Warum ARM-Prozessoren für HMI-Geräte bestens geeignet sind

Die Nachfrage an Bedienkonzepten steigt stetig. ARM-basierende Geräte eignen sich bestens, um den heutigen Anforderungen an Grafikunterstützung, Sicherheit und Schnittstellen gerecht zu werden.

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Die Anforderungen an die Bedienung von aktuellen Gerätegenerationen werden vorwiegend durch die derzeit gängigen Smartphones geprägt. HMI-Lösungen (Human Machine Interface) existieren bereits länger zur Steuerung von Applikationen, etwa via Display und Touch. Die Anforderungen seitens der Kunden und Maschinennutzer steigen besonders anhand dessen, was man durch täglichen Einsatz elek-tronischer Geräte gewohnt ist. Im industriellen Umfeld dauert es hingegen etwas länger, bis solche Technologien so akzeptiert und verwendet werden, wie wir es von persönlichen Geräten gewohnt sind. Hersteller von industriellen Steuerungen und HMI-Geräten müssen daher handeln, um mit Wettbewerbern und Markttrends mithalten zu können.

Viele HMI-Schnittstellen sind in ARM-CPUs bereits integriert

An die Umsetzung von HMI-Geräten gibt es unterschiedliche Anforderungen. Es wird hier zwischen verschiedenen Bedienkonzepten unterschieden. Mit einem Displaycontroller kann nur visualisiert werden. In der Displayeinheit werden lediglich die grafischen Daten vom System dargestellt. Ein Touch-Controller koordiniert die Bedienung an das System.

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Die Steuerungsaufgaben werden von einer separaten Einheit übernommen, welche an die Displayeinheit angekoppelt ist. Immer häufiger übernimmt mittlerweile eine CPU sowohl die Visualisierung als auch die Steuerung von Geräten. Solche Lösungen sind oftmals günstiger als auch energieeffizienter, da nur eine CPU zum Einsatz kommt.

Die meisten CPU-Hersteller passen ihre ARM-basierenden CPUs so an, dass viele Schnittstellen wie Grafik, Ethernet, CAN, ADCs, SPI und digitale IOs bereits integriert sind. Mit dieser Vielfalt lassen sich die meisten Systemanforderungen ohne großen Zusatzaufwand umsetzen. Ein in der CPU realisiertes Pin-Multiplexing sorgt zudem für eine große Flexibilität, wenn es um die Konfiguration der ARM-CPU in Bezug auf benötigte Schnittstellen und Interfaces geht.

Geprägt durch die hohe Anzahl an direkt verfügbaren Schnittstellen und die Möglichkeit, ein Betriebssystem nach Erfordernis frei auszuwählen, sind die ARM-basierenden Prozessoren universell einsetzbar. Viele CPU-Hersteller bieten eine gute Applikationsunterstützung für industrielle Steuerungen und HMI-Geräte an. Zudem werden immer mehr Geräte auf Basis dieser Architektur entwickelt.

Ein Plattform-spezifisches OS bietet die beste Performance

Außerdem werden speziell auf den Prozessortyp angepasste Betriebssysteme (OS = Operation System) eingesetzt. Nebst Linux und QNX als nachgefragteste OS, werden etwa VxWorks, Android oder ein Realtime-OS von Green Hills oder Bare Metal eingesetzt. Bei der Auswahl des OS sollte auf jeden Fall berücksichtigt werden, welche Anforderungen die Steuerung hat. Weiterhin wichtig ist die Frage, ob auch eventuell benötigte Zusatzsoftware von Drittanbietern unterstützt wird. Ein auf die Plattform angepasstes OS stellt dem Anwender das Optimum an Performance zur Verfügung. Somit lassen sich auch komplexe Steuerungen mit anspruchsvoller Grafikleistung realisieren, ohne einen großen Overhead eines Betriebssystems zu benötigen.

Hinzu kommen sicherheitskritische Aspekte, die für Anwendungen zu beachten sind. Man spricht hier von funktionaler Sicherheit (Safety) und vom Schutz von äußeren Angriffen (Security). In beiden Fällen ist es meist eine Kombination aus Hard- und Software. Über ein geeignetes OS mit inte-grierten Sicherheitsfeatures und einer Unter-stützung der in der CPU bereits integrierten Security-Funktionen lassen sich oftmals bereits viele Anforderungen seitens Software und den Schutz vor äußeren Angriffen abdecken. Zum Teil müssen hardwareseitige Vorkehrungen für eine funktionelle Sicherheit getroffen werden.

Hierbei kann etwa ein preisgünstiger, kleiner Cortex-M-Controller verwendet werden. Dieser übernimmt die Überwachung der sicherheitskritischen Funktionen im System und greift bei Fehlern ein, um Schäden zu verhindern. Der Controller wird mit einer zu qualifizierenden Firmware versehen, die autark zum Rest des Systems läuft. Einige CPU-Hersteller wie NXP und Texas Instruments integrieren die Co-Prozessoren bereits in den Prozessor. In Kombination mit den Sicherheitsfunktionen haben die meisten CPUs einen integrierten Grafikcontroller. Eine Benutzeroberfläche (Graphical User Interface = GUI) sorgt für die notwendige Visualisierung der Applikation. Neben den proprietären GUIs der Betriebssysteme gibt es auch vom OS unabhängige Varianten. Weitverbreitet sind hier QT und Storyboard von Crank.

Analog-resistives oder Projected Capacitive Touch

Passend zum GUI und der gewünschten Bedienbarkeit muss die notwendige Touch-Technologie unterstützt werden. Weiterhin häufig genutzt wird hierbei die preisgünstige analog-resistive Technologie. Oft ist der Touch-Controller in der CPU integriert. Mittels Software-Unterstützung und einer mindestens 5-Draht-Technologie lassen sich Effekte mit zwei Fingern erzielen, die man von Smartphones kennt.

Eine neuere Technologie hierfür ist PCT (Projected Capacitive Touch). Je nach Hersteller und dessen Treiberunterstützung lassen sich abhängig vom GUI auch Multi-Touch-Anwendungen realisieren. Hier ist es umso wichtiger, entsprechend der gewünschten Systemfunktionalität auszuwählen. Ein wesentlicher Faktor ist hier die bereits vorhandene Softwareunterstützung der CPU oder eines CPU-Moduls. CPU-Module bieten oft den Vorteil, dass die BSP-Unterstützung gegenüber dem vom CPU-Hersteller zur Verfügung gestellten BSPs besser ist. Somit reduziert sich hier die notwendige Investition bei der Erstellung des Betriebssystems.

IPS oder NT – die Wahl des richtigen Displays

Ergänzend zum Touch ist das richtige Display von Bedeutung. Denn auch bei identischen technischen Spezifikationen zweier Produkte, kann der optische Eindruck variieren. Bei Displaytechnologie wie IPS oder NT gibt es herstellerspezifische Unterschiede. Das gilt ebenfalls für die Hintergrundbeleuchtung. Hier sollte die Lebensdauer möglichst >50000h angegeben sein, damit auch nach Jahren eine optimale Helligkeit gewährleistet ist. Die Regelung der Helligkeit sollte mit einer möglichst hohen PWM-Frequenz realisiert sein, um ein Flimmern zu vermeiden. Idealerweise sollte jedes Display unter möglichst realen Bedingungen getestet werden.

Ein weiterer Faktor ist die Langzeitverfügbarkeit eines Displays. Displays haben nicht zu vernachlässigende Auswirkungen auf das EMV-Verhalten eines Gerätes.

Langzeitverfügbarkeit und schnelle Entwicklung

Frühzeitige oder häufige Abkündigungen können bei Industrieprodukten schnell zu teuren Nachqualifizierungen und erneuten aufwendigen Zulassungen führen.

Einige ARM-CPU-Hersteller bieten hier Applikationsbeispiele für zahlreiche industrielle Anwendungen, die zur Ideenfindung genutzt werden können. Auch für die meisten spezifischen Schnittstellenanforderungen für Steuerungen mit Display im indus-triellen Umfeld werden Lösungsvorschläge angeboten. Diese versprechen eine schnelle Umsetzbarkeit für den Entwickler.

Die individuelle Entwickung industrieller Geräte ist aufwendig

Da die Stückzahlen von industriellen Geräten niedriger sind als im Konsumentenbereich, ist die individuelle Entwicklung jedes Systems aufwendig. Durch den Einsatz von Modulen können Entwicklungskosten eingespart werden. Zahlreiche Firmen fragen bereits gezielt nach Embedded-Modulen, die auf den empfohlenen CPUs basieren. Dabei nutzen sie sowohl die Vorteile eines Moduls als auch das bereits existierende Applikations- und Software-Know-how. Ein Modul wird meist nur einmal entwickelt und in verschiedenen Applikationen eingesetzt. Die Entwicklungsabteilung kann sich auf die systemspezifischen Hardware- und Softwareanforderungen konzentrieren.

Die Geräte unterscheiden sich meist am Mainboard und dessen Schnittstellen. So können Teile aus der Softwareentwicklung beim Einsatz eines Prozessormoduls in mehreren Applikationen wieder verwendet werden können. Auch die bereits bei der Zulassung gewonnen Erkenntnisse können bei neuen Projekten zum Teil weiter verwendet werden.

Minimodule von TQ mit multifunktionalen ARM-Controllern

Die Minimodule von TQ-Embedded machen sich die Vorteile eines multifunktionalen ARM-Controllers auf Basis aller gängigen Core-Architekturen (Cortex A7 – Cortex A72) zu Nutze. Sie bieten Langzeitverfügbarkeit von 15 Jahren, Energieeffizienz und optimierte Rechenleistung aller funktionalen Prozessor-Pins für den schnellen und unkomplizierten Entwicklungseinstieg. TQ-Embedded unterstützt Unternehmen außerdem bei der Realisierung von individuellen HMI.

Durch die positiven Eigenschaften der ARM-basierenden Embedded-Module bei Energieeffizienz, Rechenleistung, Schnittstellenvielfalt und Softwareunterstützung, kombiniert mit den guten Grafikeigenschaften ist diese Architektur besonders für industrielle HMI-Geräte geeignet. Zusammen mit einem für jede Anwendung speziell ausgesuchten Display und einer innovativen Benutzeroberfläche lassen sich ansehnliche und zuverlässige HMI-Geräte im Look-and-Feel gewohnter Bedienkonzepte für viele Anwendungen entwickeln.

* Konrad Zöpf ist Produktmanager ARM bei TQ-Systems

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