Kombination mehrerer Module

Vielfache Rechenleistung dank Multi-SoM

7. Oktober 2022, 8:30 Uhr | Von Oliver Helzle, Geschäftsführer hema electronic
Spezialfahrzeugen
Elektroniken mit mehreren System-on-Modules eignen sich optimal für Rundumsicht-Applikationen in Spezialfahrzeugen und anderen Anwendungen, für die Daten zahlreicher Sensoren verarbeitet werden müssen.
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Rundumsicht- und Surveillance-Applikationen erfordern hohe Rechenleistung und spezielle Schnittstellen. Kommen Echtzeit-Anforderungen und sicherheitskritische Funktionen dazu, sind spezielle Elektroniken nötig. Optimal eignen sich dafür Embedded-Systeme, die mehrere System-on-Modules kombinieren.

Embedded-Elektroniken zeichnen sich dadurch aus, dass sie optimal auf ihre jeweiligen Anwendungen abgestimmt sind. Sie sind mit allen notwendigen Schnittstellen und Funktionen ausgestattet, verzichten dabei aber auf alle nicht notwendigen Komponenten. Das sorgt für kompaktes Design und geringe Stromaufnahme im Verhältnis zur Leistung. Hiermit können die Elektroniken auch in mobilen und remote-arbeitenden Anwendungen eingesetzt werden, von Nutzfahrzeugen über Roboter bis hin zu Drohnen.

»Embedded« steht für optimale Anpassung

Für das Design von Embedded-Systemen hat sich die Kombination von hochentwickelten System-on-Modules (SoMs) mit kundenspezifischen, perfekt an die Anwendung angepassten Mainboards etabliert. Die SoMs stellen dabei die Rechenleistung von einem oder mehreren Prozessoren zur Verfügung. Häufig werden hier frei programmierbare Arm-Prozessoren und weitere Rechenkerne, FPGAs sowie spezielle Prozessoreinheiten für die Aufbereitung von Bild- und Videodaten oder für Anwendungen künstlicher Intelligenz (KI) kombiniert. Diese Graphical Process Units (GPUs), Image Signal Processor (ISP), Neuronal Process Units (NPUs) und Tensor Process Units (TPUs) etc. sind ebenso wie Speicher, Power-Management und andere EMV-kritische Komponenten bereits auf den Modulen integriert und bewähren sich häufig bereits in zahlreichen Anwendungen. Der Einsatz von SoMs in Verbindung mit individuellen Mainboards spart Zeit und Kosten im Design der Gesamtelektronik und mindert gleichzeitig das Risiko von Designfehlern. Außerdem wird die Komplexität des Mainboard-Designs reduziert.

Mehrere SoMs und Prozessoren für spezifische Funktionen und hohe Leistung

Damit sicherheitskritische Funktionen redundant zur Verfügung stehen oder auf eigenen, dedizierten Prozessoren ausgeführt werden können, sowie um eine sehr hohe Anzahl an Schnittstellen und Daten parallel verarbeiten zu können, ist es häufig sinnvoll und notwendig, mehrere System-on-Modules vorzusehen. In dem Fall können Video-Ein- und Ausgänge auf zwei oder mehr SoMs aufgeteilt werden. In einem Beispielsystem hat hema electronic zwei Module mit Zynq UltraScale+-SoC von AMD-Xilinx integriert, die pro Modul vier parallele Videostreams verarbeiten. Insgesamt verfügt die Elektronik über 24 Videoeingänge für analoge und digitale Signale. Die verarbeiteten Videodaten werden anschließend mittels eines Multiplexers wieder verschaltet und über vier Ausgänge gestreamt bzw. angezeigt. Für diese Ausgabeverarbeitung kommt als drittes SoM auf der Elektronik ein Nvidia-Modul mit leistungsstarker GPU zum Einsatz. Auf den Hauptprozessoren der beiden Xilinx-SoMs werden auch die Anwendungen der Kundenapplikation ausgeführt. Mit dem beschriebenen System ist es zum Beispiel möglich, zahlreiche Bilder auf einem Monitor auszugeben, mit entsprechend angepassten Auflösungen und Overlays weiterer Sensordaten.

Herausforderung: Synchronisierung und Zusammenarbeit

Die Herausforderung im Design der Elektronik bestand insbesondere in der Synchronisierung der SoMs sowie in der komplexen Verschaltung der insgesamt 40 Ein- und Ausgänge, die komplett frei per Software erfolgen sollte. Hierbei mussten Echtzeitanforderungen, geringe Latenz und verlustfreie Datenübertragungen berücksichtigt werden. Außerdem war für das Video-Handling eine geringe Interrupt-Last notwendig. Hierfür wurde eigens ein Cortex-R5-Rechenkern eines der Xilinx-SoMs abgestellt, um eine schnelle Reaktion auf Kommandos zu ermöglichen. Seine Rechenleistung ist dafür ausreichend, bei gleichzeitig niedriger Leistungsaufnahme. Als Betriebssystem setzte hema für die Anwendung auf FreeRTOS, das für Videohandling in Echtzeit prädestiniert ist. Die isolierte Prozessoreinheit kann gleichzeitig auch genutzt werden, um z.B. für sicherheitskritische Situationen verlässliche Bilddaten zu liefern.

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hema Embedded-Vision-Plattform
Mit der hema Embedded-Vision-Plattform können Elektroniken mit ein- oder mehreren System-on-Modules einfach, schnell und kostengünstig entwickelt werden.
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FPGAs übernehmen Vorverarbeitung

Zahlreiche Vorverarbeitungen der Videodaten übernehmen die integrierten FPGAs der SoMs, zum Beispiel die Korrektur optischer Verzerrungen (Lens / Distortion Correction), Spiegelungen, Image-Fusion und Overlays, sodass die Rechenleistung der Arm-Prozessoren für die Parametrierung der Sensoren und für die Kundenapplikationen zur Verfügung stehen. Linux als Betriebssystem ermöglicht hier eine unkomplizierte Entwicklung in bekannter Umgebung. Gleichzeitig können durch die Verwendung von FPGA-Logiken für die Datenaufbereitung kostengünstigere Sensoren ohne integrierte Intelligenz eingesetzt werden. Das Zusammenspiel der FPGAs und Arm-Prozessoren wird in dieser Konstellation optimal ausgenutzt, sodass die Signaldaten flexibel und ohne Informationsverlust genutzt werden können, ohne dass dabei eine Zwischenspeicherung notwendig ist. Das Ergebnis ist eine geringe Latenz beim Streaming oder der Ausgabe der Daten. Zudem können die Anwendungen auf dem Hauptprozessor auf die komplette Datentiefe der Bild- und Videodaten zugreifen, anders als bei bereits von den Sensoren ausgewerteten Bildern. So ist es möglich, dieselben Daten für mehrere Anwendungen zu nutzen, zum Beispiel zum Übertragen eines kompletten Farbbildes und zum Zählen von Objekten oder Personen.

Modulares Design spart Entwicklungszeit und Kosten

Die Entwicklung entsprechender Elektroniken für zahlreiche verschieden Sensordaten und mit mehreren System-on-Modules im Zusammenspiel ist aufwendig – und damit entsprechend kostenintensiv. Abhilfe schaffen hier modulare Konzepte wie die hema Embedded-Vision-Plattform. Sie wurde speziell für die Integration und Datenverarbeitung von Bild- und Videosensoren konzipiert und umfasst Hardware ebenso wie Middleware und ein Softwaregerüst für den schnellen Einstieg in die Entwicklung der Endapplikation. Kunden wählen für ihr Projekt die benötigte Rechenleistung oder das – bzw. die – gewünschten System-on-Modules aus. Hierbei arbeitet hema mit leistungsfähigen Modulen von AMD-Xilinx ebenso wie mit Modulen weiterer Unternehmen. Im nächsten Schritt werden die benötigten Schnittstellen und Funktionen festgelegt. Typische Interfaces wie USB, CAN, Ethernet, Wifi / Bluetooth sowie spezielle Video- und Sensorschnittstellen wie MIPI, SDI, etc. stehen dabei bereits als Building-Blocks in der hema Design Library zur Verfügung. Hinter diesen aktuell rund 45 Funktionen verbergen sich Layout- und Schaltplanelemente, die so bereits in zahlreichen industriellen Projekten erfolgreich eingesetzt werden.

Kundenspezifische Multi-SoM-Mainboards

Entsprechend der Kundenanforderungen bezüglich Platinenformat, Schnittstellenposition etc. werden die Funktionsblöcke im Design angeordnet und das Routing entsprechend optimiert. Neue oder kundeneigene Schaltungsteile können ebenfalls integriert werden. Im Ergebnis erhalten Kunden so innerhalb von nur wenigen Wochen – im idealen Fall bereits nach sechs Wochen – einen ersten Prototyp ihrer Elektronik. Dieser basiert dann bereits auf industrie- und serientauglichen Schaltungen und Komponenten, die auch in der Produktserie zum Einsatz kommen können. Langzeitverfügbarkeit und Marktsituation für die Bauteile prüft hema bereits beim Design, um Risiken auch bei langen Produktlebenszyklen zu reduzieren. Die Entwicklung und Fertigung der Elektroniken erfolgt unter einem Dach am Standort des Unternehmens im Süddeutschen Aalen. Das ermöglicht kurze Reaktionszeiten und eine reibungslose Zusammenarbeit sowie ein Höchstmaß an Flexibilität in der Belieferung der späteren Serienelektronik.

Auch Software im Baukastenprinzip

Das Zusammenspiel mehrerer System-on-Modules sowie die optimale Ausnutzung der einzelnen Prozessoreinheiten für das Embedded-System erfordern umfassendes Know-how, sowohl in Bezug auf Hardware, als auch für die Softwareentwicklung. In beiden Bereichen greift hema auf die Erfahrung aus zahlreichen Projekten zurück. Jede Elektronik wird mit angepasstem Board-Support-Package und umfassender Middleware ausgeliefert. Bestehende oder für Kunden spezifisch entwickelte IP-Cores für die Verarbeitung der Sensordaten in den FPGAs gehören ebenso dazu wie die Integration spezialisierter Software-Bibliotheken wie Halcon von MVTech. Diese Vorleistungen erleichtern Unternehmen den Einstieg in die Entwicklung ihrer Anwendungen und helfen so, die Zeit zur Serienreife zu verkürzen. Außerdem unterstützt das Unternehmen seine Kunden mit umfassenden Services im Projekt- und Lifecycle-Management.

Modulares Design für komplexe Anforderungen

Die hema Embedded-Vision-Plattform zeigt: Auch komplexe Anforderungen und Elektroniken mit mehreren System-on-Modules können mit modularen Designkonzepten schnell und kostengünstig umgesetzt werden. Hierbei profitieren Kunden von erprobten Building-Blocks für Layout und Schaltplan sowie vom umfassenden Know-how des Unternehmens mit entsprechenden Elektroniken. Die optimale Ausnutzung und das Zusammenspiel der Module und ihrer jeweiligen Recheneinheiten sind so gewährleistet und bereits im Design der Mainboards sowie in Middleware und Softwaregerüst der Elektroniken vorbereitet. Kunden erhalten innerhalb kurzer Zeit erste Prototypen, mit denen sie umgehend in ihre Applikationsentwicklung einsteigen. Sie sind bereits seriennah entwickelt und ermöglichen eine schnelle Weiterqualifizierung zum Serienprodukt.

Der Autor

Dipl.-Wi.-Ing. Oliver Helzle ist seit 2004 in unterschiedlichen Management-Positionen für die hema electronic tätig. 2021 hat er die alleinige Geschäftsführung von seiner Mutter übernommen. Damit bleibt das Unternehmen aus Aalen auch in Zukunft familiengeführt.


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