Entwicklung komplexer Systeme
Plattformen für das Embedded-Design
Technologieunternehmen setzen derzeit einige der kreativsten und innovativsten Ideen um, damit anspruchsvolle Herausforderungen gemeistert und unser Alltag verbessert wird. Wir leben in einem Zeitalter dezentraler Intelligenz, in dem sich Embedded-Systeme in den unterschiedlichsten Bereichen finden lassen. Ob es sich um Smart Grids oder intelligente Kaffeemaschinen handelt - die Komplexität dieser Systeme nimmt stetig zu.
Bild: National Instruments Germany GmbHEntwicklerteams geben ihr Bestes, um hinsichtlich aktueller Technologien immer auf dem neuesten Stand zu sein und Systemfähigkeiten durch Funktionen zu verbessern, beispielsweise durch zusätzliche Sensormessungen, anspruchsvolle Verarbeitungsalgorithmen, zeitkritische Regelschleifen und Kommunikationsprotokolle.
Bild: National Instruments Germany GmbH
Bild: National Instruments Germany GmbHFortschritte der letzten zehn Jahre und Blick in die Zukunft
In den vergangenen zehn Jahren haben wir viele Fortschritte in den Bereichen Chip-Level-Integration, Mikrocontroller, DSPs und anderen System-on-Chip-Technologien (SoC) erlebt, die kontinuierlich die Funktionalität durch leistungsstarke A/D- und D/A-Wandler sowie andere Peripheriegeräte erweitern. Vor Kurzem erst wurde die Kombination aus Prozessorkernen und FPGA-Struktur auf dem Markt eingeführt, etwa der E600C der C-Serie von Intel Atom und die Zynq-Produktfamilie von Xilinx. Während diese integrierten Chipdesigns eine niedrigere Leistungsaufnahme und einen geringeren Platzbedarf bieten, sind komplexe Designkenntnisse auf Board-Ebene und anspruchsvolle Prozesse bei Fertigung und Tests erforderlich, wenn alle Funkionen, die jetzt in ein kleines Silizumteil gepackt werden, vorteilhaft genutzt werden sollen. Einplatinencomputer (SBCs) und ähnliche Formfaktoren gibt es bereits seit Jahrzehnten, doch der steigende Bedarf an High-Speed- und High-Density-Board-Designs hat Entwicklerteams dazu gebracht, sich handelsübliche Standardoptionen genauer anzusehen als jemals zuvor. Warum nicht jemand anderem das Risiko und die Kosten für den Entwurf eines der komplexesten Teile seines Systems überlassen, anstatt das Rad immer wieder neu zu erfinden? Die zunehmende Tendenz, Computer-on-Modules (CoMs) und System-on-Modules (SoMs) einzusetzen, ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie der Großteil der gängigsten Anforderungen an Embedded-Systeme erfüllt werden kann, indem kommerziell erhältliche Boards dennoch mittels Software und spezieller I/O für spezifische Embedded-Tasks benutzerdefiniert angepasst werden können. Höchstwahrscheinlich wird sich der gesamte Markt für CoMs und SoMs in den nächsten fünf Jahren verdoppeln, wodurch er zu dem Segment von Embedded-Geräten wird, das am schnellsten wächst. Diese Boards beinhalten häufig den Speicher und weitere Baugruppen, die den Prozessor umgeben, ebenso wie handelsübliche Kommunikationsschnittstellen und Konnektivität für die Integration auf Systemebene. Angesichts der von hunderten handelsüblichen Embedded-Prozessoren und -Verarbeitungsmodulen, die zur Auswahl stehen, liegt die Entscheidung bei den Entwicklerteams, wie viel des gesamten Systems sie mit Standardkomponenten integrieren möchten oder selbst an ihre Bedürfnisse anpassen. Da Standard-Boards und -module zur Bewältigung einiger Herausforderungen des komplexen Hardwaredesigns beitragen, stellt ein integriertes Software-Framework den anderen Teil einer vollständigen Embedded-Plattform dar. So wird gewährleistet, dass alle Vorteile der Hardware genutzt werden. Einen Prozessor und einen FPGA auf demselben Board oder denselben Chip zu platzieren ist nur von Vorteil, wenn Ingenieure über die richtigen Werkzeuge und die entsprechende Programmiererfahrung verfügen. Und genau das ist die nächste große Hürde in der Evolution von technischen Entwicklungswerkzeugen. In den letzten Jahren haben sich Firmen mit dieser Problematik genauer auseinandergesetzt: Hard- und Softwareunternehmen verwenden High-Level-Synthesetechnologien (HLS-Technologien) und bieten Entwicklungsumgebungen mit Funktionen zur Codeerzeugung an, um diese Aufgabe zu lösen. Einige Technologieanbieter haben sich dafür entschieden, Synthesewerkzeuge zu verwenden, um Softwareentwicklern das Programmieren von FPGAs zu erleichtern. Während Softwarewerkzeuge sich stetig weiterentwickeln, um Hardware-Architekturen besser abbilden zu können, ist es Entwicklerteams möglich, Zeit und Aufwand für die Implementierung und das Low-Level-Design zu reduzieren. Dies ermöglicht es ihnen, sich mehr auf ihre Kernkompetenzen zu konzentrieren. Durch das Arbeiten auf Systemebene können sie weitere Wege ausfindig machen, um anwendungsspezifische Algorithmen zu perfektionieren und die Produkte, die sie entwickeln, weiter zu unterscheiden und gleichzeitig schneller auf den Markt zu bringen. Hochintegrierte Hard- und Softwareplattformen spielen vor allem in wettbewerbsfähigen Industrien eine wichtige Rolle, z.B. Energie, Medizin und Transportwesen, in denen der Druck, neue und innovative Ideen auf den Markt zu bringen, enorm groß ist. Diese Industrien können kommerzielle Plattformen als weiteren potenziellen Faktor nutzen, wenn sie eine Entscheidung im Hinblick auf das Gleichgewicht zwischen Zeitplan, Risiko und Kosten bei einem Projekt treffen müssen. Seit bereits 50 Jahren stellt Dynapower Umrichter für hohe Spannungen und Ströme her, die z.B. im Bergbau oder der Hochenergiephysik zum Einsatz kommen. Das Unternehmen konzentriert sich darauf, komplizierte Herausforderungen zur Stromumwandlung effizient zu bewältigen, indem es die neuesten digitalen Steuer- und Regeltechnologien nutzt. Das Entwicklerteam ging kürzlich dazu über, FPGA-Technologie einzusetzen, um seine Steuer-, Regel- und Verarbeitungsalgorithmen zu implementieren und konnte so eine 40-mal höhere Verarbeitungsleistung pro Dollar erzielen, als mit den zuvor eingesetzten klassischen DSPs. Die Entwicklungszeit sank von 72 Wochen auf 24 Wochen - und zwar durch den Einsatz einer handelsüblichen Standardplattform mit bewährter Hardware und einer integrierten Softwarewerkzeugkette.
Bild: National Instruments Germany GmbHUnterstützung von Frühgeborenen
Jedes Jahr kommen in den USA eine halbe Million Frühchen zur Welt, von denen circa die Hälfte Probleme bei der Nahrungsaufnahme hat. Dies liegt an der fehlerhaften Koordination des Gehirns von Saugen, Schlucken und Atmen. KC BioMedix, ein Startup-Unternehmen aus dem Bereich Medizin mit Sitz in Shawnee, Kansas, entwickelte das sogenannte NTrainer System, um Frühgeborene bei der oralen Nahrungsaufnahme zu unterstützen und so ihre Überlebenschancen stark zu erhöhen. Das Gerät ist im Wesentlichen ein computergestützter Schnuller, der mit einer pulsierenden Spitze ausgestattet ist, die kleine Luftstöße abgibt. Das System basiert auf jahrelangen universitäteren Forschungsstudien zur Gehirnentwicklung bei Frühchen. Als KC BioMedix bereit war, das System zu kommerzialisieren, begann die Zusammenarbeit mit einem Drittanbieter, um eine kundenspezifische Embedded-Lösung zu entwickeln. Eine Hochrechnung ergab jedoch sehr schnell, dass die Kosten zu hoch sein würden. So entschied sich das Unternehmen dafür, die Entwicklung selbst zu übernehmen und dazu eine integrierte Embedded-Plattform einzusetzen, um das System zu erstellen und gleichzeitig die Entwicklungskosten um 250.000 US-Dollar zu senken.
Brandschutzsysteme
Aufgrund einer immer größeren Menge an vorhandenen entzündlichen Materialien, z.B. Lithium-Batterien in Frachtflugzeugen, entschied sich FedEx Express dazu, in hochentwickelte Brandschutzsysteme zu investieren und so die Sicherheit für Crew und Fracht zu verbessern. Die Ingenieure von Ventura Aerospace, einer kleinen Firma in Kalifornien, die sich auf den Bau integrierter Steuer-, Regel- und Überwachungssysteme im Bereich Luftfahrtsicherheit spezialisiert hat, erkannten die Möglichkeiten, die eine Zusammenarbeit mit FedEx Express bot. Sie begannen mit der Entwicklung eines Systems, das kostengünstiger als die bereits von größeren, etablierten Unternehmen gebotenen Sicherheitssysteme war und stellten es innerhalb kürzester Zeit fertig. Ursprünglich wollten die Ingenieure alle Elektronikkomponenten intern entwickeln, allerdings stellten sie sehr schnell fest, dass die benötigte Zeit und die veranschlagten Ausgaben nicht ihren Projektvorgaben entsprachen. Das Team begann damit, handelsübliche Plattformen für die Brandschutzsysteme zu evaluieren und entschied sich schließlich für die Hardware NI Single-Board RIO und die grafische Programmiersoftware LabView. Ein plattformbasierter Ansatz ermöglichte es den Ingenieuren, sich auf die Entwicklung eines innovativen Brandschutzsystems zu konzentrieren, anstatt sich mit der maschinennahen Programmierung und Entwicklung von Elektronikkomponenten beschäftigen zu müssen. Das Team schätzt, dass sie für die Entwicklung gerade einmal ein Drittel an Arbeitszeit benötigt haben, die sie für eine andere Lösung hätten investieren müssen. Innerhalb von 20 Monaten erwirtschafteten sie Gewinn durch das Projekt und verzeichneten nach fünf Jahren eine 10-fache Umsatzsteigerung. Eine ständig wachsende Zahl von Neuentwürfen sowie die steigende Komplexität zwingen Embedded-Entwicklerteams zu mehr Effizienz und beeinflussen die von ihnen gewählte Technologie. Um die Bedürfnisse im Segment Embedded-Design zu erfüllen und Teams bei einer schnellen Markteinführung zu unterstützen, entwickeln Technologieanbieter Komponenten, Module oder sogar vollständige Embedded-Plattformen mit höheren Integrationsgraden und mehr Funktionalität. Die Teams arbeiten letztendlich auf eine vollständige Plattform für das Embedded-Design hin, einschließlich Kommunikation, Verarbeitung, System-I/O und integrierter Systemdesignsoftware. Diese Kombination aus benutzerdefinierten und handelsüblichen Komponenten ermöglicht es Entwicklerteams mit technologischen Fortschritten Schritt zu halten und der Konkurrenz sogar einen Schritt voraus zu sein.
Technologieunternehmen setzen derzeit einige der kreativsten und innovativsten Ideen um, damit anspruchsvolle Herausforderungen gemeistert und unser Alltag verbessert wird. Wir leben in einem Zeitalter dezentraler Intelligenz, in dem sich Embedded-Systeme in den unterschiedlichsten Bereichen finden lassen. Ob es sich um Smart Grids oder intelligente Kaffeemaschinen handelt - die Komplexität dieser Systeme nimmt stetig zu.
Bild: National Instruments Germany GmbHEntwicklerteams geben ihr Bestes, um hinsichtlich aktueller Technologien immer auf dem neuesten Stand zu sein und Systemfähigkeiten durch Funktionen zu verbessern, beispielsweise durch zusätzliche Sensormessungen, anspruchsvolle Verarbeitungsalgorithmen, zeitkritische Regelschleifen und Kommunikationsprotokolle.Bild: National Instruments Germany GmbH
Bild: National Instruments Germany GmbHFortschritte der letzten zehn Jahre und Blick in die Zukunft
In den vergangenen zehn Jahren haben wir viele Fortschritte in den Bereichen Chip-Level-Integration, Mikrocontroller, DSPs und anderen System-on-Chip-Technologien (SoC) erlebt, die kontinuierlich die Funktionalität durch leistungsstarke A/D- und D/A-Wandler sowie andere Peripheriegeräte erweitern. Vor Kurzem erst wurde die Kombination aus Prozessorkernen und FPGA-Struktur auf dem Markt eingeführt, etwa der E600C der C-Serie von Intel Atom und die Zynq-Produktfamilie von Xilinx. Während diese integrierten Chipdesigns eine niedrigere Leistungsaufnahme und einen geringeren Platzbedarf bieten, sind komplexe Designkenntnisse auf Board-Ebene und anspruchsvolle Prozesse bei Fertigung und Tests erforderlich, wenn alle Funkionen, die jetzt in ein kleines Silizumteil gepackt werden, vorteilhaft genutzt werden sollen. Einplatinencomputer (SBCs) und ähnliche Formfaktoren gibt es bereits seit Jahrzehnten, doch der steigende Bedarf an High-Speed- und High-Density-Board-Designs hat Entwicklerteams dazu gebracht, sich handelsübliche Standardoptionen genauer anzusehen als jemals zuvor. Warum nicht jemand anderem das Risiko und die Kosten für den Entwurf eines der komplexesten Teile seines Systems überlassen, anstatt das Rad immer wieder neu zu erfinden? Die zunehmende Tendenz, Computer-on-Modules (CoMs) und System-on-Modules (SoMs) einzusetzen, ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie der Großteil der gängigsten Anforderungen an Embedded-Systeme erfüllt werden kann, indem kommerziell erhältliche Boards dennoch mittels Software und spezieller I/O für spezifische Embedded-Tasks benutzerdefiniert angepasst werden können. Höchstwahrscheinlich wird sich der gesamte Markt für CoMs und SoMs in den nächsten fünf Jahren verdoppeln, wodurch er zu dem Segment von Embedded-Geräten wird, das am schnellsten wächst. Diese Boards beinhalten häufig den Speicher und weitere Baugruppen, die den Prozessor umgeben, ebenso wie handelsübliche Kommunikationsschnittstellen und Konnektivität für die Integration auf Systemebene. Angesichts der von hunderten handelsüblichen Embedded-Prozessoren und -Verarbeitungsmodulen, die zur Auswahl stehen, liegt die Entscheidung bei den Entwicklerteams, wie viel des gesamten Systems sie mit Standardkomponenten integrieren möchten oder selbst an ihre Bedürfnisse anpassen. Da Standard-Boards und -module zur Bewältigung einiger Herausforderungen des komplexen Hardwaredesigns beitragen, stellt ein integriertes Software-Framework den anderen Teil einer vollständigen Embedded-Plattform dar. So wird gewährleistet, dass alle Vorteile der Hardware genutzt werden. Einen Prozessor und einen FPGA auf demselben Board oder denselben Chip zu platzieren ist nur von Vorteil, wenn Ingenieure über die richtigen Werkzeuge und die entsprechende Programmiererfahrung verfügen. Und genau das ist die nächste große Hürde in der Evolution von technischen Entwicklungswerkzeugen. In den letzten Jahren haben sich Firmen mit dieser Problematik genauer auseinandergesetzt: Hard- und Softwareunternehmen verwenden High-Level-Synthesetechnologien (HLS-Technologien) und bieten Entwicklungsumgebungen mit Funktionen zur Codeerzeugung an, um diese Aufgabe zu lösen. Einige Technologieanbieter haben sich dafür entschieden, Synthesewerkzeuge zu verwenden, um Softwareentwicklern das Programmieren von FPGAs zu erleichtern. Während Softwarewerkzeuge sich stetig weiterentwickeln, um Hardware-Architekturen besser abbilden zu können, ist es Entwicklerteams möglich, Zeit und Aufwand für die Implementierung und das Low-Level-Design zu reduzieren. Dies ermöglicht es ihnen, sich mehr auf ihre Kernkompetenzen zu konzentrieren. Durch das Arbeiten auf Systemebene können sie weitere Wege ausfindig machen, um anwendungsspezifische Algorithmen zu perfektionieren und die Produkte, die sie entwickeln, weiter zu unterscheiden und gleichzeitig schneller auf den Markt zu bringen. Hochintegrierte Hard- und Softwareplattformen spielen vor allem in wettbewerbsfähigen Industrien eine wichtige Rolle, z.B. Energie, Medizin und Transportwesen, in denen der Druck, neue und innovative Ideen auf den Markt zu bringen, enorm groß ist. Diese Industrien können kommerzielle Plattformen als weiteren potenziellen Faktor nutzen, wenn sie eine Entscheidung im Hinblick auf das Gleichgewicht zwischen Zeitplan, Risiko und Kosten bei einem Projekt treffen müssen. Seit bereits 50 Jahren stellt Dynapower Umrichter für hohe Spannungen und Ströme her, die z.B. im Bergbau oder der Hochenergiephysik zum Einsatz kommen. Das Unternehmen konzentriert sich darauf, komplizierte Herausforderungen zur Stromumwandlung effizient zu bewältigen, indem es die neuesten digitalen Steuer- und Regeltechnologien nutzt. Das Entwicklerteam ging kürzlich dazu über, FPGA-Technologie einzusetzen, um seine Steuer-, Regel- und Verarbeitungsalgorithmen zu implementieren und konnte so eine 40-mal höhere Verarbeitungsleistung pro Dollar erzielen, als mit den zuvor eingesetzten klassischen DSPs. Die Entwicklungszeit sank von 72 Wochen auf 24 Wochen - und zwar durch den Einsatz einer handelsüblichen Standardplattform mit bewährter Hardware und einer integrierten Softwarewerkzeugkette.
Bild: National Instruments Germany GmbHUnterstützung von Frühgeborenen
Jedes Jahr kommen in den USA eine halbe Million Frühchen zur Welt, von denen circa die Hälfte Probleme bei der Nahrungsaufnahme hat. Dies liegt an der fehlerhaften Koordination des Gehirns von Saugen, Schlucken und Atmen. KC BioMedix, ein Startup-Unternehmen aus dem Bereich Medizin mit Sitz in Shawnee, Kansas, entwickelte das sogenannte NTrainer System, um Frühgeborene bei der oralen Nahrungsaufnahme zu unterstützen und so ihre Überlebenschancen stark zu erhöhen. Das Gerät ist im Wesentlichen ein computergestützter Schnuller, der mit einer pulsierenden Spitze ausgestattet ist, die kleine Luftstöße abgibt. Das System basiert auf jahrelangen universitäteren Forschungsstudien zur Gehirnentwicklung bei Frühchen. Als KC BioMedix bereit war, das System zu kommerzialisieren, begann die Zusammenarbeit mit einem Drittanbieter, um eine kundenspezifische Embedded-Lösung zu entwickeln. Eine Hochrechnung ergab jedoch sehr schnell, dass die Kosten zu hoch sein würden. So entschied sich das Unternehmen dafür, die Entwicklung selbst zu übernehmen und dazu eine integrierte Embedded-Plattform einzusetzen, um das System zu erstellen und gleichzeitig die Entwicklungskosten um 250.000 US-Dollar zu senken.
Brandschutzsysteme
Aufgrund einer immer größeren Menge an vorhandenen entzündlichen Materialien, z.B. Lithium-Batterien in Frachtflugzeugen, entschied sich FedEx Express dazu, in hochentwickelte Brandschutzsysteme zu investieren und so die Sicherheit für Crew und Fracht zu verbessern. Die Ingenieure von Ventura Aerospace, einer kleinen Firma in Kalifornien, die sich auf den Bau integrierter Steuer-, Regel- und Überwachungssysteme im Bereich Luftfahrtsicherheit spezialisiert hat, erkannten die Möglichkeiten, die eine Zusammenarbeit mit FedEx Express bot. Sie begannen mit der Entwicklung eines Systems, das kostengünstiger als die bereits von größeren, etablierten Unternehmen gebotenen Sicherheitssysteme war und stellten es innerhalb kürzester Zeit fertig. Ursprünglich wollten die Ingenieure alle Elektronikkomponenten intern entwickeln, allerdings stellten sie sehr schnell fest, dass die benötigte Zeit und die veranschlagten Ausgaben nicht ihren Projektvorgaben entsprachen. Das Team begann damit, handelsübliche Plattformen für die Brandschutzsysteme zu evaluieren und entschied sich schließlich für die Hardware NI Single-Board RIO und die grafische Programmiersoftware LabView. Ein plattformbasierter Ansatz ermöglichte es den Ingenieuren, sich auf die Entwicklung eines innovativen Brandschutzsystems zu konzentrieren, anstatt sich mit der maschinennahen Programmierung und Entwicklung von Elektronikkomponenten beschäftigen zu müssen. Das Team schätzt, dass sie für die Entwicklung gerade einmal ein Drittel an Arbeitszeit benötigt haben, die sie für eine andere Lösung hätten investieren müssen. Innerhalb von 20 Monaten erwirtschafteten sie Gewinn durch das Projekt und verzeichneten nach fünf Jahren eine 10-fache Umsatzsteigerung. Eine ständig wachsende Zahl von Neuentwürfen sowie die steigende Komplexität zwingen Embedded-Entwicklerteams zu mehr Effizienz und beeinflussen die von ihnen gewählte Technologie. Um die Bedürfnisse im Segment Embedded-Design zu erfüllen und Teams bei einer schnellen Markteinführung zu unterstützen, entwickeln Technologieanbieter Komponenten, Module oder sogar vollständige Embedded-Plattformen mit höheren Integrationsgraden und mehr Funktionalität. Die Teams arbeiten letztendlich auf eine vollständige Plattform für das Embedded-Design hin, einschließlich Kommunikation, Verarbeitung, System-I/O und integrierter Systemdesignsoftware. Diese Kombination aus benutzerdefinierten und handelsüblichen Komponenten ermöglicht es Entwicklerteams mit technologischen Fortschritten Schritt zu halten und der Konkurrenz sogar einen Schritt voraus zu sein.
National Instruments Germany GmbH
Dieser Artikel erschien in Embedded Design III 2015 - 08.04.15.Für weitere Artikel besuchen Sie www.embedded-design.net
