CN0584

ハードウェア・イン・ザ・ループ

CN0584は、高価な、複雑な、あるいはまだ開発されていないハードウェアのHILエミュレーションを用いて、制御システムの開発およびテスト・プロセスを簡素化し、加速します。図2は、CN0584キットを用いた代表的なHILのセットアップを示すハイレベル・ブロック図です。

テスト対象デバイス（DUT）である電子制御ユニット（ECU）は、制御しているデバイスからのアナログ帰還入力に基づきデジタル出力信号を生成するコントローラです。CN0584はFPGAボードにロードされているカスタムのハードウェア記述言語（HDL）でデバイスをエミュレートし、現実的な性能をリアルタイムでシミュレーションします。

CN0584を用いて実行できるHILシミュレーションの一例は、3相モータ・コントローラの負荷をエミュレートすることです。モータの動作は、まずSimulink^®に記述されます。これを用いることで、CN0584 HDLテンプレートに統合できるHDLモジュールを生成します。

この例を図2に適用すると、ECUはパルス幅変調（PWM）制御信号を生成し、この信号に対しアナログ・フロント・エンド・ボードの3つのチャンネルによってコンディショニングが行われ、データ・アクイジションと信号発生ボードのADCによってデジタル化されます。HDLハードウェア・モデルは、これらの入力に基づき、モデリング対象のモータの電流量、速度、慣性、位置などのパラメータをシミュレーションします。これらのパラメータは、アナログ信号に変換され、ECUに戻されます。その後ECUはループを閉じてこの帰還信号に基づき出力PWM信号を調整します。

ECUは、公称動作条件、コーナ・ケース（例えば最大および最小のモータ負荷）、様々な不具合モードなどについて短時間で評価され、その各々は、関連コストが追加されたり物理的ハードウェアが損傷したりすることなく、シミュレーションに手早く組み込むことができます。

アナログ測定と信号発生

入力電圧レンジ

CN0584はデフォルトで、±10Vのアナログ入力電圧レンジに対応します。その他の入力レンジは±5V、±4.096V、±2.5V、±1.5Vで、これらはハードウェアにより選択できます。

アナログ入力保護

CN0584は、ADG5421F高電圧デュアル単極単投（SPST）スイッチを用いて4つのADCチャンネルおよびDACチャンネルすべてにアナログ入力保護機能を備えており、最大±60Vの過電圧保護を行います。この保護は、高電圧信号が存在する可能性があるHILアプリケーションで特に重要です。また、この保護により、ユーザは、誤配線や不適切な接続を心配することなく、セットアップを適応させたり変更したりできます。

ADG5421Fは、+15Vおよび−15Vの電源レールで給電され、S1ピンまたはS2ピンのどちらかがこれらの電圧レベルをVT（0.7V）だけ超えた場合、スイッチは自動的にオフになります。ADCの場合、これらのピンは作動入力ポートに接続されます。DACの場合はこれらのピンは2つのDACチャンネル出力ポートに接続されます。

また、ADG5421Fにはフォルト・フラグ（FF）もあり、これはCN0585に伝送され、MAX7301シリアル・ペリフェラル・インターフェース（SPI）、28ポートI/Oエキスパンダによって読み出されます。このエキスパンダのSPIポートはFMCのコネクタに接続されFPGAボードで読み出されます。通常動作ではFFピンはハイにプルアップされています。ただし、過電圧状態が検出されると、FFピンはローにプルダウンされてフォルトが発生したことを通知します。

出力電圧レンジ

CN0584はデフォルトで、±10Vのアナログ出力電圧レンジに対応します。その他の出力レンジは±5V、0V～+2.5V、0V～+5V、0V～+10Vで、これらはハードウェアにより選択できます。なお、レジスタ設定は、提供されたソフトウェア・インターフェースを用いて制御され、これらの出力レンジの変更が生じた場合にはこの設定も更新する必要がある点に注意してください。

システム性能

遅延

図3に、CN0584の遅延を測定するために用いたテスト・セットアップを示します。FPGAを用いて1MHzのパルス・サイン波がメモリから生成され、1つのDAC出力チャンネルに送られます。このDAC出力は、外付けのオシロスコープでモニタされ、サブミニチュア・バージョンA（SMA）ケーブルを介していずれかのADCチャンネルへの入力として帰還されます。このADCチャンネルでは対応するDACチャンネルへの入力信号として用いられます。このDACチャンネルの出力が同じオシロスコープを用いて測定され、ADC入力パス、FPGAボード、DAC出力パスを通じた信号遅延の測定が可能になります。

図4に、CN0584の出力の遅延とセトリング・タイムのオシロスコープ画像を示します。CN0584のDAC出力をADC入力モードに設定し、パルスをいずれかのADCチャンネル入力に印加して、対応するDACチャンネルの出力をモニタしたものです。入力信号が測定されてからDAC出力信号が立上がり始めるまでの遅延は、約250nsです。この遅延のうち50nsは内蔵FPGAのデータ処理が原因で、残りの200nsの遅延はADCのデータ取得とDAC更新に起因します。

アナログ入力性能

CN0584のアナログ入力アクイジション・パスは、非常に高いスプリアスフリー・ダイナミック・レンジ（SFDR）を示します。図5に、1kHzで±10Vのサイン波信号を入力し、サンプリング・レートを15MSPSとした場合のADCデータについて、16,000ポイントのFFTを示します。CN0584は105dBのSFDRを実現し、3次高調波が支配的となっています。その他のスプリアスはすべて、7.5MHzの入力周波数範囲全域にわたり120dBc未満です。

図6に、同じスペクトル・プロットの周波数範囲を1MHzまで拡張したものを示します。−120dBmを上回るその他の高調波やスプリアスは存在しないことが示されています。

図7に、ADCの入力周波数応答を示します。

出力フィルタリング

各DAC出力には、ローパス・フィルタがあります。図8に、ADC出力をDAC入力として用い7.5MHzまで測定した場合のフィルタの周波数応答を示します。

図9に、理想的な波形をソフトウェアで生成し、循環バッファにロードしてDACに書き込んだ場合の、出力パスの周波数応答を示します。このグラフでは、サンプルをFPGAに送り再度戻す必要のある完全なループバック測定の場合と比べ、低遅延であるためにわずかに減衰が小さくなっています。

電源アーキテクチャ

CN0584の電力はすべて、AFEコネクタを通じてCN0585によって供給されます。

CN0584は+15Vと−15Vのレールを用いてADG5421F入力保護スイッチに正負の電源電圧を供給します。+12Vおよび−12Vのレールは、ADA4898-1 ADCバッファ・アンプに正負の電源電圧を供給します。+3.3VのレールはEEPROM回路に給電します。

ソフトウェアの概要

Python

CN0584は、pyADI-IIOライブラリを用いてPythonとインターフェースでき、それによって、デバイス設定、ADCからの入力サンプルのキャプチャ、DACによって送信される波形の生成を行うことができます。その後、出力波形はADCのデータに基づき前処理または後処理が可能であるため、ユーザは制御ループや他のハードウェアのシミュレーションを手早く簡単に実行できます。任意波形をPythonで生成しDAC出力に書き込む例を図10に示します。この例は、ピークtoピーク電圧が±10Vで5kHzのサイン波の生成を示すものですが、任意の波形を生成できます。例えば、HILのセットアップに対し、減衰のあるサイン波のチャープ波形、ノイズ波形、あるいは歪み波形を生成して、欠陥のあるハードウェアをシミュレーションできます。

図11に、測定した入力波形を解析用に示します。これは図10で生成したサイン波をプロットしたものです。ADCから読み出したサンプルは、制御ループ、ハードウェア・エミュレーション、あるいはその他必要な帰還システムを実装しているユーザ実装Pythonアルゴリズムへの入力として処理し使用できます。

MATLABおよびSimulink

MATLAB^®を使用してもCN0584とインターフェースすることができ、High Speed Converter Toolboxを使用して、上述のPythonについての説明とほとんど同じ機能セットが利用できます。これに加え、Simulink^®を用いると、CN0584を使ってFPGAに読み込みリアルタイムで実行できる、カスタムHDLモデルを作成できます。また、既存のSimulinkモデルやカスタム・アルゴリズムを使用して制御システムを実装し、測定した信号にデジタル信号処理（DSP）を施したりハードウェア機能をエミュレートしたりできます。受信モードと送信モードの両方に挿入したSimulinkモデルのCN0584のブロック図における配置を、図12に示します。これは、ADCサンプルがHDLモデルを通じて渡されメモリに保存されること、また、DACサンプルがHDLモデルを通じて渡されCN0584に出力されることを意味します。HDLモデルは、ADC入力にのみアクセスできる受信専用モード、またはDAC出力にのみアクセスできる送信専用モードに挿入することもできます。

挿入されたどの受信信号パスモデルについても、その変更されたサンプルには、PythonまたはMATLAB^®を用いてアクセスしたり、IIO Oscilloscopeソフトウェアを用いて表示したりできます。