QuanserIOシステム QPID/QPIDe
Windows対応リアルタイムシステム

RCPシステムQUARC

  1. 概要
  2. Immediate I/OとTimeBase I/O
  3. QPID/QPIDeのパフォーマンス
  4. QPID/QPIDeのスペック



QPIDeQPID

QPID/QPIDe Terminal Board

QPID/QPIDeは超高速の変換時間と同時サンプリング機能を持ち、研究開発や検査部門などにおける 複雑な制御に最適なHILS(Hardware-in-the-Loop)コントロールボードです。

QPID/QPIDeはPCI/PCIeベースのデータ収集ボードで、リアルタイム性に優れ多その機能は 特にRCP(rapid control prototyping)に最適です。

QPID/QPIDeはRIOテクノロジーをベースに、 LabVIEWや MATLABと一緒に使う事で信号を素早く とらえることが可能です。
QPIDeはPCIExpressを使い速い周波数でメモリにデータを転送します。

QPID/QPIDeは広いレンジの入出力を持ち、アナログやデジタルからエンコーダまで一枚の ボードでカバーします。
SimulinkブロックセットからAPIで C, C++, ActiveX, .NET, LabVIEW 等と一緒に使用することが可能です。

Immediate I/OとTimeBase I/O

Immediate I/O
Immediate I/Oは基本的には通常のIOアクセスと同じです。
クロックはWindowsのクロックを使っており、IOの取り込み そのもののリアルタイム性は確保されません。

一般的には2msecより遅いサンプリングで使用されます。
Immediate I/Oとジッタ
Immediate I/Oは基本的には通常のIOアクセスと同じです。
クロックはWindowsのクロックを使っており、 IOの取り込みそのもののリアルタイム性は確保されません。

一般的には2msecより遅いサンプリングで使用されます。


TimeBase I/O
TimeBase I/Oはクロックはドライバーを介してハードウエア上のカウンタークロックを使っており、IOの取り込みそのもののリアルタイム性は確保されます。

ただし、モデル演算はWindows上で行っております。 取り込んだデータの時間精度はバッファに保たれているので保証されますが、モデル演算は依然としてWindows上の為、 HILSとしての制御周期には注意が必要です。 
TimeBaseI/Oとジッタ
TimeBase I/Oはクロックはドライバーを介してハードウエア上のカウンタークロックを使っており  IOの取り込みそのもののリアルタイム性は確保されます。
ただこの場合 モデル演算はWindows 上で 行っており取り込んだデータの時間精度はバッファに保たれているので保証できますが モデル演算は 依然としてWindows上の為HILSとしての制御周期には注意が必要です。

QPID/QPIDeのパフォーマンス
QPID/QPIDeをHILS(Hardware-in-the-Loop)やRCP(rapid control prototyping)でお使い頂く 場合はTimeBaseモードを使用します。

TimeBaseはハードウエアクロック(FPGA)で 固定ステップの時間管理を行いますので、サンプリングタイミングによる時間遅れ(ジッタ)が ほとんどありません。
この機能はハイスペックなHILSシステムと同等で、PWMやエンコーダ等の 速いサンプリングと正確な時間ステップが必要なアプリケーションに最適です。

4CHのアナログ信号のD/A出力
4CHのアナログ信号のD/A出力結果
QPID/QPIDeのアナログ信号ブロックを使い周期1msecでON/OFFを繰り返すモデルを使い、 QPID/QPIDeのD/A出力からの波形をオシロスコープで観測したものです。

オシロスコープの 1divisionが250μsecまでは立ち上がり、立下り共、ほとんど遅れはありません。

1divisionが 500nsecになると2CH毎に約1μsecの遅れが観測されます。
この遅れはモデル周期1msecに対し、 リアルタイム性としては全く問題のないレベルです。

8CHのアナログ出力を2CH毎にD/A出力結果
上記と同じく周期1msecでON/OFFを繰り返すモデルを使い、8CHのD/A出力を2CHごとにオシロスコープで 観測したものです。

今回はオシロスコープの1divisionを1μsecに設定しました。
2CH毎に規則正しく 約1μsecの遅れで出力されている事が確認できます。

HILSを構成する際にこのような特性を把握して おく事でリアルタイム性の高いシステムが構築できます。

デジタルIOの出力結果
QPID/QPIDeのデジタル信号発生ブロックを使った1msecの周期でON/OFFを繰り返すモデルにて、1CHの立ち上がりをオシロスコープを使って観測したものです。

それぞれ1msec/Divから50nsec/Div までの結果を表示していますが、デジタル信号発生ブロックを使うと50nsec/Divでも立ち上がりは高い精度で保証されている事が判ります。

キャリア周波数1kHzでDutyを変更
QPID/QPIDeのPWM信号発生ブロックを使用してPWM信号を発生させ、その結果をオシロスコープで観測したものです。

PWMのDutyは20% 50% 80%を予めモデルで設定しています。
キャリア周波数は1KHzです。
PWM信号の立ち上がりを拡大して表示していますが、1KHzでは全く問題の無い綺麗な信号となっています。

キャリア周波数1MHzでDutyを変更
上記と同じくPMW信号発生ブロックを使い同じ条件でキャリア周波数を1MHzにしたものです。

PWMの立ち上がり信号を拡大しますと、ほんの少しオーバーシュートはありますが、実用には全く 問題が無いレベルである事が判ります。

キャリア周波数10MHzでDutyを変更
同じくPMW信号発生ブロックを使い、同じ条件でキャリア周波数を10MHzにしたものです。

この場合はPWMのDutyが20%、50%、80%いずれの場合も矩形波からかなりの崩れが確認できます。

PWMの立ち上がり信号の拡大したものを見ると ほとんど45度近くになっておりこのレベルでは 実用としてはかなり厳しい事が判ります。

ここではQPID/QPIDeのPWM信号と位相制御を、それぞれ100μsec、10μsec、1μsecのシフトタイムで発生させたものをオシロスコープで観測しております。
何れの場合もきちんと制御されており、リアルタイムベースのシステム構成には充分にお使い頂けるレベルです。



QPID/QPIDeは、下記のIOが一枚のボードに搭載されます。

アナログ Input :8 / Output:8
デジタル    :56 (Input/Output)
PWM       :8 チャンネル
エンコーダ   :8 (Input/4X Quadeature)

この構成を基本に何枚でも同時に使用できます。

複数のボードを使用する場合に、一枚のQPID/QPIDeボードの中であれば上記の仕様は満足されますが、例えばPWMを8CH以上使用する場合になりますと、ボード間のデータ転送にはPCIもしくはPCIExpressの時間遅れの考慮が必要となります。

また 通常モデルはCPUに置かれますので、複数のボードを使用する場合はボードごとにサブシステムを作成するなどの配慮が必要です。

QPID/QPIDeのスペック

QPID/QPIDeの詳しいスペックを下記からご確認いただけます(英文です)

Features
  • Optimized for real-time control performance with proven real-time targets or custom code
  • PCI (QPID) and PCIe (QPIDe) versions available
  • No expensive or inflexible DSP used, all processing via CPU
  • Quick-connect terminal board and cabling provided
  • Robust metal terminal board case
  • Programmable counters and watchdog timer for maximum safety and flexibility
  • Hardware-measured encoder velocities
  • Simultaneous sampling of ADCs, PWM channels, encoders and 32-bit groups of digital inputs
  • Simultaneous update of 32-bit groups of digital outputs, and pairs of Data Aquisition Boards
  • Fuse-protected terminal board with LED status
  • Fuse monitoring with watchdog and interrupt capability
  • Multi-board synchronization
  • External ADC triggering support
  • Multiple OS compatibility: WindowsR XP, WindowsR Vista, WindowsR 7
  • Interrupt triggering from 8 digital inputs, encoder index pulses, configurable thresholds on 4 analog inputs, PWM period, watchdog expiry, fuse stake, RTSI trigger, and 1 dedicated external inturrupt input
System Requirements
QPID
  • PCI Slot x1 (board is 0.17 m x 0.11 m)
QPIDe
  • PCIe x1 Slot (board is 0.17 m x 0.11 m)
  • Standard ATX peripheral power connector
I/O Summary
QPID
  • 8 ADCs
  • 8 DACs
  • 8 encoder inputs with 1X velocities
  • 8 PWM
  • 56 DIO
  • SPI
QPIDe
  • 8 ADCs
  • 8 DACs
  • 8 encoder inputs with 4X velocities
  • 8 PWM
  • 56 DIO
  • SPI
ANALOG INPUTS
Analog Input Specifications QPID QPIDe
Number of channels 8 8
Resolution 16-bit 16-bit
Input signal range ± 10 V ± 10 V
Conversion time 4 µs 4 µs
Input impedance 10 GΩ in parallel with 100 pF 10 GΩ in parallel with 100 pF
Input bias current ± 2 nA ± 5 nA
Input offset current ± 1 nA ± 5 nA
Integral non-linearity (INL) ± 6 LSB max ± 3 LSB max
Differential non-linearity (DNL) -1 to +2 LSB max ± 0.9 LSB max
Absolute accuracy at full scale ± 7.78 mV ± 3.97 mV
Table 2: QPID/QPIDe Analog Input Specifications

ANALOG OUTPUTS
Analog Output Specifications QPID QPIDe
Number of channels 8 8
Resolution 16-bit 16-bit
Output signal range ± 10 V ± 10 V
Conversion time 1 µs 1 µs
Slew rate 10 V/µs 10 V/µs
Output impedance 1.25 Ω 0.5 Ω
Drive current ± 2.5 mA ± 2.5 mA
Integral non-linearity (INL) ± 4 LSB max ± 4 LSB max
Differential non-linearity (DNL) ± 1 LSB max ± 1 LSB max
Absolute accuracy at full scale ± 5.88 mV ± 5.88 mV
Noise (DC to 1 MHz) 150 µV rms 150 µV rms
Table 3: QPID/QPIDe Analog Output Specifications

Features
  • Known state on power-up or reset
  • Configurable state on watchdog expiry
  • Configurable as bipolar PWM
ENCODER INPUT COUNTERS
Encoder Input Specifications QPID / QPIDe
Quadrature encoder input channels 8
Encoder counter size 24-bit
Max. A and B frequency in quadrature 10 MHz
Max. A and B frequency in quadrature with filtering 5 MHz
Max. count frequency in 4X quadrature 40 MHz
Max. count frequency in 4X quadrature with filtering 20 MHz
Max. count frequency in non-quadrature 20 MHz
Low-level input voltage 0 V min
0.8 V max
High-level input voltage 2.0 V min
5.5 V max
Input leakage current ± 10 µA
Table 8: QPID/QPIDe Encoder Input Specifications

Features
  • Simultaneous Sampling
  • QPID: Hardware 1X quadrature velocities single-ended inputs
  • QPIDe: Hardware 4X quadrature velocities single-ended inputs
  • Non quadrature (count/direction) and 4X quadrature modes
  • Individually programmable count and index modes, and filter clocks
DIGITAL I/O
Digital Input Specifications QPID / QPIDe
Number of digital I/O lines 56
Low-level input voltage 0 V min
0.8 V max
High-level input voltage 2.0 V min
5.5 V max
Input leakage current ± 10 µA
Table 4: QPID/QPIDe Digital Input Specifications

Digital Output Specifications QPID / QPIDe
Number of digital I/O lines 56
Low-level output voltage 0 V min
0.4 V max
High-level output voltage 2.4 V min
3.3 V max
Drive current ± 4 mA
Table 5: QPID/QPIDe Digital Output Specifications

Featur es
  • Known state on power-up or reset
  • Individually software programmable
  • Configurable state on watchdog expiry
GENERAL PURPOSE COUNTER-TIMERS
Counter Timer Specifications QPID / QPIDe
General purpose 16-bit counter-timers 2
16-bit counter timers resolution 800 ns
General purpose 24-bit counter timers 2
24-bit counter timers resolution 25 ns
Table 6: QPID/QPIDe Counter Timer Specifications

  • Number of 16-bit counter-timers : 2
  • Timer Resolution : 800 ns
  • Number of 32-bit counter-timers : 2
  • Timer Resolution : 25 ns
Featur es
  • One counter configurable as watchdog timer
  • Trigger ADC conversions
  • Special pin outputs
  • Software enabling/disabling
WATCHDOG TIMERS
Featur es
  • Software enabling/disabling
  • Configurable control of analog, PWM, and digital output states
PWM OUTPUTS
PWM Output Specifications QPID / QPIDe
User programmable PWM outputs 8
Low-level output voltage 0 V min
0.4 V max
High-level output voltage 2.4 V min
3.3 V max
Drive current ± 4 mA
Minimum frequency 9.5367 Hz
Maximum frequency 20 MHz
Bits resolution 16 bits†
Table 9: QPID/QPIDe PWM Output Specifications
This is dependent on the frequency selected for the PWM

Featur es
  • Leading, centered, or t railing edge alignment
  • Duty cycle, f requency, period, one-shot, and time modes
  • Polarity control
  • Unipolar, bipolar, paired and complementary configurations with deadband controls
  • Configurable state on watchdog expiry
SPI
SPI Specifications QPID / QPIDe
SPI word length 1 to 32 bits
SPI data rate Up to 10 MHz
Table 7: QPID/QPIDe SPI Specifications

Featur es
  • Configurable polarity and phase
  • Configurable bit width between 1 and 32 bits
  • Integrated into the Stream API
SOFTWARE SUPPORT
Target Support
  • Quanser QUARC for Windows
  • National Instruments LabVIEW
OS Drivers
  • Microsoft Windows XP
  • Windows Vista
  • Windows 7
API
  • C
  • C++
  • ActiveX
  • .NET (VB, C#, C++ and others)
  • LabVIEW
  • MATLAB


お問い合わせ先
株式会社 NEAT
愛知県名古屋市千種区池下1-11-21
TEL:052-764-3311FAX:052-764-3632

Quanser Inc.
119 Spy Court Markham, Ontario L3R 5H6 Canada
Phone:+1 905 940 3575 Fax:+1 905 940 3576

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リアルタイムシミュレータ
EMTP-RV
モデルベース開発
RCPシステム/ロボット
データ収録装置
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