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Flexible Rechenmodelle auf eigener Embedded-Hardware (2/2) : Ausgabe 19/2015, 19.11.2015

LabVIEW im Serienprodukt

Konfigurierbare Laserquelle für optische Kohärenztomografie (OCT) in der Augenheilkunde oder Solarkraftwerk mit 80 % Wirkungsgrad. Die auf ihre Machbarkeit geprüfte Idee soll mit LabVIEW auf eigener Hardware in ein Serienprodukt umgesetzt werden. Zwei Anwendungen zeigen, wie der im Teil 1 in Polyscope 16/15 vorgestellte Entwicklungsbeschleuniger in der Praxis funktioniert.

Autor: Marco Schmid, Text und Bilder

Die Hardware-Entscheidung kann der Entwickler später fällen. Nach Teil 1/2 findet sich nämlich für seine Embedded-Anwendung in den meisten Fällen eine passende Embedded-Plattform mit LabVIEW-Unterstützung. Viel wichtiger ist, was er an Software-Funktionalität benötigt. Hier besteht die Gefahr, dass es später «kracht» und er sich dadurch in eine Sackgasse manövriert, falls er die jeweiligen «blinden Flecken» nicht beachtet.

Es gibt zwei Wege – C-Code-Generator oder Embedded-Linux

Derzeit führen bei LabVIEW zwei unterschiedliche Wege zu Embedded-Hardware. Entweder über Echtzeit-Linux auf ARM/FPGA-Targets von National Instruments (NI) oder über den NI C-Code-Generator auf einen Mikrocontroller ausserhalb des NI-Standards. Beide haben ihre Stärken und Schwächen und ergänzen sich nahtlos in Funktionalität und Leistung. Ausgehend von den Projektanforderungen ist eine Zuordnung nach der Tabelle in den meisten Fällen eindeutig.

Konfigurierbarer Laserwobbler

Exalos AG gehört zu den führenden Anbietern von Swept Sources (Lasern mit oszillierender Mittenwellenlänge, vergleichbar mit Wobbelgeneratoren) mit Emissionsspektren zwischen 400 und 1700 nm. Zur einfacheren Integrierbarkeit in OCT-Geräte adaptiert ein kompaktes Mikrocontroller-Board mit spezifischem I/O das mikrooptische Lasermodul in seinem Butterfly-Gehäuse (Bild 2). Auf dem Board werden alle benötigten Clock- und Treibersignale generiert und die Laserquelle mit Tracking und Fine-Tuning stabilisiert. Über einen 0- bis 5-V-DAC wird die Laserintensität gesteuert. Dieser wird über einen elektrostatischen MEMS-Spiegel auf ein optisches Gitter abgelenkt. Der resonante MEMS-Spiegel mit anwendungsabhängiger Resonanzfrequenz von 1 bis 100 kHz wird dabei mittels Hochspannung und DDS (Direkte Digitale Synthese) ausgelenkt und verändert damit die Mittenwellenlänge des Lasers.

Über einen Transimpedanzverstärker wird die Istauslenkung des Spiegels mit 5 MHz abgetastet und in den Tracker/Tuner geführt. Darüber hinaus sorgt ein Peltierelement für konstante Betriebstemperaturen. Alle relevanten Betriebsparameter werden über langsame ADCs überwacht und periodisch in einen On-Board-Flash-Speicher geschrieben. Über eine serielle Schnittstelle kann der Benutzer den Speicher auslesen und die Swept Source konfigureren. Aufgrund der geplanten höheren Stückzahlen und des spezifischen Formfaktors kam nach der Tabelle die Variante mit dem C-Code-Generator zum Zug. Für die Prototypenphase diente der Zweiboard-Ansatz (Bild 1, links). Als danach alle Spezifikationen bekannt waren, wurden Einsteckmodul und Baseboard zu Komplett-Hardware integriert, (Bild 1, rechts) mit dem Ziel, tiefstmöglicher Herstellkosten in der Serie.

Kleines Solarkraftwerk mit 80 % Wirkungsgrad

Schmid Elektronik entwickelte die Hauptsteuerung für eine energieeffiziente Solaranlage mit 80 % Wirkungsgrad (Bild 3). Deren Herzstück ist eine 40 m2 grosse Parabolschüssel aus Spezialbeton mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften wie Aluminium, jedoch bei nur einem Fünftel des Preises. In der Schüssel sind 36 elliptische Spiegel montiert, welche die Sonnenstrahlen im Brennpunkt auf das 2000-fache ihrer Energie bündeln. Jeder, der schon einmal mit einer Lupe Feuer entfacht hat, kennt die Wirkung konzentrierter Sonnenenergie. Im 1500 °C heissen «Hotspot» wird bei starker Sonneneinstrahlung bis zu 12 kW elektrische und 20 kW thermische Leistung aufgenommen. Dabei kommt ein von IBM entwickeltes, aktives Kühlsystem zum Einsatz, ähnlich wie dieses zur Kühlung der Hochleistungs-CPUs ihrer Supercomputer dient. Die Schüssel dreht sich mit einem Trackingsystem um zwei Achsen immer direkt der Sonne zu und wird daher «Sunflower», sprich Sonnenblume, genannt.

Als «Hirn» des zentralen Embedded-Systems wurde nach der Tabelle aus zwei Gründen Embedded-Linux und NI SoM gewählt. Erstens war eine Applikationskomplexität zu erwarten, die sich in der oberen Tabellenhälfte ansiedelt. Zweitens handelt es sich um eine sicherheitskritische Anwendung, deren Regelkreis, Fehlererkennung und -behebung zwingend auf einem FPGA erfolgen musste. 

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Bild 1: LabVIEW mit seinen flexiblen Rechenmodellen auf eigener Hardware – vom Einsteckmodul (links) bis zur massgeschneiderten Komplett-Hardware (rechts) – für den Einsatz im Serienprodukt


Bild 2: Mit LabVIEW programmierbares, hybrides Mikrocontroller-Adapterboard für konfigurierbare Swept Source Laser deckt verschiedene Aufgaben und Kundenwünsche ab


Bild 3: Das «Hirn» der «Sonnenblume» ist über ein kundenspezifisches Baseboard mit Sensoren und Aktoren verbunden und kann sich über VPN mit dem Firmennetzwerk und Internet verbinden

Autor

Marco Schmid Dipl.-Ing. FH Systemtechnik Schmid Elektronik AG

Schmid Elektronik im swissT.net

Sektion 16: Electronic Manufacturing

Sektion 19: Embedded Computing