česky english Vítejte, dnes je úterý 05. červenec 2022

Nová generace embedded systémů pro řízení a komunikaci – od Rystonu

DPS 1/2022 | Součástky - články
Autor: Ing. Tomáš Navrátil, Ryston Electronics

Úvod

Již tradičně informujeme v časopisu DPS Elektronika od A do Z o novinkách z vývoje ve společnosti Ryston Electronics.

Při naší činnosti se snažíme o co nejlepší splnění zadání vývoje, které přichází zpravidla od zákazníka, a pak z vlastního rozhodnutí se snažíme je obohatit, za co nejnižší cenu, o vlastnosti jako dobrá vyrobitelnost (volba součástek a výrobní technologie), možnost automatického testování a programování, o snadné připojení, údržbu a servis, nízký příkon, o bezpečnost v různých prostředích, odrušení, kompatibilitu a nakonec o dobrou likvidovatelnost výrobku v souladu s požadavky ekodesignu.

Obr. 1 pohled na desku (jpg)

V tomto příspěvku bychom chtěli představit dva členy nové generace „embedded“ – vestavných − jednotek postavených na moderních a relativně dostupných součástkách, členy systému s jednoduchým základem, avšak flexibilního a rozšířitelného pro řadu typů desek. Systém byl ve firmě Ryston Electronics původně vyvinut pro konkrétní automotivní zakázku, ale průběžně se přizpůsobuje novým požadavkům pro další aplikace, a již byl dopracován ze stadia prototypu do produktu a našel uplatnění v sériové výrobě.

Time-to-market

Volně přeloženo, jedním z požadavků úspěchu vývoje je krátká doba od rozhodnutí do uvedení výrobku na trh. V Rystonu jsme vypracovali metodiku provedení vývoje tak, aby tomuto požadavku vyhověl, provedl zákazníka technicko- ekonomickou specifikací hardwaru a současně byl optimalizován výběr součástek (zvlášť důležitý za současného nedostatku), zavedena kvalita ve všech aspektech dle normy ISO 9001 a udržena koordinace s týmy vývoje softwaru a mechaniky/ plastů a logistikou, které jsou zpravidla řízeny zákazníkem.

Kromě technických, případně legislativních požadavků na funkci je hlavním parametrem sériovost − projektované množství, které si zákazník přeje vyrobit jednorázově či postupně v nějakém časovém plánu. Zde se stanoví finanční a logistické požadavky na tuto investiční akci.

Důsledkem zvolené sériovosti je počet desek plošných spojů jako elementů manipulace, a tím i způsob zacházení s deskami a podíl manuální/automatizované činnosti. Malé série desek jsou manipulovány ručně s možností individuálního konfigurování výrobku, střední pásovým dopravníkem a možná ruční manipulací s přepravkami, avšak automatizovanou logistikou a testováním, a velké série jsou charakteristické robotickou manipulací a vysoce automatizovanou činností. Z toho plynou požadavky na vybavení pracovišť a je třeba optimalizovat náklady vůči kapacitě.

Výroba však zdaleka nekončí osazením desky a jejím zapájením.

Obr. 2 konvektor (jpg)

Testability/configurability

Jako nejdůležitější rys se však ukázalo být výrobní testování v sériové výrobě. Testování je totiž časově náročné a vyžaduje buď kvalifikovanou pracovní sílu pro obsluhu, nebo robotické prostředky.

U vědomí tohoto limitujícího faktoru jsme investovali nemálo úsilí do vývoje automatického testovacího systému (ATE) s volitelným připojením testeru do firemního systému řízení jakosti (informačního systému). Ten musí být zpravidla v souladu s normou ISO 9001 a dalšími normami např. pro automotivní či lékařskou techniku, jak to vyžadují naši zákazníci. Ale u každého procesu jsou základní požadavky na tvoření záznamů o průchodu výrobku určitými kroky (operacemi a testy).

Základní funkcí ATE je podrobení výrobku opakovatelné sekvenci testů pro ověření funkce či pro vyhledávání chyb osazení či pájení. Jednotlivé kusy jsou přitom evidovány pomocí unikátních výrobních čísel či kódů pro automatické čtení. Průchod výrobku krokem testu vygeneruje záznam do databáze.

Elektrické testy je možné provádět „digitálně“ přes rozhraní JTAG nebo analogově pomocí systému desek rozhraní, zdrojů, zátěží a signálů pod fixturou desky. Fixtura dále může obsahovat rádiové, optické nebo mechanické testovací adaptéry.

Stejně tak lze tímto systémem desky naprogramovat, a to hromadně nebo individuálně (např. šifrovací klíče nebo identifikace). O systému ATE od Rystonu se můžete dočíst více v některém ze starších čísel časopisu DPS Elektronika od A do Z.

Obr. 3 jednotka CAMboard (jpg)

Hardware

Jednotky s názvy Convertor CNV-210 i CAMboard vycházejí ze společné koncepce a výše uvedených zkušeností. Jako centrální jednotka je použit obvod STM32H742 integrující v jednom pouzdře procesorové jádro ARM Cortex-M7, řadu binárních portů, převodníků A/D a D/A, baterií zálohované obvody oscilátoru a reálného času a vnitřní paměťové a security obvody, sériové porty, rozhraní populárních sběrnic I²C, SPI, CAN či RS-485 a rozhraní MII pro připojení PHY obvodu sítě ethernet 100/10 Mb/s.

Řada součástek, u nichž je informace o špatné dostupnosti, má na DPS zdvojený „footprint“, takže na jednu pozici je možno osadit několik variant pouzdra. Většina pasivních součástek je volena v hodnotách připouštějících velký rozptyl hodnot či tolerance, aby výroba nebyla odkázána na jediný typ či výrobce. U jiných analogových součástek jsme se úmyslně vrátili k „Oldies-Goldies“ typům s podporou od více výrobců nebo k těm, které máme ve skladu.

U konektorů s malým proudovým zatížením jsme zvolili moderní systém Wago733, který se snadno připojuje i ve velkém počtu vodičů a má ve světě podporu řady dalších výrobců. Tyto konektory se s výhodou montují bok po boku na hraně DPS a jsou úsporné na prostor, takže výsledná jednotka je poměrně malá.

Dalším použitým typem je výkonový typ MicroFIT vyráběný firmami Molex a Würth, takže opět je možná záloha. Stejně je tomu u konektoru pro ethernet konektor RJ-45 s integrovanými magnetickými obvody, kde je u použitého typu několik výrobců.

Na desce je opravdu bohatý mix periferních obvodů. Především jsou to opticky oddělené dedikované vstupy/výstupy. Každý výstup je dvouvodičový a oddělený od ostatních a má výstupní přepěťovou ochranu. Pro vstupy jsou použity rychlé optoizolátory a opět je pro ně na desce několik alternativních footprintů. A pak je zde jeden nezničitelný super-I/O: opticky oddělený, s bariérou, pomalý vstup/výstup s ochranami.

Pro komunikaci je připravena řada dobře ošetřených rozhraní:

  • Čtyři (neizolované) obvody rozhraní RS-485 se zakončovacími, upínacími, odrušovacími a ochrannými obvody. A dále dvě rozhraní CAN. Jejich komunikační řadiče jsou integrovány v procesoru a jsou podpořeny dohledovými obvody a softwarovými ovladači odolnými proti pádu komunikačního protokolu.
  • Dále jsou to čtyři populární jednodrátová (One-wire) rozhraní pro rozsáhlou rodinu obvodů čidel a výstupů od firmy Dallas.
  • V neposlední řadě jsou to tři rozhraní I²C použité i na desce pro připojení čidla teploty a vlhkosti vzduchu SHT31 a akcelerometru/ gyra LM6DS3/LIS2DH. Na desce je dále „elektronické výrobní číslo“ a paměť EEPROM. Z něj se také bere MAC adresa jednotky. Na desce je i translátor (opakovač) sběrnice I²C s řízením pro vyvedení na konektor.
  • Sběrnicí I²C je také řízen ovladač cívek relé, posílený 8násobným Darlingtonovým spínačem a ochranami (relé jsou umístěna mimo jednotku kvůli rozměrům a proudům).
  • A konečně je na desce SPI sběrnicí řízená paměť MRAM/FRAM s neomezeným počtem zápisů.

Rovněž vstupy a výstupy ADC a DAC jsou všemožně ochráněny proti přepětí či nadproudu. Pro indikaci stavů softwaru jsou na panel vyvedena červená a zelená LED v držáku.

Zatímco u jednotky konvertoru se předpokládalo, že je prvkem automotivního systému se zjišťováním polohy jinou jednotkou, CAMboard je považován za ústřední část malého systému (např. řízení kamery), a proto má na desce připojený modul přijímače GNSS pro zjišťování polohy. Velká péče byla věnována externí anténě, jejímu odrušení, přizpůsobení a selektivitě použitím SAW filtru.

Pro testovatelnost obvodů desky jsme na většině připojovacích míst použili paralelní testovací plošky na spodní straně, vhodné pro měřicí hroty ve fixtuře ATE.

Jednotka má napájecí vstup z jediné hladiny napájení 12 V (je to automotivní zařízení, takže z baterie), avšak může pracovat se širokou tolerancí napájecího napětí. Kromě napájení je v konektoru připraven vstup signálu IGN (zapalování zapnuto). Vstup napájení je ochráněn vratnou pojistkou a přepěťovou diodou absorbující špičky dle automotivní normy a hlídacími obvody podpětí. Vnitřní spínaný regulátor vyrábí interní napájecí napětí +5 V a +3 V3. Volitelně je však také možné využít napájení z kabelu USB/OTG, například při připojení k PC.

Na desce jsou hlídací obvody napájení, které při poklesu napětí „brown-out“ v přívodech vyvolají přerušení procesoru, který uloží kritická data do zálohované paměti a ukončí činnost, čekaje na reset po zapnutí/obnovení napájení. Pokročilé obvody sledující běh softwaru uvnitř CPU dále hlídají správný běh softwaru a jeho stabilitu (kontrola zásobníků a dalších pointerů). Při „pádu“ softwaru jsou kritická data uložena do zálohované paměti, odkud mohou být vyčtena debugovacím přípravkem.

Jednotka má také obvod hlídající neoprávněný zásah do vnitřních obvodů (tamper switch) v „ostrém“ provozu. Při pokusu o otevření pouzdra se aktivuje vstup CPU, vyvolá se rychlé nemaskovatelné přerušení, které zapíše záznam o porušení bezpečnosti do paměti, popř. odešle zprávu po síti, a zablokuje činnost CPU, takže z něj nelze nic vyčíst ani změnit. Pro tuto funkci a napájení RTC je v jednotce malá lithiová baterie. Výkonovou zem desky lze starým dobrým kontaktem Faston jednobodově (bezproudově) připojit na žlutozelený ochranný vodič či ukostřit. Tím se do značné míry eliminují rozdíly napětí mezi jednotkou a dalšími prvky systému a zvýší se šumová odolnost.

Mechanika

Mechanicky je možné desky použít v plastovém pouzdru s individuálním předním panelem dle instalovaných konektorů pro kabeláž k senzorům a ovladačům (panel si vyrábíme na 3D tiskárně). Plastové pouzdro je z produkce spřáteleného výrobce, což optimalizovalo náklady na vývoj formy. Pouzdro lze montovat na DIN lištu do rozvaděče pomocí držáku na spodní straně anebo může mít montážní nožky či sloupky. Tak je možno jednotku zabudovat přímo do aplikační jednotky.

Jednotka CAMboard se mechanicky poněkud liší od konvertoru: zatím je v provedení jen osazené desky, má však několik expanzních konektorů, které ji umožňují propojit s deskou externích rozhraní v konkrétním mechanickém kontextu zařízení.

Software

Nejkrásnější na tomto systému je možnost použít již připravený operační systém reálného času (RTOS) vyvinutý na míru procesorům řady STM32 a podporovaný přímo výrobcem. Díky modernímu jádru ARM-Cortex běží v těchto procesorech několik procesů současně, mechanismus jejich přepínání je propracovaný a rychlý, takže latence systému při asynchronní události nepřekročí 1 ms. Díky tomu je možné řídit i rychlé procesy jako filtrace pohyblivého obrazu či pohyb robota. Krása spočívá v možnosti použít již hotové ladicí prostředí a fungující desku v základním provedení, takže nezačínáte od nuly.

Vzhledem k použití rychlých obvodů komunikačních rozhraní zatím se značnou rezervou nenastává situace, kdy by omezujícím faktorem byla samotná přenosová kapacita lokálních rozhraní.

V základní knihovně jsou komunikační stacky a ovladače, např. pro ethernet je tu podpora komunikace pomocí UDP/ TCP spojení; některé protokoly jsou již součástí TCP/IP stacku (ICMP, HTTP, MQTT, DHCP, ...), jiné protokoly lze jednoduše doplnit z volných zdrojů (např. MODBUS TCP, FTP).

Aplikace

Původní použití desky konvertoru bylo v automotivním prostředí převádět řídicí zprávy přicházející po ethernetu (po konverzi z GSM dat) na povely pro akční členy a senzory připojené lokálně v zařízení přes RS-485 a CAN.

V průběhu prací jsme zavadili o problém solárních panelů a řízení dobíječů a dohled baterií. Modulární bateriové jednotky jsou připraveny na řízení po sběrnici RS485/MODBUS a jednotka konvertoru se k tomuto použití výborně hodí. Na straně sítě ethernet byl do jednotky napsán bezpečný webový server, přes který lze po netu sledovat stav nabití baterie, monitorovat jednotlivé moduly, dálkově ovládat spotřebiče atd. Rozsah možností a funkcí přesahuje kapacitu i tematiku tohoto časopisu a je stále v procesu zlepšování.

U desky CAMboard bylo první aplikací řízení kamery, ale také přišlo řízení potravinářského stroje, např. sterilizátoru ovocných džusů zachovávajícího „Raw“ kvalitu produktu, s videodohledem.

Jako vedlejší produkt také vznikl vývojový kit:

  • Hodí se pro řešení nejběžnějších požadavků zákazníků týkajících se sběru a přenosu dat, konverzí rozhraní ethernet--RS-485, řízení systémů a jejich dohled.
  • Může být použit přímo pro realizaci embedded systému nebo jako základ pro vývoj prototypu následovaný redesignem do zjednodušené podoby, kde jsou přítomny jen skutečně využité funkční bloky (vstupy, výstupy a rozhraní), či naopak rozšířený dle přání zákazníka.
  • Mikroprocesor STM32H7xx s architekturou ARM-Cortex obsahuje až 2 MB paměti Flash a 1 MB RAM pro realizaci řídicího algoritmu.
  • Velikost pamětí a rychlost procesoru (takt až 480 MHz) umožňuje použít real-time operační systém a řídicí algoritmus realizovat jako jeden z procesů.
  • Pro tvorbu firmwaru v jazyce C jsou volně dostupné vývojové nástroje včetně real-time operačního systému (FreeRTOS / Azure RTOS), TCP/IP stacku (LWIP) a USB stacku.

Závěr

V Rystonu byla vyvinuta nová rodina „embedded“ řídicích jednotek se společnou platformou procesoru STM32H7 a operačního systému RTOS. Ačkoli se původní aplikace dost liší, byla při návrhu nahromaděna většina dobrých zkušeností z předchozích vývojů. Vznikla tak nová generace s dobrou vyhlídkou na sériovou výrobu a nové úspěšné aplikace. Důraz vývoje byl kladen na dostupnost (alternativy) součástek, testovatelnost zejména v automatickém systému z naší produkce, snadnou instalaci a montáž, údržbu a další aspekty.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik