Webbipohjaiset kehitysympäristöt kehittyvät kovaa vauhtia. Tässä artikkelissa kuvataan uuden Embedded Systems Power Designer -työkalun toimintaa ja käyttöä. Sen avulla voidaan suunnitella teholähde sulautetulle mikro-ohjaimella tai FPGA-piirille.

Artikkelin kirjoittaja Devin Crawford on Transim Technologyn sovellusinsinööri. Hän on valmistunut tekniikan tohtoriksi Minnesotan yliopistosta vuonna 1996. Hän on erikoistunut numeerisiin analyyseihin ja simulointiin. Viime aikoina hän on keskittynyt erilaisten sovellusten webpohjaisten suunnittelutyökalujen kehittämiseen.

Embedded Systems Power Designer -sovellus hyödyntää pilvipalvelujen laskentaresursseja ja uusimpia HTML5-ominaisuuksia, joilla on toteutettu intuitiivinen käyttöliittymä ja interaktiivinen suunnittleuympärisöt suoraan selaimeen. Työkalu sisältää valtavat määrät informaatiota yksittäisistä komponenteista ja niiden hyödyntämisestä. Suunnittelijat pääsevät käsiksi tähän laajaan tietokantaan ja voivat sen avulla suunnitella sovelluskohtaisesti räätälöidyn teholähteen muutamassa minuutissa. Tuloksena tullut piirikaavio komponenttiluetteloineen ja suunnittelutiivistelmineen voidaan tallentaa joko pilveen tai paikallisesti omalle työasemalle.

Tausta

Viimeisen 10 vuoden aikana internetistä on tullut monien jokapäiväisten teknisten tehtävien tärkein resurssi. Jokainen voi netistä nopeasti löytää taustatietoa laajata aihevalikoimasta, tai saada käsiinsä tietoa standardeista ja lainsäädännöstä. Kun työskentelee uuden suunnittelun parissa, tietolähde kuten datasheets.com on käytännössä korvaamaton monille suunnittelijoille, jotka etsivät moduuleja tai integroituja piirejä.

Huolimatta tarjolla olevan informaation suuresta määrästä yksi haaste on ennallaan: kuinka saada laajasta informaatiosta kokonaiskuva ja käyttää sitä tehokkaasti. Arrow Electronics on hyödyntänyt asemaansa yhtenä elektroniikan komponenttien johtavista jakelijoista kehittääkseen ongelmaan ainutlaatuisen ratkaisun. Se antaa suunnittelijoille pääsyn kattavaan määrään informaatiota online-suunnittelutyökalujen kautta. Nämä sovellukset käyttävät nykyaikaisia pilvipohjaisia tekniikoita esittääkseen informaatiota sadoista datakirjoista ja teknisistä apudokumenteista interaktiivisessa ympäristössä. Suunnittelijat voivat nopeasti navigoida läpi kompleksisten suunnitteluongelmien samalla, kun sovelluksen riittävä joustavuus varmistetaan. Embedded Systems Power Designerin uusin versio kuvaa hyvin tätä ratkaisua.

Skaalautuva online-tuki

Joustavuutensa ja suhteellinen edullisen hintansa ansiosta ohjelmoitavat logiikkamoduulit kuten FPGA-piirit ovat houkutteleva ratkaisu automaation ja ohjauksen (control) sovelluksille. Näiden moduulien onnistunut käyttö asettaa kuitenkin kovia vaatimuksia teholähteen suhteen. Tehovaatimukset riippuvat moduulin ohjelmoinnista ja yksittäisten teholähteiden täytyy vastata AC-komponentin tarkkoja määrityksiä. Suunnittelijat joutuvat siksi kasvokkain tehtävien kanssa, jotka ovat – ainakin jossakin mielessä – heidän oman ydinosaamisensa ulkopuolella.

Online-suunnitteluympäristö yksinkertaistaa suunnitteluprosessia jakamalla tehtäviä erillisiin askeliin. FPGA-valmistajan määritetykset, jotka muuten pitäisi varmistaa monisivuisista datalehdistä, integroidaan mukaan automaattisesti jokaisella askeleella.

Arrow Electronic Componentsin webbisivustosta pääsee kiinni kehitysympäristöön. Ensikäyttäjät saavat datan käyttöönsä rekisteröitymisen jälkeen. Suunnitteluvaiheiden valmistuessa kaikki inofrmaatio voidaan tallentaa milloin tahansa palvelimelle jatkokäyttöä varten. Piirikaavioita ja muuta sisältöä voidaan jakaa usean suunnittelijan kesken. Siksi työkalu on keskeinen apu myös sovellusinsinööreille, jotka tulevat asiakkaita näiden omissa projekteissa.

Kun käyttäjä avaa ohjelman, Embedded Systems Power Designer näyttää tyhjän piirikaavion kuvan 1 tapaan. Piirikaavioeditorilla käyttäjä voi suunnitella FPGA-piirinsä korkealla abstraktiotasolle. Yksittäiset muuntimet syntesoidaan, simuloidaan ja niitä voidaan jopa modifioida komponenttitasolla. Keskeisen moduulin – vaikkapa Altera Stratix IV FPGA:n – vaatimukset siirtyvät hierarkiassa alaspäin komponenttitasolle niin, että yksittäisten muuntimien suunnittelutavoitteet vastaavat järjestelmän vaatimuksia.

Kuva 1: Piirikaavioeditori piirikaavion suunnitteluun.

Suunnitteluprosessi aloitetaan valitsemalla FPGA-piiri ja asettamalla se piirikaavioeditoriin moduulina. Valittavana on useita Alteran FPGA-piirejä. Muiden valmistajien FPGA-piirejä sekä mikro-ohjaimia on tulossa tarjolle lähitulevaisuudessa. Jännitemääritykset ja teholähteen toleranssit toteutetaan automaattisesti FPGA-moduulin ominaisuuksina. Erillisten tehoalueiden eli -verkkojen vaatimukset voidaan syöttää manuaalisesti, tai Alteran FPGA-piirien tapauksessa arvot voidaan lukea suoraan Alteran EPE-työkalusta (Early Power Estimator), kuten kuva 2 näyttää.

Kuva 2: FPGA-piirin virta- ja jännitemääritykset. Vaatimukset voidaan syöttää manuaalisesti tai suoraan Alteran Early Power Estimator -työkalusta.

EPE antaa tehovaatimusten yläarvojen arviot käyttäjän FPGA-suunnittelun valintojen perusteella. Tämä varmistaa, että tuloksena tulevat muuntimet ovat ko. sovelluksen suhteen optimoituja. Tämä yhteys Alteran suunnitteluympäristöön säästää aikaa ja minimoi suunnittelun aikaisessa vaiheessa tapahtuvien virheiden mahdollisuuden. Kun FPGA on asemoitu piirikaavioon ja virta-arvot on määritelty, teholähteestä generoidaan automaattisesti malli (concept) piirikaavioeditoriin. Esimerkki Stratix IV E -piirin teholähdesuunnitelmasta näkyy kuvassa 3. Tässä näkymässä yksittäiset muuntimet määritellään paikanvaraajina (placeholders), jotka toimivat yksittäisten muuntimien suunnittelun malleina. Niissä on mukana tieto virrasta, jännitteesta ja näiden toleranssista.

Kuva 3: FPGA-piirikaavion topologia luodaan automaattisesti. Yksittäisille muuntimille varataan paikat.

Yksittäisten muuntimien suunnittelu alkaa avaamalla vastaava moduuli virtasuunnitelmassa. Tuplaklikkaamalla jotain moduulia avautu konfigurointi-ikkuna kuvan 4 tapaa. Piirikaavion korkean tason liitännät muuntimen ja FPGA:n välillä toimivat linkkinä, jonka kautta virtavaatimukset saadaan FPGA:lta suunnittelumäkymään. Tätä informaatiota käytetään priorisoimaan saatavilla olevat ohjainpiirit valikkolistassa. Näin useita satoja ohjainpiirejä sisältävästä listasta parhaiten sähköisiin vaatimuksiin sopivat näytetään listalla ylimpänä. Tämä onnistuu algoritmeilla jotka suodattavat tietoa laajasta valioimasta datakirjoja ja sovellusohjeita. Tämä säästää tunteja tai päiviä aikaa sellaiselta suunnittelijalta, jolla ei ole yksityiskohtaista tietoa muuntimien suunnittelusta. Listalla on lukuisten ohjainpiirien lisäksi kohta “Design It”. Se avaa pääsyn interaktiiviseen suunnittelutyökaluun, joka luo kokonaisen mikropiirin muuntimen ympärille. Piiri esitetään kaaviona, ja useissa tapauksissa sen muuttumaton ja vaihtuva (transient) käyttäytyminen voidaan tarkistaa simulaaton avulla.

Kuva 4: Muuntimen suunnittelun syöttöikkuna.

Tässä vaiheessa voidaan myös modifioida komponentin arvoja ja muutosten vaikutukset voidaan nähdä simulaatiossa reaaliajassa. Simulaatio ei lisää laskennan tarvetta, sillä raskaammat prosessit ajetaan palvelimella. Kuva 5 näyttää muuntimen piirikaavion ja simulaation tulokset. Tulokset näytetään omassa ikkunassaan, jossa on useita toimintoja kuten markkeri, zoomaus ja näyttömahdollisuudet yksittäisille käyrille. Toimintojen valikoima ja nopea vasteaika vastaavat sitä, mitä odotetaan perinteiseltä työasemassa tapahtuvassa suunnittelussa.

Kuva 5: Näkymä piirikaaviosta ja muunninpiirin simulaatiotuloksista. Piirikaavio ja osaluettelo yksinkertaistavat suunnittelun tuotantoon viemistä.

Piirin osaluettelo voidaan näyttää seuraavassa vaiheessa. Suunnittelu viimeistellään määrittelemällä hintatieto käyttäjän määrittelemän komponenttilistan perusteella. Sovellus näyttää osien saatavuuden ja hinnan ja osalista voidaan ladata käyttöön taulukkona. Jos yksittäisiä komponentteja vaihdetaan määriteltyjen kriteerien mukaisesti, voidaan vaihdossa käyttää suodintoimintoa. Kuva 6 näyttää, miten kondensaattori voidaan valita c-arvon, koteloinnin, valmistajan tau maksimitoimintajännitteen perusteella.

Kuva 6: Valintasuodin auttaa valitsemaan yksittäisiä komponentteja listalta lisäkriteerein avulla.

Tässä kuvatut suunnitteluvaiheet hyödyntävät lukuisien moduulien määrityksiä ja sovellustietoa, jotta FPGA:n teholähteeksi voitaisiin toteuttaa optimoitu topologia. Algoritmit tukevat nopeaa online-suunnitteluprosessia, joka voidaan sovittaa yksittäisen suunnittelun määrityksiin.

Kun muunninpiiri on saatu valmiiksi, tarkistetaan aina, että teholähteen määrityksiin on vastattu FPGA-piirin näkökulmasta. Tämä tarkistus voidaan tehdä manuaalisesti valitsemalla “Check Design” piirikaavion yläreunasta. “Summary”-sivu näyttää yhteenvedon muuntiista, simulaatiotuloksista ja osaluettelosta. Osaluetteloa voidaan myös säätää tässä vaiheessa, kuten kuvasta 6 näkyy.

Yhteenveto

Embedded Systems Power Designer -sovellusta voidaan käyttää sulautettujen moduulien kompleksisten teholähteiden suunnitteluun. Sovellus yhdistää laajan valikoiman sovellustietoa intuitiiviseen käyttöliittymään, joka ohjaa suunnittelijat kompleksisen suunnittelutehtävän läpi muutaman yksinkertaisen vaiheen kautta. FPGA-määritysten perusteella piirejä sovitetaan muuntimille ja niiden komponenteille. Prosessin lopuksi suunnittelija saa käyttöönsä kaiken suunnittelutiedon piirikaaviosta komponenttiluetteloon, topologiakuvaukseen ja simulointituloksiin.

Lisää tietoa työkalusta, sekä sen kokeilumahdollisyys löytyy verkosta osoitteesta arrow.transim.com/designweb.