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Neue CPU-Module und Embedded-Prozessoren

Performance und Connectivity für die Bedientechnik

02. Juli 2021, 11:32 Uhr   |  Andreas Willig

Performance und Connectivity für die Bedientechnik
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Ein HMI auf Basis des CPU-Moduls TQMaRZG2x

Als Basis für leistungsfähige Human-Machine Interfaces brauchen Entwickler CPU-Module mit einer geeigneten Kombination aus Rechenleistung und Schnittstellenvielfalt. Ein passendes Beispiel dafür ist das neue CPU-Modul TQMaRZG2x von TQ, das auf dem Embedded-Prozessor RZ/G2 von Renesas beruht.

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Andreas Willig, TQ-Group

Human-Machine Interfaces, kurz: HMI – das ist ein Begriff, der durch die rasante Digitalisierung in allen Branchen, Segmenten und Produkten fast überall auftaucht, sobald es um Bedienoberflächen und Visualisierung geht. Aber was zeichnet ein gutes HMI aus?

Hier schenken sich Soft- und Hardware nichts, denn nur wenn die Bedienoberfläche benutzerfreundlich gestaltet ist, die Nutzerführung stimmt und die Hardware zuverlässig funktioniert, ist der Mensch vor der Maschine auch in der Lage, diese effizient und mit Freude zu bedienen. Und welcher Anwender kennt nicht den ärgerlichen Moment, wenn der Touch-Monitor wieder einmal nicht funktioniert, die Visualisierung hakt und die Bedienung so fast unmöglich wird?

Während die Verwendung von HMI bei Produkten, die Effizienz, Komfort und Flexibilität erfordern, unaufhaltsam auf dem Vormarsch ist, steigen gleichzeitig auch die Anforderungen an die HMI-Subsysteme selbst: höhere Auflösung, schnellere Datenverarbeitung und kürzere Reaktionszeiten – und das alles bei maximaler Zuverlässigkeit und Stabilität. Von den vielen Geräten mit HMI, wie industrielle Automatisierungsgeräte, Geräte für Gebäudeautomatisierungssysteme, medizinische Anzeigesysteme, POS-Systeme oder Sprechanlagen, erfordern viele daher die frühzeitige Einführung eines Proof of Concept (POC) in der Produktentwicklung, um schnell und flexibel auf sich ändernde Marktanforderungen reagieren zu können.

Computer on Modules helfen hier, die Zeit bis zur Markteinführung stark zu verkürzen.

Mit dem neuen CPU-Modul TQMaRZG2x setzt TQ hierbei erstmals auf Prozessoren von Renesas Electronics. Der renommierte Bauteilhersteller nutzt sein Know-how aus der Automotive-Branche zunehmend auch für die industrielle Automatisierung und stellte in dem Zusammenhang 2019 erstmals den hochperformanten Embedded-Prozessor RZ/G2 vor. In seiner TQMaRZG2x-Produktreihe sorgt TQ dafür, dass sich diese Performance in Form eines Embedded-Moduls perfekt nutzen lässt, um selbst komplexeste Anwendungen und Herausforderungen im HMI-Bereich zu meistern. Zur optimalen, intuitiven Bedienbarkeit benötigt die dahinterstehende Software von HMI-Anwendungen immer mehr Ressourcen, was den Einsatz eines Embedded-Moduls mit starker Rechenleistung unabdingbar macht.

Die wachsenden Anforderungen ans HMI zeigen sich am Beispiel eines einfachen Getränke- und Kaffeeautomaten sehr deutlich: Die Automaten verfügen inzwischen über große, hochauflösende Displays für die Produktanzeige sowie als Eingabefeld, und es werden zunehmend unterschiedlichste Bezahlmöglichkeiten integriert – analog zu Ticketautomaten im öffentlichen Nah- und Fernverkehr.

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Zwei Versionen des CPU-Moduls TQMaRZG2x mit verschiedenen Embedded-Prozessoren

Alltägliche wie auch industrielle HMI-Anwendungen erfordern folglich eine immer größere Leistungsdichte und erzeugen große Datenmengen. Dadurch steigen die Anforderungen an die Elektronik permanent. Um Produkte auf HMI-Basis umsetzen zu können, braucht es eine leistungsstarke Intelligenz in Form eines Embedded-Moduls, das den Prozessor optimal einsetzbar macht und sowohl für Low- als auch für High-End-Anwendungen die passende Performance bereit- sowie eine optimale Grafikunterstützung sicherstellt. Für Anwender ist es wichtig, dass ein Embedded-Anbieter alle Leistungsklassen abbildet und damit größte Flexibilität schafft. Denn klar ist, Performance ist auch immer ein Kostenfaktor. TQ bietet daher drei unterschiedliche Leistungsklassen, die mit den Prozessorkernen Cortex A53 und A57 ausgestattet sind und sich je nach Anwendung individuell auswählen lassen. Die Tabelle zeigt die drei Leistungsklassen, die Prozessorkerne der Module und mögliche Anwendungen.

Anwender können den Cortex-R7 mit bis zu 800 MHz als Koprozessor nutzen, um die Haupt-Cores zu entlasten und damit Echtzeitanwendungen oder sicherheitskritische Schutzmechanismen sicherzustellen. Dies ist besonders im industriellen Umfeld wichtig, weil neben der intuitiven Bedienung die Sicherheit der Anlagenbediener im Vordergrund steht. So lassen sich Sicherheitssysteme wie etwa Benutzerauthentifizierung umsetzen, damit Mensch und Maschine nicht zu Schaden kommen.

Entwickler können als Arbeitsspeicher neueste Technik in Form eines LPDDR4-Speichers nutzen. Dieser lässt sich auf bis zu 8 GB ausbauen und bringt somit Leistungsstärke und Energieeffizienz für höchste Performance mit, sodass Verzögerungen in der Darstellung minimiert werden. Linux oder Applikationssoftware lässt sich im eMMC-Speicher abspeichern. Dieser Primärspeicher ist – je nach geforderter Speicherkapazität – bis zu 64 GB anpassbar. Für Anwender schafft ein EEPROM-Speicher den notwendigen Speicherbereich, um eigene Daten wie etwa die Seriennummer oder eine eindeutige Kennung des Geräts zu hinterlegen. Für Entwickler gewährleistet ein optionaler NOR-Flash-Speicher auf dem Modul zusätzliche Datensicherheit und Robustheit.

Damit ist das Modul prädestiniert für raue Umgebungen, beispielsweise beim HMI eines Schweißroboters zur Eingabe von Parametern. Üblicherweise wird hier der Bootloader (U-Boot) zum sicheren Systemstart hinterlegt. Das Power Management ist direkt auf dem Modul integriert. So sind die optimale Spannungsversorgung und das Startverhalten des Moduls sichergestellt, was dem Anwender die Entwicklung eines Träger-Boards erleichtert.

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Skalierbare Rechenleistung der TQMaRZG2x-Module und mögliche Anwendungen

Eine optimale Grafikunterstützung und High-Speed Interfaces sind für den Anwender wichtig zur Umsetzung von HMIs. Mit dem leistungsstarken Grafikbeschleuniger lassen sich Inhalte mit bis zu 4K-Auflösung und 3D-Grafiken auf mehreren Displays ausgeben. Das hilft vor allem bei der Visualisierung von Inhalten wie etwa hochauflösenden Röntgenbildern in HMI-Anwendungen der Medizintechnik. Dank der 4K-Auflösung lassen sich gestochen scharfe Bilder auf kleinen bis hin zu sehr großen Displays darstellen. Zusätzlich bieten die RZG2x-Prozessoren die Möglichkeit zweier MIPI-CSI-Schnittstellen. Diese Kameraschnittstellen ermöglichen es, zwei Kamerasensoren anzubinden, Applikationen wie eine optische Kontrolle zu realisieren und damit Bauteile aus mehreren Blickwinkeln zu erfassen und auszuwerten.

HMI-Panels in der Industrie müssen über die Netzwerkanbindung die eingegebenen Parameter auf dem Eingabefeld schnell an die Maschine weitergeben. Das wird mit erforderlichen High-Speed-Schnittstellen erreicht: Hierzu zählen Gigabit-Ethernet für schnelle Datenkommunikation im Netzwerk, USB 3.0 zur Anbindung von USB-Devices oder möglicher Massenspeicher sowie eine PCIe-Anbindung, über die sich WLAN und andere Funkstandards einbinden lassen, wie sie bei industrietauglichen Tablets zur industriellen Maschinensteuerung oder Prozessüberwachung zum Einsatz kommen. Die Ansteuerung industrietauglicher Sensoren ist über zwei CAN-Schnittstellen möglich. Hierbei lassen sich Übertragungsraten von bis zu 5 Mbit/s für CAN FD realisieren.

In Industrieanwendungen realisieren HMI-Schnittstellen neben der Steuerung an sich zunehmend mehrere Funktionen: So können über LVDS, RGB und HDMI Displayausgaben erfolgen. Es besteht damit die Möglichkeit, gleichzeitig drei Displays anzubinden, etwa ein Display zur Überprüfung des Maschinenstatus, ein weiteres zur Eingabe der Parameter sowie ein drittes, das die Kameraüberwachung der Anlage abbildet.

Human Machine Interfaces sind allgegenwärtig, und die Anforderungen werden immer komplexer. Computer on Modules mit dem RZ/G2-Prozessor eignen sich für HMI-Anwendungen, weil sie Entwicklungszyklen verkürzen und die Integration in das Design beschleunigen – und das kosteneffizient und langfristig verfügbar. Das neue Embedded-Modul TQMaRZG2x von TQ bietet ein breites Anpassungsspektrum von Low- bis High-End-Applikationen in kommerziellen und industriellen HMI-Anwendungsfeldern. Die Modulfamilie markiert den ersten Meilenstein der Zusammenarbeit zwischen TQ und Renesas Electronics. Die TQ-Group weitet damit ihr Portfolio von Prozessor-Architekturen auf ARM-Basis weiter aus. 
 

Andreas Willig ist Produktmanager bei der TQ-Group.

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