Построение промышленных систем управления на базе процессора Intel Atom


PDF версия

Появившиеся в последние годы новые виды ПК-совместимых промышленных систем управления являются, по сути, открытыми платформами, которые обладают всеми преимуществами ПК, включая программирование с использованием открытого кода, широкие возможности коммуникации и высокую гибкость. В статье описывается подход к разработке управляющей платформы с использованием процессора Intel Atom. Показано, как эти новые процессоры обеспечивают преимущества открытой архитектуры IA-32 и, в то же время, отвечают требованиям по мощности и стоимости, которые предъявляются к оборудованию для промышленных систем управления.

Традиционные промышленные системы управления

Обычно промышленные системы управления реализуются с применением программируемых логических контроллеров (programmable logic controller — PLC) — устройств на базе микропроцессора, используемых для управления многими видами оборудования на предприятии. PLC-контроллеры программируются на языке стандарта IEC 61131 и спроектированы для применения в режиме реального времени в жёстких промышленных условиях.
На протяжении двух десятков лет PLC-контроллеры использовались для построения специализированной аппаратной платформы, работающей под управлением операционной системы реального времени (ОСРВ). При выборе PLC-контроллера разработчик ограничен возможностями и функциями, которые предлагает тот или иной поставщик. Хотя такой подход предполагает простые для интеграции устройства, высококачественные компоненты и квалифицированную поддержку, он, в то же время, не подходит для реализации каких-либо нестандартных конфигураций системы.
PLC-контроллеры хорошо выполняли свои функции как отдельные блоки системы управления производства. Однако промышленная автоматика превратилась в сложную взаимосвязанную систему производственных ячеек (модулей), когда данные, необходимые для управления процессами, передаются в единую систему материально-производственного планирования. Производство продуктов по принципу «строго вовремя» (Just in Time) и увеличение числа предлагаемых изделий заставляют компании развиваться в сторону реконфигурируемого производства. Включение всех элементов производственной системы в систему материально-производственного планирования предприятия требует новых коммуникационных интерфейсов, а также создаёт потребность в сборе статистической информации и других данных в каждой производственной ячейке. Кроме того, количество и сложность датчиков, используемых в производственной ячейке, увеличиваются, что часто создаёт трудности при их сопряжении с ПК.

КПК-совместимым системам промышленной автоматики

В последнее время наблюдается переход промышленных систем управления на стандартизированные платформы общего назначения на базе технологии ПК. Одной из основных причин такого перехода стало желание пользователей объединить их IT-систему с системой промышленной автоматики на базе единой сквозной платформы. Встраивание IT в систему автоматики происходит на полевом уровне (field level), датчики и исполнительные устройства которого становятся всё более интеллектуальными, а также на уровне управления (control level), где для замены традиционных PLC-контроллеров используется технология встраиваемых ПК.
Кроме постепенного сближения IT-системы с системами промышленной автоматики, дополнительными факторами для перехода на ПК-совместимую архитектуру промышленных систем управления являются использование веб-сервисов и распространение сетей промышленного Ethernet.
Пакеты специальных программ для встраиваемых ПК-платформ позволяют выполнять функции, которые традиционно реализовывались на базе специализированной аппаратуры. Можно выделить слебующие несколько преимуществ такого подхода:
– не требуется специализированная аппаратура;
– интегрирование различных функций в одном устройстве (интерфейс человек-машина (human machine interface — HMI) и PLC-контроллер работают на одном встраиваемом ПК);
– удобное сопряжение основных функций управления с функциями более высокого уровня;
– возможность коммуникаций с помощью Ethernet или интернета.
В настоящее время система промышленного управления включает сеть интеллектуального полевого оборудования (датчики, реле, исполнительные механизмы) и одно или несколько специализированных устройств для выполнения управляющих функций, которые называются контроллером. Дополнительные устройства могут использоваться для реализации интерфейса HMI, удаленной связи, хранения данных, упреждающего регулирования и других задач.

Проблема несоответствия значений рассеиваемой мощности малопотребляющей платформы Intel (около 10 Вт) требованиям по мощности потребления встраиваемой платформы (порядка 1 Вт) была барьером для применения архитектуры Intel в полностью герметизированных устройствах без охлаждающего вентилятора, предназначенных для работы в тяжёлых условиях производства. Разработчики столкнулись с задачей поиска дорогих решений для снижения выделения тепла в таких системах для того, чтобы использовать преимущества архитектуры ПК.

Процессоры Intel Atom явились первыми из нового поколения устройств за последние годы, которые обеспечивают требуемые характеристики в тяжёлых условиях систем промышленной автоматики. Процессор Intel Atom серии Z5xx позволил применить архитектуру Intel во встраиваемых приложениях малого форм-фактора, не использующих охлаждающий вентилятор и работающих в тяжелых тепловых условиях. Изготовленные по 45-нм технологии, эти процессоры с малым потреблением и высокой надёжность ю помещены в ультракомпактный корпус размером 13×14 мм.
Эти процессоры работают совместно с контроллером-концентратором Intel System Controller Hub US15W, который включает контроллер графической памяти и контроллер ввода/вывода, размещенные в одном компактном корпусе размером 22×22 мм. Эта платформа обеспечивает величину тепловой мощности менее 5 Вт и типовой средней мощности потребления менее 2 Вт.

Особенности процессора Intel Atom

Процессор Intel Atom обладает следующими особенностями.
– 45-нм технология компании Intel с применением high-K оксида гафния с металлическим затвором разработана для того, чтобы снизить потребляемую мощность, увеличить быстродействие и значительно увеличить плотность размещения транзисторов по сравнению с предыдущей 65-нм технологией.
– Множественные внутренние микрооперации (micro-ops) процессора могут быть скомбинированы в одну микрооперацию, которая выполняется за один цикл, что значительно улучшает производительность и снижает потребляемую мощность.
– В процессоре примененено поочередное (in-order) выполнение команд вместо внеочередного (out-of-order), что также снижает потребление.
– Гиперпоточная технология (Intel® Hyper-Threading Technology) обеспечивает высокую эффективность конвейера (высокую удельную производительность на единицу мощности). Эта технология обеспечивает улучшенную скорость реакции системы в условиях выполнения нескольких заданий одновременно.
В процессоре Intel Atom был использован двухканальный суперскалярный конвейер с выполнением команд по очереди, что позволило избавиться от логических каскадов планировщика выполнения команд, которые потребляли значительную мощность в процессоре Intel Pentium M. В результате потребляемая мощность процессора Intel Atom снизилась на 60% по сравнению с процессором Intel Pentium M.

Кэш второго уровня (L2) процессора Intel Atom представляет собой 512-Кбайт память с 8-канальной ассоциативностью (с возможностью уменьшения числа каналов до нуля). В кэш-памяти реализована предварительная выборка второго уровня для оптимизации представления данных и команд для процессорного ядра.
Интерфейс системной шины (front side bus — FSB) соединяет процессор с системным контроллером-концентратором Intel System Controller Hub (Intel SCH). Системная шина была реализована на базе КМОП-технологии, которая позволила снизить потребляемую мощность на 40% по сравнению AGTL-интерфейсом.
Одним из ключевых приёмов при реализации низкопотребляющей архитектуры Intel стал переход на 45-нм производственный процесс с применением транзисторов с металлическим затвором и диэлектриком High-K. В качестве материала с высокой диэлектрической постоянной (High-K) был выбран гафний, который в сочетании с металлическим затвором обеспечивает высокие характеристики транзистора.

В конвейерах с выполнением команд по очереди (in-order pipelines) для встраиваемых систем могут возникать проблемы простоя из-за времени задержки доступа к памяти. Решение этой задачи в процессоре Intel Atom было реализовано с помощью гиперпоточной технологии Intel HT Technology. Эта технология допускает создание логических процессоров в одном физическом ядре, которые способны выполнять команды независимо друг от друга. В результате объединения физических ресурсов логические процессоры остаются активными в течение более длительного времени. В результате такого подхода производительность процессора Intel Atom возрастает на 30% при выполнении многопотоковых задач.
Процессор Intel Atom поддерживает расширения команд SIMD (которые были включены в стандартный набор команд IA-32) вплоть до набора команд Intel® Streaming SIMD Extensions 3.1. Эти команды можно использовать для реализации многих алгоритмов для мультимедииных приложений и обработки данных.

Рис. 1. Типовая платформа процессора Intel Atom

Для минимизации потребляемой мощности и размеров встраиваемых систем для совместной работы с процессором Intel Atom был разработан контроллер-концентратор Intel® System Controller Hub (Intel® SCH). Он содержит контроллер памяти, графический контроллер и контроллер ввода/вывода на одном кристалле, который соединён с процессором по 400/533-МГц системной шине. На рисунке 1 изображена типовая платформа процессора Intel Atom.

Для минимизации занимаемой на плате площади процессор и чипсет предлагаются в сверхкомпактных корпусах размерами 13×14 мм и 22×22 мм, соответственно, что позволяет спроектировать полную систему, которая занимает площадь менее 6000 мм2.

Системный контроллер-концентратор Intel System Controller Hub обладает характеристиками, которые позволяют его использовать во встраиваемых системах. Основными особенностями контроллера-концентратора являются следующие:
– интерфейс памяти обеспечивает связь с 32-разрядной памятью DDR2 ёмкостью до 2 Гбайт на частоте системной шины (FSB);
– 3D-графическая подсистема совместно использует системную память в конфигурации унифицированной архитектуры памяти (Unified Memory Architecture — UMA);
– графический контроллер обеспечивает отличные 3D-характеристики, а также имеет возможность полностью декодировать аппаратными средствами видеопотоки (MPEG 2 и 4, H.264 WMV9/VC1 и других стандартов), тем самым освобождая главное ядро процессора от этой задачи;
– графический контроллер имеет возможность выводить одновременно два независимых потока, используя LVDS- и SDVO-интерфейсы, причем эти интерфейсы можно сконфигурировать с помощью инструмента настройки графического драйвера.
Встраиваемые приложения обычно определяются возможностями ввода/вывода данных. Контроллер-концентратор Intel SCH предоставляет разработчику ряд интерфейсов: USB, который может работать в режиме хоста или клиента; контроллеры SDIO/MMC, которые поддерживают различные типы карт, и контроллер eIDE P-ATA, поддерживающий последние версии твердотельных накопителей и позволяющий разработчику управлять режимом низкого потребления. Кроме встроенных функций, контроллер Intel SCH имеет два порта PCI Express × 1 для расширения системы.

Сравнение ПК-совместимой встраиваемой платформы с системой на базе специа­ли­зи­ро­ванных устройств

По сравнению с традиционными PLC-контроллерам, промышленные контроллеры на базе встраиваемых ПК-процессоров выполняют контрольные функции разного рода (не только логическое управление, но и управление движением, приводами и процессами) на одной платформе. Это обеспечивает такие ключевые преимущества как возможность использовать единую среду разработки, а также открытую программную архитектуру и сетевые интерфейсы.
Особенностями промышленных контроллеров со встраиваемыми ПК-процессорами являются следующие:
– тесная связь аппаратной части контроллера и программного обеспечения;
– программируемость, которая позволяет программам поддерживать процесс управления на нескольких машинах или устройствах;
– возможность управления модульными системами в промышленности — от станков на фабрике до оборудования на обрабатывающих заводах;
– использование де-факто стандартных сетевых интерфейсов, языков программирования и протоколов;
– обеспечение эффективной обработки данных и считывание портов ввода/вывода.
Ключевым фактором при реализации проектов промышленного управления является обеспечение поддержки множества шинных сетей, которые функционируют на предприятии. Эти решения в области промышленных сетей обеспечивают сбор информации о результатах измерений, а также управляющих, диагностических и других данных. В приложениях, работающих в режиме реального времени, эти данные передаются между полевыми устройствами (датчиками, актуаторами и др.) и автоматизированными контроллерами.
Протоколы широко используемых промышленных сетей для приложений промышленной автоматики приведены в таблице 1.

Таблица 1. Протоколы промышленных сетей
Промышленная сеть Стандарт Общая информация
Foundation Fieldbus (FF) IEC/EN 61784-1 CPF 1, IEC61158 Type 1 Шина обработки данных, поддержка до 32-х устройств, скорость 31,25 Кбит/с, 2,5 Мбит/с или 10 Мбит/с, до 1900 м при минимальной скорости передачи
ControlNet IEC/EN 61784-1 CPF 2, IEC61158 Type 2 Универсальная шина Ethernet/IP, до 99 узлов, скорость 5 Мбит/с, 1000/3000 м
Profibus IEC/EN 61784-1 CPF 3, IEC61158 Type 3 Универсальная шина, до 32-х узлов на сегмент и до 125 узлов в сети, электрически совместима с RS-485, скорость от 9,6 Кбит/с до 12 Мбит/с, до 1200 м при низкой скорости
P-Net IEC/EN 61784-1 CPF 4, IEC61158 Type 4 Двухпроводная кольцевая сеть, до 32-х хостов/125 устройств, электрически совместима с RS-485, скорость 78,6 Кбит/с
FP High Speed Ethernet (HSE) IEC/EN 61158 Type 5 Адаптация сети Foundation Fieldbus для Ethernet, использует среду Ethernet 100 Мбит/с
WorldFIP IEC/EN 61784-1 CPF 5, IEC61158 Type 7 Универсальная шина, до 256 узлов на шину, скорость 31,25 Кбит/с, 1 и 2,5 Мбит/с, до 2000 м
Interbus-S IEC/EN 61784-1 CPF 6, IEC61158 Type 8 Шина датчиков, передача данных в режиме ведущий-ведомый, протокол общего кадра, до 4096 точек ввода/вывода, скорость 500 Кбит/с, до 400 м
Fieldbus Messaging Specification (FMS) IEC/EN 61158 Type 9 Набор команд OSI уровня 7 (Fieldbus Messaging Specification), не определяет какую-либо физическую шину
Profinet IEC/EN 61158 Type 10 Протокол Profibus на базе Ethernet
Acutuator Sensor Interface (ASI) IEC 62026-2:2000, EN 50295:1999 Двоичная шина датчиков, до 31-го ведомого устройства, до 124 двоичных операций, 5 мс, 100 м
DeviceNet ISO 11898, IEC 62026-3:2000, EN 50325-2:2000 Шина датчиков, транспортный уровень на базе технологии CAN, скорость 125…500 Кбит/с, 500…100 м
SDS ISO 11898, IEC 62026-5:2000, EN 50325-3:2001 Шина датчиков, транспортный уровень на базе технологии CAN, скорость 125 Кбит/с…1 Мбит/с
CANopen ISO 11898, EN 50325-4:2002 До 2032 объектов, скорость 125 Кбит/с…1 Мбит/с, до 40 м при полной скорости
LON-Works Определяемая изготовителем система Используется в основном в системах автоматики зданий, 255 сегментов, 127 узлов на сегмент, максимально 32385 узлов в системе
Modbus   Система сообщений, которая широко используется для установки связи типа «ведущий-ведомый» между интеллектуальными устройствами. Может работать в двух режимах передачи: ASCII и RTU. Обычно реализуется с использованием RS232, RS422 или RS485 в различных средах передачи (оптоволокно, радио, сотовая связь и др.).
Modbus TCP/IP   Разновидность протокола Modbus, которая использует для связи TCP/IP и Ethernet.
Modbus RTPS IEC PAS 62030:2004 Стандартизируемый в настоящее время протокол реального времени

При обсуждении возможностей промышленных систем управления часто говорят о системах реального времени. Но каковы требования к промышленным системам реального времени? Дело в том, что разные приложения имеют различные требования к таким системам. Наиболее строгие требования предъявляются к системам управления движением: время цикла должно быть не более 50 мкс, а допустимое значение джиттера (отклонения времени цикла) около 10 мкс. Для специальных приложений с более жесткими требованиями следует применять специализированную аппаратуру: обычные системы на базе промышленных сетей не способны обслуживать такие приложения. Типичное время цикла для систем управления положением лежит в диапазоне 1…4 мс, однако джиттер весьма мал — обычно менее 20 мкс. Обычная последовательная логика PLC-контроллера обычно не требует время цикла менее 10 мс, а джиттер может составлять несколько мс. Для задачи связи с компьютерами более высокого уровня требования к временным параметрам лежат в секундном диапазоне.

ПК-совместимые встраиваемые системы управления обычно разделяются на следующие подсистемы:
– физические модули ввода/вывода;
– промышленная сеть fieldbus;
– OПК-клиент/сервер для связи интерфейсной платы с soft PLC-контроллером;
– программный пакет для разработки soft PLC-контроллера;
– OПК-клиент/сервер между soft PLC-контроллером и HMI-интерфейсом;
– интерфейс человек-машина (HMI).
Ключом к реализации всех возможностей новых промышленных контроллеров является программное обеспечение. Оно должно обеспечивать стабильность и надёжность ОСРВ при управлении вводом/выводом данных, синхронизации системы, исполнении приоритетов и других задач. Программное обеспечение должно также предусматривать широкий набор функций управления и анализа. В их число должны входить такие типовые управляющие функции как цифровая логика и ПИД-управление, а также менее распространенные функции, например такие как нечёткая логика (fuzzy logic) и возможность управления на основе моделирования. Программное обеспечение должно, кроме того, обеспечивать алгоритмы анализа для систем машинного видения и управления движением, возможность регистрации данных и поддержки сетевых коммуникаций с базой данных и другими системами промышленного предприятия.
Встраиваемая ПК-совместимая система промышленного управления включает несколько взаимодействующих программных компонентов, которые рассматриваются в следующих разделах.

Soft PLC-контроллер

Одним из основных программных компонентов для нового класса контроллеров на базе технологии встраиваемых ПК является soft PLC-контроллер. Soft PLC-контроллер — это программная среда, используемая для моделирования PLC-контроллера во встраиваемом ПК. Используя soft PLC-контроллер, часть ресурсов ЦП резервируется для моделирования PLC-системы управления, а другая часть выделяется для операционной системы. Работа soft PLC-контроллера идентична работе обычного PLC-контроллера: он реализует логику управления на стандартном языке программирования IEC 61131-3. Soft PLC-контроллер принимает данные от полевых устройств, обрабатывает их с помощью логики, реализованной на языке программирования IEC 61131-3, и, наконец, направляет выходные данные полевым устройствам и на HMI-интерфейс.
Ключевым условием при разработке концепции промышленного ПК-совместимого контроллера является верификация функционирования приложения на базе soft PLC-контроллера в режиме реального времени. При этом наиболее важным свойством контроллера должно быть не только выполнение задания в определенный промежуток времени, но и способность выполнять циклически повторяющиеся задачи всегда в одно и то же время.

OПК — стандарт взаимодействия между программными компонентами

Основной частью ПК-совместимой системы является интерфейс связи между полевыми устройствами и soft PLC-контроллером. Эта связь обеспечивается через интерфейс ввода/вывода, который соединен с полевыми устройствами и передает данные на ПК через программный интерфейс. Одним из таких интерфейсов, который предложен международной организацией OПК Foundation, является OLE for Process Control (OПК). Он представляет собой набор стандартных интерфейсов на основе технологии OLE/COM компании Microsoft. В приложении на базе стандартного интерфейса OПК возможно взаимодействие между системами автоматики и управления, полевыми системами/устройствами и офисными/деловыми приложениями обычно с помощью OПК-сервера. OПК-сервер гарантирует стандартный формат данных, к которым может иметь доступ каждый OПК-клиент, например сам soft PLC-контроллер. Soft PLC-контроллер действует как OПК-клиент при чтении и записи данных, принятых от полевых устройств через плату интерфейса, которая установлена на OПК-сервере.
Архитектура OПК-клиент/сервер используется не только в качестве интерфейса между полевым и управляющим уровнем, но и для связи между soft PLC-контроллером и HMI-интерфейсом. В такой архитектуре обмен данными между отдельными программными пакетами играет важнейшую роль. Управляющая система в ПК-среде работает на основе набора циклических процессов, в основном циклов soft PLC-контроллера и циклов OПК-клиент/сервер.
При анализе работы ПК-совмес­ти­мо­го решения следует обязательно измерять время каждого цикла в различных условиях работы системы. Следует учитывать также время, которое необходимо и для других процессов в системе, например время связи по сети fieldbus, длительность процесса преобразования интерфейсной платы, время отклика модуля ввода/вывода.

Выбор операционной системы

Различные варианты поведения системы возможны при выборе соответствующей операционной системы (ОС). Встраиваемый ПК может работать под управлением многозадачной ОС общего назначения, в которой несколько приложений выполняются совместно, а soft PLC-контроллер использует общие вычислительные ресурсы (совместно с ЦП и памятью). ОС гарантирует выполнение нескольких заданий путём планирования их времени запуска. Существуют три типа алгоритма планирования: разделение времени (timesharing), многозадачный режим (multi-programming) и режим реального времени.
При разделении времени для каждого задания назначается точный отрезок времени. Задание должно освободить ЦП до окончания назначенного времени либо самостоятельно, либо по команде ОС (аппаратное прерывание). Режим разделения времени предназначен для выполнения нескольких заданий одновременно или в последовательные промежутки времени. ЦП осуществляет связь со всей периферией встраиваемого ПК по одной или нескольким внутренним шинам. Несколько процессов использует эти шины, и их работа должна быть согласована ОС с работой soft PLC-контроллера и другими приложениями. Назначение времени каждому процессу зависит от их приоритета, который только частично определяется пользователем. По этой причине не так просто определить, какой процесс обслуживается ОС в данный интервал времени. По умолчанию все процессы имеют одинаковый приоритет. Это означает, что они располагают одинаковым временем ЦП. Следовательно, многозадачная ОС общего назначения, по существу, недетерминирована при выполнении параллельных приложений. Время работы управляющих приложений (подобных soft PLC-контроллеру) не может гарантироваться такими ОС. Это ограничение можно преодолеть только с помощью ОСРВ.

ОСРВ разделяются на две категории, в зависимости от влияния на систему нарушения сроков выполнения задания: системы жесткого (hard real-time) и мягкого (soft real-time) реального времени. В режиме жесткого реального времени определённое действие должно выполняться к заданному моменту времени — в противном случае функционирование системы нарушается. ОСРВ для приложений жёсткого реального времени работает с низкими уровнями сигнала в тесном взаимодействии с аппаратной платформой. Эти ОСРВ, как правило, основаны на приоритетном упреждающем планировании, которое назначает фиксированную полосу пропускания процессора различным процессам.

Для менее критичных приложений (режим мягкого реального времени) возможно использование обычных ПК, на которых запущена многозадачная ОС общего назначения с расширением для режима реального времени. Работа приложений реального времени планируются с помощью этого расширения, что гарантирует почти детерминистское поведение системы. При запуске таких приложений необходимо использовать среду реального времени.

Ещё одной возможностью является запуск приложения реального времени на обычной ОС (не ОСРВ) при условии, что системные параметры способны обеспечить желаемый результат. Другими словами, можно запустить soft PLC-контроллер на обычном ПК под управлением Windows или Linux, принимая в расчет, что работа компьютера управляется недетерминистской ОС, которая обеспечивает при этом достаточную эффективность выполнения функций управления. Такой подход означает, что производительность компьютера находится в пределах, допустимых для данного приложения, несмотря на возможные отклонения пропускной способности ПК. По этой причине необходимо определить контрольный тест для проверки производительности таких ПК-совместимых систем. Этот тест должен обеспечивать:
– оценку параметров ПК-среды, в которой работает приложение;
– инструменты для измерения временных параметров системы: время отклика на событие для прерываемых функций и джиттер для циклических функций.

Система на базе процессора Intel Atom

На рисунке 2 представлена блок-­диаграмма модульного PLC-контроллера на базе процессора Intel Atom. Семейство процессоров Intel Atom включает версию для промышленного диапазона рабочих температур, что позволяет проектировать системы, работающие без охлаждения с помощью вентилятора и подходящие для жёстких условий промышленной эксплуатации.

Рис. 2. Типовая аппаратная платформа процессора Intel Atom

Комбинация процессора Intel Atom с системным контроллером-концентратором Intel System Controller Hub обеспечивает большинство интерфейсов связи, которые требуются для систем промышленного управления. Системный контроллер-концентратор выполнен в корпусе размером всего 22×22 мм и содержит встроенный графический контроллер, интерфейс цифрового аудио, интерфейс основной памяти и различные интерфейсы ввода/вывода периферии. Он поддерживает одноканальную память DDR2. Частота системной шины 400 или 533 МГц. Максимальный размер памяти 2 Гбайт. Имеются 8 портов USB 2.0 хоста и один порт USB 2.0 клиента. Параллельный интерфейс ATA поддерживает два дисковых привода. Для реализации и поддержки необходимых функций возможно подключение дополнительных чипов памяти DRAM и чипов физического уровня (PHY). Дополнительно предусмотрены три коммутирующие матрицы: для трафика памяти; для трафика ввода/вывода, а также сеть сообщений для решения различных задач. Для управления этими матрицами в микросхему северного моста (north bridge) встроен 8-разрядный микроконтроллер 8051. Встроенная подсистема 2D/3D-графики может управлять дисплеем с разрешением 1366×768 пикселов в 24-битном представлении цвета. Встроенная видеоподсистема способна декодировать потоки 1080p HDTV с частотой 30 кадров в минуту, потребляя не более 150 мВт мощности. Она поддерживает видео стандартов MPEG1, MPEG2, MPEG4 и H.264 и совместима с графикой Microsoft DirectX 9 и DirectX 10.

Поддержка всех протоколов промышленной сети и сети Ethernet реального времени обычно реализуется либо с помощью ASIC какого-либо OEM-производителя, либо с помощью FPGA. FPGA в этом случае представляет собой интеллектуальное расширение периферии для этой платформы, которое предоставляет дополнительные порты ввода/вывода, не содержащиеся в контроллере-концентраторе Intel System Controller Hub.
Функционально FPGA связана с контроллером-концентратором через интерфейс PCI Express. Интерфейс позволяет обмениваться данными между ЦП и FPGA с малой задержкой, обычно составляющей несколько микросекунд.
Программное обеспечение, работающее на процессоре Intel Atom, реализует протоколы промышленной сети и Ethernet реального времени. Ряд независимых поставщиков программного обеспечения предоставляет программные пакеты для поддержки набора команд архитектуры IA-32.
Размещение ЦП, чипсета в модуле и реализация промышленной сети и Ethernet реального времени на FPGA является легко масштабируемым решением в случае включения в систему новых модулей ЦП и модернизации, связанной с введением новых стандартов на промышленные сети.
Преимущества такой архитектуры заключаются в следующем:
– обеспечение максимальной гибкости при поддержки промышленных сетей и систем ввода/вывода;
– малая потребляемая мощность, которая позволяет проектировать высокопроизводительные системы, работающие без вентилятора охлаждения;
– использование интерфейса PCI Express для увеличения быстродействия системы ввода/вывода;
– встроенная графика для интерфейса HMI;
– технология Intel Hyper-Threading Technology позволяет улучшить производительность в режиме реального времени;
– весьма компактный корпус дает возможность построения систем с малым форм-фактором;
– возможность обеспечения питания через Ethernet (включая питание TFT-дисплея);
– разнообразные функции, встроенные в одну периферийную FPGA (LPC, интерфейс FWH, контроллер клавиатуры, шинный интерфейс, подобный Ethernet, CAN и т.д.);
– простая адаптация интерфейсов различных промышленных шин к стандартным модулям связи.

Заключение

ПК-совместимые, или открытые, системы управления предоставляют инженеру свободу выбора аппаратной платформы, ОС и программной архитектуры. Вместо адаптации приложения к определенной архитектуре разработчик имеет возможность выбора аппаратных и программных компонентов, которые точно соответствуют требованиям к проекту и, в то же время, позволяют существенно снизить затраты и время разработки системы. Для построения таких систем можно использовать широко доступные процессоры, например процессоры на основе архитектуры Intel.
Процессор Intel Atom полностью совместим с архитектурой IA-32, что позволяет разработчикам применять широкий набор доступных программных средств.
Преимущество таких систем для конечного пользователя заключается в том, что хорошо известная платформа для построения системы использует интеллектуальные полевые устройства нижнего уровня и PLC-контроллеры. Проектирование системы на базе общей платформы к тому же упрощает задачу совмещения IT-системы с системой автоматики на предприятии.

 

Литература
1. Ian Gilvarry. IA-32 Features and Flexibi­li­ty for Next-Generation Industrial Control.
2. Roland Gerhmann, Gerald Carda. Lin­king hardware to OS functionality to speed development of GUI-based apps.
3. Intro to Real-Time Operating Systems.

 

Полезные ссылки
1. Компактная материнская плата формата Nano-ITX на базе процессора Intel® Atom™.
2. Компактный компьютер на процессоре Intel® Atom.
3. Ультракомпактный компьютер в форм-факторе Pico-ITX.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *