DAQ USB moduly - zakázkový vývoj

Společnost TEDIA^® se zabývá vývojem a výrobou multifunkčních modulů pro USB rozhraní velmi dlouhou dobu, první typy byly uvedeny na trh již v roce 2003.

Multifunkční moduly pro USB rozhraní jsou alternativou k systémům realizovaným na bázi zásuvných DAQ PCI/PCIe karet; uplatnění nacházejí zejména v mobilních nebo laboratorních měřicích systémech.

Struktura existujících DAQ USB modulů

Moduly druhé generace jsou tvořeny dvěma deskami propojenými 60pinovým konektorem. Zatímco řídicí deska (na obrázku umístěna vlevo) je unifikovaná pro všechny typy modulů, I/O deska je závislá na typu modulu. Sestava desek má v případě vestavby do skříněk Eurotainer zpravidla rozměry 100x120 mm, komplikovanější sestavy využívají pouzdro delší.

Zakázkový typ modulu tak může být vystavěn na existující řídicí desce, vyhoví-li následující parametry:

USB port v režimu high-speed, napájení alternativně z USB portu (nízký příkon řídicí desky poskytuje 1,5 W pro I/O desku) nebo externího zdroje
on-board rychlá RAM s kapacitou alternativně 512 kB, 2 MB nebo 4 MB
dvě varianty kapacity FPGA, alternativně 6000 LE´s a 10000 LE´s
souběžné jednorázové čtení aktuálních hodnot vstupů i kontinuální streamovaný záznam až do toku 6 MB/s
souběžné jednorázové ovládání aktuálních hodnot výstupů i kontinuální streamované generování až do toku 6 MB/s
dva souběžné datové kanály; první kanál pro řízení (protokol UP4 s metodou dotaz/odpověď), druhý kanál pro streamované přenosy (protokol UP1024/1040)
firmware modulu striktně rozdělen na část společnou pro všechny typy modulů a část řešenou specificky podle připojené I/O desky (v případě zakázkového modulu je tato část modifikována), pohodlný uživatelský upgrade firmware
Windows ovladače podporující běžná rozšíření funkcionality modulu bez potřeby jakýchkoliv úprav, kompletní dokumentace pro vytvoření vlastní softwarové podpory (např. Linux)

Poznámka: K dispozici jsou i další řešení (viz popis níže), využití existující řídicí desky však může být ekonomicky atraktivní i ve velmi malých sériích.

Vývoj s využitím existující řídicí desky

Při vývoji zakázkového provedení modulu s využitím existující řídicí desky lze uvažovat následující alternativy:

Existující modul s modifikovaným firmware

Vyhoví-li aplikaci počtem I/O linek a jejich vlastnostmi některý ze standardních modulů, lze realizovat zakázkový modul pouze modifikací firmware. Doplnit celou řadu specifických funkcí, například PWM modulátory k digitálním výstupům, kaskádně zapojené čítače nebo vzorkování analogových vstupů změnou stavu čítače (tzn. změnou polohy IRC).

Zásadní výhodou jsou jednorázové vývojové náklady, následně už jsou dodávány standardní moduly za běžné ceny a často i skladovou dostupností; dodané moduly si uživatel během minuty přeprogramuje sám dodávanou servisní utilitou.

Návrh desky pro úpravu signálů

Vyhoví-li aplikaci počtem I/O linek, vzorkovací frekvencí atd. některý ze standardních modulů ve skříňce Eurotainer, avšak nevyhovují vstupní úrovně nebo pracovní rozsahy, nejjednodušší cestou k zakázkovému modulu je předřazení desky pro úpravu signálů a vestavění do skříňky s delším tubusem. Pokud je to vhodné, lze současně doplnit i nové funkce do firmware modulu.

Příklad tohoto řešení je patrný z obrázku, kdy elektronika standardního měřicího modulu (levá část obrázku) byla rozšířena od desku upravující vstupní rozsahy a vše bylo vestavěno do skříňky o 40 mm delší.

Rozšíření existující I/O desky

Druhou možností pro elektroniku instalovanou do skříněk Eurotainer je rozšíření funkcí existující I/O desky. Vyhoví-li některá ze standardních desek analogových vstupů/výstupů a je potřeba doplnit další I/O rozhraní (digitální vstupy, výkonové výstupy, SSI rozhraní apod.), je v řadě případů možné nové funkce realizovat na druhé desce umístěné 20 mm nad základní deskou. Většina existujících I/O desek totiž nevyužívá všechny linky řídicí desky a volné signály jsou pak zpravidla k dispozici na rozšiřujícím konektoru.

Na obrázku je sestava řídicí desky a standardní I/O deska s jedním D-Sub 25 konektorem umístěna v dolní pozici, rozšiřující I/O deska se dvěma D-Sub 9 konektory umístěna nahoře. Toto řešení nijak neovlivňuje vlastnosti původní I/O desky, ale doplňuje nové I/O funkce. Výhodou je možnost umístění konektorů na přední i zadní straně skříňky, případně připojení samostatného napájecího zdroje.

Doplněná I/O deska (popř. více I/O desek umístěných nad sebou) vyžaduje rozšíření firmware řídicí desky (tzn. doplnění podpory obvodů nové I/O desky), s ohledem na striktně strukturované řešení firmware se však lze vyhnout úpravám systémového ovladače modulu.

Návrh speciální I/O desky

Třetí možností je návrh nové I/O desky, kdy již nejsou vlastnosti nového modulu limitovány existující I/O deskou a při návrhu máme "volné ruce". Jediným omezením mohou být vlastnosti řídicí desky (je společná všem typům modulů v ECOBOX i Eurotainer skříňkách).

Na obrázku je řídicí deska umístěná nahoře a I/O deska se dvěma D-Sub konektory dole; jejich vzájemné propojení je řešeno robustním 60pinovým konektorem.

Nová I/O deska (resp. více I/O desek umístěných nad sebou) zpravidla vyžaduje úpravu firmware řídicí desky (resp. doplnění podpory obvodů nové I/O desky), s ohledem na striktně strukturované řešení firmware se však lze vyhnout úpravám systémového ovladače modulu.

Změna řídicí desky

Nevyhoví-li svými parametry nebo výkonem základní verze řídicí desky, jsou k dispozici další předpřipravená řešení:

USB port v režimu high-speed se streamovanými datovými toky až 20 MB/s
USB port v režimu super-speed se streamovanými datovými toky až 80 MB/s

Aplikace těchto řešení však není z důvodu vyšších vývojových nákladů vhodná pro nejmenší série.

Poznámka: Ve vývoji je aktuálně řídicí deska s gigabitovým LAN portem se streamovanými datovými toky až 60 MB/s. Po jejím dokončení předpokládáme srovnatelné možnosti vývoje zakázkových řešení, jako byly popsány výše.

Mechanické provedení

Moduly mohou být dodávány v základních plastových přístrojových skříňkách ECOBOX nebo robustních kovových skříňkách Eurotainer různých rozměrů.

Plastová skříňka ECOBOX

Moduly v základním provedení jsou vestavěny do plastových přístrojových skříněk ECOBOX (vnější rozměry cca 140x110x35 mm).

Toto provedení je ideální pro mobilní systémy, neboť skříňka je dostatečně plochá pro uložení do brašny notebooku. A ačkoliv je skříňka plastová, je vzhledem k poměrně velké tloušťce stěn pevná a odolává i zvýšeným nárokům na mechanické namáhání.

Zadní strana skříňky obsahuje vždy jen unifikované prvky (USB konektor, dvě indikační LED, dvojitý servisní přepínač a v některých případech i konektor pro externí napájecí zdroj. Přední strana skříňky je typicky vybavena jedním až dvěma D-Sub 25 konektory.

Výhodou tohoto řešení jsou malé rozměry, nízká hmotnost a cena, nevýhodou pak nemožnost zvětšení desek nebo umístění více desek nad sebou.

Robustní skříňky Eurotainer

Moduly v robustním provedení jsou vestavěny do kovových přístrojových skříněk řady Eurotainer tvořených silnostěnným hliníkovým tubusem složeným ze dvou profilů a plastovými díly pro upevnění panelů.

Nejmenší skříňka pro základní typy má vnější profil tubusu cca 104x38 mm a délku 120 mm (na obrázku vpravo umístěn nahoře). Zadní strana obsahuje vždy jen unifikované prvky, na přední straně může být umístěn např. jeden konektor D-Sub 25, případně dva konektory D-Sub 9.

Pro vyšší nároky na prostor určený pro elektroniku jsou použity skříňky s délkou tubusu až 220 mm, nebo (zejména při potřebě umístit více konektorů) tubusy s rozměrem až 104x165 mm umožňující vestavět až sedm desek nad sebou. Na obrázcích jsou zachycena současně provedení s jednou deskou (tubus 104x38 mm) a se dvěma deskami (tubus 104x59 mm), délka tubusu je v obou případech 120 mm.

Skříňky Eurotainer jsou vybaveny gumovými nožkami s možností vložení do šedých plastových dílů z jakékoliv strany pouzdra.

Nožky standardní výšky jsou použitelné pro umístění na pracovní stůl ve vodorovné poloze (viz většina obrázků na této straně, výška cca 5 mm, jsou součástí standardní dodávky), alternativně lze dodat i nožky delší určené pro umístění v nakloněné poloze (viz obrázek vpravo, přední nožky délky cca 40 mm, zadní cca 5 mm).

Gumové nožky základní výšky navíc umožňují fixovat více skříněk do jedné sestavy a vytvořit tak kompaktní sadu přístrojů podle aktuální potřeby. Spojovat lze moduly umístěné nad sebou nebo i vedle sebe.

V praxi to umožňuje nejen fixovat více funkčně nezávislých USB modulů, ale rovněž sestavu doplnit o speciální přístroje zajišťující úpravu signálů zpracovávaných nebo generovaných USB modulem.

Nepouzdřený kit nebo speciální pouzdra

Zakázkovou elektroniku lze samozřejmě dodávat i v nepouzdřeném provedení určeném pro vestavbu do pouzdra podle volby zadavatele vývoje.

V takových případech je ale vždy potřeba posoudit vliv pouzdra na elektromagnetickou kompatibilitu, případně vliv dalších elektronických obvodů vestavěných ve stejném pouzdře.