Warum ARM-Prozessoren für HMI-Geräte bestens geeignet sind

| Autor / Redakteur: Konrad Zöpf * / Margit Kuther

Zuverlässige Human Machine Interfaces (HMI): diese lassen sich auch im industriellem Umfeld in einem Look-and-Feel gewohnter Bedienkonzepte umsetzen.
Zuverlässige Human Machine Interfaces (HMI): diese lassen sich auch im industriellem Umfeld in einem Look-and-Feel gewohnter Bedienkonzepte umsetzen. (Bild: istockphoto.com/artfotoss)

Die Nachfrage an Bedienkonzepten steigt stetig. ARM-basierende Geräte eignen sich bestens, um den heutigen Anforderungen an Grafikunterstützung, Sicherheit und Schnittstellen gerecht zu werden.

Die Anforderungen an die Bedienung von aktuellen Gerätegenerationen werden vorwiegend durch die derzeit gängigen Smartphones geprägt. HMI-Lösungen (Human Machine Interface) existieren bereits länger zur Steuerung von Applikationen, etwa via Display und Touch. Die Anforderungen seitens der Kunden und Maschinennutzer steigen besonders anhand dessen, was man durch täglichen Einsatz elek-tronischer Geräte gewohnt ist. Im industriellen Umfeld dauert es hingegen etwas länger, bis solche Technologien so akzeptiert und verwendet werden, wie wir es von persönlichen Geräten gewohnt sind. Hersteller von industriellen Steuerungen und HMI-Geräten müssen daher handeln, um mit Wettbewerbern und Markttrends mithalten zu können.

Viele HMI-Schnittstellen sind in ARM-CPUs bereits integriert

An die Umsetzung von HMI-Geräten gibt es unterschiedliche Anforderungen. Es wird hier zwischen verschiedenen Bedienkonzepten unterschieden. Mit einem Displaycontroller kann nur visualisiert werden. In der Displayeinheit werden lediglich die grafischen Daten vom System dargestellt. Ein Touch-Controller koordiniert die Bedienung an das System.

Die Steuerungsaufgaben werden von einer separaten Einheit übernommen, welche an die Displayeinheit angekoppelt ist. Immer häufiger übernimmt mittlerweile eine CPU sowohl die Visualisierung als auch die Steuerung von Geräten. Solche Lösungen sind oftmals günstiger als auch energieeffizienter, da nur eine CPU zum Einsatz kommt.

Die meisten CPU-Hersteller passen ihre ARM-basierenden CPUs so an, dass viele Schnittstellen wie Grafik, Ethernet, CAN, ADCs, SPI und digitale IOs bereits integriert sind. Mit dieser Vielfalt lassen sich die meisten Systemanforderungen ohne großen Zusatzaufwand umsetzen. Ein in der CPU realisiertes Pin-Multiplexing sorgt zudem für eine große Flexibilität, wenn es um die Konfiguration der ARM-CPU in Bezug auf benötigte Schnittstellen und Interfaces geht.

Geprägt durch die hohe Anzahl an direkt verfügbaren Schnittstellen und die Möglichkeit, ein Betriebssystem nach Erfordernis frei auszuwählen, sind die ARM-basierenden Prozessoren universell einsetzbar. Viele CPU-Hersteller bieten eine gute Applikationsunterstützung für industrielle Steuerungen und HMI-Geräte an. Zudem werden immer mehr Geräte auf Basis dieser Architektur entwickelt.

Ein Plattform-spezifisches OS bietet die beste Performance

Außerdem werden speziell auf den Prozessortyp angepasste Betriebssysteme (OS = Operation System) eingesetzt. Nebst Linux und QNX als nachgefragteste OS, werden etwa VxWorks, Android oder ein Realtime-OS von Green Hills oder Bare Metal eingesetzt. Bei der Auswahl des OS sollte auf jeden Fall berücksichtigt werden, welche Anforderungen die Steuerung hat. Weiterhin wichtig ist die Frage, ob auch eventuell benötigte Zusatzsoftware von Drittanbietern unterstützt wird. Ein auf die Plattform angepasstes OS stellt dem Anwender das Optimum an Performance zur Verfügung. Somit lassen sich auch komplexe Steuerungen mit anspruchsvoller Grafikleistung realisieren, ohne einen großen Overhead eines Betriebssystems zu benötigen.

Hinzu kommen sicherheitskritische Aspekte, die für Anwendungen zu beachten sind. Man spricht hier von funktionaler Sicherheit (Safety) und vom Schutz von äußeren Angriffen (Security). In beiden Fällen ist es meist eine Kombination aus Hard- und Software. Über ein geeignetes OS mit inte-grierten Sicherheitsfeatures und einer Unter-stützung der in der CPU bereits integrierten Security-Funktionen lassen sich oftmals bereits viele Anforderungen seitens Software und den Schutz vor äußeren Angriffen abdecken. Zum Teil müssen hardwareseitige Vorkehrungen für eine funktionelle Sicherheit getroffen werden.

Hierbei kann etwa ein preisgünstiger, kleiner Cortex-M-Controller verwendet werden. Dieser übernimmt die Überwachung der sicherheitskritischen Funktionen im System und greift bei Fehlern ein, um Schäden zu verhindern. Der Controller wird mit einer zu qualifizierenden Firmware versehen, die autark zum Rest des Systems läuft. Einige CPU-Hersteller wie NXP und Texas Instruments integrieren die Co-Prozessoren bereits in den Prozessor. In Kombination mit den Sicherheitsfunktionen haben die meisten CPUs einen integrierten Grafikcontroller. Eine Benutzeroberfläche (Graphical User Interface = GUI) sorgt für die notwendige Visualisierung der Applikation. Neben den proprietären GUIs der Betriebssysteme gibt es auch vom OS unabhängige Varianten. Weitverbreitet sind hier QT und Storyboard von Crank.

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