ביצועי עיבוד משופרים יוצרים סוגים חדשים של מערכות מדידה מתקדמות

אנדרס נורלין פרדריקסן, אנאלוג מכשורים

השימוש בכלי תכנון מערכות מתקדמים עבור מעבדים משובצים הוא רק תחילתו של עידן חדש של פיתוח מערכות עבור כל אחד מהתקני המדידה. המתכננים יכולים להתגבר על מגבלות התכנון בעזרת מעבדים רבי–יכולת כגון Blackfin ו–SHARC, ולממש במהירות מכשירים בעלי פונקציונליות גבוהה – אפילו עד לסדרת ייצור מלאה. מאמר זה מתאר כמה דוגמאות של “רעיון עד מוצר סופי” בעזרת מתודולוגיות תכנון חדשות ורבות יכולת אלו.
מזה כמה עשרות שנים, תכנוני מדידות היו מבוססים על טכנולוגיה קניינית מקושרת עם נכסים אינטלקטואליים של תכנון ייעודי, עם מוקד שמופנה אל תוך השווקים. כאשר הטכנולוגיה הזו דילגה אל המאה הנוכחית, השתפרו ביצועי המעבדים ותקופה חדשה של טכנולוגיית פיתוח זרעה את הגרעין לתכנונים מתקדמים יותר בהרבה. אם נתבסס על הדרישה שהגיעה מלקוחות ומיצרנים, היכולת לעשות שימוש חוזר בתכנונים הפכה כיום להיות חיונית ביותר מבחינת המתכננים שמעונינים לקבל מתודולגיית תכנון עם יכולות שדרוג טובות יותר בהמצאות החדשות.

חברת NARI מפיקה תועלת מהיתרונות של מעבדי SHARC ו–BLAKFIN
אחת היצרניות – Manjing Nari–Relays Electric Co. Ltd. [Nari] – נחשבת למובילה בעולם בתחומים של מחקר וייצור מערכות מספריות להגנה לאוטומציה ולבקרה, עבור מערכות הספק במתח גבוה, הן מתח חילופין והן מתח ישר. היותה של חברת Nari מובילה מבחינה טכנית מוכחת על ידי קווי המוצר המקיפים שלה, ומתבססת על הטכנולוגיות הייחודיות שלה, הרשומות כפטנטים. חברת Nari היא חברה שעוסקת בהנדסה ומחויבת להעניק שירות לחברות תשתית אספקת חשמל וללקוחות תעשייתיים ברחבי העולם. מערכת אספקת החשמל בסין הגיעה לרמות גבוהות של יציבות, באופן חלקי בשל השימוש הרווח במוצרי המערכות המספריות להגנה בממסרים [Numerical Relay System] של חברת Nari, שהם בעלי אמינות גבוהה ביותר. שיעור המקרים בסין שבהם מתרחשת הפסקה באספקת החשמל ברשת בשל תקלה או בגלל תנאי פעולה אחרים, הופחת באופן משמעותי.
לפני עשר שנים, החלה חברת Nari להשתמש במשפחת 218x של מעבדי DSP בנקודה קבועה של 16 סיביות, תוצרת חברת Analog Devices. עד לזמן זה, רוב תהליכי העיבוד המשובצים שלהם התבססו על ארכיטקטורות של מעבדי מיקרו לשימוש כללי. כאשר משפחת Blackfin הפכה זמינה בשוק, החלה Nari להשתמש במוצרים אלו עבור התקני ההגנה שלה. השימוש בארכיטקטורות עיבוד אותות התרחבה בחברת Nari כאשר מוצרים מוצלחים רבים מבוססים על Blackfin ו-SHARC החליפו את התכנונים מבוססי בקרי מיקרו ומעבדי המיקרו. רוב התכנונים החדשים שלהם מבוססים על מעבדים של Analog Devices.
חברת Nari הגיעה למסקנה שהביצועים שאליהם מגיעים באמצעות פתרונות עם Blackfin ו–SHARC היו מעולים ביישומים קריטיים של חישה ותגובה לתקלות ולאירועים של תופעות מעבר ברשת החשמל. פונקציות אלו חיוניות ביותר לאמינות של רשתות חשמל ארציות, החל בתחנות גדולות להפקת חשמל ועד לשנאי כוח מקומיים, ובכל מה שנמצא ביניהם.
יכולת ביצוע היא תכונה בעלת חשיבות רבה שתורמת להצלחתם של מעבדי ADI ביישומים תעשייתיים אלו. היכולת להתחבר להתקני כניסה ויציאה, כגון ממירים ומתגים חשובה אף היא. היכולת למדוד ולנתח במהירות את תנאי המערכת היא דרישה ברורה מאליה. דרישה ברורה פחות שאף היא חשובה לתכנונים כאלו, היא צריכת ההספק, או אם לדייק יותר, צריכת הספק נמוכה לצורך פעולה בתוך מארזים, עם מרחב מוגבל וללא קירור. המעבדים Blackfin ו–SHARC של ADI משמשים בטווח רחב של יישומים עם דרישות מגוונות של משתמשי קצה, כשכולם מסתמכים על שילוב מוגדר היטב של ביצועים, הספק והתקנים היקפיים שקיים במעבדים האלו.
הפונקציונליות של בקר מיקרו [MCU] ושל עיבוד אותות היא תכונה מובנית של המעבד Blackfin, ובכך מתבטל הצורך במעבד אותות ומעבד בקרה נפרדים. היחס של Blackfin בין המחיר לביצועים היה גם הוא נקודת יתרון נוספת בעיני Nari, שכן המעבד מציע יכולת עיבוד חסרת תקדים בהשוואה לעלותו.
משפחת המעבדים Blackfin תוכננה במיוחד כדי לעמוד בדרישות המחשוב ובמגבלות ההספק של יישומים תעשייתיים ויישומי מכשור ותקשורת, כמו אלו של Nari. המעבדים ממשפחת Blackfin משלבים עיבוד אותות ונצילות הספק פורצות דרך עם מודל תכנות RISC, ומאפשרים הקצאת משאבים גמישה בין משימות קשיחות של עיבוד אותות בזמן אמת ומשימות בקרת מערכת באותו מעבד. בשל האופי הניתן לתכנות של מעבד Blackfin, הצליחה Nari להתאים בקלות את פלטפורמת החומרה מבוססת Blackfin שלה, וליצור משפחה שלמה של מוצרים במחירים שמתאימים למגוון רחב של דרישות לקוח.
מעבד DSP מסוג SHARC של ADI, שמשלים את Blackfin, מספק את יכולות הביצועים עבור מערכות מדידה והגנה מהרמה הגבוהה ביותר. משפחת SHARC מורכבת מתיק מוצרים מקיף, הכולל שלושה דורות של מוצרים, המספקים פתרונות תואמי קוד. ההתקנים נמצאים בטווח שבין מוצרים ברמה הבסיסית הנמכרים במחיר של פחות מ–10 דולר, ועד למוצרים בעלי ביצועים ברמה הגבוהה ביותר המציעים יכולת מחשוב בנקודה קבועה ובנקודה צפה, בקצב של עד 400 מגה הרץ או 2400 MFLOP. לא חשוב איזה מוצר תבחר, כל מעבדי SHARC מספקים קבוצה משותפת של תכונות ושל פונקציונליות שניתנות לשימוש במערך השלם של יישומי מודדים ומדידות. פונקציונליות בסיסית זו מאפשרת למשתמש במעבד SHARC לשפר קוד ישן ולהתבסס על ניסיון בתכנון בעת מעבר למוצרי SHARC, שהביצועים שלהם טובים יותר והם בעלי אינטגרציה גבוהה יותר.

מכשירי מדידה אולטרה–סוניים ניידים
תחום מדידה חדש אחר הוא מדידות על–קול (אולטרה–סאונד) באמצעות מכשירים ניידים, שצורכי הביצועים ודרישות האיכות שלהם דומים לאלו של מערכת ממסר לאבטחת אספקת מתח, על אף שהם מוסיפים לדרישות גודל קומפקטי, אורך חיים ארוך לסוללות והפעלה ארגונומית.
Sika Technology AG שבשוויץ, היא חברת אינטגרציה עולמית המספקת לשווקים של חברות המתמחות בחומרים כימיים. Sika Technology חיפשה ספק ויועץ כדי לתכנן משפחה חדשה של יחידות מדידה ניידות בתחום האולטרה–סאונד. התכנון אמור היה להיות בעל יכולת שדרוג ויכולת ביצועים שיוכלו לספק ל– Sika Technologyאת הגמישות לפיתוח מוצרים עתידיים. בנוסף על כך, פלטפורמת התכנון אמורה לקצר את זמן היציאה לשוק של משפחת המוצרים כולה. כדי לענות על דרישות אלו, פנתה Sika Technology אל פלטפורמת ZMobile של Schmid Engineering המשתמשת במשפחת המעבדים Blackfin® ADSP-BF548.
את התפיסה החדשה של מדידות באולטרה–סאונד אפשר להשוות להתמצאות של עטלפים באמצעות הד: חבילת תנודות משודרת, ומודדים את הזמן שחולף עד אשר ההד חוזר. שלא כמו בשיטות אקוסטיות, התדירות משתרעת בתחום המגה–הרץ. אלגוריתם שפותח על ידי Sika Technology מפיק את זמן התגובה המדויק ואת המשרעת (האמפליטודה) מאות ההד החוזר, אשר ממנו אפשר להסיק מסקנות לגבי החומר שנבדק. המכשיר מורכב ממרבב (מולטיפלקסר) שמבצע מדידות אולטרה סאונד בכמה ערוצים שונים. בכל מדידה נשמרים פרמטרים נוספים חשובים, כגון הטמפרטורה.
מכשירי מדידה ניידים המופעלים בעזרת סוללה חייבים להיות קטנים ולצרוך מעט הספק כדי להבטיח זמן פעולה ארוך. לעתים קרובות מאוד, זו הסיבה שמסיבות טכניות אין אפשרות להשתמש במחשב אישי משובץ. חברת Sika Technology העריכה באלו מעבדים ופלטפורמות כדאי להשתמש במטרה לקבל תכנון אופטימלי בצד מתודולוגיה שמבטיחה השקעה מינימלית של זמן על התכנון החוזר. הפלטפורמה ZMobile המשתמשת ב–ADSP-BF548 הייתה יכולה לכסות עם פלטפורמה אחת את כל הדרישות הנחוצות ולהבטיח את יכולת השדרוג הנדרשת עבור פתרון מוצלח.
לפלטפורמה ZMobile – בנוסף ליכולת השדרוג – יש יתרון עצום מבחינת Sika Technology: המסגרת שלה בנויה סביב LabVIEW Embedded – הכלי הקלאסי המשמש לפתרון של אין ספור משימות הקשורות בטכנולוגיה של מדידות, בדיקה ואוטומציה. בדרך כלל משתמשים בחומרה מבוקרת מחשב. ואולם, עבור התקנים ניידים שמוגבלים על ידי משקלם, הגודל שלהם וצריכת האנרגיה שלהם, המפתח נאלץ בדרך כלל לחפש פתרונות במעמקי תכנות ברמה נמוכה ולהשתמש בשפת תכנות מבוססת טקסט (ראה איור 2).
האפשרות של תכנות המעבד ישירות עם LabVIEW היא אכן בבחינת חידוש אמיתי. הגישה הזו מהפכנית מפני שזו הפעם הראשונה שהיא מאפשרת ביצוע תכנות גרפי מקיף של מערכת משובצת. על ידי כך, המשתמש ב–LabVIEW מקבל את האפשרות לפתח יישומים ניידים בסביבה המוכרת שלו. רמת הפשטה גבוהה זו שקיימת בתכנות הגרפי מתאימה את עצמה למערכות פשוטות וכן גם למערכות מורכבות באופן מיוחד. לפתע הופך חישוב טרנספורם פורייה קל ופשוט כמו לגשת לחיבור port ספרתי.
המתכנת יכול להשתמש בסביבה המוכרת של LabVIEW השלמה עם פלטות תרשים בלוקים ועם פנל קדמי. אך עם זאת, בפנל הקדמי משתמשים לאיתור תקלות. לדוגמה, במהלך זמן הפעולה, אפשר לשנות פרמטרים ולקרוא אותם. אפשר להשיג את רוב יחידות המכשור הוירטואלי (VI) של LabVIEW, כולל הבלוקים המתמטיים והבלוקים לעיבוד אותות, ללא כל מגבלות. את הפונקציות הייחודיות למעגל המוצעות על ידי חלקי החומרה המתאימים, אפשר לגרור ולהדביק מפלטה של VI אל תוך היישום. תכונות נוספות מספקות משימות ייחודיות למטרה, כמו למשל יצירה וביצוע של קוד זמן אמת או טעינה של יישום עצמאי אל תוך זיכרון ההבזק [Flash] של מערכת המטרה. ואולם, מערכת משובצת כוללת מקומות אחסון ומשאבי מעבד מוגבלים, העלולים להוביל לצווארי בקבוק בביצועי המערכת. מדדי ביצועים, שמוגדרים כראוי, יכולים למנוע הפתעות לא נעימות.
מלבד היתרון של תכנות גרפי, LabVIEW מציעה בצד המודול המשובץ, גם שפת תכנות עקבית שבה ניתן להשתמש לבדיקות היתכנות, ליצירת אב טיפוס ולייצור סדרתי, באותה מידה. את הפלטפורמה המותאמת אישית והמתאימה ליצור סדרתי, ניתן לתכנת ב–LabVIEW ממש כמו האב טיפוס. באלגוריתמים שפותחו ניתן לעשות שימוש חוזר מלא כמו ביחידות VI.
בהתקן המדידה באולטרה–סאונד נעשה שימוש בתהליך זה בדיוק. בזכות טכנולוגיית מדידה בעזרת מחשב והניסיון הרחב ב–LabVIEW, חברת Sika Technology הייתה יכולה להשיג את נתוני הבדיקה ולפתח את אלגוריתם ההערכה הרבה לפני תחילת הפרוייקט. רק לאחר עבודה מקדימה זו הגיעה ההחלטה הסופית לגבי המערכת הנבחרת, וחברת Schmid Engineering הייתה לשותף חיצוני לפיתוח ולאספקת הפתרון. אלגוריתם ההערכה והידע הייחודי של Sika Technology שולבו, צעד אחר צעד אל תוך ההתקן בייצור הסדרתי.

מסקנות
במאמר זה עסקנו בשתי דוגמאות שונות מאוד שתיארו איך פיתוח בעזרת מעבדים רבי יכולת כמו Blackfin או SHARC מאפשר את קיצור זמן היציאה לשוק, את קלות השימוש, הניידות ואת השימוש בהספק מינימלי.
הוכחנו שהמעבדים Blackfin ו–SHARC מאפשרים למתכננים להגיע לאופטימיזציה בתכנונים שלהם בתחום רחב של שווקים, בין עם פתרון שעבר אופטימיזציה של עלות או ביצועים או דרך פתרון עם פלטפורמה בעלת יכולת שדרוג. מתודולוגיות אלו הן בדיוק תחילתה של מגמה חדשה בתכנון. במהלך השנים הבאות כל בית תכנון של מוצרי סיליקון או בית תכנון מערכות ייאלץ לאמץ טכנולוגיות חדשות בתחום זה כדי לאפשר מחזורי איכות ותכנון גבוהים יותר.