Zelfontwikkeld embedded-bord geeft elektronici Demcon vliegende start

17 juni 2010

Demcon uit Oldenzaal heeft er een nieuwe optie bij als het een ontwikkelproject oppakt. Sinds kort ligt er een standaard embedded-bordje op de plank waarmee systeemdesigners snel aan de slag kunnen. Geen experimentele opstellingen meer tijdens de eerste ontwikkelstapjes, maar een geavanceerd kant-en-klaar hardwareplatform. ‘De elektronicaontwikkeling gaat nu veel soepeler’, zegt Gino Heijnsdijk van Demcon.

Demcon staat vooral bekend als ontwikkelaar van geavanceerde mechatronische systemen voor grote klanten als ASML, Thales en OTB. Ook het mkb weet de weg  naar Oldenzaal te vinden: bedrijven als Mapper en Maxon Motor pronken op Demcons klantenlijst. In opdracht van Bronkhorst High-Tech ontwierpen de Twentenaren enige tijd geleden een kalibratieapparaat voor flowmeters. ‘Bronkhorst wilde een echt embedded oplossing’, vertelt Gino Heijnsdijk, elektrospecialist bij Demcon. ‘Dat betekende dus dat we de elektronica op maat moesten ontwikkelen. Voor de meeste projecten beginnen we daarvoor redelijk vanaf nul. We hebben deze aanvraag aangegrepen om ook op het gebied van elektronicaontwikkeling een flinke stap te zetten.’

Bronkhorst High-Tech is gespecialiseerd in nauwkeurige massaflowmeters. Voor de kalibratie hiervan gebruikt het bedrijf uit Ruurlo een zelfontwikkelde piston prover. Dit is een secundaire standaard die is afgeleid van de primaire standaard van het Nederlands Meetinstituut (NMI). Het hart van de piston prover is een holle meetcilinder met daarin een zuiger. Bij een meting laat het systeem het gas de buis instromen en meet dan hoe snel de zuiger omhoog gaat. Uit de tijd en de afgelegde afstand wordt de volumeflow in kubieke meter per seconde berekend, en vervolgens de massaflow.

Door de zuigermassa ontstaat er een drukverschil tussen de meetcilinder en de buitenwereld. Dit geeft een meetfout. Het is dus zaak om zowel de massa van de zuiger als de wrijving tussen cilinder en zuiger te minimaliseren. Tot een aantal jaren geleden loste Bronkhorst dit op met een kwikring op de zuiger als wrijvingsloze afdichting. Toen verbood de Europese Commissie het gebruik van dergelijke milieuonvriendelijke stoffen en moest het bedrijf op zoek naar een alternatieve meetmethode.

Bronkhorst klopte aan bij Demcon. De Oldenzalers namen het ontwerp op de schop. Ze vergrootten de lengte van de zuiger zodat hij langer is dan noodzakelijk voor de slag die hij moet maken. Het voordeel hiervan is dat de afdichting niet meer op de zuiger hoeft te zitten, maar op een vaste plaats kan worden aangebracht op de buis.

Als echte mechatronici sloten de Demcon-ontwikkelaars deze plunjer vervolgens aan op een actief aangedreven spindel met een PWM-versterker. Met een relatief simpele PID-regelaar zorgden ze ervoor dat het drukverschil tussen de meetruimte en de ruimte buiten het instrument steeds 0 Pa blijft. Het systeem krijgt daarbij input van een 16 bit ADC voor de drukbepaling en een nauwkeurige temperatuurmeting die digitaal wordt ingelezen.

Ook bij deze Active Piston Prover (APP) is uit de beweging van de zuiger te berekenen hoeveel de volumeflow bedraagt. Demcon meet dat volume met een liniaal die het in het systeem opnam. De informatie uit de motorencoder gebruikt het bedrijf om een regeling te realiseren met een hoge bandbreedte. Uiteindelijk kwam de constructie tot de gevraagde nauwkeurigheid van minder van 0,1 procent spreiding in de resultaten.

Arm7

Demcon hanteert een gefaseerde projectaanpak. Via zeven stappen gaat het van functionele specificatie naar systeemintegratie: het bekende V-model. De ontwikkelaars doorlopen die lus drie keer. In de eerste fase kijken ze naar de haalbaarheid van de oplossing. Dit is de Pop-fase (proof of principle). Vervolgens verbreden ze de scope en komen de overige eisen aan bod. Dit is de prototypefase. In de laatste ontwikkelstap, de nulserie zoals Demcon het noemt, wordt het prototype doorontwikkeld en rijp gemaakt voor serieproductie.

‘Vooral tijdens de Pop-fase is het lastig elektronica in te zetten’, legt Heijnsdijk uit. ‘De nadruk ligt dan nog op de functionele eisen. Zaken zoals de beschikbare ruimte en de keuze voor de componenten zijn nog ondergeschikt. Bij Demcon kiezen we dan over het algemeen voor een generieke besturing via een industriële pc of iets soortgelijks. Daar sluiten we wat kaarten van National Instruments op aan voor de I/O. Allemaal met het doel om snel resultaat te hebben. De opstelling is experimenteel, maar in dat stadium is dat geen probleem. Nadelig voor de projectvoortgang is dat er in die fase al veel werk wordt verzet bij de andere disciplines, terwijl ze bij elektronicaontwikkeling nog helemaal moeten beginnen. Er wordt hardware en software gebruikt die vrijwel nooit in het eindproduct komt. Daardoor is er dus nog totaal geen zicht op mogelijke besturingsproblemen qua timing of geheugen.’

Demcon regelt de Active Piston Prover van Bronkhorst High-Tech met hardware op basis van zijn DM3-ontwikkelbordje.

Al voor het Bronkhorst-project was Demcon regelmatig tegen dit probleem aangelopen. Heijnsdijk: ‘We besloten dat er nu een generiek embedded-platform moest komen. Een bord dat we hier zo van de plank kunnen pakken en dat geschikt is om de Pop-fase door te komen.’

Dat werd de Demcon Motion Controller 3 Axis, kortweg DM3. Het bord heeft drie DC-motoraansturingen en verschillende analoge en digitale in- en uitgangen, waaronder een I2C-interface voor de verbindingen met randapparatuur en een RS232-poort voor de communicatie met andere systemen. Het hart van de besturing is de LPC2368, een Arm7-processor van NXP. ‘We hebben voor de Arm7 gekozen omdat het een veelgebruikte processor is. Bovendien is het energieverbruik goed. Kleiner was geen optie omdat hij dan te weinig capaciteit zou hebben. Groter had gekund maar dat was niet echt nodig en het had ook de leercurve onnodig steil gemaakt.’ Om de Arm7 te ontlasten, bevat het bord drie Atmel Atmega168 AVR-controllers voor de stroomregelkringen. Elke motor heeft zo zijn eigen aansturing.

De DM3 is uitgerust met zestien digitale ingangen en evenzoveel digitale uitgangen. Heijnsdijk: ‘We hebben ervoor gekozen om de digitale I/O galvanisch te isoleren van de Arm7-processor en het 5 V DC TTL-signaal om te zetten naar 24 V DC I/O. Hierdoor worden de in- en uitgangen geschikt voor standaard industriële sensoren.’ Verder heeft het bord de beschikking over twaalf analoge inputs, vier analoge output en twee PWM-uitgangen.

Demcon heeft de DM3 ingezet tijdens de Pop-fase van het kalibratiesysteem voor Bronkhorst. In de prototypefase hebben de elektronicaontwikkelaars het bord vervolgens op maat gesneden. Heijnsdijk: ‘Voor deze toepassingen hadden we maar één motoraansturing nodig. De andere twee konden eraf. Natuurlijk moesten we ook de vorm van het PCB aanpassen aan de ruimte-eisen van dit specifieke product. Verder hebben we de I/O in lijn gebracht met de wensen. Bij de nulserie hebben we de laatste bugs eruit gehaald. Ook bleek dat de Arm7-processor al tegen de grens van zijn capaciteit aan zat. Hij was al voor zo’n 95 procent belast. We hebben daarom de klokfrequentie opgeschroefd zodat hij zijn rekenwerk sneller kon uitvoeren.’

Toolbox

Demcon heeft ook bekeken welke ontwikkelsoftware het meest geschikt was voor het DM3-platform. ‘Onze mechatronici werken bij het ontwerpen van besturingen vaak met Matlab en Simulink’, weet Heijnsdijk. ‘Helaas was er geen oplossing op de markt die de pakketten van Mathworks verbindt met de Arm7 op het DM3-bord. We hebben daarom een toolbox gebouwd die we gebruiken in de Matlab- en Simulink-modellen. Deze modellen worden vervolgens vanuit Matlab vertaald naar C-code die we via een Keil-compiler en bijbehorende ontwikkelomgeving op de Arm7 zetten. Zo kun je met Matlab/Simulink een stand-alone applicatie ontwikkelen zoals we dat bij de APP hebben gedaan.’

Het is ook mogelijk de DM3 te gebruiken in een systeem met een bovenliggend besturingssysteem, zoals een pc. Het bord ontvangt dan commando’s via een seriële verbinding. ‘Je sluit de DM3 aan op je pc en geeft bijvoorbeeld het commando ‘lees I/O nummer 5’. Het bord geeft je vervolgens een waarde terug. In feite heb je dan intelligente hardware die je serieel kunt benaderen. Deze manier van aansturing hebben we toegepast in een systeem met een camera en een aantal aangedreven filterwielen. Voor de beeldverwerking is al de rekenkracht van een pc nodig. Vanuit de computer zetten we nu met een seriële commando een filterwiel in positie.’

De DM3 heeft drie DC-motoraansturingen en draait op een Arm7-processor van NXP. Om de centrale rekenkern te ontlasten, bevat het bordje drie Atmel Atmega168 AVR-controllers voor de stroomregelkringen. Elke motor heeft zo zijn eigen aansturing.

Saxion

Heijnsdijk ziet een heleboel voordelen van Demcons nieuwe embedded-platform. ‘Het belangrijkste is dat wij als elektronicadesigners een vliegende start kunnen maken. We zijn veel eerder bij de ontwikkeling betrokken. Ook vormt de elektronica uit de Pop-fase de basis van de uiteindelijke hardware. Je bent dus veel beter voorbereid op mogelijke prestatieproblemen.’

Voor Demcon was het tevens een investering in zijn medewerkers. ‘We hebben heel veel ervaring opgedaan met microcontrollers en motionversterkers. Het is kennis die we snel kunnen hergebruiken. Om een voorbeeld te geven: de motorregellus met behulp van de AVR hebben we later opnieuw van stal gehaald in een project waar we de DM3 niet eens gebruikten.’

Nadelen zijn er natuurlijk ook. Heijnsdijk: ‘Behalve dat we enigszins vastzitten aan de Arm-architectuur zijn de initiële kosten relatief hoog. Je ontwikkelt voor de muziek uit omdat je werkt zonder directe klanten. Het is een kwestie van eerst investeren om later te kunnen oogsten.’ Een deel van de kosten heeft Demcon opgevangen door de inzet van studenten. Enkele leerlingen van de Smart Systems Design-afdeling van de Saxion-hogeschool namen stukjes van de ontwikkeling voor hun rekening.

Heijnsdijk heeft nog genoeg plannen voor het DM3-bord. ‘Om te beginnen, willen we de huidige RS232-verbinding vervangen door USB of Ethernet. Verder zijn er nog wat kleine verbeteringen mogelijk. Zo zijn de uitgangen op dit moment nog niet kortsluitvast. De besturing nemen we ook in heroverweging. We hebben op dit moment een opdracht uitstaan bij Saxion om te kijken of het nuttig is om de drie AVR-microcontrollers te vervangen door een FPGA. Ook een krachtigere processor behoort tot de mogelijkheden. Misschien schakelen we bij de volgende generatie over naar een Arm11.’

Hoe dan ook, Heijnsdijk noemt de DM3 nu al ‘een krachtige tool voor system engineering’. ‘We hebben er een nieuwe optie bij als we een project oppakken. De designers kunnen snel aan de slag, wat de drempel verlaagt om geavanceerde stuurelektronica in te zetten. De ontwikkeling gaat gewoon veel soepeler. Voor de APP heeft het ook goed uitgepakt. Het NMI heeft er inmiddels vier gekocht en diverse andere bedrijven hebben serieuze interesse getoond.’

Alexander Pil

Terug naar overzicht