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In sechs Wochen zum seriennahen Embedded-Vision-Prototyp

Autor / Redakteur: Oliver Helzle * / Gerd Kucera

Embedded Vision folgt dem Trend der Elektronik-Miniaturisierung. Mit SoMs (System-on-Module) und Softwarebibliotheken lässt sich die IBV-Lösung mit skalierbarer Leistung und Funktion konfektionieren.

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Bild 1: Das modulare Konzept besteht aus FPGA-basierten System on Modules (SoMs) und individuellen Mainboards, die aus derzeit bereits über 45 Building Blocks frei konfiguriert werden können.
Bild 1: Das modulare Konzept besteht aus FPGA-basierten System on Modules (SoMs) und individuellen Mainboards, die aus derzeit bereits über 45 Building Blocks frei konfiguriert werden können.
(Bild: hema electronic)

Zunehmend profitieren industrielle Anwendungen von der Datentiefe der Bildverarbeitung und ihrer Auswertbarkeit. Gleichzeitig stellt die Bildverarbeitung hohe Anforderungen an den Aufbau der entsprechenden Elektronik – längere Entwicklungszeiten und höhere Kosten sind oft die Folge. Das muss nicht sein, denn mit einem modularen Design für Hard- und Software lässt sich die Entwicklungszeit für eine IBV-Applikation drastisch verkürzen und macht spätere Upgrades einfach möglich. Individualität, Industrietauglichkeit und Serienoptimierung der Lösung stehen dabei im Mittelpunkt.

Das Schlüsselwort heißt Embedded Vision; der technische Fortschritt dieser jungen IBV-Disziplin ist entsprechend schnell. Das führt zu einem hohen Innovationsdruck und immer kürzeren Entwicklungszyklen in der Industrie.

Unternehmen stellt das vor große Herausforderungen, weil die Projekte auf Grund ihrer Komplexität oft längere Entwicklungzeiten benötigen. Dazu kommt die aktuelle Corona-Krise, die durch Kurzarbeit und aufgeschobene Projekte den Stau in den Entwicklungsabteilungen erhöht. Wie können wir Unternehmen wirksam unterstützen, damit sie trotz allem ihre Produkte schneller zur Serienreife bringen können? Diese Frage hat uns zur Entwicklung unserer modularen Design-Plattform geführt.

Schneller Einstieg in die Software-Entwicklung

Die Entwicklungsgrundlage von hema ist speziell auf die Anforderungen von Embedded-Vision-Anwendungen zugeschnitten. Sie umfasst die Hardware ebenso wie Middleware und ein umfassendes Softwaregerüst. Innerhalb von rund sechs Wochen erhalten Kunden eine individuelle Lösung, mit der sie ihre eigenen Applikationen schnell und unkompliziert entwickeln, implementieren und testen können.

Unser Ziel war es, die Entwicklung in der Anfangsphase zu beschleunigen und Anwender sehr schnell eine Hardware-Umgebung für ihre Embedded-Vision-Projekte zur Verfügung zu stellen. In der Hauptphase bleiben dann mehr Zeit und Kapazität für die Weiterentwicklung zur Serienreife. Aufgrund erprobter und Industrie-tauglicher Schaltungen und Komponenten ist der Prototyp mit dem Modulen von hema bereits sehr nahe an der späteren Serien-Hardware, sodass Serienoptimierung und Produktionsstart ebenfalls in wenigen Wochen erfolgen können.

45 Bausteine für eine frei konfigurierbare Hardware

Besonderheit der Design-Plattform ist wie erwähnt das modulare Konzept. Es besteht aus FPGA-basierten SoM (System on Modules) und individuellen Mainboards, die aus derzeit bereits über 45 Building Blocks frei konfiguriert werden können. Anwender wählen dazu einfach die benötigten Schnittstellen aus der Bibliothek der Hardware Building Blocks aus. Standard-Interfaces wie Ethernet, USB, CAN und Wifi/Bluetooth sind dabei ebenso vorhanden wie die gängigen Videoschnittstellen.

Im Hardware-Design bei hema gibt es für jeden Building Block entsprechende Vorlagen für Schaltplan und Layout. Lediglich das Routing muss jeweils individuell angepasst werden. Vorteil für den Anwender: Innerhalb kurzer Zeit und zu überschaubaren Entwicklungskosten entsteht die individuelle Elektronik.

Zukunftsfähige SoMs mit skalierbarer Leistung

Entgegen einer kompletten Neuentwicklung kommen dabei vielfach bewährte und industrietaugliche Schaltungen zum Einsatz. Kundenspezifische Schaltungen oder noch nicht in der Bibliothek von hema vorhandene Funktionen lassen sich unkompliziert integrieren. Die Entwicklung und Fertigung der Hardware erfolgen unter einem Dach am Standort des Unternehmens im schwäbischen Aalen. Das sorgt für kurze Wege, Schnelligkeit und Flexibilität.

Bild 2: Die Software-Entwicklung wird mit umfassenden Software-Bibliotheken unterstützt, die genauso ausgewählt werden können, wie Schaltungen im Hardware-Layout.
Bild 2: Die Software-Entwicklung wird mit umfassenden Software-Bibliotheken unterstützt, die genauso ausgewählt werden können, wie Schaltungen im Hardware-Layout.
(Bild: hema electronic)

Für die ausreichende Rechenleistung der Embedded-Vision-Plattform gibt es die System-on-Modules-Einheiten (Hersteller Enclustra) in unterschiedlichen Leistungsklassen und mit entsprechenden Prozessoren und Speicherausbauten. Ein standardisiertes Interface sorgt für Kompatibilität und macht Upgrades oder Produktvarianten ohne die aufwändige Neuentwicklung der Basisplatine möglich.

Ein weiterer Vorteil des Modulkonzepts: die EMV-kritischen Komponenten rund um den Prozessor sind bereits integriert; das reduziert die Komplexität bei der Entwicklung der Hauptplatine und damit erneuten Aufwand und Kosten. Als exklusiver Handelspartner des Schweizer SoM-Herstellers Enclustra kennt hema electronic die Module im Detail und setzt sie erfolgreich in zahlreichen Projekten ein.

Bild 3: Die Hardware auf Ebene 1 stellt die Integration der Sensoren und Signale sicher. Schnittstellen, Stromversorgung und Prozessortechnik werden hier vereint und sind Basis der latenzreduzierten Videobe- und verarbeitung bereit. Alle Sensordaten durchlaufen auf Ebene 2 eine Vielzahl von Software-Paketen für die Bildverarbeitung, um die aufgenommenen Szenen aufzubereiten. Ebene 3 repßräsentiert die Applikation.
Bild 3: Die Hardware auf Ebene 1 stellt die Integration der Sensoren und Signale sicher. Schnittstellen, Stromversorgung und Prozessortechnik werden hier vereint und sind Basis der latenzreduzierten Videobe- und verarbeitung bereit. Alle Sensordaten durchlaufen auf Ebene 2 eine Vielzahl von Software-Paketen für die Bildverarbeitung, um die aufgenommenen Szenen aufzubereiten. Ebene 3 repßräsentiert die Applikation.
(Bild: hema electronic)

Software-Entwicklung nimmt einen immer größeren Anteil am Entwicklungsaufwand für Bildverarbeitungssysteme ein. Modularer Aufbau und skalierbare Leistung des Bildverarbeitungssystems ermöglichen hier eine optimale Wiederverwendbarkeit. Mit umfassenden Software-Bibliotheken, die genauso ausgewählt werden können wie Schaltungen im Hardware-Layout, gibt es ausreichende Tool-Unterstützung. Dazu haben die Embedded-Vision-Experten von hema ein umfassendes Software-Gerüst erarbeitet, das Betriebssystem und klassische Middleware für die Image- und Videoverarbeitung umfasst.

Leistung und Software auswählen und kombinieren

In das Software-Gerüst außerdem integriert sind Frameworks wie MVTechs Halcon oder PYNQ, Algorithmen für die Auswertung spezifischer Sensoren oder Software für die Verarbeitung von Bild- und Videodaten. Der Anspruch an die IBV-Lösung: möglichst schnelle Umsetzung der Aufgabe, einfache Projektierung und rasches Programmieren eigener Applikationen.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 20/2020 (Download PDF)

Fazit: Eine Embedded-Vision-Design-Plattform macht die Entwicklung von Bildverarbeitungslösungen einfach, schnell und kostengünstig. Ausgewählt wird die benötige Rechenleistung und Speicherausstattung des FPGA-basierten System on Module. Als Basis für die eigene Applikationsentwicklung folgt das Spezifizieren der benötigten Schnittstellen und der Software. In wenigen Wochen entsteht ein individueller und seriennaher Prototyp der Elektronik, der schnell und effizient zur Serienreife weiterentwickelt werden kann.

* Oliver Helzle ist Geschäftsführer von hema electronic.

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