Mikrocontroller Asymmetrischer Dual-Core-Chip: Der LPC4300 von NXP mit Cortex- M4 und Cortex-M0 Seite 12 Software-Entwicklung Embedded-Software, die Java und C/C++ mischt: Das Debugging wird zur Herausforderung Seite 60 Embedded-Systeme PCIe/104-Board von Kontron mit Intel Atom-C und eingebautem FPGA richtig nutzen Seite 28 Das Themen-Magazin von all-electronics Februar 2011 www.elektronikjournal.com Embedded elektronik Legales ARM-Doping Cortex-M3 mit Mehrwert für das Herz der Applikation Seite 8 Anzeige
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MikrocontrollerAsymmetrischer Dual-Core-Chip: Der LPC4300 von NXP mit Cortex-M4 und Cortex-M0 Seite 12
Software-EntwicklungEmbedded-Software, die Java und C/C++ mischt: Das Debugging wird zur Herausforderung Seite 60
Embedded-SystemePCIe/104-Board von Kontron mit Intel Atom-C und eingebautem FPGA richtig nutzen Seite 28
Das Themen-Magazin von all-electronics
Februar 2011www.elektronikjournal.com
Embedded
elektronik
Legales ARM-DopingCortex-M3 mit Mehrwert für das Herz der Applikation Seite 8
Kennen Sie noch jemanden, der über leere Au� ragsbücher jammert, Mitarbeiter in Kurzarbeit jagt oder seine Produktion bremst? Nein? Von ein paar Pechvögeln abgesehen, scheint sich der Aufschwung zu stabilisieren. Davon wird auch die Embedded World in Nürnberg
pro� tieren: Der Veranstalter schwärmt schon jetzt von steigenden Aussteller-zahlen (Seite 7) und die Menge an Neuvorstellungen, die uns in der Redaktion
erreicht, lässt au� orchen. Mit dem vorliegenden He� begleiten wir erst-mals diese wichtige Veranstaltung durch ein komplettes � emenhe� – von den Bauteilen über Systeme und Peripherie bis hin zur So� ware. Die folgenden 64 Seiten versorgen Sie mit Informationen zur Messe und aktuel-len Entwicklungen aus der Embedded-Szene.
Viel Neues gibt es auch aus der Redak-tion: Wir setzen kün� ig noch krä� iger auf Online-Kommunikation über un-ser Portal all-electronics.de und fokus-sieren mit den gedruckten He� en auf
spezielle Märkte. Konkrekt heißt das: Das elektronikJOURNAL erscheint 2011 mit fünf Ausgaben zu den � emen Embedded, Leistungselektronik, Dienst-leistung, Medizinelektronik und Elektromechanik. Die Inhalte � nden Sie vor-ab online auf all-electronics.de, zusammen mit den Inhalten unserer Schwes-terpublikationen elektronik industrie, AUTOMOBIL-ELEKTRONIK, produc-tronic und IEE. Technisch stellen wir auf einen Online-� rst-Work� ow um, will sagen: Die Texte aus dem Portal dienen als Basis für die gedruckten He� e. Falls Sie also etwas in der Webseite � nden, das wir verbessern können, lohnt es sich doppelt, wenn Sie uns eine E-Mail schreiben. Die Webseite haben wir bei der Gelegenheit komplett neu aufgesetzt: Neue Technik, neue Optik, neue Organi-sation. Wir meinen, dass das Portal jetzt wesentlich übersichtlicher, lesefreund-licher und moderner ist.
Auch hinter den Kulissen hat sich viel getan. Die fünf Redaktionen rücken näher zusammen: Das Competence Center all-electronics vereint die Redak-teurinnen und Redakteure der fünf Print-Titel. Gemeinsam kümmern wir uns um den Online-Au� ritt, um Sie in den � emenfeldern Entwickeln, Fertigen und Automatisieren auf dem Laufenden zu halten, und runden das ab mit den gedruckten He� en, die Sie seit vielen Jahren kennen.
Legales Arm-DopingWer im Markt der ARM-Mikrocontroller bestehen will, braucht mehr als den Standard-Core mit Standard-Features: Fujitsu hat seinen FM3 auf Cortex-M3-Basis mit vielen nützlichen Eigenschaften ausgestattet, die wichtige Kundenwünsche umsetzen.
Arm-DuettSie harmonieren und ergänzen sich perfekt: Der ARM Cortex-M4 und sein kleiner Bruder Cortex-M0 arbeiten im LPC4300 von NXP gemeinsam an einer Applikation. Während der Cortex-M4 intensiv rechnet, kümmert sich der M0 um die Peripherie.
Co-PilotAtom E6x5C mit FPGA als Coprozesor: Dieser Chip kann neben I/O-Funktionen auch Motion-Control oder Bilddatenvorverarbeitung übernehmen. Solche Jobs waren bisher speziellen Controllern vorbehalten.
Coverstory
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Leserservice infoDIREKT:Zusätzliche Informationen zu einem Thema erhalten Sie über die infoDIREKT-Kennziffer. So funktioniert’s:
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Peripherie
40 Platz sparenFederkraft-Printklemmen für SMT-Anwendungen nutzen
43 HighlightTDK-Lambda
44 Marmor, Stein und EisenDC/DC-Wandler mit Ferrit-Multilayer- Substrattechnologie optimieren
46 HighlightsRecom, Schroff
48 AllroundtalentMehr als nur Powermanagement: Plattformmanagement betreiben
56 Tiefe EinblickeFehlersuche mit der Coresight- Technologie von ARM
60 Vereinte WeltenDebugging von Embedded- Anwendungen mit Java und C/C++
62 HighlightsNXP, iSystem
64 Neue Produkte
Service
62 Impressum66 Verzeichnisse und Hallenplan
Vereinte WeltenWer Java-Programme in Embedded-Anwendungen einsetzt, muss mögliche Fehler sowohl innerhalb der JVM suchen, als auch im umliegenden System. Ohne geeignete API bleiben das getrennte Welten – doch Lauterbach vereint sie.
Tiefe EinblickeFehlersuche in Embedded-Applikationen mit ARM- Prozessor: Coresight gibt dem Entwickler vollen Zugriff zur Laufzeit, ohne teure Emulatoren und sogar bei asymmetrischen Multi-Core-Architekturen.
all-electronics.dePerfekt kombiniert: Ergänzend zum gedruckten Heft finden Sie alle In-formationen sowie viele weitere Fachartikel, News und Produkte auf unserem Online-Portal.
Nach dem Kauf der Wireless-Modem-Sparte von Nokia war es ein logischer Schritt: Renesas Electronics gründete eine Mobil-Abteilung unter dem Namen Rene-sas Mobile, die sich um Handys, LTE- und HSPA+-Infrastruktur, mobile Internet-Ge-räte und Navigationsgeräte konzentriert. Seit Dezember 2010 ist die neue Abteilung aktiv. Sie hat Niederlassungen in Finnland, Indien und China, wo ehemalige Nokia-Mitarbeiter beschäftigt sind, sowie mit Re-nesas Design France eine eigene SoC-De-sign abteilung. Von den 1800 Beschäftigten arbeiten 75 Prozent außerhalb Japans. Pas-senderweise will Renesas Mobile das Ge-schäft außerhalb Japans ankurbeln und
Ursprünglich war nur von NXP die Rede – jetzt hat auch Infineon Technologies den Auftrag erhalten, seine neue Generation von Sicherheitscontrollern für den neuen Personalausweis zu liefern. In der Bundes-republik sind derzeit rund 60 Millionen Personalausweise im Umlauf, die üblicher-weise zehn Jahre gültig bleiben. Jährlich werden etwa 6,5 Millionen Personalaus-weise ausgestellt. Solche mit einem Chip der SLE 78-Familie von Infineon wird es ab Anfang 2011 geben. Der Chip wurde vom Bundesamt für Sicherheit in der Informati-onstechnik (BSI) zertifiziert. Infineon ent-wickelte ihn in Neubiberg nahe München und fertigt in Dresden, das Chipgehäuse kommt aus Regensburg. Die SLE-78-Fami-lie basiert auf der Integrity-Guard-Techno-logie von Infineon.
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Mentor Graphics übernimmt Teile von Code Sourcery
Aufbruch in Sachen Open Source
„Code Sourcery und ihre Toolchain-Services und Produkte erhö-hen erheblich den Wert von Embedded-Lösungen, die Mentor Embedded seinen Kunden zur Verfügung stellen kann“, freut sich Glenn Perry, General-Manager der Embedded-Software-Division von Mentor Graphics – seine Firma hat gerade Teile von Code Sourcery übernommen. Er ergänzt: „Wir glauben, dass die Zukunft der Embedded-Entwicklung von der breiten Verfügbarkeit von Open-Source-Software und -Werkzeugen abhängt.“ Zu den Pro-dukten von Code Sourcery gehören die Entwicklungsumgebung Sourcery G++ auf Basis der GNU-Toolchain sowie VSIPL++, ein tragbares Toolkit zur parallelen Signal- und Bildverarbeitung.
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Renesas Mobile Corporation fokussiert auf das System-in-Chip-Geschäft für mobile Geräte sowie Navi-Systeme fürs Auto.
Glenn Perry ist General-Manager der Embedded-Software-Division von Mentor Graphics.
Bild: Renesas Electronics
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2012 die Verkäufe im Vergleich zu 2009 mehr als verdoppeln. Geplant ist laut Rene-sas auch eine Forschungskooperation mit Nokia zu Telekommunikationstechniken.
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Der neue Personalausweis fußt auf einem Sicherheits-Chip, der drahtlos mit dem Lesegerät kommuniziert.
Für den Fach-messe besucher ein absolutes Muss, kann er doch hier viele interessante Eindrücke und neue Erkenntnisse sammeln sowie gezielt interagieren: die Embedded World in Nürnberg.
Seit dem Start der Embedded World Exhibition & Conference in Nürnberg hat die Veranstaltung eine beachtliche Entwicklung hingelegt und steht nun erneut vor einer Rekordveranstaltung. Vom 1. bis 3. März präsentie-ren sich erstmals rund 790 ausstellende Unternehmen – ein Plus von 12
Prozent zur Vorveranstaltung – aus aller Welt auf der größten internationalen Fachmesse und Kongressveranstaltung zum � ema Embedded-Systeme.
Es ist erstaunlich, wie viel Dynamik und Engagement in dieser Branche steckt. Der Zuwachs auf Ausstellerseite zeigt mir aber auch, dass die Embedded-Community die Fachmesse mit begleitenden Kongressen als ihren internationalen Branchentre� be-stätigt. Das Vertrauen in diese hochspezia-lisierte und internationale Veranstaltung freut mich als Messemacher sehr und moti-viert uns, die Messe für unsere Fachbesu-cher und ausstellenden Unternehmen kon-sequent und sinnvoll weiterzuentwickeln. Die über 790 Unternehmen aus aller Welt spiegeln die gesamte Bandbreite der Em-bedded-Branche wider: Das ist meines Er-achtens weltweit einmalig. Die Embedded World ist somit international die Nummer-eins-Veranstaltung.
Es gibt kaum ein Marktsegment, das derart innovativ ist, wie die Embedded-Szene. In Nürnberg wird das mit der Fachausstellung in den vier Messehallen noch ein-mal visualisiert. Hier sind pures Know-how und Ingenieurleistung zu sehen. Auf der Embedded World werden viele Innovationen der Fachwelt o� mals erstmalig präsentiert. Die Embedded World ist eine ganz besondere Leistungsschau und eine Arbeits-messe im besten Wortsinn. Hier tri� sich die Embedded-Welt, um sich auf hohem Niveau auszutauschen, in den Dialog zu treten und die Zukun� zu planen und zu entwickeln. Ich freue mich auf die Embedded World Exhibition & Conference 2011, auf Sie und auf viele interessante Gespräche!
Herzliche Grüße aus Nürnberg,Alexander Mattausch
Wie man sich bettet, so liegt man
Alexander Mattausch ist Projekt leiter Embedded World Exhibition & Conference der Nürnberg Messe .
Legales ARM-DopingCortex-M3 mit Mehrwert für das Herz der Applikation
Wer im Markt der ARM-Mikrocontroller bestehen will, braucht mehr als den Standard-Core mit Standard-Fea-tures: Fujitsu hat seinen FM3 auf Cortex-M3-Basis mit vielen nützlichen Eigenschaften ausgestattet, die wichtige Kundenwünsche umsetzen. Autoren: Peter Dörwald und Eric Dauß
Sie ist einer der jüngsten Zugänge zur ARM-Familie: Mit der FM3-Reihe (siehe Bild 2) steigt Fujitsu Semiconductor in das Geschä� mit ARM Cortex-M3-Mikrocontrollern ein. In 44 Varianten adressieren die Halbleiterspezialisten
die Leistungsspanne vom 16- bis zum 32-Bit-Markt. Während im 16-Bit-Umfeld das Preis-Leistungsverhältnis und geringer Strom-verbrauch im Mittelpunkt stehen, zählt im 32-Bit-Markt vor allem hohe Performance. Fujitsu konnte bei der Entwicklung dieser
Chips vom hauseigenen ASIC-Erfahrungsschatz pro� tieren und die Peripheriefunktionen seiner FR-Mikrocontroller nutzen.
Fujitsu erweitert damit sein Produktportfolio um vielfältig ein-setzbare Bausteine, die sich für anspruchsvolle Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Rechenleistung, wie beispielsweise in der Industrieautomatisierung, genauso eignen wie für Basis-Appli-kationen in Hausgeräten (Klimaanlagen, Kühlschränke, Waschma-schinen und mehr), digitale Konsumgüter und Medizintechnik.
Der Kern der High-Performance-Serie MB9B500/400/300/100 ist so konzipiert, dass er hohe Leistung mit geringem Stromver-brauch verbindet. Die Peripheriefunktionen dieser Serie sind von der FR-Mikrocontroller-Familie abgeleitet und wurden für den Einsatz in Servo-Steuerungen in der Fertigungsautomatisierung und in Inverter-Steuerungen optimiert. Mit seiner High-Speed-CPU und dem schnellen Flash-Speicher arbeitet der Baustein bis 60 MHz ohne Flash-Waitstate. Dazu kommen ein schneller 12-Bit-A/D-Wandler (1,0 μs), mehrere Timer, USB-2.0-Host und -Func-tion, CAN und ein � exibler Betriebsspannungsbereich (2,7 V bis 5,5 V). In der stromsparenden Basic-Serie MB9A100 stehen die Peripheriefunktionen der High-Performance-Serie in einge-schränkter Form zur Verfügung. Die Basic-Serie wurde vor allem für Anwendungen im Hausgerätesektor entwickelt (Klimaanlagen, Kühlschränke, Waschmaschinen, elektronische Konsumgüter und Büromaschinen) und ist leistungsmäßig den konventionellen 16-Bit-Mikrocontrollern überlegen.
Mehrwert-StrategieBei der Entwicklung der FM3-Reihe stand bei Fujitsu nicht im Vordergrund, als erster am Markt zu sein, die Firma wollte ihr Pro-dukt vielmehr auf reale Anforderungen optimieren. Folgerichtig haben Applikations- und Vertriebsspezialisten ihr Know-how in das FM3-Konzept ein� ießen lassen. Damit konnte Fujitsu Kun-denwünsche und Kundenanforderungen priorisieren.
Als erstes Beispiel für diese Strategie ist die Flexibilität bei der Versorgungsspannung zu nennen: Die Entscheidung für Cortex M3 bedeutete bisher ein komplettes Redesign inklusive der Peri-pherie auf 3,3 V. Fujitsu bietet FM3-Derivate mit einem breiten Vcc von 1,8 V bis 5,5 V. Vorteil für den Kunden: Das Komplett-Re-design der Peripherie kann entfallen.
Immer zuverlässigIndustrie-Kunden wünschen sich die gleiche Qualität und Zuver-lässigkeit für Cortex M3 wie bei Automotive-Produkten. Fujitsu fertigt die FM3-Familie auf denselben Produktionslinien wie AEC-Q100-quali� zierte Mikrocontroller. Aufgrund technologisch iden-tischer Prozesse bietet das FM3-Flash-Makro 100 k Schreib-/Löschzyklen und bis zu 20 Jahre Datenerhalt. Die Flash Protection Unit als Ausleseschutz des Speichers beugt zudem Billigkopien der eigenen Applikation vor. Viele von Automotive geforderte, der funktionalen Sicherheit dienende Makros (ECC, CRC und weite-re), sind integriert. Für den Kunden bedeutet das: Keine Reklama-tionen wegen unzuverlässigem Speicher.
Ebenso aus dem Automotive- und Industriesektor bekannt ist der Bedarf an langer Verfügbarkeit. Fujitsu ist bekannt für die Langzeitverfügbarkeit ihrer Mikrocontroller. Die Cortex-M3-MCU-Familie bildet keine Ausnahme, auch diese Produkte wer-den ab Produktionsstart mindestens zehn Jahre lang angeboten. Das bedeutet: Keine Kosten für Redesigns wegen Abkündigungen.
Kunden wünschen sich Produkte in verschiedenen Perfor-manceklassen, die pinkompatibel ausgeführt sind. Fujitsu bietet pinkompatible FM3-Bausteine in 40, 80 und 144 MHz und ver-schiedenen Speichergrößen an. Damit ist FM3 eine skalierbare Plattform, die mit den Anforderungen der Kunden wächst. Die FM3-Familie basiert auf einem sehr schnellen Flash-Makro, das bis 60 MHz ohne Waitstates auskommt. Damit entfällt der Auf-wand für Controllerwechsel bei geänderten Anforderungen.
Hohe VerfügbarkeitImmer mehr Hersteller gehen in Richtung Foundry, sprich: statt selbst ihre Halbleiter herzustellen, lassen sie bei anderen Firmen produzieren und konzentrieren sich selbst auf das Entwickeln ih-rer Produkte. Gegen diesen Trend wird Fujitsu aber auch weiterhin eigene Fabs unterhalten. Damit hat das Unternehmen den gesam-ten Prozess unter eigener Regie und kann � exibel je nach Markt-lage agieren. Diese Strategie hat sich in den vergangenen Monaten erneut bewährt: die maximale Lieferzeit bei Mikrocontrollern lag bei 18 Wochen (nach Au� ragseingang). Die Standard-Lieferzeiten liegen bei 12 Wochen.
Anstelle der üblichen I2C-, SPI- und UART-Makros hat Fujitsu ein einzigartiges Multi-Function-Serial-Makro entwickelt. Die FM3-Bausteine bieten bis zu acht dieser MFS-Makros. Ob achtfach-
FUJITSU SEMICONDUCTOR EUROPE GmbH
• 1.8V ... 3.6V• LCD• USB
• 1.8V ... 5.5V• LCD• standard set of peripherals -> ULL
• up to 40MHz• 2.7V ... 5.5V• USB• Optiomized cost
• up to 144MHz• 2.7V ... 5.5V• up to 1MB Flash / 128KB RAM• CAN• Ethernet• USB
144M
Hz
2.7~
5.5V
80M
Hz
40M
Hz
20M
Hz
High Performance Group
Low Power Group
Ultra Low Leak Group
1.8~
3.6V
1.8~
5.5V
Basic Group
FM3 Product Lineup
Für die Kunden optimiertFujitsu hat sich Zeit gelassen, bis die Firma in den umkämpften Markt der ARM Cortex-M3-basierten Mikrocontroller eingestiegen ist. Her-aus gekommen ist eine Familie von Bausteinen, die sich direkt an den Bedürfnissen der Anwender und Applikationen orientiert und bei-spielsweise für das wichtige Feld der Motorsteuerung optimierte und erprobte Peripherie mitbringt. Dazu kommen die Vorteile einer Ferti-gung im Haus statt eines Foundry-Modells, das viele andere Herstel-ler verfolgen. Kunden haben auch durch die enge Kooperation von Fujitsu mit Glyn wichtige Vorteile, denn der Distributor ist immer auf dem aktuellen Stand und kann die meisten Fragen ohne Umschweife direkt beantworten.
infoDIREKT www.all-electronics.de 500ejl0111 Glyn: ➤ Halle 12, Stand 306; Fujitsu: ➤ Halle 12, Stand 314
Auf einen Blick
Bild 1: Die zweistufi ge Brown-Out-Erkennung reagiert auf zwei Spannungs-werte: Beim höheren Wert bereitet sich die Applikation darauf vor, dass eventuell ein Reset folgt, aber erst bei der zweiten Schwelle schaltet die Applikation ab.
Bild 2: Das FM3-Familienkonzept umfasst klassische 16- und 32-Bit-Einsatz-felder, dabei eröffnen sie dem Anwender eine Skalierbarkeit über weite Performance-Bereiche hinweg.
I²C oder zweifach-I²C plus fünffach-USART: die MFS-Makros sind frei vom Anwender konfigurierbar. Darüber hinaus sind na-türlich auch USB (Host und Function), Ethernet und CAN (Bosch C-CAN) verfügbar.
MotorsteuerungDie FM3-Serie bietet auf allen Bausteinen der High-Performance- Reihe (80...144 MHz) und der Basis-Gruppe (40 MHz) neben den üblichen Timern (PWM, Capture/Compare, Free Runnning) min-destens zwei dedizierte Motorcontrol-Timer an. Um etwa einen BLDC-Motor anzusteuern, erzeugen die freilaufenden 16-Bit-Ti-mer in Verbindung mit Output-Compare-Blöcken ein PWM-Sig-nal für jede Phase (Bild 3). Die entsprechend komplementären Si-gnale werden ohne Softwareaufwand automatisch von einem Wel-lenformgenerator erzeugt. Um Querströme zu vermeiden, fügt die Hardware hierbei zusätzlich Totzeiten zwischen die Signalflanken ein – auch das klappt ohne den Einfluss eines Programms.
Für die Phasenstrommessung wurde die FM3-Serie mit drei un-abhängigen ADCs (12 Bit, 1 µs Conversion Time) ausgestattet. Da-rüber hinaus stellt der FM3 zur Verarbeitung von Encoder-Signa-len einen Quadratur-Decoder mit Revolution Counter bereit. Die Vielfalt an spezifischen Makros ermöglicht dem Anwender hoch-effiziente Motorsteuerung zu realisieren. Eine vollwertige Vektor-regelung mit Drehzahl, Drehmoment, Positionsregelung und En-coder-Auswertung benötigt auf einem mit 80 MHz betriebenen FM3 nur etwa 20 Prozent der CPU-Rechenleistung.
Speziell für Motorsteuerungen wurde ein Notaus-Eingang im-plementiert. Wird dieser Eingang aktiv, schalten die PWM-Pins auf einen programmierbaren sicheren Zustand. Die Leistungsstufe kann sicher in einen definierten Zustand überführt werden. Dieses erhöht die Betriebssicherheit des Systems.
Ebenfalls in Richtung hohe Sicherheit geht die zweistufige pro-grammierbare Brown Out Detection des FM3 (Bild 1). Sie ermög-licht es dem Anwender, eine Art Vorwarnsystem zu implementie-ren, so dass seine Applikation im Vorfeld des zu erwartenden Re-sets wichtige Daten sichern kann. Takt- und Spannungsüberwa-chung, Motor-Not-Aus, Speicherschutz, On-Chip-RC sowie CRC- und ECC-Tests schützen die Anwendung.
Professioneller DistributionssupportDer Fujitsu-Vertragspartner Glyn bietet für die FM3-Familie sei-nen bekannten First-Class-Premium-Support. So werden 95 Pro-zent aller Fragen über das Glyn-Expertennetzwerk direkt beant-wortet, ohne den Hersteller mit einbinden zu müssen. Glyn sichert Distributionskunden zudem den schnellen Start in die FM3-Welt: Die verfügbaren Evaluationboards von IAR, Keil und Fujitsu wer-den auf die Anforderung des Kunden ausgewählt und von eigenen Experten betreut. Es gibt die bekannten Entwicklungsoberflächen von IAR und Keil sowie eine auf GNU/Eclipse aufbauende Lösung. Durch die direkte Zusammenarbeit mit dem Hersteller ist der Kunde bei Glyn immer auf dem neuesten Stand zu Fujitsus Cortex M3. Kostenfreie Seminare sind für Glyn-Kunden selbstverständ-lich und werden bei Fujitsu in Langen/Frankfurt als Hands-on-Workshop oder bei Bedarf auch vor Ort abgehalten.
Mit seiner konsequent auf die Bedürfnisse der Anwender ausge-richteten FM3-Familie steigt Fujitsu in die Welt der ARM Cortex-M3-Mikrocontroller ein und hilft, reale Applikationen zu optimie-ren. Mit der Unterstützung eines Distributors wie Glyn haben Kunden den direkten Draht. (lei) n
Bild 3: Der Multi-Function-Timer kann verschiedene Wellenformen für die Motorsteuerung erzeugen, ohne den CPU-Kern damit zu belasten.
Die Autoren: Peter Dörwald ist Field Application Engineer bei Glyn in Idstein. Eric Dauß ist Regional Distribution Manager Central Europe & Benelux bei Fujitsu in Langen.
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Mit der neuen LPC4300-Familie kombiniert NXP einen ARM Cortex-M4 mit einem Cortex-M0. Das Resultat ist eine asymmetrische Dual-Core-DSC-Architektur (Digital Signal Controller). Der Cortex-M4 verbindet
dabei die Vorteile eines Mikrocontrollers (Interrupts, Stromsparen, Debugging, einfache Entwicklung) mit leistungsfähigen DSP-Funktionen, etwa Single-Cycle-MAC, SIMD (Single Instruction Multiple Data), Arithmetik mit Sättigungsverhalten sowie eine Gleitkommaeinheit.
NXP nutzt im LPC4300 alle optionalen Blöcke, die ARM mit dem Cortex-M4 anbietet: Die Wake-up-Steuerung, der NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller), die Gleitkommaeinheit und die MPU (Memory Protection Unit) fehlen ebenso wenig wie der gesamte Bestand an Debug- und Trace-Funktionen. Dazu kommt eine Menge Speicher: bis zu 1 MByte Flash und bis zu 264 KByte SRAM. Hervorzuheben sind ferner die kon� gurierbaren Pe-ripheriefunktionen SPI-Flash-Interface, State-Con� gurable-Ti-mer-Subsystem und die so genannte Serial-GPIO-Funktion.
ARM-DuettDie asymmetrische Dual-Core-Architektur des LPC4300
Sie harmonieren und ergänzen sich perfekt: Der ARM Cortex-M4 und sein kleiner Bruder Cortex-M0 arbeiten im LPC4300 von NXP gemein-sam an einer Applikation. Während sich der Cortex-M4 auf recheninten-sive Aufgaben konzentriert, kümmert sich der M0 um die Peripherie. Oder die ungleichen Geschwister teilen sich die Arbeit auf andere Weise: Der Entwickler hat alle Freiheiten. Autor: Gordon Cooper
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Bauteile
Der Cortex-M4 (grüner Block links oben) und der Cortex-M0 (rechts oben) haben beide vollen Zugang zum Bussystem (in der Mitte). Damit können sich beide Kerne um die Peripherie kümmern und ohne Buskonfl ikte parallel arbeiten.
Der Cortex-M0 dient als Co-Prozessor und übernimmt zahlrei-che Datenbewegungs- und I/O-Aufgaben, die sonst den Cortex-M4 belasten würden. Letzterer kann sich deshalb auf Rechenaufga-ben konzentrieren. Für Entwickler stellt sich also damit die Frage: Wie verteilt man seine So� ware auf beide Prozessorkerne und wie kommunizieren die miteinander?
Dual-Core-Architektur des LPC4300Welche Argumente sprechen überhaupt für einen Dual-Core-Bau-stein? NXP stellte fest, dass sich der Cortex-M4 hervorragend für Algorithmen, Signalverarbeitung sowie Steuerungsalgorithmen für die Audioverarbeitung eignet. Um dessen Möglichkeiten opti-mal auszuschöpfen, erachtete man es als sinnvoll, einem Coprozes-sor – in diesem Fall einem Cortex-M0 – die Echtzeitsteuerung der Peripheriefunktionen zu übertragen, möglicherweise ergänzt durch eine Protokollemulation für USB oder CAN. Es besteht so-mit eine klare Arbeitsteilung: der Cortex-M4 ist für die Verarbei-tungsaufgaben zuständig, der Cortex-M0 für die Echtzeitsteue-rung. Diese Architektur macht es möglich, mit dem Cortex-M4 ein Maximum an Performance zu erzielen.
Beide Prozessoren verfügen zur Interrupt-Steuerung über je-weils einen eigenen NVIC. Wichtiger noch: beide sind an die inter-ne Busmatrix angeschlossen und können deshalb auf alle Speicher- und Peripherie-Ressourcen zugreifen. Takt und Stromversorgung werden separat geregelt, so dass es möglich ist, einen Core herun-terzufahren, während der andere aktiv bleibt. Ein ROM-residentes API implementiert außerdem einen IPC-Mechanismus, der die Synchronisation von Tasks zwischen Cortex-M4 und Cortex-M0 erleichtert.
Beide Cores haben über die AHB-Busmatrix Verbindung zu sämtlichen Speichern und Peripheriefunktionen. Wenn die Sys-tem architektur also sorgfältig geplant ist und man dafür Sorge trägt, dass sich die vom Cortex-M0 zu verarbeitende Applikation in einem anderen Speicherbereich be� ndet als die Applikation des Cortex-M4, ist gewährleistet, dass beim Laden von Befehlen keine
Buskon� ikte au� reten. Beide Cores können mit einer maximalen Taktfrequenz von 150 MHz arbeiten und gemeinsam die größt-mögliche Performance erreichen.
Audioverarbeitung als AnwendungsbeispielDas Beispiel eines Systems, das Audiosignale verarbeitet, verdeut-licht die Aufgabenteilung zwischen Cortex-M4 und Cortex-M0: Der M4 kann vollständig der Graphic-Equalizer-Funktion vorbe-halten bleiben und muss sich in keiner Weise um die Interrupts und Protokolle kümmern, die ins Spiel kommen, wenn Daten per USB übertragen oder per I2S an ein Headset ausgegeben werden. Für all diese Peripheriefunktionen ist der M0 zuständig, der via USB beispielsweise Daten von einem PC erhält. Er entfernt die Header und legt die Daten in einem gemeinsamen Pu� erspeicher ab. Von dort übernimmt sie der Cortex-M4, um sie zu verarbeiten und wieder in den Pu� er zu legen, worau� in sie der Cortex-M0 per I2S ausgibt.
Die Arbeitsteilung ist dank der AHB-Busmatrix ohne allzu gro-ße Buskon� ikte möglich. Der Cortex-M0 kann über verschiedene Busverbindungen auf die APB-Peripherie (Advanced Peripheral Bus) und das USB-Interface zugreifen, während der Cortex-M4 – wiederum über eine andere Busverbindung – auf den Speicher zu-grei� . Da es während dieser Operationen zu keinerlei Kon� ikten kommt, können alle mit maximaler Performance ablaufen.
Kommunikative MotorregelungAlternativ ist eine Motorregelung denkbar, bei der beide Prozesso-ren mit der Peripherie interagieren. Beide Cores haben Zugri� auf alle Speicher- und Peripherie-Ressourcen, und damit lässt sich das System so konzipieren, dass sich der Cortex-M4 mithilfe des SCT um die Motorregelung kümmert, während sich der Cortex-M0 um die Protokollverarbeitung für das CAN-Interface kümmert und unter anderem Befehle empfängt und Bestätigungen sendet.
Beide Cores sind an ein gemeinsames Jtag-Interface angeschlos-sen. Per J-Link, U-Link oder über das Debug-Interface ist die
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DoppelherzNXP kombiniert im LPC4300 zwei verschiedene Vertreter der ARM-Cortex-Familie: Der Cortex-M4 ist stark bei re-chenintensiven Aufgaben, während der Cortex-M0 viel weniger Chipfl äche belegt und weniger Instruktionen kennt, aber der gleichen Architektur angehört. Für Ent-wickler bedeutet das: Sie können ihre Applikation sehr einfach partitionieren und die Vorteile beider Kerne je-weils nutzen. Wird einer gerade nicht gebraucht, kann er in einem Stromsparmodus bleiben.
infoDIREKT www.all-electronics.de 502ejl0111 ➤ Halle 12, Stand 218
Kommunikation mit beiden Cores mög-lich, die dabei wie zwei beinahe separate Mikrocontroller behandelt werden. Bei der Entwicklung von So� ware in verschiede-nen Einzelprojekten kann diese per Jtag in den internen Speicher des LPC4300 gela-den werden, um anschließend wahlweise die Cortex-M4- oder die Cortex-M0-Ap-plikation zu debuggen.
Es ist auch möglich, die Cortex-M4-Ap-plikation auszuführen und den Cortex-M0 im Single-Step-Betrieb laufen zu lassen, um Variablen zu überwachen oder Break-
Die PeripherieZu den konfi gurierbaren Peripheriefunktio-nen in der LPC4000-Familie gehören ein State-Confi gurable-Timer, ein SPI-Flash-In-terface und ein Serial-GPIO-Interface. Das State-Confi gurable-Timer-Subsystem ist im Prinzip ein gewöhnlicher Timer, ergänzt durch State- und Event-Logik. Mit dem SPI-Flash-Interface ist es möglich, externen se-riellen Speicher exakt wie internen – in das Adressierungsschema eingebundenen – Speicher erscheinen zu lassen. Unterstützt Datenraten bis zu 40 MByte/s sowie die Verarbeitung von Code aus diesem Spei-cher. Das Interface ist kompatibel zu Stan-dard-SPI- und Quad-SPI-Flash. Die Serial-GPIO-Einheit bietet eine GPIO-Funktion im Verbund mit einem Timer-Schieberegister: Mikrocontroller müssen häufi g mit nicht standardkonformen Interfaces arbeiten und dabei das CPU-intensive Bit-Banging be-treiben.Einige Vertreter der Familie bieten weitere Peripheriefunktionen, etwa zwei HS-USB-Controller, On-Chip-HS-PHY, einen 10/100T Ethernet-Controller mit TCP/IP-Prüfsum-menberechnung in Hardware oder einen hochaufl ösenden Farb-LCD-Controller. Zu den Standard-Features der Familie gehören 32 KByte ROM für Boot-Code und Chip-in-terne Treibersoftware, AES-128-Entschlüs-selung (einige Bausteine auch mit Ver-schlüsselung), ein achtkanaliger General-Purpose-DMA-Controller (GPDMA), zwei 10-Bit-ADCs und ein 10-Bit-DAC mit 400 KSample/s, ein Motorregelungs-PWM- und Quadratur-Encoder-Interface, vier UARTs, zwei Fast-Mode-Plus-I²C-Schnittstellen, ein I²S-Interface, zwei SSP/SPI-Schnittstellen, ein Smartcard-Interface, vier Timer, ein Windowed-Watchdog-Timer, ein Alarm-Ti-mer, eine Echtzeituhr mit 256 Bytes an bat-teriegepufferten Backup-Registern sowie bis zu 146 General-Purpose-I/O-Pins.
Infokasten
Der Befehlssatz der Cortex-Prozessoren ist modular aufgebaut. Weil NXP alle optionalen IP-Blöcke verwendet, ist beim Cortex-M4 im LPC4300 auch der volle Befehlsumfang inklusive DSP-Funktio-nen und Fließkomma-einheit verfügbar. Der Cortex-M0 versteht dagegen nur ein Subset.
points zu setzen. Dabei kann man die Cor-tex-M0-Applikation entweder per Debug-ger anhalten oder in den normalen Be-triebsmodus versetzen, um anschließend die gleichen Maßnahmen (Single-Step-Be-trieb, Breakpoints setzen, Variablen beob-achten) mit dem Cortex-M4 vorzunehmen. All dies ist mit einem einzigen J-Link- oder U-Link-basierten Jtag-Debugger sowie zwei Instanzen der verwendeten IDE mit den Projekten für den Cortex-M4 und den Cortex-M0 möglich – der Aufwand ist viel kleiner als bei zwei getrennten MCUs.
Trotz der beiden Kerne ist das Entwi-ckeln für den LPC4300 kaum schwieriger als bei Single-Core-Systemen. Praktischer-weise gibt es ein pinkompatibles Gegen-stück auf Cortex-M3-Basis, so dass man mit der einfacheren Architektur beginnen kann. Seine Stärke zeigt der Cortex-M4 vor allem bei DSP-intensiven Aufgaben. Für dieses Feld hat ARM kürzlich die CMSIS-DSP-Library mit 61 Algorithmen angekün-digt, die die So� wareentwicklung weiter vereinfacht. (lei) ■
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Manchmal ist das Eh-Da-Prinzip eine gute Idee: Wenn eine Lampe, eine Maschine oder ein anderes techni-sches Gerät am Stromnetz hängt und mit einem Steu-ergerät kommunizieren soll, dann kann man funken
oder zusätzliche Datenkabel verlegen. Allerdings ist das Stromka-bel „eh da“ – warum also nicht auf diesem Weg eine Datenverbin-dung einrichten? Das Resultat dieser Überlegung heißt Powerline Communication (PLC, siehe Infokasten „Historie“). Aufgrund neuer Standards und günstiger Bauteile lohnt es sich für Embed-ded-Entwickler zusehends, sich mit PLC zu beschäftigen und die eigenen Produkte auf diese Weise zu vernetzen.
Frequenzbänder und ModulationsverfahrenDas Frequenzspektrum von 1 MHz bis 30 MHz wird von der Breit-bandkommunikation mit Datenraten über 100 MBit/s auf dem Application Layer (Anwendungsschicht) und bis zu 200 MBit/s auf dem Link Layer (Verbindungsschicht) belegt. Damit ist die Über-tragung von Internetdaten, VoIP, HiFi-Audio und sogar HDTV über vorhandene Stromkabel möglich. Als Consumer-Anwendun-gen sind etwa WLAN Access Points, Ethernet- und USB-Brücken oder Lautsprecher zu erwähnen.
Ein Problem ist bisher die Inkompatibilität der Übertragungs-protokolle verschiedener Anbieter. Unter dem Namen G.hn gab die ITU im Jahr 2009 die Empfehlung G.9960 für Bitübertragungs-schicht und Anno 2010 die ITU-Empfehlung G.9961 für die Siche-rungsschicht einer neuen Heimnetzwerk-Technologie heraus, die eine einheitliche Basis für die Interoperabilität schaffen soll.
Die Schmalband-Powerline-Kommunikation wird weltweit durch die drei Hauptparameter Frequenzband, Modulationsver-fahren und Übertragungsprotokoll definiert (Bild 2). In Europa werden die Frequenzbänder durch das Europäische Komitee für elektrotechnische Normung (CENELEC) festgelegt. Sie sind unter-teilt in CENELEC A (3...95 kHz) für die Energieversorger sowie CENELEC B (95...125 kHz), C (125...140 kHz) und D (140...148,5 kHz) für Endanwender-Applikationen. Die Protokollschicht für die Bänder A, B und D wird durch Normen festgelegt oder ist pro-prietärer Natur. Lediglich das Protokoll für das C-Band ist regu-liert (CSMA). Außerhalb der EU wurden andere Frequenzbänder festgelegt: In den USA gibt es einen durchgehenden Breitbandbe-
Quassel-StrippePowerline-Kommunikation in ein-gebetteten Systemen verwenden
Datenübertragung per Stromleitung: Mit neuen Stan-dards und neuen Anwendungen wird die PLC-Technik immer interessanter. Wer seine Systeme damit aus-statten will, muss bei Frequenzbändern, Modulations-verfahren und Übertragungsprotokollen den Überblick behalten und sich jederzeit auf Änderungen einstellen: Mit der Piccolo-Subfamilie F2806x von Texas Instru-ments ist das kein Problem. Autoren: Lars Lotzenburger und Matthias Poppel
PLC für alleObwohl es die Kommunikation über das Stromnetz seit 80 Jahren gibt, sind derzeit viele wichtige Standards in der Entwicklung oder wurden gerade verabschiedet. Wer diese interessante Technik in sei-ne Produkte integrieren will, kann also kaum auf Standard-Hardware zurückgreifen, sondern braucht eine fl exible Lösung, die sich per Software auf geänderte Standards und neue Anforderungen anpassen lässt. Trotzdem sollte die Lösung mit wenig Aufwand auskommen und den Mikrocontroller nicht übermäßig belasten. Einen guten Kompro-miss stellt die Piccolo-Subfamilie F2806x von TI dar: Dem Prozessor-Kern stehen spezielle Hardware-Beschleuniger zur Seite. Für alle wichtigen Standards liefert TI sogar die passende Software mit.
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Auf einen Blick
reich von 150 bis 450 kHz; das Band von 10 bis 490 kHz ist von der FCC (Federal Communications Commission) de� niert. In Japan hat die Association of Radio Industries and Businesses (ARIB) das Band von 10...450 kHz eingerichtet, während es in China ein Band von 3...90 kHz und ein nicht reguliertes durchgehendes Band von 3...500 kHz gibt.
Typische Schmalband-Applikationen sind bislang Automatic Meter Reading (AMR) und Automatic Meter Management (AMM) für Stromzähler, Licht- und Jalousiensteuerungen in der Home-Automation sowie die industrielle Automatisierungstechnik.
Auswahl je nach ApplikationDas Modulationsverfahren beein� usst die verfügbare Datenrate, die Unemp� ndlichkeit des Kommunikationskanals gegenüber dy-namischen Störungen und die Systemkosten, etwa hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des Mikrocontrollers und des Speichers. Meh-rere Modulationsverfahren stehen für die schmalbandige Powerli-ne-Kommunikation zur Verfügung. Das FSK-Verfahren (Frequen-cy Shi� Key) und das B-PSK-Verfahren (Binary Phase Shi� Key) bringen es zwar nur auf Datenraten von etwa 1...2 kBit/s, sie sind jedoch einfach zu implementieren und sehr kostene� ektiv.
Komplexer und deshalb schwieriger zu implementieren sind das Di� erential Code Shi� Keying (DCSK) oder das Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing (OFDM). Hier sind jedoch Datenra-ten bis zu 128 kBit/s möglich, und die Betriebssicherheit bei der Übertragung auf Kanälen mit hohem Störau� ommen ist deutlich größer. Insbesondere die OFDM-Technik hat in den letzten Jahren wachsendes Interesse gefunden und dient bereits als Grundlage für mehrere Standards beispielsweise auf dem AMR-Markt.
Die OFDM-Technik unterteilt das Signal in kleinere Subsignale und überträgt sie gleichzeitig auf mehreren orthogonal versetzten Trägerfrequenzen. Hierdurch ist die Übertragung weniger anfällig. Wird die Multiple-Access-Fähigkeit eingerichtet, indem man ei-nem bestimmten Datenstrom mehrere Subträger zuordnet, kann man dies für Übertragungsredundanz nutzen oder um mit mehre-ren Senken gleichzeitig zu kommunizieren. Diese Variante min-dert auch Interferenzen und Signalabschwächungen.
Standards für das ÜbertragungsprotokollIn der Powerline-Kommunikation kommen zahlreiche Protokolle zum Einsatz. DALI, KNX, EE-Bus und PRIME spielen eine immer wichtigere Rolle im Automatic Meter Management und in der Ge-bäudeleittechnik: DALI (Digital Addressable Lighting Interface) ist
ein gebührenfrei nutzbares, nicht proprietäres und bidirektionales Protokoll, das in der Gebäudeautomation zur Steuerung von Vor-schaltgeräten dient. Die maximale de� nierte Datenrate beträgt 1,2 kBit/s bei 16 V. Abgesehen von einer Ringstruktur ist jede Netz-werktopologie mit maximal 64 Geräten realisierbar, etwa Vor-schaltgeräte, manuelle Dimmer und Präsenzdetektoren. In größe-ren Installationen lassen sich mehrere Busse miteinander vernet-zen. Eine Rekon� guration des Netzwerks bis zum einzelnen Vor-schaltgerät oder zur einzelnen Leuchte herab ist per So� ware vom Host aus möglich. Jedes Vorschaltgerät ist mit einem kleinen Mikro controller ausgestattet, der als Master für Schalt- und Dimm-befehle dient und auch als Sensor fungieren kann, etwa um den Energieverbrauch oder einen Leuchtenausfall zu melden.
Der o� ene, internationale Standard KNX (ISO/IEC, CENELEC, China) ist für die Heim- und Gebäudeautomation gedacht. Er ver-eint frühere Standards wie European Home Systems Protocol (EHS), Batibus und den European Installation Bus (EIB, Instabus). KNX ist unabhängig vom physischen Übertragungsmedium. Die leitungsgebundene Übertragung (zum Beispiel Twisted-Pair, Pow-erline, Ethernet) kommt somit ebenso in Betracht wie die drahtlo-se Übertragung per Funk oder Infrarot. Twisted-Pair-Implemen-tierungen erreichen eine Datenrate von 9,6 kBit/s bei 30 V. Damit ein Produkt das KNX-Zeichen tragen darf, muss es eine Konformi-tätsprüfung bestehen, bei der nicht nur das Protokoll, sondern auch die standardisierten Datentypen geprü� werden.
Der EE-Bus ist für den Datenaustausch und die Bereitstellung von Services zwischen Energieversorgern und privaten Haushalten gedacht. Dieser Standard wurde im Rahmen der E-Energy-Initiati-ve de� niert. Er enthält kein neues Protokoll, sondern setzt auf vor-handene leitungsgebundene und drahtlose Protokolle auf. Ein Gateway abstrahiert und übersetzt die Daten, die der Energiever-sorger an die Haushalte schickt (Outbound Communication Lay-er) sowie die Verbindung mit den energieverbrauchenden Endge-räten im Haushalt (Inbound Communication Layer) über Strom-kabel (KNX), Datennetzwerk (TCP/IP) oder drahtlos (Zigbee).
EE-Bus-Endgeräte sind zum Beispiel Kühlgeräte, Waschmaschi-nen oder Geschirrspülmaschinen, deren Betriebszeit sich in Zeiten größtmöglicher Energieverfügbarkeit verlagern lässt. Diese Kom-munikation kann außerdem die E� zienz verbessern, wenn private Haushalte als Energielieferanten dienen – sei es per Photovoltaik-Anlage oder Elektrofahrzeug, dessen Batterie als Energiepu� er dient. Der Umfang der über den Inbound-Layer übertragenen Da-ten erfordert eine Erweiterung des physischen KNX-Layers. Das
Bild 1: Vernetzte Straßenbeleuchtungs-Lösung auf Basis eines Piccolo-Mikro-controllers von Texas Instruments.
neue Protokoll KNX PL+ (KNX over Powerline) arbeitet deshalb im CENELEC B-Band und nutzt die OFDM-Modulation.
Powerline Intelligent Metering Evolution (PRIME) wurde von Iberdrola, Texas Instruments, STM, Landis+Gyr, Itron, Current Group, Ziv Group und Advanced Digital Design gegründet. Ziel war ein o� enes, ö� entliches und nicht geschütztes Kommunikati-onssystem für Automatic Meter Management sowie für das Smart Grid im Allgemeinen. Das PRIME-Protokoll ist für Niederspan-nungsleitungen mit geringem Störau� ommen konzipiert. Es sieht höhere Datenraten (21...128 kBit/s) vor und nutzt das CENELEC A-Band (42...90 kHz). Demgegenüber ist das G3-Protokoll für Mittelspannungsleitungen und niedrigere Datenraten (2,4...34 kBit/s) ausgelegt und nutzt ebenfalls das A-Band (35...90 kHz).
Die Powerline Communication Library (PLC-Suite), die Texas Instruments für seine Echtzeit-Mikrocontroller der C2000-Familie anbietet, umfasst nicht nur PRIME und G3, sondern auch eine SFSK-Lösung gemäß IEC 61334 sowie eine Flex-OFDM-Lösung für kundenspezi� sche Smart-Grid-Lösungen, etwa vernetzte Pho-tovoltaik-Wechselrichter oder Beleuchtungssysteme.
Embedded-AnwendungenFür die Powerline-Kommunikation haben sich mehrere Anwen-dungen ergeben – die wichtigsten sind heute AMR und AMI (Ad-vanced Metering Infrastructure). AMR ermöglicht den Energie-versorgern lediglich das Auslesen von Daten aus dem Stromzähler, das anspruchsvollere AMI dagegen gestattet die bidirektionale Kommunikation zwischen Energieversorger und Verbrauchsmes-ser. Damit sind ausgefeiltere Applikationen möglich, etwa das fort-laufende Aktualisieren des Stromtarifs sowie Prepaid-Dienste. Po-werline-Kommunikation eignet sich auch für Beleuchtungen – im einfachsten Fall zum Ein- und Ausschalten der Straßenlaternen. Aufwerten lässt sich diese Applikation durch die Überwachung des Lampen-Vorschaltgeräts, um bevorstehende Ausfälle zu erkennen oder den Energieverbrauch zu ermitteln.
Mit Powerline-Kommunikation ist es problemlos möglich, die E� zienz und die Verluste jedes einzelnen Panels einer PV-Anlage zu überwachen. Praktischerweise eignet sich Powerline gleicher-maßen für Gleich- und Wechselstromleitungen und kann Daten vor und nach dem Wechselrichter übertragen. Das hil� auch beim Laden der Batterien von Elektrofahrzeugen: Unabhängig davon, ob die Batterie Energie vom häuslichen Wechselstromanschluss oder aus einer Gleichstromquelle unterwegs erhält, kann die Kom-munikation zwischen Fahrzeug und Ladestation mit ein und der-
Powerline-HistorieSchon seit den 1930er Jahren verwenden Energieversorger ihre Hochspannungs-Überlandleitungen für Steuersignale in der Fernwirk-technik. Seit den 1950ern nutzt man auch Mittelspannungsleitungen, etwa zum Ein- und Ausschalten der Straßenbeleuchtung. Untersu-chungen zum Frequenzband zwischen 5 und 500 kHz begannen in den 1970er Jahren. Anfang des 21. Jahrhunderts, in Japan sogar noch eher, starteten erste Feldversuche zur bidirektionalen Kommuni-kation. Sprechanlagen und Babyphones nutzen die Schmalband-Kommunikation via Stromnetz. Parallel zur Erkundung der Schmal-bandtechnik gingen Unternehmen Mitte der 1990er Jahre an die Ent-wicklung von Breitband-Powerline-Modems für private Daten- und Videonetzwerke. Wegen der Komplexität und den hohen Kosten dieser Technik setzten sich stattdessen DSL und Kabelmodems durch. Erst seit einigen Jahren erlebt die Breitband-Powerline eine Renaissance.
Infokasten
selben Powerline-Kommunikationshardware erfolgen, um das Fahrzeug zu identi� zieren oder neue Preistabellen zu laden.
Die neue Piccolo-Mikrocontrollerfamilie TMS320F2806x verbindet einen leistungs-starken, programmierbaren 32-Bit-Core mit Beschleunigern für die schmalbandige Pow-erline-Kommunikation, die in den Chip inte-griert sind. Systementwickler können damit ihr Powerline-Modem per So� ware auf ver-schiedene Modulationsverfahren und Proto-kolle abstimmen und gleichzeitig eine Appli-kation laufen lassen. Das Blockschaltbild in Bild 1 illustriert, wie ein einzelner Piccolo-Controller LED-Strings verwaltet, und ent-hält zusätzliche Funktionen für die Leistungs-faktorkorrektur und die Powerline-Kommu-nikation.
Um sich auf verschiedene Modulationen, Normen, Bitraten, Fre-quenzbänder und Anforderungen an die Betriebssicherheit einzu-stellen, können Entwickler entweder mehrere PLC-Hardwarekom-binationen oder eine � exible Lösung nutzen. Texas Instruments bietet eine solche � exible Hardwarelösung an, die sämtliche As-pekte abdeckt. Sie besteht im Wesentlichen aus zwei Bausteinen: dem Analog-Frontend und dem Mikrocontroller für die Verarbei-tung des So� ware-Stacks.
PLC-HardwareDas Analog-Frontend (AFE) enthält in seinem Sendepfad einen 10-Bit-D/A-Wandler, einen Filter und den Ausgangs-Leistungs-verstärker. Im Empfangspfad sind zwei PGAs (Programmable Gain Ampli� er) und ein Filter vorhanden – außerdem zwei für den S-FSK-Betrieb erforderliche Nulldurchgangserkenner und ein Eu-ridis-Interface. Das AFE kommuniziert über einen vieradrigen SPI-Bus mit dem Mikrocontroller TMS320F28PLCx, einem Able-ger der TMS320F2806x-Familie. Wie die Typenbezeichnung er-kennen lässt, wurde dieser Mikrocontroller gemäß den Anforde-rungen einer PLC-Lösung entwickelt.
Das wichtigste Merkmal des TMS320F28PLCx ist die VCU (Viterbi & Complex Math Unit). Dieses Modul, das einen eigenen Befehlssatz besitzt, entlastet die CPU von rechenintensiven PLC-Algorithmen. Der Viterbi-Decoder wird für die Forward Error Correction (FEC) verwendet, während die komplexen Mathema-
Bild 2: Das Schmalband-Frequenzspektrum für die Powerline-Kommunikation dient verschiedenen Applikationen und ist daher für verschiedene Protokolle reserviert.
tik-Instruktionen in großem Umfang vom FFT-Algorithmus (Fast Fourier Transform) genutzt werden. Der CRC-Beschleuniger als dritter Block der VCU benötigt lediglich drei Zyklen zur Berech-nung des CRC-Wertes eines 32 Bit breiten Datenworts. Bereits be-kannte Features der TMS320F28x-Familie finden sich ebenfalls in diesem Mikrokontroller, etwa der eingebaute SAR-ADC mit 12 Bit und 3 MSample/s, hochauflösende PWM-Ausgänge oder der mit einem 128 Bit breiten Passwort geschützte Flash-Speicher.
PLC-SoftwareTexas Instruments hat sich für eine voll programmierbare Lösung auf Mikrocontroller-Basis entschieden. Damit kann eine einzige Hardwarelösung mehrere Standards unterstützen: PRIME, G3 und S-FSK sowie das proprietäre Flex-OFDM sind in separaten Soft-warepaketen verfügbar. Im Regelfall wird die betreffende Image-Datei in den Flash-Speicher des TMS320F28PLCx geladen. Die Datenkommunikation mit dem benötigten Applikationsprozessor erfolgt nach dem TI-eigenen PLC Suite Host Message Protocol über eine zweiadrige UART-Schnittstelle. Der Softwareentwickler muss nur den entsprechenden Teil dieses umfassend dokumentier-ten Protokolls in den Applikationsprozessor integrieren, das PLC-Modem fungiert als Black-Box.
Der zum Lieferumfang gehörende PLC Quality Monitor (PQM) als Bestandteil der auf dem Computer laufenden PLC Host Tools nutzt dasselbe Protokoll. Mit ihm kann man selbstentwickelte PLC-Hardware mit einem bekannten Gegenstück testen. Der PQM ist in der Lage, die PLC-Hardware auf verschiedene Weise zu pro-grammieren. Damit lassen sich beispielsweise Tests mit dem PHY-Layer durchführen, um die Qualität der Verbindung zwischen zwei PLC-Modems zu prüfen.
Zudem erlaubt es das Softwarekonzept, neben der PLC-Software auch das Applikationsprogramm im TMS320F28PLCx zu integrie-ren. Möglich ist dies dank der exponierten Software-Schichten des jeweiligen Software-Stacks. Im Falle von PRIME sind das beispiels-weise PHY, MAC, IPv4 Convergence Layer (CL) und der IEC-61334-4-32 LLC-Layer (Logical Link Control) in Form von Bibliotheken mitsamt detaillierter API-Dokumentation. Für eige-ne Projekte eignet sich die Code-Composer-Studio-IDE. Nicht im-mer sind alle Software-Layer nötig: Beispielsweise kann eine Ap-
plikation ohne Netzwerk (also eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung) den PHY-Layer nutzen, während MAC, IPv4 CL und LLC entfal-len. Hiermit lassen sich Prozessorzyklen und Speicher sparen und für die Endanwendung nutzen. Ein solches PHY-Beispiel ist in je-dem Softwarepaket enthalten.
Im Interesse eines effektiven Hardwarekonzepts ist möglicher-weise ein System-on-Module (SoM) die richtige Wahl. Es wird in eine Basisplatine eingesteckt, die sie mit den erforderlichen Span-nungen und Signalen versorgt. Mit diesem Ansatz ist das PLC op-tional und lässt sich bei Bedarf leicht auf einen anderen PLC-Stan-dard umrüsten. Das SoM-Board enthält neben Mikrocontroller und AFE auch die zugehörigen passiven Bauelemente; dennoch ist es nur halb so groß wie eine Kreditkarte (ohne Stromversorgung und Kopplerschaltung). An Signalen sind mindestens das UART-Interface und das mit der Kopplerschaltung verbundene, modu-lierte bidirektionale PLC-Signal erforderlich. Das SoM benötigt außerdem zwei Versorgungsspannungen: 3,3 V für Mikrocontrol-ler und AFE sowie 15 V für die AFE-Leistungsstufe. Diese ist für den Crestfaktor erforderlich, der wegen der OFDM-basierten Standards eine Rolle spielt.
Kommunikative ZukunftDie bereits seit den 1930er Jahren existierende Powerline-Kommu-nikation erlebt derzeit einen enormen Aufschwung als Wegberei-ter künftiger Smart Grids. Sie kann E-Metering oder Beleuchtun-gen aufwerten oder neuere Anwendungen wie das Laden von Elek-trofahrzeugen vereinfachen. All dies gehört zum Thema Smart Grid: Es geht um Kommunikation.
Solange Systementwickler viele verschiedene PLC-Standards unterstützen müssen und sich die entsprechenden Protokolle noch in der Entwicklung befinden, ist eine per Software konfigurierbare Lösung wünschenswert. Die neue Piccolo-Subfamilie F2806x von Texas Instruments bietet nicht nur diese Flexibilität, sondern bringt überdies genügend Leistungsreserven mit, um parallel dazu auch beispielsweise eine eingebettete Spannungsversorgungsanwen-dung zu verarbeiten. (lei) n
Die Autoren: Lars Lotzenburger ist Systems Engineer und Matthias Poppel ist EMEA Director Embedded Processing Marketing & Applications bei Texas Instruments in Freising.
Mikrocontroller auf VollgasDas volle Leistungspotenzial des Cortex-M3 ausschöpfenDie neue Mikrocontrollerserie STM32 F-2 kombiniert 90-nm-Prozesstechnologie von ST Microelectronics mit dem innovativen ART-Accelerator (Adaptive Real-Time Memory) des Unternehmens, um die Ver-arbeitungsleistung des Cortex-M3 ohne Waitstates nutzen können – trotz Program-mausführung aus dem Flash. Bei 120 MHz erreichen sie mit 150 Dhrystone-MIPS die maximale Verarbeitungsleistung, die ein Cortex-M3 bei dieser Taktfrequenz errei-chen kann. Weitere Eigenschaften sind eine dynamische Stromaufnahme von 188 µA/MHz, wenn der Programmcode im Flash-Speicher liegt, also 22,5 mA bei 120 MHz.
„Die Serie stellt eine entscheidende Er-gänzung zur STM32-Plattform dar und untermauert die führende Stellung von ST auf dem Markt für Cortex-M3-MCUs“, er-klärt Michel Buffa, General Manager der Mikrocontroller-Division von ST in Gras-
brunn. „Unser proprietärer 90-nm-Prozess und die Entwicklung des ART-Accelerators ebnen den Weg für perfekt optimierte In-teraktionen zwischen Prozessor und Spei-cher mit einer Performance, die dem Be-trieb mit Zero Waitstates entspricht. Die Leistungsreserven des Cortex-M3-Cores werden damit vollständig ausgereizt.“
Die STM32 F-2-Serie ergänzt die beste-henden Reihen STM32 F-1 und L-1 unter Wahrung der vollen Pin- und Softwarekom-patibilität. Es gibt sie in vier Varianten, die den Designern unterschiedliche Speicher-kapazitäten, Gehäuse- und Peripherie-Op-tionen bieten. Die Serie profitiert außer-dem vom umfangreichen Entwicklungs-tool- und Software-Bestand der STM32-Familie. ST adressiert mit den Chips Consumer- und Mobil-Applikationen (Au-dio-gerechte Architektur mit I2S) sowie In-dustrie und Medizintechnik. Letztere pro-
fitieren von der Konnektivitäts-Peripherie und den Verschlüsselungs-Funktionen, der Verarbeitungsleistung, Timer sowie den großen Flash- und SRAM-Speicher.
Zur Ausstattung des Chips gehört zudem USB-Peripherie, 528 Byte OTP-Speicher zum Ablegen kritischer Daten, ein Parallel-Interface für CMOS-Bildsensoren, Ether-net, CAN 2.0B, eine externe Speicher-schnittstelle für Compact Flash, SRAM, PSRAM, NOR und NAND sowie LCD. Da-zu kommen zwei Motorsteuerungs-Timer, 12 Universal-Timer, zwei 32-Bit-Timer, drei 12-Bit-ADCs mit 2 MSample/s und ein 12-Bit-DAC. Für Verschlüsselungen sind ein Crypto- und Hash-Prozessor so-wie ein analoger, echter Zufallszahlengene-rator vorhanden.
Entscheidend für die Performance sind unter anderem die sieben Layer umfassen-de AHB-Busmatrix, zwei separate, an die Busmatrix angeschlossene SRAM-Blöcke und sechs DMA-Kanäle. Dazu kommt der ART-Accelerator. Hierbei handelt es sich um einen Code- und Daten-Cache, der vollständige 128-Bit-Wörter aufnimmt und zusätzlich mit Look-Ahead arbeitet. Auf diese Weise schafft es der Cache, den Flash-Speicher optimal auszulesen. Außerdem holt der ART vorausschauend den Inhalt von Sprungzielen, Interrupt-Service-Rou-tinen und Unterprogrammen aus dem Flash in den Zwischenspeicher. Durch die 128-Bit-Wortbreite nimmt eine Cache-Zel-le vier bis acht Befehle auf. (lei) n
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Der ART-Accelerator beschleunigt Programme, die aus dem Flash-Speicher heraus laufen: Als intelligen-ter Cache stellt er die Code-Blöcke fast immer ohne Waitstates zur Verfügung, trotz 120 MHz Takt.
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NAND-Flash mit FehlerkorrekturMit Clear-NAND die Lebensdauer erhöhen
NAND-Flash gibt es bisher als Raw-Aus-führung oder mit eingebautem Controller. In jedem Fall muss sich der Controller um typische Flash-Aufgaben wie Fehlererken-nung und -korrektur oder Wear-Leveling kümmern. Mit Clear-NAND geht Micron einen neuen Weg und integriert nur die Fehlererkennung und -korrektur in den Flash-Baustein, überlässt die komplexeren Aufgaben aber dem Controller.
Sinnvoll ist dieser Ansatz, weil mit im-mer kleineren Strukturen im Chip (neue Prozessgeneration) die Fehlerwahrschein-lichkeit steigt (siehe Grafik oben). Wie auf-wändig die Fehlerbehandlung sein muss, hängt daher vor allem vom Flash-Chip ab. Die komplexeren Aufgaben wie Wear-Le-veling sind dagegen viel enger mit der Ap-plikation verzahnt und nicht von den De-tails des NAND-Bausteins abhängig. Eine Trennung der Funktionen erscheint daher durchaus logisch.
Clear-NAND verwenden ein traditionel-les Raw-NAND-Interface mit Zusatzfunk-tionen für Anwendungen mit hoher Kapa-
zität und hoher Leistung. Anwender kön-nen daher traditionelle Designs recht ein-fach auf Clear-NAND umstellen und ihre Produkte dann problemlos auf größere Speicher mit kleineren Strukturen umstel-len, ohne sich um die Bitfehlerwahrschein-lichkeiten zu sorgen und ihre Applikation jedes Mal anpassen zu müssen.
Micron konzipiert die eigenen Clear-NAND-Produkte im 25-nm-MLC-Prozess (Multi Level Cell) und bietet sie in zwei Versionen an: Standard und Enhanced. Die Standard-Produkte soll es mit 8 bis 32 GByte Kapazität geben. Sie entlasten den Host-Prozessor von dessen ECC-Aufgaben (Error Correcting Code). Im Vergleich zu Raw-NAND sind dazu nur minimale Proto koll änderungen nötig. Standard-Clear-NAND im LGA-Package ist für trag-
bare Multimedia-Player und andere Geräte der Unter-haltungselektronik gedacht. Die En-hanced-Reihe bie-tet über die Stan-dard-Variante hin-ausgehende Funk-tionalitäten für höhere Leistung und Zuverlässigkeit in Enterprise- und Compu-ting-Anwendungen. Dazu hat Micron das Interface erweitert und ermöglicht eine synchrone Anbindung. Erhältlich ist das Enhanced-Clear-NAND im BGA-Gehäuse mit 16 bis 64 GByte. (lei) n
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Kevin Kilbuck, Director of Strategic Marketing, Micron NAND Solutions Group in Boise, Idaho.
Je kleiner die Prozessstrukturen, desto mehr Fehler treten in Flash-Speichern auf.
Clear-NAND (in der Mitte) nutzt das gleiche Interface wie Raw-NAND (links), verlagert aber einige Controller-Funktionen in das Flash. Bei eMMC ist der eingebettete Controller viel aufwändiger.
Microchip stellt mit dem RE46C 190 einen optischen RauchmelderIC für 3 V mit Signalhorntreiber und Ausgangsspannungsregler vor. Der optimale Betriebsmodus und die Kalibrierung lassen sich während des Produktionsablaufs einstellen, was das Design vereinfacht und die Herstellung erleichtert. Besonderheiten: typischer Betriebsstrom 8 µA, daher
Toshiba Electronics Europe hat in die neuen TMPM366MCUs FullSpeedUSB (12 MBit/s) integriert. Der TMPM366FDFG, TMPM366FYFG und TMPM366FWFG werden im LQFP100Gehäuse ausgeliefert und kombinieren integ
Freescale stellt die Applikationsprozessorfamilie i.MX 6 mit einem, zwei oder vier ARM CortexA9Prozessorkernen vor. Sie haben eine hohe Rechenleistung und Skalierbarkeit und sind für intelligente Mobilgeräte, Infotainmentsysteme und EmbeddedAnwendungen gedacht. Die Kerne
Renesas Electronics stellt 16 neue 16BitMikrocontroller aus der R8C/LxSerie vor. Die R8C/L3xMProduktgruppen bieten einen integrierten HochgeschwindigkeitsOszillator mit einer typischen Genauigkeit von ±1 Prozent bei Raumtemperatur. Die energieeffizienten MCUs bestehen aus ins
Memphis Electronic ist als Distributor von Speicherkomponenten und Hersteller von Industriespeichermodulen bekannt. Neu im Programm ist eine Reihe von Speichermodulen auf Basis der eigenen DDR2SpeicherICs. Die neue Modulserie umfasst Fully Buffered DIMMs und Registered Buffered DIMMs mit 8 GByte sowie MiniRDIMMs und SORDIMMs mit bis zu 4 GByte. Für kompakte Anwendungs bereiche gibt es
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rierten FlashProgrammspeicher mit DatenRAM 512/64, 256/48 oder 128/32 KByte. Ein integrierter SRAMController erlaubt den Anschluss von 16 MByte externem Speicher. Alle MCUs besitzen einen ARM CortexM3, einen schnellen 12Kanal/12BitA/D Wandler, einen 10Kanal/16BitTimer und einen WatchdogTimer. Die Chips arbeiten mit 2,7...3,6 V bei bis zu 48 MHz und besitzen einen internen 10MHzOszillator.
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sind mit bis zu 1,2 GHz getaktet; der Leistungsdurchsatz übertrifft aktuelle FreescaleCPUs bis zum Fünffachen. Die i.MX 6 gehören zu den ersten MCUs mit HardwareSupport für den VP8Codec.
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gesamt vier Gruppen mit 52...100 Pins, bis zu 128 kByte programmierbarem FlashSpeicher und integriertem LCDTreiber. Erste Muster sind für das erste Quartal 2011 geplant.
infoDIREKT 524ejl0111 ➤ Halle 12, Stand 354
auch VeryLowProfileRDIMMs und MiniRDIMMs. Die Module basieren auf dem monolithischen 2GBitDDR2Baustein von Memphis, der mit geringer Stromaufnahme, kompakter Bauform und einem StandardTemperaturbereich von 0 bis 95 °C aufwartet, auf Wunsch auch mit erweitertem Bereich von 40 bis +95 °C.
Haptische Anregung – so nennt die britische Firma NXT eine Tech-nologie, bei der Displays durch Vibrationen dem Benutzer mel-den, wenn er eine virtuelle Taste berührt. Das Resultat: Der Anwen-der kann viel sicherer tippen, weil sich die glatte Oberfläche beinahe wie eine mechanische Tastatur anfühlt. Außerdem nutzt NXT die Schwingungen für eine Audiowie-dergabe: Das Display dient damit gleichzeitig als Lautsprecher, des-sen Frequenzgang von 200 Hz bis
Cypress bringt eine neue Single-Chip-True-Touch-Lösung auf den Markt, die sich für großformatige Multitouch-Bildschirme (bis 11,6 Zoll) eignet. Die CY8CTMA884-Familie unterstützt mit 60 Abtast-kanälen insgesamt 884 Knoten auf dem Bildschirm. Die Familie besitzt alle Vorteile der bisherigen True-Touch-Bausteine: Unterstüt-
Analog Devices konzentriert sich am Embedded-World-Messestand auf Lösungen für die Entwicklung industrieller Messtechnikanwen-dungen. Zu sehen ist unter ande-rem die Steuerung eines Roboter-armes über einen isolierten CAN-Kommunikationsbus, realisiert mit einem Blackfin-Prozessor und dem isolierten CAN-Transceiver ADM 3053. Außerdem zeigt Ana-
Touchscreens mit simulierten Tasten und Lautsprecher
Ein sicheres GefühlTouchscreen-IC für große Displays
Smarte Tuchfühlung
Messtechnik-Anwendungen für Embedded-Entwickler
Besser messen15 KHz flach bleibt. Applikationen wie Tablet-Computer, Industrie-displays oder mobile Geräte brau-chen je zwei NXHX14C, die das Display mit Biegewellen anregen. Die Exciter eignen sich für Dis-plays bis 19 Zoll, sind als 1- und 2-W-Versionen verfügbar mit ei-ner Impedanz von 4, 8, 16 oder 32 Ohm. Jeder Exciter hat eine kunststoffgelagerte Schwing spule mit 14 mm Durchmesser.
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zung für bis zu 10 Berührungen, geringe Leistungsaufnahme, Un-terdrückung von Griffen und Handballen-Berührungen, hohe Genauigkeit und kurze Scanzei-ten. Unterstützt alle wichtigen Ta-blet-Betriebssysteme.
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log Devices eine Signalverarbei-tungslösung für industrielle Feld-instrumente mit analogen Ein-gangsstufen und Embedded Wire-less Networking mit dem neuen Funk-SoC ADuCRF101 mit integ-riertem Sub-1-GHz-Transceiver und ARM Cortex-M3-MCU.
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Kompakte Stapelwunder mit festgelegten Abmessungen und eingebauter Flexibilität dank Erweiterungsmöglichkeiten: Das kompakte, robuste PC/104 ist weiter angesagt. Um PC/104 durch einen modernen Ansatz zu erweitern, stellt Congatec nun eine Qseven-Erweiterung für PC/104 vor. Vorteil des Ganzen ist, dass so PC/104 um COM-typische Vorteile erweitert wird, wie die Möglichkeit zu technologischen Upgrades. Autor: Bob Pickles
Nach Erscheinen des PC mit seiner kartenbasierten Archi-tektur erwies es sich für die Embedded-Branche als at-traktiv, diese Technik auch für sich zu nutzen. Der her-kömmliche IBM-PC schied jedoch aus – aus Platzgrün-
den und weil er nicht für widrige Umgebungsbedingungen ausge-legt war. 1987 entwickelte deshalb Ampro als Workaround dafür das PC/104-Format, um bestehende PC-Technologie für Embed-ded-Anwendungen mit speziellen Echtzeit-Datenerfassungs- und Verarbeitungsfunktionen nutzen zu können. Der gesamte PC/104-Markt mit allen alten und neuen Technologien hatte 2008 ein Vo-lumen von rund 262 Millionen US-Dollar: Das Marktpotenzial bleibt hier nach wie vor groß, denn bei kommerziellen, industriel-len und auch militärischen Anwendungen wird trotz inzwischen eingeführter Weiterentwicklungen weiter auf PC/104 gesetzt. Ins-besondere unbemannte Fahrzeuge für militärische und nichtmili-tärische Anwendungen bilden hier ein wichtiges Segment.
Trägersystem als Kernfrage30 Jahre nach Einführung der PC/104-Architektur sind die neues-ten Prozessoren der Intel Atom-E6xx-Serie nun auf COM-Techno-logie (Computer-on-Module) verfügbar. Mit bis zu 8 GByte RAM werden Microso� Windows, Linux und andere Betriebssysteme
Ressourcen in die Applikationsentwicklung investieren, denn we-gen der Pinkompatibilität der COM-Module zwischen den ver-schiedenen Zulieferern lassen sich auch Second-Source-Anbieter in Produktpaletten einbinden, wobei der Produkt-Support gesi-chert ist.
Die Rolle von QsevenZu den jüngsten Innovationen der COM-Technologie gehört die Einführung des Qseven-Formats durch eine Reihe europäischer Hersteller, darunter Congatec, MSC Vertrieb und Seco. Das 70 x 70 mm große Qseven-Modul besitzt einen MXM-Systemsteckverbin-der mit einer unabhängig vom Anbieter standardisierten An-schlussbelegung. Die Spezi� kation ist bei der Qseven-Standards-Organisation erhältlich (www.qseven-standard.org).
Verglichen mit dem 90 x 96 mm großen PC/104-Format ist das Qseven-Modul ein deutlich kompakterer, kompletter PC-on- Module. Ideal also die Kombination aus Qseven-Technologie mit-hilfe einer speziellen Trägerplatine mit dem PC/104-Format: Da-mit wird die Qseven-COM-Technologie für viele mit dem PC/104-Format arbeitende Entwickler zugänglich, und alle COM-typischen Vorteile können genutzt werden. Um das zu ermöglichen, hat Congatec mit der nordamerikanischen Firma Connect Tech zu-
sammen eine Qseven-Trägerplatine entwickelt, die sich an den Spezi� kationen und vor allem am Preisniveau von PC/104-Express orientiert.
Die COM-Technologie verkürzt die Markteinführungszeit für neue und existierende Designs. Systemhersteller haben außerdem Gelegenheit, ihre Produkte skalierbar zu machen, indem sie ver-schiedene COM-Produktoptionen mit unterschiedlicher Leis-tungsaufnahme, Performance und Preisgestaltung anbieten. Die Pinkompatibilität der COM-Produkte sorgt dafür, dass die frühe-ren Probleme mit veralteter Technologie der Vergangenheit ange-hören und Mid-Life-Updates reibungsloser vorgenommen werden können. Innerhalb des o� enen Qseven-Standards lassen sich so neu entwickelte Produkte weitgehend ohne Altlasten upgraden.
Technische Details der IntegrationDie Qseven-Trägerplatine von Connect Tech basierte auf der Pro-zessorserie Intel Atom Z53xx mit einem Intel SCH-US15W-Chip-
unterstützt, und Embedded-Anwendungen pro� tieren von der enormen Rechenleistung der Atom-Prozessoren auf diesen Com-puter-on-Modules.
Das COM-Konzept bietet Vorteile für Projekte in der Größen-ordnung von einigen hundert bis zu einigen hunderttausend Stück. Es erfordert eine individuell zu entwickelnde Trägerplatine, die mit einer ganzen Palette von COM-Boards bestückt werden kann. Der Grundgedanke hierbei ist, dass Systemhersteller sich nicht mehr darum kümmern müssen, Motherboard, Prozessor und Speicher auszuwählen sowie Treiber für ein Produkt aus� ndig zu machen und zu p� egen, das vielleicht bereits nach einem oder zwei Jahren aus dem Programm genommen wird. Im schlimmsten Fall bietet der Zulieferer mehrere verschiedene Baseboards mit unterschied-lichen Anbietern und So� ware-Builds an, so dass sich das Kon� -gurations-Management als Alptraum erweisen kann.
COM-Boards sind mit allem Nötigen bestückt und enthalten auch die Treiberso� ware. Systemhersteller können deshalb mehr
Bilder: Congatec
PC/104 reloadedPC/104 ist selbst nach Jahren immer noch ein beliebtes Design we-gen seines kompakten Aufbaus und seiner Eigenschaften wie Ro-bustheit und Flexibilität. Umso besser, dass es sich durch die Idee von Congatec und Connect Tech, den Standard mit Qseven zu verhei-raten, um einige interessante Optionen erweitern lässt und zudem vor allem beim Redesign bzw. Technologieupgrades nun entsprechend besser punkten kann durch Vereinfachung und Kostenersparnis.
infoDIREKT www.all-electronics.de 203ejl0111➤ Halle 12, Stand 122
Auf einen Blick
Macht COM-Technologie samt
Vorteilen für viele mit dem PC/104-Format arbeitende Entwickler zugänglich: Qseven.
Der Autor: Bob Pickles von Congatec in Deggendorf.
satz mit integriertem Grafik- und Speichercontroller sowie aus-schließlich von Altlasten freien Schnittstellen. Mit dem Intel Atom, der typisch mit 5 W Leistungsaufnahme läuft, bietet das Qseven-Modul gute Voraussetzungen für Low-Power-Anwendungen, die nach Performance auf Notebook-Niveau verlangen. Das RAM wird für Embedded-Anwendungen fest auf die Leiterplatte gelötet, und optional ist auch ein Solid-State-Drive (SSD) mit 4 GByte oder 8 GByte vorhanden. Neben Windows, Windows CE und Linux kommen auch andere Embedded-Betriebssysteme in Frage.
Bei der Connect-Tech-Trägerkarte der ersten Generation waren sämtliche Ein- und Ausgangs-Steckverbinder für jede Funktion des Congatec-Qseven-Moduls verfügbar. Die hieraus resultierende Notwendigkeit, die PC/104-Karte mit dem kompletten Steckver-bindersatz auszustatten, trieb allerdings die Kosten in die Höhe. Connect Tech plant deshalb jetzt einige Varianten mit abgespeck-ten I/O-Fähigkeiten. Dies ist eine interessante Option möglicher-weise für Systementwickler, bei denen zwar der erste Prototyp alle I/O-Varianten benötigt, während das Produktionssystem beispiels-weise mit Ethernet und einer seriellen Schnittstelle auskommt. COM-Produkte kommen fast immer in kundenspezifischen De-signs zum Einsatz. Ein Systemdesigner, der ein Produktionsvolu-men von einigen tausend Stück anpeilt, wird deshalb in der Regel eine passgenau auf die Systemanforderungen zugeschnittene Trä-gerplatine verlangen und dabei die Kosten genau im Blick behal-ten. Weniger Steckverbinder bedeuten niedrigere Kosten.
Connect Tech verfügt bereits über ein fertiges Trägerplatinen-Design, von dem sich kundenspezifische Varianten ableiten lassen, was eine deutlich kostengünstigere Option sein kann als ein voll-ständig kundenspezifisches Design.
Mit der Einführung des Qseven-Moduls Conga-QA6, ausgestat-tet mit der aktuellen Atom E6xx-Prozessortechnologie mit im Ver-gleich zum Vorgänger 50 Prozent höherer Grafikleistung und ei-nem industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C, haben die Hersteller von Embedded-Systemen jetzt die Möglichkeit, in PC/104-Gehäusen auf die neueste stromsparende, industrielle PC-Architektur zurückzugreifen.
Vorteile der AtomkraftDer wichtigste Fortschritt der Prozessoren der Atom-E6xx-Serie besteht darin, dass Grafik, High-Definition-Audio, Speicher-Cont-
roller, SM-Bus-Interface und das PCI-Express-Interface in den Prozessor integriert sind. Da der RAM-Zugriff direkt aus dem Pro-zessor heraus erfolgt, erhöht sich die Verarbeitungsleistung ent-scheidend – auch bei Ultra-Low-Power-Prozessoren. Eine weitere wichtige Verbesserung in der I/O-Hub-Architektur des Prozessors ist der massive Bandbreitenzuwachs zwischen Prozessor und G20-Hub infolge der PCI-Express-Schnittstelle.
Qseven auf PC/104 aufgepfropftBei Verwendung des PC/104-Trägersystems von Connect Tech stellt das Conga-QA6 mit Atom-E6xx-Prozessor eine komplette, stromsparende, leistungsstarke und höchst kompakte PC-Platt-form im PC/104-Format zur Verfügung. Wichtig für PC/104-Ap-plikationen ist ferner die Ausstattung mit bis zu 2 GByte eingelöte-tem RAM-Speicher. Weitere Features sind ein optionales eingelö-tetes Solid-State-Drive mit bis zu 32 GByte, Gigabit-Ethernet und ein CAN-Bus am Intel G20-Hub. Letzterer bringt eine echte Kosten ersparnis, wenn das System nur eine einzige CAN-Bus-Schnittstelle benötigt.
Hersteller von PC/104 werden außerdem vom individuell an-passbaren Congatec-BIOS profitieren. Es bietet volle Unterstüt-zung für das neueste AMI Optio UEFI BIOS, voll programmierba-ren Multi Stage Watchdog-Support sowie optionale Unterstützung für das Batteriemanagement.
Anbieter von PC/104-Systemen, die auf die COM-Technologie setzen, können dadurch nicht nur eine Palette umfassend skalier-barer Produkte anbieten, sondern auch von erheblich kürzeren Markteinführungszeiten profitieren. Sie haben außerdem die Chance, deutlich früher als die Konkurrenz, jeweils aktuelle Intel-Technologie anbieten können, bei größeren Projekten niedrigere Kosten verzeichnen und höhere Gewinnspannen erzielen. Nicht zuletzt dürfte sich die Wartung der Systeme im Feld wesentlich un-komplizierter gestalten. (uns) n
Qseven-Evalboard: Anbieter, die auf COM-Technologie setzen, können nicht nur eine Palette umfassend skalierbarer Produkte anbieten, sondern auch von erheblich kürzeren Markteinführungszeiten profitieren.
Blockdiagramm Qseven-Board: Das 70 x 70 mm große Qseven-Modul besitzt einen MXM-Systemsteckverbinder mit einer unabhängig vom Anbieter standardisierten Anschlussbelegung.
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Sieben Wege.
Nach Asien.
Erfolgreich in den boomenden asiatischen Markt einsteigen: Das ist das Ziel vieler europäischer Maschinenbauer. Mitsubishi Electric unterstützt Sie dabei mehrfach: Mit fundiertem Wissen zu den Sitten und Gebräuchen in der asiatischen Geschäftswelt. Mit unserem guten Ruf, den wir als Markt-führer in der asiatischen Automatisierungstechnik genießen. Mit ausgereiften Strategien, die Ihnen viele Türen öffnen. Und natürlich mit unserer innova-tiven Produktpalette, die Ihnen effi ziente Roboter, Inverter, Kompakt-SPS, Servos, HMIs, Switchgears und die revolutionäre iQ Platform bietet. Kurz gesagt: Wegweisende Technologie, die Sie auf die Zielgerade bringt.
Mit Einführung der Intel Atom-Prozessoren haben x86-basierte Embedded-Systeme immer mehr Bereiche er-obert, auch solche, die vormals dedizierten Systemen vorbehaltenen waren. Die Atom-E6x5-Serie, die erst-
mals einen x86er-Prozessor mit einem Altera Field Programmable Gate Array (FPGA) auf einem Multi-Chip-Modul kombiniert, wird diese Entwicklung weiter vorantreiben: Mit dem FPGA kön-nen Entwickler die Schnittstellen und Funktionen frei nach ihren
Bedürfnissen programmieren. Mit einem PCIe/104-Embedded-SBC (Single-Board-Computer) macht Kontron diese Technologie nun als Standardprodukt verfügbar. Das Kontron MSMST eignet sich zudem auch als Evaluierungsplattform für kundenspezifische Designs, die auch auf Basis des neuen COM-Express-FPGA-Star-terkits mit flexibler x86-Bestückung entwickelt werden können.
In der Vergangenheit war lange Zeit die Performance das wich-tigste Kriterium für die Entwicklung neuer x86-Prozessortechno-
Co-PilotPCIe/104-Board: Atom-C mit eingebautem FPGA
Der 386-Prozessor mit 387-Co-Prozessor ist dem einen oder anderen gerade im Embedded-Bereich sicher noch in guter Erinnerung. Das Prinzip führt Intel nun beim Atom-Prozessor in gewisser Weise wieder ein: Der Atom E6x5C mit zusätzlichem Altera-FPGA. Dieser kann neben I/O-Funktionen auch Aufgaben wie Motion-Control oder Bilddatenvorverarbeitung übernehmen, die bisher speziellen Controller-Bausteinen vorbehalten waren. Autor: Andres Kammermann
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logie. Zuletzt waren es jedoch der zunehmende Integrationsgrad und die Energiee� zienz, die für Aufmerksamkeit sorgten. So bietet beispielsweise der sehr kleine, in 45-Nanometer-Technologie gefertigte Intel Atom-Prozessor mit einer TDP von nur wenig mehr als 2 W bei 1,6 GHz Performance, ein bisher nicht da gewese-nes Performance-pro-Watt-Verhältnis. Der geringere Stromverbrauch macht sich auch in der Abwärme bemerkbar, so dass komplett lü� erlose Designs in vollständig geschlossenen Gehäusen mög-lich sind. Das führt auch dazu, dass sich die � exible x86-Technologie immer tiefer in Embed-ded-Applikationen einbetten lässt.
Designhürde: Proprietäre und Legacy-SchnittstellenZudem wandern immer mehr Interfaces weg von dedizierten Controllern hinein in die Chipsätze. Mittlerweile integrieren Chip-sätze nahezu alle in der PC-Technologie relevanten Interfaces. Das führt auf der anderen Seite allerdings auch zu einem gewissen Overhead. Denn je tiefer ein Embedded-PC eingebettet werden soll, desto dedizierter und spezi� scher werden die benötigten In-terfaces, so dass viele der verfügbaren Standard-PC-Schnittstellen an dieser Stelle gar nicht benötigt werden. Wenn es also darum geht, ein dediziertes Angebot von möglicherweise proprietären Schnittstellen auszuführen, stößt selbst das breite Schnittstellenan-gebot der x86-Technologie an seine Grenzen. Nicht nur, weil kein Anbieter beispielsweise all die verschiedenen Feldbus-Implemen-tierungen für alle derzeit am Markt konkurrierenden Protokolle in einem Produkt anbieten kann. Sondern auch, weil neuere Prozes-soren ältere Schnittstellen wie den ISA-Bus nicht länger unterstüt-zen. Tatsache aber ist, dass selbst heutige Applikationen noch im-mer den alten aber bewährten ISA-Bus nutzen.
Die kostene� zienteste Lösung bestand bislang darin, mit PCI-auf-ISA-Implementierungen zu arbeiten, anstatt die ISA-basierten I/O-Karten auf PCI oder PCI-Express zu portieren. Das ist nicht nur aufwändig, sondern machte auch platzraubende Zusatzbau-gruppen notwendig. Zudem ist absehbar, dass eines Tages auch
Der aktuelle PCIe/104-Single-Board-Computer (SBC) namens MSMST: Integriert einen Prozessor der Intel Atom-E600-Serie mit einem Altera FPGA auf einem einzigen Multi-Chip-Modul. Er ist für den Einsatz im industriellen Temperaturbereich geeignet.
Mit Co-PilotWie jeder Rallye-Fahrer mit Co-Pilot dank Informationsvorsprung ein-fach schneller über die Runden kommt, verschafft auch der einge-baute Altera-FPGA dem Atom-Prozessor das entscheidende Quänt-chen prozessbeschleunigende Informationsvorverarbeitung: Ob Moti-on-Control oder Vorverarbeitung von Bilddaten kann der Baustein einiges im Verarbeitungsprozess beschleunigen. Auch Programmbe-standteile, die veränderlich sein müssen oder abgekoppelt vom Pro-zessor schnell ablaufen sollen, können hier abgearbeitet werden.
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Spüre den Embedded Rhythmuscongatec bestimmt den Rhythmus für die Entwicklung innovativer embedded Formfaktoren. Der Qseven Standard ist die Lösung für mobile und besonders stromsparende Anwendungen.
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www.congatec.infoHigh-Speed-Mezzanine-Cards (HSMC) führen die vom FPGA definierten Schnittstellen aus.
PCI von Standardchipsätzen nicht mehr unterstützt werden wird. Diese Entwicklung zeichnet sich bereits ab und ist teilweise sogar schon eingetreten, schaut man sich die neuesten Prozessoren an, die nur noch PCIe-Lanes zum Chipsatz ausführen.
Mehr Schnittstellenflexibilität durch FPGAEinen Ausweg, um dedizierte, proprietäre oder ältere Legacy-Schnittstellen effizient und ohne unnötigen Overhead bereit zu stellen, bieten mittlerweile flexible Schnittstellenumsetzungen auf Basis von FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Diese pro-grammierbaren Schaltkreise bieten nämlich den Vorteil, dass sie in ihrer Funktion immer wieder neu definiert werden können. Dies gelingt über so genannte IP-Cores, die dem FPGA seine individu-elle Funktionalität verleihen. So kann der FPGA beispielsweise die Funktionalitäten von seriellen Schnittstellen, Industrial-Ethernet-Controllern, nutzerdefinierten I/O oder gleich die komplette Chip-satz-Funktionalität übernehmen. Ein so definierter Chipsatz kann dann, neben einem dedizierten Angebot von Standard-PC-Schnitt-stellen, auch die benötigten proprietären Interfaces umsetzen. Und das ist genau das, was die Atom-E6x5C-Prozessorserie auszeichnet und sie zu einem interessanten Ansatz der x86-Technologie macht:
Die Intel Atom-E6x5C-Prozes-soren vereinen die Vorteile der Atom-E600-Prozessorserie mit einem Field Programmable Gate Array (FPGA) von Altera.
Anstatt eines fest definierten Chipsatzes kombiniert sie den Atom-E6x5-Prozessor mit einem flexibel programmierbaren Altera- FPGA auf einem einzigen kompakten Multichip-Modul. Möglich ist dies dadurch, dass bei der Atom-E6x5-Serie der Chipsatz erst-mals über PCI-Express statt über den Intel-spezifischen Front-Si-de-Bus angebunden wird. Über PCI-Express kann so statt eines dedizierten Chipsatzes nun erstmals ein FPGA direkt an den Pro-zessor angebunden werden, was ein Maximum an Flexibilität und damit auch langfristige Designsicherheit erlaubt.
Doppelter Nutzen mit Multi-Chip-ModulDurch die Symbiose der beiden Technologien profitieren Entwick-ler gleich doppelt: Einerseits, weil sie den flexibel programmierba-ren FPGA direkt vorintegriert mit dem Prozessor erhalten. Damit entfällt der Aufwand, der bei der Integration eines separaten FPGA, beispielsweise über eine Zusatzbaugruppe anfallen würde. Jetzt ge-nügen deutlich einfachere Tochterkarten, die lediglich noch die gewünschten physikalischen Schnittstellen ausführen. Das redu-ziert nicht nur Kosten bei der I/O-Kartenentwicklung, die redu-zierte Stückliste und der höhere Integrationsgrad ermöglichen auch kompaktere Bauformen.
Zum anderen profitieren Applikationsentwickler dadurch, dass der FPGA die komplette Chipsatzfunktionalität übernehmen kann. Entwickler sind damit nicht länger von den Chipsatzfunktionalitä-ten abhängig, die der Prozessorhersteller für seine Chipsätze defi-niert hat, sondern sind komplett frei in der Entscheidung, welche Funktionalitäten und Schnittstellen ausgeführt werden sollen. Sie erhalten also deutlich mehr Freiheitsgrade beim Applikationszu-schnitt. So kann der FPGA neben I/O-Funktionen auch zusätzli-che Aufgaben übernehmen, die bisher speziellen Controller-Bau-steinen vorbehalten waren, beispielsweise für Motion-Control oder die Vorverarbeitung von Echtzeitvideodaten.
Zuverlässiger SchutzAußerdem lässt sich firmenspezifisches Know-how im FPGA zu-verlässiger schützen, als bei normaler Software, da ein Re-Enginee-ring des FPGA-Codes, der in HDL (Hardware Description Lan-guage) kodiert ist, nicht einfach kopiert und weiterverarbeitet wer-den kann. Angesichts dieser Vorteile mögen OEM sich jetzt fragen,
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wie sie auf dieser Grundlage effizient zu einer einsatzfertigen FPGA-basierten Lösung gelangen. Es gab nämlich bislang keine Standardplattform, die FPGA und x86er als einheitliches Stan-dardprodukt oder Evaluierungsplattform angeboten hat. Es war insofern immer ein kundenspezifisches Design nötig, was sich mit der Verfügbarkeit der E6x5C-Serie ändert. Denn diese ist bereits auf einem kompakten und standardbasierten PCIe/104-SBC-Mo-dul vorintegriert verfügbar.
Der MSMST PCIe/104-SBC ist laut Kontron die derzeit weltweit einzige verfügbare Lösung, die das hochintegrierte Multichip-Mo-dul bereits implementiert hat. Durch die Symbiose dieser beiden Technologien auf einem einzelnen kompakten Single-Board-Com-puter profitieren Applikationsentwickler von einem vereinfachten Applikationsdesign und reduziertem Entwicklungsaufwand. Als langzeitverfügbare Standardkomponente erfüllt eine solche Platt-form zudem alle Anforderungen hinsichtlich reduziertem Ent-wicklungsaufwand, minimiertem Designrisiko und Total-Cost-of-Ownership (TCO).
Evaluierungsplattform für neue Board-DesignsParallel dazu bietet sich auch der Einstieg über das COM-Express-FPGA-Starterkit mit Altera Cyclone-IV-GX-FPGA an, welches Entwicklern einen sofortigen Start in die Entwicklung dedizierter, FPGA-basierter Applikationen ermöglicht. Das Starterkit beinhal-tet alle Komponenten, die zur Evaluierung neuer Board-Designs mit frei definierbaren I/O benötigt werden. Die Komponenten des Starterkits und das ausgewählte Computer-on-Module sowie indi-viduelle Highspeed-Mezzanine-Cards (HSMC) mit zusätzlichen physikalischen Schnittstellen sind in wenigen Minuten zusam-mengesetzt. Softwareentwickler können unmittelbar mit der ei-gentlichen Programmierung der Plattform beginnen.
I/O-Zuschnitt inklusiveFür den kundenspezifischen I/O-Zuschnitt bieten beide Lösungen HSMC-Steckplätze, die die gewünschten Schnittstellen des FPGA physikalisch ausführen. Werden kompatible HSMC beispielsweise direkt von Altera bezogen, gehören die passenden IP-Cores meist schon zum Lieferumfang. Die Applikationsevaluierung kann folg-lich nach nur wenigen Handgriffen und Installationsroutinen
schnell starten. Nach erfolgreicher Evaluierung übernimmt Kon-tron dann bei Bedarf auch die serienreife Entwicklung und Ferti-gung der kundenspezifischen Plattform. Bereits validierte IP-Cores sind beispielsweise für applikationsspezifische I/O wie CAN-Bus, serielle Schnittstellen (SPI-Master, UART) sowie PCI-Express, I2C und GPIO verfügbar.
Weitere IP-Cores befinden sich in der Entwicklung oder Validie-rung. Dadurch lässt sich die Plattform schnell und einfach und zunehmend flexibel konfigurieren. OEM benötigen nur noch den erforderlichen IP-Core und die entsprechenden Highspeed-Mez-zanine-Cards, um die Schnittstellen auszuführen. Für noch mehr I/O gibt es FPGA-Programmierung als Softwaredienstleistung. Diese Flexibilität, gepaart mit dem neuen x86/FPGA-Ökosystem und seinen IP-Cores und HSMC, machen die Kontron FPGA-Plattformen zu einer attraktiven Lösung für zahlreiche Embedded-Plattformen.
Outsourcing der HardwareentwicklungOEM mit eigener Hardwareentwicklung stehen deshalb jetzt vor der Frage, ob es sich mit der Verfügbarkeit von vorintegrierten COTS-Komponenten (Commercial-off-the-shelf) und -Lösungen überhaupt noch lohnt, den Aufwand für die Entwicklung und Fer-tigung der Hardwareplattformen selbst zu übernehmen. Denn al-ternativ könnten sie das Design auch an entsprechende Partner outsourcen, um sich so komplett auf die Applikationsentwicklung mit der spezifischen IP für die FPGA sowie der Softwareentwick-lung für die Kundenapplikationen zu konzentrieren. Was in der Folge zu einem höheren Innovationspotenzial, kürzeren Entwick-lungszyklen und gesteigerter Qualität führen kann.
Langfristig ist jedenfalls davon auszugehen, dass das Ökosystem um FPGA umso deutlicher in Richtung von applikationsfertigen Lösungen tendieren wird, je häufiger x86 und FPGA im Tandem miteinander vertrieben werden. Insofern sollte sich jeder OEM da-mit auseinandersetzen, ob eine solche integrierte Lösung nicht auch für sein Unternehmen von Interesse ist. (uns) n
Der Autor: Andres Kammermann ist Sales Director bei Kontron in Eching bei München.
Durch die Auswahl eines Embedded-Systems-Moduls entsteht eine Liefer-anten abhängigkeit, die im Laufe der Jahre recht kostspielig werden kann. Eine entsprechende Langzeitverfügbarkeitsgarantie kann die Risiken mindern: Derartige Garantien sind allerdings nur erfüllbar, wenn die Anbieterseite einige Punkte beachtet. Autor: Klaus-Dieter Walter
Um für Embedded-Systems-Module, die über spezielle Steckverbinder in eine Kunden-schaltung integriert werden, eine erfüllbare Verfügbarkeitsgarantie zu scha� en, müs-sen bei der Produktspezi� kation und der anschließenden Entwicklung zahlreiche Details sehr genau beachtet werden. Im Idealfall sind dann Produktlebenszyklen von
zehn Jahren und mehr möglich, obwohl einzelne integrierte Schaltkreise meist gerade einmal maximal drei bis fünf Jahre zu bekommen sind. Um es gleich vorweg zu sagen: ohne mehrfa-che Entwicklungszyklen (Redesigns) ist es nicht möglich, beispielsweise ein 32-Bit-Embed-ded-Systems-Modul mit einer derartigen Garantie auszustatten. Das Bevorraten der entspre-chenden Bauelemente kommt hier nicht in Frage. Zum einen lässt sich der Bedarf über einen so langen Zeitraum nicht planen, zum anderen können SMD-Schaltkreise nach wenigen Jah-ren schon nicht mehr sicher verarbeitet werden.
Systeme
Bild 1: Zwei gegeneinander austausch-bare 32-Bit-Embedded-Module mit identischem Pinout und gleichem Betriebssystem. Links ein x86-Modul mit einer Embedded-PC-Architektur, rechts ein ARM-basiertes System mit einem Cortex-A8-SoC.
Langzeitverfügbarkeit planmäßig angehenUm langzeitverfügbare Embedded-Systeme am Markt anbieten zu können, muss der Grundentwurf des Moduls von Hard- und Soft-wareseite her planmäßig auf diese Option hindesignt werden. Wo die Belieferbarkeit bestimmter Bausteine nicht über die komplette Le-bensdauer gewährleistet ist, muss eine Redesign bzw. Ersatzstrategie die Funktionalität sicherstellen. Am besten funktioniert das mit einem Komplettpaket inklusive vorinstalliertem Betriebssystem.
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Auf einen Blick
EntwicklungskriterienBei der Entwicklung der Esom-200-Familie von SSV wurde von Anfang an auf eine Zehn-Jahres-Verfügbarkeitsgarantie geachtet. Innerhalb dieses Zeitraums ist – neben der Produktverfügbarkeit – für den Kunden sicher, dass sie ohne Änderungen an Träger-board und der selbst entwickelten So� ware die Embedded-Sys-tems-Module einsetzen können. Um die Verfügbarkeit über diesen Zeitraum zu garantieren, sind das Pinout, die Blockschaltung, die So� wareschnittstellen sowie die elektrischen und thermischen Eckdaten von besonderer Bedeutung.
Das Pinout eines Embedded-Systems-Moduls darf sich während seines Produktlebenszyklus’ nicht im Geringsten ändern. Ebenso muss das Zeitverhalten der Signale, die jeweilige I/O-Spannung (siehe auch elektrische Eckdaten) und die elektrische Charakteris-tik (etwa 0/1-Schaltschwellen, Treiberleistung von Ausgangsstufen, Ein- und Ausgangsströme) konstant bleiben. Diese Details erschei-nen auf den ersten Blick recht nebensächlich, können bei der Langzeitverfügbarkeit aber zu erheblichen Problemen führen: Schon die geänderte Schaltschwelle im Schmitt-Trigger-Eingang eines Schaltkreises zur Überwachung der Versorgungsspannung kann bei Einsatz eines vermeintlich kompatiblen Nachfolge-IC in der Praxis zu Problemen führen. Ein weiterer Punkt sind die Funk-tionen einzelner Pins oder Pingruppen, die an spezielle Chips ge-koppelt sind. So kann zum Beispiel eine PCI-Busschnittstelle nach einigen Jahren zum Problem werden, wenn der Schaltkreis, mit dessen Hilfe diese Pingruppe realisiert wurde, vom Markt ver-schwindet. Fazit hier: Beim Pinout sind durch die Produktlebens-dauer von zehn und mehr Jahren zumindest hinsichtlich Zeitver-halten und elektrischer Charakteristik in der Regel Kompromisse unvermeidlich. Die meisten dadurch verursachten Probleme las-sen sich aber durch einen guten Herstellersupport lösen.
BlockschaltungDie Blockschaltung mit CPU/MCU/SoC, Speicher, I/O und ande-ren Komponenten ist auf den ersten Blick unkritisch. Sie lässt sich ohne nennenswerten Aufwand über einen sehr langen Zeitraum ohne Änderungen aufrechterhalten. Schließlich beschreibt ein derartiges Diagramm keine Realisierungsdetails, sondern nur die Funktionseinheiten und Steckverbinder. Bild 2 zeigt als Beispiel im linken Teil das Blockdiagramm eines x86-basierten Esom-200-Moduls und rechts die Schaltung eines ARM Cortex-A8-basierten Moduls. Bis auf den Steckverbinder wurde bei der Schaltungsent-wicklung mit Hilfe entsprechender Werkzeuge sichergestellt, dass jede einzelne Funktionseinheit (LAN, SoC, Flash, DRAM) ausge-tauscht werden kann, ohne dass sich dadurch Auswirkungen auf die Hardware- und So� ware des Anwenders ergeben.
Bei den Softwareschnittstellen ist zu unter-scheiden, ob der 32-Bit-SBC mit oder ohne Be-triebssystem an die Anwender geliefert wird. Oh-ne ein vorinstalliertes Embedded-Betriebssystem werden die Softwareschnittstellen durch die Spei-cher- und I/O-Adressen des SBC (Memory Map, I/O-Map) spezifiziert. Da ein solcher Adressraum über die verwendeten Chips bestimmt wird, kann bei der Lieferung ohne vorinstalliertes Betriebs-system auch keine Garantie für einen Zeitraum abgegeben werden, der länger als die typische Verfügbarkeit der eingesetzten Chips ist (vor al-lem CPU, MCU, SoC, Flash, I/O-Bausteine).
Ändert sich nur ein einziger I/O-Chip, ergibt sich sonst bereits ein abweichender I/O-Map und der Anwender müsste die eigene Software ent-sprechend anpassen. Bei den Esom-200-Modulen wurde daher von Anfang an ein Open-Source-Betriebssystem als vorinstallierte Software ge-wählt. Es dient als Softwareschnittstelle zu den vom Anwender entwickelten Anwendungen. Das Betriebssystem ist wiederum über spezielle Trei-berprogramme mit den einzelnen Hardwarekom-ponenten verbunden (Bild 3). Ein Betriebssystem selbst ist natürlich auch wieder eine Komponen-te, die hinsichtlich der Produktlebensdauer nicht unproblematisch ist. Es muss unbedingt im Quellcode vorliegen. Weiterhin müssen die Li-zenzbedingungen beliebige Änderungen zulas-sen. Ansonsten ist es für eine Hardware mit Langzeitverfügbarkeitsgarantie ungeeignet.
Weitere wichtige Parameter sind Versorgungs-spannung, Verlustleistung und die Umgebungs-temperatur. Spannungen, Ströme und thermische Parameter lassen sich mit entsprechender Erfah-
rung recht sicher für einen Zehn-Jahres-Zeitraum prognostizieren. Das immer noch gültige Moore-sche Gesetz kann dabei helfen. Bei der Auswahl der I/O-Signalspannung sollte möglichst die Kompatibilität zur nächst höheren I/O-Spannung gewährleistet sein.
Wichtig: Die FeinabstimmungVerfügbarkeitsgarantien für Zeiträume von zehn Jahren sind in der Praxis nur möglich, wenn Hardware und Software aus einer Hand kommen und genau aufeinander abgestimmt werden. Bei voneinander unabhängigen Hard- und Software-partnern wird die jeweilige Roadmap bereits in-nerhalb weniger Jahre nicht mehr konvergieren.
Weiterhin muss das Embedded-Modul mit ei-nem vorinstallierten Betriebssystem geliefert werden. Als Eckpunkte für die Garantien sind – neben der Architektur, dem Formfaktor und dem Pinout – die Softwareschnittstellen des Betriebs-systems entscheidend. Hier kommt eigentlich nur ein Open-Source-Betriebssystem wie Linux in Frage. Da die Quellcodes vorliegen, kann auch ein zehn Jahre alter Linux-Kernel auf eine neu entwickelte Hardware portiert werden. Für den Anwender ergibt sich dann eine hundertprozen-tige Softwarekompatiblität. Er kann die gleichen binären Dateien (Linux Executables) auf Vorgän-ger und Nachfolger ausführen. Softwarewar-tungsaufgaben erfolgen mit den absolut gleichen Werkzeugen wie zu Beginn. (uns) n
Der Autor: Klaus-Dieter Walter ist Business Development Manager und Mitglied der Geschäftsleitung bei SSV Software Systems in Hannover.
Bild 2: Aus den Blockschaltungen beider Module ist ersichtlich, dass die Signale am 200-Pin-Steckverbinder – der als Schnittstelle zur Kundenschaltung dient – praktisch identisch sind.
Bild 3 (oben): Betriebssystem und Treiber isolieren die Kundenanwendung von der Modul-Hardware.Bild 4 (links): Langfristige Verfügbarkeit sicher dank Konzept: Die Esom-200-Familie.
Für TragbaresPreiswerte und einfache Ansteuerung von Displays
Fujitsu stellt zwei Mini-ITX-Mainboards für den industriellen Einsatz vor. Die beiden Modelle D3003-S1 und D3003-S2 sind mit einem AMD A55E Controller-Hub bestückt und für anspruchsvolle Anwendungen im erhöhten Temperaturbereich konzipiert. Ab Ende April gehen die Industrie-Mainboards am Standort Augsburg in Serie. Das 3003-S1 unterstützt den stromsparenden AMD- Prozessor FT1 (eOntario) Singlecore T44R (9 W), das Modell 3003-S2 den AMD FT1 Dual core T56N (18 W). Ein leistungsfähiger
Das COM-Modul Pico-COM4 von F&S Elektronik eignet sich besonders für Appli-kationen in tragbaren Geräten sowie als Anzeige- und Kommunikationsmodul für Applikationen in Industrie und Medizin-
ATI-Grafikcontroller ist integriert, er unter-stützt VGA, DVI, HDMI und 24-Bit-Dual-Channel-LVDS. Ein zusätzlicher LVDS-Controller unterstützt ebenfalls 24-Bit-Du-al-Channel-LVDS. Im Gegensatz zu 18-Bit-Single-Channel-LVDS können damit auch Displays jenseits zwölf Zoll mit hoher Auf-lösung und HD-Qualität betrieben werden. Spezifikationen: zwei GbE, Serial-ATAIII-RAID, Mini-SATA-Socket für Flashspeicher, USB 2.0, 8-Bit-GPIO, zwei serielle RS232, HD-Audio. Die Mini-SATA-Lösung hat bei der Datenübertragungsrate Vorteile gegen-über CF-Karten. Die liegende Montage auf dem Mainboard mit Standoffs erlaubt den Einbau des Mainboards in Gehäuse mit nur einer Höheneinheit. Die Boards besitzen ei-nen Watchdog, der das Betriebssystem und
technik. Die Erstellung der grafischen Be-dienoberfläche erfolgt komfortabel und schnell unter VS.NET oder Linux. Schnitt-stellen wie USB (Memory Stick/Activ-Sync), Ethernet (FTP/HTTP/Telnet-Ser-ver), Audio (VoIP/WAV/MP3) und Can stehen zur Verfügung. Die Pico-COM4 (40 x 50 mm) verwendet eine Atmel-CPU mit ARM9-Kern und arbeitet mit 400 MHz, bietet 64 MByte Flash und 64 MByte RAM sowie Signale für zweimal seriell, USB-Host, USB-Device, I2C, SPI, I/O, Audio, Can, Ethernet und SD/MMC-Card. Zudem verfügt die Pico-COM4 über eine flexible Displayschnittstelle und einen Touchcont-roller. Es können alle gängigen TFT-Dis-plays von 320 x 240 (QVGA) bis 800 x 480 (WVGA) angesteuert werden.
den Boot-Vorgang überwacht und bei Störungen einen Neustart oder Shut-down durchführt. Der System-Ma-nagement-Control-ler überwacht und regelt unabhängig vom Betriebssystem die CPU-Temperaturen und Lüfter. Für die Vi-sualisierung dieser Werte sorgt das Tool Sys-tem Guard. Zusätzliche Tools, wie das LVDS-Setting, die Silent-Fan-Config und der CDV-Adapt (Flashen von Bios-Parame-tern ohne manuelle Einstellung) bieten Komfort beim Design-In und der Produkti-on. Das Mainboard hat einen Extended Lifecycle von bis zu fünf Jahren und ist für 0 bis 60 °C ausgelegt. Das qualifiziert es für 24/7-Einsatz in Industrieapplikationen. Für das 3003-S bietet Fujitsu außerdem einen kompletten Materialsatz mit Mainboard, Mini-ITX-IPC-Gehäuse, Risercard (PCI oder PCIe), Kühltechnik sowie WLAN. Die CE-Zertifizierung mit Klimatests spart Ent-wicklungskosten und -zeit. (uns) n
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Versorgt wird die Pico-COM4 mit 3,3 V. Über einen robusten 80-Pol-Steckverbin-der wird das Modul auf ein kundenspezifi-sches Basisboard aufgesteckt. Windows CE 6.0R3 oder Linux ist vorhanden und die Treiber für die angebotenen Schnittstellen sind verfügbar. Für den schnellen und ein-fachen Start der Entwicklung steht ein Starterkit (Pico-COM4, Basisboard, Kabel, TFT-Display mit Touch, Dokumentation und Software) zur Verfügung. Die Pro-grammierung erfolgt bei Windows Em-bedded 6.0 mittels VS.NET (C++, C#, Ba-sic), unter Linux mit Buildroot. (uns) n
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Peter Hoser, Director OEM Sales bei Fujitsu Technology Solutions in Augsburg.
Neuentwickelte Mini-ITX-Boards mit FT1-Single- oder Dualcore-AMD-Prozessoren.
Pico-COM4 kann alle gängigen TFT-Displays von 320x240 (QVGA) bis 800x480 (WVGA) ansteuern.
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Schicke MinisMini-ITX-Mainboards für die Industrie
BeschleunigenSlot-CPU-Karte mit Core-2-Duo-Prozessor
Die aktuelle Industrie-Slot-CPU 96M4296o von DSM Computer entspricht dem bewährten und immer noch sehr weit verbreiteten PICMG-1.0-Standard. Die kompakte CPU-Karte ist mit einem In-tel Core-2-Duo-Prozessor (Penryn) mit 667/800/1066 MHz-Front-side-Bus oder einem Celeron-Prozessor und dem Intel GM45/ICH9M-Chipsatz mit einem Intel Graphics Media Accelerator 4500MHD bestückt. Die Baugruppe kann mit zwei DDR3-SO-DIMM-Speichermodulen ausgerüstet wer-den, die eine maximale Kapazität von 8 GByte aufweisen. Damit ist die Slot-CPU 96M4296o die aktuell leistungsfähigste Mobile-Plattform der DSM Computer in diesem Formfaktor.
Die PICMG 1.0-Steckkarte bietet eine Reihe an Standardschnittstellen, die viel-seitige Anwendungen in unterschiedlichen Märkten erlauben. Das besondere sind vor allem die beiden schnellen Gigabit-LAN-Schnittstellen. Neben zahlreichen seriellen und parallelen Interfaces werden acht USB-2.0-Ports, GPIO, IrDA, HD-Audio und IDE angeboten. Darüber hinaus sind drei mal SATA II mit 300 MBit/s Datentransferrate und zwei mal SATA mit 150 MBit/s, die RAID 0,1 unterstützen, vorhanden. An Grafikschnittstellen sind VGA, 18/24-Bit-Dual-Channel-LVDS und DVI realisiert. Über eine PCI-Express-Mini-karte, den integrierten Compact-Flash-Sockel und einen Mini-PCI-Sockel für Mini-PCI Typ IIIA lässt sich die Baugruppe ohne zusätzlichen Aufwand erweitern. Auf Anfrage sind auch zwei PCI-Express-Minikarten möglich.
Die Slot-CPU 96M4296o in voller Baulänge (338 x 122 mm) ist für den Betriebstemperaturbereich von 0 bis 60 °C spezifiziert. Die Rechnerkarte verfügt über ein ACPI-2.0-konformes Power-Ma-nagement. „DSM Computer beweist mit dieser neuen, leistungsfä-higen Slot-CPU erneut ihre Produktkontinuität und die lange Ver-fügbarkeit ihrer Baugruppen und Systeme“, betont Christian Lang, Leiter Marketing bei DSM in München. (uns) n
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Christian Lang, Leiter Marketing bei DSM Computer in München.
Die kompakte CPU-Karte 96M4296o ist mit einem Penryn-Prozessor mit 667/800/1066 MHz Frontside-Bus oder wahlweise einem Celeron-Prozessor und dem Intel GM45/ICH9M-Chipsatz mit Graphics Media Accelerator 4500MHD bestückt.
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European Conference & Exhibition on Integration Issues of Miniaturized Systems - MEMS, MOEMS, ICs and Electronic Components
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Langzeitverfügbarkeit von min-destens fünf Jahren ab Design-In garantiert Chimei Innolux (CMI) für sein bei Gleichmann Electro-nics erhältliches 12,1-Zoll-TFT-Industriedisplay G121I1-L01. Das
Das DIMM-Board von Emtrion ba-siert auf dem 32-Bit-RISC-Pro-zessor SH7724 von Renesas für Audio- und Videoanwendungen mit Grafikbeschleunigung für anspruch svolle GUI. Im Chip inte-
Das lüfterlose CPU-Board PV-D5252 der Waferserie von ICP, bei dem das CPU-Board in einer Kühl-platte eingebettet ist, gibt es mit Atom D525 Dualcore 1,8 GHz. Es unterstützt maximal 2 GByte
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in Super-MVA-Technologie gefer-tigte WXGA-Display hat eine Auf-lösung von 1280 x 800 Pixel, ein Kontrastverhältnis von 1200:1 und 400 cd Helligkeit sowie einen Blickwinkel von 88° für Portrait- und Landscape-Einsatz. Größe: 278 x 184 x 8 mm3, LVDS-Inter-face und integrierter Treiber für das LED-Backlight (50.000 Stun-den Lebensdauer). Temperatur-bereich: -10 bis +70 °C.
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griert sind Multimedia-Schnitt-stellen, Video-In/Out, zwei 5-Me-gapixel-Kamerainterfaces, Audio-prozessor, 2D-Grafikbeschleuni-gung, LCD-Controller und SD-Card-Controller. Taktfrequenz 500 MHz, L2-Cache und FPU (Floating Point Unit). MPEG-4- / H.264-Be-schleunigung direkt auf der Hard-ware ermöglicht Videoaufzeich-nungen und Decodierung mit bis zu 30 Fps bei 1280 x 720 Pixel.
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DDR3-SDRAM-SO-DIMM und kann zusätzlich mit einer CF- und einer PCIe-Mini-Card bestückt werden. Versorgungsspannung: 12 VDC. Bis zu zwei Displays kön-nen parallel am VGA und am 18-Bit-LVDS-Anschluss betrieben werden. Weitere Anschlüsse: 2 GbE, 8 USB, 6 COM und 2 SATA sowie KB/MS und Audio. Varian-ten: D425 Singlecore 1,8 GHz und N455 Singlecore 1,66 GHz.
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etwa CFAST, PCIe x8 und Mini-Card – ist der Rechner flexibel erweiterbar und über den Display-Port können auch HD-Bildübertra-gungen mit bis 3840 x 2160 Pixel Auflösung realisiert werden. Mit Intels Core i5 oder i7 CPU und bis zu 8 GByte Memory steht auch die entsprechende Rechenleis-tung zur Verfügung. Eingangs-spannung: 10...28 V, Betriebstem-peraturbereich -20 bis +55 °C.
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bis zu 512 Mbyte. Schnittstellen: USB 1.1 Host-Client, Audio, TFT, SD-Card, Kamera, I2C, SPI und 3 x seriell. MT-COM kann auf einer vom Kunden entwickelten Platine als Herzstück eingesetzt werden. Betriebssystem: Windows CE oder Linux. Auch eine kombinierte Lö-sung MT-Base ist verfügbar, die aus einem 5,7-Zoll-TFT-Display mit Touchscreen (640 x 480), Ba-sisplatine und MT-Com besteht.
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BUS-TECHNOLOGIE VON DEUTSCHMANNWEIL DAS RESULTAT STIMMT
Das Angebot an Federkraft-Printklemmen, die für den Einsatz in der Oberflächen-Löttechnik – der so genann-ten Surface Mount Technology (SMT) – geeignet sind, ist klein. In der Praxis fällt die Wahl daher in der Regel auf
die herkömmlichen bedrahteten Printklemmen, die dann durch zusätzliche Arbeitsgänge aufgelötet werden. Kostengünstiger ist es allerdings oftmals, die Printklemmen direkt in den SMT-Prozess zu integrieren.
Vorteile der Oberflächen-Montage betrachtenUnter SMT versteht man das Aufbringen von Bauelementen, die nicht mit Lötstiften ausgestattet sind, sondern direkt über die Löt-pads auf der Leiterplatten-Oberfläche automatisch im Reflow-Ofen verlötet werden. Warum Surface-Mount-Technology? „Seit vielen Jahren wächst die Bedeutung der Technologie in der Elektronikfer-tigung“, betont Lukas Muth aus dem Bereich Produktmarketing Combicon bei Phoenix Contact in Blomberg und ist überzeugt: „SMT bietet im Vergleich zu bedrahteten Bauelementen viele Vor-teile.“ Das sind beispielsweise:
Optimierung der Kosten durch vollautomatisierte Fertigung. ■Hohe Packungsdichten durch beidseitige Bestückbarkeit der ■Leiterplatte.Hohe Qualität der gefertigten Leiterkarten durch präzise Auto- ■matenbestückung auch sehr kleiner Bauteile.Mehr Freiraum in der Leiterplattengestaltung durch den Weg- ■fall der Bohrungen für bedrahtete Bauelemente.
Platz sparenFederkraft-Printklemmen für SMT-Anwendungen nutzen
Die Surface-Mount-Technologie punktet gerade im Embedded-Bereich mit vielen Vorteilen. So lassen sich Platz, Kosten und Arbeitsaufwand sparen. Doch auf welche Verbindungstechnik setzen? Phoenix Contact empfiehlt leicht in den SMT-Prozess integrierbare Printklemmen.
Große Auswahl beim Platinen-Grundmaterial. So werden etwa ■in der Leuchtenindustrie häufig LED auf Metallkernplatinen aufgebracht. In diesen Applikationen sind bedrahtete Bauele-mente umständlich und kostenintensiv zu integrieren.Wegfall des Wellenlötschrittes. ■
Passgenaue SMT-Bauelemente auswählenCharakteristisch für SMT-Bauteile ist eine kleine und kompakte Bauform, die platzsparend und leicht zu verarbeiten ist. Im Laufe der Jahre entwickelten die Bauelemente-Hersteller immer weitere Bauformen, die für SMT-Prozesse geeignet sind. Mittlerweile existiert eine große Auswahl an Oberflächen-montierbaren Kom-ponenten, beispielsweise Halbleiter, CPUs, ICs, Widerstände, In-duktivitäten oder Kondensatoren, die alle automatisiert auf die Leiterplatte aufgelötet werden.
Allerdings ist zurzeit die Auswahl an Federkraft-Printklemmen, die sich für eine Oberflächen-Montage eignen, nicht ganz so groß. „Das liegt vermutlich daran, dass die verfügbaren Printklemmen aufgrund der Baugröße nur schwer in SMT-Prozesse integrierbar sind“, begründet Lukas Muth die gegenwärtige Situation. Denn SMT-fähige Federkraft-Printklemmen müssen hohen Anforde-rungen gerecht werden. So müssen sich die Komponenten zum einen gut in den SMT-Prozessen verarbeiten lassen. Zum anderen muss eine anschließende komfortable Verdrahtung der Baugrup-pen möglich sein. In den heutigen SMT-Prozessen werden die Bauelemente automatisch der Bestückeinheit zugeführt. Nach der
Es werde PlatzAnschlusstechnik und Baugruppe in nur einem SMT-Prozess kosten-günstig zu fertigen, ist ein Kunststück, das bisher nur wenigen Unter-nehmen gelang. Mit der Federkraft-Printklemme PTSM schafft Phoenix Contact jetzt Abhilfe. Neben Kosten kann der Anwender vor allem Platz und Designaufwand sparen.
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Auf einen Blick
Bestückung wird die Platinen-Baugruppe ebenfalls automatisch im so genannten Re� ow-Ofen verlötet und anschließend inspi-ziert. Von diesen Prozessen leiten sich bestimmte Anforderungen an ein Bauelement ab.
Baulänge und -höhe anpassenFür die automatische Zuführung von Bauelementen hat sich als gängige Lieferform die Gurtverpackung – Tape-on-Reel – etab-liert. Diese Gurte werden auf Rollen gewickelt angeliefert. Die üb-lichen Standardbreiten der Gurte liegen bei 24, 32, 44, 56 und 72 Millimeter. Die so verpackten Artikel lassen sich dann in den Fee-der des Automaten einsetzen. Der zur Verfügung stehende Platz – die Rollenbreite – des Feeder-Tisches ist immer knapp bemessen. Standardbaubreiten zwischen 24 und 56 Millimeter kommen da-her bevorzugt zum Einsatz.
Demzufolge handelt es sich bei der Gurtbreite um eine bestim-mende Größe für die Baulänge der Printklemmen. Die Bauele-mente sollten also in einer möglichst kleinen Standard-Gurtbreite verpackt werden. Die Printklemmen lassen sich dann mit den üb-rigen Bauelementen in einen Standard-Feeder einsetzen. Gängige Bestückungsroutinen, wie chaotisches Bestücken, können ohne Einschränkungen weiter zum Einsatz kommen.
Je nach Bestückungsautomat steht für Pick-and-Place-Anwen-dungen eine freie Bestückungshöhe von etwa 25 Millimeter zur Verfügung. Bei Bestückautomaten mit Revolverköpfen fällt die freie Bestückhöhe meist niedriger aus. Die Bauhöhe der Print-
klemme sollte dann so gering wie möglich sein, damit sie auf mög-lichst vielen Bestückmaschinen einsetzbar ist. Aufwändige zusätz-liche Programmierungen, die bestimmte Reihsequenzen festlegen, entfallen somit. Damit die Printklemme vom Bestückungskopf des Automaten aus dem Gurt entnommen werden kann, muss die Printklemme eine glatte und ausreichend große Ansaug� äche ha-ben. So lässt sich das Bauelement mit Hilfe einer Standard-Vaku-um-Pipette aus dem Gurt abholen. Spezielle und somit kostenin-tensive Greifer oder Spezialpipetten sind dann nicht erforderlich.
Fit für den LötprozessIm Anforderungspro� l an den Kunststo� für SMT-Fertigungs-Prozesse steht die kurzzeitige Hochtemperatur-Beständigkeit an erster Stelle. Heute kommen je nach Anforderung Polyamide (PA
Bild 1: In den Feedern ist der Platz für die Gurtrollen beschränkt.
Bild 2: Steckverbinder mit Push-In-Feder-kraftanschluss – der PTSM-Steckverbinder ermöglicht einen komfortablen Leiteranschluss für starre und fl exible Leiter.
Bild 3: Die kleine Baugröße der Federkraft-Print-klemme PTSM erlaubt eine problemlose Bestückung und Verarbeitung.
Bild 4: Die 4-polige Federkraftklemme PTSM kann eine Last von über 190 Newton in der Richtung der Leitereinführung aufnehmen.
4.6) oder flüssigkristalline polymere Polyamide, flüssigkristallines Polymer (Liquid Crystal Polymer, LCP) oder PCT zum Einsatz. Die Anforderung an die Hochtemperatur-Beständigkeit wurde im Zuge der Umstellung auf bleifreie Prozesse deutlich erhöht. Für die meisten Bauteile liegt die obere Grenztemperatur in der Regel zwi-schen 255 bis 260 Grad Celsius.
Normen beachtenDie Prozessfähigkeit einer Komponente aus einem Hochtempera-tur-Werkstoff muss nach der Norm IPC/JEDECJ-STD-020D qua-lifiziert werden. Im Fokus dieser Norm steht die grundsätzliche Feuchtigkeitsaufnahme in Kunststoffen. Sie kann unter der Tem-peraturbelastung des Lötverfahrens zur Zerstörung in Form von Blasenbildung, zur Delamination oder zur Deformation des Bau-teils führen. Innerhalb dieser Norm werden Schwellwerte für die Feuchtigkeitsempfindlichkeit (Moisture Sensitive Level, MSL) fest-gelegt, die die Art der Verpackung sowie die Verarbeitung in einer Atmosphäre festlegen, die für SMT-Prozesse üblich ist. Ein Bauele-ment, dessen Kunststoff stark Feuchtigkeit aufnimmt (MSL 6), muss daher getrocknet und luftdicht verpackt werden.
Nach Anbruch der Verpackung in der SMT-Fertigung lassen sich dann die betreffenden Bauelemente in einem bestimmten Zeitraum verarbeiten. Die Einhaltung der so genannten Offenzeit, die Kapazitäten bindet, unterliegt in der SMT-Fertigung aufwändi-ger Kontrollen. Einfacher ist es, Bauelemente mit einer unbegrenz-ten Offenzeit (MSL 1) zu verarbeiten. Vorteil: Der Anwender muss den Verpackungsanbruch dann nicht beachten.
Optimale Lötbarkeit realisierenWie bei allen SMD-Bauelementen müssen die Lotkontaktflächen bestimmte Anforderungen erfüllen. Hier steht gute Lötbarkeit auf der Platinen-Oberfläche im Vordergrund. Viele Spezifikationen fordern eine Koplanarität der Lötflächen zwischen 100 und 200 Mikrometer. Das gilt für die Lötflächen von eventuellen Ankerme-tallen ebenso wie für die Kontaktlötbeine, da das Bauelement über diese Flächen mit der Platine verbunden wird.
Printklemmen übertragen elektrische Leistung oder Signale und unterliegen beim Anschließen der Leiter hohen mechanischen Be-lastungen. Schon bei der Konstruktion der Printklemme ist dabei
zu beachten, dass alle mechanischen Kräfte nur über die Lötkon-taktflächen der Metalle aufgenommen werden können. Weitere Anforderungen leiten sich aus der Bedienung der Klemme ab. Um einen Federkraft-Anschluss zu realisieren, gibt es mehrere Varian-ten, beispielsweise die Push-In-Schenkelfedertechnik als moderne Technik. „Diese Kontaktart baut sehr klein und erlaubt einen schnellen Leiteranschluss durch ein direktes Stecken der Leiter“, erklärt Lukas Muth den Vorteil. Lediglich beim Anschluss von feindrähtigen Leitern ohne Aderendhülse sowie zum Lösen der Leiter wird die Klemmstelle mit einem Schraubendreher betätigt.
FazitUnter Berücksichtigung sämtlicher Anforderungen haben die Blomberger eine Printklemme entwickelt, die sich verarbeitungs-technisch nicht von den etablierten SMT-Komponenten unter-scheidet. Damit bietet sich Hardware-Entwicklern jetzt die Mög-lichkeit, Anschlusstechnik und Baugruppe in nur einem SMT-Pro-zess kostengünstig fertigen zu lassen. Auch beim späteren An-schließen der Leiter wird der Anwender keine Unterschiede zu einer bedrahteten Printklemme feststellen. „Mit der Federkraft-Printklemme PTSM spart der Anwender viel Platz beim Leiteran-schluss“, betont Lukas Muth und ergänzt: „Damit ist das Modul auch optimal für Geräte der LED-Beleuchtungstechnik geeignet. Trotz der niedrigen Bauhöhe von nur fünf Millimeter erlaubt der robuste Federkraftanschluss das bequeme Be- und Entschalten von Leitern bis 0,75 Quadratmillimeter.“ (eck) n
Der Beitrag basiert auf Materialvorlagen von Lukas Muth, Produktmarketing Combicon, Phoenix Contact in Blomberg.
Das Angebot an Federkraft- Printklemmen, die sich für den Einsatz in der Oberflächen-Löttechnik eignen, ist klein. Hier ist es kostengünstig, Printklemmen in den SMT-Prozess zu integrieren:
Lukas Muth, Produktmarketing Combicon bei Phoenix Contact in Blomberg.
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Kleines Bauteil für kleines GeldDas Leistungsspektrum von Netzteilen erweiternDie Acherner TDK-Lambda hat ihre Netzteilreihe LS zu höheren Leistungen hin ausgebaut: Nun decken die Universal-netzteile mit Einzelausgang das gesamte Leistungsspektrum zwischen 25 und 200 Watt ab. Das LS200 eignet sich nach Her-stelleraussagen insbesondere für budget-kritische Anwendungen, bietet dabei aber einen größeren Funktionsumfang als ver-gleichbare aktuelle Wettbewerbsprodukte dieser Preisklasse und passt mit Maßen von 98 mal 41 mal 199 Millimeter in 1-HE-Geräte.
Die zirka 700 Gramm (mit Lüfter) be-ziehungsweise 600 Gramm (ohne Lüfter) schwere Stromversorgung verfügt über ei-nen Universaleingang mit 85 bis 264 Volt AC Eingangsspannung bei Frequenzen von 47 bis 63 Hertz und Leistungsfaktor-
korrektur gemäß EN61000-3-2. Power-Factor: 0,98. Sie kann einer Überspannung von 300 Volt AC für 5 Sekunden standhal-ten. Überstromschutz mit Konstantstrom-begrenzung sowie Überspannungs- und Übertemperaturschutz gehören ebenso zur Standardausstattung wie Remote On/Off, eine grüne LED als Ein-Anzeige und Sen-se-Eingänge zur Kompensation von Span-nungsabfällen über den Ausgangsleitun-gen. Die Netzteile sind wahlweise im Ge-häuse mit geräuscharmem Lüfter oder im U-Profil für Konvektionskühlung oder ex-terne Zwangsbelüftung erhältlich und er-reichen durch ihr effizientes Design eine gute thermische Balance und eine Mean-Time-Between-Failures von 300.000 Stun-den. Das sind dem Acherner Stromversor-gungshersteller zufolge 63 Prozent mehr
als Wettbewerbs-produkte. Die Pro-duktfamilie deckt alle üblichen Nenn-ausgangsspannun-gen zwischen 3,3 und 48 Volt DC ab und liefert Stromwerte bis zu 40 Ampere. Die Ausgangsspannung ist trimmbar: bis zu -10/+20 Prozent bei Nennspannung 12, 24 und 48 Volt, so dass die Netzteile auch spezielle Anforderungen erfüllen. Der Iso-lationswiderstand beträgt 100 Milliohm bei 25 Grad Celsius. Der erweiterte Tempe-raturbereich von minus 25 bis plus 70 Grad Celsius erlaubt volle Nennlast bei bis zu 50 Grad Celsius und 60 Prozent Nennlast bei 70 Grad Celsius. Die 24- und 36-Volt-Mo-delle sind zudem spitzenlastfähig bis zu 250 Watt. Applikationsbereiche: Messen und Testen, LED-Beleuchtung und Dis-plays oder Automatisierung.
Die leitungsgebundene und abgestrahl-te Störaussendung der LS200-Reihe erfüllt die EN55011/EN55022, Klasse B. Die Netzteile haben eine internationale Si-cherheitszulassungen nach UL/CSA/IEC 60950-1, zweite Ausgabe, tragen das CE-Zeichen. Der Hersteller gewährt eine drei-jährige Garantie. (eck) n
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Gustav Erl, Geschäfts-führer der deutschen TDK-Lambda in Achern.
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Decken nun auch die 200-Watt-Leistungsstufe ab: Die Netzteilfamilie LS200. Das preisgünstige Netzteil punktet dabei mit Funktionsvielfalt und kleinen Maßen.
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Mamor, Stein und EisenDC/DC-Wandler mit Ferrit-Multilayer- Substrattechnologie optimieren
Gleichspannungswandler spielen im Zeitalter der Miniaturisierung eine entscheidende Rolle. Um fit für Embedded-Geräte zu sein, müssen diese auch so klein und leistungsfähig wie möglich sein. Um dieses Ziel zu erreichen, setzt Murata auf eine moderne Modultechnologie, nämlich seine Ferrit-Multilayer-Substrattechnologie.
Gleichspannungswandler spielen in heutigen stark minia-turisierten elektronischen Geräten eine wichtige Rolle“, betont Junichi Kurita , Produktmanager von Murata Power Solutions in Mans� eld, Massachusetts. „Unsere
neue Modultechnologie hat die Möglichkeit gescha� en, diese Wandler kompakter zu konstruieren und gleichzeitig leistungsfä-higer zu machen.“ Warum ist das so wichtig? Gleichspannungs-wandler sind ein unerlässliches Element für die Funktionsfähigkeit der heutigen kompakten Elektronikgeräte. Ihre Aufgabe ist es, die einzelnen Funktionsabschnitte, beispielsweise Speicher, Prozesso-ren oder Drahtlos-Transceiver mit der jeweils benötigten Span-nung zu versorgen. In Applikationen, wie etwa Mobiltelefonen und tragbaren Geräten, lassen sich die Wandler in der Regel aus diskre-ten Bauelementen zusammensetzen, nämlich aus einem Regler-IC, einer Leistungsdrossel und weiteren passiven Bauelementen.
Diese Komponenten nehmen relativ viel Platz auf der Leiterplat-te ein. Der Entwickler muss sie daher sorgfältig in das Design inte-grieren. Hierbei ist es insbesondere von Bedeutung, auf die von den diskreten Bauelementen ausgehenden abgestrahlten und lei-tungsgebundenen Störungen zu achten, da diese das übrige System entscheidend stören könnten. Das gilt es zu vermeiden. Eine Alter-native zu der diskreten Implementierung konnten DC/DC-Wand-ler-Module bis dato noch nicht anbieten. Hier soll nun eine mo-derne Technologie Abhilfe scha� en.
Effektiv schichtenMurata hat mit dem Ferrit-Multilayer-Substrat eine Technologie entwickelt, bei der die Leistungsdrossel des Gleichspannungs-wandlers in das Substrat eingebettet ist. Grundlage der Ferrit-Mul-tilayer-Substrattechnologie ist ein Prozess, in dem sich bis zu 50 Lagen unterschiedlicher Ferritmaterialien im Sandwich-Verfahren übereinanderschichten lassen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, eingebettete Bauelemente, wie etwa Induktivitäten herzustellen und im Substrat des Bauteils eine dreidimensionale Schaltung zu kon� gurieren – ungeachtet der geringen Dicke der Struktur. „Der Prozess verbindet das Know-how von Murata im Bereich der kera-mischen und organischen Werksto� e sowie der Ferritmaterialien mit den Fähigkeiten des Unternehmens im Hochfrequenz-Design, in der Miniaturisierung und im Design von Leistungsmodulen und Multilayer-Modulen“, verkündet Junichi Kurita mit Stolz. Aus den Bemühungen des Herstellers resultiert ein Micro-DC/DC-Wandler, der auf Seite 46 zu sehen ist. Bild 1 zeigt ein solches Modul mit dem zugehörigen Schaltbild und seinem Querschnitt. Während ein Kondensator und das Reg-ler-IC auf dem Substrat befestigt sind, ist die Leistungsdrossel in das Substrat eingebettet. Das Einbetten der Leistungsdrossel und der induktiven Bauelemente in das Substrat bringt entscheidende Vorteile, beispielsweise kleine Maße und ein niedriges Störauf-kommen.
Die Baugröße verkleinernDie Micro-DC/DC-Wandler-Familie LXDC2HL hat maximale Maße von 2,5 mal 2,0 mal 1,1 Millimeter. Sie ist für Systeme vor-gesehen, in denen viele Schaltungsteile eine herabgesetzte Span-nung benötigen, wie bei Mobiltelefonen. Weil hierbei eine große Zahl derartiger Wandler notwendig ist, birgt die mit dieser Tech-nologie mögliche Größenreduzierung das Potenzial, die Abmes-sungen des gesamten Systems entscheidend zu minimieren. Ein aus diskreten Bauelementen aufgebauter Gleichspannungswand-ler der bisherigen Art nimmt in der Regel etwa 30 Quadratmilli-meter auf der Leiterplatte ein. „Dagegen begnügt sich die kom-
Bild 1: Lässt tief blicken: Außenansicht und Querschnitt der LXDC2HL-Familie und das dazugehörige Schaltbild.
Bild 2: Während eine diskrete Lösung auf der Leiterplatte eine Fläche von zehn mal 3,3 Millimeter einnimmt, wie die rote Linie zeigt, ist der Footprint der Murata-Lösung (gelb) um 70 Prozent kleiner.
Bild 3: Sind entscheidend für die niedrigen Störabstrahlungen der Kompo-nente: Kurze Leitungslängen und Eigenschaften des Ferrit-Substrats.
Auf moderne Modultechnologie setzenOb im Consumer-, Automobil- oder Industriebereich: Elektronik goes Mini. Ergo, auch die Stromversorgungen müssen kleiner werden, sol-len aber nach Möglichkeit an Leistungsfähigkeit nichts verlieren, son-dern – wenn machbar – noch zulegen. Mit moderner Modultechnolo-gie, wie der Ferrit-Multilayer-Substrattechnologie, sollen den Heraus-forderungen an kleine Baugrößen, niedriger Störabstrahlung und hoher Leistungsfähigkeit begegnet werden.
infoDIREKT www.all-electronics.de 101ejl0111 ➤ Halle 12, Stand 350
plette Gleichspannungswandler-Lösung von Murata einschließ-lich des Micro-DC/DC-Wandlers lediglich mit zehn Quadratmil-limeter“, betont Junichi Kurita den Vorteil. Das entspricht einer Größenreduzierung von 67 Prozent. Bild 2 verdeutlicht den Grö-ßenunterschied zwischen diskreten Lösungen und Muratas Mic-ro-DC/DC-Wandler.
Mit niedriger Störabstrahlung überzeugenDie Baureihe LXDC2HL kommt mit Synchrongleichrichter-Tech-nologie und automatischer Umschaltung zwischen Pulsfrequenz- und Pulsbreitenmodulations-Betrieb (PFM beziehungsweise PWM) auf einen Wirkungsgrad bis zu 86 Prozent bei einer Aus-gangsspannung von 1,8 Volt. Ihre Schaltfrequenz beträgt drei Me-gahertz. Der Hersteller stellt die Serie derzeit als Abwärtswandler mit Eingangsspannungen von 2,3 bis 5,5 Volt und Ausgangsspan-nungen von 0,8 bis 4,0 Volt (fest eingestellt) zur Verfügung. Der maximale Ausgangsstrom liegt bei 600 Milliampere.
Die reduzierte Baugröße ist nur ein Vorteil des Micro-DC/DC-Wandlers. Zusätzlich zu den kleinen Maßen kann das Ferrit-Mul-tilayer-Substrat mit weiteren Eigenschaften aufwarten, die sich auf der Wunschliste jedes Elektronikentwicklers befinden. Weil zwi-schen Regler-IC und Leistungsdrossel praktisch kein Zwischen-raum ist, punktet das Modul im Gegensatz zu einer diskreten Lö-sung mit einer äußerst niedrigen Störabstrahlung (Bild 3). Auch die leitungsgebundenen Störungen fallen geringer aus, denn das Substrat hat die Wirkung von Ferritperlen.
Vorteil: Weil die elektromagnetischen Störungen minimiert werden und die Störungen aufgrund des modularen Wesens der Lösung uneingeschränkt vorhersagbar sind, gestaltet sich das De-sign-in mit den Micro-DC/DC-Wandlern nach Herstelleraussagen überaus schnell und unkompliziert. „Mit Innovationen, wie dem Ferrit-Multilayer-Substrat, hilft Murata Herstellern von Mobiltele-fonen und tragbaren Geräten, die Abmessungen ihrer Produkte zu verringern“, lautet dann auch das Fazit von Junichi Kurita. (eck) n
Der Text basiert auf Materialvorlagen von Junichi Kurita, Murata Power Solutions im amerikanischen Mansfield.
Unsere Modultechnologie hat die Möglichkeit geschaffen, Gleichspannungswandler kompakter zu konstruieren und gleichzeitig leistungsfähiger zu machen:
Junichi Kurita von Murata in Mansfield.
May the Force be with youRe-inforced-Technologie verbessert DC/DC-Wandler
Recom erweitert sein Angebot an den so genannten Re-inforced-DC/DC-Wandlern um drei weitere, bis 6,4 und 8 Kilovolt DC isolierte Produktfamilien in der unteren Leistungsklasse von 1 und 2 Watt. DC/DC-Wandler dieser Art kommen in der Regel in der Medizinelektronik und im High- Side-Bereich von IGBT-Treiberschaltungen zum Einsatz. Während es im Patientenum-feld insbesondere auf niedrige Ableitströ-me ankommt, verlangt beispielsweise der
Einsatz in Wechselrichtern der Solarindus-trie Sicherheitsreserven bei hohen Schalt-spitzen. „Die neuen Serien basieren auf ei-ner von Recom zum Patent angemeldeten Trafo-Technologie, welche die Gegensätze zwischen den für Re-inforced-Isolation er-forderlichen Luft- und Kriechstrecken, ei-ner möglichst kompakten Bauform und einem hohem Wirkungsgrad überwindet“, erklärt Steve Roberts, Technical Manager von Recom in Gmunden. Vorteil: Primär- und Sekundärwicklung des Trafos werden nicht länger auf entgegengesetzte Hälften eines Ringkerns gewickelt, sondern sind konstruktiv so ineinander verschachtelt, dass sich die Magnetfelder gut überlappen können, ohne jedoch die Luft- und Kriech-strecken zu vernachlässigen.
Das Unternehmen stellt die Wandler un-ter den Typenbezeichnungen Rxx/Pxx (mit einem Watt) sowie Rxx/P2xx (2 Watt) mit Eingangsspannungen von 5, 9, 12, 15 und 24 Volt zur Verfügung. Die Ausgangsspan-nung belaufen sich auf 3,3, 5, 9, 12 und 15
Volt – optional auch dual. Der Wirkungsgrad liegt je nach Ausgangs-spannung zwischen 78 und 88 Prozent. Damit ist er höher als bei vergleichbaren, basisisolierten Pro-dukten, betont der Hersteller. Der zulässige Umgebungstemperaturbereich liegt zwi-schen -40 und +85 Grad Celsius ohne De-rating. Darüber hinaus senkte das Unter-nehmen die Wicklungskapazität auf Werte zwischen 1,5 und 12 Pikofarad, woraus niedrige Ableitströme resultieren. Weiterer Vorteil: Beide Leistungsklassen sind im SIP7-Gehäuse untergebracht. Aus Grün-den der Austauschbarkeit bei existierenden Designs ist die 2-Watt-Version unter der Bezeichnung RV-xxxx im DIP24-Miniatur-Gehäuse lieferbar. Die Wandler sind optio-nal gegen Kurzschluss geschützt. (eck) n
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Steve Roberts, Technical Manager bei Recom in Gmunden, Österreich.
Nach EN-61010 und EN-60601 zertifiziert: die Re- inforced-DC/DC-Wandler Rxx/Pxx und Rxx/P2xx.
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So klein kann groß sein: Das Micro-DC/DC-Wandler-Modul misst 2,5 mal 2,0 mal 1,1 Millimeter.
FormvollendetATX-Stromversorgungen für Compact-PCI- Systeme designen
Ab sofort stellt Schroff eine ATX-Netzge-rätefamilie zur Verfügung. Damit lassen sich sämtliche Compact-PCI-, Compact-PCI-Plus-IO und Compact-PCI-Serial-Systeme ausrüsten. Warum? „Je nach Kun-denwunsch stehen für die Stromversorgung von Compact-PCI-Systemen zwei Netzge-rätetypen zur Auswahl“, erklärt der bei Schroff in Straubenhardt zuständige Pro-duktmanager Martin Traut. Das kann ein steckbares Netzgerät im 19-Zoll-Formfak-tor mit einer Ausgangsleistung von 250 W und rückseitigem IEC-Kaltgerätenetzein-gang sein oder aber die preiswertere Vari-ante, ein ATX-Netzgerät. ATX-Netzgeräte kommen vorwiegend im Office-PC-Be-reich zum Einsatz, eignen sich aber auch für viele Industrie-Anwendungen.
Vorteil: Durch den genormten Formfak-tor und das zu 95 Prozent identische Front-design der ATX-Netzgeräte punkten die Geräte im Vergleich zu den Vorgängermo-dellen mit optimierten technischen Werten bei gleichen Preisen. Der Wirkungsgrad der ATX-Stromversorgungen liegt trotz des Temperaturbereichs von -10 bis +70 °C bei über 75 Prozent. Weitere Verbesserun-gen: Der Hersteller konnte den Überspan-nungsschutz von bisher 1,5 auf 4 KV erhö-hen. Die MTBF-Werte betragen 100 000 Stunden bei 50 °C. Das lässt sich durch den Einsatz kugelgelagerter Netzgeräte-Lüfter erreichen. Der Lüfter mit Tachosignal re-gelt die Drehzahl und damit auch den Ge-räuschpegel basierend auf der Umgebungs-temperatur. Die Signalisierung bei Lüfter-
störung oder -aus-fall erfolgt über eine Schnittstelle direkt zu den Boards. Zusätzlich weisen die einge-bauten Kondensa-toren, die nun statt +85 bis +105 °C belastbar sind, eine längere Lebensdau-er auf. Zudem legen die Straubenhardter Wert auf Kundenmehrwert: So ist beispiels-weise die Verbindung von Netzgerät und Backplane komfortabler. Der bisher not-wendige Adapterkabelbaum zwischen ATX-Kabelbaum und Backplane ist jetzt überflüs-sig. Der ATX-Kabelbaum lässt sich nun mit Ringösen direkt mit der Backplane ver-schrauben. Für die Compact-PCI-Systeme stehen folgende Ströme und Spannungen zur Verfügung:
3,3 V / 28 A ■5 V / 35 A ■+12 V / 22 A ■-12 V / 0,8 A ■
Die Stromstärke bei 5 V wurde von 30 A auf 35 A erhöht und bei +12 V bietet der Hersteller nun 22 anstelle 15 A an. Die ers-ten beiden Spannungen (V1 + V2 = 210 W; vorher 180 W) können nun stärker belastet werden. (eck) n
Setzt ab sofort auf ATX-Netzgeräte: Martin Traut von Schroff.
Preiswerte und technisch optimierte Variante für den industriellen Einsatz: Compact-PCI-System mit ATX-Netzgerät.
Plattformmanagement: Damit soll der Anwender die Grundlage in die Hand bekommen, in einem program-mierbaren Baustein mehr als nur das Powermanagement zu verwirklichen. „Dieser Ansatz ergibt eine kosten-güns-
tige und sehr flexible Lösung für Aufgaben, die über das einfache Ein- und Ausschalten sowie Überwachen von Spannungen hinaus-gehen“, erklärt Joachim Müller, Staff Field Applications Engineer von Lattice Semiconductor am deutschen Standort Hallbergmoos bei München. Anwenden lässt sich die Entwicklung in vielen Be-reichen – angefangen von Industriesteuerungen über Medizinelek-tronik, Networking, Computing bis hin zu Wireless-Base-Stations und anderen Telekommunikationsanlagen.
Wie sieht nun der Aufbau aus? Die beiden Abbildungen auf Seite 51 zeigen die Zusammensetzung der Plattformmanagement-Funk-tionalität aus den einzelnen Funktionen des Power- und des digita-
AllroundtalentMehr als nur Powermanagement: Plattformmanagement betreiben
Optimales Powermanagement führt zu erheblichen Energieeinsparungen. Mit Plattformmanagement allerdings verspricht Lattice Semiconductor einen umfassenden Ansatz, mit dem sich weit mehr als nur das Powermanagement in einem einzelnen programmierbaren Baustein realisieren lässt. Wie das funktioniert und welche Vorteile sich daraus ergeben, verrät der nachfolgende Beitrag.
Unsere programmierbare Produktfamilie Platform Manager erleichtert das Leben des Entwicklungsingenieurs erheblich:
Joachim Müller, Staff Field Applications Engineer, bei Lattice Semiconductor in Hallbergmoos.
Peripherie
len Managements. Die Basis für das Produkt bildet Lattice’ Mixed-Signal-Familie Power-Manager. Die Power-Manager unterstützen in verschiedenen Varianten mit analogen und digitalen Blöcken jeweils eine Auswahl der folgenden Funktionen:
Analoge Eingänge für die Spannungsüberwachung ■Analog-Digital-Wandler für Spannungsmessung ■Digitale Eingänge für Logiksignale ■Integrierter Oszillator und Timer ■CPLD als Sequence-Controller ■I ■ 2C-InterfaceDAC-Ausgänge für Trimming und Margining ■Ausgänge zur Steuerung von Mosfets ■Digitale Ausgänge ■
Im Bereich des Powermanagements hat sich die IC-Familie bereits in unterschiedlichen Applikationen bewährt. „Dort ergibt sich
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selbst bei geringen Anforderungen häu� g ein Vorteil durch die reduzierte Anzahl an erforderlichen Bauelementen und die Pro-grammierbarkeit“, betont Joachim Müller den Anwendernutzen. Wenn allerdings besondere Aufgaben hinzukommen, beispiels-weise die Integration von Systemschnittstellen, Reset-Distribution oder Fehleraufzeichnung in einem nicht-� üchtigen Speicher, sind die CPLD-Logikressourcen der Power-Manager unter Umständen zu knapp bemessen.
Das Plus an digitaler LogikAn diesem Punkt setzen Lattice’ Platform-Manager-Produkte an. Neben den oben genannten Fähigkeiten integrieren die Bausteine ein kleines FPGA, das über zusätzliche Logik-Ressourcen sowie
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Mit Köpfchen und LogikEnergieeinsparungen jeglicher Art sind in der heutigen Zeit ein wirtschaftliches Muss. In der Elektronik erfolgen diese durch entsprechendes Powermanagement. Nun gibt es von Lattice Semi einen Ansatz, der darüber hinaus geht. Das Ganze nennt sich Plattformmanagement und verspricht durch die Integration von programmierbaren Analog- und Logikfunktionen in einen Baustein eine ideale Kombination von Supportfunktionen. Den Entwickler freut es, spart er doch durch diese Bausteine Kosten und Ent-wicklungszeit.
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weitere digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung stellt. Abhängig von der Gehäuse-Auswahl ergeben sich diverse digitale Ein- und Ausgänge wie auch differenziell oder single-ended ausgeführte analoge Eingänge. Wie sieht das Ganze nun im Detail aus? Das links oben abgebildete Beispiel dient dazu, die Möglichkeiten und Eigenschaften der Lattice-Platform-Manager näher zu beschrei-ben: Auf einer Baugruppe lassen sich aus der externen 12-Volt-Versorgung fünf verschiedene Spannungen mit Hilfe von DC/DC-Wandlern erzeugen. Jede dieser Stromversorgungen wird ei-
nerseits mit einem eigenen Enable-Signal gesteuert und jede ein-zelne Spannung wiederum zur Überwachung an einen Analogein-gang geführt. Der Strom in der 12-Volt-Zuleitung wird durch Strom-Spannungswandlung ebenso überwacht wie die Spannung selbst, die durch einen Spannungsteiler auf den zulässigen Ein-gangsspannungsbereich abgebildet wird. Die externe Schaltung mit Transistor und Zener-Diode stellt die Versorgung des Plat-form-Managers her.
Über einen analogen Trim-Margin-Control-Ausgang kann in diesem Beispiel eine Spannung vom Prozessor in Abhängigkeit des Betriebszustands variieren. So lässt sich nämlich dynamisch die Spannung für Volllastbetrieb heraufsetzen und dann herabsetzen, um die Verlustleistung bei niedriger Anforderung an die CPU-Leistung zu senken. Das ist auch der Übergang zum digitalen Teil, denn hierfür erfolgt die Ansteuerung über die VID-Eingänge.
Clever kombinierenÜber ein Interface hat der Prozessor Zugriff auf externe Tempera-tur-Monitore, eine I2C- oder SPI-Erweiterung und ein externes SPI-Flash. Diese Funktionen nutzt allerdings auch der FPGA-Teil des Platform-Managers selbst. Vorteile: Die CPU wird durch stän-dige, autarke Temperaturauswertung entlastet und greift nur im Ausnahmefall ein. Fehlerzustände lassen sich in einem Logbuch im SPI-Flash nicht-flüchtig speichern. Die CPU kann die Daten auslesen. Darüber hinaus ist eine Reset-Verteilung im FPGA-Teil vorgesehen, die das Zurücksetzen einzelner Schaltungs- oder Bauteile zulässt. Auch hier ist eine Kombination aus fest program-mierter interner Logik – zum Beispiel abhängig von den Span-nungsmonitoren – und registergesteuerten Funktionen durch die CPU-Software möglich.
Damit der Anwender die Platform-Manager kennenlernen und sich selbst von allen Pluspunkten überzeugen kann, stellen die Amerikaner aus dem Bundesstaat Oregon ein Development-Kit zur Verfügung. Dieses ist neben diversen kostenlosen Referenz-Designs auf der Lattice-Homepage downloadbar.
Entwurf und Programmierung betrachtenLösungen auf Basis der Platform-Manager werden mit den Soft-ware-Paketen PAC-Designer und ISP-Lever von Lattice Semicon-ductor entwickelt. Diese kostenlosen Pakete arbeiten Hand in Hand bei der Funktionsbeschreibung sowie deren Simulation und
Die Platform-Manager sorgen in vielen Medizin-, Computing- oder Industrie-Applikationen für erhebliche Kostenersparnisse.
Ein Development-Kit unterstützt den schnellen Einstieg anhand von Referenz-Designs.
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Plattformmanagement umfasst Powermanagement mit Funktionen, wie Power-Supply-Oring oder Voltage-and-Cur-rent-Monitoring sowie digitales Management mit Funktionen, etwa Power-On-Configuration.
Übersetzung in die Programmierdaten. Die Pro-grammierdaten wiederum lassen sich vom Ent-wickler und später in der Produktion über das Jtag-Interface in den Baustein übertragen. Ein programmierter Baustein speichert die Konfigu-ration nicht-flüchtig in EEPROM oder in Flash-Zellen. Bei Bedarf kann die Konfiguration elekt-risch gelöscht und erneut programmiert werden, zum Beispiel wenn es notwendig ist, eine Ein-schaltsequenz, eine Resetfunktion oder auch ei-ne Schaltschwelle der Spannungsmonitore nach-träglich zu ändern.
Alles kombiniertDurch die Integration von programmierbaren Analog- und Logikfunktionen lassen sich Sup-port-Funktionen – beispielsweise Powermanage-ment, Digital-Housekeeping oder Glue-Logik – in einem Baustein kombinieren. Dadurch kann der Anwender von bis zu um 50 Prozent redu-zierten Kosten und kürzerer Entwicklungszeit profitieren. (eck) n
Der Beitrag basiert auf Materialvorlagen von Joachim Müller, Lattice.
Für den Einsatz in rauen Umge-bungsbedingungen hat EVG einen Stecker mit USB-Schnittstelle entwickelt. Dabei haben die Nord-rhein-Westfalener eine USB-Typ-A-Komponente in einem robusten M16-Rundsteckergehäuse aus
W+P Products bringt zwei Serien von Press-Fit-Präzisionsbuchsen-leisten im Rastermaß 2,54 mm auf den Markt. Im Vergleich zu SMT-Steckern bieten sie 10- bis 30-mal niedrigere Ausfallraten, außerdem entfallen die Kosten für selektives Löten. Einsatzbereiche sind Telekommunikationstechnik,
Mit der Schaltregler-Serie PSRW stellt Peak Electronics Schaltreg-ler zur Verfügung, die bis 72 V DC Eingangsspannung ausregeln. Die Komponenten sind im 11,50 x 8,90 x 10,20 mm großen SIP3-Gehäuse erhältlich. Eingangs-spannungsbereiche: 9 bis 72 V, 14 bis 72 V, 17 bis 72 V und 20 bis 72
Bei der Serie PMAS/PCMAS48 von MTM Power handelt es sich um pri-mär getaktete Module, konzipiert als universell einsetzbare Kompakt-stromversorgungen mit AC/DC-Weitbereichseingang. Es gibt sie mit einer Dauerausgangsleistung von 48 W und Single-Ausgangs-spannungen von 5, 12, 15, 24 und
USB-Steckverbinder
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Press-Fit-Präzisionsbuchsenleisten
Lötfreie Verbindungen senken Kosten
Schaltregler
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AC/DC-Module
Robustes Design für raue Umgebungen
vernickeltem Zinkdruckguss ein-gebaut. Kommen bereits Stecker mit einem M16-Wandausschnitt am Gehäuse zum Einsatz, lässt sich diese Lösung ohne eine ver-änderte Montagebohrung als Diagnose-Schnittstelle verwen-den. Typische Applikation: Indus-trie-PC. Der Bausatz beinhaltet eine unverlierbare Schutzkappe, die dem Stecker im aufgesetzten Zustand die Schutzart IP54 si-chert. Außerdem ist eine Lötfahne für den Erdanschluss vorhanden.
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Backplanes in der Gehäuse- und Messtechnik sowie Automotive. Die Serien 153PF und 153PF38 umfassen ein- und zweireihige Modelle mit einer Einpresszonen-länge von 2,8 und 3,8 mm.
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48 V DC. Features: kurzschluss- und leerlauffest, reduzierte Stand-by-Leistung. Die 90,5 x 65,5 x 33,5 mm und 120,0 x 65,0 x 33,0 mm großen Module sind durch robuste Konstruktion kompakt.
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Micro Crystal hat mit der Serie RV-4162-C7 ein integriertes und kompaktes Real-Time-Clock-Mo-dul auf den Markt gebracht. Das eignet sich beispielsweise für batteriebetriebene Geräte, GPS, Blutzuckermessgeräte oder aber
Wago hat seine Topjob-S-Baurei-he 2000 um Doppeldurchgangs-klemmen erweitert. Diese weisen eine Breite von 3,5 mm auf. Trotz dieser Baubreite lassen sich zwei Potenziale auf der Breite einer Klemme führen. Die Komponen-ten sind für einen anschließbaren
Für computergesteuerte medizin-technische Geräte hat Bicker Elektronik das Einbaunetzteil BEP-506M im ATX- und im Mini-ITX-Format entwickelt. Dabei kommt es bei Ausgangsleistun-gen bis 60 W ohne Lüfter aus und arbeitet so geräuschlos. Das Ge-rät erfüllt die Vorschriften der Normen EN60601-1 und UL 60601-1 für den medizinischen Einsatz. Das BEP-506M liefert Ausgangsspannungen von 3,3, 5 sowie ±12 V. Zudem verfügt es über einen Standby-Ausgang mit 5 V. Bei Betrieb mit Lüfter lässt sich die Ausgangsleistung bis auf 80 W erhöhen. Der Betriebstem-peraturbereich reicht von -10 bis +70 °C. Darüber hinaus sorgen eine automatische Abschaltung der Ausgänge im Kurzschlussfall und ein zusätzlicher Überlast-schutz für eine hohe Betriebssi-cherheit des Netzteils.
infoDIREKT 111ejl0111 ➤ Halle 12, Stand 321
Erni Electronics erweitert seine zweireihige SMC-Stecker-Serie im 1,27-mm-Raster um Versionen in zusätzlichen Polzahlen in diver-sen Konfigurationen. So sind jetzt Stecker in den Polzahlen 16, 20, 32 und 40 verfügbar. Vorteile: doppelseitiges Federkontaktprin-zip für gute HF-Eigenschaften, zuverlässige Kontaktsicherheit oder ein hoch-temperaturbestän-diger Isolierkörper mit Polarisie-rung und Einführschräge.
infoDIREKT 113ejl0110 ➤ Halle 12, Stand 365
Wärmeleitfolien
Auf Eigenmarken setzen
Integriertes Real-Time-Clock-Modul mit I2C-Bus
Die Baugröße schrumpfen
Doppeldurchgangsklemmen
Zweifach statt einfachLüfterloses PC-Netzteil
Auf leisen Sohlen
SMC-Steckverbinder
Hoch-variabel
keit bei einer Anpassungsfähig-keit von 90 Prozent in Verbindung mit niedrigen Härten und hoher Lebensdauer. Die Aufnahme von Graphitmaterialien soll es ermög-lichen, ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu beziehen, das gleichzeitig leicht zu verar-beiten ist und eine UL 94-Zulas-sung hat. Zudem weist der Werk-stoff eine hohe Stabilität auf und kann bei Temperaturen von -40 bis +200 °C verarbeitet werden.
infoDIREKT 109ejl0111 ➤ Halle 12, Stand 584
Datenlogger. Es weist eine VDD von 1,3 bis 4,4 V und einem Strom-verbrauch von typischerweise 270 nA auf. In dem 3,2 x 1,5 x 0,8 mm großen 8-Pin-Keramik-Gehäuse sind ein 32.768 kHz Stimmgabelquarz, ein CMOS-ba-sierter Oszillator und die RCT-Funktion beinhaltet. Der Betriebs-temperaturbereich reicht von -40 bis +85 °C. Hohe Flexibilität durch Watchdog-Funktion, Alarmset-tings oder Clock-out-Frequenzen.
infoDIREKT 106ejl0111 ➤ Halle 12, Stand 379
Leiterquerschnitt von 0,14 bis 1,5 mm² ausgelegt. Darüber hinaus lassen sich beide Potenziale zu den Nachbarklemmen mit den Topjob-S-Brückern verteilen. Der Ein- und Ausgang eines Strom-kreises liegt jeweils auf derselben Klemmenseite. Beide Stromkreise sind durch eine farbliche Kenn-zeichnung unterscheidbar, lassen sich zudem mit Beschriftungs-streifen oder Multibeschriftungs-schildern markieren.
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Software
Bild 1: Coresight-Funktio-nen in einem Cortex-M3- oder M4-Mikrocontroller geben dem Entwickler sehr weitreichende Kon- trolle über die Programm-ausführung sowie alle Daten und Ereignisse.
ARM stattet seine Cortex-M-Prozessoren mit der Core-sight-Technologie aus, die Entwickler beim lästigen De-bugging und Tracen von So� ware unterstützt: Jeder Cor-tex-M3- oder Cortex-M4-basierende Mikrocontroller er-
laubt damit, zusätzlich zum normalen Run-Control-Debugging, Speicherzugri� während der Programmausführung (On-the-Fly), Daten- und Event-Tracing sowie Code-Instrumentierung.
Viele Hersteller statten ihre Cortex-M-Mikrocontroller außer-dem mit einer Embedded-Trace-Macrocell aus (ETM), die auf Wunsch die komplette Befehlsausführung aufzeichnet. Mit diesem Befehls-Trace lassen sich sowohl sporadische Programmfehler � n-den, als auch eine komplette Code-Coverage- und Zeitanalysen durchführen. Coresight unterstützt zudem Multiprozessor-Syste-me und zusammen mit Entwicklungswerkzeugen nach neuestem Stand der Technik gelingen So� ware-Veri� kation und -Debugging viel schneller als bisher.
Fehlersuche in Mikrocontroller-SoftwareBevor es On-Chip-Debugging gab, setzten viele So� wareentwick-ler teure In-Circuit-Emulatoren (ICE) zum Applikationstest ein. Diese Emulatoren wurden über komplexe Adapter angeschlossen und boten weitreichende Befehls- und Daten-Tracing-Fähigkeiten mit komplexen Triggerfunktionen. Typischerweise basierte ein ICE auf einem speziellen Bond-out-Chip, der vom Mikrocontroller aus der Serienproduktion abwich und sehr teuer war.
Da moderne Mikrocontroller mit hohen Taktraten arbeiten und in miniaturisierten Bauformen angeboten werden, scheitert die traditionelle ICE-Technologie. Viele Mikrocontroller verfügen heute daher über On-Chip-Debug-Logik, die meist jedoch nur Speicher- und Registerzugri� e sowie Programmausführung mit Breakpoints erlaubt. Die volle Leistungsfähigkeit der früheren ICE-Lösungen ist aber mit gewöhnlichen Cortex-M-Mikrocontrollern dank der Coresight-Debug-Technologie möglich (Bild 1).
Über einen konventionellen Jtag-Anschluss stellt die MCU be-reits im Serial-Wire-Modus einen Daten- und Event-Trace zur Verfügung. Mit einem ETM-Anschluss, der nur fünf weitere Trace-Leitungen benötigt, kann der Chip auch den kompletten Befehls-Trace übertragen. ARM hat die Cortex-Debug- und -ETM-An-schlüsse standardisiert, wobei preisgünstige Miniatursteckverbin-der zum Einsatz kommen.
EntwicklungswerkzeugeDie Entwicklungstool-Industrie unterstützt ARM-basierende Mik-rocontroller in großem Umfang. Zum Beispiel liefert Keil das Mik-rocontroller-Development-Kit MDK mit spezi� schem Support für mehr als 600 Standard-Mikrocontroller. Das MDK kombiniert ARM C/C++-Compiler, µVision IDE/Debugger und RTX RTOS in einer leistungsfähigen Entwicklungsumgebung. Mit dem USB-Jtag-Adapter Ulink Pro kann der Entwickler den vollen Funktions-umfang von Coresight nutzen.
Tiefe EinblickeDebugging mit der Coresight-Technologie von ARM
Fehlersuche in Embedded-Applikationen mit ARM-Prozessor: Eine serienmäßige Debugging-Schnittstelle gibt dem Entwickler vollen Zugriff zur Laufzeit, ohne teure Emulatoren. Das klappt sogar bei asymmetrischen Multi-Core-Architekturen, die verschiedene ARM -Kerne vereinen. Autoren: Mark Onions und Reinhard Keil
Bild 2 (rechts): Ulink Pro im Betrieb: An einem Debug- und ETM-Anschluss leitet das Gerät in Echtzeit zahlreiche
Den Fehlern auf der SpurWo Embedded-Entwickler früher auf teure Emulatoren angewiesen waren, gibt ihnen heute Coresight ganz ähnliche Kontrolle über die Programmausführung im Mikrocontroller. Bis hin zur kompletten Auf-zeichnung der Code-Ausführung sehen sie alle Programmschritte, Er-eignisse und Änderungen an Speicher und in Registern. Selbst asym-metrische Multi-Core-MCU wie die LPC4000-Familie von NXP behält der Entwickler damit im Griff: Er startet für jeden Kern eine eigene Debugger-Instanz und erhält gleichzeitig Zugriff auf beide Kerne.
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Ulink Pro ist ein Streaming-Trace-Adap-ter, der die komplette Trace-Information ei-nes Cortex-M-Mikrocontrollers lückenlos aufzeichnet. Das Gerät wird über USB mit dem Entwicklungsrechner verbunden (Bild 2) und kann sowohl den Serial-Wire-, als auch den ETM-Trace aufzeichnen.
Serial-Wire-TraceDer Serial-Wire-Trace wird über die Cor-tex-M-Debug-Schnittstelle (mit zehn Pins) genutzt: Für Debug und Trace genügen drei Mikrocontroller-Pins. Damit ist Serial-Wi-re-Trace auch bei Mikrocontrollern mit we-nigen I/O-Pins problemlos einsetzbar. Ulink Pro betreibt den Serial-Wire-Trace-Pin im so genannten Manchester-Modus, bei dem sich bis zu 100 MBit pro Sekunde aufzeich-nen lassen. Diese Trace-Information zeigen die Debug-Fenster von µVision in Realzeit:
Trace-Window: Anzeige von PC-Samples sowie von Schreib- ■und Lese-Speicherzugri� en.Debug (printf) Viewer: Instrumented Trace (ITM) mit einer ■„printf “-Funktion im Anwenderprogramm.Exceptions-Window: Statistische Information der Ausführung ■von Exception- und Interrupt-Funktionen.Event Counters: Indikatoren über Sleep- und Wait-States, die ■das Anwenderprogramm benötigt.Logic Analyzer: Zeigt Werteveränderungen von bis zu vier Va- ■riablen gra� sch an.RTOS Event Viewer: Nutzt ITM, um die Task-Umschaltung des ■RTX RTOS anzuzeigen.
ETM-TraceFür ETM-Trace ist die Cortex-M-Debug- und -ETM-Schnittstelle zuständig; sie verwendet 20 Pins. Zusätzlich zur Serial-Wire-Tra-ce-Funktionalität stellen hier vier weitere Trace-Pins den gesamten Befehlsstrom zur Verfügung. Ulink Pro zeichnet alle Befehle lü-ckenlos auf und bietet damit als einziger Adapter in dieser Preis-klasse vollständige Code-Coverage einschlieβlich Branch- und Decision-Coverage. Damit kann der Entwickler überprüfen, ob bei einem Programmlauf alle Pfade im Quellcode vollständig ausge-führt wurden.
Tests dieser Art gewährleisten eine bessere So� warequalität und sind daher Voraussetzung bei Sicherheitsstandards wie IEC61508 oder DO-178B. Der µVision-Debugger zeigt Code-Coverage-Er-gebnisse in einem Übersichts-Window, den C-Quellcode-Fenstern, sowie im Disassembly-Window an. Außerdem kann der Anwen-der Code-Coverage-Ergebnisse speichern und laden.
Zudem ermöglicht ETM-Trace es, das zeitliche Verhalten eines Anwenderprogramms zu analysieren. Da jede Befehlsausführung lückenlos aufgezeichnet ist, kann der µVision-Debugger im Perfor-mance-Analyzer-Window (Bild 3) statistische Informationen der Programmausführung zeigen. Zeitinformation ist zudem für jede C-Source-Zeile und jeden Assembler-Befehl verfügbar. Mit dieser Information kann man beispielsweise einen Algorithmus optimie-ren und damit die E� zienz der Programme steigern.
Multiprozessor-DebuggingDie neue Mikrocontroller-Familie LPC4000 von NXP integriert neben einem Cortex-M4- auch einen Cortex-M0-Prozessor. Die-ses asymmetrische Multiprozessorsystem stellt daher zusätzliche Anforderungen an die Entwicklungstools. In der Jtag-Betriebsart erlaubt Coresight die gleichzeitige Kommunikation mit den De-bug- und Test-Interfaces der beiden Cortex-M-Prozessoren und der Ulink-Pro-Debug- und Trace-Adapter lässt sich gleichzeitig mit zwei unabhängigen Instanzen des µVision-Debuggers betrei-ben (Bild 4). Der Systemprogrammierer kann so die Applikations-so� ware der beiden Prozessoren analysieren und komplexe Inter-Prozessor-Kommunikationsfehler identi� zieren und korrigieren. Sobald die Inter-Prozessor-Kommunikation fehlerlos funktioniert, kann der Entwickler den zweiten Prozessor wieder als Peripherie au� assen und lediglich mit einer Instanz des µVsion-Debuggers arbeiten. Das Multi-Prozessor-Debugging des Ulink Pro ist übri-gens nicht nur auf den NXP LPC4000 beschränkt, sondern eignet sich auch für Systeme, die mit mehreren einzelnen Mikrocontrol-lern bestückt sind.
Analyse am lebenden ObjektDie Vorteile der Coresight-Technologie erlauben zusammen mit modernen Debug- und Analyse-Tools eine genaue und e� ektive Analyse der Programmausführung. Dabei werden auch Multipro-zessorsysteme unterstützt. Mit Ulink Pro kann man das Anwen-derprogramm detailliert veri� zieren und optimieren. Zudem bie-ten µVision und Ulink Pro o� ene Schnittstellen, die zum Beispiel von Paraso� für automatisierten C/C++-Tests und von Hitex für Power-Scale zur Energieoptimierung genutzt werden. (lei) ■
Die Autoren: Mark Onions ist Director of Marketing, ARM System Design Division (SDD) in Cambridge, UK. Reinhard Keil ist Director Mikrocontroller-Tools, ARM in Grasbrunn.
Bild 4: Beim Multicore-Debugging eines NXP LPC4000-Systems mit Ulink Pro und µVision nutzt der Anwender zwei Instanzen des Debuggers, die mit jeweils einem Prozessorkern verbunden sind. Beide Instanzen der Software teilen sich die gemeinsame Debug-Schnittstelle.
Bild 3: Die Zeitanalyse des Anwenderpro-gramms per Performance-Analyzer gibt die realen Daten aus einem Lauf auf dem Mikrocont-roller wieder und zeigt die Anteile einzelner Funktionen.Bi
lder
: ARM
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Fünf Spezialtitel und ein Internetportal: Medien für ExpertenWenn es um Elektronikentwicklung, Elektronikfertigung und Automatisierung geht, dann kommt der Fachmann an den Fachzeitschriften und den Internet-Portalen der Hüthig Elektronik Medien Gruppe nicht vorbei. Ob Print, Online, Kongresse, Symposien – unser Informationsangebot liefert Ihnen Fachwissen in höchster Qualität. Dafür bürgen unsere Redakteure, die selbst Experten ihres Faches sind.Neugierig?Dann fordern Sie ein Probe-Abo an (Kontakt: [email protected]) oder besuchen uns auf www.all-electronics.de.
Java-Anwendungen zu debuggen ist eine bekannte Diszip-lin. Seit Mitte 2006 unterstützt Lauterbach die Fehlersuche in den Java Virtual Machines J2ME CLDC, J2ME CDC und Ka� e. Da längst sind nicht mehr alle virtuellen Maschinen
nach dem Open-Source-Modell vorliegen, wird die Fehlersuche aber immer schwieriger. Um VM-Anbietern und ihren Kunden die Möglichkeit zu geben, das Debugging schnell und � exibel für ihre VM anzupassen, arbeitet Lauterbach seit Mitte 2010 an einer o� e-nen Lösung. Als Referenz für die Entwicklung einer VM-API für Stop-Mode-Debugging kommt die für ARM-Cores implementier-te Android-VM namens Dalvik zum Einsatz.
Zwei Debug-WeltenAus Entwicklersicht ist Android ein Open-Source-Stack mit drei Hauptkomponenten: Erstens ein Linux-Kernel mit seinen Hard-ware-Treibern, zweitens die Android-Runtime mit der Dalvik Vir-tual Machine und einer Reihe von Bibliotheken, sowie drittens die in Java programmierten Anwendungen und das sie unterstützende Application Framework. Der Linux-Kernel, einige Libraries und die Dalvik Virtual Machine selbst sind in C, C++ oder Assembler implementiert. Die VM-Anwendungen und das sie unterstützende Application Framework werden in Java programmiert. Getestet wird der jeweilige Code in seiner eigenen Debug-Welt.
Den in C, C++ und Assembler geschriebene Android-Teil kann man hardwarenah via Jtag-Schnittstelle im Stop-Mode debuggen. Lauterbachs Trace32 kommuniziert dazu direkt mit dem Prozessor der Android Hardware-Plattform (Bild 1). Charakteristisch für
Vereinte WeltenDebugging von Embedded-Anwendungen mit Java und C/C++
Java-Applikationen laufen in ihrer eigenen Java Virtual Machine: Wer Java-Programme in Embedded-Anwendun-gen verwendet, muss daher mögliche Fehler sowohl innerhalb der JVM suchen, als auch im umliegenden System. Ohne geeignete API bleiben das getrennte Welten. Autorin: Andrea Martin
Durch alle SchichtenEmbedded-Systeme mit Java-Code zu debuggen, besteht bisher aus zwei getrennten Ebenen: dem Java-Code, der in einer virtuellen Ma-schine abläuft, und dem System außen herum, das die reale Hard-ware nutzt. Das Ziel lautet, mit einem einzelnen Debugger durch alle Ebenen hindurch auf Fehlersuche gehen zu können und dazu das Embedded-System per Jtag anzuschließen. Da aber inzwischen viele virtuelle Maschinen existieren, arbeitet Lauterbach an einer VM-API, mit der die Hersteller einer VM den Debugger unterstützen – eine of-fene Lösung für durchgängige Fehlersuche.
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Auf einen Blick
Stop-Mode-Debugging ist, dass das gesamte Android-System stoppt, sobald der Prozessor für das Debugging angehalten wird. Debugger und Prozessor brauchen hierfür nur eine Jtag-Kommu-nikation, aber keinen Debug-Server auf dem Target. Damit eignet sich Stop-Mode-Debugging auch für das Testen von Release-So� -ware sowie unter realen Zeitbedingungen – wichtig für Probleme, die erst unter Echtzeitbedingungen au� reten. Stop-Mode-Debug-ging unterstützt derzeit jedoch keine VM-Anwendungen, zum Beispiel in Dalvik. Daher ist ein transparentes Debugging durch alle So� ware-Schichten bisher nicht möglich.
Java-Code für Android wird üblicherweise mit den in Eclipse integrierten Android Development Tools (ADT) getestet. Der
ADB-Server (Android Debug Bridge) auf dem Host kommuniziert dazu via USB oder Ethernet mit dem ADB-Daemon auf dem Tar-get (Bild 2). Voraussetzung für das Testen mit ADT sind speziell für Debugging kompilierte VM-Anwendungen und eine Deklara-tion der Debug-Erlaubnis im Application Manifest. Zudem muss Debugging für die Hardware-Plattform freigeschaltet sein.
Java-Debugging mit ADT und Eclipse ist zwar recht komforta-bel, hat aber klare Grenzen: Es erkennt keine Fehler, die erst mit dem Release-Code au� reten, sowie Fehler, die erst dann au� reten, wenn die Java-Anwendung mit einem in C oder C++ angebotenen Dienst oder einem Linux-Hardware-Treiber interagiert. Außer-dem geht nichts ohne die Kommunikation zwischen ADB-Server und ADB-Daemon.
VM Aware Stop-Mode DebuggingUm durchgängiges Testen eines Android-Systems von der Java-Anwendung bis hinunter zum Linux-Hardware-Treiber unter Real zeit bedingungen zu ermöglichen, erweitert Lauterbach das Stop-Mode-Debugging um eine so genannte VM Debugging Awa-reness. Der Jtag-Debugger kommuniziert dabei direkt mit dem Prozessor auf der Android Hardware-Plattform. Folglich kann er nach dem Anhalten des Prozessors auf alle Systeminformationen zugreifen. Die Herausforderung für den Debugger besteht nun da-rin, die richtigen Informationen zu � nden und für den Nutzer leicht verständlich, von Bits und Bytes abstrahiert, darzustellen.
Durch eine Abstraktionsebene können Trace32-Nutzer bereits Betriebssystemso� ware über mehrere virtuelle Adressräume hin-weg debuggen. Java-Debugging ist nun eine weitere, bisher vom Betriebssystem-Debugging unabhängige Abstraktionsebene. Um die in Systemen wie Android auf VMs laufende Anwendungen zu analysieren, muss man Betriebssystem- und Java-Debugging kom-binieren. Das Stop-Mode-Debugging unterstützt daher kün� ig folgende Abstraktionsebenen:
Hochsprachen-Debugging ist fester Bestandteil der Trace32-So� -ware und wird mit dem Laden der Symbol- und Debug-Informati-onen für ein Programm passend kon� guriert. Die Target-OS De-bugging Awareness muss vom Nutzer kon� guriert werden; für alle gängigen Betriebssysteme gibt es fertige Kon� gurationen. Die VM Debugging Awareness ist für J2ME CLDC, J2ME CDC und Ka� e Bestandteil der Trace32-So� ware. Alle anderen virtuellen Maschi-nen können mit der VM-API individuell angepasst werden. Für die populäre Android Dalvik-VM steht, ähnlich wie für die Target-OS Debugging Awareness, eine fertige Kon� guration zur Verfü-gung. Diese o� ene Lösung erlaubt es auch Anbietern von Closed-Source-VMs, eine Trace32-VM-Awareness für ihr Produkt zu er-stellen und ihren Kunden anzubieten.
ReferenzimplementierungDerzeit ist es auf einem ARM-basierten Android-Target möglich, alle Java-Anwendungen, die gerade ausgeführt werden, zu ermit-teln und aufzulisten („EXTension.VMList“ im Bild 3). Ebenso lässt sich der VM-Stack für eine ausgewählte Java-Anwendung analy-sieren und darstellen („EXTension.VMView“ im Bild 3). Als nächster Schritt ist geplant, den von der VM gerade ausgeführten Quellcode anzuzeigen. Das Ziel der Entwicklung lautet: Stop-Mo-de-Debugging für VM-Anwendungen mit allen Funktionen eines modernen Debuggers, mit dem kün� ig der Embedded-Entwickler den kompletten Code-Stapel von den Java-Quellen bis hinab zum Hardware-Treiber im Linux-Kernel debuggen kann. (lei) ■
Die Autorin: Andrea Martin arbeitet im technischen Marketing bei Lauterbach in Höhenkirchen-Siegertsbrunn.
Bild 3: Für die Referenzimple-mentierung muss die Linux OS-Awareness und die Dalvik VM-Awareness in Trace32 geladen werden.
Bild 1: Beim Stop-Mode Debugging kommuniziert der Debugger direkt mit dem Prozessor auf der Android Hardware-Plattform.
Bild 2: Die in Eclipse integrierten Android Development Tools (ADT) zum Debuggen von Java-Code.
Druck: Vogel Druck und Medienservice, GmbH & Co KG, Leibnizstraße 5, D-97204 Höchberg, Tel.: +49 (0) 931 46 00-02
ISSN: 0013-5674
Jahrgang: 46
Erscheinungsweise: 5 x jährlich
Bezugsbedingungen/Bezugspreise 2011 (unverbindliche Preisempfehlung): Jahresabonnement (inkl. Versandkosten) Inland Euro 60,–, Ausland Euro 90,–, Einzelheft (zzgl. Versandkosten) Euro 12,50. Der Studentenrabatt beträgt 35 %., Kündigungsfrist: jederzeit mit einer Frist von 4 Wochen zum Monatsende. Alle Preise verstehen sich inkl. MwSt.
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Google-Handy mit NFC-StackNexus S: NFC-Chip und Softwarestack kommen von NXPModerne Smartphones sind Multitalente, auch bei den unterstützten Funkstandards. Zu GSM, GPS und Blue tooth kommt neu-erdings NFC (Near Field Communication). Bislang waren nur wenige Geräte damit ausgestattet, doch Google geht mit dem Nexus S in die Masse. Dieses Smartphone hat Google zusammen mit Samsung entwi-ckelt, der NFC-Controller PN544 stammt aber von NXP, die auch den passenden Softwarestack liefern. Der Stack wird auf
Gingerbread, der neuesten Version der Android-Plattform, vollständig integriert und validiert. „Die Offenheit von Android bietet eine herausragende Plattform, die Innovationen beschleunigt“, betont Eric Chu, Mobile Platforms Program Manager bei Google. „Die Zusammenarbeit mit NXP und die Einbeziehung der NFC-Tech-nik in Android bietet Entwicklern, Service-Providern und Geräteherstellern eine alles bisherige in den Schatten stellende Chance, neue Dienste anzubieten.“
NFC-Geräte können Zubehörprodukte anbinden, für den Peer-to-Peer-Datenaus-tausch miteinander interagieren und Kon-takt mit Tags und Lesegeräten aufnehmen. „Das Eco-System für kontaktloses Bezah-len mit Handys musste aber neu geschaffen werden. Das klassische Business-Modell im Payment geht davon aus, dass der Kun-de über seine Bank eine Visa- oder Master-card-Funktion in einer personalisierten
Karte erhält“, erläu-tert Holger Kunkat, Senior Marketing Manager bei NXP, und ergänzt: „Im NFC-Kontext ist die Vision eine an-dere. Ich muss mit einem nicht perso-nalisierten Telefon eine Banking-Ap-plikation über das Netz herunterladen können – das zu standardisieren war eine Herausforderung. Seit 2008 sind aber alle Standards da.“ Danach wartete die Indust-rie laut seinen Worten auf passende Geräte, mit denen die Kunden diese neuen Funkti-onen tatsächlich nutzen können. (lei) n
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holger Kunkat ist Senior Marketing Manager Infrastructure, Secure Transactions und business unit Identifica-tion bei NXP Semicon-ductors in hamburg.
Der 2009 eingeführte PN544 ist laut NXP der erste echte Industriestandard-NFc-controller der Welt.
Die Schwabhausener Firma iSystem bringt mit dem Test-IDEA ein Produkt für Em-bedded-Software-Test auf den Markt. Ent-standen sei die Lösung in enger Zusam-menarbeit mit iSystem-Großkunden aus den Bereichen Automotive, Luftfahrt und Medizintechnik und es zielt auf Anforde-rungen aus Standards wie ISO DIS 26262, DO178-B/-C und DIN EN 62304. Test-IDEA erweitert die hauseigenen Debug- und Trace-Werkzeuge und ermöglicht die Testfall- und Testvektorausführung auf ei-ner realen Hardware ohne die sonst übliche Instrumentierung des Programmcodes. „Mit Test-IDEA setzen wir einen weiteren Innovationsschritt im Bereich Softwareent-wicklungs- und Testwerkzeuge um. Wir bewegen uns in großen Schritten in Rich-tung Softwaretestunterstützung im gesam-ten Produktentstehungsprozess“, betont Erol Simsek, iSystem-Vorstandssprecher.
Test-IDEA ist in erster Linie ein Satz of-fener und freier Programmierschnittstellen (APIs), die vollständig in die Entwick-lungsumgebung Win-IDEA integriert sind. Mit diesen APIs kann der Entwickler Test-anwendungen und Testfälle formulieren und diese dann auf einer Kun-den-Hardware automatisiert ausführen, wenn das Zielsys-tem über iSystem-Hardware verbunden ist. Testanwendun-gen, Testfälle und die entspre-chenden Testreports können in
vielen unterschied-lichen Program-mier- und Skript-sprachen (etwa Py-thon, Java, C/C++, C#, Perl, TCL) ge-schrieben werden. Test-IDEA ist zu-dem ein interakti-ver Editor zur Test-fall- und Test re-port erstellung. Der Benutzer kann die-sen Editor direkt aus Win-IDEA aufrufen und damit Testfälle auch ohne Program-mierkenntnisse aufsetzen.
Eingesetzt wird Test-IDEA direkt am Entwicklerarbeitsplatz aus der gewohnten Werkzeugumgebung heraus. Ein Entwick-ler kann damit Unit-Tests als Blackbox-Test (ohne Betrachtung des Funktions-codes) und Whitebox-Test (mit Betrach-tung des Funktionscodes, Code Coverage) durchführen. (lei) n
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Erol Simsek, Vorstands-sprecher der iSystem in Schwabhausen.
Über die bekannte „Bluebox“ kann der Entwickler seine Software in Echtzeit prüfen.
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Mit Test-IDEA sind Tests über verschiedene Schnittstellen standardisiert. Sie laufen in Echtzeitsystemen ohne Instrumentierung und damit ohne Modifikation des Codes.
Green Hills Software wird auf der Embedded World seine integrierte Entwicklungs-Suite Multi, sein si-cherheitszertifiziertes Echtzeit-Betriebssystem Integrity, seine sichere Visualisierung Integrity Secure Visualization sowie sein
Hitex Development Tools war als Projektpartner maßgeblich betei-ligt an der Realisierung der Medi-cal-Plattform MD8710 von Infine-on. Sie ist ausgerichtet auf An-wendungen wie Blutzucker- und Blutdruck-Messgeräte, die ihre Messwerte automatisch auch per Mobilfunk übermitteln. Die Lö-
IAR Systems meldet, dass die IAR Embedded Workbench für ARM jetzt auch die neue STM32 F-2-Serie mit hochperformanten ARM Cortex-M3-basierten Mikrocon-trollern unterstützt. Die IAR Em-bedded Workbench kann für die-sen Kern optimierten Code gene-rieren. IAR unterstützt bereits die
Wind River stellt seinen Messe-auftritt unter das Motto „Zukunfts-fähigkeit, Konsolidierung, Safety und Security“. Der Embedded-Spezialist zeigt neue Versionen seiner Betriebssysteme Wind Ri-ver VxWorks und Wind River Li-nux, seiner Technologien für Mul-ticore und Virtualisierung sowie
Schnelle Trace Probe mit viel Speicher
Den Fehlern auf der SpurHitex unterstützt die Medical-Plattform MD8710 von Infineon
Medizinische Hilfe
Entwicklungsumgebung für STM32 F-2-Produkte
Alles drin
Echtzeit-Betriebssysteme
Sicher und zuverlässig
Suite bietet spe-zielle Dialoge und Reports, um Real-Time Require-ments flexibel zu erstellen und in Analysediagram-men darzustellen. Der kombinierte Einsatz von Si-mulation und Va-
lidierung versetzt Anwender in die Lage, das Echtzeitverhalten und die Performance seiner Embed-ded-Systeme bereits früh im Ent-wicklungsprozess zu modellieren und vorherzusagen.
infoDIREKT 532ejl0111 ➤ Halle 10, Stand 218
Neue Visualisierungsmöglichkei-ten, erweiterte Eclipse-Integration und umfangreicher Support für viele High-End-Mikrocontroller-Architekturen: Damit bewirbt PLS ihre Universal Debug Engine 3.0. Sie zeigt Programm-Trace-Daten nun wahlweise als Ausführungs-sequenzdiagramm, außerdem ist per Mausklick eine direkte Syn-chronisation mit dem Quelltext möglich. Die erhöhte Auflösung reicht von Nanosekunden für den hardwarebasierten Trace bis in den Stundenbereich. Die Über-sicht bei großen Datenmengen
Portfolio an sicheren Netzwerk-protokollen auf neuen Multicore-Mikroprozessoren vorstellen. Zu-dem zeigt Green Hills Software erstmals die Super Trace Probe v3. Die schnelle Probe speichert in der Grundausstattung schon 4 GByte Trace und liest Daten aus der MCU mit einer Jtag-Down-load-Geschwindigkeit von mehr als 10 MByte/s. Die Probe ist in die hauseigene Debugging-Suite Multi Time Machine integriert.
infoDIREKT 531ejl0111 ➤ Halle 10, Stand 319
sung basiert auf einem ARM Cor-tex-R4 und einer hochpräzisen analogen Analysestufe, die mit hochauflösenden ADCs/DACs die Kontrolle von Sensorsignalen und Umgebungsvariablen ermöglicht.
infoDIREKT 533ejl0111 ➤ Halle 10, Stand 305
komplette MCU-Linie von ST Mic-roelectronics. Ein IAR Kickstart-Kit für STM32 F-2 soll Anfang 2011 auf den Markt kommen. Das Board wird umfassende Periphe-rie und Interfaces enthalten.
infoDIREKT 534ejl0111 ➤ Halle 10, Stand 209
seiner Entwicklungsumgebungen und -tools. Viele Wind-River-Lö-sungen bringen Zertifizierungen mit, etwa für Wurldtech Achilles, DO-178B und IEC 61508. Das er-leichtert weitere Zertifizierungen.
PLS stellt neue Version der Universal Debug Engine vor
Bequemer Zugang zum Mikrocontroller
verbessert die neue Band-Dar-stellung: Als X-Achse kann neben der PC-Zeit auch eine Variable aus dem Target, etwa ein Sys-temtick, Zeitinformationen liefern. Einmal definierte Variablen-Aus-drücke sind über ein globales Ex-pression-Clipboard programm-weit verwendbar. UDE 3.0 ist für alle 32- und 64-Bit-Versionen von Windows XP bis 7 verfügbar. Der Zugang zum Target erfolgt über UAD2 oder UAD3+ von PLS.
infoDIREKT 536ejl0111 ➤ Halle A10, Stand 215
Bild: Inchron
Der Echtzeitspezialist Inchron zeigt auf der Embedded World seine Tool-Suite unter dem Motto „Managing Real-Time Risks“. In-chron bietet die Methoden und die unterstützenden Werkzeuge, um Projektrisiken durch Echtzeitfeh-ler in Entwicklungsprojekten zu beherrschen. Die neueste Tool-
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U M W E L T S C H U T Z & S I C H E R H E I T
»Empfindliche Technik sicher, mobil unterbringen«
W FunktechnikW Schalt- u. TrafostationenW DosiercontainerW NotstromversorgungW Sonderanlagen . . . etc.
Immer auf dem LaufendenDas neueste SCM-System von Perforce Software bietet eine op-timierte Replikationstechnologie zur besseren Verteilung der Ser-verlast und Vermeidung von Aus-fallzeiten bei Disaster-Recovery- und Failover-Szenarien. Die integ-rierte Server-Server-Replikation von Metadaten und Archivinhalten
Altium bringt mit dem Altium De-signer 10 etliche Neuerungen: Mehrere Entwickler können zeit-gleich an einem Board arbeiten, das Tool verspricht höhere Sicher-heit bei der Datenausgabe durch kontrollierte und automatisierte Datenausgabeprozesse, beschrei-tet neue Wege in der Komponen-tenverwaltung mit Where-Used-
Software-Konfigurationsmanagement
Die Historie zuverlässig speichern
Elektronikdesign-Software
Gemeinsam stark
Protocol), das auf ausgewählten Blackberrys bereits verfügbar ist. BMW Connected Drive basiert auf dem Echtzeit-Betriebssystem QNX Neutrino, einschließlich der QNX Multimedia Suite, über die Smartphones, Mediaplayer, USB-Player und andere mobile Geräte nahtlos integriert werden. QNX hat seine Software-Technologie für mehr als 20 Mio. Fahrzeug-systeme lizenziert.
infoDIREKT 537ejl0111 ➤ Halle 11, Stand 324
erleichtert den Systemadminis-tratoren die Gewährleistung der Datenverfügbarkeit, damit die Teams rund um die Uhr produktiv bleiben können. Perforce 2010.2 ist ab sofort verfügbar.
infoDIREKT 538ejl0111 ➤ Halle 10, Stand 351
System, Revision-Management, Verwaltung des Lebenszyklus, Genehmigungsprozessen und Live Supply Management. Außer-dem neu: Support für komplexen Touch-Shapes in der Leiterplatte und lauffähig unter Windows 7.
QNX Software Systems holt die Büro-Integration von Smartpho-nes ins Fahrzeug. Kern der Lö-sung ist das neue BMW Connec-ted-Drive-System. Es basiert auf QNX-Software und gibt dem Fah-rer Zugriff auf E-Mails über die Bluetooth-Verbindung seines Blackberrys. Steht der Wagen, erscheinen die E-Mails auf dem iDrive-Display, während der Fahrt können sie auf Knopfdruck ange-hört werden. Die Integration von E-Mail und Textnachrichten nutzt Bluetooth-MAP (Message Access
