Konzeption von Embedded Systemen für industrielle Anwendungen

Aktuelle Prozessoren für den Embedded Markt bestechen mit einer Vielzahl von integrierten Schnittstellen und hoher Rechenleistung bei geringen Stückkosten. Erst auf den zweiten Blick werden oft gravierende Einschränkungen der Nutzbarkeit für eine bestimmte Anwendung sichtbar: Benötigte Interfaces sind durch Pin-Multiplexing nicht simultan verfügbar, durch zentrale Routing-Ressourcen ergeben sich Einschränkungen beim nutzbaren Datendurchsatz, statt gut dokumentierter Funktionen und Beispiel-Programmen wird auf kostenpflichtige Schnittstellen-Treiber von Drittanbietern verwiesen. Um hier Fehlentscheidungen zu vermeiden muss eine lange Einarbeitungszeit einkalkuliert werden. Die meisten Hersteller bieten zwar sehr günstige Evaluierungsboards an, aber diese sind oft für einen bestimmten Massenmarkt ausgelegt. Erweiterungsmöglichkeiten fehlen, so dass sich Prototypen für eine Design-Verifikation nur unter Schwierigkeiten realisieren lassen.
D.SignT kennt die Stärken und Schwächen der in den D.Modulen verwendeten Prozessoren und der zugehörigen Tools bis ins Detail. So können wir Sie bei der Prozessorauswahl kompetent beraten. Mit den D.Modulen bieten wir ihnen eine universelle Plattform für seriennahe Prototypen, mit denen Sie Ihr Design zielgenau verifizieren können. Die gleiche Plattform kann auch im Endprodukt eingesetzt werden und vermeidet so Risiken zwischen den Entwicklungsschritten.

Für Embedded Systeme in industriellen Anlagen wird oft eine Lieferbarkeit von 10 Jahren gefordert. Berücksichtigt man noch die Entwicklungszeit des Gesamtsystems von 1-2 Jahren und weitere 5 Jahre Produkt-Lebenszeit bis zum Erscheinen eines Nachfolgersystems, stößt man auf Schwierigkeiten: Denn für einige Komponenten des Systems kann keine entsprechend lange Verfügbarkeit garantiert werden. Insbesondere externe Speicher (RAM und Flash) sind kritisch, aber auch Schaltregler für die Stromversorgung und programmierbare Logikbausteine. Die Folge sind Redesigns und teure Lagerhaltung kritischer Bauteile. Redesigns erfordern in der Regel auch Software-Anpassungen, die weitere Probleme verursachen können: Nach einigen Jahren laufen die verwendeten Entwicklungstools nicht mehr auf den aktuellen Betriebssystemen, aktuelle Tools jedoch erzeugen durch weiterentwickelte Optimizer-Strategien einen anderen Code, der unter Umständen erst wieder langwierig verifiziert werden muss. D.SignT hat bei den D.Modulen Vorkehrungen getroffen: Alle Konfigurationen und Initialisierungen werden vom D.Module.BIOS erledigt. Bei Bauteiländerungen wird das BIOS entsprechend angepasst. Für alle externen Schnittstellen stellt das BIOS I/O Routinen zur Verfügung, die ebenfalls bei Bauteiländerungen angepasst werden. Für Sie als Anwender besteht damit keine Notwendigkeit, Ihre Programme oder die externe Beschaltung anzupassen, wenn Komponenten auf dem D.Module im Laufe der Produktionszeit geändert werden müssen, und die Lagerhaltung abgekündigter Bauteile entfällt.

Zur Verfügbarkeit gehört auch die Option auf mehr Rechenleistung. Viele Systeme werden während der Produktlebenszeit weiter optimiert, Verfahren werden verfeinert und zusätzliche Features implementiert. Dabei ist es möglich, dass die Rechenleistung oder die Speicherausstattung des vorhandenen Prozessors nicht mehr ausreicht. Mit den standardisierten D.Modulen besteht ein einfacher Upgrade-Pfad auf höhere Rechenleistung ohne umfangreiche Hardwareänderungen.

Hochleistungs-Prozessoren stellen besondere Anforderungen an das externe Speicherdesign: aktuelle Technologien erfordern ein sehr genaues Timing, das nur durch abgestimmte Leitungslängen und kontrollierte Impedanzen zur Vermeidung von Leitungs-Reflektionen erreicht werden kann. Auch bei schnellen seriellen Schnittstellen (SATA, PCIe, SRIO) findet man diese Anforderungen. Zudem sind auch die EMV Probleme durch hohe Taktfrequenzen und schnelle Schaltvorgänge gestiegen - Erfahrung im Hochfrequenz-gerechten Layout ist daher Voraussetzung.
Der erforderliche Leiterkarten-Aufbau verträgt sich selten mit den Anforderungen der sonstigen Schnittstellen: Die Abstände zwischen benachbarten Leiterkarten-Lagen dürfen oft nur wenige 100µm sein, um die geforderten Impedanzwerte bei gleichzeitig kleiner Strukturbreite der Leiterbahnen zu erreichen. Das steht im Widerspruch zu den Forderungen an Überschlagsfestigkeit und Isolations-Widerstand der externen Schnittstellen. Die benötigte Leiterkarten-Technologie ist teuer, wird aber nur in einem kleinen Teilbereich der Schaltung gebraucht. Es liegt also nahe den DSP oder FPGA-Teil in ein eigenes Aufsteckmodul auszugliedern.

Betriebssysteme und Schnittstellentreiber werden von den DSP-Herstellern nicht immer universell geliefert, sondern sind häufig nur auf einer bestimmten Hardware-Platform, dem Evaluierungs-Board, lauffähig. Weicht man beim Hardware-Design von den Vorgaben des Referenzdesigns ab, sind Anpassungen an der Konfiguration des Betriebssystems und der Treiber notwendig. Dies erfordert Einarbeitungszeit und wird leider immer häufiger durch unvollständige Dokumentationen erschwert, weil viele Hersteller mittlerweile auf Treiber von Drittanbietern setzen. Updates des Betriebsystems oder der Treiber-Bibliotheken bringen gelegentlich Änderungen am Treibermodell mit sich, so dass nach Jahren wieder eine neue Einarbeitung unvermeidlich wird.
D.SignT passt die Konfigurations-Dateien und Treiber der D.Module kontinuierlich an neue Versionen der Entwicklungstools und Betriebssysteme an.

Im Bereich der Produktion sind besondere Qualifikationen der Mitarbeiter und oft auch aufwändige Messmittel notwendig um die leider unvermeidlichen Fehler in der Fertigung zu diagnostizieren und zu beseitigen. D.SignT Module sind vollständig geprüft und können im Fehlerfall schnell und einfach ausgetauscht und zur Reparatur eingeschickt werden.
Ein weiteres Problem zeigt sich erst am Ende der Entwicklung: die DSP Hersteller liefern oft nur rudimentäre Unterstützung bei der Erstellung der Boot-Images und dem Aufspielen der Boot-Images auf die Zielhardware. Hier werden auch in der Fertigung qualifizierte und geschulte Mitarbeiter und zusätzliche Entwicklungssysteme (Software Tools und in-circuit Emulatoren) benötigt. Außerdem weisen diese Tools oft Hardware-Abhängigkeiten auf, z.B. werden die Speicherbausteine vom Bootload-Code initialisiert. D.SignT Produkte integrieren im BIOS einen Bootloader, der ein einfaches Aufspielen der Programme über USB oder UART-Verbindungen erlaubt, keinerlei Hardware-Abhängigkeiten aufweist, und keine weitere Hardware oder Kenntnisse im Umgang mit den DSP Entwicklungstools erfordert. In engem Zusammenhang damit stehen Software-Updates im Feld: Das D.Module.BIOS beinhaltet bereits alle benötigten Funktionen um über beliebige Schnittstellen Programme ins Flash einspielen zu können, und so z.B. über Ethernet per Fernwartung Updates durchzuführen.