Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept

Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und
Systemkonzept
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
5. Oktober 2011
Arndt Kritzner, Logic Way GmbH
Der Laseko-Bordcomputer: Hardware und Systemkonzept
Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen
”Landwirtschaftliches selbstkonfigurierendes
Kommunikationssystem”
I
Datenerfassung
I
Sachdaten, Antriebsstrang-Daten, Positionsdaten,
Übergabedaten etc.
I
Verarbeitung/ Filter
I
Aufzeichnung/ Speicher
Kommunikation
I
I
I
I
I
Funk-Kommunikation mit ”Ruf-Reichweite”
Datensicherheit
Abhörsicherheit, Integrität, Kommunikationsweg etc.
Energiemanagement
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Erntemaschine
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Transportfahrzeug
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Fest-Installation
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Universelle LaSeKo-Kommunikationshardware
Wirkung
extern/lokal
extern/global
LaSeKo-LaSeKo
intern
1
Schnittstelle
2xCAN
Digitaleingang
8-35V Gleichstrom1
2,4GHz 802.15.4
LAN 10/100
RS232
USB Client
GSM/ GPRS/ Edge
GPS
2,4GHz 802.15.4
SD-Karte
RTC
Boardsteuerung
stationär: z.B. über Steckernetzteil
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Bemerkung
≥250kbit/s erforderlich, isoliert
Zündungskontakt, potentialfrei
Kondensator-Latentenergiespeicher
z.B. Sensoren, Bediengeräte
Konsole (isoliert)
virtuelles PtP Netzwerk
Direkt-Login
alternativ zu CAN-Maschinentelegramm
variabler Permanentspeicher
alternativ zu GPS, NTP; in Startphase
Überwachung, Abschaltung
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Auswahl
Systemdesign
I
nutzbare Module
technologische Beherrschbarkeit, Flexibilität, verringerter Entwicklungsaufwand
=⇒ GSM/ GPRS Sierra Wireless Wismo 218
Dualband
=⇒ GPS
Navman Jupiter 32
Sirf GSC3f
I
I
Betriebssystem
[Linux], BSD, Win CE, Free RTOS, ConTiki
Anpaßbarkeit, Reparierbarkeit, Treiberausstattung, Netzwerk- und
Sicherheitsfunktionen, Filesystem-Größe
=⇒
Linux
Buildroot, Kernel 2.35.4, Filesystem-Image <8MB
CPU
ARM, MIPS, [AVR32], ColdFire, x86
Leistungskenndaten, Betriebssystem-Unterstützung,
Informations-Zugänglichkeit, Beschaffbarkeit
I
Funk
WLAN, Bluetooth, [IEEE 802.15.4 (ZigBee/6lowPAN)]
Reichweite, Datenrate, Energieverbrauch
I
Peripherie
Speicher, Stromversorgung, Boardsteuerung, Kommunikation
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Entwurf
Blockschaltbild
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Entwurf
Blockschaltbild CPU-Modul
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Entwicklungsmuster
NGW1002 + Tochterboard (Entwicklungsmuster)
I
Betriebsspannungsbereich 9-15V
I
kein LatentEnergiespeicher
2
Preisentwicklung ca.€60,- =⇒ $200,-
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I
120x100mm
I
4-lagig
I
3x40 poliger
Sandwich-Stecker
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Erprobungsmuster
Trägerboard + ”Rechenbriefmarke”
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I
Trägerboard
160x100x1,5mm,
4-lagig
I
CPU-Board
68x50x1mm, 8-lagig
I
200-poliger
SODIMM-Stecker
I
8-35V Betrieb
I
Boardsteuerung,
LatentEnergiespeicher
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System, Buildroot
I
Buildroot 2009.08, Kernel 2.6.35.4
I
I
I
I
I
I
U-Boot (Bootloader)
I
I
I
Generell: Cross-Firmware-Generator für Linux-Systeme
Referenzsystem für Atmel NGW100
Konfiguration: Builroot, Kernel, Busybox, uClibc,
Target-Filesystem
aktualisiert und erweitert (Kernel Q3/2010, Treiber teilweise
Q1/2011, gepatcht)
Alternativen: OpenWRT, DD-WRT, OpenEmbedded etc.
Grundeinstellungen: Speicherbestückung, CPU-Takt
DHCP/TFTP Image-Download
Boardsteuerung (ATtiny84)
I
I
I
AVR8-C-Programm
Überwachung der Versorgungsspannungen
Shutdown, Reset
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Systemleistung, Bandbreite
I
CPU
I
I
802.15.4: 225kb/s (theoretisch, netto)
SPI
I
I
1Mb/s =⇒ 2xAT86RF231 =⇒ Funk ∼200kB/s
2,5Mb/s(3Mb/s) =⇒ 2xMCP2510 (1Mb/s) =⇒ CAN 250kb/s
(Antriebsstrang SAE-J1939), 125kb/s (Sachstrang)
I
tmpfs =⇒ 140Mb/s
I
SD-Karte =⇒ 30Mb/s4
3
4
3
Funk
I
I
AVR32B @ 120MHz, ca. 180 MIPS
∼ 100MHz Pentium ohne FPU
sequentiell schreiben, limitiert durch Karte, modellabhängig
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Fahrzeugeinsatz
Maschinen-/Fahrzeugeinsatz
I
Energiemanagement, Boardsteuerung
I
I
I
I
Verbrauchsminimierung
extern schaltbar
Spannungsspitzen und -einbrüche
abrupte Abschaltung
I
minimale Start- und Shutdown-Dauer5
I
komplett bedienfreier Betrieb
I
ESD-Schutz und Potentialtrennung
I
Mechanik67
5
∼15s Start, ∼7s Shutdown
Gehäuse und Steckverbinder
7
Schutzgrad
6
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Weiterentwicklung
Betriebserkenntnisse und Weiterentwicklungsrichtung
I
drahtlose Konnektivität =⇒ Lösung USB Host
Einbindung von Dritt-Funkteilnehmern per WLAN oder Bluetooth
I
Ortungspräzision, Meßraster/ Arbeitsbreite, EGNOS/SAPOS
Differential-GPS (EGNOS/SAPOS) evtl. für trennschärfere Parzellenzuordnung
sinnvoll
I
ARM
Entwicklung AVR32AP7xxx eingestellt =⇒ AT91SAM9G20
(ARM926EJS), kompakter, 6-lagig, zukünftig DDR-RAM und SPI-Flash
I
I
USB Host universelle Modulschnittstelle (z.B. WLAN, Bluetooth)
Status, E/A Informationsanzeigen, SPI I/O-Extender, ATmega
Boardcontroller
I
I
I
Spannungshub SEPIC-Regler für bessere Latentenergie-Nutzung
3G schnelle Mobilfunk-Datenverbindung
generelles Chip-Update MCP2115, ISO1040 etc.
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Gürtel und Hosenträger
Zuverlässigkeit/ Verwendungshäufigkeit: auch extrem selten
auftretende Fehler führen bei Massendaten-Anwendungen
zwangsläufig zu Problemen.
z.B. bei voller Funk-Datenrate ∼1500 Pakete/s =⇒ bei ”nur”
99,99% Zuverlässigkeit tritt Störung alle 7s auf.
I
Interrupts
gemeinsame (und-verknüpftes ”inaktiv”) und mit Laufzeit
behaftete Interrupts erzeugen <1 Anforderungen pro Bedarf =⇒ Wiederholung,
Timer
I
SD-Karte (NAND-Flash) beschreiben (Cache, tmpfs)
schreiben nur blockweise (>512kB) möglich =⇒ Kleinänderungen in /tmp
sammeln bis sich schreiben ”lohnt”
I
Linux-Treiber (Modulparameter)
kritische Treiber als Modul einbinden, debug-Option als Modul-Parameter
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Informationsquellen
I
Logic Way GmbH: Beschreibungen zu CPU-Modul(en) und
Trägerplatinen, Downloads für Firmware-Images und
Quellcode-Patches
I
Atmel: AVR32AP7000 Prozessordokumente
I
Atmel: Atmel Buildroot für AVR32-Linux-Geräte
I
Buildroot: Buildroot-Hauptseite
I
Bootloader: U-Boot
I
Linux: Kernel
I
Linux: Kernel (ersatzweise)
I
ZigBee: Linux-ZigBee-Stack
I
CAN: Linux-Socket-CAN
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