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„Geräte können ihr Gesicht ändern”

Plattformbasierter Ansatz: NI setzt bei Messgeräte- und Controller-Auslegung auf Flexibilität
„Geräte können ihr Gesicht ändern”

Was der IBM-PC im Bereich der Desktop-PCs bewirkte, will National Instruments (NI) im Bereich der Embedded-Systeme erreichen. Mit einer plattformbasierten Philosophie können Messgeräte und Controller schneller ausgelegt und vor allem modifiziert werden, weil der Anwender in deren Technologie eingreifen kann.

Nach Informationen von National Instruments.

„Wir sind bestrebt, einem Umfeld aus verschiedensten Technologien, Werkzeugketten und Fachwissen eine durchgängige Richtung zu geben und den Bereich der Embedded-Systeme so zu unterstützen, wie dies der PC für den Desktop tat“, sagt Dr. James Truchard, CEO von National Instruments (NI) in einem Anfang des Jahres veröffentlichten Ausblick zu Entwicklungen im Bereich der Embedded-Systeme. „Wir sehen es als unsere Rolle an, eine integrierte Standard-Hard- und -Softwareplattform bereitzustellen, mit der sowohl Domänenexperten als auch Embedded-Spezialisten gleichermaßen Mess-, Steuer- und Regel- sowie Embedded-Anwendungen umsetzen können“, ergänzt Rahman Jamal, Technology & Marketing Director Europe bei NI. Im Ergebnis solle dem Anwender ein Ökosystem zur Verfügung stehen, das zwar aus verschiedensten Technologien bestehe, aber durchgängige Werkzeugketten biete – in Analogie zu dem Ökosystem, das der IBM-PC für den Desktop schuf.
Welche Vorteile sich aus solch einem plattformbasierenden Ansatz ergeben, zeigt gut das Beispiel des amerikanischen Medizintechnik-Spezialisten Innara Health (ehemals KC BioMedix). Mit dem sogenannten ‚NTrainer System‘ entwickelte das Unternehmen eine Lösung, die Frühgeborenen das Saugen ‚beibringt‘ und damit ihre Überlebenschancen erhöht, weil sie schneller lernen, ohne künstliche Ernährung auszukommen. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um einen computergesteuerten Schnuller, bei dem der Teil im Mund durch sanfte Luftströme zum Pulsieren gebracht wird – nach Angaben von Innara Health eine erhebliche Verbesserung gegenüber der Stimulation des Saugreflexes des Babys per Finger.
Machbarkeitsstudie in drei Wochen
Der Designprozess bei Innara Health begann zunächst mit einer anwenderdefinierten Embedded-Lösung. Daran beteiligt war außerdem ein weiteres Unternehmen, das die Methode vermarktete. Als sich herausstellte, dass die Kosten zu hoch waren, wurde entschieden, die Entwicklung intern durchzuführen. In nur drei Wochen führte daraufhin der leitende Softwareingenieur mit der grafischen Entwicklungssoftware NI LabVIEW und der Hardware NI CompactRIO eine Machbarkeitsstudie durch, die bewies, dass CompactRIO die anwenderdefinierte Embedded-Lösung ersetzen konnte. Die Softwarearchitektur wurde mit mit den Modulen NI LabVIEW Real-Time, NI LabVIEW FPGA sowie NI LabVIEW Statechart entwickelt. Bei den ersten Geräten, die auf den Markt kamen, wurden die Systeme zudem mit CompactRIO implementiert, während die Serienproduktion mit NI Single-Board RIO noch kosteneffizienter arbeitet – wobei die Investitionen in die Softwareentwicklung vollständig gewahrt blieben.
„Mit unserer Philosophie der ‚Software-designed Instrumentation‘ beziehungsweise ‚Software-designed Controller‘ geben wir dem Anwender wesentlich mehr Freiheit“, betont Rahman Jamal. „Wir erlauben ihm, in die Tiefe der Messgeräte- beziehungsweise Controller-Technologie Schicht für Schicht einzutauchen, um so das Innenleben der Hardware anforderungsgemäß zu konzipieren und die Hardware noch besser zu nutzen.“ Zu erkennen ist solchermaßen flexibel nutzbare Hardware an der Endung RIO (reconfigurable I/O). Hinsichtlich des Einsatzspektrums sind dabei kaum Grenzen gesetzt: Man findet das Konzept sowohl im Teilchenbeschleuniger des CERN, dem Large Hadron Collider (ein Bericht dazu folgt in Ausgabe 11 der elektro Automation), als auch in der Lego-Mindstorms-Serie mit ihrem programmierbaren Legostein (siehe dazu auch den Info-Tipp).
Eine Kernkomponente einer solchen integrierten Hard- und Softwareplattform ist die anwendernahe Software für das Systemdesign. Damit werden Systemarchitektur und I/O während des Entwicklungsprozesses abstrahiert. So wird die Produktivität verbessert und Systementwickler müssen sich seltener mit den Einzelheiten der maschinennahen Implementierung wie Kommunikation zwischen Einheiten, Betriebssystemaufrufen, System-Timing und Interpretation von I/Os befassen. Außerdem führt die Abstraktion innerhalb der Designsoftware dazu, dass das funktionale Verhalten prägnant beschrieben und die Wiederverwendung von Programmcode trotz Änderungen bei der Hardware oder den Kommunikationsschnittstellen ermöglicht wird.
Eine weitere wichtige Komponente sind austauschbare I/Os. Plattformen mit austauschbaren I/Os bieten nicht nur Flexibilität und Wiederverwendbarkeit – so dass ein Rechnersystem für viele verschiedene Entwürfe mit eigenen I/Os genutzt werden kann –, sondern sie erlauben auch das Erstellen eines Ökosystems an handelsüblichen Standard- und benutzerspezifischen I/Os. „Diese Ökosysteme stellen ein wichtiges Umfeld für die Erweiterung der Funktionen von Embedded-Plattformen dar, das Bereichsexperten beim Zugriff auf eine Vielzahl von speziellen I/Os, Industriebussen sowie weiteren Signalen und Geräten unterstützt“, betont Jamal. „So müssen sie nicht auf benutzerspezifische Entwicklungen zurückgreifen.“
Kopf bleibt frei für Kernaufgaben
Zieht man an dieser Stelle nochmals den eingangs erwähnten Vergleich von der Embedded-Welt zum PC-Markt, liegen natürlich Vorteile wie die schnellere Time-to-Market oder die hohe Flexibilität beim Design von Mess- und Automatisierungstechnik auf der Hand. Die Frage aber ist, ob man sich diese Vorteile nicht mit gelegentlichen Nachteilen ‚erkauft‘ – etwa bezüglich der Kompatibilität der einzelnen Komponenten. „Unser Stichwort hier ist die ‚Integrierte Hard- und Softwareplattform‘ – ein plattformbasierender Ansatz, bei dem Hard- und Software nahtlos ineinander greifen“, antwortet Jamal. Dies gestatte Entwicklern von Embedded-Systemen, sich auf den Algorithmenentwurf, die Prototypenerstellung und einen schnellen Serieneinsatz zu konzentrieren – ohne dass sie sich intensiver mit der künstlichen Komplexität der Hard- und Softwarebestandteile befassen müssten.
Zuvor hätten viele Teams für das Embedded-System-Design auf zeitaufwändige und kostspielige benutzerdefinierte Architekturen gesetzt, so der Technology Director weiter. „Mit rekonfigurierbaren heterogenen Architekturen, die aus Embedded-Mikroprozessoren, programmierbarer Logik und I/Os bestehen, lassen sich aber die Anbindungs-, Leistungs- und Aktualisierungsanforderungen zahlreicher Anwendungen abdecken.“ Zudem seien diese Architekturen inzwischen in etlichen Formfaktoren verfügbar: von handelsüblichen Embedded-Systemen als Standardpaket bis hin zu Single-Board-Computern und Systems-on-Chips (SoCs). Als Teil einer integrierten Plattform ermöglichen sie die Wiederverwendung des geistigen Eigentums (Intellectual Property – IP) bei der Prototypenerstellung und im Serieneinsatz. Die Migration von Programmcode erfordert nur minimale Überarbeitungen. „Für Bereichsexperten sorgt die Kombination aus Kapazität und hoher Verfügbarkeit dafür, dass sie zeitaufwändige Hardwareentwürfe, teures Auslagern und große Teams – die sie von ihren eigentlichen Ideen ablenken würden – vermeiden können.“
Eine kürzlich durchgeführte Studie von Wilson Research mit allgemeinerem Schwerpunkt zeigte übrigens, dass Unternehmen, die diesen Ansatz verfolgen, Produkte in der Hälfte der Zeit und mit einem Drittel der technischen Ressourcen der Teams auf den Markt bringen, die einem klassischen Entwurfsansatz folgen. Die Kombination aus Bereichsexperten und integrierten Hard- und Softwareplattformen ermöglicht es, spezifische Embedded-Systeme für Mischbereiche zu implementieren. co
„Mit unserer Philosophie der ‚Software-designed Instrumentation‘ und der ‚Software-designed Controller‘ geben wir dem Anwender wesentlich mehr Freiheit – wir erlauben ihm, in die Messgeräte- und Controller-Technologie einzutauchen, um auf diese Weise die Hardware noch besser zu nutzen.“

PRAXIS PLUS – AKTUELL!
Anlässlich der NIWeek im texanischen Austin hat NI Anfang August den softwaredesignten Controller NI cRIO-9068 als Teil seiner offenen Systemdesignplattform für Embedded-Systeme vorgestellt. Integriert ist in den neuen CompactRIO-Controller die Zynq-7020-All-Programmable-SoC-Technologie von Xilinx, die einen Dual-Core-Prozessor Cortex-A9 von ARM und einen Xilinx-7-FPGA kombiniert. Dass die Kompatibilität mit NI LabVIEW und den I/Os der Plattform uneingeschränkt erhalten bleibt, bestätigt Bob Leigh, President und CEO von LocalGrid Technologies: „Innerhalb von 24 Stunden nach Erhalt des neuen Controllers lief unsere existierende LabVIEW-Anwendungssoftware ohne jegliche Probleme – wir waren von der unkomplizierten Übertragung der Software vom einen auf das andere CompactRIO-System beeindruckt.“
NI betont neben der Kompatibilität zu LabVIEW-Programmen vor allem die inneren Werte: Die Kombination von Dual-Core-Prozessor und FPGA biete viermal mehr Leistung als vorherige Generationen, der Betriebstemperaturbereich reicht nun von -40 bis +70 °C. Darüber hinaus soll das neue, Linux-basierte Echtzeitbetriebssystem noch mehr Flexibilität bei der Anwendungsentwicklung mit LabVIEW Real-Time sowie C/C++ bieten. Die Entwickler erhalten auf diese Weise Zugriff auf eine Vielzahl von Community-basierten Bibliotheken und Anwendungen, um Steuer-, Regelungs- und Überwachungssysteme zu erweitern. So lässt sich immer eine Lösung finden, sei es um einen Brand an Bord eines Frachtflugzeugs zu bekämpfen oder 20 t nassen Beton präzise aufzuschichten.
ni.com/crio-9068

INFO-TIPP
Über die NI-LabVIEW-basierte neue Messgerätearchitektur sprach elektro Automation auch anlässlich der SPS IPC Drives mit Rahman Jamal.
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