Anschlusskolloquium SPP 1148Tübingen imat

Thomas Reinemann, Roland KasperSteffen Toscher

Institut für Mechatronik und AntriebstechnikOtto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Echtzeitrekonfiguration mechatronischer Systeme auf Basis direkt implementierter Zustandsmaschinen

Echtzeitrekonfiguration mechatronischer Systeme auf Basis direkt implementierter Zustandsmaschinen

Inhalt

• Anforderungen an Echtzeitrekonfiguration mechatronischer Systeme

• Zustandsautomatenbasierte Spezifikation und Implementierung

• Implementierungskonzept

• Zusammenfassung zu den bisherigen Arbeiten

• Ausblick auf geplante Arbeiten

2imat

Anforderungen an Echtzeitrekonfiguration

Beispiel: Piezoventil

AktorW

VS

Mengen-steller

Regler

Ent-laden

Spe

iche

r

LadenFluid

Ver

sorg

ung

3imat

• Aufgabe: Ladungstransport von Speicher in Aktor und zurück in kleinen Dosenmit hoher Frequenz (Abtastrate 1 MHz)

• Methode: Modellbasierter Aufwärts- + Abwärtsschaltregler mit Spule als Zwischenspeicher (Zustandswechsel < 100 µs)

• Spezifikation und Implementierung: Blockschaltbild (Aktor, Elektronik) + Hierarchischer Zustandsautomat (Schaltzustände)

Informationsverarbeitung in mechatronischen Systemen

Arbeitspunkt

• Kennlinien, Kennfelder physikalischer Größen

• Linearisierung nichtlinearer Effekte

Betriebszustand

• Physik: Laden, Entladen

• Sequenz: Self-Test, Operation, Fail-Safe, …

y=fA(u)y=fB(u)

y=fC(u)

u

y

Struktur ist variabel in Abhängigkeit von

Function A

Function B

Function C

4imatZustandsautomat

Spezifikation mechatronischer Systeme

Datenfluss

• Blockdiagramm basierend

• Beschreibung der Signalverarbeitung

Steuerfluss

• Aktivierung der Algorithmen

• FSM basierend

Function A

Function B

Function C

Y=YBY

Y=YC

Y=YA

YA

YB

YC

U=UB

U=UC

U=UA

UA

UB

UC

U

Steuerung der Struktur des Datenflusses

5imat

Spezifikation mechatronischer Systeme

Datenfluss

• Blockdiagramm basierend

• Beschreibung der Signalverarbeitung

Steuerfluss

• Aktivierung der Algorithmen

• FSM basierend

Y=fB(U)U Y

Y=fA(U)U Y

Y=fC(U)U Y

Funktionen werden ersetzt

6imat

Spezifikation des Datenflusses dynamisch rekonfigurierbarer Funktionalitäten

Toplevel Module, Slots

Funktionen Typen

Gatter, Register

LeitungenSignale

Blöcke

bitseriell

7imat

Modul FSM

• Definiert die Reihenfolge für das Laden und Aktivieren der Typen

• Resultiert aus der Spezifikation der Zustandsautomaten

• Um Echtzeitbedingungen einzuhalten sind alle erreichbaren Zustände vorzuladen.

• Eine Aktivierungsinformation ist auszutauschen, da immer nur ein Typ aktiv sein darf.

• Verteilte Modul-FSM Implementierung, mehrere Typen sind gleichzeitig geladen.

Beispiel-FSM

8imat

Typ FSM

• Steuert die Aktivierung und Deaktivierung der Typen

• Struktur ist für alle Typ-FSMs identisch

In Modul-FSM definiert

notloaded ready

activesend T-markerdeactivate

outputs

T-markerreceived

condition xstart signalprocessing

activate outputs

type loaded

type replaced

--

--

9imat

T-Marker• Jeder Typ hat seinen eigenen T-Marker zur Aktivierung

• Zuordnung Typ <> T-Marker erfolgt während der Kompilierung

Kommunikationssystem

D

CS-FSM CS-FSMCS-FSM

S-REG

D D

T-Marker

ModuleBoundary

T-Marker T-Marker

GeneralControlModule(GCM)

10imat

• Statisch, nicht rekonfigurierbar, Überbrücken von Slots während der Rekonfiguration

• General Control Module (GCM) nimmt an der Kommunikation teil• Deterministisches Zeitverhalten

Control System

11imat

Dezentrale Lösung• Weiterschalten der Typ-FSM erfolgt im Slot• GCM muss keine Prozesssignale verarbeiten• Gute Skalierung

CS-FSM

D

T-Marker

Message-In

Message-Out

ICAP

Types to Load

Type's AddressMemory

USB

InitialT-Marker

ReceivedT-Marker

D

CS-FSM

T-Marker

T-FSM

Message-In

Message-Out

Start-Signal-

Processing

ProcessSignals

Rekonfigurierbarer Slot General Control Modul

Implementierungsbeispiel

• Xilinx XC2V1000

• Exemplarisch zwei rekonfigurierbare Slots

• Die Multiplexer-Steuersignale zur Auswahl der Prozess-signale werden in den Typ-FSMs generiert

• Antriebsregler für DC-Motoren

Recon-figurable

Slot2

Recon-figurable

Slot1

GeneralControlModule

Communication System

ProcessSignal

12imat

Zusammenfassung bisheriger Arbeiten

• Konzept für einen universellen rekonfigurierbaren Controller wurde erarbeitet

• Echtzeitfähige Rekonfigurationsmechanismen wurden entwickelt und implementiert

• Kommunikationssystem ist implementiert

• I/O-Funktionen sind realisiert

– Analog: Delta-Sigma-Wandler als Eingabe und PWM für die Ausgabe

– Digital: USB

• FSMs werden direkt auf Gatterebene realisiert

• Bitserielles Arithmetikkonzept wurde weiterentwickelt

• Validiertes Konzept zur Nutzung der partiellen Rekonfiguration im Bereich Mechatronik ist vorhanden

13imat

Veröffentlichungen

1. Reinemann, Kasper: Anwendung rekonfigurierbarer Logik im Maschinenbau am Beispiel einer adaptiven Regelung; MMT, Magdeburg, 2003

2. Toscher: Entwurf und Realisierung einer durchgängigen Entwicklungsumgebung zur flexiblen Umsetzung von Steuergerätefunktionalität für elektronisch kommutierte Elektromotoren in Hardware und Software unter Ausnutzung der Rekonfigurierbarkeit von programmierbarer Logik; Diplomarbeit; 2004

3. Reinemann, Kasper, Toscher: Function replacement of hard real-time systems using partial reconfiguration; International Workshop on Applied Reconfigurable Computing ARC; Faro; 2005

4. Toscher, Kasper, Reinemann: Dynamic Reconfiguration of Mechatronic Real-Time Systems Based on Configuration State Machines; Reconfigurable Architectures Workshop; Denver; 2005

5. Toscher, Kasper, Reinemann: Rapid Control Prototyping mechatronischer Systeme auf Basis rekonfigurierbarer FPGAs 6. VDI Mechatroniktagung –Innovative Produktentwicklung; Wiesloch; 2005

14imat

Kooperationen

Prof. Dr.-Ing. Renate Merker; TU Dresden

Entwicklung von Partitionierungsstrategien im Entwurf dynamischrekonfigurierbarer Systeme

• Alternative Implementierungsstrategien für den Regelalgorithmus sind von Interesse

• Lösung, bei der der Regelalgorithmus in einem vorgegebenen Parameterraum mit minimalem Aufwand rekonfiguriert werden kann

Interesse an weiteren Kooperationen insbesondere

• Echtzeitkommunikation

15imat

Weitere Arbeiten

Kommunikations- und Kontrollsystem /Steuerung der Rekonfiguration

• Sicherung von Zustandsvariablen vor und deren Verteilung nach der Rekonfiguration, unter Erweiterung des Kommunikationssystem

• Variable/dynamische Zuordnung zwischen Slots und Typen

• Analyse und Klassifizierung weiterer Busstrukturen wie z.B. TTP, …

• Ablösung von Tri-State basierten Busmacros

• Wechsel auf Virtex 4

16imat

Weitere Arbeiten

Schnittstellen

• Ausbau bestehender Bibliotheken für den Blockdiagramm-Editor in Bezug auf rekonfigurierbare Schnittstellen für Prozesssignale und Einbindung in übergeordnete Strukturen

• Delta-Sigma-Wandler für analoge Ein-/Ausgabe unterstützen das Konzept der Rekonfigurierbarkeit durch Implementierung anpassbarer digitaler Filter direkt im FPGA

+1V

-1VComparator/

Quantizer

IntegratorSubtracteru yDigital Filter/

Decimation

Modulator (analog)

+

-Σ

+

-∆

17imat

Weitere Arbeiten

Bitserielle Arithmetik

Bitserielle Arithmetik und Operandenkommunikation kommt mit nur

einer Signalleitung je Operand aus

• Problem: feste Kopplung zwischen Abtastfrequenz, Wortlänge und Takt

Burst Mode: Einfügen einer Lücke zwischen Operanden-MSB und dem nächsten Operanden (Multirate)

• Problem: Synchronisierung der Verzögerungen in Operatoren

Vermeiden von Registern in den Operatoren (partiell asynchrones Design)

18imat

Weitere Arbeiten

Anwendungsbeispiele

• Rekonfigurierbarer Motorcontroller

– Einfacher und übersichtlicher Anwendungsfall

– Lineare Regelung

• Piezocontroller

– aufwändigerer Anwendungsfall

– Nichtlineare Regelung

• KFZ-Motorsteuerung (Phase 3)

– Wirtschaftlich interessant

– Umfangreiche Möglichkeiten zur dynamischen Rekonfiguration

– Sehr komplexer Anwendungsfall

19imat

Weitere Arbeiten

Framework

• durchgängige Werkzeugkette von Spezifikation über Implementierung bis Prototyping von Controller-Funktionalitäten in rekonfigurierbarer Hardware

• Angabe der rekonfigurierbaren Bereiche bereits während der Spezifikation im Blockdiagramm-Editor

– Partitionierung (Module <> Slots)

– Definition der Zuordnung Modul <> Typen

• Ziel:

– Einfacher Zugang zu rekonfigurierbarer Hardware für den Entwickler mechatronischer Produkte

– Schnelle Verbreitung rekonfigurierbarer Hardware in mechatronischen Produkten

20imat

Vielen Dank!

21imat