Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware undSystemkonzept
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
5. Oktober 2011
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
”Landwirtschaftliches selbstkonfigurierendesKommunikationssystem”
I DatenerfassungI Sachdaten, Antriebsstrang-Daten, Positionsdaten,
Ubergabedaten etc.
I Verarbeitung/ Filter
I Aufzeichnung/ SpeicherI Kommunikation
I Funk-Kommunikation mit ”Ruf-Reichweite”
I DatensicherheitI Abhorsicherheit, Integritat, Kommunikationsweg etc.
I Energiemanagement
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Erntemaschine
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Transportfahrzeug
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Fest-Installation
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Universelle LaSeKo-Kommunikationshardware
Wirkung Schnittstelle Bemerkungextern/lokal 2xCAN [1][2] ≥250kbit/s erforderlich, isoliert
Digitaleingang [3] Zundungskontakt, potentialfrei8-35V Gleichstrom1 [4] Kondensator-Latentenergiespeicher2,4GHz 802.15.4 [5] z.B. Sensoren, BediengerateLAN 10/100 [6]RS232 [7] Konsole (isoliert)USB Client virtuelles PtP Netzwerk
extern/global GSM/ GPRS/ Edge Direkt-LoginGPS alternativ zu CAN-Maschinentelegramm
LaSeKo-LaSeKo 2,4GHz 802.15.4intern SD-Karte variabler Permanentspeicher
RTC alternativ zu GPS, NTP; in StartphaseBoardsteuerung Uberwachung, Abschaltung
1stationar: z.B. uber SteckernetzteilArndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Auswahl
Systemdesign
I nutzbare Moduletechnologische Beherrschbarkeit, Flexibilitat, verringerter Entwicklungsaufwand=⇒ GSM/ GPRS Sierra Wireless Wismo 218 Dualband=⇒ GPS Navman Jupiter 32 Sirf GSC3f
I Betriebssystem [Linux], BSD, Win CE, Free RTOS, ConTikiAnpaßbarkeit, Reparierbarkeit, Treiberausstattung, Netzwerk- undSicherheitsfunktionen, Filesystem-Große
=⇒ Linux Buildroot, Kernel 2.35.4, Filesystem-Image <8MB
I CPU ARM, MIPS, [AVR32], ColdFire, x86
Leistungskenndaten, Betriebssystem-Unterstutzung,
Informations-Zuganglichkeit, Beschaffbarkeit
I Funk WLAN, Bluetooth, [IEEE 802.15.4 (ZigBee/6lowPAN)]
Reichweite, Datenrate, Energieverbrauch
I Peripherie Speicher, Stromversorgung, Boardsteuerung, Kommunikation
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Entwurf
Blockschaltbild
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Entwurf
Blockschaltbild CPU-Modul
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Entwicklungsmuster
NGW1002 + Tochterboard (Entwicklungsmuster)I 120x100mm
I 4-lagig
I 3x40 poligerSandwich-Stecker
I Betriebsspannungs-bereich 9-15V
I kein Latent-Energiespeicher
2Preisentwicklung ca.€60,- =⇒ $200,-Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Erprobungsmuster
Tragerboard + ”Rechenbriefmarke”
I Tragerboard160x100x1,5mm,4-lagig
I CPU-Board68x50x1mm, 8-lagig
I 200-poligerSODIMM-Stecker
I 8-35V Betrieb
I Boardsteuerung,Latent-Energiespeicher
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
System, BuildrootI Buildroot 2009.08, Kernel 2.6.35.4
I Generell: Cross-Firmware-Generator fur Linux-SystemeI Referenzsystem fur Atmel NGW100I Konfiguration: Builroot, Kernel, Busybox, uClibc,
Target-FilesystemI aktualisiert und erweitert (Kernel Q3/2010, Treiber teilweise
Q1/2011, gepatcht)I Alternativen: OpenWRT, DD-WRT, OpenEmbedded etc.
I U-Boot (Bootloader)I Grundeinstellungen: Speicherbestuckung, CPU-TaktI DHCP/TFTP Image-Download
I Boardsteuerung (ATtiny84)I AVR8-C-ProgrammI Uberwachung der VersorgungsspannungenI Shutdown, Reset
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Systemleistung, Bandbreite
I CPUI AVR32B @ 120MHz, ca. 180 MIPS 3
I FunkI 802.15.4: 225kb/s (theoretisch, netto)
I SPII 1Mb/s =⇒ 2xAT86RF231 =⇒ Funk ∼200kB/sI 2,5Mb/s(3Mb/s) =⇒ 2xMCP2510 (1Mb/s) =⇒ CAN 250kb/s
(Antriebsstrang SAE-J1939), 125kb/s (Sachstrang)
I tmpfs =⇒ 140Mb/s
I SD-Karte =⇒ 30Mb/s4
3∼ 100MHz Pentium ohne FPU4sequentiell schreiben, limitiert durch Karte, modellabhangig
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Fahrzeugeinsatz
Maschinen-/Fahrzeugeinsatz
I Energiemanagement, BoardsteuerungI VerbrauchsminimierungI extern schaltbarI Spannungsspitzen und -einbrucheI abrupte Abschaltung
I minimale Start- und Shutdown-Dauer5
I komplett bedienfreier Betrieb
I ESD-Schutz und Potentialtrennung
I Mechanik67
5∼15s Start, ∼7s Shutdown6Gehause und Steckverbinder7Schutzgrad
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Weiterentwicklung
Betriebserkenntnisse und WeiterentwicklungsrichtungI drahtlose Konnektivitat =⇒ Losung USB Host
Einbindung von Dritt-Funkteilnehmern per WLAN oder Bluetooth
I Ortungsprazision, Meßraster/ Arbeitsbreite, EGNOS/SAPOSDifferential-GPS (EGNOS/SAPOS) evtl. fur trennscharfere Parzellenzuordnung
sinnvoll
I ARM Entwicklung AVR32AP7xxx eingestellt =⇒ AT91SAM9G20
(ARM926EJS), kompakter, 6-lagig, zukunftig DDR-RAM und SPI-Flash
I USB Host universelle Modulschnittstelle (z.B. WLAN, Bluetooth)
I Status, E/A Informationsanzeigen, SPI I/O-Extender, ATmega
Boardcontroller
I Spannungshub SEPIC-Regler fur bessere Latentenergie-Nutzung
I 3G schnelle Mobilfunk-Datenverbindung
I generelles Chip-Update MCP2115, ISO1040 etc.
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Gurtel und HosentragerZuverlassigkeit/ Verwendungshaufigkeit: auch extrem seltenauftretende Fehler fuhren bei Massendaten-Anwendungenzwangslaufig zu Problemen.z.B. bei voller Funk-Datenrate ∼1500 Pakete/s =⇒ bei ”nur”99,99% Zuverlassigkeit tritt Storung alle 7s auf.
I Interrupts gemeinsame (und-verknupftes ”inaktiv”) und mit Laufzeit
behaftete Interrupts erzeugen <1 Anforderungen pro Bedarf =⇒ Wiederholung,
Timer
I SD-Karte (NAND-Flash) beschreiben (Cache, tmpfs)schreiben nur blockweise (>512kB) moglich =⇒ Kleinanderungen in /tmp
sammeln bis sich schreiben ”lohnt”
I Linux-Treiber (Modulparameter)kritische Treiber als Modul einbinden, debug-Option als Modul-Parameter
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Informationsquellen
I Logic Way GmbH: Beschreibungen zu CPU-Modul(en) undTragerplatinen, Downloads fur Firmware-Images undQuellcode-Patches
I Atmel: AVR32AP7000 Prozessordokumente
I Atmel: Atmel Buildroot fur AVR32-Linux-Gerate
I Buildroot: Buildroot-Hauptseite
I Bootloader: U-Boot
I Linux: Kernel
I Linux: Kernel (ersatzweise)
I ZigBee: Linux-ZigBee-Stack
I CAN: Linux-Socket-CAN
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept