SONDERHEFT EMBEDDED SYSTEMS DEVELOPMENT & IoT
Wissen.
Impulse.
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Low-Power-Embedded-Module
für smarte Anwendungen
SMARC 2.0 ist ein zukunftssicherer Standard für Embedded-Module.
Aktuell werden Lösungen für Intels nächste Atom-Generation entwickelt.
Skylake-Nachfolger
Kaby Lake
Es gibt noch Hoffnung für ETX-Nutzer
Designmethoden
für IoT-Sensoren
Die Doppelkern-CPUs der
Generation Core i7 bieten
insbesondere eine verbesserte Grafikleistung. Seite 6
Der Standard ETX fokussiert
nicht höchste Leistung,
sondern eine Architektur für
die Industrie.
Seite 18
IoT-Lösungen und Sensornetzwerke zu kombinieren,
erfordert abgestimmte
Designs.
Seite 38
EDITORIAL
Embedded Computing Module
sind auf dem Vormarsch
D
ie Nachfrage nach energieeffizienten Embedded-Systemen steigt
stetig, etwa in der Gebäudeautomatisierung und in Wearables. Zugleich
werden moderne Embedded-Systeme
durch die enge Verzahnung von Hard-,
Software und Mechanik immer kompakter. Ein besonderes Augenmerk von Entwicklern liegt deshalb auf den Computeron-Modules (COM). Denn im Gegensatz
zu proprietären Systemen entsprechen sie
hinsichtlich Größe und Leistung international anerkannten Standards, sind also
sofort einsatzbereit und in verschiedenen
Varianten und Leistungsklassen erhältlich. Das spart nicht nur Entwicklungskosten, sondern verkürzt auch die Markteinführungszeit. In diesem Zusammenhang hat sich ein Standard in jüngster Zeit
besonders hervorgetan: SMARC 2.0 (Smart
Mobility ARChitecture). Er bietet etliche
Vorteile, etwa gegenüber dem älteren
Qseven-Standard, der kaum Schnittstellenerweiterungen für zukünftige Embedded-Anwendungen mit Echtzeitfähigkeit
ermöglicht. Warum dies so ist, und welche Stärken SMARC 2.0 auszeichnen, erfahren Sie im Beitrag „Low-Power-Embedded-Module für smarte Industrieanwendungen“, auf Seite 15. Doch Betagtes steht
„Zeit ist Geld – ein Grund,
warum die Nachfrage
nach sofort einsetzbaren
Computer on Modules
(COMs) stetig steigt.“
Margit Kuther, Redakteurin
[email protected]
nicht zwingend auf dem Abstellgleis. Ein
Beispiel ist der Embedded-Modul-Standard ETX. Etwa in der Industrieautomation ist er ein echter Langläufer, da er nicht
höchste Leistung fokussiert wie viele aktuelle Systeme, sondern speziell die Anforderungen der Industrie unterstützt,
wie der Beitrag „Es gibt noch Hoffung für
ETX-Nutzer“ auf Seite 18 verrät.
Spezifische Anwendungen bestimmen
oft den Alltag eines Entwicklers. In diesem Sonderheft „Embedded Systems Development & IoT“ behandeln wir beispielsweise die Themen: „Touch-Techologie mit der Embedded Video Engine“,
Seite 24, „Flash-Speicher in industriellen
Anwendungen“, Seite 26 und „integriertes
Health Monitoring“, Seite 32. Desweiteren
informieren wir über Intels Skylake-Nachfolger Kaby Lake (Seite 6) und natürlich
rund um das Internet der Dinge.
Herzlichst, Ihre
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
3
INHALT
EMBEDDED COMPUTING
Low-Power-EmbeddedModule für smarte
Industrieanwendungen
Die Nachfrage nach energieoptimierten
Embedded-Modulen steigt. MSC Technologies
informiert über die Vorteile des Standards
SMARC 2.0 im Vergleich zum Qseven-Standard
und zu SMARC 1.1 und
präsentiert geeignete Module.
15
SCHWERPUNKTE
6
8
12
News & Personalien
Intel präsentiert Skylake-Nachfolger Kaby Lake
Intels Doppelkern-CPUs Kaby Lake sind wie der Vorgänger
Skylake im 14-nm-Verfahren gefertigt. Die neue 7. Core-iGeneration punktet mit höherer Grafik- und Videoleistung.
Embedded Computing
Baukastenprinzip zur fertigen IPC-Komplettlösung
Die Einsatzszenarien von Industrie-PCs werden immer
komplexer. Lösungen im Baukastenprinzip helfen, diese
unkompliziert an neue Gegebenheiten anzupassen.
Serientaugliche x86-Starterkits
Embedded-CPU-Module haben die Entwicklung von
Embedded-Systemen sehr erleichtert. Doch der Weg zum
kundenspezifischen Gesamtsystem ist oft langwierig.
Embedded Computing
TITELTHEMA
15
18
4
Low-Power-Embedded-Module im SMARC-2.0-Format
Der aktuelle Qseven-Standard ermöglicht kaum Schnittstellenerweiterungen für künftige echtzeitfähige EmbeddedAnwendungen. Die Lösung ist SMARC 2.0.
Es gibt noch Hoffnung für ETX-Nutzer
Der Embedded-Modul-Standard ETX ist ein echter Langläufer für vielerlei Anwendungen in der Industrieautomatisierung. Denn er fokussiert nicht höchste Leistung, sondern
eine Architektur für die Industrie.
Sicherheit
20 Sicherheitshardware schützt nicht vor Angriffen
Warum die OEMs zusätzlich zur Sicherheitshardware auch
noch Sicherheitsprozesse implementieren müssen, wenn
sie ihre Geräte wirkungsvoll vor Angriffen schützen wollen.
Anwendung
22 Was Sie über Raspberry Pi wissen wollten
Artikel über technische Daten der Raspberry-Pi-Modelle
gibt es viele. Dieser Beitrag beantwortet Anwenderfragen
zur Übertaktbarkeit, Realtime Clock, Akkubetrieb, etc..
24 Touch-Technologie mit der Embedded Video Engine
Die Touch-Technologie schlummerte vor sich hin, bis das
iPhone auf den Markt kam und eine Revolution beim Design von Bedienoberflächen auslöste.
26 Flash-Speicher in industriellen Anwendungen
Schneller Zugriff und Erschütterungssicherheit macht
Flash-Memory für industrielle Anwendungen attraktiv.
Doch in der Industrie müssen die Speicher andere Anforderungen erfüllen als im Consumer-Bereich.
30 Ein Schaltkreis für ein Blutdruckmessgerät
Ein Blutdruckmessgerät ist ein Hilfsmittel für Ärzte, dessen
elektronischer Schaltkreis sich mit einem Instrumentenverstärker und einer 16-Bit-MCU einfach realisieren lässt.
32 Integriertes Health-Monitoring für den Heimbereich
Wearables sind ein Wachstumsmarkt. Umfassendes Monitoring, sichere Datenübermittlung und geringer Energieaufwand stellen hierbei hohe Ansprüche ans Systemdesign.
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
embedded memory solutions
20
Sicherheitshardware
allein reicht nicht aus
22
Was Sie über Raspberry
Pi wissen sollten
endurance
dura
mehr Informationen unter
swissbit.com
durabit™
32
Integriertes HealthMonitoring für zu Hause
44
Der Wert des Internet der
Dinge liegt in den Daten
Internet der Dinge
36 Ein Leitfaden für Prozessoren für das IoT
Für den wachsenden IoT-Markt lassen sich inzwischen
einige grundsätzliche Kategorien erkennen, für die es sich
lohnt, speziell darauf zugeschnittene SoCs zu entwickeln.
38 Designmethoden für IoT-Sensoren
Industrielle IoT-Lösungen und Sensornetzwerke setzen
hohe Batterielebensdauer und gute Leistung auch bei
kurzen Laufzeiten voraus. Das erfordert auf System- und
Modulsnforderungen abgestimmte Designs.
42 IoT-Anwendungen rasch entwickeln
Aufbauend auf der Entwicklungsplattform Synergy von Renesas erleichtert das ARIS-Board von Arrow das IoT-Design,
da die ready-to-use-Lösung speziell für die EmbeddedEntwicklung konzipiert ist.
- the better MLC
durabit™ SATA 6Gb/s SSDs nutzen eine DRAM
unterstützte Seitenverwaltung und erhöhtes
Overprovisioning und erreichen damit bei typischen Embedded Applikationen bis zu vierfach
höhere Zuverlässigkeit und Datenrate gegenüber standard SSDs.
Basierend auf neuster MLC NAND Technologie
und intelligenter Firmware erfüllen sie die
Anforderungen anspruchsvollster Industrieanwendungen.
•
•
•
•
•
•
mSATA, SlimSATA, CFast, 2.5“ Formfaktoren
M.2 in 2242, 2260 und 2280
30-960 GB Kapazität
bis zu 520/450 GB/s, 72/78k IOPS
Industrieller Temperaturbereich
Life Time Monitor Support
44 Der Wert des IoT liegt in den Daten
Wenn in der Embedded-Branche über die neue vernetzte
Welt diskutiert wird, taucht unweigerlich die Frage auf:
„Was soll das eigentlich mit diesem Internet der Dinge?“
RUBRIKEN
3
Editorial
49 Impressum
Treffen Sie unsere Experten auf der
electronica 2016, 8. – 11. November, Halle A6, Stand 319
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
ELEKTRONIKSPIEGEL // NEWS & PERSONALIEN
Intel präsentiert SkylakeNachfolger Kaby Lake
Intels brandaktuelle Doppelkern-CPUs Kaby Lake sind wie der Vorgänger Skylake im 14-nm-Verfahren gefertigt. Die neue 7. Core-i-Generation punktet insbesondere mit höherer Grafik- und Videoleistung.
D
ie i7-Generation von Intels Core-Prozessoren nutzt ein verbessertes Produktionsverfahren, den „14nm+“Prozess. Fakt ist, dass sich Intel mit Kaby
Lake vom Tick-Tock-Modell verabschiedet
(siehe Kasten), denn sowohl Kaby Lake als
auch Skylake nutzen das Tock-Schema. Bereits im März hat Intel ein neues, dreistufiges
„Process-Architecture-Optimization“-Modell
angekündigt. Nach diesem Modell befindet
sich Kaby Lake im Optimization-Modus und
Cannonlake, geplant für 2017 in 10-nm-Fertigungstechnik, wird den „Process“-Modus
des neuen, dreistufigen Modells einläuten.
Ein Grund für Intels Einstieg in den dreistufigen Zyklus ist, dass die Fortschritte in der
Fertigungstechnik langsamer ausfallen als
früher, und so die hohen Kosten, die ein neuer Fertigungsprozess mit sich bringt, gesenkt
werden.
Kaby Lake punktet mit 19%
höherer Web-Performance
Auf dem Markt sind i7-7Y75 und
i7-7500U
Zwei Kerne und vier Threads mit Intels
Hyper-Treading-Technologie bieten sowohl
die CPUs der extrem stromsparenden Y-Serie,
die lüfterlose Einsätze in Notebooks erlauben, als auch der stromsparenden U-Serie,
Bild: Intel
Insbesondere in puncto Grafik punktet die
neue 7. Core-i-Generation. Die neue MediaEngine des im Verfahren 14 nm+ gefertigten
Chips dekodiert Ultra-HD-Video on-chip.
Dies ermöglicht, so Intel, „dank bis zu 19
Prozent höherer Web-Performance den nahtlosen Stream von 4K Ultra High-Definition
Videos“. Dabei beziehen sich die 19% auf den
Vergleich von Intels brandaktuellem KabyLake-Prozessor, dem i7-7500U mit dem zwölf
Monate alten Skylake-Core-i7-Prozessor der
6. Generation, dem i7-6500U, gemessen mit
WebXPRT 2015. Desweiteren will Intel mit der
7. Generation Core-Prozessoren Kaby Lake
auch grafisch anspruchsvolle Gaming-Titel
wie Overwatch flüssig auf ultraschlanken
Notebooks abspielen. Die Media-Engine kodiert zudem VP9 und HEVC-10-Bit-Codecs.
Dies deckt die beliebtesten Ultra-HD-Formate, vor allem für das Streaming, ab. Darüber
hinaus integrieren die 7. Generation der Intel
Core-Prozessoren Funktionen wie Thunderbolt 3 USB Typ C, Microsofts Windows Modern Standby, das Geräte augenblicklich
beim Drücken einer Taste aus dem Ruhemodus holt, sowie Sicherheitsfunktionen wie
Windows Hello, eine Methode, um sich per
Fingerabdruck-, Gesichts- oder Iriserkennung am Windows-10-Gerät anzumelden.
Desweiteren werden Eingabemöglichkeiten
wie Berührung, Stimme und Stift unterstützt.
Kaby Lake: Die i7-Generation von Intels Core-Prozessoren nutzt das verbesserte Produktionsverfahren
14nm+. Davon profitieren insbesondere anspruchsvolle Grafikanwendungen.
6
Das Tick-Tock-Modell
hat ausgedient
Intel hat das Tick-Tock-Modell im Jahr
2007 als zweistufiges Entwicklungsmodell für Prozessoren eingeführt. Es
basiert darauf, dass erst die aktuelle
Mikroarchitektur verkleinert (Tick)
wird, ehe eine neue Mikroarchitektur
im unveränderten Fertigungsprozess
(Tock) entwickelt wird. So basiert Skylake (Tock) auf einer neuen Mikroarchitektur, ist aber wie der Vorgänger
Broadwell (Tick) in 14-NanometerTechnologie gefertigt. Broadwell
wiederum nutzt die Haswell-Mikroarchitektur seines Vorgängers Haswell
(Tock). Haswell basiert jedoch auf der
22-Nanometer-Technologie. Hätte Intel das Tick-Tock-Modell fortgesetzt,
müsste Kaby Lake in einer kleineren
als der 14-nm-Technologie gefertigt
sein. Ein dreistufiges Modell löst jetzt
den Tick-Tock-Zyklus ab.
die in Ultrabooks und 2-in-1-Geräten Einsatz
finden. Erste CPUs sind bereits gelauncht,
nämlich i7-7Y75 mit 4 MB Cache, 1,3 GHz
Grundtakt bis max. 3,6 GHz sowie einer Verlustleistung (TDP) von 4,5 Watt. Desweiteren
Intels CPU i7-7500U mit 4 MB Cache, 2,7 GHz
Grundtakt bis max. 3,5 GHz sowie einer Verlustleistung (TDP) von 15 Watt. Erste Geräte
mit Kaby Lake sollen bereits erhältlich sein.
Übrigens, Apollo Lake heißen Intels neue
Mobile- (N) und Desktop-Prozessoren (J). Die
Celeron- und Pentium-CPUs basieren nicht
auf dem Core i, sondern auf zwei oder vier
Goldmont-Kernen und takten standardmäßig zwischen 1,1 und 2,0 GHz und max. von
2,2 bis 2,6 GHz. Sie unterstützen neben LPDDR3- auch LPDDR4-RAM.
// MK
Intel
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
EMBEDDED COMPUTING // IPC-KOMPLETTLÖSUNG
Per Baukastenprinzip zur fertigen
IPC-Komplettlösung
Die Einsatzszenarien von Industrie-PCs werden immer komplexer.
Lösungen im Baukastenprinzip helfen, diese unkompliziert an neue
Gegebenheiten anpassen zu können.
PETER HOSER *
D
ie Nachfrage nach Industriecomputern für die unterschiedlichsten Einsatzszenarien steigt stetig: ob im Bereich Digital Signage oder in der Fertigung
– Industrie-PCs (IPCs) müssen
immer auf die konkreten
Anforderungen der
Anwendung angepasst und auch
in
raueren
Umgebungen
durchgehend
betriebsbereit
sein. Fujitsu bietet
seinen Kunden ab sofort
die Möglichkeit, eine Lösung unkompliziert im Baukastenprinzip zu konfigurieren. Alle
Komponenten sind klimaerprobt und
zertifiziert. Entsprechend entfallen zusätzliche Kosten für entsprechende Tests der
fertigen Lösungen.
Der Kunde kann sein optimales
System zusammenstellen
Hauptaugenmerk bei der Entwicklung der
FUJITSU Kit Solution wurde auf die freie Konfigurierbarkeit der Lösung gelegt. Dadurch
können Kunden vom Prozessor über den
Speicher bis hin zu den Festplatten das optimale System für ihr Einsatzgebiet auswählen. In der Grundausstattung umfasst das Set
ein neu entwickeltes Gehäuse mit den Abmessungen L x B x H: 250 x 52 x 191 Millimeter inklusive Standfüßen für den horizontalen oder vertikalen Betrieb sowie ein Wallmount-Kit für die Befestigung innerhalb einer Anwendung oder an der Wand.
Hinsichtlich der Mainboards sind die MiniITX-Modelle D3433-S oder D3434-S der 6.
* Peter Hoser
... ist Director OEM Mainboard Sales
bei Fujitsu
8
günstigere D3434-S mit dem Intel-Chipsatz
H110. Dieses Modell unterstützt zwei unabhängige digitale Displays. Beide Boards bieten neben einem PCI Express x16 Gen3
und einem mini-PCIe-Steckplatz
auch umfangreiche externe und
interne
USB-3.0und
USB-2.0-Anschlüsse. Zwei
Intel-Gigabit-EthernetAnschlüsse, LVDS/
eDP und ein
TPM-V2.0-Modul von Infineon (D3433-S)
runden die Funktionalität ab.
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Fujitsu D3433-S: Das Board für den Dauerbetrieb
und erweiterten Temperaturbereich mit Intels
Q170-Chipsatz unterstützt bis zu drei unabhängige
Displays sowie out-of-band-Management via Intels
vPRO 2015 und Intels AMT 11.0.
Generation mit Intels Core-Technologie verfügbar. Außerdem ist eine PCIe-Riserkarte
für das Set verfügbar.
Boards für Dauerbetrieb und
erweiterten Temperaturbereich
Die Mainboards gehören zur IndustrialSerie und sind für den Dauerbetrieb 24/7 in
einem erweiterten Temperaturbereich von
0 °C bis 60 °C geeignet. Das D3433-S mit
Intels Q170-Chipsatz unterstützt bis zu drei
unabhängige Displays sowie out-of-bandManagement via Intels vPRO 2015 und Intels
AMT 11.0. Für Anforderungen ohne spezielle
Management-Funktionen empfiehlt sich das
LGA-1151-Sockel, für
alle Intel-Gen-6-CPUs und
DDR4-RAM
Über den LGA1151-CPU-Sockel können bei
beiden Boards frei skalierbar alle Prozessoren der 6. Generation Intel Core angeschlossen werden. Dies umfasst Celeron G, Pentium
G, Core i3, Core i5 und auch Core i7 CPUs der
T-Serie mit 35 Watt TDP. Über zwei SO-DIMM
Sockel kann ein leistungsstarker DDR4-Arbeitsspeicher angeschlossen werden, der bis
zu 32 GB aufgerüstet werden kann. Das Gehäuse verfügt über ein Laufwerkfach für eine
2,5-HDD- oder SSD-Festplatte, welches durch
einen drehzahlgeregelten und überwachten
4-Pin-PWM-Lüfter zusätzlich gekühlt wird.
Über den M.2-Sockel kann eine weitere SSD
(PCIe Technologie oder SATA) in den Baulängen 42 und 60 mm direkt auf das Mainboard
platziert werden. Über mSATA bietet sich
eine weitere Möglichkeit und Technologie
für den Einbau einer SSD-Festplatte an. Der
mini-PCIe-Slot ermöglicht Zusatzfunktionen,
beispielsweise die Integration von WLAN.
Eine entsprechende Öffnung für die Durchführung einer WLAN-Antenne ist im Gehäuse bereits berücksichtigt.
Das Gehäuse der FUJITSU Kit Solution ist
nicht gebrandet und bietet ausreichend Platz
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
EMBEDDED COMPUTING // IPC-KOMPLETTLÖSUNG
Ein besonderer Vorteil der Lösung ist die
vollständige Zertifizierung aller Komponenten im herstellereigenen Product Compliance
Center. Am Entwicklungs- und Fertigungsstandort Augsburg werden die Komponenten
unter anderem klimatischen Tests für Boards
und Gehäuse-Kits sowie Schock- und Vibrationstests unterzogen. Hinzu kommen Falltests und Prelltests nach DIN EN 60721-3-2
Klasse 2M2, DIN EN 22248 und DIN EN ISO
2247 (2SO10-0052+M03). Auch im Hinblick
auf elektromagnetische Verträglichkeit entspricht das komplette Kit auf Systemebene
den CE- und FCC-B-Vorgaben. Fujitsu stellt
Entwicklern zudem die kompletten Berichte
der Tests zur Verfügung. Somit verfügen Kun-
Fujitsu-Tools erleichtern Entwicklern die Arbeit
Entwickler können die Hardware mit Hilfe
der von Fujitsu mitgelieferten Tools weiter
optimieren. Im Bereich Digital Signage ist es
zum Beispiel empfehlenswert, das D3433-S
mit vPro zu wählen. Das Board ermöglicht
die Ansteuerung von drei unabhängigen Displays (mit zusätzlicher Grafikkarte fünf).
Über vPro kann zudem remote auf das Gerät
zugegriffen und dieses komplett gesteuert
werden. Über die Mega Rac XMS-Software
von AMI hat der Administrator Zugriff auf
das BIOS, kann von einem Remote Image
booten, sämtliche Energiefunktionen wie
Anschalten, Ausschalten, Reboot oder
Standby anwählen und auf eine schnelle
grafische Nutzeroberfläche dank Keyboard/
Video/Mouse (KVM) Redirection zurückgreifen.
Die Anforderungen für Embedded PCs sind
je nach Einsatzgebiet und Umgebungsbedingungen sehr vielfältig. Eine optimale Funktion erfordert eine individuelle Anpassung
des Gesamtsystems, bestehend aus Mainboard, Netzteil, Gehäuse, Display und weiteren Komponenten, an genau diese Anforderungen. Fujitsu bietet hierzu eine Vielzahl
an allgemeinen sowie speziellen industriellen Tools sowie auch diversen Test-Programmen. Zu den allgemeinen Tools gehören
„Werkzeuge“ zum
„ Einbinden eines Kundenlogos in den
Bootscreen,
„ Verarbeiten
von
Microsoft-Lizenzdaten
sowie dem Flashen von
DMI-Daten wie einer Seriennummer,
„ Erstellen von kundenspezifischen BIOS-Einstellungen, welche auch
nach einem Update oder
Recovery erhalten bleiben,
„ Flashen eines BIOS-
MDK Version 5
Die komplette
Software-Entwicklungsumgebung für alle
ARM® Cortex®-M
Mikrocontroller
Unterstützt über
3000 Mikrocontroller
Cortex-M0 • Cortex-M3
Cortex-M4 • Cortex-M7
In NX
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1
Vollständige Zertifizierung aller
Komponenten
den über eine betriebsbereite Komplettlösung. Es entfallen zusätzliche zeitaufwendige und kostenintensive Tests und Zertifizierungen.
Bild: Fujitsu
für Kundenlables als auch einen „powered
by FUJITSU Mainboard“-Sticker. Es verfügt
zudem über Einbaumöglichkeiten für eine
optionale Riserkarte für PCIe-Karten im SFFDesign. So kann beispielsweise für den Bereich Digital Signage eine Grafikkarte angeschlossen werden, die es erlaubt, mit den bis
zu drei Onboard-Grafikschnittstellen insgesamt bis zu fünf unabhängige Displays anzusteuern.
Alternativ können Nutzer COM-Erweiterungskarten oder BUS-Karten für den Industriebereich, Framegrabber- oder auch DualGigabit-Ethernetkarten einsetzen.
Die Lösung beinhaltet eine verschraubbare 12-V-DC-In-Power-Buchse, welche mit einem EMV-Filter und einem Kabelsatz den
Betrieb der Mini-ITX-Mainboards D3433-S
beziehungsweise D3434-S ermöglicht. Das
Power-Design ist auf Prozessoren mit einer
maximalen TDP von 35 W und einem Gesamtsystemverbrauch von 60 W ausgelegt. Als
Kühllösung für die CPU bieten sich sämtliche
1HE LGA115x Kühler mit 4-Pin PWM Lüfterregelung an. Außerdem gibt es eine Intrusionfunktion, welche das Öffnen des Gehäuses
auch im ausgeschaltenen Zustand mitprotokolliert. Ein Anschluss für einen KensingtonLock garantiert zudem Diebstahlsicherheit.
Als Betriebssystem für die FUJITSU Kit Solution eignen sich die Windows-Versionen 7 bis
10 sowie diverse Linux-Systeme.
Sofort einsetzbare
Softwarekomponenten
CMSIS
Network
USB
File System
Graphics
Embedded-Lösungen: Rückansicht der integrierten FUJITSU Kit Solution mit den Anschlüssen des D3433-S
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
9
www.keil.com/mdk
089/45604020
EMBEDDED COMPUTING // IPC-KOMPLETTLÖSUNG
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Wissen ist Macht!
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Linux Schulungen 2016
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mit Debian zur Distro
27. - 28. 09.
Oktober:
Distri-Dschungel
Linux tracing (x-ray)
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Linux Advanced
05. 10.
06. 10.
11. - 12. 10.
19. - 20. 10.
25. - 27. 10.
November:
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Kundenspezifische und inhouse Schulungen gerne auf Anfrage.
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Updates unter DOS und
Windows,
„ Visualisieren und
Einstellen des BoardManagement-Controllers
hinsichtlich der Lüfterdrehzahlen in Abhängigkeit von mehreren
Systemtemperaturen, zum Beispiel der
CPU. Das Tool SystemGuard erlaubt zudem
die Aktivierung des Watchdogs als auch
das Protokollieren von Events in sogenannten Log Files.
Diverse industrielle Tools für IndustrieMainboards von Fujitsu erlauben weitgreifende Anpassungen des Mainboards ohne
Unterstützung durch den Hersteller. Mit Hilfe des SilentFanConfig Managers lassen sich
Lüfterkennlinien individuell den thermischen Anforderungen anpassen. Die Kennlinie wird dabei fest im Flash gespeichert und
bleibt auch nach einem BIOS-Update erhalten.
Ein LVDS-Tool erlaubt die Anpassung der
Onboard-Grafik an unterschiedlichste Display-Formate, Auflösungen und Timings.
Zusätzlich stehen für die Entwicklung kundenspezifischer Software-Tools auch ein
Windows System Monitoring API sowie Linux System Monitoring Driver zur Verfügung.
Diese erlauben beispielsweise den Zugriff auf
Daten wie Lüfterdrehzahlen, Sensor Temperaturwerte, dem Watchdog sowie diversen
Alerts und dem GPIO (General Purpose Input
Output).
Test- und Diagnose-Tools
runden das Softwarepaket ab
Abgerundet wird das umfangreiche Softwarepaket durch spezielle Test- und Diagnose-Tools. Es handelt sich dabei um die gleichen Tools, die auch Fujitsu für die Qualifizierung und in der Systemproduktion für
Desktop PCs, Workstations und Server im
Werk Augsburg verwendet. Hierzu nur ein
paar Beispiele: Mittels Memtest, einem Werk-
10
D3434-S: Dieses
FUJITSU-Board mit dem
Intel-Chipsatz H110 empfiehlt
sich für Anforderungen ohne spezielle
Management-Funktionen.
zeug welches auch bei Speicherherstellern
verwendet wird, können Speicher umfangreich auf Kompatibilität mit dem Mainboard
getestet und bewertet werden. Ein Software
Rebooter stresst das System mit zigfachen
Reboots, welche einen wichtigen Indikator
für ein zuverlässiges System darstellen. Über
authorisierte Mainboard-Distributoren von
Fujitsu erhalten Kunden zudem Support in
der Auswahl und Nutzung der für sie am besten geeigneten Tools.
Gaming und Broadcasting sind
weitere Einsatzgebiete
Die FUJITSU Kit Solution mit den Entwickler-Tools bietet eine Komplettlösung, die für
die unterschiedlichsten Einsatzszenarien
angepasst werden kann. In der industriellen
Automation ist sie beispielsweise als Industrial Thin Client oder boxed IPC einsetzbar.
Mit einer zusätzlichen Grafikkarte eignet sich
das Gerät für grafische Anwendungen im
Bereich Videoüberwachung, KIOSK oder
auch Digital Signage.
Des Weiteren bringt die Lösung alle Zertifizierungen für die Anforderungen der Medizintechnik mit sich. Weitere Einsatzgebiete
sind zudem Gaming (z.B. Spielautomaten)
oder Kommunikation und Broadcasting.
Dank der variablen Konfigurierbarkeit entstehen darüber hinaus zahlreiche Applikationsszenarien, die infolge der langfristigen
Verfügbarkeit von fünf Jahren Kunden und
damit letztendlich auch Endnutzern eine
zuverlässige und stabile Plattform für lange
Zeit bieten.
// MK
Fujitsu
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
Ihr Partner für Tests
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Internet of Things (IoT)
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EMBEDDED COMPUTING // KUNDENSPEZIFISCHES GESAMTSYSTEM
Serientaugliche x86-Starterkits für
die schnelle Umsetzung
Embedded-CPU-Module haben die Entwicklung von Embedded-Systemen sehr erleichtert. Doch der Weg zum kundenspezifischen Gesamtsystem ist dennoch oft langwieriger als gedacht. Aber es gibt Abhilfe.
HARALD MAIER *
D
ie Dokumentation von EmbeddedModulen enthält viele Informationen.
etwa zum Featureset, der Schnittstellenbelegung, den Einsatzbedingungen und
dem Stromverbrauch. Bei x86-Standardmodulen, die konform zu Standards wie COM
Express entwickelt wurden, gibt es darüber
hinaus noch eine weitere, firmenunabhängige Dokumentation. So stellt etwa das Normungsgremium PICMG für COM Express
(dort unter COM.0-Standard geführt), ein
Carrierboard Design Guide zur Verfügung,
das bei der Entwicklung eines kundenspezifischen Carrierboards unterstützt. Um im
Vorfeld das CPU-Modul mit der eigenen An-
* Harald Maier
... ist Business Development Manager
für den Bereich x86 / Embedded PCs
bei TQ-Systems
wendungssoftware zu testen und applikationsspezifische Erweiterungen zu evaluieren,
ist es aber wichtig, die reale Hardware auf
dem Tisch zu haben. Dazu dienen Starterkits,
die jeder Hersteller passend für seine Modulfamilien anbietet. Je nachdem, wie gut diese
konzipiert sind und welchen Funktionsumfang sie abdecken, lässt sich die erste Evaluierung schnell und effizient durchführen.
„Ready-to-Use“-Kits und
Status „serienreif“
Entwicklungszeiten sind knapp kalkuliert.
Deshalb sollten sich Starterkits möglichst
einfach in Betrieb nehmen lassen. Carrierboard, CPU-Modul und Kühlung sollten zumindest als fertig montierte Einheit geliefert
werden, um erste Handhabungsfehler zu
vermeiden. So können die eigentlichen Tests
sofort starten. Modul-Anbieter wie die TQGroup stellen dies dadurch sicher, dass alle
s
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ild
B
Untypisch: Die x86-Starterkits von
TQ sind für die Serienproduktion
qualifiziert und geben damit mehr
Designsicherheit.
12
Starterkits vor der Auslieferung durch Techniker aufgebaut, konfiguriert und getestet
werden. Wo es möglich ist, werden die Starterkits von FAEs (Field Application Engineers) sogar vor Ort mit dem Entwickler beim
Kunden in Betrieb genommen. So lassen sich
auch erste Fragen schnell persönlich klären.
Starterkits dienen nicht nur zur funktionalen Evaluierung. Sie eignen sich etwa
auch, um die Performance und den tatsächlichen Stromverbrauch zu testen. Aber nicht
nur das: Ideal für den Entwickler ist es, wenn
er bei der Entwicklung des eigenen Carrierboards auf fertige Schaltungsteile des Starterkits für sein späteres Serienprodukt zurückgreifen kann. Und gerade hier trennt
sich bei den Herstellern die Spreu vom Weizen. Bei der Auswahl des Starterkits ist zu
beachten, dass es Funktionen bietet, die die
weiteren Entwicklungsschritte schnell und
effizient durchführen lassen. Zu oft kommen
gerade bei Starterkits teuere, alte oder exotische Bauteile zum Einsatz, da dies bei den
geringen Stückzahlen keinen merklichen
Einfluss hat. Auch ist es bei Starterkits meist
nicht relevant, welche Produktionsschritte
für die Herstellung notwendig sind. Starterkits unterliegen bei den meisten Herstellern also nicht den Grundsätzen
„Design-for-Manufacturing“
und „Design-to-Cost“, die bei
einer Übernahme von Schaltungsteilen in ein Serienprodukt aber
unbedingt berücksichtigt werden müssen. Zudem gibt es Starterkit-Ausführungen,
die sehr viele Optionen bieten und ein breites
Feld an unterschiedlichen Modulen abdecken. Um dies realisieren zu können, sind
etliche Multiplexer, Jumper und Zusatzschaltungen nötig, die bei einem Serienprodukt
nicht notwendig sind. Die Schaltungsteile
sind in diesem Fall oft nicht auf ein schlankes, kostenoptimiertes Design ausgelegt.
Darüber hinaus muss sich der Entwickler
immer die Frage stellen, was für die Umset-
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
EMBEDDED COMPUTING // KUNDENSPEZIFISCHES GESAMTSYSTEM
zung eines Serienprodukts tatsächlich benötigt wird und was weggelassen werden kann.
Die TQ-Group schließt diese Schwachpunkte bei ihren COM-Express-Starterkits
durch einen einfachen Grundsatz aus: Starterkits sind nicht nur Evaluierungsplattformen, sondern werden auch in Serienprodukten inklusive aller notwendigen Qualifizierungen eingesetzt. Alle Schaltungsteile wie
Schnittstellenbeschaltung, Speicheranbindung und Funktionserweiterungen können
so bedenkenlos 1:1 in ein kundenspezifisches
Design übernommen werden. Zusatzfunktionen, die rein zur Evaluierung genutzt werden, sind in den Unterlagen speziell gekennzeichnet und haben keine versteckten Wechselwirkungen zu den Standardschaltungen.
Vom Starterkit zur einheitlichen
Plattform
Starterkits sind oft als reine Testplattform
gedacht. Sind die Tests durchgeführt, beginnt die eigentliche Entwicklungstätigkeit.
Schaltpläne und Layout sind zu erstellen. Es
folgen der Prototypenbau, die Inbetriebnahme und Umsetzung in ein Serienprodukt
inklusive notwendiger Zulassungen. Der Ansatz der TQ-Group, dass die Starterkit-Carrierboards auch in Serienprodukten eingesetzt werden, lässt Entwickler schneller zum
eigenen System kommen. TQ nennt dieses
Plattformkonzept COMSys (COM Express basierende Systeme). Die Carrierboards sind so
ausgelegt, dass sie bereits viele Standardfunktionen abdecken. Applikationsspezifische Erweiterungen können mit Standard
IO-Karten aber auch durch kundenspezifische Erweiterungskarten ergänzt werden.
Auch mechanisch sind die Plattformen für
den Serieneinsatz und eine einfache Integration in Gehäuse ausgelegt. Selbst das
thermische Konzept ist gut durchdacht. Auf
dem jeweiligen CPU-Modul ist typischerweise ein Heatspreader aufgesetzt, der die Wärme des Moduls extrem effizient auf eine
möglichst große Fläche verteilt. Beim Einsatz
als Starterkit wird dort, wo nötig, zusätzlich
ein aktiver Kühler aufgeschraubt. Wird die
Plattform in ein Gehäuse verbaut und etwa
thermisch mit dem Deckel verbunden, so
erfolgt die mechanische und thermische Anbindung direkt am Heatspreader. Da dieser
den höchsten Punkt im Systemaufbau darstellt, ist die Gehäusekonstruktion und
Kühlanbindung extrem simpel und zuverlässig umsetzbar. Das spart Zeit und Aufwand.
Die TQ-Group setzt den Weg vom Starterkit
zum Plattformgedanken dadurch fort, dass
die Carrierboards für unterschiedliche Modul-Leistungsklassen innerhalb einer Plattform bezüglich Mechanik sowie Komponen-
PRAXIS
WERT
MSys-Plattform für
IoT-Gateways
Für extrem kompakte Anwendungen
bietet TQ weitere Referenzplattformen
an. Typischerweise werden sie nicht
als klassische Starterkits verwendet,
dennoch sind sie Basis für Softwareund Performancetests oder Proof-ofConcepts. Für die meisten Plattformen
gibt es branchen- oder applikationsspezifische Zusatzkomponenten, die
sich mittels Demos testen lassen.
Zur Realisierung anspruchsvoller IoTGateway-Anwendungen eignet sich
etwa die MSys-Plattform mit COMExpress-Mini-Modulen in der AtomLeistungsklasse. Die Carrierboards
sind mit lediglich 100 mm x 100 mm
spezifiziert, WLAN, Bluetooth und
2G/3G/LTE sind via Standardmodule
einfach zu ergänzen, ebenso FeldbusSchnittstellen. Software-Komponenten für eine Cloud-Anbindung runden
diese Plattform für die Evaluierung
als Gateway ab.
ten- und Schnittstellenanordnung einheitlich konzipiert sind. Das erlaubt eine passende Gehäuselösung als Zusatzoption über den
kompletten Plattformgedanken hinweg.
Kunden steht es also bei dem TQ-Lösungsansatz völlig frei, auf welchem Level der Integration ein kundenspezifisches Design gestartet werden soll. Für extrem kundenspezifische Anforderungen kann das Starterkit,
dessen Schaltungsteile sowie das Know-how
aus dem Plattformkonzept genutzt und extrem schnell in eigene Elektronik- und Gehäuselösungen umgesetzt werden. Deckt das
Starterkit schon während der Evaluierung
alle Anforderungen ab, kann sich der Kunde
sogar die Elektronikentwicklung sparen. Das
hat sich in der Praxis schon oft bewährt, insbesondere, wenn sich das Projekt noch im
Ramp-Up befindet oder die Stückzahlen
noch schwer vorherzusagen sind. Egal, ob
selbst entwickelt oder mit Partnern wie der
TQ-Group: Die durchdachte Auswahl eines
Starterkits oder einer Referenzplattform
schafft maßgebliche Grundlagen für die
schnelle Umsetzung eines Projektes. // MK
TQ-Systems
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
13
EMBEDDED COMPUTING // EMBEDDED STANDARDS
TITELSTORY
Der neue Standard SMARC 2.0 ermöglicht aktuelle Schnittstellen für zukünftige Embedded-Anwendungen, unter anderem für den rauen Industrieeinsatz und für IoT-Projekte.
Der neue SMARC-2.0-Standard (Smart Mobility ARChitecture)
ist die Weiterentwicklung des SMARC-1.1-Standards für Low
Power-Prozessormodule.
Alle wichtigen Signale für Prozessoranwendungen im Bereich Embedded sind erhalten geblieben. Ältere Anschlüsse entfallen, um Platz zu schaffen für neue Schnittstellen,
die mit hoher Geschwindigkeit und geringer Pin-Zahl einen
ökonomischen Zugewinn an Funktionalität und Performance
versprechen.
14
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
EMBEDDED COMPUTING // EMBEDDED STANDARDS
Low-Power-Embedded-Module für
smarte Industrieanwendungen
Die Nachfrage nach energieoptimierten Embedded-Modulen steigt.
MSC Technologies informiert über die Vorteile des Standards SMARC
2.0 und präsentiert geeignete Module.
S
peziell für Industrie-4.0-Anforderungen ausgelegt ist das von MSC Technologies entwickelte und gefertigte Embedded-Modul MSC SM2S-IMX6, das dem
neuen Standard SMARC 2.0 (Smart Mobility
ARChitecture) für Low-Power-Systeme entspricht. Zur schnellen Evaluation, zum Test
und zum Prototyping ist das passende Träger-Board MSC SM2-MB-EP1 verfügbar.
Die überwiegende Anzahl der heute eingesetzten Embedded-Module entspricht in
Größe und Leistungsdaten definierten, weltweit anerkannten Standards. In der Industrie
haben sich im Laufe der letzten Jahre die
beiden Formfaktoren COM Express der
PICMG-Organisation und Qseven des SGeTVereins durchgesetzt. Die SGeT e.V. (Standardization Group for Embedded Technologies)
ist ein eingetragener Verein mit derzeit über
50 Mitgliedern, die sich die Entwicklung und
Verbreitung offener Spezifikationen auf die
Fahne geschrieben haben.
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
Der Qseven-Standard nutzt
MSM-2-Steckverbinder
Der aktuelle Qseven-Standard bietet nur
wenige Möglichkeiten, die notwendigen Erweiterungen der Schnittstellen für zukünftige Embedded-Anwendungen mit Echtzeitfähigkeit zu erlauben. Hauptgrund ist der
MXM-2 Steckverbinder zum Trägerboard, der
lediglich 230 Anschlüsse aufweist und keine
zusätzlichen Signale mehr aufnehmen kann.
Eine Alternative wäre der Übergang zum
15
Bild: MSC Technologies
EMBEDDED COMPUTING // EMBEDDED STANDARDS
nächst breiteren Steckverbinder MXM-3, der
314 Anschlüsse bietet.
SMARC 2.0 ermöglicht moderne
Schnittstellen
Als bessere Lösung hat sich die Weiterentwicklung des SMARC-1.1-Standards für LowPower-Prozessormodule zu SMARC 2.0
(Smart Mobility ARChitecture) herauskristallisiert. Alle wichtigen Signale für EmbeddedProzessoranwendungen sind erhalten geblieben. Ältere Anschlüsse entfallen, um Platz
zu schaffen für neue Schnittstellen, die mit
hoher Geschwindigkeit und geringer PinZahl einen ökonomischen Zugewinn an
Funktionalität und Performance versprechen. Die Abwärtskompatibilität von SMARC
2.0 zu SMARC 1.1 ist dabei nur mit Abstrichen
gegeben.
Was erreicht wurde, ist hingegen die absolute Tauglichkeit des Standards für ARM/
RISC- sowie für x86-Prozessoren. Außerdem
konnte erreicht werden, dass Beschädigung
durch Kombination von alter und neuer
SMARC Hardware weitestgehend ausgeschlossen ist. Als einer der führenden Embedded-Hersteller beteiligt sich MSC Technologies aktiv an der Standardisierung von
Computer-On-Modulen (COMs) und hat auch
an der Definition des neuen SMARC-2.0Standards mitgearbeitet. Die Zielsetzung
war, einen den heutigen Anforderungen entsprechenden und zukunftssicheren Standard für Embedded-Module in kleinen Formfaktoren zu definieren. Mit insgesamt 314
Anschlüssen ist das SMARC-2.0-Modul speziell für die vielfältigen Anwendungen in der
Industrie ausgelegt (Bild 1).
Der neue SMARC-Stecker ist für die Aufnahme der neuesten Hochgeschwindigkeitsschnittstellen optimiert und umfasst im Vergleich zum Standard SMARC 1.1 unter anderem ein zweites LVDS Interface. Die Schnittstelle kann verwendet werden, um
zusammen mit dem ersten LVDS Port hochauflösende LCDs mit Zweikanal-Ansteuerung
zu betreiben oder den Betrieb von zwei verschiedenen Displays an einkanaligen LVDSSchnittstellen zu erlauben. Eine alternative
Belegung der LVDS Ports mit DSI oder Embedded DisplayPort (eDP) ist im Standard
vorgesehen. Die parallelen RGB-Signale für
kleinere LCDs entfallen, da diese zunehmend
Bild 2: Das SMARC-2.0-Modul MSC SM2S-IMX6
von von MSC Technologies basiert auf dem i.MX6
System-on-Chip von NXP
weniger Bedeutung in den heutigen Anwendungen haben.
Der bei SMARC 1.1 vorhandene HDMIGrafik-Port wird ergänzt durch einen kombinierten HDMI/DP-Anschluss, der als DP++
die Signale für DisplayPort, HDMI und DVI
umfasst. Anstelle der entfallenen RGB-Signale wurde ein weiterer DP++ Port implementiert wodurch insgesamt drei unabhängige Anzeigesysteme mit unterschiedlichen
Display-Daten versorgt werden können.
Neben dem Gigabit Ethernet Port ist bei der
Revision 2.0 ein zweiter Port vorhanden, um
zwei getrennte Ethernet-Zweige zu ermöglichen und Kommunikationsbereiche voneinander zu entkoppeln. Das spielt zum Beispiel
in IoT Gateways für die Sensor- und die Management-Ebene eine bedeutende Rolle.
Zusätzliche Trigger-Signale für beide Ethernet-Ports machen die LAN-Schnittstellen
echtzeitfähig nach IEEE1588.
SMARC 2.0 weist bis zu vier PCI-ExpressSchnittstellen auf, was eine deutliche Performance-Steigerung in Aussicht stellt. Mit bis
zu sechs USB 2.0 und zwei USB 3.0 Ports steht
eine ausreichende Anzahl an Anschlüssen
zur Verfügung. Zwei Audio-Schnittstellen
existieren nebeneinander, die eine für I2SAudio, das besonders bei ARM-Prozessoren
verwendet wird, und die andere für HD-Audio, der Standard-Codec für x86-CPUs. 4 Bit
SDIO ermöglicht auch weiterhin den Anschluss der weit verbreiteten SD-Karten. Für
die Anbindung moderner Kameras sind zwei
MIPI CSI-2 Schnittstellen verfügbar, eine mit
zwei Lanes und die zweite mit sogar vier Lanes. SMARC 2.0 bietet darüber hinaus auch
einen SATA-Port, 12 GPIOs, zwei CAN-Busse
„Wir sehen SMARC 2.0 als einen zukunftssicheren Standard
für Embedded-Module und entwickeln Module basierend auf
der nächsten Intel Atom-Generation (Codename Apollo Lake).“
MSC Technologies
16
und vier UART-Schnittstellen speziell für
Embedded-Anwendungen.
Der MXM-3-Steckverbinder bietet darüber
hinaus reservierte Pins, die zukünftig bei
Bedarf für die Ergänzung durch weitere
Schnittstellen verwendet werden können.
Mit dieser Erweiterung ist sichergestellt, dass
der Standard aufwärtskompatibel verbessert
werden kann. Die getätigten Investitionen in
den aktuellen SMARC-Modulstandard werden also nicht durch neue Revisionen zunichte gemacht.
SMARC 2.0 ist gerüstet für x86und ARM-Low-Power-CPUs
Der Standard SMARC 2.0 sieht die zwei
unterschiedlichen Modulgrößen 82 mm x 50
mm und 82 mm x 80 mm vor und ist damit
gut vorbereitet für alle x86- und ARM-LowPower-Prozessoren.
Der kleine Formfaktor offeriert genug Platz
für ein Single Chip SoC (System-on-Chip) wie
Intel Atom oder NXP i.MX6, einige DRAM
Chips und eventuell einen Flash-Baustein.
Sollen jedoch neben Ethernet noch weitere
periphere Funktionen durch diskrete Controllerchips realisiert werden, bietet sich das
größere Format an. Beispielsweise lassen
sich dann RF-Funktionen wie WLAN, Bluetooth oder 3G/4G-Datenfunk auf dem Modul
hinzufügen, wofür SMARC 2.0 sogar die Platzierung der Antennenanschlüsse spezifiziert.
MSCs SM2S-IMX6 für Quad-,
Dual- und Single-Core-CPUs
Das von MSC Technologies lieferbare
SMARC-2.0-Modul MSC SM2S-IMX6 basiert
auf dem i.MX6 System-on-Chip von NXP und
unterstützt Quad-, Dual- und Single-CoreCPUs (Bild 2). Als Prozessoren stehen der
i.MX6 Quad, Dual, DualLite oder Solo zur
Auswahl. Das Modul wurde jedoch bereits
auf die inzwischen verfügbaren Prozessoren
6QuadPlus und 6DualPlus ausgelegt, die
eine höhere Rechen- und Grafikleistung erbringen.
Das 82 mm x 50 mm kompakte MSC SM2SIMX6 verfügt über bis zu 4 GB DRAM und bis
zu 64 GB eMMC Flash. Ein Micro-SD-Kartenschacht erlaubt das Einsetzen von FlashKarten beliebiger Kapazität. An den HDMIund LVDS-Grafikschnittstellen können drei
Anzeigen bis zu einer Full-HD-Auflösung
angeschlossen werden. PCI Express und SATA II bis zu 3.0 Gbps stehen ebenso zur Verfügung wie bis zu 5 x USB 2.0 Host und ein
USB 2.0 OTG (Host/Client) sowie Gigabit
Ethernet, 4 x UART, 2 x SPI, 2 x I²C und 2 x
CAN. Eine MIPI CSI-2 Schnittstelle kann als
Kameraeingang verwendet werden. Vom
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
ARM Cortex-A8 / i.MX53
ARM Cortex-A7 / i.MX6UL
EMBEDDED COMPUTING // EMBEDDED STANDARDS
PRAXIS
WERT
Entwicklung und Produktion in Deutschland
MSC Technologies entwickelt und fertigt ihre leistungsfähigen Embedded-Modulfamilien in Deutschland. Jens Plachetka, Manager Embedded Boards bei MSC Technologies, sagt: „Da wir die Entwicklung und Fertigungsdienstleistung im Haus zur
Verfügung haben, können Projekte mit der von unseren mittelständischen Kunden
gewünschten Stückzahl in der gewünschten Qualität und Flexibilität durchgeführt
werden. Wir sehen SMARC 2.0 als einen zukunftssicheren Standard für EmbeddedModule und entwickeln momentan Module basierend auf Intels nächster Atom-Generation (Codename „Apollo Lake“) sowohl im kleinen Short-Size- als auch im großen Full-Size-Format.“
MSCs Trägerboard für die
SMARC-2.0-Evaluation
Standardisierte Computer-On-Module unterschiedlicher Formfaktoren und Leistungsklassen erlauben die schnelle und kostenoptimierte Entwicklung kundenspezifischer
Systeme. Selbst bei niedrigen Stückzahlen
sind flexible Konfigurationen und eine hohe
Individualität der Embedded-Produkte realisierbar. Entscheidend ist die richtige Wahl
des auf die Anwendung optimalen Standardmoduls. Skalierbare Low-Power-Prozessormodule sind ein Grundstein für die Realisierung intelligenter Embedded-Systeme, die in
zukünftigen Märkten wie der Gebäudeautomatisierung, der Energietechnik oder dem
Internet of Things (IoT) zum Einsatz kommen. Die Embedded Hardware muss zuverlässig im 24/7-Betrieb laufen und über ausgefeilte Sicherheitsfunktionen verfügen, um
die Datensicherheit der Kommunikation und
den Schutz der Hardware gegen Angriffe von
außen zu gewährleisten.
// MK
MSC Technologies
Bilder: MSC Technologies
Das zum Modul passende Träger-Board
von MSC Technologies, das MSC SM2-MB-EP1
im Mini-ITX-Format, erlaubt den Zugriff auf
die meisten Features des neuen SMARC
2.0-Standards (Bild 3). Das Board eignet sich
mit seiner Schnittstellenvielfalt bestens für
die Evaluation von SMARC-2.0-Modulen und
kann sogar als Serienboard für weniger anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt werden.
ARM9 / i.MX28
QorIQ P1
QorIQ / LS102x
ARM Cortex-A9 / i.MX6
neuen Modul wird es Varianten für die Standardtemperatur und den vollen industriellen
Temperaturbereich von -40 bis 85 °C geben.
Der komplette Software Support vom Boot
Loader über Betriebssystem bis zu Treibern
und Tools, steht von MSC Technologies bereits jetzt zur Verfügung. Dazu gehören Yocto Linux und Android, während Windows
Embedded Compact (WEC2013 und WEC7)
und weitere Linux-Varianten später folgen.
QorIQ P2
ARM Cortex-A7 / i.MX7
ARM11 / i.MX35
QorIQ T1
Mit TQ und NXP
sicher zum Erfolg
TQMLS102xA
nur 55 x 44 mm
280 Pin, 0,8 mm
■ Alle Prozessor Funktionen verfügbar
■ Langzeitverfügbarkeit >10 Jahre
■ Robustes Design
■ Eigene Fertigung
■ Umfangreicher Support
TQ-Group l Tel. 08153 9308-0
Mühlstraße 2 l 82229 Seefeld
[email protected]
www.tq-group.com
Bild 3: Das zum Modul SM2-MB-EP1 von MSC Technologies passende Träger-Board MSC SM2-MB-EP1 im
Mini-ITX-Format
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
17
EMBEDDED COMPUTING // EMBEDDED STANDARDS
Es gibt noch Hoffnung für
ETX-Nutzer
Der Embedded-Modul-Standard ETX ist ein echter Langläufer für vielerlei Anwendungen in der Industrieautomatisierung. Denn er fokussiert
nicht höchste Leistung, sondern eine Architektur für die Industrie.
WOLFGANG EISENBARTH, JAN FELDER *
D
er Embedded-Modul-Standard ETX
verdankt seinen Erfolg aus den Anfangstagen der offenen Modulkonzepte auch der Unterstützung des ISA-Busses
und den einfachen Hardware-Designs für
anwendungsspezifische Schnittstellen. Die
Beliebtheit des ISA-Busses wäre heute noch
ungebrochen, wenn da nicht die fehlende
Unterstützung durch die modernen Betriebssysteme und CPU-Busse wäre, die eine Weiterentwicklung teuer und ineffizient gemacht
hätte. Die CPU-Generationen von Intel und
AMD orientieren sich an der User Experience,
die auf Hochleistungsgrafik und schnelle
Datenverbindungen abzielt. Synchrone Bussysteme sind daher die bestimmenden Elemente der Architektur. Das Echtzeitverhalten
ist dann interessant, wenn offensichtlich der
Ton nicht zur Darstellung eines Videostreams
passt. Die Belange von Industrieanwendungen stehen dabei nicht im Fokus. Dies macht
die Designaufwendungen für einfaches I/O
aufwändig und unnötig teuer. Der asynchrone ISA-Bus war hierzu das Multitalent, dem
heute noch vielfach nachgetrauert wird.
Vortex86DX3-CPU, Spezialist
für die Industrie
DMP Electronics fokussiert mit der Vortex86DX3-CPU nicht höchste Leistung, sondern eine Architektur für die Industrie: Ausreichende CPU Performance, Unterstützung
moderner Speichermedien und I/OSchnittstellen, wie die Industrie sie gerne
verwendet, stehen im Vordergrund. Durch
die Verwendung der 486er-Architektur (als
Dual-Core mit 2 x 1 GHz) entstand ein Systemon-Chip-Design mit sehr niedriger Verlustleistung, für das günstige passive Kühllösungen für den spezifizierten Temperaturbereich
von -40°C ~ 85°C ausreichen. Dies klingt sehr
vielversprechend. Als Dual-Core-CPU mit
* Wolfgang Eisenbarth und Jan Felder
... sind Mitarbeiter von Portwell Deutschland
18
PEM-E205VLA von
Portwell: Das ETX-3.0Modul von Portwell mit
dem Vortex-Prozessor
86DX3 unterstützt etwa
ISA-Bus, IDE / SATA und
ist langzeitverfügbar.
1 GHz spielt die Vortex86DX3-CPU in einer
anderen Liga als ihre Vorgänger und bietet
eine Leistungsklasse, die in der Automatisierung, bei der es um Steuern und Regeln geht,
ein breites Anwendungsfeld findet. Moderner DDR3-Speicher und neue Schnittstellen
machen sie zukunftssicher. Neben schnellem
Ethernet (ETX unterstützt nur 100 Mbit), 4 x
USB 2.0 und SATA ist ein Grafikprozessor auf
dem SoC implementiert, der mit Auflösungen
bis zu 1920×1440@60Hz aufwarten kann. Um
die sichere Funktion auch in einer industriellen Umgebung zu gewährleisten, ist der
gelötete Arbeitsspeicher bis zu 2 GByte groß,
zudem wird optional eine SSD – auf Wunsch
auch in SLC-Technologie – angeboten.
Unterstützung für IDE, ISA und
Memory Hole
Die wichtigsten Schnittstellen sind der
ISA-Bus, die seriellen Schnittstellen und ein
IDE-Kanal, so dass zwei CompactFlash-Sockel auf dem Carrierboard unterstützt werden. Während aktuelle x86-CPUs von Intel
kein Memory Hole für den ISA-Bus mehr
zulassen, kann auf dem Vortex86DX3 ein
Speicherplatz über das BIOS reserviert werden. Neben den IRQs und IO-Bereichen mit
vollem 16-Bit-Zugriff bietet der Vortex86DX3
ein 64-kByte-Memory-Hole im Bereich zwischen 0x000C0000-0x000DFFFF. Statt eines internen Ethernet Controllers ist ein externer Realtek RTL8119L am PCI Express Bus
verfügbar. So sind Langzeitverfügbarkeit und
eine große Betriebssystemunterstützung
(DOS, Windows XP, 7 und 10) erreicht. Für
Kompatibilität zu unterschiedlichen Carrierboard-Implementierungen ist der externe
Ethernet-Controller im Current- und VoltageMode zu betreiben. Wann ein ETX-Einsatz
heute noch sinnvoll ist, kann nur der Anwender kompetent beantworten. Hersteller können ihn mit Plattformen und großem Wissen,
gewonnen aus vielen ETX-Anwendungen,
untestützen. Da sich jede Anwendung durch
die Nutzung kundenspezifischer I/O-Karten
unterscheidet, sind generelle Statements
nicht möglich. Die langfristige Verfügbarkeit
über zehn Jahre und die funktionale Unterstützung der ETX-Schnittstellen könnte lohnen, den wesentlich höheren Aufwand einer
kompletten Neuimplementierung einige
Jahre hinauszuschieben. Portwell bietet Migrationsunterstützung und spezielle OEMUnterstützung durch ihre Niederlassung in
Dreieich bei Frankfurt an.
// MK
Portwell
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
Connecting Global Competence
Planet e:
Where the
future begins.
Elektronik von morgen.
Schon heute.
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Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und
Anwendungen der Elektronik
Messe München I 8.–11. November 2016 I electronica.de
SICHERHEIT // HARDWARE UND PROZESSE
Sicherheitshardware alleine
schützt Geräte nicht vor Angriffen
Warum die OEMs zusätzlich zur Sicherheitshardware auch noch
Sicherheitsprozesse implementieren müssen, wenn sie ihre Geräte
wirkungsvoll vor Angriffen schützen wollen.
AMAR ABID-ALI *
Spezifizieren von Sicherheitshardware
Der erste Schritt zur Sicherung eines netzwerkfähigen Geräts besteht darin, es mit
bewährten Sicherheitseinrichtungen bei der
Hardware und der Software auszustatten. In
jedem Embedded- oder IoT-Netzwerk gelten
für die einzelnen Nodes drei Grundanforderungen zur Sicherheit:
„ Authentifizierung: Jeder Node muss sich
gegenüber dem Netzwerk identifizieren
können, damit das Netzwerk überprüfen
kann, dass es sich um einen gültigen Node
und nicht um ein böswilliges oder nicht autorisiertes Gerät handelt.
* Amar Abid-Ali
... ist Vertical Segment Manager
Wireless Connectivity bei Future
Electronics (EMEA)
20
Bild: Clipdealer
F
ast jedes neue Gerät ist heute in irgendeiner Weise mit einem Netzwerk verbunden, auch wenn es nicht zum Internet der Dinge gehört. Und den OEM ist
durchaus klar, dass jede Verbindung eines
Geräts zum Netzwerk dieses und die Daten,
die es über das Netzwerk austauscht, angreifbar macht. Daher wird die Anforderung zur
Sicherheit des Geräts normalerweise in der
Marketingspezifikation neuer Entwicklungsprojekte vorgegeben. Die für die Hardware
zuständigen Entwicklungsingenieure und
die Softwareentwickler müssen die Verantwortung dafür übernehmen, beim Gerät den
Schutz vor Hackern und Angreifern vorzusehen. Sollten die Bemühungen, EmbeddedDevices zu schützen, jedoch beim Entwicklungsteam beginnen und enden? Tatsächlich
zeigt die Erfahrung aus der Industrie für
Embedded- und elektronische Geräte, dass
Geräte in den meisten Fällen nicht wegen
Fehlern bei der Sicherheitshardware oder
-software, sondern wegen mangelhafter Sicherheitsprozesse angreifbar werden.
Ausgespäht: Jede Verbindung eines Geräts zum Netzwerk macht dieses Gerät und die Daten, die es über das
Netzwerk austauscht, angreifbar.
„ Verschlüsselung: Die von jedem Node gesendeten und empfangenen Daten müssen
geheim bleiben, damit nur autorisierte Geräte diese Daten nutzen können.
„ Schutz: Jeder Node muss nach der Installation Eindring- oder Sabotageversuchen
widerstehen können.
Halbleiterhersteller leisten eine Menge,
um die Implementierung aller drei Sicherheitsfunktionen zu ermöglichen. Atmel liefert z.B. mit der CryptoAuthentication-Familie zahlreiche Standalone-Geräte zur Authentifizierung und Verschlüsselung. STMicroelectronics und NXP Semiconductors sowie
Atmel selbst liefern Mikrocontroller mit integrierten Sicherheitsfunktionen zur Verund Entschlüsselung von Datenströmen,
zum Signieren und zur Verhinderung von
Sabotage. Diese Bauteile implementieren
normalerweise eine Version des Advanced
Encryption Standards (AES) oder der EllipticCurve-Cryptography- (ECC) Technologien zur
Ver- und Entschlüsselung und den SecureHash-Algorithmus (SHA) zur Authentifizierung und Signierung. All diese Technologien
erwiesen sich gegen direkte Angriffe, selbst
von sehr entschlossener und gut ausgestatteter Seite, als äußerst widerstandsfähig.
Jedes Netzwerk ist nur so sicher
wie seine schwächste Stelle
Das Problem für die OEM ist, das diejenigen, die die Sicherheit eines Geräts aushebeln wollen, genau wissen, wie die Sicherheitstechnologie implementiert ist. Sie wissen, wo die Schwächen liegen, und jedes
Netzwerk ist nur so sicher wie seine
schwächste Stelle. Gewöhnlich sind die Ele-
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
SICHERHEIT // HARDWARE UND PROZESSE
mente „Schlüsselerzeugung“ und „Schlüsselverwaltung“ eines sicheren Netzwerks am
ehesten angreifbar. Jedes von einem Hersteller wie Atmel, ST oder NXP gelieferte Sicherheits-IC verlangt die Nutzung eines privaten
„Schlüssels“, also eine geheime Referenznummer, die nur dem OEM bekannt ist.
Wenn der private Schlüssel, z.B. eines Geräts
zur Überwachung der Herzfunktion eines
Patienten, geheim ist, kann ein AES-verschlüsselter und SHA-signierter Datenstrom
zur Herzfrequenz des Patienten sicher über
das Internet von der Wohnung des Patienten
zu den gesicherten Servern des Geräteherstellers übertragen werden, um dort gelesen
und – wiederum über das Internet – von
Ärzten überwacht zu werden. Die Technologien zum Verschlüsseln und Signieren selbst
lassen sich nicht knacken. Wenn der geheime
Schlüssel jedoch einem unbefugten Dritten
bekannt ist, wird die vom IC implementierte
Sicherheit wirkungslos. Daher müssen zwei
häufig gemachte Fehler vermieden werden.
Einfallstor Schlüsselerzeugung
und Schlüsselverwaltung
Der erste Fehler liegt bei der Schlüsselerzeugung. Bei symmetrischen Sicherheitstechnologien, z.B. AES (bei denen ein Node
sowohl die Verschlüsselung als auch die
Entschlüsselung übernehmen kann), wird
der private Schlüssel sowohl beim Sender als
auch beim Empfänger genutzt. Dadurch entsteht eine Schwachstelle: Ein Angreifer kann
hochentwickelte Sensoren und Messgeräte
einsetzen, um die elektrische und die elektromagnetische Aktivität an beiden Enden
einer Kommunikationsverbindung zu erfassen und zu analysieren. Mit der Suche nach
einem Muster, das beim Sender und Empfänger auftritt, kann der Schlüssel ermittelt werden, der an beiden Enden verwendet wird.
Das ist eine teure und zeitraubende Angelegenheit. Wenn jedoch in einem Netzwerk mit
Tausenden von Endgeräten ein einziger
Schlüssel erzeugt und für alle Endgeräte verwendet wird, legt das Knacken des Schlüssels bei einem einzigen Node die gesamte
Kommunikation des Netzwerks offen. Damit
könnte derjenige, der den Angriff finanziert,
reiche Beute machen. Daher ist es wichtig,
für jeden einzelnen Node einen eigenen
Schlüssel zu erzeugen. So wird der Aufwand
für das Knacken eines Nodes wertlos, da es
nur diesen einen Node und nicht das gesamte Netzwerk zugänglich macht. Natürlich ist
es einfacher nur einen Schlüssel für alle Nodes zu erzeugen, um bei der Schlüsselerzeugung Zeit und Mühe zu sparen, aber das ist
falsche Sparsamkeit, denn sie schafft eine
enorme Angreifbarkeit.
Doch selbst wenn man annimmt, dass ein
OEM alle guten Regeln bei der Schlüsselerzeugung befolgt, besteht eine weitere
Schwachstelle bei der Schlüsselverwaltung.
Je nachdem, wie viele Geräte im Einsatz sind,
muss ein OEM Hunderte, Tausende oder sogar Millionen einzelner Schlüssel verwahren.
Diese Schlüssel müssen geheim sein. Das
heißt, sie dürfen nur für autorisierte Personen zugänglich sein, die die Verfahren zur
Wahrung ihrer Geheimhaltung einhalten.
Dies verlangt eine rigorose Implementierung der Sicherheitsprozesse sowie der Sicherheitshardware und -software. Die
Schlüssel müssen in einer Datenbank gespeichert werden, die auf einem „gesicherten
Server“ gehostet wird. Aber wie kann man
die Sicherheit des Servers gewährleisten?
Typischerweise müssen die OEM den physischen Zugang zu diesem Server ausschließlich auf autorisierte Personen beschränken.
Dazu muss er sich hinter verschlossenen
Türen mit einer Zugangskontrollanlage befinden. Außerdem müssen die Interaktionen
der autorisierten Personen mit dem gesicherten Server ständig überwacht und analysiert
werden. Ungewöhnliches Verhalten muss
erkannt und untersucht werden. Darüber
hinaus müssen die Autorisierungen regelmäßig überprüft und bei Bedarf widerrufen
werden, wenn z.B. ein Mitarbeiter aus den
Diensten des Geräte-OEM ausscheidet.
An jedem Punkt müssen die Schwachstellen des Systems analysiert und Gegenmaßnahmen erarbeitet und implementiert werden. Die Sicherheit der geheimen Schlüssel
wird nicht nur durch Böswilligkeit oder
Nachlässigkeit der direkten Mitarbeiter eines
OEM, sondern auch durch Berater, Geräteinstallateure, Auftragshersteller und Andere
gefährdet. Wenn jemand die geheimen
Schlüssel erhalten will, ist ein Angriff auf das
sichere Netzwerk eines OEM gewöhnlich sehr
viel schneller und einfacher möglich, indem
ein autorisierter Mitarbeiter bestochen wird,
als durch aufwendiges Reverse Engineering
der Sicherheitsschaltungen eines Geräts.
Dank der Hochleistungs-Sicherheits-ICs
von Herstellern wie Atmel, ST und NXP ist
die hardware- und softwareseitige Gerätesicherheit einfach zu implementieren und
praktisch unmöglich zu durchbrechen. Die
größte Bedrohung für das Netzwerk eines
OEM ist und bleibt leider der Mensch. Daher
sind Entwickler, die die Sicherheit eines Geräts gewährleisten sollen, gut beraten, parallel zur Implementierung der Sicherheit auf
der Leiterplattenebene die Sicherheitsprozesse des Herstellers zu überprüfen. // MK
Future Electronics
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
21
Intelligence
Die komplette MicrochipRange
• Alle 8Bit Microcontroller-Familien
• 16Bit Flash-Microcontroller PIC24_
• 16Bit Digital Signal Controller
dsPIC30_ und dsPIC33_
• 32Bit Flash Microcontroller
PIC32MX_
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Distribution by Schukat electronic
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ANWENDUNG // SINGLEBOARD-COMPUTER
Was Sie schon immer über
Raspberry Pi wissen wollten
Artikel über die technischen Daten der Raspberry-Pi-Modelle gibt es
viele. Dieser Beitrag beantwortet Anwenderfragen, etwa zur Übertaktbarkeit, Realtime Clock, Akkubetrieb, Passwort, NOOBS, etc.
MARGIT KUTHER *
D
etails zu den neun verschiedenen Modellen des Raspberry Pis bieten etliche Artikel, etwa „Raspberry Pi A bis
Zero“ sowie das Raspberry-Pi-Poster von
ELEKTRONIKPRAXIS und RS Components,
zu finden über die Sucheingabe: 44201560
auf elektronikpraxis.de. Dieser Beitrag hingegen will Fragen rund um die Mini-PC-Platine Raspberry Pi beantworten:
Für das Ausschalten haben Sie in manchen
Programmen eine Schaltfläche zum Herunterfahren. Alternativ funktioniert dies aus
dem Terminal heraus via Befehl: “sudo halt
-h” (ohne Anführungszeichen). Sie sollten
jedoch nie einfach den Stecker ziehen, die
Speicherkarte könnte Schaden nehmen.
Manche Programme erwarten “username”
Raspberry Pi ist eine Linux-basierende Mini-PC-Platine. Eine
Besonderheit ist der günstige
Preis, der je nach Modell zwischen
4 Pfund und 45 Euro liegt. Raspberry Pi wurde 2012 von der gemeinnützigen Organisation Raspberry Pi Foundation auf den Markt
gebracht mit dem Ziel: Allen Schülern, auch weniger gut betuchten,
Zugang zu Officeprogrammen und
zum Internet zu ermöglichen und
ihnen die Welt der Technik näher zu bringen.
Aus diesem Grund sind alle Modelle mit
GPIO-Pins (General-Purpose Input/Output)
versehen/bestückbar, über die zahlreiche
externe Komponenten, etwa zum Messen,
Steuern, etc. angeschlossen werden können.
Wie bootet RPi, lautet das Passwort und wo gibt es Infos?
Maus, Tastatur und Bildschirm sind am
Raspberry Pi angeschlossen – doch wo ist
der Ein-/Ausschalter? Es gibt keinen. Sobald
Sie das Stromkabel gesteckt haben, bootet
der Raspberry Pi. Dafür benötigt Raspberry Pi allerdings ein Betriebssystem, etwa
Raspbian, auf einer externen Speicherkarte.
* Margit Kuther
... ist Redakteurin der
ELEKTRONIKPRAXIS
22
Bild: Farnell
Was ist eigentlich ein
Raspberry Pi?
einer Speicherkarte installieren möchte,
kann auch Speicherkarten mit vorinstalliertem NOOBS kaufen, etwa bei RS Components, Conrad oder reichelt. Übrigens, das
bevorzugte Betriebssystem der Raspberry Pi
Foundation ist Raspbian: Nach dem Booten
des RPi mit einer Speicherkarte, auf der
NOOBs installiert ist, sehen Sie ein Fenster,
das die verschiedenen Betriebssysteme zeigt. Ebenso eine Auswahlmöglichkeit für Sprache und Tastatur.
Wählen Sie hier „Deutsch“ und „de“.
Als Betriebssystem wählen Sie etwa
Raspbian aus. Dazu klicken Sie in das
Kästchen vor „Raspbian, anschließend auf das Icon „Install“. Erscheint
„OS installed sucessfully“, klicken
Sie auf OK. Befehle rauschen jetzt
über den Bildschirm, anschließend
bleibt der Bildschirm einige Sekunden schwarz.
Wenn der Installationsprozess abgeschlossen ist, erscheint der englischsprachige Startbildschirm von
Raspbian. Für eine deutsche Menüwiedergabe klicken Sie auf „Menu, Preferences, Raspberry Pi Configuration“. Wählen Sie im
Reiter „Localisation“ als „Timezone“ „Area:
Europe“ und „Localisation: Berlin“. Nach
einem Neustart erscheint die Menübeschreibung in deutsch. Tipp: weitere Infos – auf
elektronikpraxis.de, Sucheingabe: 43374623
– bietet der Beitrag “23 Betriebssysteme für
den Raspberry Pi”.
Android-Betriebssysteme für Raspberry Pi
sind zwar online erhältlich, doch lt. Raspberry Pi Froundation nicht stabil. Von Seiten der
Organisation gibt es auch keine Pläne hierfür, da diese von Seiten Androids zu wenig
Unterstützung in puncto Bildungsmaßnamen sieht – ein Kernpunkt der gemeinnützlichen Stiftung.
Windows meistern nur die Modelle Raspberry Pi 2B und 3B. Allerdings nicht das auf
PCs installierte Betriebssystem sondern die
abgespeckte Entwicklervariante Windows 10
Raspberry Pi 3B: das schnellste RPi-Modell mit 1,2
GHz Quadcore und der erste RPi mit integriertem
WLAN und Bluetooth
und “password”. Standardmäßig lauten diese: “pi”und “raspberry”. Beachten Sie: typischerweise sehen Sie unter Linux bei der
Passworteingabe keine Zeichen. Die offizielle, englischsprachige Dokumentation der
Raspberry Pi Foundation finden Sie auf der
Site raspberrypi.org/documentation.
Was ist NOOBS und läuft RPi
unter Android und Windows?
Das Standarbetriebssystem für den Raspberry Pi ist Linux. Doch davon gibt es verschiedenste Varianten. Damit der Anwender
rasch mit Raspberry Pi arbeiten kann, findet
sich auf raspberrypi.org eine Sammlung der
von der Organisation empfohlenen Betriebssysteme, genannt New Out Of Box Software
(NOOBS). Wer NOOBS nicht umständlich auf
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ANWENDUNG // SINGLEBOARD-COMPUTER
IoT Core. Microsoft bietet diese auf seiner
Website kostenlos zum Download an.
Wie schnell ist Raspberry Pi,
und ist er übertaktbar?
Die Rechenleistung eines Raspberry Pi A,
A+, B oder B+ ist vergleichbar mit einem Pentium 2, 300 MHz. Die Performance der Grafik
ist aber wesentlich besser: alle RPis meistern
Full-HD 1080p30 und H.264. Raspberry Pi
Zero ist rund 40% leistungsstärker als die
Modelle A, A+, B und B+. Raspberry Pi 2B ist
etwa vergleichbar mit einem Athlon Thunderbird mit 1,1 GHz Takt und das Topmodell,
der Rasberry Pi 3B, ist etwa 50% schneller
als RPi 2B.
Etliche Modelle haben von Haus aus Tuning-Potenzial: RPi A, A+, B und B+ takten
werksseitig mit 700 MHz und laufen i.d.R
auch mit 800 MHz problemlos. RPi 2B taktet
von Haus aus mit 900 MHz und sollte 1 GHz
meistern. In Raspbian finden sich in der Systemkonfiguration bereits vordefinierte Einstellungen zum Übertakten. Wer diese Taktraten nicht überschreitet, sollte sogar ohne
Kühlkörper auskommen. Für höhere Taktraten, oder wer Raspberry Pi 3B übertakten
möchte, sollte einen Kühlkörper auf dem SoC
aufbringen.
Bietet RPi UART, I2C, Realtime
Clock und RAM-Erweiterung?
Das Besondere am RPi ist die Stiftleiste mit
26 oder 40 Kontakten, davon 17 oder 26 GPIOPins (beim RPi Zero ist die Stiftleiste unbestückt, aber optional erhältlich). Überstützt
wird UART, I2C, SPI, I2S, Audio, 3V3, 5 V und
Masse. Realtime Clock und eine Speichererweiterung können auf dem RPI nicht nachgerüstet werden. Onboard-Realtime Clock ist
auch nicht geplant, denn es würde, so die
Organisation, die Kosten in die Höhe treiben
und die eigentliche Intention der Raspberry
Pi Foundation, eine preiswerte PC-Platine für
alle Schüler, gefährden.
Was sollte eine Speicherkarte
bieten?
Die Mindestkapazität der Speicherkarte
sollte 8 GB betragen, wenn mehrere Betriebssysteme, etwa NOOBS, installiert werden. Für
einen schnellen Datentransfer sollte die Karte die Geschwindigkeit “Cass 10”unterstützen.
Lässt sich RPi über USB-Hub
oder Akkupack betreiben?
Wichtig: Raspberry Pi benötigt eine konstante Spannung von 5 V. Der micro-USB-Port
dient ausschließlich der Stromversorgung,
die Standard-USB-Ports sind dagegen nur für
den Datentransfer gedacht. Ideal für die
Stromversorgung ist das zugehörige Stromkabel, wobei Raspberry Pi 3B 5 V/2,4 A benötigt, die übrigen Modelle 5 V/2 A. Wer RPI
etwa via PC-USB-Hub mit Strom versorgen
möchte, sollte einen USB-3.x-Hub wählen;
USB-2.0-Hubs liefern nur 500 mA je Port, u.U.
zu wenig für Rasperry Pi. Die Organisation
rät von Akkus ab. So bietet etwa ein voll geladener 4xAA-Akku 4,8 V, welche innerhalb
der Toleranz für RPi (5 V) liegt. Doch sobald
die Spannung sinkt, wird Raspberry Pi instabil; das System könnte abstürzen. Ungeeignet sind 4xAA-Batterien. Denn deren Spannung von 6 V ist definitiv zu viel für RPi und
kann ihn zerstören. Akkupacks sind dann
geeignet, wenn diese eine konstante Spannung von 5 V bieten können.
// MK
Elektronikpraxis
congatec AG
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WE SIMPLIFY
THE USE OF
EMBEDDED
TECHNOLOGY.
[ IoT | Computer-On-Module | Single-Board-Computer | Customized ]
ANWENDUNG // TOUCH-TECHNOLOGIE
Touch-Technologie für alle – mit der
Embedded Video Engine von FTDI
Die Touch-Technologie schlummerte vor sich hin, bis das iPhone vor
fast einem Jahrzehnt auf den Markt kam und eine Revolution beim
Design von Bedienoberflächen für eingebettete Systeme auslöste.
MARK PATRICK *
Die Kosten für Touchpanels
sind gefallen
Da die Kosten für Touchpanels aufgrund
der Nachfrage gefallen sind, können Hersteller aus einem LCD-basierten Interface Kostenvorteile ziehen. Mit einfachen FirmwareÄnderungen oder Registrierungseinstellungen kann ein Produkt vollständig lokalisiert
werden. Damit wird das Aufdrucken verschiedener Sprachen auf Bedientafeln mit
Knöpfen und Tasten überflüssig. Auch Einsparungen bei den Lagerkosten verbessern
die Unternehmenseffizienz. Obwohl der
Wechsel zu touchbasierten Bedientafeln Vorteile bietet, können die Änderungen im Design erhebliche Auswirkungen auf die Architektur des Kernsystems haben. Der Wechsel
Bild: Mouser
O
bwohl Touchscreens schon Jahrzehnte vor dem iPhone in verschiedenen
Systemen – vom computergestützten
Konstruktionsterminal (CAD) bis hin zur
hochentwickelten Industriesteuerung – genutzt wurden, hat erst die Integration von
Gesten in Mensch-Maschine-Schnittstellen
viele neue Möglichkeiten der Interaktion offenbart. Für Anwender war die Verwendung
von Berührungen zusammen mit Gesten für
das Aufziehen und Zoomen einfach. Prompt
wurden diese Fähigkeiten bei vielen anderen
Systemen gefordert, mit denen sie interagieren. Das wiederum zwingt Hersteller verschiedenster Systeme, die Bedienoberflächen ihrer Produkte aufzurüsten. Die herkömmliche Kombination aus Tasten und
einfachen 7-Segment-LCD- oder -LED-Anzeigen kann ein Produkt auf dem Markt benachteiligen, im Vergleich zu einem, das animierte Grafiken anzeigt und hilfreiche Hinweise
und andere erklärende Texte einblendet.
Blockdiagramm FT800: Die FT800-Bauteile unterstützen resistive Touchscreens, die häufig in rauen Umgebungen eingesetzt werden und dort, wo es auf niedrige Systemkosten ankommt.
von einem einfachen 7-Segment-LCD und
einer Tasten-Matrix zu einem vollständig
grafischen Touchscreen bringt eine enorme
Erhöhung der erforderlichen Rechenleistung
und möglicherweise umfangreiche und teure Änderungen an der Kernsoftware mit sich.
Soll die Grafik auf einem einzelnen Prozessor
laufen, erfordert sie wahrscheinlich einen
32-Bit-Prozessor um in einen hoch auflösenden Framebuffer (Bildspeicher) schreiben zu
können. Ohne komplizierte Paging- und Segmentierungsverfahren ist ein auf einem 8oder 16-Bit-Mikrocontroller implementiertes
System nicht in der Lage, den gesamten Adressbereich des Framebuffers zu beschreiben
oder genügend Platz für eine aufwändige
Grafik zu bieten.
Die Embedded Video Engine
vereinfacht die Entwicklung
* Mark Patrick
... ist Mitarbeiter der Mouser
Electronics
24
Zwar ist der Marktpreis für grafikfähige
32-Bit-Prozessoren in den vergangenen Jahren gefallen, der für Änderung, Neuzulas-
sung und Prüfung der Anwendung erforderliche Zeit- und Kostenaufwand könnte sich
jedoch als unvertretbar erweisen. Es gibt aber
einen Weg, bestehende Anwendungen mit
einem leistungsfähigen Touchscreen-Interface aufzuwerten, das auf einem vergleichsweise einfachen Mikrocontroller mit wenigen
Ressourcen läuft und ohne extensive Nachbearbeitungen auskommt. Die Embedded
Video Engine (EVE) von FTDI Chip ist eine
Produktreihe integrierter Schaltungen (IC),
die so ausgelegt sind, dass die Interaktionen
mit LCD-basierten Touchscreens zulasten
eines Host-Mikrocontrollers gehen. Die EVETechnologie nutzt das Architekturmuster des
für die ersten grafischen Bedieneroberflächen (GUI) im Xerox-Forschungszentrum
Palo Alto entwickelten Konzepts Model View
Controller (MVC). Das MVC-Muster teilt die
Anwendung in drei miteinander verbundene
Bestandteile auf. Model verwaltet die Daten
und Regeln der Kernanwendung. Der ViewBestandteil stellt die Information für den
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
ANWENDUNG // TOUCH-TECHNOLOGIE
Anwender dar, die von der Komponente Model regelmäßig erfragt werden. Der Controller-Anteil interpretiert Eingaben vom Benutzer und wandelt sie in Befehle, die das Model
in seiner internen Logik anwenden kann.
Durch die Teilung der Funktionen in MVC
können mit derselben Kernlogik verschiedene Arten von Bedienoberflächen angesteuert
werden. Eine vorhandene Bedienoberfläche
mit Tastatur und 7-Segment-Anzeige könnte
zwei Schaltflächen nutzen, mit denen der
Benutzer durch mehrere Seiten an Text und
Befehlsoptionen scrollen könnte. Bei einer
Version mit einem kapazitiven Touchscreen
könnten Wischgesten, wie von Tablets oder
Smartphones bekannt, eingesetzt werden,
um durch die Seiten zu blättern.
Obwohl die Benutzerinteraktion eine andere ist, bleibt die Kernlogik, die vom ModelBestandteil der Anwendung verarbeitet werden muss, dieselbe – sie reagiert auf die
Befehle Weiter und Zurück. Mithilfe eines
einfachen seriellen SPI- oder I2C-Interfaces
kann EVE die erforderlichen Befehle in die
Model-Logik übermitteln, die im Host-Mikrocontroller läuft. Dadurch kann die Kernanwendung größtenteils mit dem neuen Interface und mit minimalen Veränderungen
weiterlaufen. Stattdessen werden die meisten Änderungen, die sich auf das GUI- und
Touch-Verhalten beziehen, im EVE-Controller umgesetzt.
EVE unterstützt kapazitive und
resistive Touchscreens
Die EVE-Technologie ist aber nicht nur auf
kapazitive Touch-Technik beschränkt. Die
FT800-Bauteile unterstützen resistive Touchscreens, die häufig in rauen Umgebungen
eingesetzt werden und dort, wo es auf nied-
rige Systemkosten ankommt (siehe Abbildung Blockdiagramm FT800). Sie bieten einen direkten Anschluss für die x- und y-Eingaben vom Touchscreen-Controller, wo
Touch-Eingaben in Befehle umgewandelt
werden, die der Host-Mikrocontroller verstehen kann.
Die FT801-Bauteile unterstützen eine
Schnittstelle zu einem externen kapazitiven
Touch-Controller, der üblicherweise in die
LCD-Panel-Baugruppe integriert ist. Für
höchste Kompatibilität zu bestehendem
Code für Bedienoberflächen bietet der FT801
einen Single-Touch-Modus, der einen herkömmlichen Knopfdruck nachbildet. Mit bis
zu fünf Berührungspunkte unterstützt der
erweiterte Modus den Multi-Touch-Betrieb.
Damit werden Zoom- und andere komplexe
Gesten ermöglicht. So können User zum Beispiel in einem System, das Bilder anzeigt,
verschiedene Bereiche des Bildes über solche
Zoom-Gesten genauer betrachten.
Um die GUI zu definieren und zu steuern,
führt die Applikation im Host-Mikrocontroller einige der View-Funktionen aus dem
MVC-Entwurfsmuster durch. Normalerweise
ruft die Anwendung Objekte auf, die über
Display-Listen in den Speicher von EVE geladen wurden. Die Display-Listen ermöglichen der Anwendung, verschiedene Bitmaps
aufzurufen und diese auf dem Bildschirm
wiederzugeben. Mithilfe von Befehlen für
Linien und andere Grundelemente können
sie auch Kurven und andere Vektorbilder
zeichnen. Da jeder einzelne Zeichenbefehl
gerade einmal eine Länge von 4 Byte aufweist, lässt sich mit dem Display-ListenVerfahren der Speicherbedarf im Host-Mikrocontroller auf ein Minimum reduzieren. Die
Grafik selbst wird mit einem Bildschirmedi-
tor aufgebaut, der unter Windows läuft. Per
Drag-and-Drop baut der Bildschirmeditor die
Display-Listen auf. Diese werden in Echtzeit
durch den Mikrocontroller gesteuert, um die
Bedieneroberfläche zu bilden. Eine Emulator-Bibliothek macht es einfach, GUIs und
Grafiken von anderen Tools in der EVE-Umgebung nachzubilden.
Ein Coprozessor-Element in der EVE ermöglicht die Verarbeitung von komplexeren
Grafikelementen wie Widgets und von
Touch-Tags, die für den Multi-Touch-Betrieb
erforderlich sind. Widgets vereinfachen die
Kombination von Bitmaps mit animierten
Grafiken, ohne dass der Host-Mikrocontroller
die Grafikoperationen direkt durchführen
muss. So sorgt zum Beispiel ein eingebauter
Taktbefehl dafür, dass eine sich bewegende
Hand über eine Hintergrund-Bitmap gelegt
wird. Mit einer ähnlichen Funktion lassen
sich anwenderfreundliche Drehzahl- oder
Tankanzeige-Widgets realisieren.
Unter Beachtung der Probleme, denen
Hersteller beim Wechsel von traditioneller
Bedienung zu Touch-basierten Lösungen
begegnen, bieten die ICs aus der EVE-Produktfamilie von FTDI Chip einen viel reibungsloseren Migrationspfad als der konventionelle Ansatz, bei dem der Kern-Mikrocontroller des Systems meistens auf ein wichtiges Upgrade angewiesen ist. Durch den
wirksamen Einsatz des MVC-Entwurfsmusters können selbst leistungsschwächere Mikrocontroller Befehle und Daten über eine
serielle Verbindung weitergeben. So werden
auch grafische Bedienoberflächen mit fließenden, animierten Grafiken angesteuert
und Touch-Gesten verarbeitet.
// MK
Mouser Electronics
TRACE32 for AMP
TRACE32 for SMP
Debug & Trace
Application
Core
DSP
Core
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
SoC
Accelerator
Core
25
TRACE32 for AMP
ANWENDUNGEN // SPEICHER
Stabilere Flash-Speicher in
industriellen Anwendungen
Schneller Zugriff und Erschütterungssicherheit macht Flash-Memory
für industrielle Anwendungen attraktiv. Doch in der Industrie müssen
die Speicher andere Anforderungen erfüllen als im Consumer-Bereich.
Bilder: swissbit
ULRICH BRANDT *
Bild 1: Ablauf eines Random Write in
einen Sektor eines Block-Managed
Flash-Speichers.
M
ulti-Gigabit-SD- und microSD-Karten mit hoher Speicherkapazität
eignen sich immer mehr für robuste
Embedded-Systeme in platzbeschränkten
Umgebungen, die Stößen, Vibrationen und
extremen Temperaturen ausgesetzt sind;
Umgebungen, die den Einsatz herkömmlicher Festplattenlaufwerke behindern. Solche
Karten müssen aber die in Industrieumgebungen geforderte hohe Leistungsfähigkeit
und Zuverlässigkeit bieten.Anwendungen
wie Datenerfassungsgeräte, Steuerungsrechner oder Maßsysteme müssen oft umfangreiche Datenmengen kleiner, unabhängiger
Einheiten speichern. Dabei kann es sich um
Messwerte unterschiedlicher Quelle, StatusUpdates oder dem Mitschreiben von Kommu-
* Ulrich Brandt
... ist Marketing Director der
Swissbit AG.
26
nikations-- oder Positionsdaten handeln.
Diese Random-Write-Zugriffe haben einen
hohen Einfluss auf die nutzbare Datenrate
und die Zuverlässigkeit (Endurance) eines
Flash-Speichers. Das stellt hohe Anforderungen an die eingesetzten Flash-Speicher, denn
im Gegensatz dazu speichern ConsumerGeräte wie Kameras oder Smartphones typischerweise größere Datenmengen aufeinander folgend (sequenziell), z.B. bei der Übertragung digitaler Bild- oder Videodaten
Die „Random Write Performance“ wird
durch den Aufbau des FTL (Flash Translation
Layer) beeinflusst. Der FTL ermöglicht dem
Host, auf logischer Ebene mit dem FlashSpeicher zu interagieren, ohne den internen
Aufbau zu berücksichtigen. Hierzu erfolgt
ein Mapping der logischen Sektornummern,
die vom Host-Dateisystem verwendet werden, auf die physikalischen Adressen der
Daten, wo sie im Speicher abgelegt werden.
Da die zu modifizierenden Daten in FlashZellen nicht an ihrem Speicherort überschrie-
ben werden können, müssen sie vor Löschung der alten Daten erst an eine freie
Stelle geschrieben werden. Flash-Speicher
lässt sich aber nur blockweise löschen. Nachdem alle Blöcke eines Flash-Speichers mindestens einmal beschrieben wurden, übernimmt der FTL auch die sog. „Garbage Collection“: gültige Daten aus teilweise gefüllten
Blöcken werden in neue Blöcke verschoben,
damit der alte Bereich gelöscht und wiederverwendet werden kann. Erfolgt die Garbage
Collection während der Aktualisierung der
Daten kann dies die Random Write Performance beeinträchtigen. Ersatzblöcke und
Over Provisioning (OP: mehr Flash-Kapazität
bereitstellen, als über den Host adressierbar
ist) sind mögliche Techniken, um die Auswirkungen von Garbage Collection auf die
Speicherschreibleistung zu mindern.
FTLs verwenden entweder eine Block- oder
eine Page-basierte Adressübersetzung. Bei
der blockbasierten Variante kennt der Speicherkontroller nur die Abbildung des logi-
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
schen Blocks auf den verknüpften physikalischen. Die Position des geschriebenen
Sektors im logischen Block und im physikalischen muss zwangsläufig übereinstimmen,
um die Information wiederzufinden.
Consumer-Flash-Speicherkarten nutzen
oft das blockbasierte Mapping für effiziente
sequenzielle Schreibvorgänge, die viele aufeinanderfolgende Pages eines Blocks in einer
einzigen Transaktion enthalten.
Eine der Stärken des blockbasierten Mappings ist, dass relativ kleine Mapping-Tabellen erforderlich sind, um die physikalische
Position der Pages zu bestimmen. Andererseits bewirkt ein Random Write einer einzelnen Page eine hohe Zahl an Schreibvorgängen in Flash-Zellen: gültige und unveränderte Pages im betroffenen Block müssen mit
den neuen Daten in einen leeren Block abgespeichert werden, bevor der alte gelöscht
und wiederverwendet werden kann. Bild 1
beschreibt, wie die Aktualisierung eines einzelnen Sektors einen vollständigen BlockSchreib- und Löschvorgang erfordert.
Schnell
8-Stunden-Service für Leiterplatten
4-Tage-Service für Bestückung
Zuverlässig
Eilservices:
pünktlich oder kostenlos
Aussergewöhnlich
Bestückung online ab 1 Bauteil
Möglichkeiten zur Verringerung
des Write Amplification Factors
Das Verhältnis der in Flash-Zellen geschriebenen Datenmenge zu den vom Host
geschriebenen Daten nennt sich Schreibverstärkung oder Write Amplification Factor
(WAF). Typische Blockgrößen belaufen sich
bei Single-Level Cell (SLC) Flash auf 1 MByte
und bei Multi-Level Cell (MLC) auf 4 MByte.
Nutzt die Firmware ein blockbasiertes Mapping, so führt etwa jedes Schreiben eines 4
KByte Sektors bei SLC Flash zum Schreiben
eines 1 MByte-Blocks und anschließenden
Löschens des nicht mehr benötigten Blocks.
Bei MLC Flash beträgt die Blockgröße 4
MByte. Damit errechnet sich der Worst-Case
WAF zu 256 bei SLC und zu 1024 bei MLC –
Garbage Collection nicht berücksichtigt.
Der hohe WAF verursacht im Flash wesentlich häufigere Schreib-/Löschzyklen als aus
der externen Datenmenge zu erwarten ist.
Dies reduziert die Lebensdauer der Speicherkarte massiv. Sollen kostengünstige MLC
Flash-Karten in industriellen Anwendungen
mit zahlreichen Random-Write-Operationen
Verwendung finden, muss also der WAF
zwingend reduziert werden. Solid-StateDrives (SSDs) verwenden Page-basierte Mappings. Sie erlauben, dass ein logischer Sektor
auf eine beliebige physikalische Page geschrieben werden kann. Eine zufällige Abfolge von logischen Sektoren wird so sequentiell in einen einzigen Flash-Block abgelegt,
was den WAF stark verringert. Die RandomWrite-Zykluszeiten sind zudem kürzer. Ein
Nachteil ist, dass die Mapping Tabellen we-
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www.pcb-pool.com
ANWENDUNGEN // SPEICHER
sentlich mehr Einträge benötigen und das
Auffinden der physikalischen Page über eine
mehrstufige Suche erfolgen muss. Bild 2 illustriert den Zusammenhangzwischen der
Größe der Mapping-Tabelle und der WriteEffizienz in Block- und Page-basierten FTLs.
SSD Controller handhaben die höhere Datenmenge, indem sie Mapping-Daten in einem angeschlossenen DRAM hält. Bei Stromausfall gehen diese Daten verloren. Es
braucht zusätzliche Maßnahmen, um dem
Datenverlust vorzubeugen. Hochleistungskondensatoren und Schutzschaltungen können bei einem Stromausfall die Versorgungsspannung lange genug aufrecht erhalten, um
die Mapping-Daten in den Flash-Bereich zu
schreiben. Der Platzbedarf für solche Lösungen und die Zusatzkosten sowie die Lebensdauerrisiken machen diesen Ansatz bei Speicherkarten jedoch unmöglich.
Page-basiertes Mapping sorgen für eine
längere Lebensdauer sowie mehr Flexibilität
bei der Unterstützung unterschiedlicher Einsatzmodi. Bild 3 beschreibt die Verbesserungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit, die sich
durch Page-basiertes Mapping im Vergleich
zu einem blockbasierten Ansatz bei SDFlash-Karten erzielen lassen.
Sub-Page-Mapping für die
Firmware
Swissbits durabitTM S-45 SD- und S-45u
microSD MLC-Flash-Speicherkarten verwen-
Bild 2: Page-basiertes Mapping senkt die Belastung
durch Schreib-/Löschzyklen,
erhöht allerdings die Menge
der Mapping-Daten.
28
Bild 3: Page-basiertes Mapping erhält
die Flash Performance und erhöht
die Zuverlässigkeit
(Endurance).
den ein Sub-Page-basiertes Mapping, das
auch bei einem hohen Anteil an Random
Writes den WAF deutlich reduziert und die
Lebensdauer des Flash maximiert. Darüber
hinaus erübrigt der Firmware-basierte FTL
den Einsatz von DRAM zur Speicherung der
Page Pointer und damit auch zugehöriger
Komponenten zum Schutz vor Datenverlust
bei Stromausfall.
Diese Sub-Page-Technik bildet Logikeinheiten (die kleiner als eine Page sind) auf
entsprechende physikalische Einheiten ab.
Diese Einheiten können die Größe eines einzelnen 4-K-Sektors einnehmen. Da eine ein-
zelne Page der kleinstmögliche Speicherort
bleibt, der in den Flash geschrieben werden
kann, fasst FTL kleinere Einheiten in einer
Page zusammen.
Mit Sub-Page Mapping beträgt die intern
verwaltete Page-Größe der S-45- und S-45uKarten nur 4 KByte. Bei einem Worst-Case
Random Write verursacht jeder externe 4
KByte-Block also einen internen Daten-Write von 16 KByte (Größe der Physikalischen
Page). Im besten Fall ermöglicht ein optimiertes FTL-Management, dass der WAF nur
1 beträgt. Realistisch betrachtet weisen
Random-Write-Vorgänge
auf
belegte
Speicherbereiche einen WAF von 4-10 auf.
Mit ihrer hohen Random-Write-Datenrate
ermöglichen diese kleinformatigen Speicherkarten einen leistungsfähigen Einsatz in
Anwendungen wie Boot-Medium oder Datenlogging für Instrumentierung.
Dabei ist zu beachten, dass der Verwaltungsaufwand für einen Sub-Page-basierten
FTL die Datenrate bei sequenziellen Schreibund Lesezugriffen verringert. Daher werden
Speicherkarten mit Blockverwaltung, z.B. die
SLC-basierte S-450 für Anwendungen empfohlen, die hauptsächlich sequenzielle Write-/Read-Operationen aufweisen.
Austauschbarkeit und mechanische Stabilität sind die wesentlichen Eigenschaften
kleinformatiger Flash-Speicherkarten. Sie
sind daher für zahlreiche Anwendungen im
Industrie- und Consumer-Bereich interessant. Um wirklich für den industriellen Einsatz geeignet zu sein, ist allerdings wie aufgeführt eine Lösung für den hohen Verschleiß bei Random-Write-Operationen nötig, ohne dabei Einschränkungen bei der
Speicherdichte oder dem Schutz bei Stromausfall in Kauf nehmen zu müssen. // SG
Swissbit
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AKTUELLE PRODUKTE // SPEICHER
SWISSBIT F-50
CFast-2.0-kompatible Speicher
Die F-50 Serie bietet Datenraten
von bis zu 500MByte/s bzw.
330MByte/s. Controller und
NAND Flash der F-50 Serie erfüllen anspruchsvolle Industrieanforderungen, die Firmware ent-
hält globales Wear Leveling sowie Bad Block Management,
Lesewiederholungen im Fehlerfall, aktives und passives Auffrischen ausfallgefährdeter Speicherzellen und vorzeitiges Ersetzen kritischer Bereiche. Im Betriebsmodus mit verteilten
kleinen Datenzugriffen bietet die
F-50 Serie beim Lesen bis zu 53k
IOPS und beim Schreiben 74k
IOPS. Muster der F-50 Serie sind
ab Ende Juni 2016 bei Rutronik
erhältlich.
Rutronik
SSD MIT L³-ARCHITEKTUR
Langlebige SSD für die Industrie
MSC vertreibt zwei neue SSDSerien von Innodisk. Die Reihen
SATA 3ME4 und PCIe 3ME bieten
auch im industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C
lange Lebensdauer. Ihre L3-Architektur basiert auf einem 4K
Mapping-Algorithmus, der den
Write Amplification Index reduziert und einen Echtzeit WearLeveling-Algorithmus enthält.
Eine LDPC-Technik (Low Density
Parity Check), einer ECC Memory
Technologie, optimiert die Zuverlässigkeit der NAND-FlashSpeicher. Die SATA 3ME4-Serie
ist in als SATADOM, mSATA, M.2,
CFast, SATASlim (MO297) und
2,5“ SSD erhältlich, die PCIe 3ME
SSDs im M.2 2242-Formfaktor.
MSC Technologies
SUPERMLC MICROSDS
Transferraten bis zu 95 MByte/s
Transcends SuperMLC microSDKarten besitzen hohe EnduranceWerte und einen erweiterten
Temperaturbereich (-40°C bis
85°C). Durch die Nutzung von
nur einem Bit pro MLC-Speicher-
zelle bieten die microSDs nach
UHS-I U1 Spezifikation Transferraten von bis zu 95 MByte/s.
Die Karten besitzen eine integrierte ECC Fehlerkorrektur und
hervorragende Haltbarkeit. Mit
bis zu 30.000 Schreib-/Löschzyklen und bis zu 538 TBW (TeraBytes Written) Gesamtschreibleistung haben die Flashspeicher
eine etwa zehnfach höhere Haltbarkeit als vergleichbare industrielle microSD-Karten mit ublichem 2-Bit MLC NAND Flash.
Transcend
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ANWENDUNGEN // SCHALTKREISE
Ein elektronischer Schaltkreis für
ein Blutdruckmessgerät
Ein Blutdruckmessgerät ist ein grundlegendes medizinisches Hilfsmittel für Ärzte. Dessen elektronischer Schaltkreis lässt sich mit einem
Instrumentenverstärker und einer 16-Bit-MCU einfach realisieren.
Bilder: Microchip
ZHANG FENG *
Bild 1: Blockdiagramm eines Blutdruckmessgeräts
B
lutdruckmessgeräte sind Standard in
Krankenhäusern und Arztpraxen. Mit
dem Internet der Dinge (IoT) und Patientenfernüberwachung finden sie sich
auch zunehmend in Privathaushalten.
Ein digitales Blutdruckmessgerät misst
den systolischen und den diastolischen
Druck durch oszillometrische Detektion. Dabei kommt ein elektronischer Drucksensor
mit numerischer Anzeige zum Einsatz. Bei
einer Blutdruckmessung werden zwei Zahlen
übereinander angezeigt. Die obere Zahl ist
der systolische Blutdruck in den Arterien,
wenn sich das Herz zusammenzieht. Die untere Zahl ist der diastolische Druck in den
* Zhang Feng
... ist Senior Medical Applications Engineer in der
Medical Products Group bei Microchip Technology. .
30
Arterien zwischen den Herzschlägen. Dabei
ruht der Herzmuskel zwischen den Herzschlägen und Blut wird nachgefüllt. Eine
elektrisch betriebene Pumpe und ein Ventil
blasen eine Manschette auf und lässt die Luft
ab. Die Manschette wird am Handgelenk oder
am Oberarm befestigt. Sie wird auf einen
Wert oberhalb des systolischen Drucks aufgepumpt und dann auf einen Wert unterhalb
des diastolischen Drucks abgelassen.
Diese Demo eines digitalen Blutdruckmessgeräts kann beim Aufpumpen den Blutdruck als auch die Pulsfrequenz messen. Das
Gerät ist nicht-invasiv und basiert auf einem
Instrumentenverstärker und einem 16-BitMikrocontroller. Das Blockdiagramm in Bild
1 zeigt ein Beispiel auf Basis von Microchips
Verstärker MCP6N16 und einer PIC24F-MCU.
Die Messung während des Aufpumpens
(MWI; Measurement While Inflating) verkürzt die Gesamtmessdauer, um das unangenehme Druckgefühl in der Manschette zu
verkürzen. Nachdem der Motor den Druck
auf 30 mmHg im Schnellmodus erhöht hat,
wechselt er allmählich in einen langsamen
Betrieb und bläst die Manschette linear auf.
Ist der Druck in der Manschette hoch genug
und beginnt damit, den Blutfluss zu verengen, wird der arterielle Puls für den Drucksensor erkennbar. Hier zeigt das vom ADC2Kanal erfasste Signal (der Ausgang des analogen Hochpassfilters) den Beginn des
Blutdruck-Oszillationssignals (Bild 2).
Das Oszillationssignal wird anschließend
über einen 2-Wege-Filter mit beweglichem
Mittelwert gefiltert. Der mittlere arterielle
Blutdruck (MAP; Mean Arterial Pressure) ist
der Manschettendruck, der dem maximalen
Oszillationssignal entspricht. Basierend auf
dem kundenspezifischen Algorithmus zur
Berechnung des Blutdrucks werden der systolische Druck (SYS) und der diastolische
Druck (DIA) über den MAP-Wert und eine
Nachschlagetabelle aus empirischen Formeln bestimmt (Bild 3). Der Aufpumpvorgang wird automatisch beendet sobald der
Druck einen bestimmten Wert erreicht. Die
Pulsrate (PR) wird aus der ADC-Abtastrate
und den abgetasteten Werten aus mehreren
aufeinander folgenden Pulsen berechnet.
Analoges Frontend und Wahl
des Mikrocontrollers
Der Instrumentenverstärker (INA) in Bild
1 bereitet das Analogsignal des Luftdrucksensors auf. Die allgemeine INA-Verstärkung
beträgt 101 V/V. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird in zwei Pfade aufgeteilt. Ein
Pfad für den Manschettendruck wird mit dem
ADC1-Kanal der MCU verbunden. Der andere
Pfad führt durch einen zweipoligen aktiven
Hochpassfilter, der die Grenzfrequenzen 0,48
und 4,8 Hz sowie eine Verstärkung von 92
aufweist. Der Hochpassfilter ist über einen
MCU-internen Operationsverstärker reali-
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
ANWENDUNGEN // SCHALTKREISE
EMBEDDED
BOARDS MIT
INTEL® SKYLAKE
Bild 2: ADC-Rohdaten
auf dem Oszillationssignal, erfasst über
den ADC2 mit 250
Samples/s.
KOMPAKT, LEISTUNGSFÄHIG,
LANGLEBIG & ERWEITERBAR
· In den Formfaktoren PICO-ITX,
3.5", Mini-ITX und ATX erhältlich
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Bild 3: Grafische Darstellung der ADC-Daten
für das digital gefilterte
Oszillationssignal und
des Manschettendrucksignals.
· Optimierter Energiebedarf
· Zahlreiche Erweiterungsmöglichkeiten über mPCIe, PCIe, M.2
oder PCI Steckplätze
· Erweiterter Temperaturbereich
siert. Der Ausgang des Hochpassfilters stellt
das Oszillationssignal dar und wird an den
ADC2-Kanal des MCU weitergeleitet.
Die MCU enthält einen 12-Bit HighspeedPipeline-ADC. Manschettendrucksignal und
Oszillationssignal werden mit 250 Hz durch
den 12-Bit-ADC abgetastet. Dieses Demosystem, das für Evaluierungs- und Entwicklungszwecke und nicht für den medizinischen Einsatz konzipiert wurde, verwendet
einen der MCU-internen Operationsverstärker, um den analogen Hochpassfilter bereitzustellen. Auch ein interner 10-Bit-DAC mit
gepufferter Ausgangsspannung kommt zum
Einsatz, um einen einstellbaren DC-Offset als
Vorspannung (Bias) für den Operationsverstärker zur Verfügung zu stellen.
Der Luftdrucksensor erfordert einen stabilen Versorgungsstrom von 100 µA DC, der
über die CTMU (Charge Time Measurement
Unit) des Mikrocontrollers bereitsteht. Die
Demo verwendet das PWM-Modul (Pulsweitenmodulation) der MCU, um den DruckluftPumpenmotor für schnelle oder langsame
Drehzahl anzusteuern. Die von einem laufenden Motor erzeugten Störungen können
die Druckmessung während des Aufpumpens beeinträchtigen. Schaltkreisdesign und
Leiterplatte sind so ausgelegt, dass Störungen seitens des Motors verringert werden.
Die Ergebnisse für den Blutdruck und die
Pulsfrequenz können an ein LCD-Panel, einen USB-Port oder eine Funkschnittstelle
weitergeleitet werden. Die MCU verfügt über
einen integrierten LCD-Controller. Datenkommunikation sowie die 5V-Hauptstromversorgung dieser Demo laufen über die USBOn-The-Go-Schnittstelle des Mikrocontrollers. Für drahtlose Kommunikation wird der
SPI- oder UART-Port an ein Microchip RN42Bluetooth-Modul oder ein RN171-WiFi-Modul
angeschlossen. Eine Echtzeituhr wird auf
dem LCD-Panel angezeigt, indem das RTCund Kalendermodul der MCU verwendet
wird, das im Deep-Sleep-Modus lauffähig ist.
Die Hauptstromversorgung erfolgt über vier
1,5V-AAA-Alkaline-Batterien oder über die
USB-VBus-Leitung. Der MCP1802 LDO wandelt 5 oder 6 V Eingangsspannung in 3,3 V
VDD um. Ein 2-Wege-Filter mit gleitendem
Mittelwert und einer Grenzfrequenz von 3,5
Hz ist in die Firmware implementiert und
filtert die ADC-Rohabtastungen, die von jedem ADC-Kanal erfasst werden.
// SG
Ideal geeignet für den Einsatz in der
industriellen Automatisierung, im
Bereich der Bildverarbeitung, u.v.m.
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ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
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31
Spectra (Schweiz) AG
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ANWENDUNGEN // MEDIZINTECHNIK
Integriertes Health-Monitoring für
den Heimbereich
Wearables zur Gesundheitsüberwachung sind ein Wachstumsmarkt.
Umfassendes Monitoring, sichere Datenübermittlung und geringer
Energieaufwand stellen hierbei hohe Ansprüche ans Systemdesign.
VIDUSHI KSHATRI *
D
as Gesundheitswesen steht derzeit vor
drei großen Herausforderungen: Die
Bevölkerung wird immer älter, die
Zahl der chronisch Kranken wächst und die
Gesundheitskosten steigen. Es ist zu erwarten, dass der Anteil älterer Menschen an der
Bevölkerung in den nächsten 20 Jahren stark
steigen wird. Bis 2030 wird ein Drittel der
Europäer über 65 Jahre alt sein. 40 Prozent
der über 65-jährigen wird auf Unterstützung
angewiesen sein.
Ohne ausreichende Pflege sind ältere Menschen dem Risiko ausgesetzt, ihre Unabhängigkeit zu verlieren. Deshalb wünschen sich
ältere Menschen, ihr Leben unabhängig leben zu können. Doch eine unabhängige Lebensführung älterer Menschen bringt oft
hohe Risiken mit sich. Viele Smart-HomeTechnologien, implementiert mit verschie-
Bilder: Analog Devices
* Vidushi Kshatri
... ist Strategic Marketing Manager für
Smart Cities und Smart Buildings im
IoT-Segment bei Analog Devices.
denen Sensoren, wurden entwickelt, um
Aktivitäten älterer Personen zu Hause zu
verfolgen und zu überwachen und ihnen zu
helfen, ein unabhängiges Leben zu führen.
Gebäude und städtische Umgebungen, ausgestattet mit Sensornetzwerken, geben Alten
und Kranken die Chance, ihre Unabhängigkeit länger zu bewahren.
Das Programm „Umgebungsunterstützes
Leben“ (AAL, Ambient Assisted Living) bietet
in diesem Zusammenhang zahlreiche Vorteile. Dies beinhaltet die Vernetzung von Patienten, Medizinern und Medizingeräten und
verbessert somit die Effizienz von Behandlungen und Pflege. Im Rahmen des Programms lassen sich die Aktivitäten und Gesundheitsdaten von Patienten unabhängig
von ihrem Aufenthaltsort automatisch aufzeichnen und evaluieren. Als Resultat muss
medizinisches Personal nur angefordert
werden, wenn sich der Gesundheitszustand
des Patienten tatsächlich verschlechtert. Das
Ziel besteht darin, die Kosten im Gesundheitswesen zu senken und die Pflege der
Patienten zu verbessern. Und zwar auch
dann, wenn die Patienten nicht mehr im
Krankenhaus, sondern zu Hause in ihrem
Alltag überwacht werden.
Die Analyse des menschlichen Verhaltens
und die Erkennung von Aktivitäten sind integrale Bestandteile heutiger AAL-Systeme.
Ein zuverlässiges und genaues Monitoring
sowie, falls erforderlich, Reaktionen in Echtzeit, sind unabdingbar für solche Systeme.
Aktivitäten des täglichen Lebens, beispielsweise kochen, schlafen und putzen, sind
gute Indikatoren für die physischen Fähigkeiten älterer oder kranker Menschen.
Deshalb ermöglicht ein System, das diese
Aktivitäten automatisch erkennt, ein automatisches Gesundheits-Monitoring und liefert medizinischem Personal eine objektive
Einschätzung der Situation. Auch sollte ein
solches System in der Lage sein, Unregelmäßigkeiten wie beispielsweise einen plötzlichen Sturz zu erkennen und sofort einen
Alarm auszulösen. Ein Aktivitäts-MonitoringSystem ist daher ein entscheidender Schritt
auf dem Weg zu künftigen Applikationen für
das Gesundheitswesen.
In diesem Artikel wird ein integriertes
Health-Monitoring-System für den Heimbereich vorgestellt, das ein Vision-basiertes
Aktivitäts-Monitoring-System und ein System zum Monitoring der Vitalparameter beinhaltet. Das System soll nicht nur die Aktivitäten einer Person, sondern zugleich auch
die Vitalparameter bei diesen Tätigkeiten
überwachen. Die Integration (Binding) von
Wearable Healthcare-Technologie und Embedded-Vision-Technologie ist die Basis zur
Realisierung eines echten Health-Monitoring-Systems für den Heimbereich.
Vision-based Sensing statt herkömmliche Videoüberwachung
Schematische Darstellung: Integriertes Health-Monitoring-System für den Heimbereich. Das System überwacht nicht nur die Aktivitäten einer Person, sondern zugleich auch seine Vitalparameter.
32
Bislang wurde der Markt für AktivitätsMonitoring großteils durch Video-Überwachungstechnologie dominiert. Mit der Verschiebung dieses Monitorings in heimische
Umgebungen jedoch versagt die Video-Ana-
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
ANWENDUNGEN // MEDIZINTECHNIK
lyse als geeignete Lösung: Zum Einen wegen
ihrer Schwächen bezüglich der Privatsphäre
der überwachten Person, zum Anderen wegen der zu übertragenden Video-Datenmenge. Das Aufkommen der Embedded VisionSensing-Technologie hat gezeigt, dass sich
beide Probleme überwinden lassen. Eine
Embedded Vision-Sensing-Plattform führt
Echtzeit-Verarbeitung am Netzrand (Edge
Node) durch. Die vorverarbeiteten (Telemetrie-) Daten am Ausgang des Systems sind
nur noch auf das Notwendige reduzierte Resultate, die den Schutz der Privatsphäre gewährleisten. Denn es handelt sich bei den
übertragenen Daten nun nicht um die Privatsühäre verletzende Videos oder Bilder, sondern lediglich um Aktivitätsdaten wie kochen, putzen oder schlafen. Da nur Telemetrie-Daten übertragen werden, benötigt das
System über 90 % weniger Bandbreite. Dies
reduziert auch die Kosten gegenüber der
Übertragung von Video.
Ein Embedded-Vision-System zum Aktivitäts-Monitoring erkennt Personen, ortet sie
während Bewegungen und erkennt ihre Körperhaltungen sowie relevante Aktivitäten.
Vereinfacht gesagt, besteht die typische Architektur einer Embedded-Sensing-Plattform
normalerweise aus folgenden Komponenten:
Ein optisches System (CMOS-Sensor plus
Optik) für die Bilderfassung, wobei die richtige Optikkonfiguration entsprechend des
gewünschten Sichtbereichs, der Konfiguration des Systems sowie der Geometrie des
Raumes definiert werden muss. In einigen
Fällen führt der CMOS-Sensor eine Vorverarbeitung der Bilddaten durch. Dies entlastet
den Embedded-Prozessor, wodurch sich bei
korrektem Tastverhältnis der Energieverbrauch des Systems reduziert.
Das Verarbeitungssystem. Der Prozessor
ist das Herz dieses Systems. Er muss wesentlich mehr Steuerungs-, Mess- und Schnittstellenfunktionen ausführen, darf dabei aber
nur wenig Energie und Platz brauchen. Auf
dem Prozessor einer Embedded-SystemPlattform läuft der Bildverarbeitungsalgorithmus über das mit dem Optiksystem erfasste Bild. Der Ausgang des Systems liefert
nach der Verarbeitung lediglich Telemetriedaten. In einem Szenario aus dem Heimbereich könnten die Daten am Ausgang des
Systems Aufschluss über die Aktivität einer
Person, beispielsweise schlafen, putzen oder
nach einem Sturz liegen, geben.
Connectivity. Ein Embedded Vision-basiertes System könnte leitungsgebundene
oder drahtlose Schnittstellen aufweisen. Im
Heimbereich wird das System jedoch wahrscheinlich über drahtlose Connectivity verfügen. Da am Ausgang des Systems lediglich
Telemetrie- und keine Video-Rohdaten anliegen, reduziert sich die Nutzlast zur Übertragung enorm. Die Daten werden dann über
eine Cloud-Plattform übertragen und mithilfe einer App in Echtzeit der Krankenschwester oder dem Betreuer zugänglich gemacht.
Die Cloud/Datenanalyse bildet das Backend des Systems. Sie ermöglicht über eine
App nicht nur den Zugang zu Daten in Echtzeit, sondern kann im Hintergrund auch
Datenanalyse-Algorithmen durchführen, um
Entwicklungen im Zusammenhang mit häuslichen Aktivitäten zu ermitteln.
Überlegungen zum Systemdesign und Herausforderungen
Zuverlässigkeit. Es ist unbedingt erforderlich, dass ein Aktivitäts-Monitoring-System
die Aktivitäts-Informationen so zuverlässig,
sicher und genau wie möglich liefert. Auch
einen Notfall muss das System genau erkennen und einen Alarm auslösen. Dabei dürfen
keine falschen Alarmsignale ausgesendet
werden, um in der Notrufannahme mit möglichst wenig Personal auszukommen.
Latenz. Eine unmittelbare Reaktion auf
Alarmsignale, die das Aktivitäts-MonitoringSystem aussendet, definiert das exakte Potenzial eines Sicherheitssystems mit. Die
Grundfunktion für das Aktivitäts-Monitoring, sei es schlafen gehen, putzen oder ein
Notfall, sollte darin bestehen, dass das System einen Zwischenfall sofort meldet, damit
möglichst wenig Zeit zwischen dem Ereignis
und der Meldung vergeht.
Manipulationssicherheit. Ein AktivitätsMonitoring-System muss so manipulationssicher wie möglich sein. Manipulationsversuche können in jeder Stufe des Systems
geschehen. Am Endknoten, an Schnittstellen
(leitungsgebunden oder drahtlos) sowie am
Ende des Zyklus bei der Datensteuerung und
Analyse. Daher spielt die Manipulationssicherheit bei der Entwicklung von Automatisierungssystemen und -netzwerken und somit auch in Monitoring-Systemen für den
Heimbereich eine bedeutende Rolle.
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Vitalparameter genau und energiesparend messen
ADIs BLIP (Blackfin Low Power Imaging
Platform) ist eine kostengünstige leistungsfähige Embedded-Vision-Sensing-Plattform
mit geringem Energieverbrauch, auf der eine
große Vielzahl von Echtzeit-Sensing- und
Bildverarbeitungsalgorithmen laufen können. Die BLIP besteht aus der Prozessorserie
Blackfin von Analog Devices (BFxxx), die
sich speziell für Embedded-Vision-SensingAlgorithmen eignen. Auf der CES in Las Vegas hat Analog Devices im Januar 2016 diese
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
33
SPS IPC Drives
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ANWENDUNGEN // MEDIZINTECHNIK
Lösung erstmals gezeigt. Die präsentierte
Messung von Vitalparametern (VSM) beinhaltete Herzfrequenz und Aktivität und wurde auf einer Uhr für das Handgelenk gezeigt.
Die Uhr basiert auf einer modularen Architektur, bestehend aus einem Motherboard
mit dem energiesparenden, Cortex-M3-basierten Mikrocontroller ADuCM302x von ADI.
Die Uhr enthält einen 2,4-GHz-Radio-Transceiver, der VSM-Daten per Thread-Protokoll
versenden kann. Auf der Tochterkarte befindet sich die analoge Frontend-Optik
ADPD103, umgeben von drei grünen LEDs
und einer Fotodiode. Ferner enthält die Tochterkarte mit dem ADXL362 einen dreiachsigen Beschleunigungssensor geringem Energieverbrauch. Bewegungen von Personen
werden mittels eines speziell entwickelten
Algorithmus effizient kompensiert.
Der ADPD103 ist ein fotometrisches Frontend, das auf Basis reflektiver optischer Messungen arbeitet. Dazu wird ein Strom mit 8
bis 250 mA durch die LED-Treiber des
ADPD103 geschickt, um die externen LEDs
des Bauteils zum Leuchten zu bringen. Diese
LEDs beleuchten die Haut und leiten das reflektierte Licht an die Fotodiode weiter, bevor
es vom Frontend erfasst wird. Anschließend
wird das Signal verstärkt, gefiltert, integriert
und von einem 14-bit-ADC gewandelt, bevor
es über eine I²C-Schnittstelle an einen Host
übertragen wird.
Die LED und die Fotodiode(n) extern anzuordnen hat mehrere Vorteile. So können
die Zahl und Farbe der LEDs sowie ihre
Stromstärke, speziell aber auch der optimale Abstand zwischen LEDs und Fotodiode,
gewählt werden, um den Modulationsindex
zu maximieren (durch diesen ergibt sich das
AC/DC-Verhältnis und somit die Qualität des
reflektierten Signals). Außerdem lässt sich
bei einer externen Anordnung der LEDs und
Fotodiode(n) die Größe der Fotodiode(n)
wählen (je breiter die Fotodiode, desto höher
wird der Modulationsindex) und möglicherweise eine Erweiterung um einen Stromverstärker mit sehr niedrigem Rauschen und
geringem Energieverbrauch vornehmen.
PRAXIS
WERT
Ultra-Low-Power-Plattform
Um den Energieverbrauch der erwähnten Uhr zu ermitteln, basiert das folgende Beispiel auf einem Bewegungskompensationsalgorithmus, der auf dem
Cortex M3 ADuCM3027 ausgeführt wird,
und macht Annahmen zur Ermittlung der
LED-Leistungsaufnahme. Der ADPD103
sendet in einem oder zwei Zeitfenstern
eine LED-Impulsfolge aus. Dies erlaubt
beispielsweise, eine unterschiedliche
Zahl an Impulsen von einer zur anderen
LED zu senden. Der Energieverbrauch
des ADPD103 ist die Summe des Energieverbrauchs von AFE und LED. Angenommen es gilt:
Fs = 100 Hz; zwei Zeitfenster; Pulsdauer
A = 20 µs; Pulsperiode B = 40 µs; Anzahl der Impulse A = 4; Anzahl der Impulse B = 8; maximaler Strom durch die
LED A = 25 mA; maximaler Strom durch
LED B = 100 mA; Impulsdauer A = 3 µs
und Pulsdauer B = 3 µs.
Somit ist der effektive Strom in der LED
A = (3 x 4 / 10.000) x 25 mA = 30 µA.
Somit ist der effektive Strom in der LED
B = (3 x 8 / 10.000) x 100 mA = 240 µA.
Der
Strom
im
A-Kanal
des
34
AFE = Fs((20+PulseCount*PulsePeriod)
* Vddpeak+0.13) = 100((20 + 4 x 20) x
0,0093 + 0,13) = 106 µA.
Der
Strom
im
B-Kanal
des
AFE = Fs((20+PulseCount*PulsePeriod)
* Vddpeak+0.20) = 100((20 + 8 x 20) x
0,0093 + 0,20) = 187 µA.
Der Gesamtstrom des ADPD103 (inklusive Verbrauch beider LEDs) beträgt 563
µA.
Wie erwähnt, benötigt der von Analog
Devices entwickelte Bewegungskompensationsalgorithmus nur 1,5 MIPS,
was annähernd eine Betriebsfrequenz
von 1,5 MHz ergibt. Bei einer Stromaufnahme des ADuCM3027 von 38 µA/MHz
nimmt der Mikrocontroller 57 µA auf. Der
ADXL362 benötigt 2 µA bei einer Abtastfrequenz von 100 Hz. Somit nehmen AFE
und LED, Cortex M3 und das Beschleunigungssensorsystem in diesem Beispiel
622 µA auf. Diese geringe Stromaufnahme maximiert die Nutzungsdauer der
Uhr mit internem Lithium-Polymer-Akku
(LiPo). Im Standby nimmt der ADPD103
3,5 µA auf. Sein Nachfolger kommt mit
1 µA aus.
Aus der Art der Messung (Herzfrequenz,
SpO2) und der Messstelle auf der Haut ergibt
sich die Farbe der LEDs. Um die Herzfrequenz
am Handgelenk zu messen, wählt man grüne
LEDs, da die Hämoglobin-Absorption bei
Wellenlängen von 500 bis 600 nm am größten ist. Wenn das Herz schlägt ist der Blutfluss am Handgelenk und somit die Absorption von grünem Licht ausgezeichnet. Zwischen den Herzschlägen sinkt sie. Indem
man grüne LEDs hunderte Male pro Sekunde
blinken lässt, kann der ADPD103 die Zahl der
Herzschläge pro Minute – die Herzfrequenz
– berechnen. Es ist empfehlenswert, die grüne LED im Abstand von 3 cm oder mehr von
der Fotodiode anzuordnen, um den Modulationsindex zu erhöhen (Bild 1).
Um die arterielle Sauerstoffsättigung, auch
SpO2 genannt, zu ermitteln (Pulsoximetrie),
wählt man eine rote und eine Infrarot-LED.
In diesem Fall erfolgt die Messung am Finger,
da dort eine starke Kapillarkonzentration
vorhanden ist. Die Pulsoximetrie ist eine
nichtinvasive Methode, um die Atemfunktion
eines Patienten schnell zu ermitteln. Aus
dem Verhältnis von rotem und infrarotem
Licht durch die Fotodiode lässt sich der prozentuale Anteil von sauerstoffreichem und
sauerstoffarmem Hämoglobin im Blut ermitteln. Oximetrie basiert auf der Messung der
Lichtabsorption von Hämoglobin in Blutkapillaren und speziell auf dem Verhältnis aus
Oxyhämoglobin (sauerstoffreiches Hämoglobin) und Deoxyhämoglobin (sauerstoffarmes
Hämoglobin) jeder roten Blutzelle. Ein SpO2
von 98% bedeutet, dass jede rote Blutzelle
98% Oxyhämoglobin und 2% Deoxyhämoglobin enthält.
Analog Devices bietet Modullösungen
(Analog-Frontend, Fotodiode und LED im
gleichen Gehäuse) für Applikationen mit begrenzter Oberfläche an, die ohne eine zu
große Optimierung der optischen Messung
auskommen. So ermöglicht der ADPD142, der
eine rote und eine IR-LED enthält, SpO2Messungen am Finger. Sein Nachfolger, der
ADPD144, bietet ein verbessertes mechanisches Design, das die interne Lichtverschmutzung reduziert. Unter Lichtverschmutzung versteht man hier das direkte
Licht zwischen LED und Fotodiode. Der
ADPD144 arbeitet mit einem durchschnittlichen Messfehler von 2,6% über 24.425 Sample-Messungen und ist damit FDA-konform.
Der ADPD144 hat eine Grundfläche von 5 mm
x 2,8 mm und eine Bauhöhe von 1,35 mm.
Wie oben erwähnt, muss zwischen LED
und Fotodiode ein minimaler Abstand vorhanden sein, um den Modulationsindex und
damit die Qualität des gemessenen Signals
zu maximieren. In einem Modul mit begrenz-
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
.rutronik24
shop | www
ce
er
m
m
B2B e-co
.com
Herzstück des beschriebenen Systems: Die
ADuCM302x-Reihe von Analog Devices ist dafür
ausgelegt, IoT-Anwendungen zu längerer Batterielebensdauer zu verhelfen, ohne deren Sicherheit oder
Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.
tem Platzangebot kann dieser Abstand eventuell nicht optimal sein. Für Anwendungen
wie beispielsweise Sportuhren, die zusätzliche Anforderungen hinsichtlich Bewegung,
Schwitzen und Verrutschen des Kontaktes
zwischen Uhr und Haut stellen, empfiehlt
Analog Devices Lösungen mit externen LEDs
und Fotodioden am Frontend.
Auf der Softwareseite bietet Analog Devices Treiber für die Beschleunigungssensoren und die fotometrischen Sensoren an. Auf
der CES hat das Unternehmen seinen eigenen Algorithmus zum Kompensieren von
Bewegungen vorgestellt, der auf einem Cortex M3 Core läuft. Der ADuCM3027 benötigt
nur 1,5 MIPS für 13 KByte ROM und 7,8 KByte
RAM. Bisher waren für diese Art Algorithmus
noch Floating-Point-Berechnungen und somit eine energiehungrigere, teurere Cortex-M4-CPU erforderlich.
Zu beachten ist, dass Hautfarbe und Tätowierungen die Qualität des gemessenen reflektierten Signals beeinträchtigen. Es ist
daher empfehlenswert, die Lösung nicht auf
einer Tätowierung zu platzieren. Bei Menschen mit dunkler Hautfarbe reduziert sich
der Modulationsindex leicht. Hieraus ergibt
sich die Notwendigkeit zur Optimierung des
optischen Designs der Lösung.
Ein Beispiel zur Ermittlung des benötigten
Energiewerts finden Sie im Kasten auf der
linken Seite. Da der Energiebedarf auf diese
Weise exakt ermittelt werden kann, müssen
sich insbesondere ältere Menschen aufgrund
der möglichen langen Nutzungsdauer keine
Gedanken über regelmäßiges Wiederaufladen des Akkus mehr machen.
// SG
Analog Devices
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
Coating & Underfill
Individuelle Services von Transcend
Maximaler Datenerhalt in rauen Umgebungen
Transcend bietet für seine Flash- und DRAM-Produkte zwei hochentwickelte Verfahren, um eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit
der Speicherprodukte im industriellen Einsatz zu erzielen. Beim
Conformal Coating wird das Produkt mit einem Schutzlack versiegelt, um es vor äußeren Einflüssen zu schützen. Underfill-Verfahren
erhöhen die Belastbarkeit indem sie die mechanische Verbindung
zwischen Chip und PCB verstärken.
Conformal Coating
„ Schutz vor Feuchtigkeit,
Staub, Korrosion und
chemischen Substanzen
„ Elektrisch isolierend und
schimmelbeständig
„ Präzise Versiegelung durch
automatisiertes Aufsprühen
„ Anwendung: u.a. RaffinerieAnlagen, Automobilindustrie,
Verkehrsleitsysteme
Underfill-Verfahren
„ Erhöhte Stabilität unter
Temperaturschwankungen
und hoher Beschleunigungsbelastung
„ Besonders fall-/erschütterungsbeständig
„ Anwendung: u.a. Portable
Devices, Fahrzeugelektronik,
Geldautomaten
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Überzeugen durch Leistung
Consult | Components | Logistics | Quality
INTERNET DER DINGE // PROZESSOREN
Ein Leitfaden für Prozessoren für
das Internet of Things
Für den wachsenden IoT-Markt lassen sich inzwischen einige
grundsätzliche Kategorien erkennen, für die es sich lohnt, speziell
darauf zugeschnittene SoCs zu entwickeln.
Bild: Imagination Technologies
ALEXANDRU VOICA *
Skalierbarkeit am Beispiel der Omnishield-IP von Imagination: Unterschiedliche Anwendungen im Internet of Things stellen auch unterschiedliche Ansprüche an
die Fähigkeiten des verwendeten Prozessors. Eine skalierbare Prozessorfamilie vereinfacht dabei die Entwicklung.
D
as Internet of Things (IoT) umfasst
zahlreiche vernetzte Einrichtungen,
die mit einem Sensor, einem Prozessor und entsprechender Konnektivität ausgestattet sind. Skalierbare Lösungen in diesem Markt sollten auf alle Ebenen einer IoTAnwendung und des Systems zielen und
Antworten auf typische Probleme bieten wie:
„ Bandreite für die drahtlose Kommunikation zu managen sowie die Bedürfnisse für
die Regelung und die Datenübertragung
aufeinander abzustimmen,
„ genug lokale CPU-Ressourcen für grafische Benutzeroberflächen oder Video- und
Bildverarbeitung bereitzustellen, oder
* Alexandru Voica
... ist Senior Marketing Manager für Imagination
Technologies.
36
„ Energieverbrauch und -effizienz zu kontrollieren sowie die adäquate Netzwerk- und
Datensicherheit zu gewährleisten.
Bislang wurden in vielen IoT-Anwendungen oft Halbleiter eingesetzt, die ursprünglich für andere Märkte bestimmt waren, wie
z.B. Handys oder Embedded Systeme. Aber
inzwischen wird immer deutlicher, dass sich
der IoT-Markt grundsätzlich in fünf Hauptkategorien aufteilt. Es ist vorteilhafter, für
jede dieser Kategorien kundenspezifische
SoCs zu entwickeln, anstatt weiterhin Lösungen aus anderen Märkten zu verwenden.
Obwohl die spezifischen Anforderungen
dieser SoCs sehr unterschiedlich sein können, gibt es zwei übergreifende Trends: Zum
einen sind im IoT -Zeitalter auf dem Chip
integrierte Funkeinheiten zum Standard geworden. Dadurch, dass mehrere Standards
wie Wi-Fi oder Bluetooth in einem SoC gemeinsam integriert werden konnten, wurden
auch Materialkosten und Energieverbrauch
erheblich gesenkt. Zum anderen herrschen
gesteigerte Anforderungen an die Security.
Wenn eine Art hardwaregestützte Sicherheit
auf Systemebene implementiert wird, entsteht ein zukunftssicheres Framework, das
die Forderungen von Konsumenten und Unternehmen nach Schutz ihrer sensitiven Daten und Anwendungen erfüllt.
Verschiedene Kategorien von
IoT-Anwendungen
Intelligente Sensoren sind im Prinzip mit
Mikrocontrollern verbunden, die diverse
analoge Schnittstellen für Sensorik besitzen.
Die Anforderungen an die CPU-Leistung liegen zwischen 50 und 100 DMIPS, während
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
INTERNET DER DINGE // PROZESSOREN
für die Konnektivität auf energieeffizienten
Standards wie Protokolle für Low-Power-WiFi (802.11n oder 802.11ah), Bluetooth Smart,
Low-Power-Mobilfunk (z. B. Cat-M LTE) oder
802.15.4-basiert (z. B. ZigBee, Thread,
6LoWPAN, Z-Wave etc.) beruht.
Vernetztes Audio umfasst Produktbereiche
vom bluetooth-basierten Lautsprecher bis
zum High-End-Heimkinosystem. Abhängig
von der geplanten Anwendung werden hier
hochleistungsfähige MCUs mit 300 oder 500
DMIPS bis zu platzsparenden Anwendungsprozessoren mit rund 1000 DMIPS eingesetzt. Die meisten dieser Komponenten für
drahtlose Audio-Anwendungen verfügen
über Bluetooth und/oder Wi-Fi.
Die Wahl der genauen Variante des Wi-FiProtokolls hängt von der Anwendung ab. Ein
vernetzter Lautsprecher etwa, ähnlich dem
Amazon Echo Dot, benötigt lediglich 802.11n
Wi-Fi. Komplexere Konfigurationen (z. B.
raumübergreifende und Multikanal-Klanginstallationen) sollten eher 802.11ac verwenden um sicherzustellen, ob die Bandbreite
für das gesamte Netzwerk ausreicht.
Vernetztes Videobezieht sich etwa auf
Chromecast-ähnliche Geräte oder IP-Kameras, etwa für Videostreams. IP-Kameras haben für gewöhnlich eien einfache UI und
benötigen keine eingebettete GPU zum Rendern von 3D-Grafik. Die Architektur eines
IP-Kamerachips ähnelt der eines vernetzten
Audio-SoCs. Nennenswerte Unterschiede
sind eine im Chip integrierte Video-Engine
und kabelgebundene Konnektivität (z. B.
Ethernet). Zudem gibt es drahtlose Displays
– effektiv Terminals, die als Betrachtungsfläche für komplexere Smart Devices dienen.
Zu den erwähnten Gruppen kommen noch
multimediareiche Anwendungen. Diese benötigen Prozessoren, in die der volle Umfang
an Rechenleistung für komplexe Aufgaben
integriert ist. Das schließt Multicore-CPUs,
leistungsfähige 3D-Grafik, Videocoder und
-decoder sowie universelle Konnektivität ein.
Wie bei den o. g. Kategorien variiert die
fehlerfreie Konfiguration jedes Chips abhängig von der speziellen Anwendung. So bearbeiten die meisten Videoanalysesysteme die
Prozessdaten intern, bevor das Ergebnis an
die Cloud gesendet wird. Dafür benötigen sie
eine sehr leistungsfähige und hochintegrierte Multimedia-Pipeline mit Multicore-GPU
oder spezielle Bildverarbeitungshardware
zur Bearbeitung fortgeschrittener KI-Algorithmen. Im Fall von intelligenten KameraSoCs wird die Konnektivität möglicherweise
durch ein High-Speed-Wi-Fi (z. B. 802.11ac
2×2) vorgenommen. Für Fahrerassistenzsysteme jedoch wird die V2X-basierte Kommunikation (802.11p) der geeignetere Weg sein.
Im Fall vernetzter Unterhaltungselektronik
mit hochauflösenden Displays und diversen
Schnittstellen, wie etwa Smart TVs oder SetTop-Boxen, muss ein Ausgleich zwischen
Rechenleistung, Energiebedarf und Kosten
gefunden werden. Hierfür ist eine GPU, die
auf Flächeneffizienz optimiert ist, am besten
geeignet. Dasselbe gilt für Multicore-CPU
oder Funkprozessor. Wenn Systemdesigner
digitale TV-Geräte und drahtlose Konnektivität in einer einzigen SoC-Lösung vereinigen
können, lassen sich die Kosten erheblich
senken, da nicht für jedes Protokoll ein eigener Chip eingesetzt werden muss.
Um ein SoC für Wearables zu entwickeln,
muss dagegen alles zur Minimierung des
Energieverbrauchs getan werden. Abhängig
von Zielmarkt und Einsatzbereich können
Wearables als Standalone-System betrachtet
oder an ein Smartphone angebunden werden. Das heißt für den Systemdesigner etwa,
die Konnektivität auf eine Kombination von
Bluetooth, Wi-Fi und/oder LTE zu beschränken oder eine auf Energieeffizienz optimierte CPU- und GPU-Konfiguration einzuführen.
Im Bereich High-Density Compute Nodes
ist der Konkurrenzkampf in letzter Zeit ebenfalls härter geworden. Speziell im Kommen
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
sind umweltfreundliche Green-ComputingSysteme (etwa für Netzwerk- und Speichersysteme, Cloud Computing oder große Datenzentren), die höchste Leistung bei gleichzeitig hoher Energieeffizienz bieten sollen.
Ein solches System benötigt eine spezialisierte Architektur, in die eine Manycore-CPU
mitsamt zusätzlichen Hardwarebeschleunigern (z. B. GPUs, DSPs, FPGAs) für Komprimierung, Datenfilterung und andere komplexe Algorithmen integriert sind. Ein spezielles Merkmal ist hier das Hardware-Multithreading. Es erlaubt dem Entwickler der
Node-SoC eine genaue Skalierung des Systems, indem er gezielt Threads in jeder einzelnen CPU einschalten kann, bevor mehrere Kerne aktiviert werden. Diese Lösung des
heterogenen CPU-Computings führt zu einer
signifikanten Effizienzsteigerung in Hinblick
auf die Fläche und den Energiebedarf.
Das IoT ist heute treibende Kraft für neue
Geschäftsmodelle, die auf die wachsenden
Ansprüche unserer Gesellschaft ausgerichtet
sind. Imaginations skalierbare Lösungen
sind darauf ausgelegt, die Herausforderungen für jeden dieser Bereiche zu adressieren.
Imagination Technologies
TriCore • PowerArchitecture
RH850 • XC2000/XE166
Cortex M/R/A • ARM7/9/11
HIG
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37
INTERNET DER DINGE // SENSORNETZWERKE
Designmethoden für die kommende
Generation von IoT-Sensoren
Industrielle IoT-Lösungen und Sensornetzwerke setzen hohe Batterielebensdauer und gute Leistung auch bei kurzen Laufzeiten voraus. Das
erfordert auf System- und Modulsnforderungen abgestimmte Designs.
RAFAEL MENA *
D
urch das Zusammenwachsen drahtloser Sensornetzwerke, die enorme
Datenmengen generieren, wird das
Vorherrschen des Internet of Things (IoT)
entsprechende Ressourcen stark in Anspruch nehmen. Prognosen besagen, dass
bis zum Jahr 2020 etwa 20 Mrd. Geräte mit
dem Internet verbunden sein werden, an die
wiederum im Schnitt je 6,58 vernetzte Geräte angeschlossen sind. Hieraus resultiert ein
neues, als ‚Big Data Sensing‘ bezeichnetes
Paradigma im Zusammenhang mit den Daten, die von all diesen vernetzten Geräten
gesammelt werden. Das Konzept einer elastischen Cloud, deren Rechen- und Speicherkapazität bei Bedarf aufgestockt werden
kann, um das wachsende Datenvolumen zu
bewältigen, wird sich in der nahen Zukunft
nur schwierig unterstützen lassen. Big Data
Sensing verlangt nach einem Umdenken, wie
diese Daten gemanagt werden.
Das Konzept des ‚Edge Computing‘ unternimmt hier einen Lösungsversuch: die Verarbeitung der Daten erfolgt demnach an jenem Punkt, an dem das vernetzte Gerät seine
Daten an das Netzwerk hochlädt. Hier gerät
aber das System als Ganzes aus dem Blick,
bei dem es nicht nur darum geht, das Datenaufkommen im Netzwerk zu verringern, sondern auch den Gesamtstromverbrauch des
drahtlosen Sensornetzwerks zu minimieren.
In industriellen IoT-Lösungen wird von den
vernetzten Geräten etwa eine Batterielebensdauer von 10 Jahren erwartet. Soll das vernetzte Gerät seine Daten in Echtzeit in das
Netzwerk streamen, beansprucht dies die
Ressourcen des Endknotens, wodurch sich
aber die Batterielebensdauer reduziert.
Effizienter wäre es, die Daten bereits bei
ihrer Erfassung zu verarbeiten. Das Gerät
* Rafael Mena
... ist Systems/Applications Manager
bei Texas Instruments.
38
Communication
Interface
Central Unit
MSP430
Flow
Sensor
Display
Passive LCD
Temperature
Sensors
Bild 1: Blockschaltbild eines industriellen Durchflussmessers
würde in diesem Fall autonom arbeiten und
nähme nur dann Cloud-Ressourcen in Anspruch, wenn es ein statistisch signifikantes
Ereignis erkennt. Nachfolgend werden Designmethodiken beschrieben, die einen autonomen Betrieb des vernetzten Geräts mit
minimaler Leistungsaufnahme ermöglichen.
Die Energieeffizienz vernetzter
Geräte
Sehen wir uns Energieeffizienz eines typischen vernetzten Geräts in einer industriellen Anwendung an. Dieses Gerät soll den
Durchfluss einer Flüssigkeit in einer typischen industriellen Prozesssteuerung überwachen. Das Blockschaltbild in Bild 1 zeigt
einen stromsparenden Mikrocontroller, der
für die Datenverarbeitung und das Ressourcenmanagement zuständig ist sowie einen
Funk-Transceiver, einen Datenlogger, das
eigentliche Sensormodul und ein LCD. Die
von dem vernetzten Gerät insgesamt verbrauchte Energie berechnet sich wie folgt:
ETot = EMCUtotal + Esensor + Elisten + Et
+ Er + Esleep + Eswitch + ELCD
EMCUtotal steht für die Energie, die die
MCU im aktiven Betrieb und im Sleep-Modus
verbraucht. Bei Esensor handelt es sich um
die während der Erfassung verbrauchte Energie, bei ELCD um den Energieverbrauch des
Displays. Der Gesamtenergieverbrauch während der Funkkommunikation ist die Summe
des Verbrauchs während des Sendens (Et)
und des Energieverbrauchs beim Empfang
von Daten vom Gateway oder von benachbarten Knoten (Er), der Energie zum Umschalten zwischen Leerlauf und aktivem
Modus (Eswitch) sowie der Energie, die für
das Abhören des Funkverkehrs und das Auflösen von Kollisionen während der Übertragungen (Elisten) benötigt wird. MAC- und
PHY-Layer der Norm IEEE 802.15.4 sehen ein
herkömmliches CSMA-Verfahren (Carrier
Sense Multiple Access) zum Auflösen von
Kollisionen vor. Für diese Analyse berücksichtigen wir hinsichtlich der Funkübertragung nur den Energieverbrauch des MACund des PHY-Layers; der Verarbeitungsaufwand durch die oberen OSI-Schichten des
Funkprotokolls oder Beacon-Ereignisse auf
dem MAC-Layer bleiben unberücksichtigt.
Bei der Sendeenergie handelt es sich um
jene Energie, die für das Absenden eines Datenpakets samt Overhead für die Funkübertragung benötigt wird. Dieser Overhead, der
für das korrekte Handshaking zwischen der
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
sendenden und der empfangenden Einheit
sorgt, wird mit 16 Bytes angesetzt. Der Energieverbrauch für das Senden lautet:
Et = Psent x Plength x TB x Itx x N x V
Hier gibt Psent die Zahl der gesendeten
Pakete an, Plength ist die (in Bytes angegebene) Paketlänge, It die Stromaufnahme der
Funkeinheit während des Sendens, TB der
Zeitaufwand für das Senden eines Bytes, und
V ist die Betriebsspannung des Systems. Die
Werte von EMCU total, Esensor, Elisten, Et,
Er, Esleep und ELCD werden von der Stromaufnahme der jeweiligen Module und dem
Zeitaufwand für die einzelnen Aufgaben bestimmt. Der Wert von Eswitch wiederum
hängt von der Zeit ab, die der Transceiver
zum Umschalten vom Sleep-Status in einen
aktiven Status benötigt.
System-Performance bei kurzen
Einschaltdauern
Mit diesem Energieverbrauchs-Modell soll
der in Bild 1 gezeigte industrielle Durchflussmesser analysiert werden. Die typischen
Werte für die einzelnen Module stehen in
Tabelle 1. Die die Stromaufnahmen des Transceivers (Itx, Irx) liegen um einige Größenordnungen über denen des Mikrocontrollers
(Iactive, Iidle). Daraus folgt, dass das Minimieren
der Funkübertragungen zu einer möglichst
effizienten Lösung führt. Deutlich wird dies
an den Kurven in Bild 2, die die Batterielebensdauer eines vernetzten Geräts als Funktion der Einschaltdauer des Funk-Teils zeigen. Die Batterielebensdauer wird dabei
nach folgender Formel berechnet:
Lnode lifetime = [ Cbatt x V ] / Ecomposite
Cbatt steht für die Kapazität der verwendeten Batterie. Für die vorliegende Analyse
wird von einer Zink-Kohle-Batterie mit einer
Kapazität von ca. 650 mAh ausgegangen.
Bei längeren Einschaltdauern dominiert
der Funkteil die Gesamtleistungsaufnahme
des Systems, bei geringeren Einschaltdauern
treten die anderen Komponenten vermehrt
in den Vordergrund. Deutlich wird dies am
Vergleich der Batterielebensdauer von MCU1
und MCU2 (Bild 2). MCU1 arbeitet hier mit
einem geringeren Aktiv- und Sleep-Strom als
MCU2, was sich durch eine deutliche Verbesserung der Lebensdauer bei der kürzesten
Funkeinschaltdauer äußert. Wenn das System die Kommunikation mit dem Netzwerk
minimieren soll, muss auf die Wahl einer
MCU geachtet werden, die im Aktiv- und IdleZustand möglichst wenig Strom aufnimmt.
Die Performance autonomer
vernetzter Geräte
Wir betrachten jetzt den Fall, dass die erfassten Sensordaten in einem nichtflüchti-
Bilder: Texas Instruments
INTERNET DER DINGE // SENSORNETZWERKE
Tabelle: Simulationsparameter für die SystemAnalyse
gen Speicher abgelegt werden, was dem
vernetzten Gerät ein autonomes Agieren ermöglicht. Dabei soll der Einfluss einer neuen
nichtflüchtigen Speichertechnologie untersucht werden, die den Energiebedarf für das
Aufzeichnen der Sensordaten entscheidend
reduziert. Die nichtflüchtige FRAM-Technologie (Ferroelectric RAM) ermöglicht ein neues Herangehen an das zuvor beschriebene
Design eines IoT-Geräts unter Ausnutzung
der hohen Speicherkapazität und Energieeffizienz dieses neuen Speichertyps. Insbesondere bietet diese Speichertechnologie die
Möglichkeit, mehr Sensordaten lokal zu
speichern, bevor die Übertragung an das
Gateway erfolgt. Das Zwischenspeichern einer größeren Menge an Sensordaten optimiert die Energieeffizienz des Gesamtsystems zusätzlich, da die Einschaltdauer des
Funksystems in diesem Fall reduziert werden
kann. Während die Programmierung von
Flash-Speichern auf einem TunnelungsMechanismus beruht, nutzt die FRAM-Programmierung einen ferroelektrischen Effekt
zum Polarisieren eines dipolaren Moleküls.
Der ferroelektrische Effekt entsteht infolge
der elektrischen Dipole, die von den Zirkon
(Zr) und Sauerstoff (O ) Atomen in den keramischen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristallen
(PZT) der FRAM-Zellen gebildet werden. Das
elektrische Feld bewirkt eine Polarisation mit
einem Hysterese-Effekt, wenn sich das ZrAtom mit zunehmender Feldstärke innerhalb
des PZT-Kristalls bewegt. Die FRAM-Zelle
verschleißt deshalb wenn überhaupt, dann
wesentlich langsamer mit jedem Speichervorgang und hält deshalb mehr als eine Milliarde Mal länger als eine Flash-Zelle.
Darüber hinaus ist ein Schreibzugriff auf
eine FRAM-Zelle ohne vorherigen Löschzyk-
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
39
PERFECT
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INTERNET DER DINGE // SENSORNETZWERKE
lus möglich und die Polarisation des Moleküls erfolgt innerhalb von einer oder zwei
Nanosekunden. Ein Schreibvorgang geht
somit ca. 1000-mal schneller vonstatten als
bei den anderen eben erwähnten nichtflüchtigen Speichern. Die Geschwindigkeit von
FRAMs liegt in vielen Mikrocontrollern auf
dem Niveau von SRAMs. Dynamische Zugriffseigenschaften und die Nichtflüchtigkeit
kommen als weitere Pluspunkte hinzu.
FRAMs gelten deshalb häufig als Universalspeicher, da sie während ihrer Nutzungszeit
beliebig als Daten oder Programmspeicher
genutzt werden können. Dies verleiht Designern die Freiheit, ihre Embedded-Software
gemäß ihren spezifischen Anforderungen zu
schreiben, ohne durch die Restriktionen des
Mikrocontrollers eingeschränkt zu sein. Diese Vorteile werden von keiner anderen Embedded-Memory-Technologie geboten.
Die mit der Datenaufzeichnung in FRAMSpeichern erzielten niedrigeren Energiekosten ermöglichen die Nutzung netzwerkinterner Speicher, um den allgemeinen Kommunikationsaufwand zu verringern. In diesem Fall muss der Energiebedarf des
netzwerkinternen Speichers mit dem Verbrauch der Funkübertragung verglichen
werden. Wie schon weiter oben gezeigt, sind
die Kommunikationskosten bei höheren Einschaltdauern der Funk-Kommunikation
recht hoch und können Einfluss auf die Batterielebensdauer des Systems haben. Indem
man die niedrigen Energiekosten der netzwerkinternen Speicherung und die entsprechenden Berechnungskosten von FRAMSpeicher nutzt, lässt sich der Energiebedarf
der Kommunikation gravierend senken. Die
allgemeine Kostensenkung beim kommunikationsbedingten Energieverbrauch wird
möglich, indem man dem Sensor auf Basis
der über die Zeit erfassten historischen Daten
adaptive Änderungen an dem von ihm gesammelten Datenbestand ermöglicht. So
kann sich der Sensor dafür entscheiden, bestimmte Daten zu verwerfen, wenn keine
signifikanten Abweichungen von den Trends
festzustellen sind, die über einen vorgegebenen Erfassungszeitraum hinweg beobachtet
wurden. Dank des geringen Energieaufwands der Berechnungen nach dem Algorithmus kann das System prädiktive Zeitreihenmodelle erstellen. Der erhebliche Umfang an historischen Daten, den diese Modelle zum Erreichen der erforderlichen
Genauigkeit benötigen, lässt sich nur mit
einer energiesparenden Speichertechnologie
wie FRAM erzielen, um die Vorteile der lokalen Speicherung zu nutzen. Die Energiekosten sinken, weil weniger Daten per Funk
übertragen werden müssen. Die dank FRAM
40
Bild 2: Simulierte Batterielebensdauer als Funktion der Einschaltdauer des Funk-Teils.
erreichten niedrigeren Energiekosten erlauben auch eine Bündelung der vom Sensor
erfassten Daten mithilfe von Hash-Tabellen
zur Unterdrückung doppelter Pakete. Diese
Hash-Tabellen sind üblicherweise zu groß
für die Verarbeitung in RAM-Speicher. Dagegen lassen sich FRAM-basierte Datenmanagement-Konzepte zur Speicherung dieser
Tabellen zu niedrigen Energiekosten nutzen,
was außerdem der Leistungsfähigkeit des
Systems zugutekommt.
Vorteile eingebetteter Sonderfunktionen für das System
Die Analog-Integration von EmbeddedMikrocontrollern hat zu einzigartigen System-on-Chip-Lösungen geführt, mit denen
sich extrem energieeffiziente Lösungen realisieren lassen. Zu den analogen Modulen
gehören A/D-Wandler (ADCs), programmierbare interne Spannungsreferenzen, D/AWandler (DACs), Komparatoren, analoge
Schaltmatrizen und integrierte LCD-Treiber.
Mit diesen Analogmodulen kann das ankommende Analogsignal direkt abgetastet, gepuffert und aufbereitet werden, bevor die
Umwandlung in einen digitalen Bitstrom
erfolgt. Darüber hinaus lassen sich die analogen Module zu speziellen Sonderfunktionen kombinieren, die das Anregen des Sensors, die Erfassung der Daten, die Signalaufbereitung, die Datenaufzeichnung und -verarbeitung, das Systemmanagement und die
Kommunikation mit dem internen Hostprozessor einschließen. Zu den typischen Beispielen für analoge Sonderfunktions-Lösungen gehören Ladezeit-Messeinheiten, verschiedene Motorsteuerungs-Lösungen, die
HF-Umwandlung sowie spezielle Sonderfunktions-Lösungen zum Messen physikalischer Größen wie Druck, Temperatur, Durchflussrate und Position. Mit solchen SoC-Lösungen ausgerüstet, kann ein vernetztes
Gerät autonom und mit größtmöglicher
Energieeffizienz arbeiten.
Die Analogintegration senkt die Leistungsaufnahme des Systems, da die Funktionalität
in einem einzigen Chip konzentriert ist. Hieraus resultieren ebenfalls ein Durchsatzzuwachs mit kürzeren Schaltzeiten sowie ein
geringeres Systemrauschen. Prinzipbedingt
machen diese Mixed-Signal-Lösungen auch
das Systemdesign einfacher, da sich bestimmte Aspekte bereits vorab verifizieren
lassen. Die Übereinstimmung der Signalund Stromversorgungs-Integrität mit den
jeweiligen Spezifikationen wird mithilfe einer spezifikationsbasierten Funktions-Validierung verifiziert. Darüber hinaus enthalten
Systemlösungen mit Sonderfunktionen auch
analoge Komponenten, die sich mithilfe intelligente Verbindungen innerhalb des IC
vollständig per Software steuern lassen.
Dank dieser Funktionalität stehen des Weiteren programmierbare interne Spannungsreferenzen für die Analogmodule zur Verfügung. Insgesamt sorgt die Single-Chip-Lösung also für eine Reduzierung des Bauteileaufwands und der Leiterplattenfläche, was
ein Potenzial für eine erhebliche Senkung
der Systemkosten schafft.
Eine ungekürzte Fassung dieses Beitrags
samt Quellenverweisen finden Sie online auf
www.elektronikpraxis.de.
// SG
Texas Instruments
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
AKTUELLE PRODUKTE // EMBEDDED
EMBEDDED
BOX PC SYTEME
PROGRAMMIERBARE OSZILLATOREN
Branchenführende Jitter-Leistung
Die CY294X-Familie von Cypress
liefert eine RMS-Jitter-Leistung
von 110 fs (12 kHz - 20 MHz Offset). Die Geräte werden in Gehäusen nach Industriestandard geliefert, sind ein Drop-in-Ersatz
für teure, unflexible SAW/Inverted-Mesa-Oszillatoren und bieten dabei gleichzeitig eine bessere Jitter-Leistung. CY294X nutzt
die patentierte und programmierbare Takttechnologie, um
sofort eine beliebige Frequenz
von 15 MHz bis 2,1 GHz zu erzeugen, einschließlich Nicht-Standard-Frequenzen. Das Teil ist
mithilfe einer I2C-Schnittstelle
des Industriestandards programmierbar. Somit können Endkunden ein einzelnes Gerät flexibel
über eine Familie von HardwarePlattformen hinweg nutzen.
Die CY294X-Familie wird mit
zwei Evaluierungskits (CY3676
und CY3677) und Programmiersoftware (CyClockWizard 2.1)
geliefert. Entwickler können so
einfacher ihre gewünschten Frequenzen erzeugen und die Geräteleistung überwachen. Die Bausteine eignen sich für Netzwerkanwendungen wie Switches und
Router, Funkbasisstationen, Fiber-To-The-Home-(FTTH)-Hubs
und jedes System, das High-Performance-Takte erfordert.
MVP-6000 Serie
Cypress
ENTWICKLUNGSKIT
Rapid Adoption Kits für 10nm-ARM-Cores
Cadence hat die Verfügbarkeit
eines Rapid Adoption Kit (RAK)
für einen 10nm Referenz-Flow
bekannt gegeben, den ARM intern für das Design der Cores der
Cortex-A73 CPU und der Mali-G71
GPU nutzt. Diese Prozessoren
sind auf VR- (Virtual Reality) und
AR-Anwendungen (Augmented
Reality) in mobilen HighendGeräten ausgerichtet.
Im Verlauf dieser Kollaboration haben Cadence und ARM
auch an der Entwicklung einer
10nm Methodik gearbeitet, welche die digitalen Implementie-
rungs-und Signoff-Tools von
Cadence nutzt. Zusätzlich arbeitet Cadence eng mit ARM zusammen, um regelmäßig Softwareund Prozess Design Kit-Updates
(PDK) für die RAKs bereitzustellen, und gewährleistet damit eine ständige Optimierung der
Design-Closure und der PPA-Ergebnisse. Die Entwickler können
somit eine kontinuierlich aktualisierte Grundlage für die Entwicklung von hochleistungsfähigen und energie-effizienten
mobilen Geräten nutzen. Zusammen mit dem RAK bietet Cadence
Lösungen an, welche die Produktivität der System-, Subsystemund IP-Verifikation erhöhen sowie eine Leistungsoptimierung
und ein Software-Enablement
ermöglichen. Das RAK kann die
leistungsfähige ARM Artisan
physikalische IP und ARM POP
IP für den ARM Cortex-A73 Prozessor und die ARM Mali-G71
GPU nutzen, so dass die Entwickler anspruchsvolle PPA-Ziele
(Power, Performance, Area) erreichen können.
Cadence
FEMTOCLOCK-TAKT-IC
Einchip-Lösung für komplexe Timing-Anforderungen
Mit seinem 8-Fractional-/2-Integer-Ausgangsteilern stellt der
IDT 8T49N1012 FemtoClock NG
Synthesizer eine Einchip-Lösung
dar, mit der Entwickler komplexe
Timing-Anforderungen lösen
können. Der Takt-IC ist über eine
I2C-Schnittstelle programmierbar und unterstützt eine MasterFunktion, welche die Registerkonfiguration über ein externes
EEPROM lesen kann. Nach Behebung eines Systemfehlers kann
das System schnell wiederhergestellt werden. Eine programmierbare Versatzsteuerung (Skew
Control) an allen acht FractionalAusgängen ermöglicht die einfache interne Einstellung der Signalverzögerung. Das Tool Timing
Commander ermöglicht eine
schnelle und einfache Rekonfi-
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
MXE-5500 Serie
guration des Bausteins. Dies hilft
Entwicklern bei sämtlichen
Designänderungen.
Der 8T49N1012 wird im 10 mm
x 10 mm 72-VFQFN-Gehäuse ausgeliefert. Er kostet 4,60 US-$ (ab
10.000 Stück). Der Takt-IC eignet
sich für fortschrittliche Enterprise-Class-Systeme in der Netzwerk- und Kommunikationstechnik, sowie für Drucker, Rechner,
Instrumentierungs-, Audio-,
Video-, Backplane- und USBAnwendungen.
Industrielle lüfterlose
Embedded Systeme
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(Skylake) Prozessoren
› Extrem robustes und
lüfterloses Design
› Große Anzahl an
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IDT
41
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INTERNET DER DINGE // APPLIKATIONSENTWICKLUNG
Mit ARIS und Renesas Synergy IoTAnwendungen rasch entwickeln
Aufbauend auf der Entwicklungsplattform Synergy von Renesas erleichtert das ARIS-Board von Arrow das IoT-Design, da die ready-touse-Lösung speziell für die Embedded-Entwicklung konzipiert ist.
AMIR SHERMAN, ROBIN NEWITSCH *
RELOC auch um die
Implementierung der
Treiber und die Erstellung der Middleware
zur Verwaltung der
Peripherien und schuf
so eine Out-of-the-Box
IoT-Entwicklungsumgebung. Aufbauend
auf der Synergy-Entwicklungsplattform
von Renesas hilft es
die Erstellung von
IoT-Designs zu beschleunigen, indem
es einen schnelleren
und einfacheren Start
in die Entwicklung,
mit einer vollständig
ARIS Board von Arrow: Die Mikrocontroller-Einheit besteht aus einem ARMqualifizierten und opCortex-M4-Embedded-Prozessor mit 240 MHz Takt, 4 MB Flash-Speicher und
640 KB SRAM.
timalen Lösung aus
Hard- und Software,
die Innovation und
rrow Electronics hat die Einführung Produktdifferenzierung fördert, bietet.
des ARIS Boards, einer ready-to-use
Herz des ARIS-Boards ist die
Hardware- und Software-Lösung für
High-Performance-MCU S7G2
das Internet of Things (IoT), angekündigt.
ARIS steht für Arrow Renesas IoT Synergy
Das System ist um eine High-Performanceund kennzeichnet somit die enge Zusam- MCU S7G2 von Renesas aufgebaut (siehe
menarbeit zwischen Arrow und Renesas so- Blockdiagramm). Die Mikrocontroller-Einwie deren Entwicklungsplattform Synergy. heit besteht aus einem ARM-Cortex-M4-EmDas neu angekündigte IoT-Board hilft Nut- bedded-Prozessor mit 240 MHz Takt, 4 MB
zern, Anwendungen schnell zu entwickeln Flash-Speicher und 640 KB SRAM. Außerund damit in möglichst kurzer Zeit an den dem verfügt er über 512 MB Serial Flash,
Markt zu kommen. Das ARIS Board wurde 256-MB-SDRAM-Speicher und einem zusätzvom italienischen Unternehmen RELOC ent- lichen microSD-Kartenslot. Der Drei-Achsenwickelt, deren Fokus auf Embedded-Designs Beschleunigungssensor sowie das Zweiund der vertikalen Integration von IoT-An- Achsen-Gyroskop liefern Informationen zur
wendungen liegt. Neben der Entwicklung Position und Bewegung des Boards. Diese
und Herstellung des Boards kümmerte sich lassen sich via SPI-Verbindung ansprechen.
Desweiteren sind auf dem ARIS Board ein
Temperatur- und ein Luftfeuchtigkeitssensor
verbaut, welche über die I²C-Schnittstelle
* Amir Sherman
... ist Technology Marketing Director Embedded
erreichbar sind und weitere Umgebungsdaten liefern können. Um die gesammelten
* Robin Newitsch
... ist Junior Engineer bei Arrow Electronics EMEA
Daten bestmöglich weiterzuverarbeiten,
A
42
wurde ein starker Fokus auf die Kommunikation und Konnektivität des Gerätes gelegt.
So kann das ARIS Board neben Ethernet
10/100- und USB-Verbindung auch kabellos
per Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE 4.1/4.2)
und NFC mit seiner Umgebung kommunizieren. Damit auch der User mit dem Board interagieren kann, wurden verschiedene
Schnittstellen zum Nutzer implementiert.
Über das GPIO-Interface sind LEDs, PushButtons und ein TFT-Bildschirm erreichbar.
Darüber hinaus wird ein resistiver Touchscreen über I²C unterstützt. Um das Board
universell einsetzbar zu machen, wurde es
im Arduino-Layout gestaltet, sodass auch
Erweiterungs-Shields genutzt werden können, um somit jede denkbare Applikation
umsetzen zu können. Zusätzliche Funktionen, wie das Vorhandensein eines On-BoardJ-Link-Debuggers, der Unterstützung für
Krypto-Bootloader und Over-the-Air (OTA)
Firmware-Updates machen die Entwicklung
einfacher, schneller und sicherer. Die Kombination aus dem ARIS Board von Arrow und
der Synergy-Software-Entwicklungsumgebung von Renesas ermöglicht es dem Entwickler, die Time-to-Market stark zu verringern. So ist auch eine signifikante Senkung
der Gesamtbetriebskosten über die komplette Lebensdauer des Produktes gewährleistet.
Was die Renesas-Synergy-Plattform so einzigartig macht
Im Gegensatz zu anderen Entwicklungsumgebungen wurden alle Elemente der Synergy-Plattform von Renesas von Grund auf
neu und speziell für Anwendungen im Embedded-Bereich entwickelt. Dies sorgt für
eine noch nie dagewesene Skalierbarkeit und
Kompatibilität, was zu einer hohen Wiederverwendbarkeit von User-Code führt und
somit Entwicklungszeit eingespart. Die Plattform wird in Zukunft erweitert, es werden
neue Technologien zum Einsatz kommen
und immer neue Features werden implementiert, um Embedded-Designs stets schneller
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
Blockdiagramm des
ARIS Boards von
Arrow: Das System ist
um eine High-Performance-MCU S7G2 von
Renesas aufgebaut.
benötigter Module und des User Codes. Die
angebotenen BSPs sind speziell auf Boards,
welche in der Renesas-Synergy-Plattform
unterstützt werden, angepasst. Durch die
Nutzung dieses Services können aufwändige
Programmierungen in Registereinträgen und
Pin-Konfigurationen vermieden werden. Anstelle dessen wird auf bereits vordefinierte
symbolische Verweise zurückgegriffen, was
die Erstellung von User-Code erheblich vereinfacht. Mit Hilfe eines speziell für das Ar-
row ARIS Boards erstellten BSPs sind im
Hands-on Beispiele realisiert, welche die
einfache und schnelle Nutzung von ARIS
unter Beweis stellen. Neben der Nutzung der
GPIO-Pins zur Ansteuerung der On-BoardLEDs wird außerdem gezeigt, wie es möglich
ist, eine USB-Kommunikation aufzubauen
und wie das Arrow ARIS Board als Wi-Fi Access Point eingerichtet werden kann. // MK
Arrow
114899
1148
und effizienter zur Markteinführung zu bringen. Die in dieser Plattform integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) ist Eclipse Embedded Studio von Renesas, welches unter
dem Namen e² Studio bekannt ist. Basierend
auf der Open Source IDE Eclipse bietet diese
Lösung ein hohes Maß an Flexibilität und
Kreativität. Die komplette Renesas-SynergyPlattform kann frei von der Renesas Synergy
Gallery heruntergeladen und installiert werden. Auf dieser Seite sind neben der benötigten Software auch Anwendungsbeispiele zu
finden, welche leicht auf das ARIS Board
angepasst werden können.
Ein perfekter Einstieg zur Entwicklung eigener Lösungen mit dem ARIS Board von
Arrow und der Synergy-Plattform von Renesas wird durch ein dreiteiliges Hands-on
geboten. In kürzester Zeit wird der Umgang
mit allen Werkzeugen, welche zur Entwicklung eigener Applikationen im Embeddedund IoT-Bereich benötigt werden, vermittelt.
Dabei wird in erster Instanz der Umgang mit
der Entwicklungsumgebung erklärt und dargelegt. Schritt für Schritt führt das Training
von der Erstellung eines neuen Projektes und
der Auswahl des richtigen Board Support
Package (BSP) bis hin zur Implementierung
Bilder: Arrow
INTERNET DER DINGE // APPLIKATIONSENTWICKLUNG
Im Code verloren?
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INTERNET OF THINGS // BIG-DATA-ANALYSE
Der Wert des Internet of Things
liegt in den Daten
Wenn in der Embedded-Branche über die neue vernetzte Welt diskutiert
wird, taucht unweigerlich die Frage auf: „Was soll das eigentlich mit
diesem ‚Internet der Dinge’? Worin liegt der Hype darum begründet?“
Bild: IAR Systems
JAN NYRÉN *
Big Data: Gegenüber dem Umgang mit Information in der M2M-Kommunikation eröffnet das Internet der Dinge durch Hinzunahme zusätzlicher Datenströme neue
Möglichkeiten – aber aber auch neue Fragen.
D
ie Antwort ist wohl auch eine Frage
der Perspektive: Betrachtet man das
Thema aus einem konventionellen
M2M-Blickwinkel oder der Internet-of-Things
(IoT)-Perspektive?
Aus dem konventionellen M2M-Blickwinkel betrachtet, scheint sich zum heutigen
* Jan Nyrén
... ist Produktmanager IoT-Technologies bei IAR Systems und bloggt auf
www.iarconnect.com.
44
Stand nicht viel verändert zu haben: Wir
nutzen dieselbe Technologie, und alle Geräte einer IoT-Lösung bestehen aus Bausteinen
wie einem Sensor, einem Antrieb und einer
Kommunikationseinheit in Verbindung mit
einem Mikrocontroller. Oberflächlich betrachtet also erst einmal nichts Neues.
Aber aus der anderen Perspektive betrachtet, hat das Internet der Dinge das Potential,
eine Revolution zu werden und unser tägliches Leben wie auch unsere Wirtschaft ebenso grundlegend zu beeinflussen wie einst das
Internet. Es könnte das weltweite Wachstum
auf viele Jahre hinweg antreiben. Ganz entscheidend ist es jedoch, wie wir die gewonnenen Daten auf sinnvolle und intelligente
Weise nutzen. Dabei geht es nicht nur um
Daten, die von Sensoren in zukünftigen IoTLösungen erfasst werden, sondern auch um
Daten, die an anderer Stelle erzeugt werden,
wie zum Beispiel in den sozialen Medien.
Konventionelles Maschine-zuMaschine-Modell vs. IoT
In einer konventionellen M2M-Konstellation messen Geräte die physische Umgebung
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
INTERNET OF THINGS // BIG-DATA-ANALYSE
und kommunizieren entweder mit anderen
Geräten, die Teil derselben Anwendung sind,
oder mit einem zentralen Server. Alle Anwendungen werden wie Silos gemanagt, das
heißt es gibt keinen direkten Weg, die erzeugten Daten direkt im Internet oder mit Dritten
zu teilen. Viele dieser Anwendungen nutzen
proprietäre Methoden für die Kommunikation, das Gerätemanagement und die Datenspeicherung.
Im IoT-Ansatz werden die ermittelten Informationen jedoch vernetzt und über das
Internet zugänglich gemacht. Die Vision ist
es, Dinge und Objekte aus der echten Welt zu
vernetzen, miteinander kommunizieren und
interagieren zu lassen, so wie es bereits Menschen über das Internet tun.
Sobald die Daten im Internet zur Verfügung stehen, können sie mit Informationen
aus anderen, zusätzlichen Quellen aggregiert
werden, wie GPS-Daten, Wetterdaten und
zum Beispiel auch persönlichen Infos aus
den sozialen Medien. Das ermöglicht es, sie
mit zugriffsberechtigten Dritten zu teilen, die
spezielle Daten für ihre spezielle Anwendung
benötigen.
Stressmonitoring als
Anwendungsbeispiel
Ein Beispiel, das die verschiedenen Ansätze für eine Lösung desselben Problems verdeutlicht, ist das Individuelle Stressmonitoring. Studien haben gezeigt, dass 50 % aller
Gesundheitsrisiken von Arbeitnehmern mit
Stress zusammenhängen. Stress lässt sich
mit Hilfe von Sensoren messen, etwa durch
Erfassen der Herzfrequenz oder der galvanischen Hautreaktion. Messgeräte, die diese
Aufgaben umsetzen, sind bereits verfügbar,
etwa in Form von Armbändern, die Messungen durchführen und über einen integrierten
Bewegungssensor Daten zur Bewegung der
Person liefern.
In der konventionellen „M2M-Silo-Welt“
würde die Lösung Sensordaten vom Arm-
band empfangen und diese Daten an einen
zentralen Server zur Analyse weiterleiten.
Dieser Server könnte zwar viel mit den Daten
tun, aber hat nicht genug Informationen darüber, was den Stress bei der betreffenden
Person eigentlich ausgelöst hat.
In einer IoT-Welt wären mehr Daten verfügbar, mit tiefergehenden und umfangreicheren Informationen zum Kontext der betreffenden Person. Dabei handelt es sich etwa um das Wetter, Umweltbedingungen wie
Helligkeit, Temperatur, Grad der Luftverschmutzung, Lärmpegel oder Arbeitsumstände, beispielsweise Arbeitsweg, Arbeitszeiten, Zahl unbeantworteter E-Mails, Freizeitaktivitäten und besondere gesellschaftliche Ereignisse. Je mehr Daten zur Verfügung
stehen, um so mehr kann analysiert und in
Beziehung gesetzt werden, um Muster und
Abhängigkeiten zu erkennen.
Offene Fragen und Herausforderungen
Die eingesetzten Technologien in M2M und
IoT können also durchaus identisch sein –
zumindest hinsichtlich der in der eingesetzten Geräte. Die Art, wie mit den Daten umgegangen wird, ist aber sowohl in technischer
und wirtschaftlicher Hinsicht eine Andere.
Deshalb ist es nötig, neue Geschäftsmodelle
unter Einbeziehung der Daten zu entwickeln.
Bei M2M werden die Daten ausschließlich
von deren Verursacher genutzt. In der IoTWelt könnten diese Daten geteilt werden und
für verschiedene Zwecke wiederverwendet
werden. Hier liegen die Vorteile, aber auch
Herausforderungen wie etwa:
Wie können die Daten sicher geteilt und
eine hohe Integrität gewährleistet werden?
Sensible Daten, wie beispielsweise Patienteninformationen, müssen mit höchster
Sorgfalt behandelt werden. Es sind Mechanismen notwendig, die sicher stellen können, dass diese Daten während ihrer gesamten Laufzeit niemals beschädigt werden.
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Zugleich darf auch die Integrität der Person,
die im Besitz dieser Daten ist, zu keiner Zeit
gefährdet sein.
Wie können Anreize für das Teilen von Daten geschaffen werden? Dazu ist die Entstehung von Datenplattformen nötig, auf denen
Unternehmen und Endverbraucher Daten
auf einfache Weise handeln können.
Wie kann diese extrem große Datenmenge
intelligent verarbeitet werden? Es wird eine
noch nie dagewesene Datenmenge erzeugt
werden. Die Herausforderung wird sein, diese effizient und intelligent zu ermitteln, validieren, speichern und analysieren.
An Lösungen zu diesen Herausforderungen wird bereits gearbeitet, etwa im Rahmen
von Industrieinitiativen. Beispiele sind:
„ Big Data-Initiativen sowie Datenanalytik.
Dieses Thema wird bereits seit Jahren hoch
gehandelt und alle großen DatenbankAnbieter und Social Media-Unternehmen
konkurrieren um die effizienteste Datenspeicherung und -analyse.
„ Information Driven Global Value Chain
(I-GVC). Aktuell wird an der Definition einer Wertschöpfungskette gearbeitet, in der
Information – und nicht Öl oder Gold – der
Rohstoff ist. Eine Umsetzung liegt noch in
der Zukunft, ist aber eine wichtige Maßnahme, um Impulse und Anreize für die Produktion relevanter Daten zu schaffen.
„ Datensicherheit und -integrität über deren gesamte Lebensdauer. Security ist eines
der heißesten Themen im IoT. Wie Daten
in einer I-GVC sicher gehandhabt werden,
muss immer noch geklärt werden.
Die Industrie hat den Weg in Richtung IoT
eingeschlagen. Dieser Weg mag lang und
nicht immer ohne Umwege sein. Aber mit all
den Möglichkeiten, die sich hier ergeben, bin
ich überzeugt, dass es genug gemeinsamen
Enthusiasmus und Kraft gibt, das Internet
der Dinge zum Erfolg zu führen.
// SG
IAR Systems
AKTUELLE PRODUKTE // PROZESSOREN
INTEL XEON E7 V4
Server-CPUs mit 24 Kernen aus der Broadwell-EX-Reihe
Intel hat speziell für Server eine
neue Serie an Broadwell-basierten High-End x86-CPUs vorgestellt. Die für 4- und 8-SockelSysteme angelegten Xeon E7 v4
Prozessoren bieten bis zu 24
Kerne, 60MByte an L3-CacheSpeicher und eine Taktfrequenz
zwischen 2,0 und 3,2 GHz.
Die im 14nm-Verfahren gefertigen Xeon E7v4-Prozessoren
basieren auf Intels gegenwärtigen Broadwell-Architektur, die
auch für die Xeon E5 v4 und für
Desktopprozessoren wie den
Core i7-5775C im Einsatz ist.
Der Takt ist mit 2,2 GHz niedriger angesetzt als beim auf der
Haswell-Architektur basierenden Xeon E7v3 mit 2,5 GHz. Dafür
bietet die Broadwell-Architektur
eine bessere Effizienz, kürzere
Latenzen und Durchlaufzeiten
bei vielen Befehlen, insbesondere eine schneller Multiplikation.
Laut Intel liegt der Performancezuwachs gegenüber dem v3 bei
gleicher DDR4-Speicherbestückung bei 30 Prozent
In einem Achtsockelsystem
bieten die Xeon E7 v4 CPUs Support bis zu 24 TByte DDR4-RAM
und bieten mit 3 TByte pro Sockel
laut Intel die branchenweit größte Speicherkapazität pro Sockel.
Sie sollen so für Echtzeit-Analytics sowie datenintensive Workloads geeignet sein, etwa Online Transaction Processing
(OLTP), Supply Chain Management (SCM) und Enterprise Resource Planning (ERP). Auch bei
den RAS-Features (Reliability,
Availability, Serviceability) legt
Intel nach. Neuerungen bei der
Intel-Run-Sure-Technik wie die
verbesserte „Enhanced Machine
Check Architecture Recovery“
sollen unplanmäßige Systemausfallzeiten reduzieren und
für nahezu 100%-ige Verfügbarkeit bei unternehmenskritischen
Anwendungen sorgen.
Intel
DESIGN FÜR SERVER BIS ZU LÜFTERLOSEN MOBILEN
AMD stellt Mikroarchitektur Zen für x86-Prozessoren vor
AMD präsentiert mit „Zen“ das
Herzstück der kommenden Computing-Produkte von AMD, die
„aller Voraussicht nach“ 2017 auf
den Markt kommen − zunächst
für Hochleistungs-Desktop-PCs,
dann für Server der Enterprise-
Klasse und mobile PCs und
schließlich für Embedded-Anwendungen. Die Architektur soll
eine 40%-ige Steigerung der
Befehle-pro-Taktzyklus im Vergleich zu anderen AMD Prozessoren bei gleichbleibendem
Stromverbrauch bieten. Ziel der
Entwicklung ist laut AMD ein
„maximaler Datendurchsatz bei
maximaler Befehlsausführung“.
Ein Drei-Ebenen-Cache mit neuen Vorabruf-Algorithmen ermöglichen eine drastische Reduzierung von Cache-Fehltreffern und
eine größere Bandbreite im Ver-
gleich zur vorherigen Mikroarchitektur und soll für „optimale
Recheneffizienz“ sorgen.
Mit der von Grund auf neu
konzipierten x86-Architektur
gibt AMD den CMT-Ansatz (CoreMultithreading) auf. Alle Kerne
erhalten ihre eigenen Ressourcen (abseits des L3-Caches). Das
bei Intel als Hyperthreading bezeichnete Prinzip heißt bei AMD
„Simultaneous Multithreading“
(SMT). Jeder Kern wird je zwei
Threads verarbeiten können. Das
könnten dann bis zu 16 Threads
bei einem Achtkerner werden.
Mit Zen soll die Sockelinfrastruktur „AM4“ an den Start gehen, die mit AMD A-Serie CPUs
der 7. Generation kompatibel ist.
Sie soll sowohl für reine FX-CPUs
brauchbar sein als auch für
APUs. Letztere werden zunächst
noch auf „Excavator“ basieren
(„Bristol Ridge“), sollen aber ab
2017 durch Zen-basierte Nachfolger abgelöst werden („Summit
Ridge“). Integriert in das Konzept sind DDR4, USB 3.1 sowie
PCI-Express- und SATA-Technik.
AMD
RZ/T1
Echtzeit-Prozessorlösung für Industrieantriebe und Robotersysteme
Das RZ/T1 Motion Control Solution Kit von Renesas vereinfacht
die Embedded-Entwicklung von
industriellen Servoantrieben
und -Controllern, Industrierobotersystemen, Fertigungsanlagen
und anderen Werkzeugmaschinen, die hohe Geschwindigkeit,
schnelle Reaktionszeit sowie
hervorragendes Echtzeit-Verhalten erfordern. Das Kit bietet in
seiner Produktklasse höchste
Rechenleistung und eine Echtzeit-Architektur, mit der sich Regelkreise noch enger gekoppelt
implementieren lassen, Netz-
46
werk-Konnektivität zur Unterstützung einer deterministischen
Kommunikation sowie eine
Hochgeschwindigkeits-Encoderschnittstelle. Es fungiert damit
praktisch als vernetzte ServoLösung auf einem einzigen Chip.
Es enthält eine RZ/T1-CPU-Karte
sowie einen Zweikanal-3-Phasen-Umrichter, um eine Zweikanal-Servomotor-Steuerung mit
Strom- und Positions-Rückmeldung zu ermöglichen. Darüber
hinaus unterstützt das Kit inkrementelle und absolute Encoder
über die Protokolle EnDat, BiSS
oder A-FormatTM. Systemhersteller können unmittelbar den
Servo-Motor starten und in nur
30 Minuten mit dem Evaluierungsprozess beginnen. Das RZ/
T1 Solution Kit enthält integrierte Software-Algorithmen wie
feldorientierte Regelung, Position-Control-Loops sowie einen
Velocity-Profile-Generator. Es
unterstützt mehrere Protokolle
und Schnittstellen, und verfügt
über integrierte RS422-, RS232-,
CAN-, USB- und TTL-UART-Ports.
Die ebenfalls enthaltene R-IN
Engine bietet eine auf dem Chip
integrierte EtherCAT-Schnittstelle sowie einen Hardware-Switch
zur Unterstützung weiterer Industrie-Protokolle wie PROFINET und Ethernet/IPTM.
Renesas
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
AKTUELLE PRODUKTE // MIKROCONTROLLER
T H R E A D
ALL YOU
DACHZEILE
32-Bit-PIC-MCUs mit geringer Stromaufnahme
Für Embedded-Anwendungen im
IoT oder Industrie- und Motorsteuerungen, die geringe Stromaufnahme und lange Batterielebensdauer erfordern, bietet die
PIC32MM-Serie Sleep-Modi bis
hinab auf 500 nA. Anwendungen
mit beschränktem Platzangebot
profitieren durch Gehäuseoptionen, die nur 4 mm x 4 mm groß
sind. PIC32MM MCUs enthalten
Core-unabhängige Peripherie
wie CLCs (Configurable Logic
Cells) und MCCPs (Multiple-Output Capture Compare PWMs), die
sensorlose BLDC-Motorsteuerungen ermöglichen.
Zur Entwicklung und Evaluierung bietet Microchip ein
PIC32MM Prozessor-Plug-in-Modul (MA320020) an, das in das
Explorer 16 Entwicklungsboard
(DM240001) gesteckt wird. Alle
PIC32MM MCUs werden über das
Microchip MPLAB Ecosystem
unterstützt, inklusive MPLAB X
IDE und XC32 Compiler. Die
PIC32MM MUCs stehen ab sofort
in Serienstückzahlen in folgenden Gehäusevarianten zur Verfügung: 20-Pin QFN und SSOP;
28-Pin µQFN, QFN, SOIC, SSOP,
SPDIP; 36-Pin QFN und 40-Pin
uQFN. Die Bausteine stehen mit
16, 32 und 64 KB Flash-Speicher
zur Verfügung.
Microchip
LOW POWER
16-Bit Flash-MCU mit Smart-Card-Interface
Der Mikrocontroller S1C17M10
von Epson wurde speziell für Tokenanwendungen und für Kartenlesegeräte entwickelt. Er verfügt über eine ISO-7816-3-kompatible Geldkartenschnittstellenfunktion. Der S1C17M10 arbeitet
über der gesamten Versorgungsspannung von 1,8V bis 5,5V mit
einem typischen Stromverbrauch im HALT Betriebsmode
von 0.6µA wenn die RTC aktiv ist.
Im RUN-Betriebsmodus liegt der
Verbrauch bei 145µA/MHz (typisch). Die maximale Taktfrequenz des Bausteins beträgt 16,8
MHz, was eine vierfache Verbesserung zum Vorgängermodell ist.
Der S1C17M10 bietet einen eingebauten LCD-Treiber, an der ein
Dot-Matrix Display (bis zu 1280
x 704 Bildpunkte) ansteuern
kann. Mit der Unterstützung von
bis zu zwei Displayzeilen und 10
alphanumerischen Zeichen können alle Informationen die benötigt werden auf einem Display
dargestellt werden. Zusätzlich
bietet der Baustein UART-, SPIund I²C-Schnittstellen, 64kByte
Flashspeicher mit Selbstprogrammierung und 4kByte RAM.
Der Baustein ist in einem TQFP15
128-Pin-Gehäuse
verfügbar,
kann aber auch als Bare Chip bei
Epson bezogen werden.
Epson
NEED
IN AN RTOS
Source Code
No Royalties
Small Footprint
IEC-61508 • IEC-62304
Express Logic’s ThreadX RTOS
has received TÜV Certification for
functional safety, according to
IEC-61508 and IEC-62304
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N E T
TCP/IP with IPv4 & IPv6
F I L E
Embedded FAT File System
ARM-CORTEX-M3 MCUS
U S B
Für Antriebssteuerungen und Consumer-Elektronik
des 65nm-Logikprozesses gefertigt werden. Zum Angebot zählen
Gehäuse mit geringer Anschlusszahl (32 bis 100 Pins) und kleine
Flash-Speicher (32 bis 128 KB).
Die MCUs werden mit Taktfrequenzen bis 40MHz betrieben.
Integriert sind ein präziser 12bit A/D-Wandler mit 1,5us Wandlungsgeschwindigkeit und ein
8-bit D/A-Wandler. Die M3H
MCUs bieten Toshibas PMDFunktion (Programmable Motor
Drive) für Antriebssteuerungen
mit Wechselrichtern, z.B. bei
A/C- und BLDC-Motoren. Hinzu
kommt universelle Peripherie
wie UART, I2C, TSPI und Timer.
Die ebenfalls integrierten Analogschaltkreise und die universelle Peripherie machen die M3H
MCUs zu stromsparenden Bausteinen. Muster der 30 Derivate
aus der M3H-Serie sind ab Mai
2016 erhältlich.
Die Bausteine eignen sich für
verschiedene Consumer- und
Industrieanwendungen wie Antriebssteuerungen, Audio-/ Videogeräte und Büromaschinen.
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
47
Die M3H MCUs, basierend auf
den Cortex-M3-Cores von ARM,
sind die ersten Bausteine der
TXZ-Serie und die ersten MCUs
von Toshiba, die im EmbeddedFlash-Speicher-Prozess auf Basis
Toshiba
Host and Device Stack
G U I
Embedded Graphics
T R A C E
Real-Time Event Trace
For Information visit
WWW.RTOS.COM
+49 5143-911303
EMBEDDED COMPUTING // INDUSTRIE-BOARDS
EMBEDDED
Dual Socket Server Motherboard im E-ATX-Format
Das Motherboard Giada N50DFN bietet zehn SATA-III-Anschlüsse und ermöglicht via
NVMExpress Lese-/Schreibraten
bis zu 2400/1200 MB/s. Dank der
Unterstützung für Intels XeonProzessoren E5-2600 V3/V4 (Haswell) bietet das Board hohe Rechen- und Speicherleistung sowie einen ultraschnellen Datendurchsatz. In Kombination mit
dem Intel-Chipsatz C612 ist das
N50D-FN bereit für sehr große
Datenmengen, intensive Datenverarbeitungsprozesse und andere Speicheranwendungen im
Serverbetrieb. Das Giada N50DFN bietet auch bei hoher Auslastung Sicherheit sowie Stabilität.
Es ist über den Distributor Concept International zu einem Preis
von 480 Euro (UVP exkl. MwSt.)
erhältlich. Das Giada N50D-FN
eignet sich besonders für den
Einsatz in Workstations sowie als
Speicherserver mit hohen Anforderungen an die Schreib- und
Lesegeschwindigkeit der Festplatte. Darüber hinaus ist es für
High-Speed-Netzwerkumgebungen wie Desktop Virtualisierung
prädestiniert sowie dank zehn
SATA-III-Anschlüssen und zwei
NVME Ports für verteilte Speichersysteme. Für noch bessere
Leistung und einen schnelleren
Datendurchsatz integriert das
Server Motherboard zwei Onboard-NVME- (Non-Volatile Me-
mory Express) Anschlüsse. Darüber lassen sich direkt zwei NVME Festplatten anschließen. Die
Lesegeschwindigkeit der NVMEFestplatten beträgt bis zu 2400
MB/s, die Schreibgeschwindigkeit bis zu 1200 MB/s. Zur Übertragung selbst paralleler Befehle
mit hoher Geschwindigkeit steht
eine PCI-E (Peripheral Component Interconnect Express)
Schnittstelle bereit. Über den
PCI-E Switch kann eine Backplane integriert werden.
Giada
MCU
32-Bit ARM Cortex-M4F MCU mit DSP und FPU
Die NUC505-Serie mit integriertem 24-Bit Audio Codec eignet
sich besonders für Industrieund Consumer-Applikationen
wie Thermodrucker, Audio und
Wireless Audio, Sound Bar oder
GPS Tracker, die eine hohe Re-
chenleistung sowie eine hohe
Anzahl an Kommunikationsschnittstellen wie UART, SPI,
USB 2.0 High-Speed Device,
USB2.0 Full-Speed Host und SD
Host erfordern. Die 32-Bit Mikrocontroller der NuMicro-NUC505Serie takten mit bis zu 100 MHz,
unterstützen einen erweiterten
industriellen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis 85°C
und arbeiten in einem Spannungsversorgungsbereich von
2,7 V bis 3,6 V. Die Controller sind
mit bis zu 2 MB Serial Flash und
128 kB SRAM bestückbar und in
den Gehäusetypen LQFP48/64
und QFN48/88 verfügbar. Atlantik Elektronik unterstützt seine
Kunden nicht nur bei der Produktauswahl, sondern vor allem
auch bei der Software-Entwicklung. Das Software Development
Kit mit Keil und IAR Unterstützung bietet einen Projekt Manager sowie Editor, Compiler und
Debugger. Nuvoton gewährleistet für ihre 32-Bit-ARM-Cortex-MMikrocontroller eine Langzeitverfügbarkeit von mindestens
zehn Jahren. Über die ARM-Cortex-M4-Technologie hinaus bie-
tet die Atlantik Elektronik ein
weites Portfolio an Produkten für
typische Embedded Anwendungen, zu denen neben WLAN
Front-End Modulen auch komplette SystemOn-Modul-Lösungen mit Funk und Display zählen. Atlantik Elektronik stellt
entsprechende Software Tools
zur Verfügung und unterstützt
mit Design-Support die schnelle
Umsetzung von Projekten zur
Beschleunigung der Time-toMarket.
Atlantik Elektronik
FÜR RAUE UMGEBUNGEN
SBC im 3,5 Zoll-Format mit Intels 6. Gen Core-i-U-Series
Der Single Board Computer (SBC)
MIO-5272 von Advantech erweitert Fortecs Sortiment. Herzstück
ist wahlweise ein Celeron oder
Core i (Skylake), welche mit 2,0
bzw. 2,6 GHz (max. Turbo Frequency 3,0 bzw. 3,4 GHz), sowie
einem L3 Cache von 2 bzw. 4 MB
eine hohe Leistung bieten. Die
Verlustleistung (TDP) beträgt
nur 15 W. Der einsetzbare Arbeitsspeicher beträgt bis zu 16
GB (DDR3L 1600 MHz) (2x 204pin SODIMM) stehen selbst speicherhungrigen Anwendungen
reichlich Spielraum zur Verfü-
48
gung. Die integrierte GPU-Einheit Intel HD Graphics 510 (Celeron) bzw. 520 (Core i) unterstützt
die grafischen Schnittstellen
DirectX 11.2, OpenGL 5.0 und
OpenCL 2.1. Auch ist die GPU in
der Lage, eigenständig das Deko-
dieren von Full AVC, VC1 und
MPEG2 zu übernehmen. DisplayAusgabe erfolgt wahlweise per
VGA (1920 x 1200 @ 60 Hz), LVDS
(Dual channel 24-bit LVDS, 1920
x 1200 @ 60Hz), HDMI (HDMI 1.4
HD Video playback, 4096 x 2160
@ 24 Hz) sowie (auf Anfrage zusätzlich) eDP (embedded DisplayPort, 4096 x 2304 @ 60).
Der Multi-Display-Betrieb ist
in folgenden Varianten möglich:
VGA + HDMI, VGA + LVDS/eDP,
HDMI + LVDS/eDP, VGA + HDMI
+ LVDS/eDP. Die Anschlüsse für
2 x Ethernet (10/100/1000Mbps)
sorgen für die Kommunikation
im Netzwerk. 2 x USB 2.0 sowie 2
x USB 3.0 Interfaces übernehmen
den Kontakt zur Peripherie. Intern stehen 2 x Serial RS232/422/485, 2 x USB 2.0, SMBus,
GPIO, sowie zur Datenanlieferung 2 x SATA III (600 MB/s)
Ports und 1 x mSATA (1x Full-size) zur Verfügung. Als interne
Steckplätze stehen 2 x Mini PCIe
(1 x SIM Card Holder, 1 x Support
für mSATA) bereit. Auf Anfrage
ist TPM 2.0 möglich.
Fortec
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
Impressum
REDAKTION
Chefredakteur: Johann Wiesböck (jw), V.i.S.d.P. für die redaktionellen Inhalte,
Ressorts: Zukunftstechnologien, Kongresse, Kooperationen, Tel. (09 31) 4 18-30 81
Chef vom Dienst: David Franz (df), Ressorts: Beruf, Karriere, Management, Tel. -30 97
Verantwortlich für dieses Sonderheft: Margit Kuther (mk), Sebastian Gerstl (sg)
Redaktion München: Tel. (09 31) 4 18Sebastian Gerstl (sg), ASIC, Entwicklungs-Tools, Mikrocontroller, Prozessoren,
Programmierbare Logik, SOC, Tel. -30 98;
Franz Graser (fg), Prozessor- und Softwarearchitekturen, Embedded Plattformen, Tel. -30 96;
Martina Hafner (mh), Produktmanagerin Online, Tel. -30 82;
Hendrik Härter (heh), Messtechnik, Testen, EMV, Medizintechnik, Laborarbeitsplätze, Displays,
Optoelektronik, Embedded Software Engineering, Tel. -30 92;
Holger Heller (hh), ASIC, Entwicklungs-Tools, Embedded Computing, Mikrocontroller,
Prozessoren, Programmierbare Logik, SOC, Tel. -30 83;
Gerd Kucera (ku), Automatisierung, Bildverarbeitung, Industrial Wireless, EDA,
Leistungselektronik, Tel. -30 84;
Thomas Kuther (tk), Kfz-Elektronik, E-Mobility, Stromversorgungen, Quarze & Oszillatoren,
Passive Bauelemente, Tel. -30 85;
Kristin Rinortner (kr), Analogtechnik, Mixed-Signal-ICs, Elektromechanik, Relais, Tel. -30 86;
Margit Kuther (mk), Bauteilebeschaffung, Distribution, E-Mobility, Tel. -30 99;
Freie Mitarbeiter: Prof. Dr. Christian Siemers, FH Nordhausen und TU Clausthal; Peter Siwon,
MicroConsult; Sanjay Sauldie, EIMIA; Hubertus Andreae, dreiplus
Verantwortlich für die FED-News: Jörg Meyer, FED, Alte Jakobstr. 85/86, D-10179 Berlin,
Tel. (0 30) 8 34 90 59, Fax (0 30) 8 34 18 31, www.fed.de
Redaktionsassistenz: Eilyn Dommel, Tel. -30 87
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ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
49
EMBEDDED COMPUTING // INDUSTRIE-BOARDS
HF-MODUL
802.15.4-HF-Module als Basis für mehrere Plattformen
Die XBee-HF-Module von Digi
International bieten Originalgeräteherstellern (OEM) eine gemeinsame Ausgangsbasis für
mehrere Plattformen wie Multipunkt- und ZigBee-/Mesh-Topologien sowie 2,4-GHz- und
900-MHz-Lösungen (Vertrieb:
Digi-Key). OEMs, die XBee einsetzen, können je nach dynamischen Anwendungsbedürfnissen
problemlos eine XBee-Komponente gegen eine andere austauschen. XBee-802.15.4-HF-Module
eignen sich für Anwendungen
mit niedriger Latenz und vorher-
sagbaren Kommunikationszeitpunkten. Mit schneller, robuster
Kommunikation in Punkt-zuPunkt, Peer-to-Peer- und Mehrpunkt-/Sternkonfigurationen
bieten XBee-802.15.4-Produkte
eine stabile Endpunkt-Anbin-
dung. Egal, ob reiner Kabelersatz
für die serielle Kommunikation
oder als Teil eines komplexeren
sternförmigen Sensornetzwerks,
XBee-802.15.4-HF-Module maximieren die Performance und erleichtern die Entwicklung. XBee802.15.4-Module lassen sich
nahtlos an kompatible Gateways, Geräteadapter und Reichweitenverlängerer anbinden, um
Entwicklern eine echte Beyondthe-Horizon-Verbindung zu bieten. Die aktualisierten XBee-S2C802.15.4-Module enthalten den
SoC EM357 von Silicon Labs und
bieten einen verbesserten Stromverbrauch, Unterstützung für
funkübertragene Firmware-Updates sowie bei Bedarf einen
Upgrade-Pfad auf DigiMeshoder ZigBee-Mesh-Protokolle.
Digi International bietet zudem
seine Drahtlos-Verbindungskits
an, die eine praktische Möglichkeit darstellen, um die Verwendung von XBee-HF-Modulen zur
Nutzung von Geräten und den
Aufbau von ZigBee-basierten
Sensornetzwerken zu erlernen.
Digi/Digi-Key
EMBEDDED
WaRP7, Plattform für schnelle IoT- und Wearable-Entwicklung
WaRP7, eine kleinformatige Entwicklungsplattform, die NXP
zusammen mit Farnell element14
entwickelt hat und fertigt, erfüllt
zahlreiche Vorteile für das Entwicklen von Lösungen und ermöglicht reduzierte Baugrößen,
längere Batterielaufzeiten und
bietet flexible Datenschnittstellen. Das Open-Source-Design
und komplette Softwarepaket
von WaRP7 sorgen für Innovation ohne Lizenzbeschränkungen.
WaRP7 erleichtert die Ausrichtung auf kleinere, leistungsfähigere Komponenten und schafft
somit neue Möglichkeiten für
Entwickler. WaRP7 eignet sich
für zahlreiche Anwendungen,
z.B. im Smart Home, in Sportuhren, Pulsmessern und Wearables. WaRP7 basiert auf dem Applikationsprozessor i.MX 7Solo
von NXP, der eine erweiterte
Implementierung des ARM Cortex-A7 Cores und des ARM Cortex-M4 Cores enthält. Die Plattform bietet zudem integrierte
Sensoren; Datenanbindung über
NFC, Bluetooth, Bluetooth Smart
und Wi-Fi sowie On-Board-externen LPDDR3-Speicher. WaRP7
bietet umfangreiche MultimediaFunktionen mit Zugriff auf einen
MIPI-DSI-Display-Port, eine OnBoard-Kamera und Audiofunktionen. Die Plattform enthält neben Sensoren auch einen Akku
und Stromversorgungsschalt-
kreise. WaRP7 vereinfacht den
Entwicklungsaufwand für LinuxSoftwareentwickler und unterstützt umfangreiche Benutzeroberflächenfunktionen und Datenanbindungs-Protokollstacks.
WaRP7 ist über den MikroBusSockel erweiterbar, womit sich
über 200 kompatible Click
Boards anschließen lassen.
WaRP7 wird durch die Entwickler-Community element14 unterstützt und ist über Farnell element14 erhältlich.
NXP/Farnell
EMBEDDED
ARM-basierte Starter-Kits mit NXP- und TI-Prozessoren
Die ARM-basierten Starter-Kits
von Advantech mit NXP- und TIProzessoren ermöglichen Evaluierungs- und Entwicklungsmaßnahmen für ARM-Plattformen
ohne Umwege (Vertrieb: Rutronik). Das Starter-Kit umfasst alle
wichtigen Elemente einer Entwicklungsumgebung, wie Mainboards mit CPU-Kabeln, Adapterkarten, LCD-Panel und Stromadapter. Parallel zu den ARMStarter-Kits ist ein integriertes
Betriebssystem-Image in Linux
freigegeben, mit dem Anwender
sofort ihre Evaluierungsarbeiten
50
aufnehmen können. An Betriebssystemen sind etwa Android,
Yocto Linux und Ubuntu für den
Online-Download verifiziert. Die
Quellcodes der Betriebssysteme
sind offen zugänglich, um Nutzern die Entwicklung ihres An-
wendungscodes zu vereinfachen. Darüber hinaus bietet Advantech Werkzeuge, u.a. für die
Anwendungsentwicklung Qt, ein
plattformübergreifendes Tool für
die Geräteerstellung, die UI-Entwicklung sowie die Advantech
WISE-PaSS/RMM APIs für Zugriff, Steuerung und Monitoring
von Geräten. Sämtliche AddonSoftwareangebote sind vollständig verifiziert und kostenlos.
Neben dem Support auf Betriebssystemebene und den Softwaretools umfassen die ARMStarter-Kits auch Supportser-
vices wie den Design-in-Service
mit referenziertem Trägerplatinen-Design, Layout- und Schaltbild-Überprüfung sowie diversen
Bedienungsanleitungen und
Produktionsservices. Die ARMStarter-Kits sollen in nur zehn
Minuten eingerichtet sein. Dank
der ARM-basierten Module/Platinen und des 7 Jahre+-Langlebigkeitssupports lassen sich
ARM-basierte Lösungen einfacher entwickeln und schneller
auf den Markt bringen.
Advantech/Rutronik
ELEKTRONIKPRAXIS Embedded Systems Development September 2016
11050
Begeben Sie sich auf Zeitreise!
In diesem Jahr feiert ELEKTRONIKPRAXIS 50. Geburtstag. Aus diesem Anlass berichten wir
in jeder Heftausgabe bis Frühjahr 2017 und online auf der Meilensteine-Webseite über die
führenden Unternehmen der Elektronikbranche. Was waren ihre wichtigsten Leistungen,
wo stehen die Unternehmen heute und wie sehen die Pioniere der Elektronik die Zukunft?
Entdecken Sie die ganze Geschichte unter
www.meilensteine-der-elektronik.de
Analog
EDA
Elektronik-Händler
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Embedded
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