הגדרת תצורה מהירה של מתקני אוטומציה תעשייתית באמצעות ניפוי-באגים מרחוק של מיקרו-בקרים

מתקני אוטומציה תעשייתית מגדילים את השימוש במחשבי לוח-יחיד (SBC) מבוססי מיקרו-בקרים לבקרה על פעולות המתקנים במטרה להגביר את היעילות ולשפר את הפרודוקטיביות. לעיתים קרובות ה- SBC המשמשים הם שילוב של SBC מן-המדף עם קושחה ניתנת-להגדרה, ו- SBC מותאם-במיוחד עם קושחה מותאמת-במיוחד. עם זאת, עבור מתקנים תעשייתיים חדשים, או למתקנים קיימים שזה עתה עברו שינוי תצורה, ייתכן ויהיה צורך לשנות את קושחת ה- SBC כדי לשפר את הפעולות או לתקן באגי קוד.

מאמר זה ידון בתפקידם של מחשבי SBC‏ ומדוע ניפוי באגים מרחוק הופך לחשוב יותר ויותר בסביבות תעשייתיות. לאחר מכן הוא יציג ניפוי באגים מרחוק ותוכנות נלוות מבית MikroElektronika ויסביר כיצד ניתן לחבר אותם לרשת Wi-Fi כדי לנפות באגים מרחוק במיקרו-בקרים ®ARM‏ במרבית מחשבי SBC‏.

מחשבי-לוח-יחיד (SBC) במחשבים תעשייתיים

מתקני אוטומציה תעשייתיים מודרניים נתונים תחת הלחץ להגדיל את הפרודוקטיביות על ידי ניהול תהליכים טוב יותר באמצעות דיוק רב יותר. זה יכול לכלול שימוש בחיישנים ברזולוציה גבוהה כדי לספק נתונים מדויקים יותר לקושחת הבקרה. בנוסף, ניתן לשדרג מפעילים (Actuators‏) כגון מנועים וסולנואידים למפעילים שיכולים לנוע באינקרמנטים קטנים בהרבה.

לאחר התקנת חיישנים ומפעילים עם דיוק גבוה יותר ורזולוציה גבוהה יותר, יש לשנות את קושחת הבקרה ב- SBC כדי לנהל התקנים אלה כך שינצלו את הרזולוציה המשופרת. אם לא ניתן לטפל בשדרוג הקושחה על ידי ה- SBC הקיים, יש להתקין SBC חדש. בשני המקרים, הקושחה החדשה תיבדק ותעבור ניפוי באגים על שולחן העבודה לפני שתותקן במתקן התעשייתי. לאחר הבדיקות הראשוניות, המערכת החדשה תופעל.

עם זאת, עבור תהליכים מורכבים יותר, ניפוי באגים ותכנות לא יכול להסתיים שם. פעולה בתוך-המערכת יכולה לחשוף בעיות שלא התגלו במהלך בדיקות קדם-ייצור אלו, ובמקרים רבים הדרך היחידה למטב את הקושחה היא לבצע ניפוי באגים תוך כדי השימוש ב- SBC.

מתקני אוטומציה תעשייתיים חדשים יכולים לעמוד בפני אותן הבעיות. זה נכון במיוחד עבור מערכות עם ביצועים עיליים שבהן יש לכוונן את חוגי בקרת הקושחה כדי לעמוד בדרישות היעילות. ללא תלות באם המתקן התעשייתי הוא חדש או משודרג, זמן ההשבתה הוא יקר ויש לקצר אותו למינימום. המשמעות היא שחייבים לנפות את הבאגים של ה- SBC‏ ולתכנת בתוך-המערכת.

ניפוי באגים של מערכות משובצות תעשייתיות מרחוק

ניפוי באגים ב- SBC המשמשים במערכות תעשייתיות אינו שונה מניפוי באגים בכל מערכת מבוססת מיקרו-בקר. את מנפה הבאגים חייבים לחבר פיזית באמצעות כבל מנקודת-החיבור לניפוי באגים במיקרו-בקר אל המחשב האישי שבו פועלת תוכנת ניפוי הבאגים. לאחר מכן טכנאי במחשב האישי בוחן ומנפה את הבאגים בקושחה תוך כדי פעולה. זה יכול לקחת זמן רב אם יש צורך לבצע ניפוי באגים במספר מחשבי SBC‏ באתר עצמו, שכן הטכנאים צריכים לנסוע למיקום הפיזי של כל SBC. זה יכול להיות קשה עוד יותר אם מחשבי SBC מסוימים נמצאים בסביבות קשות, או במקומות מרוחקים פיזית או לא-נגישים. בנוסף, זה אופייני שרק מספר מצומצם של טכנאים יכיר את הקושחה המותאמת-במיוחד, מה שידרוש מאותם טכנאים לבצע ניפוי באגים במערכות רבות בתוך זמן קצר, תוך סיבוך ועיכוב התהליך.

הפיתרון הוא להשתמש במנפי באגים מרחוק המחוברים פיזית ל- SBC אך בעלי יכולות ניפוי באגים המסופקות על ידי מחשב אישי ברשת הממוקם במקום אחר. ניתן לחבר את מנפה הבאגים המרוחק לנקודת-החיבור לניפוי באגים במיקרו-בקר של ה- SBC כאשר הוא מצידו מחובר לרשת המתקן באמצעות Wi-Fi. ניתן להשתמש במחשב אישי באותה רשת במיקום נוח לגישה לכל אחד ממנפי הבאגים המרוחקים. אזי יש לטכנאי יכולת ניפוי באגים מלאה במחשב האישי המרוחק.

כדי לבצע ניפוי באגים מרחוק זה, המהנדסים יכולים להשתמש ב- CodeGrip מבית Mikroe, משפחה של מנפי באגים מרחוק היכולים להתחבר באמצעות Wi-Fi למחשב אישי מרוחק כדי לתמוך בתכנות וניפוי באגים של מיקרו-בקרי Arm רבים. מנפה-הבאגים Wi-Fi‏ CodeGrip‏ MIKROE-3460‏ יכול לשמש עם מרבית המיקרו-בקרים Arm עם נקודת-חיבור JTAG‏ (איור 1‏). הוא תומך גם בנקודת-החיבור לניפוי באגים בחוט-יחיד ביציאת החוט הטורית (SWO‏) של Arm‏ הקיימת במרבית המיקרו-בקרים Cortex-M3, Cortex-M4 ו- Cortex-M7‏ מבית Arm‏.

איור 1‏: מנפה-הבאגים מרחוק CodeGrip‏ MIKROE-3460 מחובר פיזית לנקודת-החיבור לניפוי באגים JTAG‏ או SWO‏. ניתן לגשת אליו מרחוק באמצעות Wi-Fi כדי לתכנת או לבצע ניפוי באגים בקושחת המיקרו-בקר Arm‏. (מקור התמונה: MikroE‏)

ה- MIKROE-3460 CodeGrip מבית Mikroe‏ מוצב במיקום הפיזי של ה- SBC מבוסס Arm‏. יש לו נקודת-חיבור כדי להתחבר לנקודת-החיבור JTAG‏ או SWO‏ הקיימת על מחבר הלוח. לאחר מכן הוא מחובר זמנית למחשב נייד באמצעות USB על מנת להגדיר תחילה את יחידת CodeGrip עבור המיקרו-בקר שעליו מתבצע ניפוי הבאגים. עבור מערכות עם ביצועים עיליים, יחידת CodeGrip כוללת מחבר USB-C‏. זה שימושי במיוחד במצבים צפופים וחוסך זמן ותסכול, שכן בניגוד למחברי USB קודמים, למחברי USB-C אין כיווניות מעלה או מטה.

המחשב הנייד המחובר ליחידת ה- CodeGrip חייב להריץ את ה- CodeGrip Suite מבית Mikroe כדי להגדיר תחילה את יחידת ה- CodeGrip‏. יחידת CodeGrip מציינת את הסטטוס שלה באמצעות חמש נוריות LED‏ (איור 2‏). הן מספקות מידע סטטוס קריטי לטכנאי שהיחידה פועלת כהלכה מבלי להתחבר למחשב נייד. כאשר הספקת-הכוח תקינה, נורית ה- LED‏ הירוק תידלק. במהלך פעולה רגילה של יחידת ה- CodeGrip נורית ה- LED האדום הפעילה תידלק גם כן. אם נורית ה- LED‏ הירוק דולקת ונורית ה- LED האדום כבויה, זה יכול להצביע על חיבור לקוי או היעדר חיבור לנקודת-החיבור JTAG/SWO; מידע חשוב לטכנאי המקומי שייתכן שיש צורך לחבר מחדש או להחליף את כבל ניפוי השגיאות.

איור 2: יחידת CodeGrip מספקת מידע סטטוס קריטי באמצעות חמש נוריות LED‏ המספקות משוב ויזואלי מהיר בשטח מבלי לחבר מחשב נייד. (מקור התמונה: MikroE‏)

לאחר חיבורה באמצעות USB למחשב נייד, יחידת CodeGrip תציין חיבור מוצלח על ידי הדלקת נורית LED‏ צהוב USB-LINK על היחידה. לאחר מכן המשתמש מפעיל את CodeGrip Suite‏ כדי להגדיר את יחידת CodeGrip דרך חיבור ה- USB.

הגדרת CodeGrip‏

לעתים ה- CodeGrip Suite‏ יכול לזהות אוטומטית את המיקרו-בקר Arm‏ שב- SBC, אך ניתן גם להגדיר אותו ידנית עם סוג הליבה, גודל זיכרון ה- Flash‏ ותצורת ה- RAM‏. עם זאת, לא ניתן להגדיר בקלות את כל משפחות מוצרי Arm באמצעות אותו מנפה-באגים. עבור משפחת Arm‏ STM32‏ מבית STMicroelectronics‏, חברת MikroE‏ מספקת את יחידת CodeGrip‏ MIKROE-3461‏. משפחת Kinetis‏ מבית NXP Semiconductors‏ נתמכת על ידי CodeGrip‏ MIKROE-3462‏. עבור כל אלה, פעולת יחידת CodeGrip ו- CodeGrip Suite היא זהה.

לאחר החיבור והגדרת התצורה, ה- CodeGrip Suite יכול לבצע פעולות תכנות וניפוי באגים באתר עצמו. במהלך כל העברת נתונים ליחידת ה- CodeGrip, נורית LED‏ כחול נתונים תהבהב, ומציינת כי נתונים מועברים בין יחידת CodeGrip ו- CodeGrip Suite‏. זה מציין שיחידת ה- CodeGrip פועלת כראוי והיא מתכנתת או מנפה באגים ב- SBC‏.

עבור ניפוי באגים מרחוק, ניתן להגדיר את יחידת CodeGrip כך שתתחבר דרך Wi-Fi למחשב אישי מרוחק בו פועל גם קוד CodeGrip Suite‏. למטרות אבטחה וביצועים, רשת ה- Wi-Fi המשמשת להתחברות ליחידות CodeGrip צריכה להיות נפרדת מרשתות ה- Wi-Fi האחרות המשמשות במתקן התעשייתי. שליחת קובצי bin. או hex. גדולים ליחידת CodeGrip באמצעות Wi-Fi היא אקוויוולנטית להורדת קובץ גדול למחשב אישי, כך שהשליחה יכולה להאט את הרשת כולה. אם מחשב אישי מרוחק מתחבר בהצלחה ליחידת ה- CodeGrip, נורית ה- LED‏ הכתום NET-LINK ביחידת ה- CodeGrip תידלק, ותציין חיבור מוצלח. לאחר הגדרת יחידת CodeGrip, ניתן לנתק את המחשב הנייד המחובר באמצעות USB‏.

ה- CodeGrip Suite‏ יכול לקרוא, לתכנת ולמחוק את כל זיכרון ה- Flash‏ שבמיקרו-בקר היעד. הוא יכול גם להשוות את תוכן זיכרון ה- Flash‏ של המיקרו-בקר עם קובץ מקור כדי לוודא שהקושחה היא אותנטית ולא שונתה בזדון. זה יכול להיות שימושי גם במהלך ביקורת אבטחה כדי לאמת את אבטחת הקושחה מבלי לנסוע למיקום הפיזי של כל SBC‏.

ה- CodeGrip Suite‏ יכול לבצע גם איפוס חומרה של מיקרו-בקר היעד. זה יכול להיות שימושי עבור SBC לא-תקין או אם יש חשד לפריצת האבטחה. בדרך כלל SBC שעבר איפוס יפעיל בדיקה עצמית מובנית (BIST) באתחול הכוללת בדיקות אבטחה, וידוא שההתקן פועל כראוי ושהוא לא עבר שינוי בזדון.

מאפיין רב-עוצמה של יחידת CodeGrip מבית Mikroe הוא התמיכה בנקודת-חיבור לניפוי באגים בזמן-אמת של Arm SWO‏. פין SWO מזרים מידע על ניפוי באגים באמצעות סטטוס המיקרו-בקר Arm וניתן להשתמש בו כדי לספק, בזמן-אמת, נתוני סטטוס ומעקב אחר פעולת הקושחה. חברת Mikroe מספקת ספריית SWO עם פונקציות היכולות לשפר את יכולות ניפוי הבאגים של ה- CodeGrip Suite‏ (איור 3). זה מאפשר מעקב אחר קושחת המיקרו-בקר וניפוי באגים מרחוק בקלות.

איור 3: ה- CodeGrip Suite‏ יכול לספק נתוני איתור באגים ומעקב בזמן-אמת עבור מיקרו-בקר Arm‏ על ידי הזרמת נתונים החוצה דרך נקודת-חיבור ה- SWO‏. נתוני ניפוי הבאגים מקודדים בצבע לטובת התמצאות קלה. (מקור התמונה: MikroE‏)

להודעות SWO יש שלוש קטגוריות הודעות; מידע, אזהרה ושגיאה. ה- CodeGrip יכול להציג כל אחת או את כל קטגוריות ההודעות הללו. ההודעות המוצגות מקודדות בצבע לטובת התמצאות קלה; כחול למידע, צהוב לאזהרה ואדום לשגיאה. זה מאפשר למשתמשים להחליט במהירות במה צריך לצפות, וגם לתעדף בקלות הודעות שגיאה על פני אזהרות ומידע.

סיכום

ניפוי באגים במחשבי SBC של מתקנים תעשייתיים בתוך-המערכת עלול לגזול זמן, במיוחד אם יש לתכנת ולנפות באגים בתוכנות SBC רבות. יתר על כן, לא תמיד זה מעשי לבקר בכל מקום בודד. כפי שהוצג, ניפוי באגים מרחוק דרך Wi-Fi באמצעות התקנים כמו CodeGrip והתוכנה הקשורה אליו חוסך זמן תוך שיפור הפרודוקטיביות.