Aufgabenstellung Prozeßteilnehmer Design Hardwareserien Firmware Kenndaten Anwendung Software Informationen

Der Laseko-Bordcomputer: Hardware undSystemkonzept

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 selbstkonfigurierendesKommunikationssystem”

I DatenerfassungI Sachdaten, Antriebsstrang-Daten, Positionsdaten,

Ubergabedaten etc.

I Verarbeitung/ Filter

I Aufzeichnung/ SpeicherI Kommunikation

I Funk-Kommunikation mit ”Ruf-Reichweite”

I DatensicherheitI Abhorsicherheit, Integritat, Kommunikationsweg etc.

I 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 Schnittstelle Bemerkungextern/lokal 2xCAN [1][2] ≥250kbit/s erforderlich, isoliert

Digitaleingang [3] Zundungskontakt, potentialfrei8-35V Gleichstrom1 [4] Kondensator-Latentenergiespeicher2,4GHz 802.15.4 [5] z.B. Sensoren, BediengerateLAN 10/100 [6]RS232 [7] Konsole (isoliert)USB Client virtuelles PtP Netzwerk

extern/global GSM/ GPRS/ Edge Direkt-LoginGPS alternativ zu CAN-Maschinentelegramm

LaSeKo-LaSeKo 2,4GHz 802.15.4intern SD-Karte variabler Permanentspeicher

RTC alternativ zu GPS, NTP; in StartphaseBoardsteuerung Uberwachung, Abschaltung

1stationar: z.B. uber SteckernetzteilArndt Kritzner, Logic Way GmbH

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Auswahl

Systemdesign

I nutzbare Moduletechnologische Beherrschbarkeit, Flexibilitat, verringerter Entwicklungsaufwand=⇒ GSM/ GPRS Sierra Wireless Wismo 218 Dualband=⇒ GPS Navman Jupiter 32 Sirf GSC3f

I Betriebssystem [Linux], BSD, Win CE, Free RTOS, ConTikiAnpaßbarkeit, Reparierbarkeit, Treiberausstattung, Netzwerk- undSicherheitsfunktionen, Filesystem-Große

=⇒ Linux Buildroot, Kernel 2.35.4, Filesystem-Image <8MB

I CPU ARM, MIPS, [AVR32], ColdFire, x86

Leistungskenndaten, Betriebssystem-Unterstutzung,

Informations-Zuganglichkeit, 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 120x100mm

I 4-lagig

I 3x40 poligerSandwich-Stecker

I Betriebsspannungs-bereich 9-15V

I kein Latent-Energiespeicher

2Preisentwicklung ca.€60,- =⇒ $200,-Arndt Kritzner, Logic Way GmbH

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Erprobungsmuster

Tragerboard + ”Rechenbriefmarke”

I Tragerboard160x100x1,5mm,4-lagig

I CPU-Board68x50x1mm, 8-lagig

I 200-poligerSODIMM-Stecker

I 8-35V Betrieb

I Boardsteuerung,Latent-Energiespeicher

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System, BuildrootI Buildroot 2009.08, Kernel 2.6.35.4

I Generell: Cross-Firmware-Generator fur Linux-SystemeI Referenzsystem fur Atmel NGW100I Konfiguration: Builroot, Kernel, Busybox, uClibc,

Target-FilesystemI aktualisiert und erweitert (Kernel Q3/2010, Treiber teilweise

Q1/2011, gepatcht)I Alternativen: OpenWRT, DD-WRT, OpenEmbedded etc.

I U-Boot (Bootloader)I Grundeinstellungen: Speicherbestuckung, CPU-TaktI DHCP/TFTP Image-Download

I Boardsteuerung (ATtiny84)I AVR8-C-ProgrammI Uberwachung der VersorgungsspannungenI Shutdown, Reset

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Systemleistung, Bandbreite

I CPUI AVR32B @ 120MHz, ca. 180 MIPS 3

I FunkI 802.15.4: 225kb/s (theoretisch, netto)

I SPII 1Mb/s =⇒ 2xAT86RF231 =⇒ Funk ∼200kB/sI 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∼ 100MHz Pentium ohne FPU4sequentiell schreiben, limitiert durch Karte, modellabhangig

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Fahrzeugeinsatz

Maschinen-/Fahrzeugeinsatz

I Energiemanagement, BoardsteuerungI VerbrauchsminimierungI extern schaltbarI Spannungsspitzen und -einbrucheI abrupte Abschaltung

I minimale Start- und Shutdown-Dauer5

I komplett bedienfreier Betrieb

I ESD-Schutz und Potentialtrennung

I Mechanik67

5∼15s Start, ∼7s Shutdown6Gehause und Steckverbinder7Schutzgrad

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Weiterentwicklung

Betriebserkenntnisse und WeiterentwicklungsrichtungI drahtlose Konnektivitat =⇒ Losung USB Host

Einbindung von Dritt-Funkteilnehmern per WLAN oder Bluetooth

I Ortungsprazision, Meßraster/ Arbeitsbreite, EGNOS/SAPOSDifferential-GPS (EGNOS/SAPOS) evtl. fur trennscharfere Parzellenzuordnung

sinnvoll

I ARM Entwicklung AVR32AP7xxx eingestellt =⇒ AT91SAM9G20

(ARM926EJS), kompakter, 6-lagig, zukunftig DDR-RAM und SPI-Flash

I USB Host universelle Modulschnittstelle (z.B. WLAN, Bluetooth)

I Status, E/A Informationsanzeigen, SPI I/O-Extender, ATmega

Boardcontroller

I Spannungshub SEPIC-Regler fur bessere Latentenergie-Nutzung

I 3G schnelle Mobilfunk-Datenverbindung

I generelles Chip-Update MCP2115, ISO1040 etc.

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Gurtel und HosentragerZuverlassigkeit/ Verwendungshaufigkeit: auch extrem seltenauftretende Fehler fuhren bei Massendaten-Anwendungenzwangslaufig zu Problemen.z.B. bei voller Funk-Datenrate ∼1500 Pakete/s =⇒ bei ”nur”99,99% Zuverlassigkeit tritt Storung alle 7s auf.

I Interrupts gemeinsame (und-verknupftes ”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) moglich =⇒ Kleinanderungen 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) undTragerplatinen, Downloads fur Firmware-Images undQuellcode-Patches

I Atmel: AVR32AP7000 Prozessordokumente

I Atmel: Atmel Buildroot fur AVR32-Linux-Gerate

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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