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Leistung für die Boards von morgen

Text: Martin Unverdorben, Kontron Foto: LoveBoat, GFDL
Die zunehmende Vernetzung in der Automatisierung erfordert eine neue Generation an intelligenten und dezentralen Geräten. Neue, leistungsstarke ARM-Prozessoren ermöglichen die Entwicklung einer komplett neuen Geräteklasse mit sehr geringem Leistungsbedarf, umfassender Vernetzung und intuitiver Visualisierung und Bedienung.

Der Automatisierungsmarkt sucht ständig nach neuen Lösungen, um Produktionsabläufe intelligenter, transparenter und schneller zu machen. Industrie 4.0, M2M, Cloud-Services oder Augmented Reality in der Automation lauten die Schlagworte, die es elektronisch mit Embedded Computing Hardware zu unterlegen gilt. Dafür ist eine neue Generation an vernetzten Geräten gefordert, die tiefer als bisher bis in die Feldebene installiert werden sollen. Beispielsweise Ministeuerungen mit integrierten RFID Interfaces. Benötigt werden zudem auch robuste Tablet-PCs und Mobile HMIs für Monitoring, Wartung und Warenfluss. Auch schlanke und flache stationäre HMI mit zuverlässiger Bedienung über Touchscreens für den Einsatz direkt an der Maschine sind gefordert. Die neue Generation der ARM-SoCs, wie sie für moderne Tablets und Smartphones im Consumer-Markt entwickelt wurden, bieten hier gute Voraussetzungen: Sie integrieren neben hoher Rechenleistung auch eine leistungsstarke Grafik sowie eine Vielzahl dedizierter Interfaces und Kommunikationsmöglichkeiten. Durch ihre hohe Integration und die Verwendung energieeffizienter Schnittstellen weisen sie zudem einen extrem geringen Leistungsbedarf von nur wenigen Watt auf.

Individuelle Designs

Weil die SoCs viele Komponenten bereits direkt integrieren und weil die geringe Wärmemenge nur kleine passive Kühllösungen benötigt, lassen sich kompaktere und kostengünstigere Systemdesigns realisieren. Ein weiterer Vorteil ist die Eignung für den erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +85 °C, die einige dieser neuen ARM-SoCs bieten und so die robuste Systemauslegung vereinfachen. Zudem senken sie durch ihr umfangreiches Schnittstellenausstattung die Stücklistenkosten.Der einfachste Weg, die neuen ARM-Prozessoren einzudesignen, besteht in der Verwendung von Standard Boards. Lösungen im Pico-ITX und Mini-ITX Formfaktor sind hier bereits erhältlich. Sind individuelle Designs gefragt, beispielsweise für Tablets, (Handheld-) HMIs, oder dedizierter I/Os und Kommunikationsschnittstellen, wie WiFi oder 3G, die bedarfsgerecht und platzsparend ausgeführt werden sollen, sind Computer-on-Module (COM) eine passende Lösung. Sie kombinieren die Freiheit eines Full-Custom Designs mit der Stabilität einer fertigen Board-Lösung. Mit der neuen Smart-Mobility-Architektur, kurz SMARC, gibt es nun die erste herstellerunabhängige Spezifikation der SGET für ARM-SoC basierte Module. SMARC beschreibt flache ultra-low power COMs für extrem kompakte low power Designs. So können mit diesen Modulen auch besonders schlanke Designs mit einer Gesamt-Bauhöhe von unter einem Zentimeter entwickelt werde. Auf der elektrischen Seite führen SMARC-Module insgesamt 314 Pins aus. So können sie deutlich mehr dedizierte Interfaces interoperabel ausführen, was auch der Heterogenität der ARM-Prozessoren entgegenkommt. Das zeigt auch das aktuelle SMARC-Moduleangebot: Zur Auswahl stehen Familien mit ARM-Cortex-A8- oder ARM-Cortex-A9-Designs. Das Angebot reicht dabei von Modulen mit NVIDIA-Tegra3-Prozessor über Freescales breit skalierbare i.MX6-Familie mit Single-, Dual- und Quadcore Prozessoren bis hin zum ultra-low Power Texas Instruments Sitara AM3874.

Gefragte Lösungsangebote

Den Ansprüchen nach kurzer Markteinführungszeit folgend, suchen OEMs aber in erster Linie nach applikationsfertige Lösungen. Dem kommen Hardware-Services vom Hersteller entgegen, ebenfalls ist ein umfangreicher Software-Support vom Lieferanten gefragt. Denn durch die spezielle Schnittstellenauslegung der ARM-SoCs müssen Hard- und Software dedizierter abgestimmt sein, als es bei den generischen x86er-Plattformen der Fall ist. Der Service beginnt beim Betriebssystem, das auch den Anforderungen einer schlanken Lösung mit kleinem Speicher-Footprint entsprechen sollte. Fertige OS-Images sollten daher nur die für die Applikation benötigten Funktionsblöcke integrieren. Applikationsspezifisch zugeschnittene Konfigurationen sind deshalb bei nahezu jedem neuen OEM-Produkt gefragt. Dies unterscheidet sich zwar nicht wesentlich von der Nachfrage bei x86er-Systemen. Zusätzlich muss aber die OS-Struktur exakt auf die Interfaces der jeweiligen Lösung zusammen mit den IOs, die der ausgewählte SoC dann tatsächlich integriert, abgestimmt sein. Damit stellt die Entwicklung der Treiber und Einbindung zu einem funktionsfähigen OS-Image eine weitere Herausforderung dar. Hilfreich ist für OEMs dabei eine Kooperation mit dem SMARC-Modulehersteller für die Standardplattformen, sodass sie ihre spezifischen Treiber entwickeln lassen und auch in ihr OS-Image einbinden können. Damit haben hardwarenahe Software-Services unterhalb der eigentlichen Applikation deutlich höhere Bedeutung als bei x86er-Designs. Deshalb ist es von Vorteil, wenn diese Services als Building Block ebenfalls direkt vom Hardware-Hersteller kommen. Liefert der Embedded-Hersteller Hard- und Software Support aus einer Hand, wird er für den Kunden zum attraktiven Single Point of Contact. Einige Firmen, zum Beispiel Kontron, bieten daher diesen Support größtenteils inhouse an und bieten applikationsfertige Plattformenunterstützen an, die vom Modul bis hin zu kompletten, individuellen Systemdesigns reichen können.

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