Modulární jednotka pro zpracování signálů v aplikacích řízení pohybu založená na System-on-Chip a FPGA

Článek se zabývá průmyslovými systémy řízení pohybu (Motion Control), které jsou implementovány implementace distribuovaným způsobem, tj. kde je více vstupních/výstupních zařízení propojeno s nadřazeným řídicím systémem pomocí rychlé digitální komunikace. Tento článek představuje návrh řešení modulární jednotky pro připojení více vstupních a výstupních signálů z více snímačů a aktuátorů do průmyslové komunikační sítě s protokolem EtherCAT. Do této řídicí jednotky je možné vložit uživatelem definované algoritmy pro předzpracování signálů, fúzi více vstupních signálů nebo uzavření velmi rychlé lokální regulační smyčky. Tato skutečnost je hlavním přínosem ve srovnání s obdobnými běžně dostupnými řešeními. Efektivní návrh hardwarového řešení je založen na jediném hlavním čipu (SoC), který integruje část programovatelného hradlového pole (FPGA) a několik standardních výpočetních CPU jader s ARM architekturou. Zpracování dat může být realizováno kompletně v FPGA, čímž lze dosáhnout velmi nízkého zpoždění signálů. Zároveň může být využito výkonných CPU jader pro složitější algoritmy, které na FPGA nelze realizovat, a využít přitom těsné vazby FPGA a CPU části.Motion control systems with distributed architecture where multiple input/output devices are connected to the upper layer controller by fast digital communication (fieldbus) became an industrial standard. This paper presents design of a modular input/output device which can process signals from multiple sensors, drive multiple actuators and act as a Slave or Master node in EtherCAT fieldbus network. User-defined algorithms can be easily implemented to preprocess input signals, combine multiple signals or close local control loops with extremely high sampling rates which makes the difference to standard off-the-shelf solutions. To meet these requirements and simplify hardware design, our device is based on System-on-Chip with both programmable logic (FPGA) and classic processor (CPU) ARM cores. Data processing including user algorithms can be done entirely in FPGA which provides very low latency and no jitter, and also on CPU for more complex computations with advantage of tight integration between FPGA and CPU. In this paper we provide description of hardware design, system architecture and typical applications