení celého procesu desku NI Single-Board RIO (sbRIO) a kartu typu RIO Mezzanine Card (RMC) s vlastním návrhem. Návrh karty byl proveden s pomocí nástrojů Multisim a Ultiboard. Zařízení sbRIO hostuje aplikaci typu LabVIEW Real-Time, která monitoruje teplotu a řídí různé elementy (například pumpy). Karta RMC obsahuje vlastní obvody pro připojení signálů a senzorů.

Multifunkční I/O zařízení NI Single-Board RIO

Produkty NI Single-Board RIO byly navrženy pro vestavné aplikace pro řízení a sběr dat, které jsou vyráběny ve velkých objemech. Tato zařízení mají procesor reálného času a obvod FPGA, které lze programovat s pomocí LabVIEW Real-Time a LabVIEW FPGA. Pivovarnický systém je řízen deskou sbRIO-9626, která obsahuje procesor s taktem 400 MHz, rekonfigurovatelný obvod FPGA Xilinx Spartan- -6LX45, komunikační porty (Ethernet, sériová linka, USB, CAN, SDHC), konektor IDC s 50 piny (který umožňuje připojit 16 analogových vstupů, 4 analogové výstupy a 4 digitální linky na 3,3 V) a konektor pro RIO Mezzanine Card (RMC), který nabízí přímý přístup k 96 digitálním linkám s napětím 3,3 V na obvodu FPGA.

Na obr. 1 vidíte zařízení sbRIO-9626 s konektory IDC a RMC zvýrazněnými žlutou barvou.

Obr. 1 Čelní strana sbRIO-9626 s konektorem IDC s 50 vývody (vlevo) a RMC konektor (vpravo)

Karta RIO Mezzanine

Konektor IDC s 50 piny a konektor RMC představují otevřenou architekturu pro rozšiřování a úpravy na míru a také dávají uživatelům možnost navrhovat vlastní přípojné karty (označované jako RIO Mezzanine Card). Pro potřeby pivovarnického systému jsme potřebovali analogové vstupy pro senzory a potenciometry a dále digitální vstupy a výstupy pro relé a spínače.

V tomto referenčním návrhu jsme k návrhu vlastní přípojné karty použili NI Multisim a NI Ultiboard, nástroje pro návrh obvodů a tvorbu prototypů od National Instruments.

Návrh karty RIO Mezzanine v prostředí Multisim

Multisim zahrnuje obsáhlou databázi schematických značek a simulačních modelů. Tato databáze dále obsahuje symboly a rozměry konektorů, které mohou návrháři použít při návrhu vlastních desek pro hardwarové systémy NI, jako jsou: zařízení pro sběr dat (řada R, řada S, řada X), CompactRIO, Single- -Board RIO, GPIB a SCXI.

RMC konektor, který je použit v sbRIO-9626 (a v dalších zařízení sbRIO), je standardní high- -density 240pinový konektor typu Searay. Doporučený protikus je SEAM-40-03.0-S-06-2-A-K-TR, který je obsažen v databázi prostředí Multisim. Jeho symbol je rozdělen na tři části: DIO, MISC (napájení, zem, USB) a RES (rezervované kontakty), jak je vidět na obrázku 2.

Obr. 2 Symbol konektoru RMC

Návrh RMC desky zahrnuje čtyři hlavní moduly: napájení, analogové I/O, digitální I/O a relé a teplotní senzory. Aby byla zachována modulární architektura, je schéma v prostředí Multisim organizováno ve formě většího počtu stránek s obvody, jak je vidět na obr. 3.

Obr. 3 Organizace schémat do stránek v prostředí Multisim

Napájecí modul

Napájecí modul se skládá ze šesti bloků umístěných na jedné stránce (obr. 4). Popis jednotlivých bloků naleznete v tabulce 1.

Obr. 4 Napájecí modul RMC

Analogový I/O modul

Jak již bylo zmíněno dříve, obsahuje sbRIO-9626 16 analogových vstupů a 4 analogové výstupy, ke kterým lze přistupovat prostřednictvím konektoru IDC s 50 kontakty (viz obrázek 1). Všechny tyto kanály jsou připojeny k vlastní desce prostřednictvím plochého kabelu a kvůli snadnému připojení signálů k desce máme i dvě šroubovací svorky.

Digitální I/O modul

Konektor RMC umožňuje připojení 96 vstupů a výstupů k obvodu FPGA; 12 digitálních kanálů se používá pro ovládání relé, 8 digitální kanálů se používá pro čtení teplotních senzorů a 32 digitálních kanálů se používá pro jiné úkoly.

Relé modul

Na navržené desce je k dispozici 12 reléových kanálů. Signály se připojují prostřednictvím šroubovacích konektorů. Každý reléový kanál má vlastní řídicí obvod, který vyžaduje externí napájení 15 V (konektor pro napájení se nachází na napájecím modulu). Obvod pro řízení relé byl simulován v prostředí Multisim, aby se ověřilo, že proudové a napěťové úrovně jsou dostatečné.

Obr. 5 Obvod pro řízení relé

Modul teplotního senzoru

Pro měření teploty jsme použili digitální senzor DS18B20. Toto zařízení vyžaduje napájení a pull- -up rezistor. Celkově máme 8 senzorů, které se připojují prostřednictvím šroubovacích konektorů. Použití digitálního senzoru zjednodušilo obvody na navržené desce, náročnou částí však byla implementace protokolu pro jednovodičovou komunikaci na zařízení sbRIO.

Návrh karty RIO Mezzanine v nástroji Ultiboard

NI Ultiboard je flexibilní prostředí pro návrh desek plošných spojů (DPS), které dává uživatelům k dispozici nástroje pro rychlou tvorbu prototypů. Nástroj Ultiboard je také plně integrován s prostředím Multisim, takže je možné rychle navrhnout prototyp DPS z vytvořeného obvodu.

V prostředí Multisim jednoduše vyberete nabídku Transfer»Transfer to Ultiboard »Transfer to Ultiboard 12.0 pro přenesení zapojení (netlist) do nástroje Ultiboard. Ultiboard vytvoří výchozí obrys desky a umístí všechny součástky mimo tuto desku.

Rozměry této desky se přesně shodují s rozměry desky sbRIO-9626. Rozměrové značky desky jsou umístěny v mechanické vrstvě, takže na desku nejsou ve výrobě vytištěny. Mechanická vrstva se také dobře hodí, pokud potřebujete k návrhu přidat dodatečné informace.

Navrhli jsme desku se čtyřmi vrstvami, napájecí vrstvy byly umístěny uprostřed. Vrstva Copper Inner 1 obsahuje rozvody pro všechny napěťové úrovně dostupné na desce a vrstva Copper Inner 2 představuje zemnicí vrstvu pro digitální i analogovou část.

Spoje na této desce byly vedeny v šířce 6–8 mil. Relé pracují s vyššími proudovými úrovněmi, proto byla pro všechny reléové vstupy použita šířka spojů 45 mil. Většina spojů na desce byla umístěna s pomocí funkce Bus Autorouting, kterou Ultiboard nabízí. Ta vám umožňuje vést spoje vedle sebe a dosáhnout tak vyšší integrity signálu (obr. 6). Některé spoje byly také umístěny s pomocí funkce Autorouter.

Obr. 6 Vedení spojů v nástroji Ultiboard

Náročný úkol představovalo vedení signálů od konektoru RMC. Tento proces by vyžadoval hodiny manuální práce. Pro usnadnění jsme proto použili funkci Fanout (obr. 7) z nástroje Ultiboard a práce tak byla hotova za několik sekund.

Obr. 7 Funkce Fanout v nástroji Ultiboard

Před exportem výrobních dat (Gerber, NC vrtání, atd.) si v nástroji Ultiboard můžete prohlédnout 3D model své desky, jak vidíte na obrázku 8. S pomocí myši můžete desku otáčet v rozsahu 360 stupňů ve všech směrech.

Obr. 8 Pohled na RMC kartu shora (3D)

Obr. 9 Spojení sbRIO-9626 a vlastní karty RMC

Na závěr uvádíme obrázky celého elektronického zařízení, které řídí proces vaření piva. Karta RIO Mezzanine je připojena za desku sbRIO-9626.

http://czech.ni.com