Softwarewerkzeuge für den phasen- und domänenübergreifenden Entwurf

Im heutigen Produktentwicklungsprozess wird eine Vielzahl von Methoden und Werkzeugen für Entwurf und Simulation eingesetzt. Die vorliegende Arbeit entwickelt ein Konzept zur Integration dieser isolierten Werkzeuge in ein System für die phasen- und domänenübergreifende Modellierung und Simulation technischer Systeme. Im ersten Schritt wird die Integration verschiedener Entwurfsphasen betrachtet und im Detail ausgearbeitet am Beispiel eines Entwurfswerkzeugs, das eine Software zum Entwurf von Bewegungssystemen auf der Prinzipebene mit einem parametrischen 3D-CAD-System verbindet. In einem zweiten Schritt wird der Integrationsgedanke auf den domänenübergreifenden Entwurf erweitert. Vorgestellt wird ein Entwurfswerkzeug für heterogene Systeme, das die gewohnte domänenspezifische Darstellung der Teilsysteme (Mechanik, Optik, Regelungstechnik) beibehält. Begleitet wird die Arbeit von einer softwaretechnischen Umsetzung, die die Leistungsfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Ansätze nachweist.This thesis proposes two major improvements of software tools for the early phases of product design. The first one concerns phase-spanning design of motion systems based on bi-directional interconnections of product features modelled on different levels of abstraction. In addition, this approach also led to a method for manipulating CAD models directly in VR environments. Addressing the second issue, the thesis develops a concept for a software tool that allows cross-domain modeling and simulation of heterogeneous systems. Designed as an extensible platform, it provides means of incorporating arbitrary domains and related simulation methods. In contrast to previously existing software tools for cross-domain modeling it allows the user to access the product model using domain-specific concepts and visual representations. Software implementations of both concepts as well as different application examples prove the feasibility and power of the approaches. In addition, the thesis shares a broad range of experiences in devising and implementing such software tools.Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Softwareunterstützung in frühen Phasen der Produktentwicklung. Dazu wurden insbesondere zwei Problemfelder identifiziert und bearbeitet. Dabei handelt es sich zum einen um die Realisierung eines phasenübergreifenden Entwurfskonzepts für Bewegungssysteme auf der Basis einer bidirektionalen Verknüpfung von Produktmerkmalen in Modellen unterschiedlicher Abstraktionsniveaus. Ausgehend von dieser Lösung wurde außerdem ein Verfahren entwickelt, das die Manipulation von CAD-Modellen in VR-Umgebungen erlaubt. Zum anderen wurde ein Softwarewerkzeug konzipiert, das eine domänenübergreifende Modellierung und Simulation heterogener Systeme erlaubt. Als Plattform ist es dank der komponentenbasierten Softwarearchitektur um beliebige Domänen und zugehörige Berechnungsverfahren erweiterbar. Im Unterschied zu existierenden domänenübergreifenden Werkzeugen bietet es einen nutzerzentrierten Zugang zum Produktmodell, der domänenspezifische Darstellungen und Begriffe berücksichtigt. Die Entwicklung beider Konzepte ging mit einer softwaretechnischen Umsetzung einher, die deren Realisierbarkeit belegt und eine Demonstration ihrer Arbeitsweise anhand verschiedener Anwendungsbeispiele ermöglicht. Mit dieser Arbeit wird ein umfangreiches Spektrum an Erfahrungen bei der Konzeption und Implementierung solcher Softwarewerkzeuge präsentiert und weitergegeben

Integrierter Entwurfsprozess für Leiterplatten mit FPGA und beispielhafte Realisierung

In der Technischen Universität Ilmenau wird im Rahmen eines Sonderforschungs-projektes 622 eine Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPM) entwickelt und aufgebaut. Viele Mitarbeiter von verschiedenen Fachgebieten beschäftigten sich mit diesem Sonderforschungsprojekt. Aufgabe des Fachgebietes Rechnerarchitekturen ist dabei, hochleistungsfähige und verteilte Informationsverarbeitungssysteme im Teil-bereich C1 zu entwerfen und zu realisieren. Die Grundlage dieser Arbeit basierte auf einer Multi-DSP-Architektur mit Hochge-schwindigkeitsverbindungen. Ein solches System besteht aus mehreren miteinander kommunizierenden, digitalen Signalprozessormodulen (DSPs). Mehrere Digital Sig-nalprozessoren übernehmen dabei die Messwertverarbeitung. Als vorläufige Version 0.1 arbeitet das Kompaktsystem mit 3 DSP Modulen C6713. Damit die DSPs mitei-nander mit Hochgeschwindigkeit kommunizieren können, werden noch verschiedene Kommunikationsprotokolle benötigt. Neben dem McBSP- basierten Kommunikati-onssystem mit Switch und dem McBSP- basierten Kommunikationssystem mit Bus wurde eine Ringstruktur Kommunikationsvariante zwischen den Kommunikations-partnern entwickelt. Dabei wurde der LVDS-Standard als physikalische Schnittstelle benutzt. Diese Arbeit zielt auf eine Verbesserung und Weiterentwicklung des DSP-Kompaktsystems ab. Es soll in dieser Arbeit das Platinen Redesign des Multi DSP Kompaktsystems unter Berücksichtigung elektronischer Regelungen mittels Elektronik Designsoftware Altium Designer realisiert und die Änderungen an der EMIF Speicherschnittstelle eingearbeitet werden. Ein anderer Fokus dieser Arbeit liegt dabei auf die Signalintegritätssimulation über die LVDS Kommunikationsleitungen auf das Basisboard. Dazu werden zuerst die theoretischen Grundlagen der Simulationsverfahren vorgestellt. An Hand der in dieser Arbeit beschriebenen Experimentfälle werden dann eventuelle Puls und Werteände-rungen untersucht. Die währende dieser Arbeit ausprobierten Simulationen ermöglichen notwendige Spannungsverlaufsuntersuchungen vor der Endproduktion. Wichtig dabei sind das praktische Kennenlernen der Simulationsverfahren und die Vermittlung grundlegen-der Vorkenntnisse. Für die zukünftige Leiterplattenproduktion ist es notwendig, zuvor eine sinnvolle Simulation durchzuführen.Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 201

Energy management in vehicles with alternative drives

Die Automobilindustrie wird in den nächsten Jahren mit vielen Herausforderungen wie zum Beispiel strengeren Abgasnormen und steigenden Ölpreisen konfrontiert. Um sich den Herausforderungen zu stellen, werden zurzeit Fahrzeuge mit alternativen Antrieben entwickelt und auf dem Markt platziert. Um weiterhin einen sicheren und effizienten Betrieb der elektrischen Komponenten zu gewährleisten, ist die Einführung eines ganzheitlichen Energiemanagements notwendig. Es umfasst dabei alle planenden, steuernden und vorausschauenden Maßnahmen. Im ersten Teil der Arbeit wird ein neuartiges Systemkonzept vorgestellt, das mittels interner Fahrzeuginformationen online eine Prognose vorausliegender Fahrsituationen wie z.B. Geschwindigkeits- und Höhenprofile vornehmen kann. Darauf aufbauend kann die Betriebsstrategie den zukünftigen Leistungs- bzw. Energiebedarf des Fahrzeugs berechnen und Steuerbefehle einleiten, um einen effizienteren Fahrbetrieb zu ermöglichen. Die Grundlage dieses Systemkonzeptes ist die Erkennung von Fahrstrecken anhand charakteristischer Lenkradwinkelinformationen und das Anlegen einer Historiendatenbank für die gefahrenen Strecken mit den jeweiligen Geschwindigkeits- und Höhenprofilen. Ausgehend von einer umfassenden Bordnetzanalyse werden im zweiten Teil der Arbeit verschiedene Auswirkungen auf den Entwicklungsprozess für die Dimensionierung der Bordnetzenergieversorgung diskutiert. Hieraus resultiert die Notwendigkeit, eine Toolkette zu entwickeln, welche auf Simulationen basiert. Diese besteht aus kommerziellen Simulationstools und der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Software Avanti (Advanced Analysis Tool and Simulation Interface). Avanti ermöglicht eine automatisierte und optimale Vorgehensweise bei der Dimensionierung unter Berücksichtigung verschiedener Steuerungsalgorithmen. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Toolkette ist dabei die Einbindung einer in VHDL-AMS entwickelten und verifizierten Modellbibliothek für die Bordnetzkomponenten.Within the next few years, the automotive industry will be confronted with many challenges, as for example stricter emission standards and increasing oil prices. To meet the challenges, alternative drive concepts are currently being developed and placed in the market. To ensure a secure and efficient operation of the electric components, the introduction of an integrated energy management is required. It comprises all planning, controlling and predictive measures. The first part of this dissertation presents a new system concept, which can make an online prognosis of expected driving situations, such as speed and altitude profiles by means of internal vehicle information during an operating cycle. Based on this the control strategy can calculate the future power requirement of the vehicle and initiate control commands to enable a more efficient driving. The basis of this system concept is the recognition of routes with characteristic steering angle information and the creation of a history database for the routes driven with the respective vehicle speeds and altitudes. On the basis of an extensive analysis of the vehicle's electrical system in the second part of the dissertation, different effects on the development process for dimensioning the electrical system power supply are discussed. From this follows the necessity to develop a tool chain based on simulations. The tool chain consists of commercial simulation tools and the software Avanti (Advanced Analysis Tool and Simulation Interface) which is developed within the scope of the dissertation. Avanti enables an automated and optimal procedure when dimensioning the vehicle's electrical system in consideration of different control algorithms. A substantial part of this tool chain is the integration of a verified VHDL-AMS model library for the electrical system components

Transformation von Multiphysics-Modellen in einen FPGA-Entwurf für den echtzeitfähigen HiL-Test eingebetteter Systeme

Mit der vorliegenden Arbeit wird eine durchgängige Werkzeugkette von der Modellbildung physikalischer Simulationen bis zur Entwurfsautomatisierung für FPGA-basierte Echtzeitsimulationen etabliert. Modelica wurde als vielseitige, intuitive und objektorientierte Sprache zur Modellbildung ausgewählt. Die entwickelte Werkzeugkette nutzt Methoden der High-Level-Synthese, um einen Entwurf in VHDL zu generieren. Dabei können sowohl Entwürfe in Fließkomma-, als auch Festkomma-Arithmetik erzeugt werden

Integrierte modell- und simulationsbasierte Entwicklung zur dynamischen Bewertung automobiler Elektrik/Elektronik-Architekturen

Die Automobilbranche befindet sich seit einigen Jahren im Wandel. Trends wie autonomes Fahren, Konnektivität, smarte Mobilität sowie die Elektrifizierung führen zu einer drastischen Erhöhung der Fahrzeugkomplexität. Diese Komplexität muss durch die zugrunde liegende Elektrik/Elektronik-Architektur (E/E-Architektur) beherrscht werden und ruft unmittelbare neue Herausforderungen an den Entwicklungsprozess hervor. Design-Entscheidungen der E/E-Architektur haben maßgeblichen Einfluss auf das Verhalten von Fahrzeugfunktionen und umgekehrt. Daher müssen sie möglichst frühzeitig analysiert und evaluiert werden, um kostspielige Fehlerkorrekturen in späten Entwicklungsphasen zu minimieren. Eine frühzeitige Einbindung von Simulationsmethoden ist dabei zentral. Die modellbasierte Architekturentwicklung und Simulation sind jedoch weitestgehend getrennt voneinander laufende Prozesse. Dies erschwert eine effiziente Analyse sowie Bewertung der bidirektionalen Abhängigkeiten zwischen Architektur und Verhalten. Um diese Schwächen zu adressieren, wird in dieser Arbeit eine integrierte Methodik zur modell- und simulationsbasierten Entwicklung von E/E-Architekturen vorgestellt, die sich in drei Teile gliedert. Es werden zunächst neue Methoden zur architekturzentrierten Verhaltensmodellierung eingeführt. Eine nachfolgende Synthese generiert daraus ein Simulationsmodell, welches automatisiert mehrere Abstraktionsebenen der E/E-Architektur miteinander verknüpft und so zu einer ganzheitlichen Betrachtung beiträgt. Mithilfe des integrierten Ansatzes wird zusätzlich ein Konzept entwickelt, das es gestattet, mehrere Architekturvarianten automatisiert bzgl. statischen und dynamischen Metriken gegenüberzustellen. Die Konzepte werden in das in der Automobilindustrie etablierte E/E-Architekturwerkzeug PREEvision® integriert, umgesetzt und anhand mehrerer Anwendungsfälle evaluiert

SoCRocket - A flexible and extensible Virtual Platform for the development of robust Embedded Systems

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Erhöhung des Abstraktionsniveaus im Entwurfsprozess, speziell dem Entwurf von Systemen auf Basis von Virtuellen Plattformen (VPs), Transaction-Level-Modellierung (TLM) und SystemC. Es wird eine ganzheitliche Methode vorgestellt, mit der komplexe eingebettete Systeme effizient modelliert werden können. Ergebnis ist eine der RTL-Synthese nahezu gleichgestellte Genauigkeit bei wesentlich höherer Flexibilität und Simulationsgeschwindigkeit. Das SoCRocket-System orientiert sich dazu an existierenden Standards und stellt Methoden zu deren effizientem Einsatz zur Verbesserung von Simulationsgeschwindigkeit und Simulationsgenauigkeit vor. So wird unter anderem gezeigt, wie moderne Multi-Kanal-Protokolle mit Split-Transfers durch Ausgleich des Intertransaktions-Timings ohne die Einführung zusätzlicher Protokollphasen zeitlich genau modelliert werden können. Standardisierungslücken in den Bereichen Speichermodellierung und Systemkonfiguration werden durch standardoffene Lösungen geschlossen. Darüber hinaus wird neue Infrastruktur zur Modellierung von Signalkommunikation auf Transaktionsebene, der Verifikation von Komponenten und der Modellierung des Energieverbrauchs vorgestellt. Zur Demonstration wurden die Kernkomponenten einer im europäischen Raumfahrtsektor maßgeblichen Hardwarebibliothek modelliert. Alle Komponenten wurden zunächst in Unit-Tests verifiziert und anschließend in einem Systemprototypen integriert. Zur Verifikation der Funktion, sowie Bestimmung von Simulationsgeschwindigkeit und zeitlicher Genauigkeit, wurde dieser für unterschiedliche Abstraktionsstufen konfiguriert und mit einem in VHDL beschriebenen RISC-Referenzentwurf (LEON3MP) verglichen. Das System mit losem Timing (LT) und blockierender Kommunikation ist im Durchschnitt 561-mal schneller als die RTL-Referenz und weist eine durchschnittliche Timing-Abweichung von 7,04% auf. Das System mit näherungsweise akkuratem Timing (AT) und nicht-blockierender Kommunikation ist 335-mal schneller. Die durchschnittliche Timing-Abweichung beträgt hier nur noch 3,03%, was einer Standardabweichung von 0.033 und damit einer sehr hohen statistischen Sicherheit entspricht. Die verschiedenen Abstraktionsniveaus können zur Realisierung mehrstufiger Architekturexplorationen eingesetzt werden. Dies wird am Beispiel einer hyperspektralen Bildkompression verdeutlicht.The focus of this work is raising the abstraction level in the development process, especially for the design of systems based on Virtual Platforms (VPs), Transaction Level Modeling (TLM), and SystemC. A holistic method for efficient modeling of complex embedded systems is presented. Results are accuracies close to RTL synthesis but at much higher flexibility, and simulation performance. The SoCRocket system integrates existing standards and introduces new methods for improvement of simulation performance and accuracy. It is shown, amongst others, how modern multi-channel protocols with split transfers can be accurately modeled by compensating inter-transaction timing without introducing additional protocol phases. Standardization gaps in the area of memory modeling and system configuration are closed by standard-open solutions. Furthermore, new infrastructure for modeling signal communication on transaction level, verification of components, and estimating power consumption are presented. All components have been verified in unit tests and were subsequently integrated in a system prototype. For functional verification, as well as measurement of simulation performance and accuracy, the prototype was configured for different abstractions and compared to a VHDL-based RISC reference design (LEON3MP). The loosely-timed platform prototype with blocking communication (LT) is in average 561 times faster than the RTL reference and shows an average timing deviation of 7,04%. The approximately-timed system (AT) with non-blocking communication is 335 times faster. Here, the timing deviation is only 3,03 %, corresponding to a standard deviation of 0.033, proving a very high statistic certainty. The system’s various abstraction levels can be exploited by a multi-stage architecture exploration. This is demonstrated by the example of a hyperspectral image compression

Parallele und kooperative Simulation für eingebettete Multiprozessorsysteme

Die Entwicklung von eingebetteten Systemen wird durch die stetig steigende Anzahl und Integrationsdichte neuer Funktionen in Kombination mit einem erhöhten Interaktionsgrad zunehmend zur Herausforderung. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Arbeit Methoden zur SystemC-basierten parallelen Simulation von Multiprozessorsystemen auf Manycore Architekturen sowie zur Verbesserung der Interoperabilität zwischen heterogenen Simulationswerkzeugen entwickelt, experimentell untersucht und bewertet