Für professionelle Haushaltsgeräte
Mikroprozessoren auf kompakten Formfaktoren
In »Prosumer«-Geräten verlangen Nutzer eine komfortable Benutzerschnittstelle mit hochauflösenden Displays und Spracherkennung. Um diese Anforderungen zu erfüllen, kommen immer mehr Mikroprozessoren (MPUs) statt Mikrocontroller (MCUs) zum Einsatz. Sie lassen sich flexibel per Linux programmieren.
In industriellen Systemen und professionellen Anwendungen spielt eine einfach bedienbare und selbsterklärende Benutzeroberfläche (User Interface) eine entscheidende Rolle. Doch auch Nutzer von hochwertigen Prosumer-Produkten wie Haushaltsgeräten, Wärmepumpen oder Ladestationen wünschen sich eine Ausstattung mit grafischen und farbenfrohen Bedienoberflächen.
Das Human Machine Interface (HMI) hat sich in den letzten Jahren grundlegend gewandelt und zielt auf eine möglichst intuitive Bedienung eines Gerätes. Die zur Steuerung von Maschinen und Systemen eingesetzten Knöpfe, Regler und Schalter werden immer mehr abgelöst von hochauflösenden Displays und kapazitive Touchscreens (PCAPs).
»Hallo, willst du heute den gleichen Kaffee wie gestern?« – eine intelligente Kaffeemaschine, die mit uns spricht und unsere Wünsche möglichst selbstständig erfüllt, ist kein Zukunftsszenario mehr. Die Bedienung von modernen professionellen Prosumer-Geräten wird durch Funktionen wie Gesichtserkennung, Spracherkennung und Gestensteuerung zur Identifikation und Verifikation des Nutzers erleichtert. Voraussetzung dafür ist neben einer leistungsfähigen Hardware mit ausgezeichneten Grafikeigenschaften und einer Wireless-Konnektivität der Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) mit neuronalen Netzen und selbstlernenden Algorithmen.
Mikroprozessoren bedienen anspruchsvolle Produkte
Mit der Komplexität der Benutzeroberfläche – mehr Animationen, Effekte oder Multimediainhalte –steigt der Bedarf an Verarbeitungsleistung und Speicher der Hardware. Bei der Entwicklung einer intelligenten Benutzerschnittstelle kommen unterschiedliche Technologien zum Einsatz. Setzten Entwickler in der Vergangenheit auf diskrete Hardware, kommen heute vorwiegend flexible Mikrocontroller (MCUs) oder Mikroprozessoren (MPUs) zur Anwendung. In zahlreichen Fällen reicht in Consumer-Anwendungen die Leistung von Mikrocontrollern aus. Für das Speichern und das Ausführen des Programms steht ein Embedded-Flash-Speicher on-chip zur Verfügung, sodass die MCU eine sehr kurze Startzeit hat und den Code sehr schnell ausführen kann. Der verfügbare Speicherplatz ist jedoch begrenzt. Bei dem Beispiel von »intelligenten« Kaffeemaschinen führen die zahlreichen Produktvarianten zu einem Wildwuchs der MCU-Software und Pflege dieser, die für den Anbieter nur noch schwer in den Griff zu bekommen ist.
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Für höhere Anforderungen an die Computing-Leistung und anspruchsvolle Produkte eignen sich skalierbare Mikroprozessoren (Bild 1). MPUs verwenden externe Speicher für die Programm- und Datenspeicherung. Das heute weit verbreitete Betriebssystem Linux läuft auf einem separaten RAM und lässt sich mit wenig Aufwand auf die Applikation zuschneiden. MPUs verfügen über eine Reihe an Embedded-Schnittstellen wie USB, PCI Express und Ethernet – sie erlauben den Anschluss von weiterer Peripherie und externem Speicher sowie die Integration in bestehende Netzwerke. Ein weiterer Vorteil ist, dass MPUs in der Regel mit einem Embedded TFT LCD Controller ausgestattet sind. Zudem integrieren einige leistungsfähige MPUs bereits KI-Beschleuniger.
Um den perfekten Übergang von mit Mikrocontrollern (MCUs) oder Multichip-basierten Anwendungen zu MPU-Applikationen zu erleichtern, bieten sich Embedded-Compute-Module an. Das Modulkonzept basiert auf einem modularen Ansatz und ermöglicht neben einer hohen Flexibilität die Optimierung der Projektkosten und die Reduzierung der Time-to-Market des Endprodukts. Die Embedded-Module sind in den Leistungsdaten skalierbar und erlauben ein einfaches Upgrade zu aktuellen Prozessortechnologien.
Auflötmodule für hohe Stückzahlen
Der offene Open Standard Module (OSM) Embedded-Computing-Standard, der von der Standardization Group for Embedded Technologies (SGET) gehostet wird, erweitert die Vorteile des modularen Embedded Computings auf Auflötmodule. OSM-Module im vorverzinnten Land Grid Array (LGA)-Package können ohne Stecker direkt auf die Leiterplatte gelötet werden und sind für einen vollautomatisierten Löt-, Assemblierungs- und Testprozess geeignet. Dank der reduzierten Anzahl an Produktionsschritten und dem Wegfall eines Steckers lassen sich im Vergleich zu den bislang existierenden Modulformfaktoren deutliche Kosteneinsparungen erzielen. OSM-Module sind robust und widerstandsfähig gegen Schock und Vibrationen und sind für den erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +85 °C spezifiziert. Die Solder-On-Module sind besonders für hohe Stückzahlen geeignet.
Avnet Embedded verfügt als ein Entwickler und Hersteller von Embedded-Systemen über alle Bausteine, um den Technologietrend bei HMIs voranzutreiben. Einige der wesentlichen Building Blocks für Benutzerschnittstellen kommender professioneller Konsumgüter-Anwendungen sind:
- hochauflösende Displays, auch mit MIPI-Schnittstelle
- Touchscreens
- Embedded-CPU-Plattformen in unterschiedlichen Formfaktoren wie OSM und SMARC
- Möglichkeit, die Plattform bei kundenspezifischen Single Board Computer (SBCs) zu verwenden
- Hardware und Software Building Blocks für KI-Unterstützung, beispielsweise Benutzererkennung und Sprachsteuerung
OSM-Modul mit hoher Skalierbarkeit
Die kompakte OSM-Modulfamilie »MSC OSM-SF-IMX93« von Avnet Embedded entspricht dem Size-S-Formfaktor mit Abmessungen von 30 mm x 30 mm und zeichnet sich durch eine hohe Skalierbarkeit aus (Bild 2). Die Module sind mit i.MX-9-Applikationsprozessoren von NXP Semiconductors bestückt. Die Prozessoren integrieren Single oder Dual Core Arm Cortex-A55 Cores mit bis zu 1,7 GHz, die die für Linux-basierte Edge-Applikationen benötigte Leistung und Energieeffizienz liefern. Die Arm Ethos-U65 microNPU (Neural Processing Unit) unterstützt die Entwicklung von leistungsfähigen, kosten- und energieeffizienten Machine Learning (ML)-Anwendungen. Die i.MX-93-Prozessoren bieten zudem Sicherheitsfunktionen mit integriertem »EdgeLock Secure Enclave« sowie eine effiziente 2D-Grafikprozessoreinheit (GPU).
Die Module sind mit schneller Low-Power-LPDDR4-Speichertechnologie mit inline-ECC-Unterstützung und bis zu 256 GB eMMC-Flash-Speicher ausgestattet, die typische Design Power liegt zwischen 2 und 4 W. Die Auswahl an Embedded-Schnittstellen umfasst
- Dual Gigabit Ethernet (RGMII),
- 2 x USB 2.0,
- 2 x CAN-FD,
- MIPI-DSI und
- MIPI CSI-2 für den Anschluss einer Kamera.
Ebenfalls für HMI-Systeme in Consumer-Produkten eignet sich die energieeffiziente Embedded-Modulfamilie »MSC SM2S-IMX8ULP« von Avnet Embedded im SMARC-Formfaktor. Die Baugruppen basieren auf dem i.MX-8ULP-Crossover-Applikationsprozessor von NXP Semiconductors und sind auf eine sehr geringe Verlustleistung bei gleichzeitig guter Rechenleistung ausgelegt. Der Applikationsprozessor integriert einen Single oder Dual Core Arm Cortex-A35-Applikationsprozessor mit bis zu 1 GHz, einen Arm Cortex-M33-Echtzeitkern und 2D/3D Grafikeinheiten (GPUs). Zudem unterstützen die integrierten ICs Tensilica »Hifi 4 DSP« sowie der »Fusion DSP« von Cadence Audio- und Spracherkennung sowie Edge-KI- und ML-Applikationen. Die Thermal Design Power (TDP) liegt deutlich unter einem Watt. Zur Evaluierung und zum Design-In der neuen Modulfamilien stellt Avnet Embedded eine Entwicklungsplattform und ein Starter Kit sowie umfangreiche Service-Leistungen zur Verfügung.
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