Entwicklungs-Kit fürdenRaspberryPi · reicht bis 1,5GHz.Zudem bietet das Oszilloskop sechs Eingangskanäle. Die Softwarelässt sich während des Einsatzes upgraden, wozu kein Techniker

Wissen.Impulse.Kontakte.

www.elektronikpraxis.de

B191264. Juli 2019

€ 12,00

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Entwicklungs-Kitfür den Raspberry PiEin Entwicklungs-Kit aus AMBER PI, Antennen und Sensoren verwandelt einenRaspberry Pi 3B in eine clevere Funkschnittstelle auf 868 MHz.

Die GPIO-Pins desRaspberry PIDank seiner seriellenSchnittstellen meistert derRaspberry PI vielfältigsteAufgaben. Seite 28

Industrie-4.0-RFIDin der Supply ChainRFID ist eine wesentlicheSchlüsseltechnik für eineeffiziente, transparenteSupply Chain. Seite 38

IGBTs diesseits derSiliziumgrenzeDas Projekt Power2Powererarbeitet unter anderemneue Leistungshalbleiterin Silizium. Seite 48

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EDITORIAL

ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 13 4.7.2019

Fahren unsere Autos, Schiffe undBahnen in Zukunft mit Wasser?

Das wäre doch der Traum einesjedenAutofahrers: einfachWassertanken. Unmöglich? Nein, wenn

auchnur indirekt:Derzeit sind inDeutsch-land etwa 400 Brennstoffzellenautoszugelassen, die zwar nicht Wasser, aberWasserstoff tanken–unddieserwird zumBeispiel mittels Elektrolyse aus Wasserhergestellt.„Ich glaube, dass Wasser eines Tages

als Brennstoff genutzt wird. Wasser, inseine Elemente Wasserstoff und Sauer-stoff zerlegt, wird zur unerschöpflichenEnergiequelle werden“ – so schrieb JulesVernebereits anno 1874 in seinemRoman„Die geheimnisvolle Insel“. Eifriger Ver-fechter des Wasserstoffantriebs ist auchProfessor Harald Lesch, der kürzlich ineiner Terra-X-Sendung mit seinem Ver-gleich von rein akkubetriebenen Elektro-autos und solchen mit BrennstoffzelleneinenShitstorm lostrat. Laut Leschwürdedas Stromnetz zusammenbrechen, sollteneine Million Elektroautos gleichzeitigladen. Allerdings ging Lesch davon aus,dass alle 350Kilowatt ziehen,was unrea-listisch ist. Im Prinzip aber liegt Leschdurchaus richtig, denn es gibt vieleArgu-mente für die Brennstoffzelle. Auf dieseging Dr. Geert Tjarks von der Nationalen

„Elektromobilität stehtnicht nur für akkubetrie-bene E-Fahrzeuge – auchdie Brennstoffzelle hatZukunftspotenzial.“

Thomas Kuther, Redakteur,[email protected]

Organisation Wasserstoff- und Brenn-stoffzellentechnologie in einem SeminaranderHochschuleKarlsruhe ein: Geradezum Antrieb von Fahrzeugen, die vielEnergie oder eine großeReichweite benö-tigen, sei, so Tjarks, die BrennstoffzelleimVergleich zum reinenAkkuantrieb diebessereWahl. DennumdieReichweite zuverdoppeln, müsste auch die Akkukapa-zität verdoppelt werden. Ein Tesla ModelS würde dann satte 600 kg mehr mit-schleppen müssen und damit enorm anEffizienz verlieren, während bei einemToyota Mirai gerade mal ein zusätzlicherWasserstofftank mit 100 kg nötig wäre.FührtmandiesesGedankenspielweiter,

wird klar, dass gerade bei großen Nutz-fahrzeugen, Bahnen und Schiffen dieBrennstoffzelle weit überlegen ist – undso könnte noch einmal mehr eine VisionJules VernesWirklichkeit werden ...

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4 ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 13 4.7.2019

ELEKTRONIKSPIEGEL6 Zahlen, Daten, Fakten8 Branchen & Märkte10 News & Personalien

SCHWERPUNKTEMessen, Testen, PrüfenTITELTHEMA

16 Entwicklungs-Kit und Raspberry Pi auf 868 MHzFür die Funkkommunikation auf 868 MHz bietet sichdas AMBER PI mit einem Raspberry PI 3B an.

20 Radarsignale mit modularer Digitizer-Karte messenRadarsignale lassen sich mit modularen Digitizer-Messkarten analysieren. Dem Anwender steht einebreite Palette an Analysewerkzeugen bereit.

Embedded Computing26 Edge-Computer-Anwendungen für KI

Mit dem IoT Software Framework SUSiEtec kann KontronLösungen für Künstliche Intelligenz für seine EdgeComputer aus einer Hand anbieten, so etwa für VisualInspection.

28 Raspberry PI: Grundlagen serieller KommunikationRaspberry Pi meistert dank unzähliger Steckmodulevielfältigste Aufgaben, etwa im Smart Home und in derIndustrie. Basis hierfür ist die 40-Pin-Stiftleiste.

32 Open Source VME-CPU-Boards fürs CERNBeim Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider desCERN sorgt MENs FPGA-basierende PCIe-VME64x-Bridgemit Intels Server-CPU Xeon D 1519 für mehr Performance.

Bauteilebeschaffung38 Industrie 4.0 RFID in der Supply Chain

Rückverfolgbarkeit und eine automatisierte Produktions-steuerung sind unumgänglich für eine effiziente,transparente Supply Chain. Eine wesentlicheSchlüsseltechnik hierfür ist RFID.

Signal- und Datenübertragung42 USB-3.0-Highspeed auch mit langen Kabeln nutzen

Aktuelle USB-Versionen übertragen Daten mit bis zu2,5 GByte/s. Allerdings nur über kurze Distanzen bismaximal drei Meter. Mit Redriver-Chips klappt das auchüber längere Kabel.

44 5G zur besseren Standorterkennung nutzenBisherige Techniken zur Positionsbestimmung lassen sichmit neuen 5G-Ortungsdiensten zu einer robusten, zuverläs-sigen und vielseitigen Standortlokalisierung kombinieren.

Leistungselektronik48 Silizium-Forschung gegen Wide-Bandgap

Es geht um den Erfolg der europäischen Mikroelektronik-industrie: Das Koop-Projekt Power2Power erarbeitet neueLeistungshalbleiter in Silizium und Systemarchitekturenmit höherer Energieeffizienz.

MESSTECHNIK

Entwicklungs-Kit undRaspberry Pi sendendrahtlos auf 868 MHzWenn Kabel stören und das WLAN sich nichtbetreiben lässt, müssen Entwickler auf andereFunkstandards zurückgreifen. In solchen Fällenbietet sich ein Design-Kit für Funkanwendungen an,das für den Raspberry Pi verwendet werden kann.Neben Hardware ist die notwendige Software mitdabei. Solche Entwicklungs-Boards sind geradein der Prototypen-Entwicklung interessant, da sieverschiedene Schnittstellen und entsprechendeSoftware haben, um den Raspberry Pi zu erweitern.

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INHALT Nr. 13.2019

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5ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 13 4.7.2019

TIPPS & SERIEN14 Analogtipp

Signaleingänge vor Überspannungen schützen.

ZUM SCHLUSS50 Andreas Falke

Regulieren wir uns tot?

RUBRIKEN3 Editorial

36 Impressum

20 Radarsignale mit einerDigitizer-Karte messen

32 Open Source VME-CPU-Boards fürs CERN

26 Edge-Computer-Anwendungen für KI

44 5G zur besseren Stand-orterkennung nutzen

Unser nächster Event8. bis 12. Juli 2019 in WürzburgIn der fünftägigen Veranstaltungkönnen sowohl Einsteiger als auch Fortgeschritteneihr Linux-Wissen vertiefen.www.linux4embedded.de JAHRE

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Osten und Brasilien

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ELEKTRONIKSPIEGEL // ZAHLEN, DATEN, FAKTEN


1999: Gründung der Wi-Fi AllianceKaum ein Haushalt, in demnicht einWLAN-Routermehrere Geräteper Funk mit dem Internet verbindet. Selbst Rasenmäher-Robotersind oftmals Teil des drahtlosen Netzwerks und lassen sich perApp programmieren. Dass dies mittlerweile überwiegend problem-los funktioniert, ist zu einem großen Teil der Wi-Fi Alliance zu ver-danken: Eine Handvoll Unternehmen traten 1999 an, die bis dahinoft störrischen Funknetzwerke zu zähmen. Ziel war es, dass auchEndanwender ein drahtloses Netzwerk konfigurieren und nutzen

konnten. Das war gar nicht so einfach. Denn frühe 802.11-Produk-te hatten häufig Probleme mit der Interoperabilität. Im Juni 1997veröffentlichte das Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE) die erste offene und somit – theoretisch – herstellerüber-greifende 802.11-Spezifikation. Sie basierte auf den heute nichtmehr gebräuchlichen Frequenzspreizverfahren DSSS und FHSS.Einen detaillierten Rück- und Ausblick zu dem Standard finden Sieauf www.elektronikpraxis.de unter der ID: 45987983. //ME

AUFGEMERKT

Bild:Pixabay

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ELEKTRONIKSPIEGEL // ZAHLEN, DATEN, FAKTEN


AUFGEDREHT: MSO Serie 4

Die Mixed-Signal-Oszilloskope der Serie 4 ergän-zen die bereits verfügbaren Modelle 5 und 6. DieSerie 4 verfügt über ein Touch-Display mit einerDiagonalen von 13,3'' und einem A/D-Wandlermit 12 Bit. Die Bandbreite startet ab 200 MHz und

reicht bis 1,5 GHz. Zudem bietet das Oszilloskopsechs Eingangskanäle. Die Software lässt sichwährend des Einsatzes upgraden, wozu keinTechniker von Tektronix und keine Kalibrierungnotwendig sind. // HEH

Display13,3'' und HD-Auflösungvon 1920 x 1080 Pixelund Touch-Eingabe.

6 EingängeMit der FlexChannel-Technik zusammen miteinem Logiktastkopfwerden aus einemanalogen Kanal bis zuacht Digitalkanäle.

BandbreiteDie angebotene Band-breite reicht je Modellvon 200, 350 und 500MHz bis 1 und 1,5 GHz.

AbtastrateAlle sechs Kanäle bieteneine Abtastrate von 6,25GS/s auf allen analogenund digitalen Kanälen.

AuflösungIm Oszilloskop ist einA/D-Wandler mit einerAuflösung von 12 Bitverbaut.

Anschlüsseein HDMI, ein Ethernet,fünf USB 2.0 Host undein USB 2.0 Device.

„Tausche WLAN-Kabel gegenVolleyball-Schläger.“Zitat von Unbekannt

AUFGE-SCHNAPPT

AUFGEZÄHLT... Milliarden Tonnen weniger CO2 bereits heute unddrei Milliarden Tonnen im Jahr 2030: Die Photonikleistet einen maßgeblichen Beitrag zur Verringerungder Treibhausgasemissionen und dem Erreichen derZiele des Pariser Klimaschutzabkommens durch

einen verringerten Stromverbrauch, CO2-Ausstoß oder Düngemitteleinsatz,durch die Einsparung von Material oder aufgrund neuer Recyclingprozesseund Technologien für den Umweltschutz.

1,1

Der EuropäischeErfinderpreis

Das Europäische Patentamt ehrte Akira Yoshinofür die Erfindung der Lithium-Ionen-Batterie. Ererfand 1983 durch die Einführung eines sicherenAnodenmaterials und einer hitzeempfindlichenMembran die erste Lithium-Ionen-Batterie undengagierte sich über Jahrzehnte für die Weiter-entwicklung seiner Technologie. // TK

KleinsterStromwandlerForscher der TechnischenUniversität von Dänemarkhaben den nach eigenenAngaben kleinsten Strom-wandler der Welt gebaut,mit einer Kantenlänge vonwenigen Millimetern. Diegroße Herausforderungdabei war die Temperatur,denn die kleinen DC/DC-Wandler können sich leichtauf bis zu 80 °C erwärmen.Die Forscher verwendenSilizium als Basis, dasdie Bildung von Hot Spotsmit hohen Temperaturenverhindert. So liegt diemaximale Temperatur beiakzeptablen 45 °C. // TK

Bild:H

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Troll

Bild: Tektronix

Bild:TUDä

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ELEKTRONIKSPIEGEL // BRANCHEN & MÄRKTE


Raspberry Pi 4: endlich 1,5 GHz,USB 3.0 und 4-GB-DDR4-RAM

Raspberry Pi 4 soll bis zu drei Mal schneller als RPi 3 B+ sein, bietetechtes GBit-LAN, DDR4-RAM und Dual-Monitorbetrieb bei bestehender

Abwärtskompatibilität – und das zu einem Preis ab 37 Euro.

Raspberry Pi (RPi) wurde komplettüberarbeitet, wobei die Raspberry PiFoundationdemBroadcom-SoC (Sys-

tem on Chip) treu blieb: Raspberry Pi 4taktet mit Broadcoms BCM2711 mit4 x 1,5GHz–ein 64-Bit-Quadcore-SoC Cortex-A72 (ARM v8).Ein Socmit 4 x 2 GHz Takt wäre

super gewesen. Doch in der Summeüberzeugt dieAusstattung, denn Interessen-ten erhalten eine Singleboard-Platine, derenKomponentenwie RAM,USBund LAN tech-nisch endlich auf aktuellemStand sind–unddas alles zumbisherigenPreis einesRaspber-ry-Pi-Topmodells, der bei 37 Euro beginnt:Raspberry Pi 4 gibt es in Varianten mit 1, 2oder 4 GB RAM. Sicher sind Sie gespannt,was Raspberry Pi 4 zu bieten hat. Deshalbbeginnenwir gleichmit derDetailübersicht:

Die technischen Daten desRaspberry Pi 4

� Prozessor: Broadcom BCM2711, QuadoreCortex-A72 (ARM v8), 64-Bit SoC @ 1,5 GHz� Speicher: 1 GB, 2 GB oderr 4 GB LPDDR4-RAM, abhängig vom Modell�Wireless: IEEE 802.11ac (2,4/5,0 GHz)� Bluetooth: 5.0, BLE� Gigabit Ethernet� 2 x USB 3.0; 2 x USB 2.0� Dual-Monitor-Betrieb� Header: 40 Pin, abwärtskompatibel� Video & sound:� 2 x Mikro-HDMI bis zu 4Kp60� 2-Lane-MIPI-DSI-Display-Anschluss� 2-Lane-MIPI-CSI-Kamera-Anschluss� 4-poliger Anschluss für Stereo/Audio undComposite Video�Multimedia:�H.265 (4Kp60-Dekodierung);�H.264 (1080p60-Dekodierung, 1080p30-Encoder);�OpenGL ES, 3.0� Kartenslot: MikroSD� Eingangsleistung:� 5 V via USB C (Minimum 3 A)� 5 V via Header (Minimum 3 A)� PoE–Fähigkeit

� Betriebstemperatur: 0 – 50 ºC� Verfügbarkeit: Raspberry Pi 4 Model Bwird zumindest bis Januar 2026 produziert.

Was Raspberry Pi 4 von denVorgängern unterscheidetEinschneidendeNeuerungen imVergleich

zu den Vorgängern ist der neue Broadcom-SoCBCM2711mit 4 x 1,5GHzTakt, DDR4-RAMstatt wie bisher LPDDR2 mit bis zu 4-GB-Speicher (bisher: 1 GB RAM), USB 3.0 stattwie bisher USB 2.0, echtes GBit-LAN, Dual-Monitorbetriebdank 2 xHDMI, Bluetooth 5.0statt 4.2 wie beim Raspberry Pi 3 B+ undverbesserte Video- und Grafikleistung. DieLeistung des Raspberry Pi 4 ist, so die Rasp-berry Pi Foundation „vergleichbarmit einemEinsteiger-PC.“ Zur weiteren Ausstattungzählen der von den Vorgängern bekannteDSI-Port für einen (Industrie-)Monitor undder CSI-Port für die Raspberry-Pi-Kamera.Interessant für Maker und Industriekun-

den ist dieAbwärtskompatibilität der 40-Pin-Stiftleiste zu den Vorgängern. Allerdings istdie Leistungsaufnahme des Raspberry Pi 4sehr hoch; er benötigt ein 3-A/5-V--Netzteil(RPi 3 B+, dem bisherigen Stromfresser,reichten 1,2 A/5 V). Eine weitere Neuerungbeim Stromanschluss ist der Wechsel von

Raspberry Pi 4:gut zu erkennen sinddie zwei blauen USB-3.0-Ports und die beiden HDMI-An-schlüsse für Dual-Monitoring.

USB-Mikro-B auf USB C, denn, so RaspberryPi Trading, die Hersteller der Raspberry Pis:

„Der Umstieg auf USB C für unserenStromanschluss ist nötig, dadieser

zusätzliche 500-mA-Stromunterstützt und so sicherstellt, dass wir auch bei ho-her CPU-Belastung volle1,2 A für nachgeschaltete

USB-Geräte haben“.

Video, Ethernet und USBUm den Dual-Display-Ausgang inner-

halb der bestehenden Platine unterzubrin-gen, wurde der Typ-A- (Full-Size) HDMI-An-schluss durch einPaar Typ-D (Mikro)HDMI-Anschlüsse ersetzt. Der Gigabit-Ethernet-Anschluss auf der Platine wurde von untenrechts nach oben rechts verlagert, was dasPCB-Routing erheblich vereinfacht. Der 4-po-lige Power-over-Ethernet (PoE)-Steckerbleibt amgleichenOrt, so dass Raspberry Pi4 mit dem aktuellen Zusatzmodul PoE-HATkompatibel bleibt.Endlich bietet Raspberry Pi echtes GBit-

Ethernet, denn soEbenUpton, CEOderRasp-berry Pi Trading: „der Ethernet-Controllerauf dem Haupt-SoC ist über eine dedizierteRGMII-Verbindung mit einem externenBroadcom PHY verbunden und bietet so ei-nen vollen Durchsatz.“ Bei früheren Model-len des Raspberry Pi erfolgt der Datentrans-fer der vier USB- und der LAN-Buchse übereinen einzigen USB-2.0-Port. Für USB istbeim Raspberry Pi 4 jetzt ein externer VLI-Controller vorhanden, der insgesamt 4Gbit/sBandbreite bereitstellt.

Neue Raspbian-SoftwareerforderlichUmdieNeuerungenvonRaspberry Pi 4 zu

unterstützen, liegt auf der Onlineseite derFoundation, raspberrypi.org, ein überarbei-tetes Betriebssystem zum Downlaod bereit,welches auf der kommenden Debian-10Buster-Version basiert. // MK

Raspberrypi.org

Bild: Raspberrypi.org

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ELEKTRONIKSPIEGEL // NEWS & PERSONALIEN


MLPerf Inference 0.5: Das MLPerf-Konsortium bietet Benchmarks zurErmittlung von KI-Inferenz auf Servernund Clientsystemen.

MLPERF INFERENCE 0.5

Erste Benchmark für KI-Inferenz veröffentlichtDas MLPerf Konsortium, ein Zu-sammenschluss aus 40 in derKI-Forschung tätigen Unterneh-men und Universitäten, hat mitMLPerf Inference0.5 dieweltweiterste Benchmark veröffentlicht,die die Leistung von KI in Ser-vernundEndgerätenbestimmensoll. Aufgabe der Benchmark-Suite ist es, zu ermitteln, wieschnell ein trainiertes neurona-les Netzwerk neue Daten verar-beiten kann, um nützliche Er-kenntnisse zu liefern.Die Benchmark-Suite umfasst

Tests für insgesamt fünf unter-

Bild:gem

einfreischiedlicheKI-Modelle: Zwei zur

Bildklassifizierung, zwei zurOb-jekterkennung und einem fürmaschinelle Übersetzung. Ver-wendet wird diese Art von Mo-dellen unter anderem für Auto-nomes Fahren und in der Verar-beitung von Bildern und Erken-nung natürlicher Sprache inunterschiedlichen Endgerätenwie z.B. Smartphones, PCs,Edge-Server und Cloud-Compu-ting-Plattformen im Rechenzen-trum. Zu all diesen Tests bietetMLPerf jeweils ein vordefiniertesModell und einen vorausgewähl-

ten Datensatz. Die Tools zumAusführen vonMLPerf Inference0.5 stehen aufmlperf.org onlinezur Verfügung.MLPerf bietet zudemReferenz-

Implementierungen der Bench-marks. Hiermit lassen sich An-wendung,Modell undQualitäts-ziel definieren als auch Anwei-sungen zur Ausführung desCodes erteilen. Die Referenzim-plementierungen sind in denFrameworksONNX,PyTorchundTensorFlow verfügbar. // SG

MLPerf Consortium

Mit seinem neuen, Multi-Mode-fähigen 5G-SoC will MediatekPremium-Smartphone-Hersteller fürsich gewinnen.

5G-SYSTEM-ON-CHIP MIT INTEGRIERTEM MODEM

Mediatek greift Qualcomm anMit einem neuen, im 7-nm-Pro-zess gefertigten 5G-SoCmit inte-griertem Modem, modernsterProzessortechnik und Multime-dia-Turbo will Mediatek Platz-hirsch Qualcomm Marktanteileabringen. Erstmals komme eineCortex-A77-CPU und ein Ma-li-G77-Grafikprozessor (GPU) vonARM zum Einsatz. Das soll füreine hohe Multimedialeistungsorgen – etwa für die Fähigkeit,4k-Video-Streams „on the fly“mit 60 fps en- und dekodierenund die Bilder von hochauflö-senden Kameras mit bis zu 80

Megapixel verarbeiten zu kön-nen. Darüber hinaus ist das 5G-Modem Helio M70 integriert.Dieses hatte Mediatek im Febru-ar 2019 vorgestellt – und mit ei-ner demonstrierten Datenratevon 4,2 GBit/s eine Duftmarkegesetzt: Kein Sub-6-GHz-5G-Mo-dem war bis dato schneller. ImVerbundmit demneuenSoC sol-len sogar 4,7GBit/smöglich sein.Außerdem ist lautHersteller eineneueKI-Verarbeitungseinheit anBord.Die „APU3.0“ (ApplicationProcessing Unit) soll auch re-chenintensiveKI-Anwendungen

unterstützen, etwa zurGesichts-erkennung. Die winzigen 7-nm-Technologieknoten sollen inKombination mit ausgefeiltenPower-Management-Funktionendie Stromaufnahme des Chipsdrücken und so eine langeStandzeit der Endprodukte er-möglichen. Wie die Konkurrenzkonzentrieren sich die Taiwane-sen mit ihrem zu 4G, 3G und 2Grückwärtskompatiblen 5G-SoCzunächst auf Frequenzbereicheunterhalb von 6 GHz. // ME

Mediatek

U.FL-Stecker (rot markiert) aufRaspberry Pi Zero: Der modifiziertePi lässt sich mit einer Antenne be-stücken, was die Datenrate erheblichsteigert.

SBC

Modifizierte Raspberry Pi Zero W und WHRaspberry Pi ZeroWpunktetmitWireless-Funktionalität, der ZeroWH bietet zudem einen Header.Die Zeros eignen sich dank ihrergeringen Maße und dem niedri-gen Stromverbrauch bestens fürmobile Anwendungen. Buyzerohat denZeroWundWHnun spe-ziell an verschiedene Anforde-rungen angepasst. Der Pi ZeroWHPC kommt mit passivemKühlkörper für denSoCBCM2835(rund 16 Euro) für prozessorlas-tige Aufgaben. Die Variante PiZero WPC kostet 13,95 Euro.Raspberry Pi ZeroW istwerkssei-

Bild:B

uyzero tigmit einer PCB-Antenne ausge-

stattet, die die Datentransferra-ten doch erheblich einschränkt.Buyzero hat deshalb RaspberryPi Zero mit einem U.FL-Steckerbestücken lassen, den Pi ZeroWuFL für 25 Euro: Mittels WLAN-Antenne mit U.FL-Buchse lässtsich so der WLAN-Empfang desRaspberry Pi Zero verbessern.Kunden können bei Buyzero op-tional ein passendesAdapterka-bel auf RP-SMA, geeignet für diemeistenhandelsüblichenWLAN-Antennen mitbestellen – odergleich mit passender LogiLink-

Antenne (Preis: 39 Euro). Für alljene, die den modifizierten Zeronicht nurmit einerAntenne son-dern auch mit der 40-Pin-Stift-leiste wünschen, gibt's denU.FLauchmit extralangem, vergolde-ten Header für 30 Euro. Die ori-ginalen, nicht modifiziertenRaspberry Pis haben alle eineStiftleiste. Buyzero bietet den PiZero W mit Buchsenleiste für19.95 Euro an, von der etwa An-wender profitieren, die einBreadboard nutzen. // MK

Buyzero

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Der Name Microchip und das Microchip-Logo sind eingetragene Warenzeichen der Microchip Technology Incorporated in den USA und in anderen Ländern.Alle anderen Marken sind im Besitz der jeweiligen Eigentümer. © 2019 Microchip Technology Inc. Alle Rechte vorbehalten. MEC2293Ger06/19

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Die Lithium-Ionen-Zellen für dieAkkus für VW-E-Fahrzeuge sollenbald aus Niedersachsen kommen:VW und Northvolt planen eine eigeneZellfertigung in Salzgitter.

LITHIUM-IONEN-AKKUS

Volkswagen und Northvolt planen eine Zellfertigung in Niedersachsen

Die Volkswagen AG wird rund900 Millionen Euro in gemeinsame Batterieaktivitäten mitNorthvolt investieren. Ein Teildieser Summe ist für ein geplantes JointVenture mit dem

Bild:Volkswagen „Volkswagen schafft auf allen

Ebenen die Voraussetzungenfür die erfolgreiche Umsetzungseiner Elektrifizierungsstrategie“, betont VolkswagenBeschaffungsvorstandDr. StefanSommer. „Mit Northvolt habenwir jetzt auch einen europäischenPartner gefunden.Mit demKnowhow und nachhaltigen,CO2optimierten Produktionsprozessen in der BatteriezellFertigung des Unternehmenswollen wir auch in Deutschlanddie ZellHerstellung vorantreiben. Voraussetzung dafür istnatürlich, dass die wirtschaftlichenRahmenbedingungengegeben sind.“ Der VolkswagenKonzernwird im Rahmen seinerElektrifizierungsstrategie alleinin Europa ab dem Jahre 2025 ei

nen jährlichen Bedarf an LithiumIonenAkkuzellen mit einerGesamtspeicherkapazität vonmehr als 150 GWh haben – unddas gilt in gleicher Größenordnung für die Produktionsstättenin Asien ebenfalls.Northvolt ist ein schwedischer

Hersteller vonBatteriezellenundsystemen. Derzeit baut das Unternehmen in Schweden einePilotfertigung für LithiumIonenZellen sowie eine Zellfabrik mit einem Volumen vonzunächst 16 GWh auf. Zu denindustriellen Partnern undKunden von Northvolt zählen nebenVolkswagen auch Scania, ABB,BMW, Siemens, Vattenfall undVestas. // TK

Volkswagen

schwedischenBatterieherstellervorgesehen, ein weiterer Teilgeht direkt an Northvolt. ImGegenzug erhält Volkswagenrund 20% der Anteile anNorthvolt sowie einen Sitz imAufsichtsrat, vorbehaltlich derkartellrechtlichen Prüfung. Ein50/50JointVenture soll imLaufedes Jahres gegründet werden,Ziel ist derAufbau einer 16GWhLithiumIonenBatteriezellfertigung in Europa. Es ist geplant,das Werk frühestens ab 2020 imniedersächsischen Salzgitteraufzubauen, sofern die notwendigenRahmenbedingungenhierfür erfüllt sind. Um denJahreswechsel 2023/2024 istdannder Start der BatteriezellenProduktion für Volkswagenvorgesehen.

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Embedded-Lösungen mit IntelsMobile-Prozessoren Whiskey Lake

Im Juni 2019 wurden die Embedded-Versionen der 8. Generation IntelCore Mobile Prozessoren Whiskey Lake präsentiert. Lesen Sie, welche

Anbieter von Embedded-Lösungen sie bereits einsetzen.

Whiskey Lake ist der CodenameeinerProzessorarchitektur von Intel im14-nm-Fertigungsprozess, die 2018

bereits vorgestelltwurde. Sie entspricht Pro-zessoren aus dem Kaby-Lake-Refresh, dieTechnologie ist noch immer SkylakesMikro-architektur. Im Juni 2019 wurden dann dieEmbedded-Versionen der 8. Gen. Mobile-Prozessoren (Whiskey Lake) präsentiert.Die Vorteile der neuen Embedded-Versio-

nen von Intels Core-Mobile-Prozessorensieht congatecwie folgt: „OEM-Kunden pro-fitieren von einer sofortigenLeistungssteige-rung von bis zu 58% gegenüber früherenEmbedded-ProzessorenderU-Serie – ermög-licht durch 4 statt 2 Rechenkernen, ein effi-zientes Task-Scheduling und RTS-Hypervi-sor-Software,wasden I/O-Durchsatz vondenEingangskanälen zu den Prozessorkernenzusätzlich verbessert. Und Hersteller CompMall ergänzt: „Die 8. Generation bleibt wiedie Vorgängerversion Kaby Lake in der15-Watt-TDP-Klasse (ThermalDesignPower).IntelsOptaneMemory sorgt insbesondere beiFestplatten für höherenDatendurchsatz undgeringere Latenzzeiten.“

15 Jahre Verfügbarkeit fürcongatec COM Express-Modulecongatec setzt die Embedded-Versionen

der 8. Generation auf seinen COM-Express-Type-6-Compact-Modulen, 3,5-Zoll-SBCsundThin Mini-ITX Motherboards ein und bieteteine 10+- Langzeitverfügbarkeit und – auf

Basis eines spezifi-schen Long TimeBuy Vertrages – biszu 15 Jahren Verfüg-

barkeit an. Die COM Express Type 6 Moduleconga-TC370, die Embedded 3,5 Zoll SBCsconga-JC370 und die Thin Mini-ITX Main-boards conga-IC370 sind bestückt mit Corei7, Core i5, Core i3 oder Celeron. Zwei DDR4SODIMM-Sockelmit bis zu 2400MT/s stehenfür bis zu 64GB zurVerfügung. ErstmalswirdnunUSB3.1 Gen2mitÜbertragungsraten von10 Gbit/s nativ unterstützt, was es ermög-licht, auch unkomprimierte UHD-Video-streams von einer USB-Kamera oder einemanderen Vision-Sensor zu übertragen.

Comp Malls NANO-ULT5 imEPIC-FormfaktorMit dem Embedded Board NANO-ULT5

bietet COMP-MALL ein Board im platzspa-renden EPIC-Formfaktor und mit Intels 8.Gen. Mobile Core i3/i5/i7- oder Celeron-Pro-zessor an.DasNANO-ULT5 steuert bis zudreiunabhängige Displays an und eignet sichdaher insbesondere für Embedded-Anwen-dungenmit Visualisierungsfunktionen. DasNANO-ULT5 bietet Platz für 2 x 2400 MHzDual-ChannelDDR4SO-DIMMsbis zu 32GB.Für SSD stehen 2 x SATA6G/s zurVerfügung.Weitere Speicheroptionen: 1 x M.2 2230 A-Key, 1 x M.2 2280 M-Key und optional 1 x32 GB eMMC 5.1. Die Displays werden über1 xHDMIund 1 xDisplayPort angeschlossen,jeweils mit einer Auflösung bis zu 3840 x2160@60Hz. Die dritte Anschlussoption ist1 x LVDS intern mit einer Auflösung bis zu1920x1200@60Hz.

Avnet Silicas COM Express-6-Modulfamilie MSC C6C-WLUDie Modulfamilie MSC C6C-WLU basiertauf Intels Core-U-Prozessorserie der 8.

Generation mit vierCores auf einemplatzsparendenCOM-Express-Com-pact-Formfaktor von95 mm x 95 mm. DieskalierbareModulfa-milie MSC C6C-WLUwerden von Avnet

Erste Embedded-Lösungen von congatec mit Intels Whiskey Lake (v.l.n.r): ThinMini-ITX Board conga-IC370; 3,5”-Singleboard Computer conga-JC370 und dasCOM Express Compact Computer-on-Module conga-TC370

Bild:congatec

Integrated für den weltweiten Bedarf im ei-genenGlobal TechnologyCampus in Stuten-see entwickelt undgefertigt. Das Flaggschiffintegriert den Intel Core i7-8665UEmit 8 MBL2 Cache. Weitere Varianten sind mit Quad-core Intel-Core i5-8365UE mit 8 MB bzw.Dual-Core Intel Core i3-8145UEmit 4MB be-stückt. Ebenfalls ist ein kostenoptimiertesModul, das mit einem Intel Celeron 4305UEmit zwei Kernen und 2 MB ausgestattet ist,erhältlich.

IPCs NANO-ULT5 ist varianten-reichDas Board NANO-ULT5 von IPC wird in je

einer Variante mit Celeron, Intel Core i3, i5und i7 angeboten. Bis zu 32-GB-DDR4-RAMimDual-Channel-Modewerden unterstützt.Es stehen einDisplayPort und einHDMIPortmit einer Auflösung bis 3840 x 2160 Pixelnals auch ein LVDS Port mit einer Auflösungbis 1920 x 1200 Pixeln zur Verfügung.Weite-re Performancesteigerungen ergeben sichaus den vier USB 3.1 Ports. Als Anschlüssefür Speichermedien bietet das NANO-ULT5zwei SATA-6G und M.2 2280 SchnittstellenmitMKey an. Für die Erweiterungmit optio-nalen Add-On Karten wurden ferner einM.22230 mit A Key und ein Mini-PCIe Slot mitSIM Kartenhalter integriert.

SECO-Lösungen mit Whiskey-Lake und Coffee Lake RefreshDie Lösungen von SECO basieren auf der

8. Generation Intel-Core-U-Familie und der9. Generation Intel-Core-H-Familie (CoffeeLakeRefresh). Das SECOCOMe-C55-CT6, einCOM-Express-3.0-Compact-Type-6-ModulmitIntels Core- und Celeron-U-Serie. Es bietet4 x USB 3.1, 8 x USB 2.0 und bis zu 8 x PCI-ex1 Lanes sowie IntelsUHD-Graphics 620undzweiDDR4-SO-DIMM-Steckplätze fürDDR4-2400 (bis zu 32 GB). Die 9. Generation vonIntels Core-H-Prozessorserie ist laut SECOdiebisher leistungsfähigste und flexibelste Ge-neration von 45-Watt-Prozessoren. // MK

Avnet Silica, CompMall, congatec, SECO

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Für rund9Mrd. EuroübernimmtInfineon Technologies CypressSemiconductor. Zu dessen Port-folio zählen Mikrocontroller,drahtlose undUSB-basierteKon-nektivitätslösungen, analoge ICssowie Industrie- und Automoti-ve-taugliche Speicher-ICs. „DieKomponenten ergänzen unsereLeistungshalbleiter, Sensorenund Sicherheitslösungen opti-mal“, sagt Dr. Reinhard Ploss,Vorstandsvorsitzender von Infi-neon. Das kombinierte Pro-duktspektrum ermögliche nochumfassendere Lösungen als bis-her fürwachstumsstarkeAnwen-dungen. Dazu zählt er unter an-derem elektrische Antriebe,batteriebetriebene Geräte undStromversorgungen. Die Verbin-dung der Sicherheits-Expertisevon Infineon mit dem Connecti-vity-Know-how von Cypress be-schleunige den Eintritt in neueIoT-Anwendungen. „Bei Auto-mobilhalbleitern bietet das er-weiterte Portfolio an Mikrocont-rollern und NOR-Flash-Spei-chern großes Potenzial, insbe-sondere mit Blick auf derenwachsende Bedeutung für Fah-rerassistenzsysteme und neueElektronikarchitekturen imFahr-zeug“, sagt der Infineon-Chef.Durch die Übernahme rückt derMünchener Konzern auf Platz 8der größten Halbleiterherstellervor und wird größter Lieferantvon Automotive-Chips. // ME

Infineon Technologies

HALBLEITERMARKT

Infineon kauftCypress

EU-DROHNENVERORDNUNG

Neue Regeln für Unternehmen und PrivatpersonenSeit dem 11. Juni 2019 gelten EU-weit neue Regelungen für denEinsatz kommerzieller und pri-vater Flugdrohnen. Diese orien-tieren sich nicht primär amZweck des Drohneneinsatzes,sondern am zu erwartenden Ri-siko. Berufs- und Freizeitpilotengenießen dieselben Rechte und

Pflichten und können bei Erfül-lung entsprechender KriterienDrohnen in drei unterschiedli-chen Kategorien betreiben.Operationenmit geringem Ri-

siko werden in der Kategorie„Open“ zusammengefasst undbenötigen keinerlei Genehmi-gung im Vorfeld. Die Kategorie

„Specific“ gilt für Einsätze, beidenen einmittleres Risiko ange-nommen wird. Hier muss ist vorder Nutzung die Genehmigungeiner zuständigenBehörde erfor-derlich. „Certified“ umfasst Ein-sätze mit hohem Risiko. Bei die-ser Kategorie sind sowohl einezertifizierte Drohne als auch ein

lizenzierter Piloten und ein voneiner zuständigenBehörde zuge-lassenes Unternehmen nötig.AusführlichereDetails zur EU-

Drohnenverordnung finden SieimOnline-Beitragunterhttps://bitly.com/2LeiCLR. // SG

DJI

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SERIE // ANALOGTIPP


Elektronische Signaleingänge vorÜberspannungen schützen

THOMAS BRAND *

* Thomas Brand... arbeitet als Field ApplicationsEngineer bei Analog Devices inMünchen.

Die vor allem im industriellen Umfeldvorhandenen hohen AnforderungenandieRobustheit elektronischer Sys-

teme stellenEntwickler vor großeHerausfor-derungen. In derRegel sind zusätzlicheBau-teile unumgänglich, um Systeme beispiels-weise vor Überspannungen zu schützen.Dabei kommt es immer wieder vor, dass

diese Bauelemente die eigentlichen Signalein ungewollter Weise beeinflussen oder garverfälschen. Zudem führen sie zu Mehrkos-tenund zuPlatzproblemenauf der Leiterplat-te. Beim Design der Schutzbeschaltung istdaher oft ein Kompromiss zwischen der Ge-nauigkeit und dem Schutzniveau nötig.Eine relativ einfache und häufig verwen-

dete Methode besteht aus externen Schutz-dioden, meist Suppressordioden, die zwi-schen Signalleitung und Versorgung bezie-hungsweise Masse geklemmt werden. Sup-pressordioden haben den Vorteil, dass siesehr schnell sindunddaher unmittelbar aufkurzzeitige Überspannungsimpulse reagie-ren können. Der linke Teil von Bild 1 zeigtdiese Art von Überspannungsschutz.Tritt ein positiver Überspannungsimpuls

auf, wird er mit einem Strom über die DiodeD1 nach VDD abgeleitet. Die Spannung wirdsomit aufVDD zuzüglichderDiodenflussspan-nung begrenzt. Ist der Impuls negativ undkleiner als VSS, gilt dasselbe, nur mit dem

Unterschied, dass dieser über D2 nach VSS

abgeleitet wird. Allerdings kann der durchdie Überspannung verursachte AbleitstromdieDiodenbeschädigen,wenner nicht limi-tiert wird. Daher befindet sich im Pfad nochein Strombegrenzungswiderstand. Für sehrraueUmgebungenkommtoftmals eingangs-seitig noch eine bidirektionale Suppressor-diode zum erhöhten Schutz zum Einsatz.Nachteile dieser Art von Schutzbeschal-

tung sind unter anderem größere Flanken-anstiegs- beziehungsweise Flankenabfallzei-ten und kapazitive Effekte. Ferner bieten sieim spannungsfreien Zustand der Schaltungkeine Schutzwirkung.Meist verfügen die aktiven Bauteile selbst

bereits über einen integriertenSchutz. Dieserkann aus einer Schalterarchitektur wie imrechten Teil von Bild 1 bestehen. Hier sindebenfalls sowohl eingangs- als auch aus-gangsseitig Schutzdioden zu beiden Versor-gungen vorhanden. Nachteilig wirkt sichauch hier der spannungslose Zustand aus.Denn durch die floatenden Signale kann espassieren, dass der Schalter über dieDiodenund die Versorgungsleitung dennoch ange-steuert wird und durchsteuert, wodurch derSchutz der Signalleitung abhandenkommt.Unter anderem aus diesem Grund wurde

die Schalterarchitektur umeine sogenanntebidirektionale ESD-Zelle wie in Bild 2 erwei-tert. Anstelle der eingangsseitigenSuppress-ordioden fängt nundie ESD-Zelle kurzzeitigeÜberspannungsimpulse ab, indem sie stän-dig die Eingangsspannung mit VDD bezie-hungsweise VSS vergleicht. Im Falle einerdauerhaftenÜberspannungöffnet der nach-

geschaltete Schalter automatisch. Die Ein-gangsspannung wird hierbei nicht mehrdurch die an die Versorgung geklemmtenSchutzdioden begrenzt, sondern durch denmaximalen Spannungswert des Schalters.Weitere Vorteile gegenüber der herkömm-

lichen Schalterarchitektur sind eine höhereRobustheit und Zuverlässigkeit der Systemesowie nahezu keine Beeinflussung der ei-gentlichen Signale und deren Genauigkeit.Zudem kann der zusätzliche Strombegren-zungswiderstand entfallen, dadie Leckströ-mebei geöffnetemSchalter sehr gering sind.Einederartige Eingangsstrukturweist bei-

spielsweise derVierfach-SPST-Schalter (Sin-gle-Pole Single- Throw) ADG5412F von Ana-logDevices auf. Dieser lässt unabhängig voneiner vorhandenen Spannungsversorgungeine dauerhafte Überspannung von bis zu±55 V zu. Eine in jedem der vier Kanäle inte-grierte ESD-Zelle fängt kurzzeitigeÜberspan-nungsimpulse bis 5,5 kV ab. Im Falle einerÜberspannungwirdnur der betroffeneKanalgeöffnet, die übrigen arbeitennormalweiter.Ein solcher Fehlerschutzschalter verein-

facht elektrische Schaltkreise und bietet ge-genüber einer diskret aufgebauten Lösungviele Vorteile, sowohl was die optimaleSchaltperformance und Robustheit inner-halb einer Präzisions-Signalkette angeht, alsauch bezüglich des Platzbedarfs auf der Lei-terplatte. Ein derartiger Überspannungs-schutz mit demADG5412F eignet sich daherbesonders für hochpräzise Messanwendun-gen in rauen Umgebungen. // RO

Analog Devices

Bild 2: Überspannungs-schutz mit integrierter,bidirektionaler ESD-Zelle.

Bild 1: Traditioneller Aufbaueines Überspannungs-schutzes mit zusätzlichendiskreten Komponenten.

Bilder:A

nalogDe

vices

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TECH-WEBINAREwww.elektronikpraxis.de/webinare

Herausforderungen beimmmWave OTA-Test meisternDer 5G-Standard bringt neuartige, hochintegrierte Gerätemit sich, die kabellose Testkonzepte over the Air (OTA)

VERANSTALTUNGENwww.elektronikpraxis.de/event

erfordern. Lernen Sie imWebinar die größten Herausforde-rungen im Bereich OTA-Test kennen und wie Sie diesegeschickt adressieren können.

Die Halbleiterindustrie entwickelt kontinuierlich anModulen für den 5G-Standard, welche den Vorteil dergrößeren Bandbreiten im Frequenzbereich über 24 GHzausnutzen. Die Evaluierung und Prüfung sogenannterAntenna-in-Package-(AiP-)Module, bei denen die Antennebereits integriert ist, erfordert dabei kabellose Testprozedurenover the Air (OTA).

In diesemWebinar erfahren Sie:- die Besonderheiten von OTA-Testkonzepten kennen underfahren Sie,- welche Lösungen im Bereich OTA-Charakterisierung,Validierung und Produktionstest aktuell verfügbar sind.

Durch dasWebinar führt Sie:Jan Fromme, der als Senior Development Engineer beiNational Instruments tätig ist.

Partner und Veranstalter:

DESIGN CORNERwww.elektronikpraxis.de/design-notes

Partner und Veranstalter:

Embedded LinuxWoche8.- 12. Juli 2019, Würzburgwww.linux4embedded.de

Technologietag Leiterplatte & Baugruppe9.-10. Juli 2019, Würzburgwww.leiterplattentag.de

3D-gedruckte Elektronik10. Juli 2019, Würzburgwww.3d-gedruckte-elektronik.de

Batterien – Grundlagen und Anwendungen10. Juli 2019, Münchenwww.b2bseminare.de/132

Embedded Programmierungmit modernem C++16.-18. Juli 2019, Münchenwww.b2bseminare.de/116

Automation Software Engineering - Kongress15.-18. September 2019, Sindelfingenwww.ase-kongress.de

Anwenderforum Relaistechnik17.-18. Oktober 2019, Würzburgwww.relaisforum.de

Power-Kongress22.-23. Oktober 2019, Würzburgwww.power-kongress.de

LED-Beleuchtung in der elektrotechnischen Praxis13. November 2019, Leipzigwww.b2bseminare.de/1002

Batterien – Grundlagen und Anwendungen21. November 2019, Frankfurtwww.b2bseminare.de/132

Expertenseminare für FPGA-Entwicklerwww.ptek-akademie.de

Monolithischer 20 A Silent Switcher 2 Reglerwww.elektronikpraxis.de/dn575

DC/DC-Controller kompensiert Spannungsabfällewww.elektronikpraxis.de/dn574

Abwärtsregler mit schnellem Einschwingverhaltenwww.elektronikpraxis.de/adi579

SEPIC für Automotive- und Industrie-Anwendungenwww.elektronikpraxis.de/adi578

Unser

AKTUELLES

Programm

AutomationSoftwareEngineering

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MESSTECHNIK // ENTWICKLUNGS-KIT

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TITELSTORYStören Kabel und WLAN lässt sichnicht betreiben, dann müssen Ent-wickler auf andere Funkstandardszurückgreifen. Das ist gerade in derGebäudeautomatisierung interes-sant, wenn beispielsweise Tempe-ratur- oder Feuchtewerte übertragenwerden sollen. Hier bietet sich einDesign-Kit für Funkanwendungen an,das für den Raspberry Pi verwendetwerden kann. Praktisch für den An-wender: Neben Hardware ist die not-wendige Software mit dabei. SolcheEntwicklungs-Boards sind geradein der Prototypen-Entwicklung inte-ressant, da sie über verschiedeneSchnittstellen und entsprechenderSoftware verfügen, um den RaspberryPi zu erweitern.


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Entwicklungs-Kit und Raspberry Pisenden drahtlos auf 868 MHz

Für die drahtlose Funkkommunikation auf 868 MHz bietet sich dasAMBER PI zusammen mit einem Raspberry PI 3B an. Erste Gehversuche

und Anwendungen lassen sich mit dem Design-Kit entwickeln.

SELINA SCHULER *

* Selina Schuler... ist Software-Entwicklerin bei WürthElektronik eiSos.

Dezentrale Intelligenz, Cyber PhysicalSystems, SmartHomeundSmart Fac-tory – diese Begriffe werdenmit dem

Internet of Things (IoT) verbundenund sindaktuell allgegenwärtig. IoT bedeutet dabeinicht unbedingt dieVernetzung vonGerätenunter Nutzung des Internetprotokolls. WoKabel stören und WLAN nicht praktikabelist, kommenandere Funkstandards zumEin-satz. Für Entwickler bieten sich Design-Kitsfür Funkanwendungen an. Dabei spielt derRaspberry Pi eine zentrale Rolle. Ob als Eva-luationsboard de luxe oder sogar direkt alsAnwendung: Mit dem AMBER-PI-Kit undeinem Raspberry Pi haben Entwickler dieMöglichkeit, schnell eine stromsparendeFunkanwendung für denSub-GHz-Frequen-

zen zu erarbeitenund zu testen.DasRaspber-ry Pi verfügt bekanntlich bereits über dieintegrierten FunktechnikenWLAN und Blu-etooth, um Geräte und Anwendungen mitbeschränkter Reichweite zu vernetzen.

Funkverbindung mit einerReichweite von bis zu 10 kmDieWürth-Elektronik-eiSos-Gruppebietet

mit dem AMBER PI eine komfortable Mög-lichkeit, dasRaspberry PimitweitreichenderFunkkommunikation auszustatten. Das De-sign-Kit enthält nebenderHardwaredie not-wendige Software, um das Raspberry PI zuerweitern.DasAufsteckboard eignet sich füralle Raspberry-Pi-Modelle, die über ein40-Pin-Layout verfügen. Auf demAMBERPIist das Tarvos-III-Funkmodul verbaut, dasdie Funkkommunikation im Frequenzbandvon 868 MHz ermöglicht. Zudem verfügt esüber zwei SPI- und zwei I²C-Schnittstellen,umdiemitgelieferten Sensoren oder andereelektronische Komponenten anzubinden.

Das Tarvos-III-Funkmodul stellt denHauptbestandteil für die Funkkommunika-tion dar und wird über das UART-Interfacedes Raspberry Pi angesprochen. Mit einemStromverbrauch von 26mAbei einer Sende-leistung von 14dBmundeiner Stromaufnah-mevon lediglich0,2 µA imSchlafzustand istes gerade bei batteriebetriebenen Anwen-dungen interessant.Mit demTarvos-III lässtsich per Funk über eine Distanz von 2000msenden. Zudem verfügt es über einen soge-nannten Long Range Mode, der eine Funk-verbindung mit einer Reichweite von bis zu10kmermöglicht. Aber selbst bei Entfernun-gen, diemanmitWi-Fi oder Bluetooth über-brücken könnte, bietet das 868-MHz-Bandseine Vorteile: Es kann mit Interferenzenbesser umgehen, da es einerseits wenigerFunkkommunikation indiesemFrequenzbe-reich gibt, und andererseits durch die nied-rigere Frequenz Hindernisse weniger Ein-fluss auf die Funkqualität und Reichweitehaben. Damit das Raspberry Pis trotz des

Messdaten per Funk: Zusammen mit einem Raspberry Pi 3B und dem AMBER PI lassen sich verschiedene Sensordaten auf einer Frequenz von 868 MHz übertragen.

Bild:©

flucas-stock.ado

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Bild 2: Das Aufsteckboard von Würth ElektronikeiSos eignet sich für alle Raspberry-Pi-Modelle,die über ein 40-Pin-Layout verfügen.

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Aufsteckboards weiterhin variabel und je-derzeit angepasst werden kann, sind seinePins mit den Pins des Raspberry Pis durch-verbunden. Somit lassen sich weitere Auf-steckboards an die Pins der I²C- und SPI-Schnittstellen anbringen.Hierwerden zudemEvaluationsboarddrei

Aufsteckboards mit Sensoren mitgeliefert.Mit den Sensoren lassen sich Parameter wieTemperatur, Luftdruck, relativer Feuchte undBewegung messen. Neben den Sensoren istauch eine Steckplatine für die SPI-Schnitt-stelle im Lieferumfang. Sie ermöglicht es,eigene Prototypen zu entwickeln, mit eige-nen Schaltungen zu experimentieren oderweitere Sensoren anzuschließen.NebendemAMBER PI als Aufsteckboard für das Ras-pberry Pi ist derUSB-Stick Tarvos-III-Plug alsGegenstelle Teil des Lieferumfangs.DankdesSticks wird aus jedem beliebigen PC eineFunkgegenstelle. AMBER PI und Tarvos-IIIPlug sinddirekt einsatzbereit und lassen sichsofort zur gemeinsamen Kommunikationnutzen. In die Firmwaredes Tarvos-III ist der

AMBER-RF-Stack integriert. Der Stack er-laubt es, den Kommandomodus des Tarvos-III zu nutzen. Über die UART-Schnittstellekann der Host – in diesem Fall das Raspber-ry Pi – vordefinierte Kommandos an dasFunkmodul senden, um es zu konfigurierenoder Funknachrichten zu senden.DasModulwiederum antwortet daraufmit einer Bestä-tigungummitzuteilen, dass dasKommandoumgesetzt wurde. Zusätzlich kann das Tar-vos-III auch eigenständig senden, etwawenneine Funknachricht empfangen wurde. Un-abhängig von der Art des Kommandos, istdas Protokoll immer gleich aufgebaut (Tabel-le 1). DasKommandobeginnt immermit demStartsignal, ein Byte mit dem Wert 0x02hex,umdenBeginn einer Nachricht anzuzeigen.Daran schließt sichdasKommando-Byte an,das beschreibt, um welches Kommando essichhandelt. Anschließend folgt ein Längen-byte, das die Anzahl der nachfolgenden Da-tenbytes bestimmt. Abgeschlossenwird dasKommando mit einer Prüfsumme, um diekorrekte Übertragung zwischen Host undModule zu überprüfen. Um beispielsweiseeine Nachricht über Funk zu senden (Kom-mandobyte 0x00hex) mit dem Inhalt „Hello“(0x48 0x65 0x6C 0x6C 0x6Fhex), wird dasKommando wie in Tabelle 2 beschrieben.Wurde die Nachricht erfolgreich gesendet,antwortet das Modul mit dem Kommando-

byte 0x40hex. Eine Payload mit dem Byte0x00hex steht für das erfolgreicheAusführendes Request. Tritt ein Fehler bei der Funk-übertragungdes Telegrammsauf, besteht diePayload aus dem Byte 0x01hex (Tabelle 3).

Treibercode und wie derAMBER Pi angesprochen wirdDas Software Development Kit (SDK) des

AMBER PI wird als Quellcode in C bereitge-stellt. Es enthält die Treiber für die gelieferteHardwarewie Tarvos-III, Tarvos-III-PlugundSensoren und implementiert zudem das be-schriebeneKommandointerface desAMBER-RF-Stacks. Dabei setzen einfacheFunktionenein Kommando zusammen, senden es überdie UART-Schnittstelle an das Modul undinterpretierendieRückantwort. Der Rückga-bewert der Funktionen vomTypbooleangibtan, ob das Kommando erfolgreich vom Mo-dul ausgeführt wurde oder nicht. Zum Sen-den einerNachricht kanndie entsprechendeFunktion mit den zu übertragenden Datenund der Länge dieser aufgerufen werden:

bool ret;uint8_t daten[5] = {'H','e','l','l','o'};uint16_t laenge = sizeof(daten);ret = TarvosIII_Transmit(daten, laenge);

Neben der Kommunikation mit dem Tar-vos-III enthält das SDK Treiber der mitgelie-ferten Sensoren, um diese anzusteuern. AlsEinstiegspunkt für eigene Projekte enthältdas SDK eine Beispielapplikation. Sie liestdie angesteckten Sensoren periodisch ausund sendet die Sensorwerte anschließendüber Funk an den mitgelieferten Funkstick.Die BeispielanwendungkannalsGrundlagefür eigene Projekte genutzt und an die Be-dürfnisse angepasst werden. Mit dem AM-BER-PI-Kit als Gesamtpaket aus Hardwareund Software gibt sie dem Anwender dieMöglichkeit, das Raspberry Pi für die Funk-kommunikation im Spektrum Sub-1-GHzschnell auszustatten. Es sind vor allem die

Bild:W

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nik STARTSIGNAL KOMMANDO LÄNGE DATEN PRÜFSUMME

1 Byte 1 Byte 1 Byte (Wert von Länge) * 1 Byte 1 ByteTabelle 1: Aufbau des Protokolls.

STARTSIGNAL KOMMANDO LÄNGE DATEN PRÜFSUMME

0x02 0x00 0x05 0x48 0x65 0x6C 0x6C 0x6F 0x45Tabelle 2: Nachricht „Hello“ per Funk übertragen.

STARTSIGNAL KOMMANDO LÄNGE DATEN PRÜFSUMME

0x02 0x40 0x01 0x00 0x45Tabelle 3: Antwort-Frame mit dem Datum 0x00 für das erfolgreiche Ausführen des Requests.

Bild 1: Das Aufsteckboard AMBER PI inklusive allerSensorerweiterungen.

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ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 13 4.7.2019 19


Einfachheit in der Benutzung und Flexibili-tät in der Ausstattung, womit eine Vielzahlverschiedener Projekten für unterschiedlicheAnforderungen umgesetzt werden können.Typische Applikationen sind Fernüberwa-chung und Funksteuerung, der Ersatz seri-eller Kabelverbindungen oder drahtloseSensornetzwerke in der industriellen Auto-mation (IIoT).

Erweitertes Design-Kit mitverschiedenen SensorenÜber jeweils zwei SPI- und I²C-Steckplätze

desAMBERPI lassen sich I²C- undSPI-Slavesanbinden. Bei Auslieferung sindbereits dreiSensoren sowie das PROTO SPI enthalten(Bild 3). Das PROTO SPI ist eine Platine, diealle vier SPI-Leitungen sowie VCC und GNDin einem Via-Raster von 2,54 mm enthält.Damit hat der Anwender die Möglichkeit,

manuell kundenspezifische Sensorenproto-typisch anzubinden. Bei demHTS221 handeltes sich um einen kompakten Sensor, um re-lative Luftfeuchte und Temperatur zu mes-sen. Der LPS22HB ist ein piezoresistiverDrucksensor, der als digitales Barometerarbeitet. Bei dem Sensor LIS2DW12 handeltes sich um einen hochperformanten 3-Ach-sen-Beschleunigungssensor.DerUSB-Funkstick (Tarvos-II Plug) ist auf-

grund der kompatiblen Funkprofile die Ge-genstelle zumAMBER-PI. Der Funkstick bauteine bidirektionale Funkbrücke zu einemPCauf, umbeispielsweise Sensordaten zuüber-tragen. Eine Dipolantenne mit SMA-An-schluss ist ebenfalls imKit enthalten. Damitwird einehoheReichweite bei der Funküber-tragung ermöglicht. // HEH

Würth Elektronik eiSos

PRAXISWERT

Design-Kit AMBER PI inkl. Sensoren gewinnenZusammen mit Würth Elektronik eiSosverlosen wir ein erweitertes Design-KitAMBER PI zusammen mit drei Senso-ren. Damit sind folgende Anwendungenmöglich:� Gateway: Sub-1-GHz zu Wi-Fi, Blue-tooth oder Ethernet,� Datensammler für Sub-1-GHz Funk-einheiten,� Drahtlose Steuerungseinheiten (Mo-dellflugzeug),� Schnelle Prototypenentwicklung fürAnwendungen der drahtlosen Daten-übertragung und�Mobiles Sensor-Board für Home- oderIndustrieumgebungen (Wetterstation,Bewegungsverfolgung).

Bei dem AMBER PI handelt es sich umeine Erweiterung für den Raspberry Pi3B. Hinzu kommen vier Sensorboards,die drei Sensoren enthalten: Tempera-tur, Feuchtigkeit, Druck sowie Beschleu-nigung. Das vierte Board kann als Basis-PCB verwendet werden. Zusammen mitdem AMBER PI ist eine Entwicklungsum-gebung dabei, die Funktionen und Bei-spielapplikationen enthält. Neben demAMBER PI und Sensoren sind noch einUSB-Stick, Antennen sowie ein StarterGuide dabei. Ein Raspberry Pi 3B aller-dings nicht.Zur Teilnahme am Gewinnspiel gehenSie bitte auf www.elektronikpraxis.de/gewinnspiel.

Bild 3: Das PROTO SPI ist einePlatine, die alle vier SPI-Lei-tungen, sowie VCC und GNDin einem Via-Raster mit 2,54mm enthält. Weitere Sensorensind der LIS2DW12 als ein3-Achsen-Beschleunigungs-sensor, der piezoresistiveDrucksensor LPS22HB sowieder I²C-HTS221TR zum Messenvon relativer Luftfeuchte undTemperatur.

Bild:PeterPrasilik

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MESSTECHNIK //MESSKARTEN


Radarsignale mit einer modularenDigitizer-Karte messen

Radarsignale lassen sich mit modularen Digitizer-Messkarten analysieren.Die Messdaten gelangen schnell auf einen Host-Computer und demAnwender steht eine breite Palette an Analysewerkzeugen bereit.

OLIVER ROVINI UND ARTHUR PINI *

* Oliver Rovini... ist technischer Leiter bei SpectrumInstrumentation in Großhansdorf beiHamburg.

WillmanRadarsignale untersuchen,die aus gepulsten Wellenformenmit kurzen Pulslängen, mehreren

Modulationsarten und kritischem Timingbestehen, so sind Messsysteme mit hoher

Bandbreite, proportionaler Abtastrate, gro-ßem Erfassungsspeicher und schneller Da-tenübertragungnotwendig. Es sind vor allemmodulare Digitizer mit hohen Geschwindig-keiten, mit denen sich solche Radarsignaleerfassen und verarbeiten lassen. Außerdembieten sie nebender hohenBandbreite einengroßenSpeicher sowie spezielle Erfassungs-modi, damit der verfügbare Speicherplatzoptimal genutzt wird. Mit den kompaktenPC-Digitizer lassen sich Hochgeschwindig-keitsmessungen und sehr präzise Analysendurchführen. Der folgende Text zeigt alleVorteile von modularen High-Speed-Digiti-zern, wennman Radarsignale messen will.Radarsignale basieren auf pulsmodulier-

tenRadiofrequenz- (HF-)Trägern, die imAll-

gemeinen eine Frequenz-, Phasen- oder kom-plexe Modulation aufweisen. Die Messinst-rumente haben die Aufgabe, die gepulstenWellenformen mit einer möglichst hohenGenauigkeit zu erfassen und die Schlüssel-parameter zu ermitteln. Das Bild 1 zeigt einRadarsignalmit einempulsmoduliertenHF-Tragermit 1 GHz.Das Signal imoberenRasterwurde mit dem Digitizer des Typs M4i.2234-x8 vonSpectrum Instrumentation aufgenom-men. Es handelt sich dabei um eine PCIe-Digitizerkartemit einer Auflösung von8Bit,vier Kanälen und einer Bandbreite von1,5 GHz bei einer maximalen Abtastrate von5 GS/s. Das entspricht fünf Milliarden Mess-werte pro Sekunde. Dank dieser BandbreiteundAbtastrate lassen sichVHF- undnieder-

Radar-Signale:Mit einer modularen Messkarte undentsprechender Software lassen sich Radar-Signaleanalysieren und auswerten.

Bilder:SpectrumInstrumentatio

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Arthur Pini... ist Test&Measurement-Ingenieur inNew York/USA.

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frequenten UHF-Radargeräten erfassen so-wie auch die Zwischenfrequenzen vielerRadargerätemit höherenFrequenzen.DieserDigitizer enthält einen Erfassungsspeichervon 4 GS. Damit lassen sich problemlos800msDatenmit dermaximalenAbtastratevon 5 GS/s aufzeichnen. Es ist also sowohleine gute Zeitauflösung als auch eine langeErfassungmöglich, was bei der Analyse vonphasen- oder frequenzmodulierten Signalensehr hilfreich ist. In diesem Beispiel hat derDigitizer dasRadarsignal 500µs lang erfasstund dabei einen Speicher von 2,5 MS benö-tigt. Das entspricht fünf Impulsen des Sig-nals, wobei der interne Speicher des Digiti-zers ausgereicht hätte, um 8000 Impulseaufzunehmen.

Software analysiert Messwerteund konfiguriert den DigitizerDie für den Einsatz mit dem Digitizer ver-

wendete Software ist SBench6 vonSpectrum

Instrumentation.Mit dieser Softwarehat derAnwender die Möglichkeit, den Digitizerschnell und einfach zu konfigurieren, dieErfassung zu steuern und die entsprechen-denDaten anzuzeigen. Die Software enthältauchFunktionen zumAnalysierender erfass-ten Signale. Beispielsweisewirdmit der Fre-quenzmessfunktion die Trägerfrequenz desSignals ermittelt, ablesbar im Infofenster aufder linkenSeitemit 1,0GHz. SBench6 enthältzudem verschiedene numerische Analyse-werkzeuge, einschließlich der Fast-Fourier-Transformation (FFT) und der Filterung mitendlicher Impulsantwort (FIR).Die Pulswiederholungsfrequenz (PRF)

kannmithilfe desRasters abgelesenwerden;einen viel genauererWert kannmanmitHil-fe der Softwarefunktionen ermitteln. FürgenauereMesswerte des PRF, der Impulsbrei-te und des Tastverhältnisses extrahiert mandie Hüllkurve der pulsmodulierten Wellen-form. EineMöglichkeit hierfür ist, das Signal

Bild 1: Ein typisches gepulsten HF-Radarsignals wird erfasst und anschließend erfolgt die RMS-Analyse.Damit lassen sich wichtige Parameter der Hüllkurve ermitteln.

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zu quadrieren (mittleres Raster) und an-schließendmit einemTiefpass (unteresRas-ter) zu filtern. Mit diesem Vorgehen erkenntist es dem Anwender möglich, den quadra-tischen Mittelwert (Effektivwert, RMS zu er-kennen. Die quadrierteWellenform immitt-leren Raster ist proportional zu der Momen-tanleistung des Signals. Wenn eine Leis-tungsmessung erforderlich ist, könnendieseDaten durch die Eingangsimpedanz von50Ohmdividiert und die Einheit inWatt ge-ändert werden, um die gewünschten Wertezu erhalten. Hat man das Signal gefiltert,wird die Hüllkurve der Impulsfolge imunte-renRaster angezeigt. DieMessfunktionenderSoftwarewerdendannerneut verwendet: Esergibt sich für die Impulse letztendlich einPRF von 10 kHz, eine Impulsbreite von9,955 µs und ein Tastverhältnis von 9,955%.

Wie sich modulierte Pulsemessen lassenUmdie Entfernungsauflösung des Radars

zu verbessern,wird oft die Pulskompressionverwendet. Bei dieser Kompressionwird derImpulsträger so moduliert, dass sich jederZeitpunkt im Impuls von jedemanderenun-terscheidet. Dazu nutzt man die Frequenz-oder Phasenmodulation. Der Radarempfän-ger liefert die notwendige digitale Signalver-arbeitung, um die Pulskompression zu be-einflussen. Die Trägerfrequenz zu wechselnoder schwanken zu lassen, während derImpuls andauert, ist eineüblichesVerfahren,wobei die resultierenden frequenzmodulier-ten Impulse als sogenannte Chirps bezeich-net werden. Das Bild Abbildung 2 zeigt alsBeispiel einen linear schwankenden Radar-Chirp.Dermodulierte Impulswird im linkenRas-

ter angezeigt. Während des Impulses wirddie Trägerfrequenz linear von nominal 998auf 1002 MHz geändert, was sich in der Fre-quenzbereichsansicht der FFT zeigt, die im

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rechtenRaster angezeigtwird.Der abgeflach-te Peak, zwischen der roten und blauen Cur-sorlinie, zeigt die Frequenzänderung wäh-rendder Schwankung (Sweep). Die zwischenden Cursorn abgelesene Frequenzänderungdes Trägersignals beträgt 3,62 MHz.Eine andere Art von Pulskompression er-

gibt sichdurchdas Implementieren vonPha-senmodulation. Dabei wird der Impuls inSegmente aufgeteilt, von denen jedes miteiner bestimmtenPhasenverschiebungüber-tragenwird. Alle Segmente sinddabei gleichlang. Die Auswahl der Phasenverschiebungwird durch einen Code bestimmt. Der typi-scheCode ist binär,wobei der Codewert zwi-schen +1 und -1 wechselt, was einer Phasen-verschiebung von 0 und 180° gemäß derCodefolge entspricht. Die am häufigstenverwendete Codefolge ist der Barker-Code,der eine geringeAutokorrelationmit anderenSequenzen aufweist undSpektrenmit gerin-gen Nebenkeulen erzeugt.DasBild 3 ist einBeispiel eines phasenmo-

dulierten Impulses, welches den Barker-Code der Länge 13 verwendet. Die Demodu-lation des phasenmodulierten Impulses er-folgt ambesten imHost-Computer,wodurcheinedifferenzierteDatenanalysemöglich ist.Es lassen sich auch Programme vonDrittan-bietern wie MATLAB oder LabVIEW oderauch benutzerspezifische Programme in C,C ++ oder Python verwenden. Mit Softwareeines Drittanbieters können die Signaleschnell demoduliertwerden.Außerdem lässtsie sich an die Anwendung anpassen, bietetsomit große Flexibilität und ermöglicht einesehr komplexe Analyse. DerM4i.2234-x8 Di-gitizer vonSpectrum Instrumentationunter-stützt das mit einer hohen Datenübertra-gungsrate über die PCIe-x8-Gen2-Schnittstel-le. Dank entsprechender Treiber und miteinem geeigneten Host-PC sind Datenüber-tragungenvonmehr als 3,4GByte/smöglich.Diese Übertragungsrate ist sehr wichtig,

wennmit einemschnellemDigitizerwie die-semgearbeitetwird, der großeDatenmengenerfasst und einen internen Datenspeichervon 4 GSamples nutzt.

Software von Drittanbieternoder eigener CodeEinedeutlichhöhereRechenleistungkann

mit der SCAPP-Option vonSpectrumerreichtwerden:Dabei leitet derDigitizer die großenDatenmengen nicht an den PC, sondern aneine CUDA-basierte Grafikkarte (GPU). Einwesentlicher Vorteil besteht darin, dass dieGPUmit bis zu 5000Kernen eine viel schnel-lere paralleleVerarbeitungbietet als die CPUdes PCsmit nur 8 oder 16 Kernen. Schonmitkleineren CUDA-Grafikkarten kann die Sig-nalverarbeitung erheblichbeschleunigtwer-den. SCAPP (Spectrum's CUDA Access forParallel Processing) besteht aus einem Trei-berpaket für RDMA (Remote Direct MemoryAccess), welche den direkten Datentransferzwischen Digitizer und GPU erlaubt, sowieAnwendungsbeispielen für die paralleleDa-tenverarbeitungmit anschaulichen Anwen-dungen von Basisfunktionen wie Filtern,Mittelwertbildung, Daten De-Multiplexing,Datenumwandlung oder FFT. Die Demodu-lation des phasenmodulierten Impulses istmit einer geeigneten Drittanbieter-Softwaremöglich. Die demodulierte Wellenform, dienur in Anwesenheit des Signalträgers gültigist, zeigt eine Barker-Code-Sequenz. Der13-Bit-Barker-Code (+1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1+1 -1 +1) ist zu sehen,wobei +1 für 0° steht und-1 für 180°. Das ist die längste verfügbareBarker-Code-Sequenz. Der Pegel der Neben-keule für diesen Code beträgt -22,3 dB.Softwarepakete von Drittanbietern wie

LabVIEWundMATLABbieten speziell für dieRadaranalyse entwickelte Anwendungspa-kete. Ein gutesBeispiel sinddie sogenanntenRadar-Waveform-Analyzer-Funktionen, diein der Toolbox von MATLAB Phased Array

System enthalten ist. Der Hersteller Spect-rum bietet Treiber und Beispielprogramme,um diese Toolbox mit seinen Digitizern zuverbinden. Dermodulare Digitizer bietet zu-dem mehrere Erfassungsmodi, um den Er-fassungsspeicher effizient zunutzenunddieTotzeit zwischendenErfassungen zu verrin-gern. Das ist besonders bei Signalen mitniedrigem Tastverhältnis entscheidend wieeben den Radarsignalen. Mit dem Multiple-Recording-Modus lassen sich mehrere Trig-ger-Ereignisse zusammen mit einer kurzenNachladezeit von etwa 64 ns bei einer Abta-strate von 5 GS/s aufzeichnen. Der Erfas-sungsspeicher ist in mehrere gleich großeSegmente unterteilt, dabei wird für jedesTrigger-Ereignis eines dieser Segmente ge-füllt. Die Erfassung stoppt zwischen denTrigger-Ereignissen, um Speicherplatz zusparen.DerBenutzer kannZeiträumevor undnach

demTrigger auswählenundprogrammieren,die dann in den Segmenten aufgezeichnetwerden. Die Anzahl der Segmente ist nurdurch den verwendeten Speicher begrenztund im FIFO-Erfassungsmodus (First-In-First-Out) sogar unbegrenzt. Jedes Trigger-Ereignis istmit einemZeitstempel versehen,so dass die genaue Position jedes Triggersbekannt ist. Zeitstempel desMehrfacherfas-sungs-Moduswerden in einem zusätzlichenSpeicher auf der Karte abgelegt und bei Be-darf ausgelesen.Das spart Speicherplatz, dadie Totzeit nicht aufgezeichnet wird. DieTriggerimpulse aus Bild 1 sind etwa 10 µsbreit mit einer Totzeit von 90 µs, so dass imMehrfacherfassungs-Modus 90µsnicht auf-gezeichnet werden und somit im gespartenSpeicherplatz weitere neun Impulse aufge-nommenwerdenkönnen.DieserModushilft,um Puls-zu-Puls-Änderungen im Radarbe-trieb zu untersuchen. // HEH

Spectrum Instrumentation

Bild 2: Ein Radar-Impuls mit linear schwankender Trägerfrequenz (Chirp). DasFrequenzspektrum des Impulses zeigt den linearen Schwankungen (Sweep)von fast 4 MHz, der auf die Trägerfrequenz angewendet wird.

Bild 3: Ein phasenmodulierter Impuls unter Verwendung eines Barker-Codesder Länge 13. Phasenumkehrungen sind als Einschnitte in der Wellenformsichtbar.

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AKTUELLE PRODUKTE //MESSTECHNIK

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STEUERGERÄTE TESTEN

In-Vehicle Network Testing und Funktionstests in einem GerätDieDesktop-PrüfumgebungMa-gicCAR compact vonGöpel elec-tronic vereint In-VehicleNetworkTesting und Funktionstests ineinemGerät. In ErweiterungmitBildverarbeitungskomponentenkönnen zusätzlich Infotainment-Tests zurQualitätssicherungab-gedeckt werden. In der Ausfüh-rung MagicCAR Compact Netwerden alle notwendigen Res-sourcen für einen Automotive-Vernetzungstest vereint. Dazugehören beispielsweise CAN-FDoder FlexRay-Conformance.DasSystem verfügt über eine pro-

Bus-Trigger-/Störmodulen lassensich umfangreiche Schnittstel-lentests abbilden.Das Testsystem MagicCAR

Compact basiert auf einer inter-nen Ethernet-Architektur undkann durch externe, Ethernet-fähige Geräte, wie OszilloskopeoderGeneratoren, erweitertwer-den. Außerdem kann mit denfahrzeugrelevanten Medien-schnittstellen MOST, LVDS oderAPIX I/II/III (VideoDragon) odereiner Kameralösung (TOM) einkompletter Infotainment-Testumgesetzt werden.

Die Test-Case-Management-Software und vorkonfiguriertePrüfschrittbibliothekenmachendasGerät sofort gebrauchsfertig.Anwender mit einer bestehen-denProgramm-Generator-Lizenzkönnen durch ein entsprechen-des Update das MagicCar com-pact in ihre Testumgebung ein-binden. Alternativ lässt sich dasTestsystem für Systemintegrato-renüber eineAPI (für CundLab-VIEW) ansprechen.

Göpel electronic

grammierbare Stromversorgungmit schaltbaren Klemmensigna-len sowie integrierter Strommes-sung. Alle gängigen Busproto-kolle werden unterstützt: CAN-FD, LIN, FlexRayundAutomotiveEthernet. In Kombination mit

Die Spektrum-Analysatoren derSerie Ceyear 4041 (Vertrieb:Meil-haus) decken Frequenzen von9 kHz bis 44 GHz ab. Sie habeneinen DANL von typ. -163 dBmbei 1 Hz RBW, ein Phasenrau-

SPEKTRUM-ANALYSATOR

Frequenzbereich bis 44 GHzschenvon -106dBc/Hzbei einemFrequenz-Offset von 100kHzundeinem1-GHz-Carrier sowie einenSweep für 1-GHz-Span mit einerSweep-Zeit <20 ms. Die Mess-funktionen umfassen Kanalleis-tung, belegte Bandbreite, Nach-barkanal-Leistungsverhältnis,Audio-Demodulation, Träger-Rausch-Verhältnis und Emissi-onsmaske. Test-Optionen sindInterferenz-Analyse, AnalogAM/FM/PM-Analysator, Kanal-Scan-ner und Power-Meter.

Meilhaus Electronic

Die Netzwerkanalysatoren derSerien E5080B, P50xxA undM980xAbietet Keysight Techno-logies in den FormfaktorenBenchtop, USB und PXI. In dieAnalysatoren integriert sind

NETZWERKANALYSATOR

Als Benchtop, USB und PXIPulsgeneratoren undModulato-ren, Spektralanalyse undZeitbe-reichsanalyse (TDR). AnAnwen-dungssoftware enthalten sind:Automatic-Fixture-Removal-Option, Zeitbereichsanalyse(TDR), grundlegende gepulsteHF-Messungen, Skalare Mi-scher-/Wandler-Messungen,Verstärkungskompressions-Mes-sungen und Spektrumanalyse.Anwender kommen aus Tele-kommunikation, Luft- undRaumfahrt und Automotive.

Keysight Technologies

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AKTUELLE PRODUKTE // SENSORIK


LINEAR-HALL-SENSOR

Monolithischer Baustein entspricht Sicherheitsnorm ISO 26262Einen speziellenmonolithischenintegrierten, linearen Hall-Sen-sor bringt Infineonmit demXEN-SIV TLE4999|3 auf den Markt.Dieser ist vollständig nach derSicherheitsnorm ISO 26262 fürden Automobilbau entwickeltund entspricht der höchstenAn-forderungsstufe an funktionalerSicherheit (ASILD). Dazu zählenbeispielsweise elektrische Lenk-systeme, elektrische Drossel-klappensystem und Pedalan-wendungen.Der Standard ISO 26262 for-

dert, dass ein Systemauch dann

um, auf dem sich zweiunabhängige Hall-Elemente be-finden. Ihre Signalpfade sindgetrennt voneinander ausgelegt.Interne Kontrollmechanismenführen bereits innerhalb desBausteins einePlausibilitätskon-trolle der Sensordaten durch.Darüber hinaus liefert der neueLinear-Hall-Sensor dem Systemumfangreiche Statusinformatio-nen. Neben der funktionalenSicherheit bietet der TLE4999I3einehohemagnetischeEmpfind-lichkeitmit einer Fehlertoleranzvon weniger als 2%. Die Offset-

fehler-Drift desHauptkanals be-trägt maximal 100 µT. Damit istsie nur halb so hoch wie bei ver-gleichbarenProdukten.DieWer-te dieser Parameter gelten überden gesamten Temperaturbe-reichunddie Produktlebensdau-er. Es lassen sich zwei magneti-sche Bereiche von ±12,5 und 25mTeinstellen,womit sich relativkleineunddamit kostengünstigeMagnete einsetzen lassen. DerBaustein verfügt über eine PSI5-Kommunikationsschnittstelle.

Infineon

einwandfrei funktioniert, wennein einzelner Fehlerfall auftritt,also einBaustein ausfällt. So ga-rantiert der Baustein auf Sys-temebene ein unterbrechungs-freien Betrieb. Der Baustein be-steht aus einem einzigen Silizi-

3D-HALL-SENSOR

Positionen über Streufeldkompensation bestimmenDie auf demHall-Effekt basieren-den 3D-Positionssensoren vonTDK-Micronas (Vertrieb: EndrichBauelemente) erfüllt aktuelleund zukünftige Anforderungendes Automobil- und Industrie-marktes undbietet vier verschie-dene Messmodi in einem einzi-genBauteil: Lineare Positionser-fassung, eine Drehwinkelerken-nung von 360° sowie eineDrehwinkelerkennung von 180°mit Streufeldkompensation ein-schließlich Gradientenfeldernsowie die Fähigkeit zur vollwer-tigen 3D-Magnetfeldmessung

ment-Kombination, umdas bes-te Messergebnis zu erzielen.Dankdes flexiblenSensor-ArraysdermasterHAL-Sensorlinie kön-nen Entwickler den für ihre An-wendungoptimalenBetriebsmo-dus wählen. In den Sensor inte-griert sind alle vier Modi.Dank ihrer Architektur bietet

die Sensorfamilie verschiedeneKonfigurationsmöglichkeiten.Sie verfügt über einen DSP undeinen eingebetteten Mikrocont-roller. Der DSP übernimmt dieSignalverarbeitung, währendder Mikrocontroller die Schnitt-

stellen konfiguriert unddie funk-tionale Sicherheit überwacht.TDK-Micronas entwickelt zudemkundenspezifische Firmware so-wohl für den DSP als auch denMikrocontroller. Ebenfalls er-leichtert werden die Anpassungan veränderten Schnittstellen-standards, wie SENT, SPI undPSI5. Verfügbare Modelle sindHAL 3900, HAL 3930 und HAL3980, die alle in einemSOIC-8-Gehäuse untergebrachtsind.

Endrich Bauelemente

(BX, BY, BZ). Das Herz der HAL39xy-Sensoren beruht auf derpatentierten 3D-HAL-Pixelzel-len-Technik. Dieses Konzept ba-siert auf einer Reihe von Hall-Elementen. Jeder Messmodusverwendet eine andereHall-Ele-

Die Absolutdrucksensoren (Ba-rometric Air Pressure) der SerieSM1131 von Amsys messen denbarometrischen Luftdruck von150 bis 1800 mbar. Dabei bietensie eine Signalverarbeitung mit

DRUCKSENSOREN

Den absoluten Druck messeneiner Auflösung von 16 Bit undeine Genauigkeit von 1 mbar beiTemperaturen von 0 bis 80 °C.Der gesamteArbeitstemperatur-bereich ist mit -40 bis 125 °C an-gegeben bei einer garantiertenGenauigkeit von 2 mbar.Die Ausgabe der druck- und

temperaturproportionalen Infor-mation erfolgt über I²C. Alterna-tiv stehen ein ratiometrischerAnalogausgang (SM1111) odereine Version mit digitalem SPI-Ausgang (SM1171) zurVerfügung.

Amsys

Mit den Laser-Sensoren optoN-CDT 1750-500und 1750-750 eröff-nen sich zahlreiche weitere An-wendungsgebiete in der opti-schen Weg- und Abstandsmes-sung. Die Messbereiche reichen

LASER-SENSOR

Messbereich von 2 bis 750 mmje nachModell von 2 bis 750mm.Der Sensor arbeitet nahezu ma-terial- und farbunabhängig.Schwierige Oberflächen wie se-mitransparenten Kunststoffeund Keramiken, Leiterplatten-material oder carbon- und glas-faserverstärkten Kunststoffelassen sich erfassen. Eingesetztwird der Sensor zur Echtzeit-Qualitätsprüfung in der Elektro-nikproduktion, der Automobil-undVerpackungsindustrie sowiedemMaschinenbau.

Micro-Epsilon

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AKTUELLE PRODUKTE //MESSTECHNIK

HOCHGESCHWINDIGKEITS-DATENBUSSE

Zeit- und Frequenzbereich mit einer Messung anzeigenDerWavePulser 40iX vonTeledy-ne LeCroy ist ein Stand-alone-Werkzeug fürHardwareentwick-ler und Testingenieure, dieHochgeschwindigkeitsverbin-dungen und Kabeln analysierenund charakterisieren. Dazu ge-hören serielle Protokollewie PCIExpress,HDMI,USB, SAS, SATA,Fibre Channel, InfiniBand,Giga-bit Ethernet und AutomotiveEthernet. Test und Validierungvon Verbindungen wurden ge-trennt zwischen Zeit- und Fre-quenzbereichtstest untersucht.Umdie Signalintegrität zuunter-

Übertragungsleitung lokalisie-ren lassen. Für den Frequenzbe-reich Test werden VNAs einge-setzt. Sie bieten einen Dynamik-bereich, um S-Parameter vonHochfrequenz-Komponenten zumessen. Passt der Entwickler ei-nen High-Speed-Interconnect-Test an, so extrapolieren VNAsdenGleichstrom.Hinzukommenunübersichtliche Analyse-Toolsfür die Simulation, Emulation,Zeitsteuerungund Jitter-Analyseder Zeitbereiche.DerWavePulser40iX vereinheitlicht Zeit- undFrequenzbereichscharakterisie-

rung. Während einer Messungcharakterisiert das Gerät voll-ständig die Frequenzen der S-Parameter und führt ein ein Im-pedanzprofil durch. Die S-Paramter stehen für weitere Un-tersuchungenbereit. DabeiwirdderAnwender von einer umfang-reichenToolboxunterstützt. Au-ßerdemcharakterisiert dasMess-gerät serielle Datenkabel, Kanä-le, Stecker, Durchkontaktierun-gen, Backplanes, Leiterplatten,Chip- und SoC-Packages.

Teledyne LeCroy

suchen, verwenden Entwicklereinen TDR, mit dem sich dieStep-/Impulsantwort eines Im-pedanzprofisl charakterisierenlässt. Ein TDR bietet eine hoheräumliche Auflösung, womitsich Störstellen entlang der

POWER OVER ETHERNET

Ein Messgerät für Installation und Fehlersuche

Installation und Fehlersuchesollen mit dem MicroScannerPoE vereinfacht werden: DasMessgerät unterstützt bei Instal-lationundFehlersuche vonPoE-Geräten (Power over Ethernet).Unterstützt wird außerdem der

drahtungsplanung, ein integrier-ter Toner und Abstand zumFehler-Anzeigen zeigen Kabel-probleme auf. Bei Anschluss aneinen aktiven Switch-Anschlusszeigt dasGerät dieGeschwindig-keit des Anschlusses bis zu 10GBit/s an. Das ist für die Fehler-suche bei langsamen AccessPoints nützlich. Über den Kabe-lidentifizierer lassen sich ver-schiedene Kabel identifizieren.Für Power over Ethernet gibt

es keinen einheitlichenStandardundes ist eine breiteAuswahl anstandardisiertenundquasi-stan-

dardisierten Implementierungenverfügbar. Selbst Experten kön-nen nicht abschätzen, welcheGeräte zusammenarbeiten kön-nen. LeistungsstufenundAnfor-derungen erhalten eineBezeich-nung zwischen null und acht,die die Größenordnung/Klasseder bezogenen oder erfordertenLeistung anzeigt. Es muss nursichergestellt sein, dass dieKlas-se der Quelle gleich der oder hö-her als die Klasse des versorgtenGeräts ist.

Fluke Networks

Standard 802.3bt. Über die An-zeige sieht der Anwender dieverfügbare Leistungsklasse, dievomSwitch inÜbereinstimmungmit den Bezeichnungen derEthernet-Alliance gemeldetwer-den. Damit lässt sich erkennen,ob ausreichend Leistung für dasjeweiligeGerät verfügbar ist. BeieinerVerbindungmit einemPoE-Switch zeigt der MicroScannerPoE die vom Switch angezeigtemaximale Leistungsklasse an.Zudemstellt er einenkomplettenToolsatz bereit, der PoE- undnicht-PoE-Geräte installiert. Ver-

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EMBEDDED COMPUTING // EMBEDDED PC


Wie Edge Computer Anwendungenfür KI massentauglich machen

Mit dem IoT-Software Framework SUSiEtec von S&T Technologies kannKontron Lösungen für Künstliche Intelligenz für seine Edge Computer

aus einer Hand anbieten, so etwa für Visual Inspection.

STEFAN EBERHARDT *

* Stefan Eberhardt... verantwortet bei S&T Technologiesin Augsburg das BusinessDevelopment für Artificial Intelligence.

Edge Computer erfüllen neben der Ma-schinensteuerung noch weitere we-sentlicheAufgaben: Zumeinendienen

sie alsGateways in dasNetzwerk bis hin zumInternet.Zweitens können leistungsfähige Embed-

ded Computer direkt an der Maschine an-spruchsvolle Aufgaben übernehmen, die inder Cloud aufgrund von Latenzzeiten undBandbreitenbeschränkungen nicht erledigtwerdenkönnen, etwaAnwendungenderAr-tificial Intelligence (AI; Künstliche Intelli-genz (KI)).

Bei Visual Inspection etwa werden Auf-nahmen über eine Kamera, die entwederüber USB oder Netzwerk angeschlossen ist,direkt auf dem Edge-Gerät von einem trai-nierten neuronalen Netz, im sogenanntenInference-Prozess analysiert und ausgewer-tet, genauer als Menschen dazu in der Lagewären.Weitere Anwendungsmöglichkeiten für

Computermit EdgePerformance sindMachi-ne- und Deep-Learning, in deren rechenin-tensiven Prozessen zumeist vorgefertigteneuronale Netze trainiert werden, um dedi-zierte Anwendungen zu erfüllen. Dies Edge-seitig umzusetzen ist meist effizienter alszunächst Terabyte-weise Trainingsmaterialin die Cloud hochzuladen. Ein kompletterProzess für Deep Learning besteht aus ver-schiedenen Phasen:

� Samples sammeln,� Trainingsphase,� Gelerntes Netz transformieren,� Integration des trainierten Netzes in einProdukt.

Trefferquote größer 80 ProzentgefordertNach den Kundenerfahrungen von S&T

Technologies erwarten Kunden zumeist einfertiges Produkt, beispielsweisewennesumObjekterkennung geht. Ein „minimal viableproduct“, das also den Mindestanforderun-gengenügt,muss eine Trefferquote vonmin-destens 80% erreichen. Dabei sind die An-wendungsbeispiele vielfältig:So sollen Waagen im Supermarkt in die

Lage versetztwerden, automatisch zu erken-nen, welche Art Obst oder Gemüse abgewo-gen wird; Kunden müssen sich dann nichtmehr die dazugehörigen Nummern merkenund von Hand eingeben. Angestellte an derKassemüssennichtmehr prüfen, obderKun-de den richtigen Preis ermittelt hat.Einweiteres Beispiel: Bei der professionel-

len dauerhaftenHaarentfernungmittels La-ser beim Hautarzt kann das Gerät automa-tisch erkennen, aufwelchenHauttyp es sicheinstellen soll. Eine aufwändige Untersu-chung und Justierung durch den Arzt istnicht mehr notwendig.Und bei Reparaturen und Instandhaltung

reicht ein Foto des auszutauschenden oderdefekten Teils, damit die Software oder Appdas Teil korrekt identifiziert undgegebenen-falls sofort die Bestellung des Ersatzteilsauslöst.S&T Technologies macht dabei oft die Er-

fahrung, dassUnternehmenbereits erprobteundbewährteVisual-Inspection-Systeme inBetriebhaben.Diese sindmanchmal bereitsweit über zehn Jahre imEinsatz unddadurchperfekt auf die Anwendung abgestimmt.Neue AI-Lösungen haben es naturgemäßschwer, sich gegen etablierte Systemedurch-zusetzen. Oft fehlt inzwischen die Kenntnis

Software Framework SUSiEtec von S&T Technologies: realisiert die Vernetzung von IoT- und anderenKomponenten in Industrieumgebungen „from Edge to Fog to Cloud“.

Bild:S&T

Technologies

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einer effizienten Programmiersprache zurEntwicklung einer neuen Lösung.

Einfache Programmierung vonAI-AnwendungenHier bietet dasAI-Software Framework von

SUSiEtec eine Alternative. Es erlaubt Ent-wicklern, die Learning- und Inference-Phasein den gängigen Sprachen .Net und Java un-ter Windows zu programmieren.Hardwareseitig zeigt sich, dass Embedded

Computer für AI-Aufgaben ausreichend ge-rüstet sind, denn inder Praxis spielt dieAus-wertegeschwindigkeit oft nur eine geringeRolle: DerUnterschied zwischen einer Zehn-tel und zwei Sekunden ist für dieAnwendungoft nicht entscheidend. Kräftige Hardware-Beschleunigerwie IntelsMovidius-Chips fürneuronale Netze sind deshalb meistens inzeitkritischen Szenarien erforderlich, nichtaber in jeder Anwendung.Neben Visual Inspection sind auch AI-

Anwendungen in der Texterkennung und-Wiedergabe, der Audioerkennung und Ver-haltensmustererkennungdenkbar. Über dieAudioerkennung lassen sich etwa unge-wöhnlicheVibrationen identifizieren, die aufein fehlerhaftesMaschinenteil hindeuten. Sokönnten etwa Züge „im Vorbeifahren“ ge-prüft werden. Firewalls in IT-Netzwerkenwerden über kurz oder lang „lernen“, wasnormales Verhalten imNetzwerk ist und beials ungewöhnlich erkannten AktivitätenAlarmschlagenoder sogar erste Schutz- undAbwehrmaßnahmen einleiten.

AI maßgeschneidert für alleEinsatzbereicheDie Grundlagenforschung von vielen In-

ternetkonzernen sowie ausdenUniversitätenwie Harvard und anderen Forschungsinsti-tuten tut ihr Übriges zur Entwicklung vonAI-Anwendungen. Auf dieser Basis können

nunauchkommerzielleUnternehmeneigeneAnwendungenumsetzen:Hier ist der Punkt,an dem Kontron mit S&T Technologies an-setzt. Sie ermöglichen ihrenKunden, sich aufihreKernkompetenzen zukonzentrierenundsetzenState-of-the-Art-Technologienmaßge-schneidert um, genauso wie es der Kundebenötigt, etwa die autofmatisierte Bildersu-che einer Internetsuchmaschine.Die gleichen neuronalen Netze kommen

zum Einsatz, wenn eine AI-Anwendung vonS&T Technologies Produkte kategorisiert.Ausgeführt und beschleunigt wird die An-wendung natürlich auf Hardware von Kon-tron. GrundsätzlichhaltenKontronundS&TTechnologies den Markt reif für skalierbareAI-Lösungen, da alle Komponenten quasi„von der Stange“ verfügbar sind. Zudemun-terstützt die S&T-Gruppe ihre Kunden beimEinstieg in diese neue Technologie,mit demIoT Software Framework SUSiEtec. Bei dervisuellen Erkennung, als prominentes Bei-spiel, beinhaltet dies die Klärung der Hard-ware-Anforderungen,Auswahl und Integra-tion von Open-Source-Modulen und -Pake-ten sowie die Kapselung komplexer Proble-me, z.B. über Docker.Durch diese enorme Komplexität ergeben

sich beim Zusammenspiel oft viele kleineProbleme, die dannvonKontron gemeinsamimVerbundmit der S&T-Gruppe für dieKun-den gelöst werden können. Der Kunde wirdauf seiner gesamten Reise von der Beratungbis hin zu einem fertigen, maßgeschneider-ten Produkt begleitet. Hierdurch entstehen,ausgehendvonkleinen erfolgreichenLösun-gen, umfassende Anwendungen, die demKunden einen echten Mehrwert bringen.Vielfältige AI-Einsatzmöglichkeiten sindheute nicht nur denk- sondern auchumsetz-bar. // MK

S&T Technologies / Kontron

EMBEDDED COMPUTING // EMBEDDED PC

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KISS 4U V3 SKX: Derleistungsfähige Servervon Kontron meistertHigh-End-Bildverar-beitung, SCADA/MES-Applikationen, ArtificialIntelligence und Machi-ne Learning.

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EMBEDDED COMPUTING // EMBEDDED STANDARDS


Raspberry PI: Grundlagen seriellerKommunikation

Raspberry Pi meistert dank unzähliger Erweiterungsmodule zahlreicheAufgaben. Basis hierfür ist die 40-Pin-Stiftleiste. Dieser Grundlagen-

artikel informiert über die seriellen Schnittstellen.

MAXIMILIAN BATZ *

* Maximilian Batz... ist Geschäftsführer von pi3g.com.

Der Raspberry Pi (RPi) bietet für dieserielle Kommunikation zwei Hard-wareeinheiten, die über die GPIO-

Pins zugänglich sind: den PL011-UART unddenMini-UART. LesenSie,wie Sie diese Pinsansteuern, nutzen und einen RS485-Tran-sceiver daran anbinden können. Der Autorspricht im folgenden vom Empfänger undSender. DieKommunikation istmeist (außerbei Halfduplex RS485) bidirektional, beidePartner sind Sender als auch Empfänger.Dabei erfolgt die Kommunikation imVoll-

duplex-Modus.DasGeschriebene gilt also fürbeide Kommunikationspartner, jeweils inunterschiedliche Richtung. Es reicht, eineSeite der Kommunikation zu betrachten, dadie andere genaugleich läuft – inGegenrich-tung.

Serielle Kommunikation übereine DatenleitungBei serieller Kommunikation nutzen wir

eineDatenleitung, umseriell Daten zuüber-mitteln. Die einzelnen Bits werden nachein-ander, also in Serie, gesendet. Die Alternati-ve dazu wäre die parallele Kommunikation,bei der Bits gleichzeitig übertragen werden,beispielsweise bei älteren Druckern mit Pa-rallelport. Die meisten modernen Schnitt-stellen sind seriell. Dazu zählen etwa derUniversal Serial Bus (USB), das serielle Peri-pherie-Interface (SPI), Inter-Integrated Cir-cuit (gesprochenals I-Quadrat-C; I2C), SerialATAttachment (SATA)unddas in Fahrzeugenverwendete Bussystem Controller Area Net-work (CAN).Die serielle Kommunikation hat inbeson-

dere bei höherenGeschwindigkeitenVortei-le gegenüber der parallelen, da es sehrschwierigwäre, parallele Pins zu synchroni-sieren.Die serielle Kommunikationbenötigtfür die Datenübertragung zudem weniger

Leitungen als die parallele, was die Kabeldünner und günstiger macht.

Von Bits, Bytesund ASCIIEinBit ist die kleinste Informationseinheit

in einem Computer und entspricht den Zu-ständen „0“und „1“. Ein Byte ist die kleinsteadressierbareDatenmenge. EinByte hat achtBit. Mit einem Byte lassen sich 256 Zeichendarstellen, von 0 bis 255. Auf der Seite„ASCII-Code“ findet sichdieBelegungdieserZeichen, falls sie als ASCII interpretiert wer-den. Einige der ASCII-Zeichen sind nicht-druckbare Steuerzeichen, etwa für ‘neueZeile’. Andere sind Sonderzeichen, etwaUmlaute. Die Zeichen ab 128 können je nachCodepage unterschiedlich interpretiert wer-den, etwa als kyrillische Zeichen. Die Code-page bestimmt, was die Zeichen darstellen.UTF-8 nutzt hingegen ein bis vier Bytes

zum Kodieren von einem Zeichen. Es ist zuASCII abwärtskompatibel: die Zeichen 0 bis127 entsprechen dem ASCII Encoding.Fazit: ein Byte oder 8 Bit ist die Grundein-

heit für Kommunikation amPC.Wir übertra-gen, speichernunddenken inBytes amCom-

puter. Über die serielle Schnittstelle übertra-gen wir bitweise, aber jeweils 1 Byte amBlock. Die Aufgabe des Universal Asynchro-nous Receiver Transmitters (UARTs) ist, dieDaten aus dem Byte in Bits umzuwandelnund nacheinander zu senden. Dabei kommttypischerweise eine Sendeleitung je Rich-tung zumEinsatz – der UARThat einen Sen-deteil (TX für Transmit), und einen Emp-fangsteil (RX für Receive). Die serielle Kom-munikation via UART hat im Gegensatz zuSPI und I2C keine zusätzliche Takt/Clocklei-tung für den Sendetakt. Auf der Gegenseiteempfängt der UART die einzelnen Bits undsetzt sie wieder zu einem Byte zusammen.

Start-/Stopp-Bit und„High“ und „Low“ beim UARTAls Relikt aus der Telegrafie ist der Stan-

dardzustand im Leerlauf ohne Kommunika-tion beimUART „High“, also eine logische 1.DerUART zieht auf Senderseite denGPIO-Pin(TX) des Raspberry Pis auf +3,3 V. Dieser Pinist normalerweisemit demEingangspin (RX)auf der Empfängerseite verbunden, sodasshier dauerhaft +3,3Vanliegen. Ist die Leitungunterbrochen, liegt also amRX-Pinder Emp-

Bild 1: Ist für die Datenübertragung ein Parity Bit (hier ungerade Parität) vorgesehen, wird es zusätzlichnach dem letzten Daten-Bit, und vor dem Stop-Bit im Frame mit übertragen.

Bild:M

aximilian

Batz

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fängerseite dauerhaft eine logische 0 bezie-hungsweise GND an, kann der UART derEmpfängerseite das detektieren und demSystemmelden.Hinweis: nur der PL011-UART meistert

„Break Detection“. Da der Mini-UART dasStop-Bit nicht prüft, würde er bei defekterLeitung fälschlicherweise 0x00 melden, daerwiederholt „Low“ vonder „Leitung“ liest.Will der Sender ein Byte senden, zieht er

die Leitung auf GND – das ist das Start-Bit.Danach werden die einzelnen Bits nachein-ander übermittelt (0 als Low; die Leitungliegt auf GNDund 1 alsHigh, die Leitung hat+3,3 V im Falle des RPi). Anschließend ziehtder Sender für das Stop-Bit die Leitung wie-der aufHigh, +3,3V–denUrsprungszustand.All dies nennt man einen Frame. So wirdsichergestellt, dass zumindest einÜbergangin der Übertragung stattfindet. Würden wireine langeReihe vonNullenübertragen,wä-ren das ohne die Start- und Stop-Bits allesZuständemit 0V.DannkönntenSender undEmpfänger sichdesynchronisieren.Der Sen-derwürdebeispielsweise 800Nullen senden,der Empfänger aber nur 798 zählen. Da ernichtweiß,wanndiese jeweils genauanfan-gen, verlässt er sich ausschließlich auf seineeingebaute Uhr. Durch das Start- und Stop-Bit kann der Empfänger sich immer wiedersynchronisieren, mindestens ein Übergangder Leitung pro gesendetem Byte ist garan-tiert. Da das Senden des Start-Bits jederzeiterfolgen kann, mit beliebigen Pausen zwi-schen dem letzten Stop-Bit und dem neuenStart-Bit,wird dieseArt derKommunikationals asynchron bezeichnet.

Erweiterte Kommunikations-grundlagenEs gibt für die serielle Kommunikation

über den UART folgende Parameter, die aufbeiden Seiten (Empfänger und Sender) ein-gestellt werdenmüssen, etwa über PuTTY:Geschwindigkeit: Bit-Rate in Bit/s, bei-

spielsweise 115.200 Bit/s – jedes Bit dauertdann 8,68 Mikrosekunden.Zahl der Daten-Bits: In der Einleitung ha-

be ich vomStandard gesprochen, inwelchemFall wir bei jedem gesendeten Frame ein

Byte, also 8 Bit an Nutzdaten übertragen. Esgibt jedoch auch andere Möglichkeiten:� 5 Bit: etwa als Baudot-Code,� 6 Bit: selten genutzt,� 7 Bit: für das „echte“ ASCII nur mit 0 - 127Zeichen,� 8 Bit: am weitesten verbreitet,� 9 Bit: selten genutzt.DieStopp-Bitswerden amEnde jedes Zei-

chens oder als Abschluss des Frames gesen-det. Der Empfänger kann so das Ende detek-tieren und sich synchronisieren. Meist wirdein Stopp-Bit verwendet, es gibt aber auch1 1/2 oder 2 Stopp-Bits, etwa bei den langsa-men elektromechanischen Teleprintern.Die Parity ist ein einfaches Verfahren,

Übertragungsfehler zu prüfen, allerdingsohne Korrekturmöglichkeit. Diese Fehlerkönnen durch äußere Störeinwirkungen(elektromagnetische Störungenauf schlechtgeschirmten Leitungen) erfolgen. Der Emp-fänger detektiert fälschlicherweise eine 1woeine 0 sein sollte oder umgekehrt.Bei der Paritywird dabei die Zahl der logi-

schen Einser im übertragenen Byte, inklusi-ve des Parity-Bits gezählt. DasParity-Bitwirdso gesetzt (0 oder 1), dass die Zahl der logi-schen Einser immer entweder gerade oderungerade ist – je nachdem, ob ODD- oderEVEN-Parity eingesetzt wird. Falls ein „Bit-flip“ vorliegt, und eine vorher nicht dagewe-sene 1 detektiert wird, oder eine 1 zu einer 0geworden ist, kann der Empfänger das er-kennen.Allerdingswerden zwei oder anderegerade Anzahlen an Bitflips nicht gemerkt.Ist ein Parity-Bit vorgesehen, wird es zu-

sätzlich nach dem letzten Daten-Bit und vordem Stopp-Bit im Frame mit übertragen(Bild 1). Es gibt folgende Möglichkeiten, dieParity zu konfigurieren:� None: Kein Parity-Bit wird mitgesendet�Odd: Ungerade Anzahl „logischer 1er“� Even: Gerade Anzahl „logischer 1er“�Mark: Das Parity-Bit ist auf 1 gesetzt� Space: Das Parity-Bit ist auf 0 gesetztMark und Space sind selten, da sie nicht

zur Fehlererkennungbeitragen.UnabhängigvomParity-Bit lassen sich auf einer höherenSchicht der Kommunikation weitere Fehler-mechanismen oder Mechanismen zur Wie-deranforderung der Daten vereinbaren.

Hardware und SoftwareFlow ControlAuch Flow Control stammt aus der Histo-

rie: Der Empfänger informiert den Sender,wenn er für weitere Daten bereit ist. Bei-spielsweise könnte der Empfänger eine ge-wisse Zeit benötigen, umdieDaten zu verar-beiten.Oder seinEmpfangsbuffer ist voll under kann keine weiteren Daten annehmen,

Bild 2: Der 9-Pin-Stecker D-Subminiature (D-Sub)war jahrelang der Standard-Monitoranschluss beiComputern. Aktuelle PCs nutzen ihn kaum mehr.

Bild:CCBY-SA/de.wikipedia.org


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ohnewelche zu verlieren. Etwa ein Drucker,der Zeile für Zeile langsamdruckt –undnichtnachkommt, wenn die Daten zu schnell ge-schicktwerden. Es gibt Hardware FlowCon-trol und Software Flow Control, oder FlowControl kann abgeschaltet werden.Für Hardware Flow Control werden zwei

zusätzliche Steuerleitungen benötigt:RTS = Ready to sendCTS = Clear to sendRaspberry Pi bietet die zwei zusätzlichen

Pins für beideUARTs (PL011undMini-UART).Die Idee dahinter ist, dass der Sender RTSauf GND zieht, wenn er sendenmöchte. DerEmpfänger zieht im Gegenzug CTS auf GNDund signalisiert so, dass erDaten vomSenderempfangenkann.Möglich ist auch, statt RTSdenPin als RTR zuverwenden. IndiesemFallwirdRTS immer als „gesetzt“ angenommen,der Empfänger sollte stets empfangsbereitsein. RTR dient jetzt als Indikation für dieEmpfangsbereitschaft des Senders (für dieKommunikation in die Gegenrichtung).Hinweis: DerAutor nutzt hier „Sender“ für

den Computer (DTE, Data Terminal Equip-

ment), da die Terminologie dem Computerdas RTR- oder RTS-Signal zuweist, währendder Empfänger (DCE; Data CommunicationEquipment) das CTS-Signal zugewiesenhat.Im einfachsten Kommunikationsfall kannauf Flow Control verzichtet werden.Beim Software Flow Control werden zwei

besondere Zeichen vereinbart, etwa. dieASCII-KontrollzeichenXON/XOFF. Standard-mäßig startet der Empfänger im „Bereit“-Modus. Besteht dieGefahr, dass seineBufferüberlaufen, schickt er dem Sender (auf deranderen Leitung, bei der der Empfängerselbst der Sender ist) ein XOFF-Zeichen. Ister wieder empfangsbereit, sendet er XON.Software Flow Control benötigt weniger Ka-bel. Es ist aber sicherzustellen, dass XON/XOFF nur für diesen Zweck verwendet wird– und falls etwa binäre Daten übertragenwerden, entsprechend „escaped“ wird.

Möglichkeiten des PuTTY FlowControlsPuTTY ist eine freie Software zumHerstel-

len von Verbindungen über Secure Shell,

Telnet, Remote Login oder serielle Schnitt-stellen. Die Flow-Control-Einstellungsmög-lichkeiten von Putty sind:� None: ein Flow Control fehlt. Die Daten-rate ist so zu setzen, dass der Empfängerdie Daten sicher empfangen und verarbei-ten kann. Alternativ ist mit Pausen von Sen-derseite zu arbeiten oder in höheren Proto-kollschichten Mechanismen für erneutenVersand vorzusehen.� XON/XOFF: Software Flow Control.� RTS/CTS: Hardware Flow Control mit RTSund CTS.� DSR/DTR: Hardware Flow Control mitDSR und DTR (nicht Standard, aber beimanchen Geräten) - am Pi nicht verfügbar.

RS232-Standard für die serielleGerätekommunikationRS232 ist ein Standard für die serielle Kom-

munikation zwischen Geräten, etwa zwi-schenComputer undModem.Bei RS232wirddie elektrische Schnittstelle definiert, und esgibt Übereinkünfte über die Steckverbinder.Die Norm stammt aus dem Jahr 1997 undheißt EIA/TIA-232-F. Das RS von RS232 stehtfür „Recommended Standard“. Diese früherweit verbreitete Schnittstelle wurde bei-spielsweise von USB abgelöst und fehlt inmodernen Computern. Sie ist aber in vielenGeräten etwa als Diagnoseschnittstelle ver-baut und RS232 ist daher für die Industrienochwichtig. Zubeachten ist, dassdieUART-PinsvonRaspberryPiwegenandererSignal-pegel nicht direkt mit einem RS232-Gerätverbunden werden dürfen.Heutzutage gebräuchlich ist bei RS232 der

SUB-D9-PinStecker, beimComputermänn-lich (Bild 2): Der Stecker ist auf eine bestimm-teArt undWeise belegt,wobei nicht alle Pinsgeschaltetwerdenmüssen:Wichtig ist, dassdie RX- und TX-Pins bei Sender (Computer)undEmpfänger (bspw.Modemoder zweitemComputer) jeweils gekreuzt sein müssen,damit die Daten empfangen werden. Fallszwei Computermiteinander verbundenwer-den,werdendaher sogenannteNullmodem-Kabel eingesetzt. (Nullmodem, weil keinModem dazwischen hängt), bei denen dieRX- und TX-Leitungen gekreuzt sind.Pinbelegung am Computer / Sender 1:

� 1: DCD (Data Carrier Detect).� 2: RxD / RX (Receive Data) - Empfang anComputer 1, Sendelinie für Computer 2, be-ziehungsweise Empfänger.� 3: TxD / TX (Transmit Data) - Senden fürComputer 1, Empfang für Computer 2 bezie-hungsweise Empfänger.� 4: DTR (Data Terminal Ready).� 5: GND - Die Signale werden gegen dieseReferenz gemessen.

Bild 3: Schaltdiagramm des Chips MAX3225E von Maxim.

Bild:M

axim

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Bild 4: zu sehen sind die Zustände der Leitungen für asynchrone Kommunikation mittels zweier UARTs, andenen auf beiden Seiten RS-485-Transceiver angeschlossen sind.

Bild:Royvegard

/CC

BY-SA3.0

� 6: DSR (Data Set Ready).� 7: RTS oder RTR (siehe oben, HardwareFlow Control) - Computer 1 ist bereit Datenzu empfangen.� 8: CTS (Clear To Send) - Empfänger bezie-hungsweise Computer 2 ist bereit Daten zuempfangen (Hardware Flow Control, sieheoben).� 9: RI (Ring Indicator).In allenFällenwerden zurKommunikation

RX, TX und GND benötigt. Die digitalen Sig-nale werden durch den UART erzeugt, müs-sen allerdings durch einen RS232-Transcei-ver-Chip auf die richtigen Pegel gebrachtwerden. RS232 nutzt dabei für die Datenlei-tungen (RX und TX) für eine logische 1 eineSpannung zwischen -3 V und -15 V, und füreine logische 0 eine Spannung von +3 V bis+15 V.Signale zwischen -3Vund +3Vgeltenals undefiniert.Bei den Steuerleitungen (RTS, CTS, etc.)

ist der aktive Zustand (d.h. asserted) + 3Vbis+ 15 V und der inaktive - 3 V bis -15 V. Dasentspricht einem Ziehen auf „GND“ bezie-hungsweise eine logische 0 des UARTs, ent-sprechend einer logischen 0 auf den Daten-leitungen.Umdiese bereits erwähntenSpan-nungen am Sender auch bei Spannungsab-fällen über das Kabel, Stecker, usw. zuerreichen, muss der Empfänger mindestenseine Spannung von+5V oder -5 V aufbauen.Üblich sind gar +12 V beziehungsweise -12 V.Solche Spannungenwürdendie empfind-

lichen GPIO-Pins am Raspberry Pi grillen.Die GPIO-Pins des Raspberry Pi sind nur für0bis3,3Vausgelegt. Esmuss daher ein spe-zieller Chip angeschlossen werden, um dieKommunikationüberRS232 zu ermöglichen.Dazugibt es entweder spezielleAufsteckpla-tinen für Raspberry Pi, so genannte Hard-ware Attached on TopHAT, oder man kannsich einen Chip auf einem Breadboard auf-bauen. Interessanterweise ist es nicht unbe-dingt nötig, eine 12-V-Spannungsquelle zuhaben, da manche Chips bereits integrierteLadungspumpen nutzen. Ein solcher Chipist etwa der MAX3225E von Maxim (Bild 3).

Im sogenanntenDIP Package ist dieser Chipauch verfügbar (Breadboard-freundlich).Im Schaltdiagramm des MAX3225E wird

T1OUT als TxD-Pin auf der RS232-Seite ge-nutzt, und T2OUT als RTS- oder RTR-Signal.R1IN ist RxD auf RS232-Seite, R2IN CTS.Auf der Seite desRaspberry Piswerdendie

Pins entsprechend an die UART-Pins be-schaltet:� T1IN = TXD & T2IN = RTS (die zweiSendesignale).� R1OUT = RXD & R2OUT = CTS (die zweiEmpfangssignale).Der Chip kann mit 3,3 V versorgt werden

und generiert die erforderlichen Spannun-gen für die RS232-Schnittstelle mittels La-dungspumpe selbst. Dazu benötigt er exter-ne Kondensatoren als Zwischenspeicher fürdie Ladungen.RS232 ist eine Punkt-zu-Punkt-Verbin-

dung. Es werden genau zwei Geräte mitein-ander verbunden.DerNachteil vonRS232 ist,dass die Signale nicht differentiell, sondernasymmetrisch (unbalanced) übertragenwer-den. Sie sind auf sogenannte Gleichtaktstö-rungen empfindlich, die beispielsweisedurch elektromagnetische Störer auf denLeitungen entstehenkönnen.Damit ist unteranderemdiemaximale Längeder Leitungenlimitiert. Mehr Störsicherheit bietet durchdifferenzielle Signale RS485.

RS485 sorgt für erhöhteStabilitätRS485 auch als EIA/TIA-485 bekannt, ad-

ressiert einige der Probleme mit RS232 füreine erhöhte Stabilität der Übertragung. Da-her kommt es vor allem in Industrieanwen-dungen zum Einsatz. Bei RS485 kommendifferentielle (balanced) Signale zum Ein-satz, und es könnenmehrere Kommunikati-onspartner auf dem gleichen Netzwerk mit-einander sprechen. Für die differenziellenSignale werden zwei Leitungen benötigt (Aund B). Eine weitere Leitung (SC / G / refe-rence pin) als GND-Referenz ist in manchenFällen ebenso vorhanden. Die Signalpegel

(Spannungen) sind dabei auch niedriger alsbei RS232. Spannungen zwischen -7Vund 12V sind erlaubt, derminimale Spannungslevelumein Signal zu erkennen liegt für denEmp-fänger bei +/- 200 mV. Die tatsächlich aufdem Bus anliegende Spannung hängt typi-scherweise von der Betriebsspannung desTreibers ab (beispielsweise 5 V oder 3,3 Vbeim Rasppberry Pi.)RS485 unterstützt Datenraten von bis zu

10 MBit/s über kurze Entfernungen (typi-scherweise bis zu 12 m), und bei geringerenDatenraten bis zu 1,2 km Entfernung. AlsFaustregel gilt:dieGeschwindigkeit in Bit/s* Länge inmsollte 10^8nichtüberschreiten,ein 50m langesKabel kannalsomitmaximal2MBit/s betriebenwerden. Es sind standard-mäßig bis zu 32 Teilnehmer auf der Leitungmöglich, bei Einsatz spezieller Transceiver-Bausteine auchmehr.Auch RS485 nutzt UARTs als Eingang für

RS-485-Treiber, die das UART-Signal inRS485-konforme differentielle Signale um-setzen. Dabei ist der binäre Zustand der Lei-tung 1 oder „MARK“, wenn die Leitung A(auch: TX-/RX-/D-) im Hinblick auf die Lei-tungB (auch: TX+/RX+/D+) negativ ist; und0 oder „SPACE“ falls B im Hinblick auf Anegativ ist. Der RS485-Empfänger wandeltdas Eingangssignal entsprechend um.Bild 4 zeigt die Zuständeder Leitungen für

asynchrone Kommunikationmit Hilfe zwei-erUARTs, andenenauf beidenSeitenRS485-Transceiver angeschlossen sind. Aus demIdle-Modus („Mark“) wird die Leitung, wiebeim UART diskutiert, auf den SPACE-Zu-stand gezogen (eine 0) – das Start-Bit. An-schließendwerden indiesemFall 8Bits, unddas Stop-Bit (auch als Mark – der Zustandder logischen 1,wie beimUART) übertragen.Danach ist die Leitung erneut im Ruhezu-stand. Durch mindestens einen Übergangpro gesendeten Frame wird sichergestellt,dass der Empfänger-UART nicht mit demZählen der empfangenen gleichen Bitsdurcheinander kommt und verrutscht. Dadie Treiber bei RS485 selektiv auf die ge-meinsame Leitung aufgeschaltet werdenkönnen (etwa Pin „Driver Enable“ beimTexas Instruments SN65HVD1782), ist bidi-rektionale Kommunikation auch über nurein Leitungspaar möglich (sogenannter„Half-Duplex"-Modusbei RS485). Diese zweiLeitungen werden, um Störungen zu mini-mieren,miteinander verdrillt (TwistedPair).Es gibt auch Implementationen, bei denenzwei Leitungspaare genutzt werden, dabeiwird eine Master-/Slave-Architektur (einMaster, mehrere Slaves) aufgebaut. // MK

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EMBEDDED COMPUTING // INDUSTRIE-BOARDS


Open Source VME-CPU-Boards nichtnur fürs CERN bis 2032 verfügbar

Der Teilchenbeschleuniger des CERN, „Large Hadron Collider“, ging2008 in Betrieb. Für mehr Performance sorgt MENs FPGA-basierende

PCIe-VME64x-Bridge mit Intels Server-CPU Xeon D 1519.

GUNTHER GRÄBNER, GRZEGORZ DANILUK UND ADAMWUJEK *

* Gunther Gräbner... ist Product Line Manager bei MENMikro Elektronik.

* Grzegorz Daniluk... ist Project Leader & ElectronicsEngineer beim CERN.

Der Embedded-Computing-SpezialistMENMikro Elektronik hat ein neues VME-Boardmit Intel-Xeon-D-Prozessor für das CERNent-wickelt. DankFPGA-basierenderOpen-Sour-ce PCIe-zu-VME64x-Bridge kann das beste-hende Equipment für die Teilchenbeschleu-niger nun mit neuester Prozessorperfor-mance aufgerüstet werden. Der Einsatz vonVME ist bis zumEndeder geplantenBetriebs-zeit des LHC im Jahre 2032 vorgesehen.

Flexible Crates für dieBeschleunigersteuerungIn den zahlreichen Teilchenbeschleuni-

gern des CERNwerden seit Jahren tausendeEinsteckkarten, sogenannte Crates genutzt.Sie finden sich in der Infrastruktur unter-schiedlichster Teilchendetektoren und wer-den meist für die Triggerelektronik und dieDatenerfassung eingesetzt. Die Crates nutzeneine klassische Slot-basierendeKonfigurati-on mit Backplane und frei zusammenstell-barenBaugruppen.Modulare Elektroniksys-teme sind für wissenschaftliche Einrichtun-gen wie dem CERN prädestiniert, da mitsolchen modularen Systemen individuelleSchaltungen auch in anderen Konfiguratio-nen wiederverwendet werden können, waseinmal getätigte Investitionen langfristigsichert.Eine Bauart dieser Crates basiert auf dem

VME-Bus, der bereits 1981 spezifiziertwurdeund seitdemkontinuierlichweiterentwickeltwird. Aktuell sind 900 solcher Crates beiCERN imEinsatz (Bild 1). Sie kommenprimärindenSteuerungenderBeschleuniger sowiefür dieDatenerfassung zumEinsatz. Für letz-teres selbstverständlich in anderer Konfigu-ration. Im LHC-B-Experiment dienen siebeispielsweise dazu, Teile der Rohdaten vonrund einer Million Sensoren vorzuverarbei-ten, damit den Wissenschaftlern nur nochdie relevantenDatenübermitteltwerden, diesie für ihreAnalysenbenötigen.Weitere Cra-tes finden sich zudem in zahlreichen weite-ren CERN-Experimenten wie ATLAS, CMS,

Bild 1: Rund 900 VME-basierende Crates werdenbei CERN eingesetzt, um die Beschleuniger derverschiedenen Experimente zu steuern.

Bild:CERN

*AdamWujek... ist Low-Level Software Engineer,ebenfalls beim CERN.

Das CERN ist das weltweit größte For-schungszentrum auf dem Gebiet derTeilchenphysik, dessen Grundstein

bereits im Jahr 1954 gelegt wurde. Am be-kanntesten ist wohl der 27 Kilometer langeTeilchenbeschleuniger „LargeHadronColli-der“, kurz LHC, der 2008 in Betrieb genom-menen wurde. Hier wird beispielsweise derFrage nachgegangen, warum unser Univer-sumhauptsächlich ausMaterie undnicht zugleichen Teilen auch aus Antimaterie be-steht. Nicht nur der Teilchenbeschleuniger,auch die vorhandene Infrastruktur ist überJahre hinweg instand zu halten. Etwa derbetagte VME-Bus (Versa-Module-Eurocard-Bus), einMultiuser-Bussysstem für die Steu-erungstechnik.

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ALICE, ISOLDEundTOTEM, indenen sie zumTeil komplett andere Aufgaben erfüllen, dasie alsmodulares Backplane-Systemextremflexibel einsetzbar sind.

Neue Crates für neueHerausforderungenDa sich bei jedem Experiment die Aufga-

benstellungen verändern, werden auch im-mer wieder neue Crate-Konfigurationenentwickelt, die auch mit neuester Rechner-performance bestückt werden sollen. Sowurden allein für die Beschleuniger im Jahr2016 rund 50 neue Crates in Betrieb genom-men. Zudem ist bereits heute schon abzuse-hen, dass während des geplanten ‚LongShutdowns‘ von 2019 bis 2020 – der zur In-standsetzung und Rundumerneuerung desEquipments genutzt wird – rund 200 neueCrates installiert werden sollen.Problemstellung ist für dieVME-basieren-

den Systeme jedoch die Tatsache, dass dieProzessoren die Kommunikation über dieVME-Bustechnologie nichtmehrnativ unter-stützen. Prozessorboards müssen deshalbalso einePCIe-VME64x-Bridge zumVME-Busbieten. Diskrete Bauelemente waren jedochnur noch vonwenigenHerstellern amMarktverfügbar und der Hauptlieferant hatte dieVerfügbarkeit des aktuell im Einsatz befind-lichen Bauelements (TSI148) abgekündigt.WelcheDimensiondieses Problemhat,wirdschnell klar, wenn man die Anzahl der imCERN verbauten Singleboard-Computer(SBC) mit VME-Bus betrachtet: Aktuell sindmehr als 900 SBCs schon alleine von MENMikroElektronikmit Intel CoreDuoundCore2 Duo installiert. Es geht also durchaus umrelevante Stückzahlen der hochwertigenVME-Boards – jedoch rechtfertigt dieses Vo-lumen alleine sicherlich nicht, extra dafürein diskretes Bauelement weiter zu fertigen.Deshalb suchte dieBeamsDepartment / Con-trol Groupdes CERN–kurz BE/CO– imZugeeiner neuenAusschreibungnachnachhalti-gen Alternativen für die kommenden Jahre.

Neue Bridging-Lösung zumVME64x-Bus erforderlichDrei mögliche Optionen wurden für das

Bridging von PCI/PCIe auf VME64x spezifi-ziert. Das auszuwählende Unternehmensollte entweder über einen ausreichendgro-ßen Bestand an TSI148-Chips verfügen, umdie im Vertrag spezifizierte Anzahl vonBoards fertigen zu können oder den TundraUniverse II, den Vorgänger des TSI148, nut-zen oder FPGA-Technologie einsetzen. IndiesemFall sah CERN vor, dass der Anbieterdie kompletten VHDL-Quellen das FPGA-Designs über eine GPL2-or-later-Lizenz öf-

fentlich verfügbarmacht.NebendenbeidenerstennaheliegendenOptionenwusste CERNaber auch, dass es Firmen gibt, die bereitsproprietäre Implementierungen von VME-Bridges über FPGAs ausgeführt haben.So verfügtenbeispielsweise frühereGene-

rationen von SBCs, die am CERN schon vorTSI148-basiertenBoards verwendetwurden,über einen PowerPC-Prozessor mit einemFPGA zur Anbindung an den VME-Bus. Da-her hoffte CERNmit der letztenOption inderAusschreibung, dass mindestens eines die-ser Unternehmen bereit sein würde, ihreImplementierung auch als Open-Source-Projekt umzusetzen.Allerdingshat das CERNkeinedieserOptionenpräferiert, um für alleBewerber faire Konditionen zu schaffen.Letztlich wurde das Unternehmen mit derbesten Preisstellung für den Vertrag ausge-wählt.

PCIe-VME64x-Bridge nun alsOpen-Source verfügbarDasErgebnis dieserAusschreibung führte

zu einer Lösung auf FPGA-Basis, sodass alleVHDL-Quellen nun unter der GPL3-oder-la-ter-Lizenz verfügbar sind, während das Li-nux-Treiberpaket unter der GPL2-oder-later-Lizenz auf der PCIe-to-VME-Bridge-Projekt-seite desOpenHardware Repository verfüg-bar ist. Die Open-Source-Veröffentlichungder PCIe-zu-VME-Bridge ist nicht nur für dasCERN ein großer Schritt, sondern auch füralle anderen Institutionenweltweit, dieVMEnutzen. Vor allem sinddie CERN-Ingenieuredadurch nicht mehr von einem bestimmtenLieferanten abhängig. Selbstwennder aktu-ell verwendete FPGA-Chip obsolet werdensollte, ermöglicht der Zugriff auf die vollstän-digenVHDL-Quellendie Portierungder PCIe-zu-VME-Brücke auf einen anderen FPGA(Bild 2). Dank der Tatsache, dass dasDesignalsOpenSource verfügbar ist, kannnunauchjedes Institut oder Unternehmen nicht nurein aktuelles Produktmit dieser Bridge kau-

Bild:M

EN

Bild 2 (BridgeSchema):Mit derVeröffentlichung derFPGA-basierendenPCIe-VME64x-Bridgesichert MEN nichtnur die Langzeit-verfügbarkeit derVME-basierten Cratesim CERN.

fen, sondern auch jeden anderen VME-SBCmit derselben VME-Bridge ausrüsten. DieVerwendungderselbenVME-Bridgebedeutetauch, dass alle Institute und Unternehmendieselben Linux-Kerneltreiber und dieselbeUser-Space-VME-API nutzen können. Diessollte zudem auch allen Entwicklern in derVME-Welt zukünftig eine effizientere Zusam-menarbeit ermöglichen und mehr Freiheitbieten, Linux-Kernel-Treiber für die VME-Slaveboards, die vom CERN entwickelt wer-den, zu teilen und damit höchst effizientwiederzuverwenden.

MEN ist der Zulieferer derneuen FPGA-LogikDasUnternehmen, das bereitwar, gemein-

sam mit dem CERN den enormen Aufwandbei Entwicklung, Test und Validierung füreine geeignete PCIe-Gen-3-Bridge zu VME-64-Bit-Systemen zu investieren, war MENMikroElektronik. DasUnternehmenarbeite-te nicht nur bei derValidierungunddenTestsmit dem CERN-Team zusammen, sondernauch bei der Open-Source-Veröffentlichungder PCIe-zu-VME-Bridge, die die Lese- undSchreibvorgänge im PCIe-Adressraum zumLesenundSchreiben vonTransaktionenaufdem VME-Bus übersetzt. Es fungiert auf dereinen Seite als PCIe-Endpunkt und auf deranderen alsVME-Busmaster. DieBridge kannVME-Einzelzyklen und -Blocktransfers er-zeugen. Aktuell werden folgende Zugriffsar-ten unterstützt:� VME-Einzelzyklen: A16, A24, A32 mit je-der D8-, D16- oder D32-Datenbreite� VME-Blocktransfers (BLT): A24D16,A24D32, A32D32 plus die gemultiplextenA24D64 undA32D64-Blocktransfers (MBLT)� CR/CSR-KonfigurationsadressraumDieVME-Blocktransferswerden von einer

integrierten Direct-Memory-Access-(DMA)-Engine ausgeführt. DabeiwerdendieDaten-blöcke zwischen dem Systemspeicher unddem VME-Bus unter Umgehung der CPU

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übertragen. Zusätzlich ist es auch möglich,DMA mit Einzelzyklen zu verwenden, wasbesonders für VME-Karten nützlich ist, dieden BLT-Zugriffsmodus nicht unterstützen.Dies ist imAllgemeinen eine schnellere undbessereMöglichkeit für denAustauschmeh-rerer Datenblöcke, da die CPU so ihren nor-malen Betrieb fortsetzen kann, bis die DMA-Engine ihre programmierteAufgabe abgear-beitet hat. DieBridgeunterstützt auch einigeFunktionen, die in denVME64x-Erweiterun-gen hinzugefügt wurden. So kann sie diegeografischen Adresspins verwenden undeine spezielleArt vonA24-Zugriff generieren,umdenCR/CSR-Konfigurationsspeicher vonVME-Slaves in demselben Crate auszulesenundauch in ihn zu schreiben.Obwohl derzeitkeiner der schnelleren Übertragungsmodi(2eVME, 2eSST) unterstützt wird, sind siedennoch zukünftig integrierbar, da kommen-de VME-Slaves diese benötigen könnten.Diese Fragestellung der Umsetzung wirdbereits bei MEN evaluiert. Darüber hinauskann das von MEN implementierte VME-Busmodul sowohl als VME-Master als auchals VME-Slave fungieren. Damit kann esnicht nur auf VME-SBCs, die als Master be-triebenwerden, eingesetztwerden, sondernauchauf I/O- undanderenPeripherieboards,die als Slaves angebunden sind. In der aktu-ellenAnwendungauf demVME-SBCwirdnurdie VME-Master-Funktionalität genutzt. Da-bei belegt das gesamte Bridging-Design ak-tuell nur etwa 30% des FPGA-Bereichs desIntel Cyclone, sodass noch genügend Platzzur Verfügung steht, um zusätzliche neueFunktionenwie 2eVME-und 2eSST-Transferszu implementieren.

Die Langzeitverfügbarkeit derPCIe-zu-VME-Bridge ist gewährtMit derVeröffentlichungder Spezifikation

inder Inbetriebnahmeder erstenBoardsmitder neuenFPGA-basierendenBridge für PCIezu VME64 hat das CERN einen wichtigenMeilenstein für die Langzeitverfügbarkeit

seiner VME-basierenden Crates für die Da-tenerfassung und Beschleuniger-Steuerungerzielt. Diese Referenz ist auch ein Meilen-stein für alle anderenNutzer vonVME-basie-renden Systemen, da auch für sie die Lang-zeitverfügbarkeit passender Logik garantiertist. Aktuellen Schätzungen zufolge wird derMarktmit neuenBoards im Jahr 2020 immernoch mehr als 200 Millionen US-Dollar um-setzen.ImRahmendieses Projekts hatMENMikro

Elektronik neben seiner VME-CPU-Board-Kompetenz auch seine FPGA-Expertise fürstandardisierte Embedded-Computer-Tech-nologie unter Beweis gestellt. Kunden profi-tieren vonder PCIe-zu-VME-Bridge von einerlangfristig sichergestellten Verfügbarkeitbestehender Installationen. Auf Kunden-wunsch kann MEN auch vergleichbare Lö-sungen anbieten, etwa PCIe-zu-PCI- odersogar PCIe-zu-ISA-Bridges, die auch Legacy-Hardware von OEMs langfristiger verfügbarmachen und so den Return on Investmentsteigern.NebenBridging-Lösungen für inter-ne Legacy-Busse für eine höhere Langzeit-verfügbarkeit bietet das Unternehmen auchFPGA-basierende Bridges zu externenSchnittstellen und Bussen wie UART undCAN sowie komplette Controller beispiels-weise für QSPI mit SPI. OEM-Kunden profi-tieren in diesem Anwendungsszenario voneiner extremkosteneffizientenVariantenbil-dung. Ein einziges CPU-Board-Design kannso für ganzunterschiedlicheEinsatzszenari-en genutzt werden. Selbst bei kleinen Los-größen lassen sich so deutlich mehr Appli-kationen bedienen, beispielsweise System-lösungenmit unterschiedlichenFeldbussenoder Industrial-Ethernet-Varianten. Oderauch Lösungen mit Migrationsanforderun-gen, etwa in der Bahntechnik oder in derAeronautik. DerOEMkanndanneine einzigeHardwareplattform in allen Lösungsvarian-ten einsetzen, was sowohl den Service alsauch die Dokumentation und Zertifizierungdeutlich erleichtert.

Das M25 von MEN ist das ersteBoard mit der neuen BridgeDas erste Board im CERN, das mit dem

neuen FPGA-basierenden Bridge zum VME-Bus bestückt ist, ist das A25 vonMENMikroElektronik (Bild 3). Es ist mit Intels Xeon-D-1519-Server-CPUbestückt und verbindetmitdem neuen FPGA eine hohe Kosteneffizienzmit einem reichhaltigenFeatureset. Darüberhinaus sorgt das A25-Board auch für eineReduzierung der Systemgröße, einen zuver-lässigenLangzeitbetrieb ohneLüfterkühlungundbietet zahlreicheComputingfunktionenbereits onboard.Mit zweiUSB-3.0-Ports, bis zudrei Gigabit-

Ethernet-Ports und zwei RS232-COMs an derVorderseite bietet dasBoarddie entscheiden-den Merkmale vielseitiger Industriecompu-ter. Es ist mit bis zu 8-GByte-DDR4-ECC-SDRAMundFlash-Speicher ausgestattet unddeckt denBedarf nach flexiblenMassenspei-chern durch seine microSD- und mSATA-Steckplätze ab. ZudemkanndieA25mit einerXMC/PMC-Mezzanine-Karte und einer PCI-Express-Mini-Karte ausgestattetwerden, diezusätzliche Frontanschlüsseübe rXMC/PMCfür Funktionen wie Grafik, Massenspeicheroder zusätzlicheEthernet-Ports bereitstellen.Der PMC-Steckplatz unterstützt Module biszu 64-Bit/133-MHzPCI-X,währendder XMC-Steckplatz über einen PCI Express x8-Linkangebunden ist. Die modulare Erweiterungmit I/O-Mezzaninen auf einemSingleboard-Computer ermöglicht es, maßgeschneiderteSystemeaus offenenStandardkomponentenzu konfigurieren, was die Integrationszeitund -kosten reduziert. Das robusteBoardA25unterstützt den Betrieb im erweiterten Tem-peraturbereich von -40 °C bis 60 °C und wi-dersteht auch schweren Erschütterungenund Vibrationen, da alle Komponenten auf-gelötet sind. Dies ist eine wichtige Voraus-setzung für einen zuverlässigen Betrieb undeine lange Lebensdauer. // MK

MENMikro Elektronik

Bild 3: Der VME-SBCA25 von MEN mitFPGA-basierender PCIe-VME64x-Bridge ist mitIntels Xeon D-1500-Ser-ver-CPU bestücktund bietet zahlreicheFunktionen.

Bild:M

EN

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AKTUELLE PRODUKTE // EMBEDDED SYSTEME

DieMini-IPCs derwiu-Serie sindvollständig abgedichtet und er-füllen die Spezifikationen nachIP68. ZusätzlichbeinhaltendieseMini-IPCs die Funktionalität ei-ner unterbrechungsfreien Strom-versorgung (USV). Durch daslüfterlose Konzept sind die IPCsgeräuscharm und energiespa-rend. Das minimal gehalteneGehäuse eignet sich so fürmobi-le, raueUmgebungen. Standard-mäßig arbeitet die wiu-Serie miteinem Quadcore-64-Bit-Prozes-sor Broadcom BCM2837 mit 4 x1,2GHzTakt, 1-GB-LPDDR2-Spei-cher und 64-GB-eMMC-Flash-Speicher zur Ablage der lokalenDaten.Die Standard-Kommunikati-

onsschnittstellen wie Bluetooth4.2 (BLE), WLAN, Gigabit Ether-net, USB werden serienmäßigzusätzlich umdie Schnittstellen2 x I2C, 2 x SPI und 2 xUART sowie

MOBILITÄT

Wasserdichter Mini-IPC

LED-Statusanzeigen erweitert.wiu wird mit 7 - 48 VDC primärerEingangsspannung betriebenund beinhaltet einen zusätzli-chenBackup-Eingang zur redun-danten Absicherung. Ein weite-rer Ausgang von 5 VDC / 5 A lässtden Betrieb zusätzlicher Peri-pheriegeräte zu.Weitere Schnitt-stellen werden je nach Modellder wiu-Serie einsatzspezifischangeboten und lassen so einbreites Einsatzspektrum zu.

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Beim Projektstart fehlt oft nochdie finaleHardware.Mit denEm-bedded LinuxDevelopment Kitsvon Ginzinger lassen sich An-wendungen vorab entwickeln.Die unterschiedlichenVariantender Embedded Linux Develop-ment Kits ermöglichen so einenrascheren Produktionsstart.Denn gewünschte Funktionenkönnen sofortmit der später ver-wendeten Prozessorplattformund den Schnittstellen getestetwerden. Beim i.MX6UL/ULLDevBoard lassen sich mit LinuxTools und Qt-Framework HMI-und Industrie 4.0-Geräte raschrealisieren. Das Leistungsspekt-rum reicht von Single- bis Quad-core-Prozessoren.Ein kapazitiver 7“-Touch-

Screen sorgt für Bedienerfreund-lichkeit. Produkte und Dienst-leistungen ergänzen die Boards.Die DevKit-Pakete enthalten

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Software vorab entwickeln

Ginzingers aktuelle EmbeddedLinuxDistributionGELin,Manu-als, Tutorials undBeispielprojek-te.Sämtliche Treiber unddasBe-

triebssystemsindbereits in Seri-enanwendungen bewährt undentsprechend robust. Die Dev-Kits beinhaltenTools, Bibliothe-ken, Qt/QML Frameworks undein Jahr GELin-Softwareupdateinklusive GELin Releases undSecurity-Fixes.

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AKTUELLE PRODUKTE // INDUSTRIEBOARDS


ABONNENTENSERVICEDataM-Services GmbHFranz-Horn-Straße 2, 97082 WürzburgMarcus Zepmeisel, Tel. +49-931-41 70-4 62, Fax -4 [email protected], www.datam-services.de

REDAKTIONLeser-, Redaktionsservice:Eilyn Dommel (ed), Tel. +49-931-418-30 [email protected]

Chefredakteur: Johann Wiesböck (jw), Tel. -30 81

Redakteure: David Franz (df), Tel. -30 97Michael Eckstein (me), Tel. -30 96Sebastian Gerstl (sg), Tel. -30 98Martina Hafner (mh), Tel. -30 82Hendrik Härter (heh), Tel. -30 92Gerd Kucera (ku), Tel. -30 84Thomas Kuther (tk), Tel. -30 85Margit Kuther (mk), Tel. -30 99Kristin Rinortner (kr), Tel. -30 86

Freie Mitarbeiter: Prof. Dr. Christian Siemers,FH Nordhausen und TU Clausthal;Peter Siwon, MicroConsult;

Redaktionsanschrift:München: Rablstr. 26, 81669 München, Tel. -30 87, Fax -30 93;Würzburg: Max-Planck-Str. 7/9, 97082 Würzburg,Tel. -24 77, Fax -27 40

Konzeption/Layout: Ltg. Daniel Grimm, Tel. -22 47

Unternehmens- und Firmennamen:Unternehmens- und Firmennamen schreiben wir gemäßDuden wie normale Substantive. So entfallen z.B. Groß-buchstaben und Mittelinitiale in Firmennamen.

PUBLISHERJohann Wiesböck, Tel. -30 81, Fax -30 93

SALESChief Sales Officer:Benjamin Wahler,Tel. -22 15, [email protected];

Auftragsmanagement:Tel. -20 78, [email protected]

EVENTSLtg. Ingo Mahl, Tel. -22 67

MARKETINGProdukt Marketing Manager:Elisabeth Ziener, Tel. -26 33

VERTRIEBBezugspreis:Einzelheft 12,00 EUR. Abonnement Inland: jährlich 245,00 EURinkl. MwSt. Abonnement Ausland: jährlich 276,20 EUR (Luft-postzuschlag extra). Alle Abonnementpreise verstehen sicheinschließlich Versandkosten (EG-Staaten ggf. +7% USt.).

Verbreitete Auflage:Angeschlossen der Informationsgemeinschaft zurFeststellung der Verbreitung von Werbeträgern – Sicherungder Auflagenwahrheit und EDA, geprüfte FachzeitschriftenEmpfänger-Datei-Analyse.

Datenbank:Die Artikel dieses Heftes sind in elektronischer Form kostenpflichtigüber die Wirtschaftsdatenbank GENIOS zu beziehen: www.genios.de

Impressum

Kommunikationsdaten unserer Ansprechpartner:E-Mail-Code: (bitte Schreibweise von Umlauten beachten): <vorname>.<name>@vogel.de; Telefon: +49-931-418-(4-stellige-Durchwahl)

ISSN 0344-1733www.elektronikpraxis.de

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Druck:Vogel Druck und Medienservice GmbH97204 Höchberg

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Arrow präsentiert zwei Out-of-the-Box 96Boards-Plattformen,die die Multi-Application-Core-Architektur der i.MX-8-Prozesso-ren vonNXP inKombinationmitMezzanine-Erweiterungsoptio-nen bietet. EInfochips, ein Un-ternehmen der Arrow-Gruppe,passt als Design-Partner diePlattformenauch individuell an.Für einen raschen Einstieg inMachine-Learning-Projekte ba-siert das AI-ML-Board auf demApplikationsprozessor i.MX8QuadXPlus. Dieser integriertvier ARM-Cortex-A35-Kerne undeinen Cortex-M4F-Embedded-Kern mit Gleitkommaeinheit(FPU) und DSP-Erweiterung. Ei-ne dedizierte GPUmit vier Vec4-Shader mit 16 Ausführungsein-heitenundOpenGL/OpenGL-ES-Support ergänzt die Anwen-dungskerne. Ebenfalls mit anBord sind eine Video ProcessingUnit (VPU), Kompressionsstan-

EMBEDDED-BOARDS

Zwei neue 96Boards auf Basis von i.MX 8

dards wie H.264, H.265, AVS,sowie ein TensilicaHiFi 4DSP fürAudioverarbeitung und Spra-cherkennung. Der Prozessor i.MX 8M Quad mit vier ARM-Cor-tex-A53-Kernen und Cortex-M4Fist das Herzstück des Thor96Boards von Arrow. Mit Funktio-

Bild:A

rrow

nen für Audio- und Video-Strea-ming, Bildverarbeitung undScanning wartet Thor96 mit ei-nerdediziertenGPUmitOpenGL/ES-Support und 3D-Grafikverar-beitung sowie einer VPU mitH.265- undVP9-Decodierungbiszu 4K und 60 fps auf. Der i.MX

8M Quad bietet zudem einenFailover-fähigen Display Cont-roller mit Video-Hardwarebe-schleunigung bis zu 4Kp60.Dank Hardware-Erweiterungenkönnen Nutzer aus zahlreichen96Boards-kompatiblenMezzani-ne-Boards wie Mobilfunk- undAudiomodulen wählen. DieBoards bietenMIPI-DSIDisplay-Interface und eine 4-Lane-MIPI-CSI-Kameraschnittstelle. Thor96bietet ein zusätzliches MIPI-CSIInterface und beide Boards pro-fitieren gleichermaßen von um-fangreichen Sicherheitsfunktio-nen für dieHardware.DieBoardsunterstützen den Yocto-basie-renden Linux 4.14 GAKernelmitWLAN, Bluetooth, HDMI, USB3.0 und Ethernet, desweiterenZigBee, Thread, DSI zu HDMIsowie zwei MIPI-CSI-Kame-raschnittstellen.

Arrow

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AKTUELLE PRODUKTE // EMBEDDED BOARDS


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Mini-ITX-Board für Intels Core idank Intels 14-nm-Prozesstech-nologie mit 3D-Tri-Gate-Transis-tortechnologie eine höhere Re-chenleistung. Das Mini-ITX-Boardprofitiert zudemvon IntelsTurbo-Boost-Technologie für ei-ne schnellere Datenverarbei-tung, der Intel-vPro-Technologiefür Remote-FunktionenunddemIntel Hyper-Threading für dieMultithread-Verarbeitung. Nut-zer profitieren vongeringereKos-ten beim Systemmanagementund bessere Sicherheit.

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Mit dem SRS-1201-BLUBRICKstellt EKF eine robuste Box fürbis zu drei CompactPCI SerialBoards vor. Durch die zahlrei-chen verfügbaren CPU-Kartenund I/O-Funktionen verfügt derAnwender über flexiblereGestal-tungsmöglichkeiten, verglichenmit herkömmlichenBoxedCom-putern. Der SRS-1201-BLUBRICKist mit einem DC-Weitbereichs-netzteil ausgestattet, ausgelegtfür typische Anwendungen inder Industrie, Fahrzeugtechnik,oder Schienenverkehr. Die Boxaus extrudiertem Aluminium

BOXED COMPUTER

Box für CompactPCI Serial Boards

eignet sich für dieWandmontageund erlaubt je nachAnwendungpassive oder auch lüfterverstärk-te Kühlung.

EKF

TRS-Star vertreibt 3,5‘‘-Micro-Module von avalue. Wahlweisewerden die Systeme der ECM-SeriemitWindows 10oder Linuxausgeliefert und sind mit Intel-Core-i7/i5/i3/Celeron-CPUs der

MIKROMODULE

3,5‘‘-Module mit Win 10 oder Linux14-nm-Technik ausgestattet. DerArbeitsspeicher ist bis auf 16 GBDDR4 RAM ausbaubar. Die Inte-grated Intel HD Graphics GPUerlaubt den Triple-Display-Ein-satz bei maximaler Auflösungvon 4K über HDMI. Die SystemebietenDualGigabit Ethernet undSchnittstellen wie 2 x SATA II,Mini-PCIe, 4 xUSB 3.0 / 3.1 und 2x USB 2.0 sowie bis zu 6 x COM-Ports. Ihr Einsatzgebiet sind lüf-terlose Low-Power-Anwendun-gen oder mobile Lösungen.

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BAUTEILEBESCHAFFUNG //MATERIALLOGISTIK


Warum Industrie 4.0 RFID in derSupply Chain erfordertRückverfolgbarkeit und eine automatisierte Produktionssteuerung

sind unumgänglich für eine effiziente, transparente Supply Chain. Einewesentliche Schlüsseltechnik hierfür ist RFID.

FRANK LINTI *

* Frank Linti... ist Business Development ManagerRFID bei Schreiner ProTechin Oberschleißheim

Globalisierung, Elektrifizierung undDigitalisierung sinddie großenTrendsdes 21. Jahrhunderts – Ländergrenzen

werdengeöffnet, Transport- undWarenströ-me verändern sich, Prozesse werden digita-lisiert, Fahrzeuge elektrisch betrieben undautonomgesteuert. Für dieAutomobilindus-trie bedeutet das, dass nochmehrElektronik,Steuerungseinheiten, Sensorik und Anten-nen in einem Fahrzeug verbaut sind. DieZukunft der Produktion ist die Industrie 4.0,eineunternehmensübergreifendeund intel-ligente Materialflusssteuerung.Die technische Industrie unddieAutomo-

tivebranche setzen daher in Logistik undProduktion zunehmendaufRFID-Kennzeich-nungslösungen. Dabei unterteilen sich dieHaupteinsatzgebiete für den Einsatz vonRFIDüberwiegend indenBereichMehrweg-behälter zur lückenlosen Erfassung der ge-samten Supply Chain, Intralogistikanforde-rungen sowie der Kennzeichnung von Pro-

duktbaugruppen zur lückenlosen automati-sierten Erfassung in der Produktion undMontage. Um in diesem Umfeld eine durch-gängige Kennzeichnung der Objekte zu er-möglichen, ist es elementar wichtig, alleeinzusetzendenObjekte erfassen zukönnen.

Megatrend Industrie 4.0:RFID-Labels in der Supply ChainIn derAutomobilindustrie, imMaschinen-

bau und in der Elektronikbranche beschäf-tigen sich immer mehr Unternehmen mitdem Einsatz von RFID quer durch alle Pro-zesse. Einemodulare Fertigung inder Indus-trie 4.0 lässt sich nur mit einem ganzheitli-chen RFID-Konzept umsetzen. In der klassi-schen Serienproduktion gelangen die zuverarbeitenden Teile meist immer noch viaKanban-System mit Barcode-Steckkarten-funktion in Behältern an die jeweilige Mon-tagestation – ein aufwändiges wie fehleran-fälliges Logistiksystem. Die zukunftsorien-tierte Lösung sind mit RFID-Labels ausge-stattete Behälter, die eine vollständigePulkerfassung zulassen, lückenlose Char-genrückverfolgungauf Behälterebene garan-tieren und ein optimiertes Leergutmanage-ment durch Bestandsinfo in Echtzeit ermög-

lichen. Die Herausforderungen dabei sinddie unterschiedlichen Behältergrößen undspeziell Behälter aus ESD-Materialien (elec-trostatic discharge), auf welchen herkömm-liche RFID-Labels nicht optimal funktionie-ren.Beimodernen industriellenProzessenwer-

denmeistmehrere, vondiversen Zulieferernteilproduzierte Baugruppen endmontiert.Mit RFID ausgestattete Einheiten sind dankdieser Kennzeichnungdazu inder Lage, völ-lig automatisiert ihre Identität über diverseLesestationen in zentrale IoT-Plattformen zukommunizieren. Diese Daten sind für allePartner einsehbar undkönnen jederzeit denStatus der Baugruppeübermitteln.WenndieRFID-Baugruppe an eine Maschine kommt,die sie automatisch erfassen und buchenkann, erfährt dieses Gerät, um welche Bau-gruppe es sich handelt und nach welcherVorgabe oder nach welchem Bauplan sie zubestücken bzw. zu montieren ist.

Produktkennzeichnungs- undNachverfolgungsmöglichkeitenIoT oder Smart Factory sind Begriffe, die

seit Jahren intensiv diskutiert werden. DasThemakommtausdemHandel: JederArtikel

((rfid))-DistaFerr GlobalLabel: Die integrierteDualband-Antenne er-möglicht das Auslesungder FrequenzbänderETSI und FCC auf allenmetallischen Unter-gründen.

Bilder:SchreinerGroup

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BAUTEILEBESCHAFFUNG //MATERIALLOGISTIK


bekommt seine individuelle Adresse durcheine individuelle Nummer. Auf Automobil-komponenten sinddiese bereits in FormvonBarcodes oder RFID vorhanden; sie sind ansich schon IoT-fähig, da jedes Bauteil seineeigeneNummerhat. Nur die Logistikbehältermüssen für ein lückenloses Trackingmit ein-gebunden werden.Die Vorteile liegen auf der Hand: Durch

moderne Technologien wie RFID ist eine Ef-fizienzsteigerung möglich und mit RFIDkannautomatisiert oder imPulk erfasstwer-den. So ist ein optimiertesArbeitenmöglich,ohne dass die Bauteile in die Hand genom-men werden müssen. Auch ein Scanner istnichtmehr notwendig. Die Prozessewerdenverschlankt, verbessert und automatisiertund Datensätze können weltweit zur Verfü-gung gestellt werden – sofern die richtigeDatenbankstruktur vorhanden ist (BigData).Neben Metall stellen Behälter und Trans-

porteinheiten ausESD-Materialien ebenfallseine Herausforderung für RFID-Anwendun-gen dar, weil der ableitende MaterialaufbaudieRückmeldungdesChips andas Lesegerätstört. Auch solche Behälter erfordern des-halb spezielle Labellösungen, wie das((rfid))-DistaFerr ESDvonSchreiner ProTech,das auch in einer LongRange-Variante erhält-lich ist. Es ist für ESD-Behälter aller gängigenVariantenundAntistatik-Level konzipiert. Inder LongRange-Version erreicht das RFID-Label eine Lesereichweite von bis zu sechsMetern, je nach Graphitanteil im Behälter-material. Das ((rfid)) DistaFerr ESD VersionB ist aufgrund seiner geringen Größe auchauf ESD-Trays und -Blistern einsetzbar. Un-ternehmenkönnendie individuelle Program-mierung des Chips sowie den Aufdruck vonBarcode, Klarschrift undLogosdirekt vorOrtvornehmen.

Weltweit einsetzbar – auch aufMetallDie Mehrzahl der Bauteile, Behälter und

Transportgestelle sind aus Kunststoff, wel-ches alsMaterial relativ gutmit RFID-Labelnausgestattet undauchauf größere Lesereich-weiten mit RFID-Lesesystemen erfasst wer-den kann. Es gibt aber auch eine großeMen-ge anBehälternundBauteilen, die ausMetallsind. Herkömmliche UHF-RFID-Label kön-nen auf diesen nicht ausgelesen werden, dametallischeUntergründedas elektromagne-tische Feld beeinflussen. RFID-Label, die aufmetallische Untergründe optimiert sind,funktionieren darüber hinaus meistens nurin einer der beiden weltweit gängigen Fre-quenzen: ETSI (European Telecommunica-tions Standards Institute) in Europa, Afrikaund Indien oder FCC (Federal Communica-

tions Commission) inUSA,Kanada, Südame-rika undAsien.Wird ein Bauteil in verschie-dene Regionen exportiert, mussten Unter-nehmen bislang zwei verschiedene Labelsaufbringen – was aufwendig und teuer ist.Die effizientere Lösung ist das ((rfid))-Dista-Ferr Global Label, das weltweit auf Metallauslesbar ist.

Nutzbringende Kombinationvon RFID und SensorikDie Nutzung von Datenträgern zur reinen

Datenerfassung mittels Barcode oder 2D-Code ist derzeit immernochdie verbreitetste,weltweit genutzte Variante, um Informatio-nen zuProduktenundBauteilen zu erhalten.In der Industrie, der Logistik und imDienst-leistungsbereich bietet die KombinationmitRFID seit Jahren etliche zusätzliche Optio-nen, die einen Datenträger vielfältiger undwesentlich effizienter nutzbar machen alsbisher. Pulkerfassung und ergänzendes Da-tenmanagement, etwa für Smart-Factory-Anwendungen, sind nur einige Beispieledazu. Der Trend geht ganz klar in Richtung

RFID-Lösungen die die Prozesse in der Pro-duktion, Montage und Logistik besser ver-zahnen sowie flexibler und sicherermachen.Neu ist die Kombination von RFID und

Sensorik in einer flachen, leicht anzuwen-denden und kostengünstigen Bauform. DieKombination mit RFID eröffnet eine neueDimensionder Informationsgewinnung. Zu-sätzlich zu allen bisher genutzten Informa-tionenkannder Zustand einesObjekts auto-matisiert erfasst werden, und ohne direktenSichtkontakt ausgelesenwerden. Dies funk-tioniert zum Beispiel mit NFC weltweit undvia Mobiltelefon. Das bietet in vielen Berei-chen eine völlig neueQualität in der Prozess-steuerung, der weltweiten Erfassung undDatenkommunikation in Echtzeit.In der Produktion, derMontageund inder

Logistik sindRFID-Sensoriklösungenüberalldort hilfreich, wo es um eine lückenlose Zu-standsdokumentation geht, oder ein direkterSichtkontakt zum Zustand des Produktsfehlt:Der RFID-Nässesensor ermöglicht eine

Echtzeit-Nässeprüfung. Dadurch kann einGehäusechassis oder ein Bauteil auf Näs-seeintritt geprüft werden, ohne direktenSicht- oder Berührungskontakt. Das ermög-licht schnelle Prüfprozesse ohne hohenper-sonellen Aufwand.Der RFID-Schocksensor ermöglicht eine

Prüfung (auch durch die Verpackung hin-weg), ob kalibrierte Bauteile nach der Ein-stellungmöglicherweise einemSturz ausge-setzt waren. Dies wird immer wichtiger jemehr Sensoren oder Hightech-Steuerungenin der Produktion verbaut werdenmüssen.Der RFID-Manipulationssensor legt etwa

eine Kontaktschleife, angebunden an dasRFID-Label, über sensibleKomponentenundermöglicht so die berührungslose Kontrolleauf Beschädigung, Positionsveränderungund Erstöffnung.Alle Sensorlösungen bieten eine automa-

tischeKommunikationüber denZustandmitdem System, sodass keine physische Kon-trolle von Hand nötig ist. Die Daten werdendanndirektmit der Fertigungsmaschine oderdem Dienstleister abgeglichen.Auch im Zuge der Elektrifizierungwerden

in einem Fahrzeug immer mehr Elektronik,Steuerungseinheiten, Sensorik und Anten-nenverbaut. In der Produktion,MontageundLogistik der entsprechenden Komponentensind daher ESD-fähige RFID-Labels gefragt,die die Steuerung und Koordination im Pro-duktionsprozess übernehmenundgleichzei-tig die Bauteile vor antistatischerAufladungschützen. // MK

Schreiner ProTech

Die Lieferkette im Blick: Dank der Kombinationvon RFID mit Sensorik und einer Batterie kann dieLoggingfunktion für einen definierten Zeitraum einAktivitätsprofil erfassen, das via Mobiltelefon odereiner RFID-Lesestation weltweit auslesbar ist.

((rfid))-DistaFerr ESD Label: es dient zurKennzeichnung von Behältern oder Objektenaus ESD-Materialien.

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BAUTEILEBESCHAFFUNG // VALUE ADDED SERVICES


BeilagenhinweisDieser Ausgabe liegen Beilagen der Firma RCT Reichelt Chemietechnik GmbH & Co. bei.

Wir bitten freundlichst um Beachtung.

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FBDI-QUARTALSBERICHT 1Q2019

Die Bauelementedistribution trotzt dem schwächelnden MarktNach zwei Jahrenmit ungewöhn-lich guten Ergebnissen machensich auch in der deutschen Bau-elemente-Distribution erste An-zeichen einer Marktabkühlungbemerkbar. Dennoch wuchs derUmsatz der im FachverbandBauelemente-Distribution (FBDie.V.) organisiertenDistributions-unternehmen um 4% auf rund922 Mio. Euro. Die Aufträge gin-gen jedoch um knapp 17% zu-rück, auf 832 Mio. Euro, was ei-ner Book-to-Bill-Rate von 0,9entspricht. Bei den großen Pro-duktsegmenten wuchsen die

FBDi-VorstandsvorsitzenderGeorg Steinberger: „Wir sehenderzeit die Rückkehr zurNorma-lität in derAuftrags- undUmsatz-entwicklung, obwohl es in eini-gen selektiven Produktsegmen-ten nach wie vor Engpässe gibt.Aber das erste Quartal ist einguter Indikator für denweiterenJahresverlauf. Wir erwarten kei-ne signifikanten Sprünge undgehen davon aus, dass die Lägerder Kunden zumeist gut gefülltsind. Die makroökonomischenEinflüsse und die daraus resul-tierende Unsicherheit wachsen.

Der Brexit ist nur verschoben,diverse Industrien stehen voreinemdrastischenStrukturwan-del, und die ungute Situationzwischen den USA und Chinazeigt erste gravierende Auswir-kungen auf denMarkt, die größ-te sicherlich der Huawei-Bann-strahl. Die positive Nachricht:Innovation wird allenfalls ge-bremst, nicht gestoppt. Der Um-bau der Gesellschaft und Indus-trie schreitet voran; das erfordertneue Technologie.“

FBDi

passiven Komponenten mit21,4% (auf 114 Mio. Euro) über-durchschnittlich, gefolgt vondenHalbleitern, die um3,5%auf664 Mio. Euro zulegten. Alle an-deren Produktbereiche, inklusi-ve der Elektromechanik (-4,1%auf 89Mio. Euro), gingen zurück.Dadurch verschob sich der pro-zentualeAnteil amGesamtmarktzugunsten der passiven Bauele-mente (12%) und der Halbleiter(72%).Die Elektromechanik ver-blieb bei 10% Anteil, alle ande-ren Bereiche kamen zusammenauf 6%.

TRANSIMPEDANZVERSTÄRKER

Verstärker für LIDAR und industrielle BildgebungDie rauscharmen Transimpe-danzverstärker (TIA) LTC6560und LTC6561 von ADI (Vertrieb:Digi-Key) meistern eine Band-breite von 220MHz.Der LTC6560ist ein Einkanal- undder LTC6561ein Vierkanal-TIA, geeignet fürLIDAR-Empfänger, die Ava-lanche-Photodioden nutzen.Diese Verstärker haben eineTransimpedanzverstärkung von74 kΩ und einen linearen Ein-gangsstrombereich von 30 μA.Bei Verwendung einer Ava-lanche-Photodiode (APD) miteiner Gesamteingangskapazität

Ausgangs-MUX des LTC6560können mehrere KomponentenLTC6560 zu einem einzigenAus-gang kombiniert werden, wäh-rend der LTC6561 einen 4-zu-1-MUX besitzt. Die KomponentenLTC6561 können kombiniertwerden, um direkt an APD-Ar-rays mit 12, 16 und 32 Kanälenangebunden zu werden. DieschnelleWiederherstellungnachÜberlastung und das schnelleAusgangsmultiplexing vonLTC6560 und LTC6561 machensie zu einer guten Wahl für LI-DAR-Empfänger mit mehreren

APD. Der asymmetrische Aus-gangdieserVerstärkers kannbeieiner Last von 100 Ω über 2 VPPschwingen. Der niederohmigeAusgang im Stile eines Operati-onsverstärkers ist für dieAnsteu-erung von Kabeln mit einemAbschlusswiderstand von 50 Ωausgelegt. LTC6560undLTC6561sind in 16-poligen und 24-poli-gen, unbedrahtetenQFN-Gehäu-sen mit freiliegenden Pads fürWärmemanagement undniedri-ge Induktivität untergebracht.

Digi-Key

von 2pFbeträgt dieRauschdich-te des Eingangsstroms4,8 pA/√Hz bzw. 4,5 pA/√Hz bei200MHz.Der LTC6560, betriebenmit einer 5-V-Versorgung, ver-braucht nur 90mW.Der LTC6561benötigt 200 mW. Mithilfe des

HY-LINEComputer Componentspräsentiertmit demD3598-G vonFujitsu einBoard für anspruchs-volle Anwendungen. Ausgestat-tet mit Intels Chipsatz X299 un-terstützt das D3598-G Intels ge-

WORKSTATION

High-End ATX Workstation für AnwendungsvielfaltsamteProzessorserie CoreX.Mitsieben PCIe-Anschlüssen, DualIntel-GbE-LAN, Mini-PCIe undM.2-Onboard-Support sowieM.2Riser für zwei weitere M.2 imRAID-Modus soll High Perfor-

manceComputing realisiertwer-den. Zur weiteren Ausstattungdes Mainboards zählen acht SA-TA-III-Interfaces und doppeltausgelegte Gigabit-Ethernet-Schnittstellen. Die Platine ver-

fügt zudem über USB 3.1 Gen2TypC zum Anschluss externerSysteme mit Datenraten von biszu 10 Gbps.

HY-LINE Computer Components

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BAUTEILEBESCHAFFUNG // VALUE ADDED SERVICES

Der Distributor Atlantik Elektro-nik wurde von der TelekomDeutschland als „Basis Partner2018“ ausgezeichnet. Damitzeichnete die Telekom die leis-tungsfähigstenund engagiertes-ten Partner in der Region Süd/Südwest aus, die „in herausra-gender Weise dazu beigetragenhaben, die Telekommunika-tions-Lösungen in Innovationeneinfach zu implementieren undvoranzutreiben“.

AUSZEICHNUNG

Atlantik ist Telekom Basis PartnerIm Fokus der partnerschaftli-

chen Zusammenarbeit stehengemeinsame Projekte in den Be-reichen Internet der Dinge undMachine-to-Machine-Kommuni-kation, insbesondere für denMittelstand.Mit dem Partnerprogramm

Mittelstand sucht die TelekomDeutschland den Schulter-schluss zu Anbietern, die Unter-nehmen durch ihre IT- und Tele-kommunikations-Lösungen da-bei unterstützen, ihre Betriebs-abläufe zu verbessern oder neueKunden zugewinnen.Dabei setztdie Telekomauf kompetenteUn-terstützung durch Lösungsan-bieter. Ziel des Partnerpro-gramms Mittelstand ist es, füralle Beteiligten der gesamtenLiefer- und Servicekette nachdem Prinzip des "Win-Win-Win"Vorteile und zusätzlichenNutzenzu schaffen.

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Das taiwanische UnternehmenMercury produziert seit 1973Schwingquarzen und Quarzos-zillatoren, das von kostengüns-tigen Quarzen für den Massen-markt bis hin zu kompaktenSMD-Quarzen für mobile Hand-geräte ebensowie kundenspezi-fische VCXO-, TCXO- und OCXO-Oszillatoren reicht. Eine Beson-derheit sind die OszillatorenSpread Spectrum für EMI-kriti-

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Schukat vertreibt Mercury-Quarzesche Anwendungen. Neu beiSchukat sindkünftig die Produk-treihen M49, X21, X22, MJ undMQmit Frequenzen von 3,579545bis 40MHz.Die SMD-Quarze derSerien MJ und MQ eignen sichdank ihrer kompakten Größeund der geringen Masse für An-wendungen wie PDAs, GPS, PC-Cards, WLAN- und Handheld-Geräte.Die Quarze im SMD-Keramik-

gehäusemitMetalldeckel habendie Bauform 5 x 3,2 mm (MJ-Se-rie) und 7 x 5mm(MQ-Serie). Siesollen sich durch eine hoheSchock- undVibrationsfestigkeitauszeichnen. Die Quarze sind indenFrequenzbereichen von6bis25 MHz (MQ-Serie) sowie von 10bis 25 MHz (MJ-Serie) erhältlich.Ihre Lastkapazität liegt bei 12 pFund die Frequenztoleranz bei±30 ppm.

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SIGNAL- UND DATENÜBERTRAGUNG // SIGNALKONDITIONIERUNG


Redriver: USB-3.0-Highspeedauch mit langen Kabeln nutzen

Aktuelle USB-Versionen übertragen Daten mit bis zu 2,5 GByte/s.Allerdings nur über kurze Distanzen bis maximal drei Meter.Mit Redriver-Chips klappt das auch über längere Kabel.

RICH MIRON *

* Rich Miron... ist Applications Engineer und Sr.Technical Content Developer bei Digi-Key Electronics in Wadena, Minnesota

USB-3.0-Kabel dürfen laut Spezifikati-onmaximal 3m lang sein. Bei länge-renKabeln droht die Signalintegrität

zu leiden, etwa durch Einfügedämpfung,Übersprechen, Intersymbol-Interferenz (ISI).Daraus resultiert ein reduzierterDatendurch-satz. Entwickler von USB-Systemen könnender Verschlechterung des Signals mithilfemehrerer Techniken entgegenwirken. DieAuswirkungen von Einfügedämpfung undISI könntenbeispielsweise durchEntzerrungund Akzentuierung begrenzt werden. Undeine Erhöhung der DC-Verstärkung trägt zurVermeidung von Verlusten durch Überspre-chen bei. Allerdings erhöhen zusätzlicheSchaltungen zur Konditionierung des Sig-nals die Komplexität des USB-Systems. Hin-zu kommt: USB-Technologie verwendet fürdas Senden und Empfangen unterschiedli-che Signalpaare, was den Schaltungsauf-wand verdoppelt.

Schnelle Signalübertragung istanfälliger für StörungenDasbei schnellerUSB-Übertragungauftre-

tende Problem der Signalverschlechterungist nicht auf diese Technologie beschränkt.Es betrifft alle Produkte, bei denen eineHighspeed-Übertragung eingesetztwird. Siebetrifft auch nicht nur Installationen mit

langen USB-Kabeln.Aber da die Auswir-

kungen bei kurzen Ka-beln geringer sind, ist auch

das Problem dort kleiner. Eine Si-gnalverschlechterung bei High-

speed-Kommunikationssystemen ist inerster Linie eine Kombination von Einfü-

gedämpfung, Übersprechen und ISI. DieEinfügedämpfungwirddurch eine vomKabelverursachte Leistungsdämpfungdes Signalsverursacht. Die Dämpfung ist proportionalzur Länge des Kabels. Übersprechen ist einekapazitive oder induktive „Kopplung“ vonbenachbarten Trägersignalen. ISI tritt auf,wenn sich ein Symbol (das diskrete Signal,das die Daten enthält undmit der Trägerfre-quenz wiederholt wird) und das vorherge-hende Symbol stören, was zu stärkeremRauschen und zu Verzerrungen führt. ISI istproportional zubeidenTrägerfrequenzen (dadie zeitliche Lücke zwischen Signalen beihohenFrequenzenkleinerwird) und zur Län-ge der Kabel (da der Rauschabstand mit derLänge einesKabels sinkt). „Rauschen“ ist derTeil des Signals, der keine nützliche Infor-mation trägt. Highspeed-USB-Systeme pro-duzieren zudemdeterministischeund zufäl-lige Schwankungen („Jitter“). Wenn derRauschabstand so klein wird, dass ein Teilder übertragenen Daten vom Empfängernicht dekodiert werden kann, leidet die Da-tenrate oder es kommt zu Kommunikations-fehlern. Es gibt vier Techniken, umSignal zukonditionieren und den Rauschabstand zuverbessern:� Bei der Akzentuierung/Deakzentuierungwerden die am ehesten vom Rauschenbetroffenen Übertragungsfrequenzen ver-stärkt und dann am Empfänger wieder de-

akzentuiert, um das ursprüngliche Signalwiederherzustellen.� Bei der Entzerrung werden Filter verwen-det, um sicherzustellen, dass das empfan-gene Signal den Frequenzcharakteristikades übertragenen Signals entspricht, wo-durch letztlich ein flacher Frequenzgangüber die gesamte Länge des Kabels auf-rechterhalten wird.� Bei der DC-Verstärkung wird die lineareDämpfung eines Kabels einer gegebenenLänge kompensiert.�Durch das Steuern der Schwankung derAusgangsspannung wird die Konfigurati-on der differenziellen USB-Spannungenermöglicht, was die Einhaltung der Spezifi-kation (0,8 bis 1,2 V) sicherstellt.MitUSB-Redrivern lässt sich eine transpa-

renten Signalkonditionierung auf einemUSB-Kanal sicherstellen. Produkte wie derPI3EQX1001XUAEX von Diodes Incorpora-ted, ein linearer 1-Kanal-USB-3.1-Redrivermit10 GBit/s, stellen die ursprüngliche Qualitätvon Highspeed-USB-Signalen wieder her,bevor sie vom Endpunktgerät empfangenwerden. Da Redriver sich weitreichend kon-figurieren lassen, kannder Chip auf derHost-USB-Platine so nahe wie möglich am Steck-verbinder oder amanderen Ende des Kabelsnahe am Steckverbinder des Peripheriege-räts oder des Endpunkts angebrachtwerden.

Evaluierung von geeignetenRedriver-DesignsDie Leiterbahnen auf der Platine sollten

entsprechend den empfohlenen Verfahrenfür Highspeed-Signale verlegt werden. Z. B.sollten sie zueinander passendedifferenziel-le Paaremit kontrollierter Impedanz bilden.BeimRouting solltenDurchgangslöcher undscharfe Biegungenvermiedenwerden (mög-lichst nicht unter 135°), unddie Leiterbahnensollten auf eine solide Masse-Ebene ohneAussparungen und Aufteilungen bezogenwerden, umUngleichmäßigkeitender Impe-danz zu vermeiden. Sobald die Platine und

Bild:D

igi-Key

Bild 1: USB 3.0 erreicht höchste Datenraten nurdann, wenn das Kabel zwischen Host und Peripherie-gerät maximal drei Meter lang ist.

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SIGNAL- UND DATENÜBERTRAGUNG // SIGNALKONDITIONIERUNG


dieKomponentenmontiert sind, könnendieParameter für die Signalkonditionierungkonfiguriert werden.Ein Beispiel ist der USB-3.0-Redriver PTN-

36043BXY von NXP. Dieser aktive 2-zu-1-Switch verarbeitet zwei Kanäle. ErminimiertÜbersprechen und kann zwei differenzielleSignale an eine von zwei Stellen leiten. Ent-zerrung, Akzentuierung/DeakzentuierungunddieÄnderungenderAusgangsspannungfür jedenKanal (vomUSB-Host zumRedriverund vom Redriver zum Peripheriegerät) las-sen sich einzeln anpassen. Die Dämpfungdes Kabels lässt sich zudem durch ErhöhenderDC-Verstärkungkompensieren. An jedenderKanäle sind zwei Steuer-Pins angeschlos-sen, über die Parameter für die Signalkondi-tionierung für eine bestimmte Gerätekonfi-guration festgelegt werden können. Für je-den Kanal stehen neun Kombinationen fürdie Signalkonditionierung auf der Sende-und Empfangsleitung zur Verfügung. Dieoptimalen Werte lassen sich mithilfe einesPrototyps bestimmen. Dabei helfen Kits wiedas Evaluierungsmodul USB-REDRIVER-EVMvonTI. DasModul basiert auf dem3,3V-1-Kanal-USB3.0-Redriver TUSB501DRFR. BeiAktivität führt der Chip in regelmäßigenAb-ständen eineEmpfängererkennungauf demTX-Paar durch. Erkennt er einenSuperSpeed-USB-Empfänger, aktiviert er RX-Terminie-rung und ist für denRedrive-Vorgang bereit.Der Chip verfügt über einenEntzerrer für denEmpfängermit drei Verstärkungseinstellun-gen (3, 6 und 9 dB), die über den „EQ“-Pingesteuert werden. Auf dem Chip könnenauch die Deakzentuierung (De-Emphasis)und die Ausgangsschwankung (OutputSwing) über den „DE“-Pinundden „OS“-Pineingestellt werden. Wenn für die Ausgabe-schwankung „Low“ festgelegtwird, lässt sichdieDeakzentuierung zwischen0und -6,2 dBeinstellen, bei „High“ zwischen -2,6 bis -8,3

dB. Das Evaluierungsmodul wird vom Hostüber denVBUS-Pin versorgt undgibt dieVer-sorgungsspannung an den nachgeordnetenAnschluss zurVersorgungdesPeripheriege-räts weiter. Einer der TUSB501-Redriver aufder Platine verstärkt die Sendeleitungen,während sich der andere um die Empfangs-leitungen kümmert. Die Standardwerte fürdie EntzerrungundDeakzentuierungwerdenentsprechend den beim Senden und Emp-fangen in einem typischen USB-3.0-Systemmit einem Kabel von 3 bis 5 m Länge und 20bis 25 cm langen Leiterbahnen auftretendenWerten konfiguriert. Die DC-Verstärkungwird durch Wahl eines entsprechenden Wi-derstands umgesetzt.

Testen eines Systems mit USB-Redriver-VerbindungBeim Testen eines physischen Systems ist

es wichtig zu berücksichtigen, dass derRedriver das USB-Signal modifiziert und soauch selbst den System-Jitter beeinflusst.Dieser sollte gemessen werden, um seineAuswirkungen auf die Einstellungen für dieSignalkonditionierung zu überprüfen. TI

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empfiehlt ein Testsystemmit einem 3m lan-gen Kabel und eine USB-Hostplatine mit 24cm langenLeiterbahnen, in demderRedriverin einem Abstand von 10 cm vom Steckver-binder angebracht ist. Das PeripheriegerätamanderenEndedesKabelswird durch einePlatinemit Leiterbahnen einer Länge von 2,5bis 15 cm repräsentiert. Bei einer idealenKonfiguration ist kein Jitter vorhanden. EineKompensationwie dieDeakzentuierungwür-de sichunmittelbar nach einer fallendenundsteigenden Signalflanke auswirken. In derPraxis ist das unmöglich. TI empfiehlt, denJitter durch den Aufbau so zu begrenzen,dass die vollständige Kompensation inner-halb von 200 ps nach dem Übergang statt-findet. Ursprünglich war USB 3.0 für maxi-mal 2mKabellänge ausgelegt. Aufgrundderhochfrequenten Signale ist bei Kabeln ab 3mmit Signalbeeinträchtigungen zu rechnen.Kompakte und günstige Redriver versetzenEntwickler in die Lage, Highspeed-USB-Sig-nale durch Entzerrung, Akzentuierung undDC-Verstärkung zu verbessern. // ME

Digi-Key

Bild 2: Der Jitter ineinem Highspeed-USB-System mit Redrivernsollte so begrenztwerden, dass die voll-ständige Kompensationinnerhalb von 200 psnach dem Signalüber-gang eintritt.

Bild:Texas

Instruments

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SIGNAL- UND DATENÜBERTRAGUNG // POSITIONSBESTIMMUNG


5G zur besserenStandorterkennung nutzen

Bisherige Techniken zur Positionsbestimmung lassen sich mit neuen5G-Ortungsdiensten zu einer robusten, zuverlässigen und vielseitigen

Standortlokalisierung kombinieren.

SYLVIA LU *

* Sylvia Lu... ist 5G Tech Lead, Product CenterCellular bei u-blox in Cambridge,England.

Lange Zeit war das Global NavigationSatellite System (GNSS, deutsch: Glo-balesNavigationssatellitensystem)die

einzige Möglichkeit zur präzisen Positions-bestimmung. Zur Positionsbestimmungmuss einEmpfänger die Signale vonmindes-tens vier Satelliten gleichzeitig empfangen.Gerade in großenStädtenmit oft tiefenHäu-serschluchten kann das zum Problem wer-den – eine Alternative ist daher heute wich-tiger denn je. Denn die Zahl der Anwendun-gen, die auf eine genaue Positionsbestim-mungenangewiesen sind, nimmt schnell zu.Undmit ihr dieAnforderungenandie Sicher-heit. GNSS ist zum Glück längst nicht mehr

die einzige verfügbare Quelle für Positions-daten. Geräte mit einem Mobilfunkmodemkönnen ihre ungefähre Position anhandvonMobilfunksignalenbestimmen.Anbieterwieu-blox haben Positionierungslösungen imAngebot, die entweder Mobilfunksignaleoder eine Kombination von GNSS- und Mo-bilfunksignalen nutzen, um die Abdeckungvon Ortungsdiensten zu erweitern.

Immer mehr Akteure forderngenauere PositionserkennungWenig Beachtung fand bislang die in der

5G-Technologie vorgesehene Technik zurStandortbestimmung. Im Moment wird die5G-Positionierung durch das 3GPP (Third-Generation Partnership Project) entwickeltund standardisiert. Diese Initiative bringtHunderte von Unternehmen und sieben Or-ganisationen zusammen. Während ortsbe-zogene Dienste bisher hauptsächlich durch

die ForderungenderRegulierungsbehördenvorangetriebenwurden, drängenheutemeh-rere öffentliche und private Unternehmen,darunter Hardware- und Gerätehersteller,RaumfahrtagenturenundMobilfunknetzbe-treiber, darauf, dassMobilfunkortungsdiens-te genauerwerden.Dies soll eineneueGene-ration von kommerziell ausgerichteten,ortsbezogenen Diensten ermöglichen.

Neue Anwendungsfälle, neueAnforderungenDieseAnwendungenwerden alsUE-Assis-

ted und UE-basiert kategorisiert. Bei UE-Assisted erhalten das Netzwerk und die ex-terne Anwendung die Position, um denStandort eines Objekts zu erfassen. Bei UE-basiert berechnet das Endgerät seine eigenePosition für die Navigation und Führung.Gleichzeitig hat inzwischen das Internet ofThings (IoT) in allen Facetten unseres wirt-schaftlichen und sozialen Lebens Einzuggehalten. Es stellt ebenfalls hohe Erwartun-gen an die Reichweite und ZuverlässigkeitvonOrtungstechnologien.Währendwir heu-te davon ausgehen, dass wir fast überall Zu-gang zu schnellem Internet haben,wird diesinnaher Zukunft auch für die Positionserfas-sung mit hoher Genauigkeit gelten. Infolge-dessenwerfendie 3GPP-Initiative undande-re Standardisierungsgremien in ihren kom-mendenReleases einen neuenBlick auf denAnwendungsraum und die Leistungsanfor-derungen für dieMobilfunkortung.Applika-tionen, die von verbesserten Ortungsdiens-ten mit hoher und höchster Präzision profi-tieren können, decken ein breites Spektrumin unterschiedlichen Bereichen ab, etwaIndustrie, Automotive, Smart City, Luft- undRaumfahrt, öffentlicher Dienst oder auchKonsumenten. Dazu zählen Güterlokalisie-rung (Asset Tracking), Verkehrsmanage-ment, Mietfahrräder, UAVs (Unmanned Ae-rial Vehicles), AugmentedReality (AR) sowieWearables für Verbraucher und den profes-sionellen Bereich. Insgesamt zielt die 5G-

Mehr als Standortbestimmung: Neue Technologien wie assistiertes und autonomes Fahren erfordern einesehr genaue Positionserkennung.

Bilder:u-blox

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Technologie darauf ab, eine Vielzahl vonMobilfunk-basiertenundhybridenOrtungs-diensten anzubieten, die je nach Bedarf so-wohl absolute als auch relative Positionie-rung ermöglichen.Wichtige Positionierungs-daten sollten mit einer Kenngröße für dasVertrauen, das dem Messwert entgegenge-bracht werden kann, geliefert werden. Fol-gende wichtige Anforderungen sind nochvollständig zu definieren und zu vereinba-ren: horizontale und vertikale Genauigkeit,relative Genauigkeit (zwischen benachbar-tenGeräten), Time-to-First-Fix (Positionsbe-stimmung nach dem Einschalten), Ge-schwindigkeitsgenauigkeit, Stromverbrauch,Latenzzeiten sowie betriebliche und sicher-heitsrelevante Eigenschaften. ImFolgendenwerfen wir einen Blick auf die Anforderun-gen von drei Anwendungsfällen, insbeson-dere in den vertikalen Branchen: (i) UAV-Missionen und -Betrieb, (ii) IIoT-Tracking-Anwendungenund (iii) autonomeFahrzeug-navigation. Die für die ersten beidenAnwendungsfälle angegebenenWerte stam-men aus dem Technical Report 3GPP TR22.872. Die Werte für den Automotive-An-wendungsfall, der ein breites Spektrumspe-zifischer Anwendungen umfasst, stammenaus zusätzlichen Referenzen

Eine neue Generation vonGNSS-EmpfängernIn den letzten Jahren hat sich die satelli-

tengestützte Positionierung rasant entwi-ckelt. In der Anfangszeit der Satellitennavi-gation stützten sich GNSS-Empfänger zur

Bestimmung ihrer Positionnur auf SatellitendesUS-amerikanischenGPS- oder des russi-schen GLONASS-Systems. Inzwischen sindmit dem europäischen Galileo und dem chi-nesischen Beidou sowie mehreren regiona-len Erweiterungssystemen weitere SystemeimEinsatz. Heute gibt es immermehrGNSS-Empfänger, die die gleichzeitig Signale vonallen umlaufenden GNSS-Konstellationenempfangenkönnen, etwau-bloxEmpfängerder F9-Generation. Dadurch sind die Emp-fänger in der Lage, mehr Satelliten zu „se-hen“, selbst wenn große Teile des Himmelsverdeckt sind. Dies verbessert die Genauig-keit und verkürzt die Zeit bis zum Erreichender Positionsbestimmung.Zur StandortermittlunghabenGNSS-Emp-

fänger früher nur Satellitensignale genutzt,die auf einem einzigen Frequenzband über-tragen wurden. Eine der Hauptfehlerursa-chen liegt dabei in der Verlangsamung derSatellitensignale beim Durchlaufen der ge-

Bild 1: Damit die Drohnebeim Einsatz übereinem Eisfeld nicht ver-loren geht, muss ihrePosition ständig sehrgenau bekannt sein.

ladenen Ionosphäre. Da diese Verzögerungproportional zumKehrwert der Frequenz imQuadrat ist, kanndasVerwendenvonSigna-len aus weiteren Frequenzbändern helfen,den Ionosphärenfehler zu bestimmen undzu korrigieren. Aktuelle Dual-Band-GNSS-Empfängern erreichen so einendurchschnitt-lichenPositionierungsfehler vonweniger als1 m unter freiem Himmel – statt zuvor rund2,5 m.Zusätzlich profitiert die Qualität derGNSS-Positionierung seit langem von kom-merziellenGNSS-Korrekturdiensten.Anbie-ter überwachen in der Regel eingehendeGNSS-Signale über ein Netzwerk von Basis-stationen mit genau bekannten Positionenund übermitteln gegen eine Gebührmaßge-schneiderte Korrekturdaten an die Endver-braucher. Für die codegestützte Positionie-rung werden diese als differenzielle Korrek-turenbezeichnet. BeimVerwendenhochprä-ziser RTK-Methoden (Real Time Kinematic)ermöglichen Korrekturen, die von einemnahegelegenenReferenzempfänger bezogenwerden, eine zentimetergenaue Positionie-rung. Heute befindet sich eine neueGenera-tion von GNSS-Korrekturdiensten in derEntwicklung, die einen alternativen Ansatzverfolgt undGNSS-Code- undCarrier-Phase-Korrekturdaten (Trägerphasen-Korrekturda-ten) für eine komplette geografischeRegion,z. B. ein Land oder einen ganzen Kontinent,über Internet oder Satellit sendet.

Bahn- und Zeitdaten vonSatelliten schneller abrufenDie Kombination von Multi-Konstellati-

ons- undMulti-Band-Empfängernmit neuenGNSS-Korrektursystemen zum Erzielen vonzentimetergenauen Werten bei deutlich re-duzierten Betriebskosten ebnet denWeg fürneuartige Massenmarktanwendungen zurPositionierung mit zentimetergenauer Prä-zision. Allerdings hat GNSS weiterhin zweiNachteile: Die Empfängermüssen sich idea-lerweise in Sichtlinie zu den Satelliten aufder Umlaufbahn befinden, um die Positionzu bestimmen. In Gebäuden und Tunneln

PRAXISWERT

Entwicklung der PositionserkennungSeit ihrer Einführung spielt Positions-bestimmung eine wichtige Rolle in derMobilfunk-Kommunikation. Dabei warsie zunächst nur ein Nebenprodukt:Um eingehende Anrufe an das Endgerätdes Empfängers weiterzuleiten, muss-ten die Mobilfunknetzbetreiber wissen,mit welchen Mobilfunk-Basisstationendie Endbenutzer zu einem bestimmtenZeitpunkt verbunden waren. Das än-derte sich 1999, als US-Regulierungs-behörden Anforderungen an Positions-schätzungen mit hoher Präzision fürNotrufdienste festlegten. Das führte zurersten Generation von dedizierten Or-

tungsdiensten auf Basis von Mobilfunk-technologie. Die EU folgte 2002 demBeispiel der USA. Seitdem wurde dasAngebot an Ortungsdiensten mit jederMobilfunkgeneration stetig erweitert,vor allem aufgrund von Branchenan-forderungen und der Standardisierungdurch die 3GPP-Initiative. Heutige 4G-LTE-Netzwerke können den Standort vonTeilnehmern mithilfe mehrerer Funktio-nen bestimmen, etwa Enhanced Cellu-lar ID (E-CID), Assisted GNSS (A-GNSS),Observed Time Difference of Arrival(OTDOA) und Uplink Time Difference ofArrival (UTDOA).

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sind die Dienste beeinträchtigt oder im Ext-remfall nicht verfügbar. Und im besten Fallbraucht ein GNSS-Empfänger mehrere Se-kunden, um bei einem Kaltstart seine Posi-tion erstmals eindeutig zu bestimmen. Ba-sierend auf Inertial-Sensoren, erweiternDead-Reckoning-Lösungen die Positionie-rung mit hoher Genauigkeit auf Bereicheaußerhalb der Reichweite von GNSS-Signa-len. Diese Systeme sind vorwiegend auf Au-tomotive-Anwendungen zugeschnitten. As-sistedGNSS (A-GNSS) beschleunigt die Posi-tionsbestimmung nach dem Einschalten(Time-to-First-Fix), indem es einen schnel-leren Weg zum Abruf von GNSS-Bahndatenund Uhrzeitdaten bietet als über die GNSS-Signale selbst.

5G-New-Radio-Schnittstelleeröffnet neue Möglichkeiten5G New Radio (NR), die Funkschnittstelle

des neuen Mobilfunkstandards 5G, öffnetweitere Möglichkeiten. In einigen Regionensollen Endbenutzer bereits dieses Jahr Zu-gang zu der Non-Standalone-Architekturerhalten, die auf 4G LTE aufbaut. Anschlie-ßend erfolgt der Aufbau von Standalone 5G.Positionierungsdienste mit hoher Präzisionwerden jedoch erst abRelease 16 gegenEnde2019 in die 3GPP 5GNR-Spezifikationen auf-genommen, wobei die Implementierungfrühestens 2020 erfolgt. DieMobilfunk-Kom-munikationstechnologie 5G adressiert dreiwichtige Anwendungsszenarien: eMBB,uRLLC undmMTC.� eMBB (Enhanced Mobile Broadband)erweitert das für die Mobilfunkkommuni-kation bestimmte Spektrum auf erheblichhöhere Frequenzen, die Daten mit höherenGeschwindigkeiten transportieren.�URLLC (Ultra Reliable Low Latency Com-munications) eröffnet neue Möglichkeiten,wie etwaAnwendungen für autonome Fahr-zeuge und V2X (Vehicle-to-Everything).�mMTC (massive Machine Type Communi-cations) wird die Entwicklung von IoT-An-wendungen in der LPWA-Kommunikation(Low-Power-Wide-Area) vorantreiben.Eine gute Positionierung ist essenziell in

diesenSzenarien. Sie erfordert neue Signaleund das Verwenden einer neuen Infrastruk-tur, umdas Spektrumder verfügbaren Tech-niken zu erweitern. Dies schließt größereBandbreitenmit höherenFrequenzen,mehrAntennen, die zu komplexen Antennen-Ar-rays kombiniertwerden, und engmaschigereTelekommunikationsnetze ein.Die Ziele sindehrgeizig: DieOrtungsgenauigkeit vonuntereinem Meter soll mit einer geringen Latenz-zeit vonweniger als 15Millisekunden erreicht

werden.Die 3GPP-Initiative setzt sichderzeitdafür ein, eineReihe von4G-LTE-Positionie-rungsmethoden in 5G einzubringen. Typi-scherweise verwenden diese MethodenUplink- undDownlink-Signale, umdie Posi-tion einzelner Endgeräte zu bestimmen undihre Position in Bezug auf Mobilfunkanten-nen zu ermitteln, die als Ankerpunkte die-nen. Beispiele sind Enhanced Cell-ID- undTDOA-basierte Ansätze. Bei Enhanced Cell-ID überwachen Endgeräte den Abstand zumehrerenBasisstationen in ihrerNähe,mes-sen die Signalstärke unddie ungefähre Aus-breitungszeit zum Gerät. Durch die Kombi-nation dieser Beobachtungen lässt sich dieGeräteposition besser berechnen, als nurdurchMessung der Daten der nächstgelege-nen Mobilfunkzelle.

Sidelink: Bislang kaumgenutzte 4G-LTE-TechnologieBei TDOA-basierten Ansätzen misst das

Endgerät die Ankunftszeiten von Signalenvon mehreren Basisstationen genau. DurchÜberlagern der Zeitunterschiede zwischendenbeobachtetenEmpfangszeiten kanndasGerät seine Position zu den beobachtetenBasisstationengenauer bestimmenals durchdie Verwendung einer Enhanced Cell-ID. Ei-neweitereKlasse ist der bisher kaumgenutz-te Sidelink, eine 4G-LTE-Technologie mitGerät-zu-Gerät-Kommunikation. Damit sol-len Geräte in der Lage sein, ihre Positionenrelativ zueinander zu bestimmen. Nahelie-gend ist dieAnwendung inderV2V-Kommu-nikation (Vehicle-to-Vehicle) zwischenFahr-zeugen.Die neueFrequenzzuweisung von 5Gkann sich positiv auf dieMobilfunk-basierte

Positionsbestimmungauswirken, insbeson-dere aufgrund der Verfügbarkeit größererBandbreiten, die mit höheren Frequenzenmöglich sind (mmWave über 24 GHz zusätz-lich zuSub6GHz). Durch eine größereBand-breite lässt sich die Signallaufzeit genauerauflösen, denn Zeit und Bandbreite verhal-ten sich invers zueinander. Das bedeutet:Miteiner größeren Bandbreite lassen sich auchreflexionsbedingte Mehrwege-Effekten bes-ser auflösen und gezielter unterdrücken.Diese sind die Hauptfehlerquelle in städti-schenUmgebungen, sowie in Gebäuden, daSignale, die unterschiedliche Wege zurück-legen, zu unterschiedlichen Zeiten ankom-men. Die Nutzung weiterer Frequenzen bei5G wirkt sich auch auf die geografische Im-plementierung von Mobilfunk-Basisstatio-nen und die verwendeten Antennentechno-logien aus,waswiederumdermobilfunkba-siertenPositionierung zugute kommt.Dabeikürzeren Wellenlängen höhere Ausbrei-tungsverluste entstehen, haben sie im Ver-gleich zugrößerenWellenlängen eine gerin-gere Reichweite. Das bedeutet, dass Mobil-funknetzbetreiber (MNOs) mehr Basisstati-onen implementieren müssen, um dieAbdeckung aufrechtzuerhalten.

Beamforming-Antennensenden Signale zielgenauDarüber hinaus wird die Einführung von

Antennenanordnungenmit Strahlformungs-funktionen (Beamforming) dazu beitragen,Signale zielgerichteter an die Endbenutzerzu leiten. Eine höhere Dichte solcher Anten-nen verbessert dieAuflösung vonMehrwege-Komponenten, indem sie die Verzögerung

Bild 2: Anforderungen an die 5G-Technologie zur Positionsbestimmung für ausgewählteAnwendungsszenarien.

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und die Winkel AoA (Angle of Arrival) undAoD (Angle of Departure)messen. Dies opti-miert damit die Positionierungsleistungundkann die Standorterkennung eines Gerätsmit einer einzigenBasisstation ermöglichen.Kein einzelner Ansatz wird in der Lage

sein, die vondenangestrebtenAnwendungs-fällen gefordertenGenauigkeitenunter allenUmgebungsbedingungen zuverlässig zu er-reichen. Wie wir gesehen haben, sind dieheutigen GNSS-basierten Lösungen zwar inder Lage zuverlässig Positionen mit hoherGenauigkeit zu liefern, haben aber Ein-schränkungen bei Anwendungen innerhalbvonGebäuden.Auf der anderenSeite können5G-basierte Positionierungslösungen sowohlfürAnwendungen im Innen- als auch imAu-ßenbereich eine genauePositionsschätzungergänzenund liefern.Hybride Lösungen, diemehrere Mobilfunk-basierte Ansätze mitnicht-Mobilfunk-basierten Techniken kom-binieren, wie etwa GNSS, terrestrische Bea-con-Systeme (TBS),Messungenauf Basis vonWi-Fi und Bluetooth sowie Inertial-Messun-gen (IMU), sind vielversprechend, um diese

Ziele zu erreichen. Die zusätzlichen Redun-danzen ermöglichen eine erhöhte Fehlerto-leranz und eine verbesserte Integrität derGesamtlösung. InAnbetracht des Potenzialshybrider Positionierungslösungen für neueAnwendungen untersucht das 3GPP GNSS-und Satellitensignale sowie terrestrischeSignale wie Wi-Fi, Bluetooth und mehr. Diedaraus resultierenden Lösungen zielen aufdie Einführung in die Funkspezifikationenfür Release 16 – Q1 2020.

Hohe Präzision erforderthybride AnsätzeDas 3GPP hat sich in Sachen Positionie-

rung ehrgeizige Ziele gesetzt. Die Implemen-tierungMobilfunk-basierter Positionierungs-lösungen inder vielfältigenSignallandschaftvon 5Gwird ein komplexesUnterfangen sein,ebensowiedie rechtzeitige Implementierungder Infrastruktur, umeine ausreichendbrei-te Abdeckung zu ermöglichen und eine hin-reichend große Benutzerbasis zu gewinnen.Hybride Positionierungsansätze werdenentscheidend sein, um die hohen Anforde-

rungen neuer Anwendungen zu erfüllen.Vertreter verschiedener Technologien– etwaGNSS, Mobilfunk, Short Range, Satelliten-kommunikation oder andere – müssen zu-sammenarbeiten, um ein Ergebnis zu erzie-len, das besser ist als die Summe seiner Be-standteile. Die einzigartige Position von u-blox in der Branche als führender Anbietervon GNSS-, Mobilfunktechnologie und Wi-reless-Technologie für dieKurzstreckemachtdas Aufkommen von 5G-Positionierungsan-sätzen, insbesondere die Kombination vonTechnologien, besonders spannend. Diehybride Positionierung baut auf der Zusam-menführungunserer Kernkompetenzen auf,und wir sehen ein enormes Innovationspo-tenzial, neuePerformance-Niveausundneu-artige Anwendungsfälle. Während wir dazubeitragen, das Miteinander dieser verschie-denenWelten zubeschleunigen,mit demZieleiner besseren und umfassenderen Lösung,können wir uns geradezu auf das Ergebnisfreuen. // ME

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LEISTUNGSELEKTRONIK // SILIZIUM-FORSCHUNG


Power2Power: Silizium-Forschunggegen Wide-Bandgap

Es geht um den Erfolg der europäischen Mikroelektronikindustrie:Das Koop-Projekt Power2Power erarbeitet neue Leistungshalbleiterin Silizium und Systemarchitekturen mit höherer Energieeffizienz.

Silizium als Werkstoff für Halbleiter istseit Jahrzehnten etabliert, kostengüns-tig, robust und zuverlässig, mit hoher

Spannungsfestigkeit und beinah perfekterKristallstruktur für einehoheKonzentrationund Beweglichkeit der Ladungsträger. ImVerlauf der Miniaturisierung elektronischerSysteme und höherer Schaltfrequenzen nä-herte sichdie Siliziumtechnik allmählich anphysikalische Grenzen etwa hinsichtlichLeistungsdichte, Verlustleistung, Die-Tem-peratur und On-Widerstand. Über diese na-türliche Siliziumgrenzehinaus lässt sichderDurchlasswiderstand für eine bestimmteDie-Fläche erst einmal nicht weiter verrin-gern, ohne auch die Durchbruchspannungzu reduzieren. Alternativen bieten Wide-Bandgap-Halbleiter mit ihren Vorteilen.Dochdie Forschungweiß auch:Die bewähr-te und preiswerte Silizium-Technik ist langnochnicht amEnde; sie punktet immerwie-der durch beispielsweise geschickte Schal-tungstopologie.Etwa 95% aller leistungselektronischen

Anwendungen basieren auf der traditionel-len Silizium-Technik.Hierin ist der Silizium-IGBT das Zugpferd der Leistungselektronik.Das Marktwachstum für diskrete IGBTs und

IGBT-Module liegt bei et-wa 15% jährlich.

Die IGBT-Perfor-

mancemuss entsprechenddenwachsendenAnforderungen neuer Anwendungen stei-gen. So kann sie auch den Wide-Bandgap-Pendants Paroli bieten.

Forschung & Politik starten dasProjekt Power2PowerIm Juni 2019 startete dazu das Projekt

Power2Power, in dem 43 Technologie-Part-ner in acht Ländern in den nächsten dreiJahren die dringlichsten Problemfelder in-tensiv analysierenundLösungen erarbeiten.Dazugehört imersten Schritt eineneuequa-lifizierte Technologie für Silizium-IGBTober-halb 1700 V, gefertigt auf 300-mm-Wafern.Die Junction-Temperatur wird auf 200 °C

spezifiziert, wodurch eine Steigerung derLeistungsdichte um20%ermöglichtwerdensoll. Eine fünfzigprozentige Verlängerungder IGBT-Lebensdauer und zehnprozentigeReduktionderVerluste formulierendasPro-jektziel weiter. Um die nahezu äquivalenteKostensituation imVergleich zubestehendenLeistungsbausteinen zu erreichen, sind dasPackagingunddie etablierte Fertigungstech-nik in Europa gleichfalls im Fokus der For-schung.„Wer denkt, bei Silizium-Bauelementen

gäbe es keine Fortschritte mehr, der täuschtsich“, konstatiert Professor Josef Lutz vonderTUChemnitz, „die Silizium-Zukunft ist glän-zend und Hersteller von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern müssen sich warmanziehen.“

TU Chemnitz forscht für mehrZuverlässigkeit und RobustheitAlle Partner von „Power2Power“ werden

inmehrerenWertschöpfungsstufen andeut-schen Standorten Pilotlinien für die Ferti-gung innovativer und zukunftsfähiger Leis-tungselektronik aufbauen.Die TUChemnitzist beteiligt an den Arbeiten zur Verbesse-rung vonZuverlässigkeit undRobustheit derzukünftigenLeistungselektronik imBereichder IGBT.Diese spannungsgesteuertenTran-sistoren sind essentiell für die Leistungselek-tronik etwa zurMotorregelung, inWindkraft-anlagenundElektrofahrzeugen.DieArbeitenvieler europäischer Partnerinnen und Part-ner in dem Teilgebiet werden durch dasFraunhofer-Institut ENAS inChemnitz koor-diniert.„Robustheit bedeutet, dass der Leistungs-

halbleiter auch Überlastfälle und unvorher-gesehene Zustände wie einen Kurzschlussüberstehen kann, ohne auszufallen. Zuver-lässigkeit bedeutet also zu gewährleisten,dass alle möglichen Fehlerfälle bekanntsind, ihr Auftreten berechenbar ist und sichdas Systemso auslegen lässt, dass diese Feh-lerfälle auf einMinimum reduziertwerden“,erklärt Projektpartner Prof. Dr. Josef Lutz,Inhaber der Professur Leistungselektronikan der TU Chemnitz. „Hierzumüssen insbe-sondere auch Mechanismen der Materialer-müdung experimentell erforscht werden,ihreGesetze verstandenund entsprechendeRegeln für die Auslegung bekannt sein. IneinerGesellschaftmit hochwertiger Technikhängt immer mehr von der Zuverlässigkeitder Leistungselektronik ab – beispielsweiseSicherheit beim Fahren und sicheres Arbei-ten von Anlagen in der Stromversorgung.“Das Projektvolumen von Power2Power

beläuft sich auf insgesamt rund 74 Mio.€.Zwei Drittel davon entfallen auf die deut-schenPartner. Die EuropäischeUnion fördertdie Kooperation imRahmendes ECSEL-Pro-gramms (Electronic Components and Sys-tems for EuropeanLeadership). AusDeutsch-land kommt finanzielle Unterstützung vomBundesministerium für Bildung und For-

Dünnwafer: Auf den300-mm-Silizium-Scheiben

sollen die neuartigen IGBT-Diesgefertigt werden.Bi

ld:Infineon

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schung (BMBF) sowie von den beiden Bun-desländern Sachsen und Thüringen. Auchdie anderen Partnerinnen und Partner ausweiteren sieben Ländern werden von ihrenzuständigennationalenBehördengefördert.Von den 43 europäischen Partnerinnen

undPartnern sinddrei ausChemnitz undderRegion: Neben der TU Chemnitz und ENASist auch die Firma EAAT beteiligt. Es ist einwichtiger Erfolg für denForschungsstandortChemnitz und unterstreicht die internatio-nale Bedeutung der Forschung vor Ort. DieProjekt-Koordination hat Infineon Dresden.Die amProjekt beteiligten Länder sindnebenDeutschland:Österreich, Finnland,Ungarn,Niederlande, Slowakei, Spanien undSchweiz.„In Sachsen ist der größteMikroelektronik-

Standort Europas zu Hause“, betont Minis-terpräsident Michael Kretschmer, „für denAusbau und dieWeiterentwicklung des Sili-conSaxony sind europäischeKooperationenwie Power2Power von enormer Bedeutung.Das Projekt berücksichtigt alle Wertschöp-fungsstufenundverbindet InnovationenmitEnergieeffizienz. Dies kann entscheidenddazu beitragen, die Wettbewerbsfähigkeitder europäischen Mikroelektronikindustriezu erhöhen.„Mikroelektronik ist ein Schlüssel für er-

folgreiche Industrieprodukte aus Deutsch-land und Europa“, konstatiert Dr. HerbertZeisel, Ministerialdirigent im Bundesminis-terium für Bildung und Forschung (BMBF).Die jüngsten Handelskonflikte machtendeutlich, wie Souveränität und Selbstbe-

Die Neuentwicklungdes Silizium-IGBTDas europäische Kooperationsprojekt„Power2Power“ ist im Juni offiziell ge-startet. 43 Partner aus acht Ländernerforschen und entwickeln nun in denkommenden drei Jahren neuartigeSilizium-Halbleiter mit höherer Leis-tungsdichte und Energieeffizienz. ImMittelpunkt steht der Silizium-IGBT,gefertigt auf 300-mm-Wafern. Hoch-schulen, Institute, kleine und mittel-ständische Unternehmen sowie inter-nationale Konzerne beteiligen sich ander Kooperation. Die Experten sindsich einig, dass große Fortschrittemöglich sind, sobald die qualifizierteTechnologie gefunden ist.

stimmtheit von eigener Fähigkeit in For-schung und Technologie abhängen. DasProjekt Power2Power zeige, wie wir uns imglobalen Wettbewerb behaupten können.Zeisel: „Europa, Deutschland, Sachsen undThüringen ziehen im ECSEL-Programm aneinem Strang.“Die europäische Halbleiterindustrie be-

schäftigt mehrere hunderttausend Arbeit-nehmer. Sie entfaltet aber in ihren technolo-gienahen Anwenderindustrien einen nochweitaus größeren Hebel. „Ein wichtigerSchwerpunkt liegt auf dem stark wachsen-denMarkt für Leistungselektronik“, sagt BertDeColvenaer, ExecutiveDirector ECSEL JointUndertaking, „im Hinblick auf die globaleKonkurrenz, vor allem aus Asien, wirdPower2Power dabei helfen, den Fertigungs-anteil europäischer Unternehmen am Welt-markt zu vergrößern und ihre führendenPositionen weiter zu stärken.“Insbesondere in Deutschland werde das

Kooperationsprojekt Power2Power dazubei-tragen, die Wettbewerbsfähigkeit der Halb-leiterfertigung auszubauen. Für Leistungs-halbleiter gibt es hier eine besonders weit-reichende Wertschöpfungskette, die auchdieses Projekt umfasst: von speziellen Silizi-um-Wafern (Siltronic), über die IGBT-Produk-tion bei Infineon in Dresden und die nach-folgende Modulfertigung bei Infineon inWarstein bis hin zu Systemen und dem da-zugehörigen Wissen, etwa vertreten durchdie KMUs EAAT und AVL sowie die Techni-sche Universität Dresden. // KU

Infineon Dresden

LEISTUNGSELEKTRONIK // SILIZIUM-FORSCHUNG

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Prof. Dr. Josef Lutz, TU Chemnitz: „Als Projektpartner widmen wir uns unter anderem dem ThemaLastwechselLebensdauer, ein wichtiger Beitrag zurRobustheit des Halbleiters.“

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ZUM SCHLUSS


Regulieren wiruns tot?

„Wenn wegen unklarer Regularien mehr SpezialistenVerordnungen und Richtlinien überprüfen müssen, als

im Projekt kooperieren, verzerrt sich das Bild zurVerwaltung – aus dem Kabinett wird das Kabarett.“

Wo fange ich an und wo höre ich auf – mit welchem Ziel?Diese alltägliche Frage in Zeiten immer komplexerer Struk-turenundVernetzungbei immer schnellerenVeränderun-

gen kennen alle. Daraus resultiert oft das Gefühl, bei unseren Auf-gaben das Ziel, das große Ganze, aus denAugen zu verlieren.Wennuns dieses in unserem „kleinen, überschaubaren“ Leben schonpassiert, habenwir dannVerständnis dafür,wenn es bei dengroßenIdeen unserer Zeit noch viel extremer seinmag, und sindwir etwasnachsichtiger in unserem Urteil?So fragen sich bestimmt viele bei der EU: Was war nochmal das

Ziel beziehungsweise das große Bild? Und muss es tatsächlich mitdem Detailierungslevel einer Miniatur gezeichnet werden? In derUmsetzung führt das nahezu zwingend zu Abgrenzungsproblemenund Verzug in der Umsetzung. Geht es nicht vielmehr um mutigeSchritte und wahrscheinlich auch Schnitte, die den Apparat klein-halten, aber die Idee groß? Schon Jahre vor dem Brexit-Votum be-merkte ein früherer deutscher Präsident des Europaparlaments: „AmAnfang war die Idee, dann kam die Verwaltung, jetzt verwechseltder Bürger die Idee mit der Verwaltung und ist enttäuscht!“Zurück zur Idee – ein Wirtschaftsraum, Austausch, Vernetzung

nicht über Grenzen hinweg, sondern ganz ohne Grenzen. Denn dieZukunft liegt nichtmehr imSelbermachen, sondern darin, sichmitMenschen, Unternehmen, Staaten, etc. als Bund gegebenenfallsauch nur für ein Projekt zusammenzuschließen, um dankmaxima-lerDivergenzdesKnowhowsdas bestmöglicheErgebnis zu erzielen.Deutschlands und Europas Wirtschaftskraft lebt aus demMittel-

stand heraus – hier sind die Hidden Champions, die sich im Marktdurchsetzen dank Qualitäten, die auch für die Zukunft massiv ge-braucht werden. Im Mittelstand entwickeln sich die Top-Player fürdie Zukunftsmärkte.Wenn sich diese aber bei derVernetzung, beimAustauschüber Projekte imSumpfderRegularienundVerordnungen

verlieren,wennaufgrundvonRedundanzenoder nicht eindeutigenRegularien mehr Spezialisten Verordnungen und Richtlinien über-prüfenmüssen, als imProjekt kooperieren, verzerrt sichdasBild zurVerwaltung – aus dem Kabinett wird das Kabarett. Die Idee aberbraucht die Infrastruktur, das Knowhow und ein funktionierendesNetzwerk mit der Kraft, umMarktteilnehmer zu beflügeln.Ich möchte hier gar nicht in die Details gehen, Substanzregulie-

rungen – einmal Verordnung, einmal Richtlinie – wo ist der Unter-schied?Warumnach RoHS reguliert, nach REACh nicht oder einge-schränkt? Warum EU-weite Regulierung und dann nationale Regu-lierung, alsounterschiedlicheAuslegungen für dieAnwendungsbe-reiche bezüglich betroffener Produkte? Warum Redundanz odernationale Diversifikation, wenn letztlich doch Einheitlichkeit undKlarheit erforderlich sind?Wer schonbei dendiversenRegulierungenzurWare irritiert blickt, derwird staunen,wennesumdie Entsorgungder Verpackung geht. Man hat den Eindruck, dass Altkanzler KohlsWorte „Wichtig ist,washinten rauskommt“ auf dieAbfallentsorgungzu beziehen sind – selbstredend in jedemMitgliedsland anders in-terpretiert. In Frankreichmuss auf die Rechnungdie „Recycling Fee“aufgedruckt werden, in Deutschland ist es verboten. Erklären Siedas mal der IT für die Rechnungslegung.Auch in der EU bestätigt sich: Die zähesten Verhandlungen sind

immer jene, bei denen eine Absichtserklärung, ein Letter of Intent,in einen bindenden Vertrag gegossen werden soll, da Juristen diejeweilige Positionmaximal absichernwollen.Dabeiwissen alle, dassdas Einfache durch Weglassen entsteht – aber weglassen ist nichteinfach. Ich meine, hier würde eine salvatorische Klausel helfen:Dinge, die in den Verordnungen nicht geregelt sind, ersetzen durcheine der großen Idee zuträgliche Lösung. Denn Pragmatismus istnotwendig, wenn man den Mittelstand als Treiber der Wirtschaftnicht ersticken will. // MK

Andreas Falke: ist Geschäftsführer des FachverbandsBauelemente Distribution (FBDi) in Berlin.

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