FPGA-Design

Flexible Maschinensteuerungen mit FPGAs aufbauen

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Darum ist es wichtig abzuklären, wo Bedarf besteht und welches Potential verwirklicht werden kann. Zu den typischen Nutzen der FPGAs gehören Beschleunigung und die Steigerung der Leistung sowie flexible Einsatzmöglichkeiten. Darüber hinaus stellen sie ein integriertes und skalierbares System dar (Bilder 2 und 3).

Die korrekte Anwendung zeigt auch auf der Systemebene die Vorteile der FPGAs auf:

  • Beschleunigung der Hardware-Entwicklung;
  • markante Produktdifferenzierung. z.B. durch Performanceverbesserungen;
  • „Long-Term“-Kostenoptimierung durch reduzierte Gesamtkosten über den Produkt-Lebenszyklus (oft 15 Jahre und mehr);
  • Kostenoptimierung durch hohe Flexibilität besonders bei kleinen und mittleren Stückzahlen.

Entscheidende Voraussetzung für den Markterfolg der Produkte und Kundensysteme ist es, Möglichkeiten und Chancen frühzeitig zu erkennen, die sich aus intelligenten Features ergeben. Dabei ist vor allem langjährige und tiefgehende Erfahrung in zahlreichen Kundenprojekten notwendig.

Häufig jedoch werden diese idealen Möglichkeiten zur Differenzierung der Maschinen nicht umfangreich genutzt. Hilfreich ist für Hersteller die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Entwicklungspartner – nicht erst in der Entwicklung, sondern bereits in den kritischen Konzeptphasen. Hierzu zählen vor allem die Kostenanalyse, die Auswahl der Komponenten und der Aufbau der Systemarchitektur.

Key-Faktor 2: Den „Kompetenz-Stack“ beherrschen

Anhand der typischen Grobarchitektur von Maschinensteuerungs-Lösungen wird eine weitere Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz von FPGAs erläutert (Bild 4). Dieser Aufbau stellt den integrativ zu betrachtenden Kompetenz-Stack dar, um erfolgreiche Gesamtlösungen zu entwickeln. FPGAs befinden sich häufig im „Zentrum des Geschehens“.

Die schematische Darstellung verdeutlicht, welchen weitreichenden Einfluss (Impact) FPGAs auf die Hardware und die Software haben. Beispielsweise beeinflusst ein „Ball Grid Array FPGA“ mit 800 Pins (BGA) und High-Speed I/O-Signalen maßgeblich das PCB-Design (Printed Circuit Board) samt Bestückungs-, Test- und Reparaturprozessen von Leiterplatten (Bild 5).

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Systemoptimierung durch FPGAs

FPGAs bilden wichtige Schlüsselbausteine zur funktionalen und performanten System-Differenzierung und zur Reduzierung der Time-to-Market. Daraus ergeben sich markante Wettbewerbsvorteile in der Geräte- und Maschinenentwicklung. Der erfolgreiche Einsatz von FPGAs erfordert jedoch eine hohe Kompetenz über den gesamten Prozess: Von der Elektronik über die Software bis hin zur zuverlässigen Produktion und Integration von Baugruppen.

Besonders im Maschinen- und Anlagenbau, wo kleine bis mittlere System-Stückzahlen dominieren, ermöglichen FPGAs Systemoptimierung und die Umsetzung vollkommen neuartiger Lösungen. Entscheidend für den Erfolg ist der Faktor Mensch: Die spezifische Einzel- & Teamkompetenz zählt und ein starkes Netzwerk mit kompetenten Entwicklungs- & Technologiepartnern ist für den Projekterfolg sehr förderlich.

Noch stärker bestimmen FPGAs aber die Lö¬sungsarchitektur der Software. Beispielsweise übernehmen FPGAs komplette Algorithmen, Protokoll- und Signalverarbeitungsschritte mit einer Performance, die in Software nicht zu re¬alisieren ist. Dies hat grundlegende Auswirkung auf die Partitionierung der Systemsteuerungs-Funktionen. Erst das optimale Zusammenspiel von Hardware und Software ergibt die ideale Systemlösung. Der Entwicklungspartner sollte daher alle Disziplinen (HW, FPGA, Software) kompetent abdecken.

Key-Faktor 3: Iterativer Systems-Engineering Prozess

Das FPGA-Design ist ein wichtiger Teilprozess im Systems-Engineering, das hier im systematischen Prozessablauf dargestellt wird. Systemanforderungen und System-Sicherheitsanforderungen bilden die Grundlage der weiteren Systementwicklung mit Systemarchitektur, Komponentenanforderungen und Komponentendesign. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass dieser Top-Down-Ansatz alleine nicht ausreichend ist, um optimale Lösungen zu entwickeln. In vielen Projekten wird daher der Prozess um eine zusätzliche Bottom-Up-Analyse ergänzt.

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