INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2021

EDGE-COMPUTING DIREKTE

EDGE-COMPUTING DIREKTE BANDBREITE FÜR DATENERFASSUNG BIS WIFI 6E Aussagekräftige und genaue Daten sind die Basis für den weiteren erfolgreichen Ausbau der Digitalisierung im industriellen Umfeld. Damit Informationen schnell und zuverlässig an der richtigen Stelle zur Verfügung stehen, wird eine schnelle Datenerfassung, Vorverarbeitung und zuverlässige High-Speed-Kommunikation benötigt. Mit dem richtigen Systemverständnis und den passenden Systemkomponenten lassen sich auch individuelle Lösungen optimal umsetzen. Egal ob Messdaten oder Bilddaten: im ersten Schritt kommt es darauf an, die erfassten Daten möglichst direkt und effizient zur Weiterverarbeitung im Prozessor bereitzustellen. In der Messtechnik haben sich deshalb über das letzte Jahrzehnt FPGA-Lösungen mit PCIe-Anbindung zur Messwerterfassung etabliert. Diese ermöglichen es dem Prozessor, ohne Umwege und mit hoher Geschwindigkeit auf die erfassten Daten zuzugreifen. Je umfangreicher die Daten, desto höher muss dabei die Übertragungsbandbreite ausgelegt werden. Moderne FPGA- Implementierungen setzen deshalb in vielen Fällen auf PCIe x4 und unterstützen dabei Geschwindigkeitsklassen von bis zu 8 Gb/s pro Lane (PCIe Generation 3), so dass eine Gesamtübertragungskapazität von bis zu 32 Gb/s erreicht werden kann. Diese hohen Übertragungsraten sind auch im Bereich der Bilderfassung wichtig, vor allem dann, wenn es um hochauflösende Bilder mit hoher Bildwiederholrate und geringer Latenz geht. Neue Kamera-Modelle für Embedded Vision wie die mvBlueNAOS2-Serie von Matrix Vision stellen die Bilddaten nicht über MIPI-CSI oder klassische Standard-Interfaces wie USB oder Gigabit Ethernet zur Verfügung, sondern ermöglichen die direkte Anbindung über PCI Express. Damit liegen die real erreichbaren Übertragungsraten von Haus aus deutlich höher als bei den zuvor erwähnten Schnittstellen. Zusätzlich entfällt auch Protokoll-Overhead, der bei USB und Gigabit Ethernet z. B. mit vergrößerter Latenz und höherer Systemlast zu Buche schlägt. Für die Erfassung von Bildinformationen, die per HDMI übertragen werden, kommen Framegrabber zum Einsatz. Moderne Ausführungen unterstützen dabei typischerweise bis zu 4K 60 fps und sind im M.2 Formfaktor mit PCIe x4 Anbindung sehr einfach und kompakt zu integrieren. Damit all diese Anwendungsfälle ohne Einschränkungen abgedeckt werden können, muss der ausgewählte Prozessor PCIe x4 Gen3 unterstützen und ausreichend Performance bieten, um diese Daten weiter zu verarbeiten. ZUVERLÄSSIG KOMMUNIZIEREN Mit fortschreitender Digitalisierung werden auch die Kommunikationswege vor größere Herausforderungen gestellt. Gigabit 76 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2021/06 www.industrielle-automation.net

KOMPONENTEN UND SOFTWARE Ethernet gehört im industriellen Umfeld ganz selbstverständlich zu den etablierten, kabelgebundenen Standards. Sind die Infrastruktur und die angeschlossenen Komponenten auch für 2,5 Gbit ausgelegt, so können diese kabelgebundenen Übertragungsstrecken auch mit höherem Datenaufkommen gut umgehen. Immer mehr rücken im Industriebereich aber auch Funkverbindungen in den Fokus. Für hohe Datenbandbreiten und zuverlässige Kommunikation sollten hierbei die neuesten Standards im Mittelpunkt stehen. Abhängig vom Anwendungsfall stehen z. B. WiFi 6 und 5G zur Diskussion. Während mit 5G eine komplett neue Infrastruktur aufgebaut werden muss, setzt WiFi 6 (IEEE 802.11ax) auf einer etablierten Historie auf, bietet hohe Übertragungsraten, geringe Latenz sowie gute Zuverlässigkeit und ist dennoch auch rückwärtskompatibel. Mit der neuesten Ausführung WiFi 6E (Gig+) stehen zusätzliche Funkfrequenzen zur Verfügung, sodass für kritische Verbindungen die Störung durch ältere Geräte ausgeschlossen werden kann. Egal welcher Kommunikationsstandard zum Einsatz kommt, wichtig bei der Implementierung ist, dass die Anbindung an den Prozessor ausreichend Bandbreite zur Verfügung stellt und hier kein Flaschenhals entsteht. Ethernet-Controller sind meist schon im Prozessor integriert oder werden extern über PCIe angebunden. WiFi 6(+) und mobile Breitbandverbindungen wie 5G werden oft als vorzertifiziertes Funkmodul im System integriert: Für WiFi sollte hierfür ein M.2 Key A/E Steckplatz mit PCIe Anbindung zur Verfügung stehen, wohingegen LTE/5G Module meist im M.2 Key B Format mit USB Anbindung angeboten werden. MODULAR AUFGEBAUTE DESIGNS Eine Vielzahl von Edge-Computing-Anwendungen können seitens der technischen Anforderungen auf einen gemeinsamen Nenner gebracht werden: Daten werden über PCIe x4 für den Prozessor bereitgestellt. Abhängig von den Anforderungen an die Datenvorverarbeitung sollte die Rechenleistung flexibel auswählbar sein und die Größe und Geschwindigkeit des Arbeitsspeichers sollten keine Limitierung darstellen. Um ausreichend Flexibilität für die Kommunikation zu bieten, sind Gigabit Ethernet, weitere PCIe Lanes und schnelles USB meist unverzichtbar. PC-Technologie bietet nicht nur softwareseitig hohe Flexibilität und einfache Integrationsmöglichkeiten. Auch bezüglich der zuvor genannten Schnittstellen haben x86 Plattformen wie die neue Intel Atom x6000E Prozessorfamilie im Vergleich zu anderen Embedded-Ansätzen sehr viel mehr Augenmerk auf diese Anforderungen gelegt. Um in modular aufgebauten Designs umfänglich davon profitieren zu können, bietet sich der Computer-on- Module-Standard COM Express Compact Type 6 an: hierbei können acht PCIe Lanes, 2× USB 3.1 sowie 8× USB 2.0 des neuen Intel Atom Prozessors zur Verfügung gestellt werden, wodurch ausreichend Möglichkeiten zur Anbindung von externen Komponenten für die Datenerfassung, Kommunikation und Interaktion bereitstehen. Da Gigabit Ethernet ebenfalls standardmäßig angeboten wird, ist die kabelgebundene Netzwerkkommunikation ohne zusätzliche Komponenten abgedeckt. Weiterhin stehen alle drei 4K-fähige Display-Interfaces des Prozessors am Steckverbinder zur Verfügung, sodass z. B. in Vision-Anwendungen auch hochauflösende Visualisierung bzw. Multi-Monitor HMI-Funktionen angeboten werden können. VOLLE FLEXIBILITÄT IM SPEICHERAUSBAU Mit den beiden Embedded Modulen TQMxE40C1 und TQMxE40C2 stellt TQ nicht nur den vollen Funktionsumfang und die ganze Bandbreite an Prozessor-Derivaten der Intel Atom x6000E „Elkhart Lake“ Familie zur Verfügung, sondern bietet darüber hinaus auch volle Flexibilität bezüglich Speicherausbau: bis zu 16 GB gelöteter LPDDR4 Speicher oder die flexible Konfiguration mit zwei SO-DIMM für bis zu 32 GB DDR4 sind möglich, wodurch auch Systeme mit mehreren parallel laufenden Prozessen und Anwendungen über ausreichend Ressourcen verfügen. Mit einem durchdachten Ansatz und den passenden Kernkomponenten gibt es keine Limitierung bei der Umsetzung applikationsspezifischer Edge-Computing-Lösungen. Die Praxis zeigt: Nicht nur als Embedded Anbieter, sondern auch als Entwicklungs- und Produktionspartner für unterschiedlichste Anwendungen steht TQ für Kompetenz und Qualität „Made in Germany“ – von der Idee bis zum fertigen Produkt. Das umfangreiche TQ-Embedded Portfolio an Computer-on-Modules in Kombination mit den passenden Starterkits von TQ unterstützen bei der Evaluierung und sorgen für eine schnelle Umsetzung optimierter Lösungen. Bilder: TQ-Group MIT UNSEREN INTEL ATOM X6000E BASIERTEN EMBEDDED MODULEN ADRESSIEREN WIR VIELFÄLTIGE EDGE- COMPUTING-ANWENDUNGEN. DAMIT KANN DIE NUTZUNG NEUSTER HIGH- SPEED-KOMMUNIKATIONSSTANDARDS DURCHGÄNGIG SICHERGESTELLT WERDEN. Harald Maier, Product & Business Manager x86, TQ-Group, Seefeld www.tq-group.com UNTERNEHMEN TQ-Group, Mühlstraße 2, Gut Delling 82229 Seefeld, Tel.: +49 8153 9308-0 E-Mail: info@tq-group.com AUTOR Harald Maier, Product & Business Manager x86, TQ-Group, Seefeld www.industrielle-automation.net INDUSTRIELLE AUTOMATION 2021/06 77