Pese al pequeño tamaño inicial de este formato de ordenadores PC, como puede verse en la figura 2.5, las distintas placas de expansión de entrada/s...

Pese al pequeño tamaño inicial de este formato de ordenadores PC, como puede verse en la figura 2.5, las distintas placas de expansión de entrada/salida necesarios se van apilando a lo alto, conectándose a la interfaz Peripheral Component Interconnect (PCI) o Peripheral Component Interconnect Express (PCI-Express). La conexión del bus PCI/PCI-Express presente en el estándar PC 104 está diseñada para que se pueda conectar una placa de expansión encima de otra, en la figura 2.6 se muestra un computador de estándar PC 104 funcionando bajo xPC Target®, en este caso se encuentran varias placas de entrada/salida analógicas y digitales, entre ellas una para bus CAN. Se aprecia como el sistema RCP alcanza un tamaño en forma de torre considerable. Pese a tratarse de una arquitectura muy bien concebida, no puede cumplir muchos de los objetivos propuestos en esta Tesis (véase el apartado 1.5 ). El tamaño y el consumo energético no son adecuados para las aplicaciones de control embebido, en las que el hardware de control se ubica en el propio exoesqueleto o sistema para rehabilitación. Por otra parte el coste de un sistema RCP basado en xPC Target® es bastante alto, la escasez de fabricantes para el estándar PC 104 hace que sea un sistema caro de adquirir; la placa base con procesador Intel® x86 (Intel® Atom®) para este estándar no se localiza por menos de 200€ y algunas placas de expansión, como la de bus CAN, que cuentan con un único fabricante, incurre en un coste de 600€. Contando tan sólo con el factor precio, sería imposible disponer de un número suficiente de sistemas RCP en cualquier laboratorio docente o de investigación. Por otro lado, la capacidad computacional se encuentra sobredimensionada para control de sistemas de actuación electromecánicos, y dentro de las posibilidades de programación de la toolbox xPC Target® no se ha encontrado la posibilidad de gobernar distintas tareas en Tiempo-Real o aprovechar el tiempo libre del procesador entre iteraciones de la tarea en Tiempo-Real. Toda funcionalidad de entrada/salida debe ser añadida de forma externa mediante placas de expansión, desde entrada/salida digital y medios de comunicación básicos para sensores tales como SSI, SPI, I2C... Este sistema RCP encuentra una buena acogida en centros de investigación, ejemplos de su utilización para controlar exoesqueletos similares al propuesto en el proyecto HYPER los encontramos en las siguientes referencias [18], [19], [20], [21], [22] y en el propio exoesqueleto del proyecto HYPER para el tren inferior humano, exoesqueleto H2-HAL. También es muy utilizado para sistemas mecatrónicos como robots [23], [24] o para máquinas-herramientas basadas en control numérico [25]; en definitiva, para tareas de control de todo tipo de sistemas electromecánicos y motores [26], [27] así como gestión de sistemas de almacenamiento y generación de energía eléctrica [28]. 2.3.2. CompactRIO® y MyRIO® CompactRIO® y MyRIO® son sistemas embebidos y reconfigurables orientados para control, adquisición y procesamiento de datos. La arquitectura del hardware del sistema CompactRIO®/MyRIO® está basada en una FPGA, que ejerce de medio de entrada/salida, y en un procesador sobre el que se ejecuta un sistema operativo en Tiempo-Real, en este caso el sistema operativo es VxWorks®, del fabricante Wind River Systems® 5. Al procesador no se le ha otorgado capacidad innata de entrada/salida mediante periféricos, sino que debe comunicarse con la FPGA de forma que ésta le transmita los datos provenientes de las interfaces de entrada/salida que se hayan sintetizado en la FPGA, o se hayan conectado a la FPGA mediante módulos de expansión externos. El concepto de esta arquitectura se muestra en la figura 2.7 de forma simplificada. Estos sistemas se programan con herramientas de programación gráfica de National Instruments® LabVIEW®, la figura 2.8 muestra un pequeño ejemplo de programación visual en LabView®. Se trata de un lenguaje gráfico, que se utiliza de manera ligeramente diferente al proporcionado por Matlab/Simulink®, que hace más hincapié en aspectos de más bajo nivel referentes al uso específico de una FPGA. Los sistemas CompactRIO® y MyRIO® han sido evaluados gracias a la oferta de talleres prácticos gratuitos por parte de National Instruments®, talleres impartidos en las dependencias de la Universidad Carlos III de Madrid. La metodología de trabajo se basa en realizar programas en lenguaje gráfico, para el procesador y para la FPGA por separado. La comunicación entre ambos componentes no es directa o sencilla, se deben utilizar unos mecanismos específicos que dependen del modelo de procesador y de FPGA presentes, no es fácil generalizar este mecanismo. Mecanismo que requiere establecer una sincronización en el envío/recepción de datos entre procesador y FPGA, aspecto que hace perder nivel de abstracción al lenguaje gráfico de LabView. Por otro lado, disponer de una FPGA como dispositivo intermedio en la adquisición de datos hace posible establecer un tratamiento de los datos antes de ser recuperados por el procesador, este procesamiento de datos puede realizarse sólo con números enteros, números decimales en punto fijo o únicamente bits. La longitud en bits de los datos hace decrecer rápidamente la cantidad de celdas lógicas disponibles en la FPGA y los números decimales en punto flotante no están soportados, a menos que la FPGA cuente con una o varias unidades de coprocesamiento, unidades de cálculo no disponibles en los modelos CompactRIO®/MyRIO® de menor coste. La capacidad de procesamiento de la FPGA se encuentra circunscrita a un repertorio limitado de operaciones, tales como suma, multiplicación, resta... particularidades que acotan su campo de aplicación. Generalmente son sistemas muy utilizados por ingenieros de telecomunicaciones en modulación/demodulación y encriptación/desencriptación de señales digitales, ya que las operaciones a realizar están cubiertas por este limitado repertorio y una FPGA las realiza en cuestión de nanosegundos, en cambio para operaciones más complejas en las que interviene ejecución condicional, un procesador es mucho más apropiado, estos aspectos se encuentran más profundamente detallados en el apartado 2.3.2 . Se deben resaltar varios aspectos muy importantes en el uso de LabView®, este sistema RCP pese a contar con un sistema operativo en Tiempo-Real, no permite gobernar ni conocer el número de tareas en Tiempo-Real lanzadas por el sistema operativo, utilizando el lenguaje gráfico. En cambio programando el sistema en lenguaje C sería posible, pero de esta forma se perdería la abstracción y versatilidad del lenguaje gráfico. Tampoco es posible crear soporte de hardware personalizado en LabView®, esta posibilidad no existe, sólo se puede utilizar el hardware ofertado por National Instruments®. Al igual que los sistemas basados en xPC Target®, CompactRIO® se emplea en un amplio repertorio de aplicaciones de control embebido. Se encuentran exoesqueletos [29], sistemas de control más o menos clásicos [30], [31], tratamiento de señales de alta frecuencia [32], sistemas de encriptación/desencriptación de datos en formato digital [33] y sistemas de visión artificial [34]. Los sistemas RCP CompactRIO® y MyRIO® generalmente se presentan con el formato mostrado en la figura 2.9.