Software and Firmware Design for an Embedded Framework Applied to Electric Drives

Abstract

Lo sviluppo di componenti firmware e software per la realizzazione di dispositivi elettronici embedded, utilizzati in ambito industriale, è un'attività che richiede tempo, sforzi e numerose competenze. La crescente complessità e l'evoluzione della tecnologia, hanno portato alla necessità di impiegare strumenti e strategie per lo sviluppo di programmi inerenti a questi prodotti, al fine di poter garantire un tempo ragionevole di rilascio del prodotto, affidabilità ed efficienza. Lo sviluppo di questi prodotti richiede diverse discipline e strumenti. I dispositivi embedded industriali sono spesso forniti assieme a programmi software per la parametrizzazione e il monitoraggio del dispositivo. Di solito comunicano con questi strumenti e altri dispositivi di supervisione, attraverso protocolli di comunicazione industriali. Questo tipo di dispositivi viene spesso utilizzato per controllare quantità fisiche nei processi di produzione, come nel caso degli azionamenti elettrici, che in genere richiedono l'implementazione di controlli real-time. In questo lavoro viene presentato un nuovo approccio al problema, che viene realizzato attraverso l'implementazione di un framework che affronta lo sviluppo di questi programmi tramite un approccio combinato, inteso a massimizzare il riutilizzo del codice e degli elementi attraverso diversi metodi, come "component based design" (CBC) e "construction by configuration" (C-b-C). Questo framework comprende elementi e strategie di sviluppo, sia per il firmware che per il software. Può generare automaticamente programmi con interfacce grafiche, in grado di comunicare con questi dispositivi, tramite un ambiente di sviuluppo software, che è parte di questo framework. Può inoltre generare il codice sorgente per la mappatura delle variabili dei protocolli, sempre nello stesso processo. Questo permette di mantenere coerenza con l'applicazione software che comunica con il disposivito. La parte firmware è composta da librerie progettate per ottenere portabilità e riutilizzo, limitando le dipendenze hardware solo ad alcuni moduli di questi programmi. Questo framework offre un approccio centralizzato allo sviluppo di questi programmi e dei loro meccanismi di interazione, di cui beneficiano, non solo la progettazione e la costruzione di essi, ma anche molte altre importanti attività, come la gestione delle configurazioni ed estensione delle funzionalità presenti. Si basa su un'architettura modulare in grado di integrare nuove funzionalità, utilizzando strategie e schemi appropriati, che facilitano l'integrazione di nuovi componenti. Questo approccio è stato applicato anche nella realizzazione di prodotti finiti in ambito industriale. La descrizione dettagliata di questo approccio innovativo e dei suoi meccanismi è presentata in questo lavoro di tesi di dottorato.

The development of firmware and software elements, for the realization of electronic industrial embedded devices, involves activities which require time, efforts and many skills. The increasing complexity and evolution of the technology has brought to the need for instruments and strategies to develop and handle these programs, that are related to these products, in order to meet a reasonable time to market, reliability and efficiency. The development of these products requires different disciplines and instruments. Industrial embedded devices are often provided with softwares for their parametrization and monitoring. They usually communicate, with these instruments and other supervisor devices, through industrial communication protocols. These kind of devices are often used to control physical quantities in manufacturing processes, as the case of electric drives, which usually need to implement real-time controls. This work presents a new approach to the problem, that is done through the realization of a framework that faces the development of these different programs, in a combined approach, intended to maximize the reuse of code and elements through different methods, such as component based design (CBC) and construction by configuration (C-b-C). This framework comprehends elements and patterns, both for firmware and software. It can automatically generate softwares with GUIs able to communicate with these devices, through the use of its software editor program, which is part of the framework. It can generate the source code of the data protocols variables mapping, all in the same process, that is kept coherent with the software application. The firmware part is composed by libraries that are designed to achieve portability and reuse, limiting the hardware dependencies only to some program modules. It offer a centralized approach to the development of these programs and their interactions mechanisms, which aids, not only design and construction of them, but also many other important activities, such as configuration management and features improvements. It is based on a modular architecture that can integrate new functionalities, using proper strategies and patterns, facilitating the integration of new components. This approach has also been applied in the realization of finished industrial products. The detailed description of the innovative approach realized in this framework is presented in this PhD thesis work.