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1 © 2017 The MathWorks, Inc. ラピッドコントロールプロトタイピング(RCP)による 制御アルゴリズムのテスト MathWorks Japan アプリケーションエンジニアリング部 (制御) アプリケーションエンジニア 新井 克明

ラピッドコントロールプロトタイピング(RCP)によ …...Profinet Controller (Master) Profinet Device (Slave) Modbus/TCP Client (Master) Modbus/TCP Server (Slave) Modbus

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1© 2017 The MathWorks, Inc.

ラピッドコントロールプロトタイピング(RCP)による制御アルゴリズムのテスト

MathWorks Japanアプリケーションエンジニアリング部 (制御)アプリケーションエンジニア新井 克明

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モデルベースデザインが高機能・多機能化する製品の迅速な開発をサポート

シミュレーションを通した動作・性能検証とコード生成のテクノロジーを活用

制御対象モデル

制御ロジックモデル

制御装置試験

制御対象RCP

MCU/DSP

制御対象

制御ロジック

HILS

モデリング

C/HDLコード自動生成

仕様/実現性を実機レス&低コストで素早く検討実機テストへの素早いシフト

シームレスな開発環境で素早い製品リリースを可能にします

複雑な機能と高い信頼性を両立するためのテスト・検証ワークフローを実現します

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RCP: Rapid Control Prototyping

リアルタイムテストの種類について

RCPシミュレータ 制御対象 (実物)

コントローラモデルを専用HWで模擬

HILS: Hardware-In-the-Loop Simulation

コントローラ (実物) HILシミュレータ

制御したい対象を専用HWで模擬

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RCP: Rapid Control Prototyping

汎用性の高いRCPハードウェアを活用して検討したアルゴリズムを素早く実装&テスト

MILS

PCG

シミュレーションによる検討

制御対象実機を活用した

コントローラのプロタイピング

マイコン向け量産コード生成 実機ベースでの機能・性能検証

自動コード生成&ビルド

アルゴリズムのモデリング / シミュレーションベースの機能・性能検討

実際の制御対象RCPハードウェア

RCP環境へ実装

アルゴリズムの

再検討RCP

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実機テストやデータ計測・可視化で活用できるMathWorksの各種ツール

MATLAB&Simulink

Simulink Real-Time™

RCP/HILテスト環境 (ハードウェア・リアルタイム)

Simulink Desktop Real-Time™

簡易実機テスト環境 (ソフトウェア・リアルタイム)

データ収集(DAQ)系ツールボックス

Data Acquisition Toolbox™:DAQカード入出力

Image Acquisition Toolbox™:カメラ入力

Instrument Control Toolbox™:シリアル/イーサネット

Vehicle Network Toolbox™:CAN通信

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Simulink Real-Timeの主な機能

簡単なI/Oへのアクセス

ハードウェアアクセス用のドライバブロックを提供

ターゲットHW単独で可視化

ターゲットHW単独で可視化環境を提供

適合・測定用GUI マルチコア実行 FPGA実装による高速化

パラメータ調整・信号測定用GUIを標準で提供

サンプリング時間ごとにタスクとしてコア分散実行

HDL Coderで高速演算部分を実装

アプリケーションの配布

適合用GUI含めた実行環境の配布

テストの自動化

Simulink Testでテストシナリオを自動実行

バイパス開発の環境

XCPで開発用ECUへのアルゴリズムを追加実装

FPGA

プロセッサCore 1

Core 2

本開発環境

テスト環境1

RCP ECUテスト環境2

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アジェンダ - ラピッドコントロールプロトタイピング(RCP)による制御アルゴリズムのテスト -

RCP環境の構築例– モデルのビルド・実行の基本的な手順

– 信号のモニタリング/ロギングとパラメータのチューニング

– テスト信号の入力方法

専用ハードウェアSpeedgoatの紹介– ハードウェアのバリエーション

– サポートしている主なIOと通信プロトコル

FPGAボードへのアルゴリズムの実装– FPGAボードの活用ケース

– FPGA実装のワークフローの紹介

まとめ

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アルゴリズムとドライバブロックを信号線で接続します

モデルのビルド・実行の手順

ハードウェアに搭載されたIOボードに対応する設定用ブロック・ドライバブロックをモデルに配置します

設定用ブロック・ドライバブロックからダイアログを開いてI/Oに関する各種設定を行います

1

Driver blocks Simulink Model

1

2

2

Dialog Fields

3

3

4

Connect to real-time application

ビルドボタンを押してコード生成およびビルドを行いますビルド後、アプリケーションは自動的にダウンロードされ、すぐに実行可能な環境が整います

4

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RCPテスト環境の実行手順 (モーター制御用RCP)

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Simulink Real-Timeの信号のモニタリング方法

Simulink Real-Time Explorer

Instrument パネル等を利用してモニタリング環境を作成

Simulation Data Inspector

Simulink標準の信号ビューワーへストリーミング

MATLAB

コマンドラインで信号を取得 & カスタムGUIとして統合

tg = slrt;sid = getsignalid(tg, 'Gain1');getsignal(tg, sid)

ターゲットディスプレイ

ハードウェアから汎用VGAディスプレイに直接表示

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Simulink Real-Timeの信号のロギング

File Scopeを使ったHDDへのロギング

専用Scopeブロックで指定した信号をHDD/RAMに保存

Simulation Data Inspectorでのデータのエクスポート

Simulation Data InspectorでモニタリングしたデータをワークスペースやMATファイルに保存

※ ホストPCの処理負荷が大きい場合や高サンプリングでのロギングした場合にデータが欠落する場合があります

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Simulation Data Inspectorによるデータモニタ/ロギング

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パラメータのオンラインでのチューニング

RCPテスト中にSimulink Real-Time Explorerからパラメータの変更が可能です– [Applications]ペーン → [Model Hierarchy] → 右クリック[View Block Parameters]

表示するパラメータのフィルタリングもできます

ハードウェアから値を取得

ハードウェアへ値を送信

パラメータの設定

よく利用するパラメータはリストとして別ファイルで管理

– グループ作成: [Groupings] → 右クリック[New Parameter Group]

登録先を指定

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RCPハードウェアでのテストシグナルの作成

Simulinkの標準ブロックを使ったテスト信号の作成・入力が可能です– Inportブロック

トップレイヤに配置することでワークスペースの時系列データをアサインできます

– 各種Sourceブロック

Simulink Test™のTest Sequenceブロックで動的なテスト信号を作成できます

2秒まで傾き1の単調増加

3になれば、傾き6の単調減少

2秒以降gearが3になるまで傾き2の単調増加

外部信号

処理内容シーケンスの遷移条件

遷移先のシーケンス

テスト信号

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アジェンダ - ラピッドコントロールプロトタイピング(RCP)による制御アルゴリズムのテスト -

RCP環境の構築例– モデルのビルド・実行の基本的な手順

– 信号のモニタリング/ロギングとパラメータのチューニング

– テスト信号の入力方法

専用ハードウェアSpeedgoatの紹介– ハードウェアのバリエーション

– サポートしている主なIOと通信プロトコル

FPGAボードへのアルゴリズムの実装– FPGAボードの活用ケース

– FPGA実装のワークフローの紹介

まとめ

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Simulink Real-Timeの実行用プラットフォーム Speedgoat

MathWorks/Speedgoatの2社体制でソリューションを提供

– MathWorks: ソフトウェア (Simulink Real-Time) の開発

– Speedgoat: ハードウェア (Speedgoat) の開発

MathWorksのグループ企業 (本社: スイス・ベルン)

Simulink Real-Time向け筐体・IOボードの開発に特化

MathWorks Speedgoat Your Hardware/Systems

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Speedgoatのハードウェアバリエーション

Performance Mobile Baseline

プロセッサ Intel Core i7 3.5GHz (4 core)

メモリ/HDD 4GB / 64GB-SSD

用途/特徴

プロセッサ Intel Core i7 2.5GHz (2 core)

メモリ/HDD 4GB / 64GB-SSD

用途/特徴

プロセッサ Intel Quad Core 2GHz

メモリ/HDD 4GB / 64GB-SSD

用途/特徴

• 小型のエントリーモデル• RCP用途 (バイパス開発)• コンパクトなハードウェア構成

19cm(幅)×19cm(奥行)×8cm(高さ)(拡張スロット無しの場合のサイズの目安)

• フィールド・車載テスト向けハードウェア• RCP用途• 省スペース/CPUパフォーマンスのバランス型• ファンレス仕様

• ラボ向け据え置き型筐体• HIL/RCP用途• ハイスペックなプロセッサを活用して

演算負荷の大きいプラントモデルを実行

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I/Oについて

Analog A/D, D/A, frame support

Digital TTL, LVCMOS, LVDS, RS422, RS485

Pulse Train PWM生成・キャプチャ、割り込み, negation

Encodersアブソリュートエンコーダおよびインクリメンタルエンコーダの測定/シミュレーション(quadrature および SSI), EnDAT 2.2, SSI2, SPI, BiSS エンコーダの測定

Video USB (Webcams), CameraLink

LVDT/RVDT,Synchro/ Resolver

LVDT, RVDT, シンクロ, およびレゾルバの測定/シミュレーション

Shared Memory シェアード/リフレクティブメモリ

Fault Insertion 故障挿入のための電気機械式もしくは半導体スイッチ

Temperature 熱伝対, 測温抵抗体 (RTD), NTCサーミスタの計測/シミュレーション

Strain, Pressure ひずみゲージ, 圧力センサの測定/シミュレーション

Accelerometers アンプ内蔵型加速度センサ (IEPE/ICP) の測定

Resistors 抵抗器, ポテンショメータ, リードリレー (SPDT, DPST, SPST) のシミュレーション

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産業オートメーション

Profinet Controller (Master) Profinet Device (Slave)

Modbus/TCP Client (Master) Modbus/TCP Server (Slave) Modbus RTU

Profibus Master Profibus Slave

EtherCAT Master EtherCAT Slave

EtherNet/IP Scanner EtherNet/IP Adapter

POWERLINK Controlled Node (Slave)

自動車

XCP Master/Slave (CANape/INCA)

CAN / SAE J1939 LIN 2.1

FlexRay

Cam / Crank

航空宇宙

ARINC 429

ARINC 629

ARINC 664P7/AFDX

MIL-STD-1553

一般的な製品開発

Serial RS232, RS422, RS485, SDLC, HDLC

UDP / TCP

CAN / SAE J1939

SPI Master and Slave I2C Master and Slave

Shared/reflective memory(ScramNet GT / 5565PIORC)

IRIG with GPS Precision Time Protocol (PTP)

サポートしている主な通信プロトコル

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アジェンダ - ラピッドコントロールプロトタイピング(RCP)による制御アルゴリズムのテスト -

RCP環境の構築例– モデルのビルド・実行の基本的な手順

– 信号のモニタリング/ロギングとパラメータのチューニング

– テスト信号の入力方法

専用ハードウェアSpeedgoatの紹介– ハードウェアのバリエーション

– サポートしている主なIOと通信プロトコル

FPGAボードへのアルゴリズムの実装– FPGAボードの活用ケース

– FPGA実装のワークフローの紹介

まとめ

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FPGA-based I/O Modules主なIOボードの種類

IO342 - PCIe

- Xilinx Kintex UltraScale FPGA (1450k)

- 5520 DSP slices- 8 GB DDR4 RAM- Two FMC slots

IO333 – XMC

- Xilinx Kintex-7 FPGA (325k or 410k)

- Flexible front I/O connectivity - front SFP cages e.g. for Xilinx

Aurora or 10Gbe UDP communication

IO397 - mPCIe

- Xilinx Artix-7 (50k)- 4x ADC- 4x DAC- 14x TTL, configurable

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Speedgoat FPGAベース I/O モジュールFPGAボードの2種類の利用方法

1. Configurable FPGA I/O Modules:

Speedgoat社がIOドライバを提供

PWM 生成およびキャプチャ

インクリメンタル/アブソリュートエンコーダ

SPI / I2C 通信

..etc

IO設定ファイルを変更するだけでI/Oの切り替えが可能

2. Programmable FPGA I/O Modules:

HDL Coderを利用するアプローチ

ユーザーがFPGAモジュールをプログラミング

ユーザー独自のIOドライバ作成

モデルのアルゴリズムの部分もFPGA上で高速実行したいケースで利用

100 kHz

and more

モデルの実行は通常のプロセッサで演算します

(サンプル時間: ~20kHz程度)

高速実行が必要なサブシステムを

FPGA上で演算します(サンプル時間: 100kHz~)

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フレキシブルなI/Oモジュールとしての運用 - Configurable FPGA I/O Modules -

I/O設定用MATファイルを指定によりIOの仕様を切り替えが可能です– I/O設定用MATファイルはお客様の要求仕様をベースにSpeedgoat社が作成します

– HDL CoderおよびXilinxのツールチェーンは不要です

<入出力設定A> <入出力設定B>

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Configurable I/O Modules

I/O module Functionality Rear I/O lines Form factor

IO306, 25k 64 x TTL none PMC

IO307, 25k 32 x TTL, 16 x RS422 none PMC

IO316, 45k, 100k 64 x TTL 64 x LVCMOS or 32 LVDS3x MGTSelectable rear plug-ins

XMC

IO317,45k, 100k 32 x TTL, 16 x RS422 64 x LVCMOS or 32 LVDS3x MGTSelectable rear plug-ins

XMC

IO318, 45k, 100k 32 x RS422 64 x LVCMOS or 32 LVDS3x MGTSelectable rear plug-ins

XMC

IO322, 45k 32 x TTL, 16 x RS422 64 x LVCMOS or 32 LVDS3x MGTSelectable rear plug-ins

XMC

IO381, 44k 26 x TTL none mPCIe

IO383, 44k 14 x TTL and 6 x RS422 none mPCIe

IO33Xrear plug-ins

I/O functionality

IO33X-21 Converts rear I/O lines from LVCMOS to 3.3V/5V TTL

IO33X-22 Converts the rear I/O lines from LVCMOS to RS422, RS485 and 3.3V/5V TTL

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HDL Coder™を活用することで高速演算を必要とするシステムをFPGAで処理できます– ユーザー独自のデバイスドライバの作成

– プロセッサでの処理では演算が間に合わないMHzオーダーの高速演算への適用

アルゴリズム実行の高速化手段としての運用 - Programmable FPGA I/O Modules -

① モデルもしくは既存のnetlistを利用してFPGAモジュール(インターフェイス)を生成

② 生成したFPGAモジュールと

プロセッサ演算側のモデルと接続③ ブロック全体をまとめてビルド&

ターゲットへダウンロード

<プロセッサ側処理部>

<FPGA側処理部>

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CPU+FPGAモデルの作成&実装

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Programmable FPGA I/O modules

I/Omodule

FPGA Front I/O Rear digital I/O

IO323 Spartan 6, 100K 32 x TTL, 16 x RS422 64 x LVCMOS or 32 LVDS3x MGTSelectable rear plug-ins

IO331 Spartan 6, 150K -1 to -8 front plug-ins 64 x LVCMOSMGTSelectable rear plug-ins

IO333 Kintex 7,Up to 410K

-1 to -8 front plug-ins- SFPs

64 x LVCMOS8x MGTSelectable rear plug-ins

IO335 Kintex 7, 325K 24 x 5 MHz ADC, +/- 5V03 x LVDS

64 x LVCMOSMGTSelectable rear plug-ins

IO342 Kintex Ultrascale, 1.45K

Selectable plug-ins- SFPs

Selectable plug-insMGT

IO397 Artix 7, 50K 4 x AD, 4 x DA, 14 xTTL

none

IO33Xfront plug-ins

I/O functionality

IO33X-1 64 x digital TTL (3.3V/5V) I/O front I/O lines

IO33X-1LV 64 x digital LVCMOS (2.5V)/ LVTTL (3.3V) front I/O lines

IO33X-2 30 x RS485 (RS422 compliant) front I/O lines

IO33X-3 16 x CMOS (5V) and 22 RS485 (RS422 compliant) front I/O lines

IO33X-4 30 x LVDS I/O lines

IO33X-5 2 x 16-bit 105 MHz differential simultaneous analog inputs

IO33X-6 16 x 16-bit 500kHz ADs, 8 x 16-bit DAs with 10us settling time, 16 x digital TTL I/O lines

IO33X-7 16 x 16-bit analog outputs with 2us settling time, +/- 10V

IO33X-8 8 x 16-bit analog outputs with 2us settling time, +/- 10V

IO33X rear conditioning modules

I/O functionality

IO33X-21 Converts rear I/O lines from LVCMOS to 3.3V/5V TTL

IO33X-22 Converts the rear I/O lines from LVCMOS to RS422, RS485 and 3.3V/5V TTL

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アジェンダ - ラピッドコントロールプロトタイピング(RCP)による制御アルゴリズムのテスト -

RCP環境の構築例– モデルのビルド・実行の基本的な手順

– 信号のモニタリング/ロギングとパラメータのチューニング

– テスト信号の入力方法

専用ハードウェアSpeedgoatの紹介– ハードウェアのバリエーション

– サポートしている主なIOと通信プロトコル

FPGAボードへのアルゴリズムの実装– FPGAボードの活用ケース

– FPGA実装のワークフローの紹介

まとめ

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MathWorksのツールチェーンでシンプルにRCP環境を構築できます

様々なツールの互換性を気にせず、Simulinkをベースにスムーズに実機テストを行えます

MATLAB&Simulinkの最新機能といち早く連携が可能です

MATLAB Coder

HDL Coder

Simulink Real-Timeの標準機能

専用HW Speedgoat (プロセッサボード+IOボード)

FPGA搭載IOボード

MATLAB&Simulink およびSLRT Explorer

(Simulink Real-Time付属の測定/適合用GUI)

Simulink Test(テストシナリオ作成・管理用オプション)

SimulinkMATLAB

データモニタリング・パラメータ適合

モデルのリアルタイム実行

他社製適合ツールおよびユーザー独自アプリケーション

Simulink Coder

モデリング

Simscape

Powertrain Blockset

Stateflow

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ご興味のあるお客様は是非MathWorksにお問い合わせ下さい

環境構築のご検討の際にはMathWorksにご相談下さい シミュレーションだけでなく、実機テストフェーズでも

MATLAB&Simulinkを是非ご活用下さい!

<お問い合わせ先>御社営業担当 または MathWorksウェブサイトhttp://jp.mathworks.com/company/aboutus/contact_us/index.html

MATLAB&Simulinkはじめ各種ツール:

トライアルライセンス(1ヶ月)でご評価いただけます

Simulink Real-Time:

評価用ハードウェアのお貸し出しが可能です

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