Modulares Design weitergedacht
Auf Plattformbasis schnell zum Serienprodukt
Wie lassen sich individuelles Design und schnelle Entwicklung optimal miteinander verbinden? Indem man Standardkomponenten zu einer kompakten und modularen Plattform kombiniert und auf deren Basis die Individualisierung tätigt. Besonders für Embedded-Vision-Systeme bietet sich die Vorgehensweise an.
Embedded-Systeme sind an die jeweiligen Anwendungen und Geräte angepasst, in denen sie zum Einsatz kommen. Das stellt hohe Anforderungen an die verwendeten Komponenten. Fertige Elektroniken erfüllen die Anforderungen oft unzureichend oder verursachen im Serieneinsatz höhere Kosten durch unnötige Bauteile und Funktionen. Mobile Anwendungen erfordern zudem einen möglichst geringen Energieverbrauch und dafür eine optimal angepasste Rechenleistung. Diese Voraussetzungen führen häufig zur individuellen Entwicklung von Embedded-Systemen, mit entsprechend hohem Aufwand an Zeit und Kosten.
Als wesentliche Erleichterung haben sich Designs mit System-on-Modules (SoM) und individuellen Carrier-Boards etabliert: Sie integrieren die kritischen Komponenten rund um den Prozessor auf einer kompakten Platine, die dann, mittels Löt- oder Steckverbindung auf ein individuelles Basisboard integriert, den Kern der Geräteelektronik bildet. Phytec verfolgt diesen Ansatz bereits seit 40 Jahren und mit mehr als 5900 Designs für den Einsatz in der Industrie und in professionellen Serienprodukten.
Prozessor und zentrale Funktionen fertig integriert
Dabei hat die Erfahrung gezeigt, dass es in vielen Projekten große Überschneidungen gibt: Neben Prozessoren und Speicherausstattung benötigen Embedded-Systeme wiederkehrende industrielle Schnittstellen, Security-Funktionen – besonders im Hinblick auf Cyber Resilience Act (CRA) und weitere regulatorische Vorgaben – sowie immer häufiger KI-Beschleuniger und Kameraschnittstellen.
Bestandteile des phyVIP-Konzepts: Einsatzfertiges Basisboard und optional Kameramodule (oben), anpassbares Board mit Steckverbindern und Zusatzkomponenten (unten).
Mit seiner kompakten, industrietauglichen Integrationsplattform »phyVIP« verfolgt Phytec einen neuen Ansatz, der genau diesen Anforderungen gerecht wird: Anders als bei klassischen SoMs integriert die Platine neben dem Prozessor auch Speicher, Spannungsversorgung, Security-Funktionen inklusive TPM und Interfaces wie etwa Industrial I/O, Gbit Ethernet, CAN FD, USB und RS-485 ebenso wie WLAN und Bluetooth für Wireless-Connectivity. Alle Schnittstellen werden über Board-to-Board-Steckverbinder zur Verfügung gestellt; ein oder zwei Kameras lassen sich außerdem direkt mittels FPC-Kabel an das phyVIP anschließen. Trotz der umfangreichen Funktionalität ist das 60 x 73 mm große phyVIP so klein wie die Fläche einer Kreditkarte. Es reduziert Entwicklungszeit und -kosten um bis zu 70 Prozent und ist damit auch für mittlere Stückzahlen attraktiv.
Aktuell stehen Varianten mit den Prozessoren i.MX 95 und i.MX 8M Plus von NXP zur Verfügung. Optional lässt sich das phyVIP auch mit weiteren Prozessoren aus dem pinkompatiblen phyFLEX-Sortiment von Phytec konfigurieren. Damit kann die Rechenleistung ohne Redesign der Applikationshardware skaliert werden, für Upgrades im Lebenszyklus oder Plattform-Designs mit unterschiedlich ausgestatteten Varianten.
Zukunftssichere Skalierung mit KI-Beschleunigung
Für KI-Anwendungen stehen die NPUs der Prozessoren sowie optional Varianten mit Hailo-8 (26 TOPS) und NXP ARA240 (40 TOPS) als KI-Beschleuniger zur Auswahl. Die Beschleunigereinheiten sind dabei platzsparend on-board integriert, ohne externe Module. Sie liegen außerdem – anders als bei vielen Designs mit M.2-Sockets – auf der Oberseite des Boards; alle wärmeerzeugenden Komponenten befinden sich damit auf derselben Seite, für möglichst einfache und effiziente Wärmeabfuhr. Dank der energieeffizienten Architektur reicht dafür meist eine passive Kühlung aus.
Große Designfreiheit durch Aufsteckboards
Die phyVIP-Plattform integriert Prozessor, Speicher, Spannungsversorgung, Security-Funktionen und industrielle Schnittstellen auf einer nur 60 x 73 mm großen Platine.
Alle Schnittstellen und Funktionalitäten des phyVIP werden über zwei robuste High-Density-Steckleisten von Samtec zur Verfügung gestellt. Sie ermöglichen den Anschluss individueller Connector-Boards. Diese Platinen führen die Signale der Schnittstellen auf die gewünschten physischen Steckverbinder und ermöglichen außerdem die Integration spezieller und zusätzlicher Funktionalitäten, etwa für die Anbindung von Sensoren und Aktoren. Weil alle zentralen Funktionen bereits auf dem phyVIP integriert sind, lassen sich diese Erweiterungsboards innerhalb kurzer Zeit und mit geringer Komplexität entwickeln. Dadurch wird das Risiko für Design-Fehler oder notwendige Re-Designs minimiert.
Einmal entwickelte Connector-Boards können ohne Hardware-Anpassung mit verschieden ausgestatteten phyVIPs kombiniert werden, für möglichst hohe Skalierbarkeit und Zukunftssicherheit. Die Varianten des phyVIP mit unterschiedlichen Prozessoren und KI-Beschleunigern sind pinkompatibel und verfügen über die gleichen Befestigungsbohrungen und Steckverbinder; die Variante mit der NPU ARA240 von NXP ist lediglich einseitig um 10 mm größer.
Fertige Connector-Boards für direkten Entwicklungsstart
Zur direkten Inbetriebnahme des phyVIP und für das Setup von Prototypen bietet Phytec zwei komplett fertige Connector-Boards an: Das phyVIP-ER Basic, das neben einem verpolungssicheren 12-bis-36-V-Eingang für die Versorgungsspannung über einen RJ45-Anschluss für Ethernet und eine USB-A-Schnittstelle verfügt, sowie das phyVIP-ER Full. Diese Full-Featured-Variante ist zusätzlich mit 2x CAN FD, RS-485, Audio mit integriertem 3W-Class-D-Verstärker sowie einem Erweiterungsstecker für Beleuchtung und Sensorik ausgestattet. Ein Micro-HDMI-Anschluss ermöglicht die Verbindung zu einem Monitor. Beide Varianten bieten konfigurierbare Trigger-/Strobe-Signale. Bilddaten der direkt am phyVIP angeschlossenen Kameras lassen sich auch als Stream über Ethernet kontrollieren und auswerten.
Prädestiniert für Embedded Vision
Die Integrationsplattform phyVIP ist aktuell in zwei Varianten mit den Prozessoren i.MX 95 und i.MX 8M Plus von NXP sowie unterschiedlichen KI-Beschleunigern erhältlich. Weitere Prozessoren und Varianten sind möglich.
Das phyVIP ist eine universelle Integrationsplattform für Embedded-Systeme. Mit seinen KI-Beschleunigern und den beiden direkt integrierten Interfaces für phyCAM-M-Kameramodule bietet es sich auch für Embedded-Vision-Projekte an. Besonderer Vorteil dabei: Alle Treiber für die Kameraanbindung sind bereits im Linux-BSP des phyVIP integriert, sodass kein zusätzlicher Software-Integrationsaufwand notwendig ist. Für Standard-Kameras sind darüber hinaus bereits gängige ISP-Funktionen implementiert, etwa für Demosaic, Denoise, Auto Exposure Control und White Balance. Auf Wunsch übernimmt Phytec auch Kalibrierungen individueller Kamera-Objektiv-Kombinationen und liefert das phyVIP direkt mit 15 verschiedenen, industrietauglichen Board-Level-Kameras und mehr als 60 Objektiven, komplett fertig montiert und kalibriert im eigenen Optik-Labor am Standort in Mainz.
Software für Security und Device-Management
Wie bei allen System-on-Modules, Single-Board-Computern und für den industriellen Serieneinsatz konzipierten Komplettsystemen bietet Phytec auch für das phyVIP ein angepasstes Betriebssystem und die Langzeitpflege für Hardware und Software. Umfassende Vorbereitungen für CRA-Konformität und Security-Anforderungen sind ebenfalls bereits integriert, von der Bestückung entsprechender TPM-Chips auf der Hardware bis zum Security-Konzept in der Software. Mechanismen für Update- und Device-Management sind ebenfalls vorbereitet und verkürzen damit die Zeit zur Serienreife zusätzlich.
Fazit: Durch Plattformstrategie schneller am Markt
Flexible Anpassung an individuelle Anforderungen, verbunden mit kurzer Entwicklungszeit und geringeren Kosten: Das phyVIP macht die Entwicklung von Embedded-Systemen durch den modularen Aufbau, den hohen Integrationsgrad der Hauptplatine und das einfache Design der individuellen Connector-Boards einfacher und strukturierter. Skalierbarkeit und Zukunftssicherheit sind mit der neuen Integrationsplattform von Beginn an berücksichtigt und lassen sich durch die Auswahl von Prozessormodulen aus dem phyFLEX-Portfolio von Phytec sowie mit den verfügbaren KI-Beschleunigern umsetzen. phyVIP vereinfacht die Entwicklung serienreifer Produkte und erhält zugleich die Flexibilität, die benötigt wird, um eine individuell angepasste und skalierbare Hardware für das jeweilige Endprodukt zu erhalten.
Der Autor
Dipl.-Ing. (FH) Martin Klahr ist seit mehr als 30 Jahren Bereichsleiter Digital Imaging bei Phytec Messtechnik.
In dieser Position verantwortet er die Entwicklung von Embedded-Vision-Angeboten und Kundenprojekten, inklusive Hardware, Software und Services rund um die Kameraintegration.