Sistema de Aquisição de Dados em Tempo Real Utilizando Software Livre e Rede Ethernet para Laboratório de Controle

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1 Sistema de Aquisição de Dados em Tempo Real Utilizando Software Livre e Rede Ethernet para Laboratório de Controle Elaine de Mattos Silva1 José Paulo Vilela Soares da Cunha1 Orlando Bernardo Filho2 1 Departamento de Eletrônica e Telecomunicações 2 Departamento de Sistemas e Computação Faculdade de Engenharia Universidade do Estado do Rio de Janeiro CBA 2010, Bonito, Mato Grosso do Sul, 13 de setembro de 2010.

2 Organização 1. Introdução 2. Sistema Operacional Linux 3. Scicos/Scilab 4. Projeto Comedi 5. Descrição do Sistema de Aquisição 6. Teste do Sistema 7. Aplicação em um Servomecanismo 8. Conclusões

3 Introdução Programas de computação numérica são indispensáveis em Engenharia Alto custo dos programas proprietários dificulta usá los

4 Introdução Exemplo: Sistema legado de aquisição de dados e controle do Laboratório de Controle e Automação da UERJ: Placas de aquisição de dados com barramento ISA Alta qualidade, porém barramento ISA indisponível Sistema operacional Windows 95 Matlab 5.2 e Simulink Software de geração de código executável em tempo real WinCon da Quanser Problemas: Software obsoleto Falta de drivers para placas e barramento ISA impedem atualização do software

5 Introdução Solução proposta: Computador legado com barramento ISA realiza aquisição (servidor) Computadores avançados recebem os dados e realizam o controle (clientes) Servidor e clientes interligados através de rede local ou Internet

6 Sistema Operacional Linux Principal alternativa aos sistemas operacionais proprietários Ambiente de programação aberto Não é um sistema de tempo real Há modificações do kernel que garantem execução de tarefas dentro de prazos previsíveis rígidos (RTAI, hrtimers, etc) No entanto, não foram utilizadas essas modificações pois o avanço do hardware e o kernel atual permitem o uso do Linux em aplicações críticas Apenas o comando nice foi utilizado para aumentar a prioridade dos processos servidor e cliente (Scilab)

7 Scilab/Scicos Software livre para computação numérica Mantido pelo Scilab Consortium Toolboxes para processamento de sinais, sistemas de controle, simulação, otimização, integração numérica e álgebra linear Linguagem de programação interpretada Scicos simula sistemas representados por diagramas de blocos

8 Projeto Comedi Fornece drivers de dispositivos de medição para Linux Pacote comedi drivers para diversas placas de aquisição de dados Pacote comedilib conjunto de funções (API) para configuração, leitura e escrita analógica e digital Pacote kcomedilib similar ao comedlib, porém as funções são executadas em modo supervisor (para uso com o RTAI)

9 Descrição do Sistema de Aquisição Arquitetura cliente/servidor Desenvolvido nas linguagens de programação: C por ser flexível e compatível com funções de configuração e aquisição fornecidas pelo pacote comedilib Scilab para construção de novos blocos no Scicos

10 Descrição do Sistema de Aquisição Servidor utiliza comedilib para executar requisições do cliente como: Leitura de um canal analógico comedi_data_read() Escrita em um canal digital comedi_dio_write() Configuração de endereço de uma placa comedi_config() Conversão de amostras em valores reais comedi_to_phys()

11 Descrição do Sistema de Aquisição Cliente implementado em blocos do Scicos Quatro blocos principais: Remote analog data input Remote analog data output Remote digital data input Remote digital data output

12 Descrição do Sistema de Aquisição Configuração do cliente: Processador Intel Pentium IV 2,4 GHz Memória RAM de 1GB Sistema operacional Linux Mandriva 2010, kernel Scilab 4.1.2

13 Descrição do Sistema de Aquisição Configuração do servidor: Processador Intel Pentium III 300MHz Memória RAM de 256MB Placa mãe com barramento ISA Placa de aquisição de dados Keithley DAS 1602 Sistema operacional Vector Linux VL 5.9 Light Edition, kernel : Adequado a computadores com recursos limitados comedi e comedilib 0.8.1

14 Descrição do Sistema de Aquisição

15 Descrição do Sistema de Aquisição Foi desenvolvido módulo para o cliente configurar placa de aquisição Esse módulo executa: função modprobe do Linux para carregar driver da placa escolhida função comedi_config para associar driver a uma entrada de dispositivo, exemplo: /dev/comedi0

16 Descrição do Sistema de Aquisição Comunicação entre cliente e servidor realizada através do protocolo TCP TCP escolhido pois garante notificação de recebimento, sequenciamento e controle de fluxo dos pacotes Perdas de pacotes ou trocas na sequência poderiam afetar processamento de sinais

17 Descrição do Sistema de Aquisição Protocolo de aplicação HTTP utilizado por ser universal e simples Possível estender as funcionalidades e a arquitetura para implementar um weblab Permite configurar e testar as placas do servidor remotamente, através de comandos simples via browser

18 Teste do Sistema Testes realizados para avaliar: Atraso de amostragem, processamento e comunicação Precisão da temporização na geração e aquisição de sinais

19 Teste do Sistema Medição do atraso: Gerador analógico senoidal conectado ao A/D Sinal digitalizado enviado ao D/A

20 Teste do Sistema Medição do atraso: Senóide de 3 Vp e 10 Hz Período de amostragem 10 ms Saídas do D/A e do gerador foram medidas por osciloscópio Mediu se atraso máximo de 4 ms

21 Aplicação em um Servomecanismo Exemplo de aplicação: Controle da posição angular de um servomotor Controle proporcional (simples) Compara se simulação com o controle HIL (Hardware In the Loop) Período de amostragem 10 ms

22 Aplicação em um Servomecanismo Simulação: Modelo servomecanismo para simulação: y s 1, G s = = u s s s 57 s 14400

23 Aplicação em um Servomecanismo Experimento HIL: Blocos S/H e o saturador substituídos pelos blocos remote analog data input & remote analog data output

24 Aplicação em um Servomecanismo

25 Conclusões Trabalho motivado inicialmente pelo reaproveitamento de equipamentos legados Arquitetura cliente/servidor permite compartilhamento de plantas e sistemas de aquisição por diversos alunos Bons resultados em experimentos com período de amostragem de até 10 ms sem modificações no kernel do Linux Para períodos de amostragem inferiores a 10 ms o sistema apresenta problemas de temporização e precisão dos valores amostrados Poderá ser melhorado em novo código do programa servidor, com troca de mensagens por conexão persistente e substituição da troca de mensagens através de strings por estruturas (structs), mais rápidas em C

26 Conclusões Poderá ser utilizado como base para um laboratório remoto (weblab), implementando um servidor web, políticas de segurança e acesso, para realizar experimentos via browser Converter do Scilab para versão 5.x Todo código fonte está disponível no site: