Programmierbare System-on-Chip-Lösungen Messdatenerfassung kontinuierlich verbessern

Autor / Redakteur: Stephane Monboisset, Peter Stemer * / Holger Heller

Die Kombination eines Multicore-Prozessorsystems von ARM mit einer programmierbaren SoC-Plattform von Xilinx macht Messtechnik zukunftssicher. Erklärt an einem Beispiel von Agilent.

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Zynq-7000-Plattform von Xilinx: All-Programmable-SoC-Bausteine, um soviel Design-Reuse wie nur möglich zu erlauben und zukünftige Systemanforderungen zu erfüllen
Zynq-7000-Plattform von Xilinx: All-Programmable-SoC-Bausteine, um soviel Design-Reuse wie nur möglich zu erlauben und zukünftige Systemanforderungen zu erfüllen
(Xilinx)

Während die Vorstellung von Sicherheit in der Bevölkerung allgemein nicht über die (ständig höher entwickelten) Röntgenkameras hinausgehen mag, die von Grenzbeamten eingesetzt werden, spielt die Mikroelektronik eine Schlüsselrolle in vielen anderen Technologien, um die Echtheit von Inhaltsstoffen in Verbrauchsgütern und Nahrungsmitteln zu belegen.

Eine Technik, um das Vorhandensein unerwünschter Substanzen in alltäglichen Gegenständen zu entdecken, ist der Einsatz der Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC). Manchmal auch als Hochdruck-LC bezeichnet, verwendet sie eine Methode um Partikel, die in kleinen Proben enthalten sind, über das Spektrum zu separieren, um die Zusammensetzung einer Substanz, die in einer Flüssigkeit gelöst ist, zu bestimmen.

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Diese Technik wird nicht nur in der Toxikologie benutzt, sondern überall dort, wo Chemikalien eingesetzt werden, wie z.B. in der Lebensmittelindustrie, Landwirtschaft und der Analyse von Umweltgiften.

Agilent Technolgy ist seit 1984 ein führender Anbieter von HPLC-Equipment und verwendet eine modulare Methode, um große, komplexe Systeme zu anzubieten, die nicht nur hoch entwickelte Elektronik enthalten, sondern auch präzise Ventile, Pumpen und Heizungen. Als grundlegendes technologisches Verfahren entwickelt, wächst der HPLC-Bereich ständig weiter und damit auch die Nachfrage nach immer höherer Genauigkeit und schneller Messergebnisse.

Heute PowerPC und FPGA, morgen Zynq-7000

Kundenforderungen trieben die Messgeräteentwickler bei Agilent an ihre Grenzen: Die Module in den HPLC-Messgeräten haben einen Produktlebenszyklus von ungefähr zehn Jahren, und mit jeder Generation wird die grundlegende Elektronik wesentlich verbessert. Im Jahre 1995 wurde die zweite Generation der Module entwickelt, 2005 folgte die Nucleus-Produktfamilie. Die Modulfamilien, die jetzt gerade entwickelt werden, basieren auf der Fusion-Produktpalette und erwartungsgemäß erfüllt die Plattform nicht nur die Anforderungen heutiger Anwendungen, sondern auch die Anforderungen der nächsten zehn Jahre.

Das heute noch etablierte Moduldesign enthält einen PowerPC-Prozessor gekoppelt mit einem FPGA. Für die nächste Generation der Fusion-Produktpalette wird die Plattform nur noch aus einem einzigen Chip bestehen, dem All-Programmable-SoC Zynq von Xilinx. Die Zynq-7000-Plattform geht über das traditionelle FPGA-Format hinaus, indem sie Hard-IP mit einer hochentwickelten FPGA-Fabric und einem Embedded-Prozessor-Subsystem integriert. Die Kombination all dieser Elemente in einem einzigen Chip, positioniert die Zynq-7000-Plattform als Top-System-on-a-Chip-Lösung, die einen Dual-Core ARM-Prozessor mit aktueller FPGA-Technologie in sich vereint.

Die Entscheidung, das All-Programmable-SoC Zynq zu verwenden, wurde gefällt, um soviel Design-Reuse wie möglich zu erlauben. Die Firmware als auch der VHDL-Code, die in der Nucleus-Produktpalette eingesetzt wurden, können auf die Zynq-7000-Plattform portiert werden. Dies gibt den Entwicklern eine Plattform in die Hand, die die Anforderungen eines HPLC-Messgeräts auch in den nächsten zehn Jahren und darüber hinaus erfüllen kann.

Design-Reuse bei langen Entwicklungszeiten

Die ursprüngliche Absicht war, den Dual-Core ARM-Cortex-A9-Prozessor der Zynq-7000-Plattform einzusetzen, um einen größeren Funktionsumfang bezüglich der Datenerfassung zu haben. Dies erlaubt es dem Entwicklungsteam, zunächst neue Module zu entwickeln, aber mit der Zeit ist es ebenfalls möglich, ältere Module durch eine einzige gemeinsame Architektur zu ersetzen. Agilent achtete auch auf die indirekten Vorteile, die der Einsatz einer Einchip-Lösung bietet: geringere Kosten und Erweiterbarkeit der Plattform. Die damit verfügbare Leistung wird für eine lange Zeit auf den Fusion-Modulen sichergestellt, da nach und nach alle bestehenden Module der Agilent-HPLC-Messgeräte ersetzt werden.

Es kann bis zu drei Jahre dauern, um ein Modul für ein HPLC-Messgerät vollständig zu entwickeln, so dass jede Wiederverwendung bestehender Designs, die realisiert werden kann, grundlegend wichtig ist. Die Modulfamilie Nucleus enthält einen PowerPC-Prozessor während die Zynq-700-Plattform einen ARM-Cortex-A9 enthält. Das portieren von Software ist jedoch durch Verwendung des Echtzeitbetriebssystems OSE von ENEA einfach.

Der Übergang von einer Single-Core- zu einer Multi-Core-Plattform bietet mehrere Vorteile: Systeme, die bisher mehrere Prozessoren benötigten, können nun auf einen einzigen Multi-Core-Baustein umentwickelt werden. Für die HPLC-Module von Agilent erfolgte diese Fusion nicht nur für mehrfache Prozessoren, sondern sogar für mehrfache unterschiedliche Bausteine, insbesondere dem Prozessor und dem FPGA.

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