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Embedded-Systeme mit FPGAs entwickeln

Die richtige Balance finden

10. März 2022, 15:00 Uhr | Von Martin Kellermann

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Videos einfach konvertieren

Ein weiterer Bereich, in dem Flexibilität gepaart mit geringer Leistungsaufnahme und geringem Platzbedarf unabdingbar ist, ist der Bereich der Videokonverter. Professionelle Hochleistungskameras bieten in der Regel eine einzige Datenschnittstelle – das schränkt die Auswahl an Nachbearbeitungsgeräten ein. Mit Videokonvertern sind Anwender flexibler, was die Auswahl von Geräten für die Nachbearbeitung angeht – und sind nicht eingeschränkt bei der verfügbaren Bandbreite.

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Zudem unterstützen die Konverter verschiedene Protokolle wie HDMI, CoaXPress, SDI sowie verschiedene Ethernet-Protokolle. Hierbei kommen Multi-Gigabit-Transceiver, die auf Datenraten bis zu 12,7 Gbit/s optimiert sind, zum Einsatz. Zusätzlich kann der Formfaktor der Konverter kompakt gehalten werden, da Kühlkörper und Lüfter nicht mehr erforderlich sind. Auf der PolarFire-Technik basierende Videokonverter nehmen typischerweise weniger als 2 W auf (Bild 4).

20 Jahre Verfügbarkeit für Industrieautomation

Ebenso sind in der Industrie viele Einsatzbereiche der PolarFire-Technik gegeben, als Beispiele dienen Industriekameras und SPSen. Industriekameras wie in Bild 5 dargestellt, erfordern hohe Bildraten, eine hohe Auflösung und einen kleinen Formfaktor.

Aus dem Grund ist das thermische Design oft herausfordernd. Dank des optimierten Package-Layouts und effizienter thermischer Eigenschaften, lässt sich das jedoch einfach angehen. Durch die geringe Leistungsaufnahme und besonders den geringen statischen Stromverbrauch bleibt das Gerät kühl – das vereinfacht das Entwickeln des Wärmemanagements. Zudem unterstützt die PolarFire-Technologie hohe Auflösungen. So sind 4K-Bilder mit Wiederholraten von 60 Bildern pro Sekunde mit MIPI-CSI-2-Empfängerschnittstellen einfach umsetzbar. In PolarFire FPGAs erlauben diese Schnittstellen Datenraten von bis zu 1,5 GBit/s pro Leitung.

Obwohl physikalisch größer, sind SPSen ähnlich platz- und leistungsbeschränkt wie Kameras. Die Rack-basierten Systeme sind modular aufgebaut und bieten Standardbreiten, so können Anwender ihr System individuell anpassen. Ausschlaggebend ist nach wie vor die Rechner-Performance, um Ethernet, Mensch-Maschine-Schnittstellen, Motorsteuerung und Echtzeitbetriebssysteme (RTOS, Real Time Operating System) zu unterstützen.

Bild 6 zeigt ein generisches Blockdiagramm einer SPS, die mit PolarFire SoCs mit Quad-Core-RISC-V-Prozessor arbeitet. Das SoC unterstützt asymmetrisches Multiprocessing (AMP) zusammen mit einer festen, feingranularen Zuordnung von Cacheways zu einzelnen Prozessoren. Hiermit ist echtes Multitasking möglich. So kann zum Beispiel ein einzelner Prozessorkern für einen industriellen Ethernet-Protokollstapel zugewiesen werden, während ein zweiter Kern ein Linux-Betriebssystem ausführt. Der entsprechende Cache wird fest zugewiesen und Linux von anderen Hardware-Ressourcen getrennt. Außerdem können Entwickler die anderen beiden verfügbaren Kerne verwenden, um die erforderlichen Algorithmen für die Motorsteuerung oder einen Umrichter zu verarbeiten. Eine geringe Leistungsaufnahme ist hier ebenfalls gefragt, um die Temperatur der elektronischen Komponenten im Inneren der Blade-Module niedrig zu halten. Und das, selbst in anspruchsvollen thermischen Umgebungen von 60 °C und mehr. Einen tieferen Einblick, warum eine geringe Leistungsaufnahme auch in kabelgebundenen Systemen wichtig ist, gibt ein Fachartikel [1].

Die industrielle Automation umfasst ein breites Spektrum an Applikationen und Anforderungen. Bei den zugehörigen Industrieprodukten ist es nötig, die Geräte inklusive Support 20 Jahre oder länger anzubieten. Hierauf fokussiert sich Microchip Technology und macht das mit einem robusten »Assurance of Supply«-Programm möglich.

Automobilmarkt

Viele Applikationen des heutigen Automobilmarkts erfordern die Flexibilität von FPGAs, angefangen bei Sensoren wie Lidar, bildgebendem Radar oder Kameras – außerdem weniger sichtbare Funktionen wie hochpräzise und eng synchronisierte Antriebe von Elektromotoren. Ein stark wachsender Bereich ist der Einsatz von Kameras zum Warnen vor Kollisionen. Sie ermöglichen das Erkennen von Gefahrensituationen und melden das an den Fahrer oder steuern das Fahrzeug direkt, zum Beispiel mit dem automatischen Betätigen der Bremse.

Die Systeme stellen hohe Anforderungen an funktionale Sicherheit, Security und Verarbeitung mit geringer Latenz. Weiterhin wichtig ist eine zuverlässige Funktion bei hohen Temperaturen, verursacht von der Motorwärme oder der Sonne. Bild 7 zeigt einen Systemaufbau mit dem PolarFire FPGA »MPF050T« – Systemelemente für funktionale Sicherheit sind in gelber Farbe gekennzeichnet, Security-Komponenten in grün. Der integrierte sichere nichtflüchtige Speicher (sNVM) ermöglicht die Speicherung von Flottenschlüsseln zum Authentifizieren im Fahrzeugnetz innerhalb des Kameramoduls. Empfangene Bilddaten werden im Streaming-Modus verarbeitet, möglich ist das mit den parallelen Hardwarestrukturen der FPGA-Architektur. Zusätzlich können Anwender Zusatzinformationen wie Frame-Nummer oder Integritätschecks, zum Beispiel Cyclic Redundancy Checks (CRCs), hinzufügen, um die Kommunikation über die Schnittstelle mit dem zugehörigen Steuergerät abzusichern.

Weiterhin vermeidet man mit dem Streamen der Bilddaten die Gefahr des Verwendens von »eingefrorenen« Bildern aus dem Speicher. So ermöglicht man ein Verarbeiten mit fester und bekannter Ausführungszeit. Das führt dazu, dass im Gesamtsystem des Fahrzeugs mehr Zeit bleibt, um auf erkannte Gefahren zu reagieren. Abhängig von den genauen OEM-Anforderungen, ist man mit einem FPGA so flexibel, um Schnittstellen zu verschiedenen proprietären Bausteinen zu unterstützen.

Die prinzipiellen Rahmenbedingungen aller Applikationen sowie die Geschäftsanforderungen für ein erfolgreiches Produkt sind trotz der verschiedenen Märkte sehr ähnlich. Anwender wollen Risiken reduzieren oder vermeiden, zudem will man den Markt vor der Konkurrenz erreichen. Außerdem sollen Systemkosten reduziert und Gewinne erwirtschaftet werden. All das macht ein sorgfältiges Planen der Systemarchitektur und des zugehörigen Lieferpartners nötig: Microchip Technology bietet sich aus dem Grund als Partner für die Systemintegration an. So bietet das Unternehmen Schlüsselkomponenten und Referenzdesigns, um das Entwicklerrisiko und die Anzahl der Komponenten zu reduzieren. Zudem können Designer Zeit und Geld sparen, da Applikationen auf Cross-Funktion validiert und in vielen Fällen entsprechend garantiert sind.

Literatur

[1] Kellermann, Martin: Low Power = System Saving, Even in Plug-in Devices. 18. Oktober 2021. Microchip. https://www.microchip.com/en-us/about/blog/learning-center/low-power-system- saving-even-in-plug-in-devices#

Der Auitor

Martin Kellermann ist Marketingmanager bei Microchip Technology in München. In dieser Funktion arbeitet er mit dem europäischen Vertriebs- und Field-Application-Team zusammen. Bevor er zu Microchip kam, arbeitete er als Staff Field Application Engineer bei Xilinx. Er ist ein erfahrener FPGA- und SoC-Experte und hat erfolgreich Kundenprojekte in den Bereichen Industrie, Automotive und Rechenzentren umgesetzt. Kellermann besitzt ein Diplom in Elektrotechnik der HAW Landshut.
Martin.Kellermann@microchip.com