Zertifizierbarer Entwicklungsprozess für komplexe Informationsverarbeitungssysteme in der Wägetechnik

The dissertation is about principles, methods and techniques during the systematic development of embedded systems in the domain of measurement techniques. The considered domain contains fields of application with challenging and specific requirements of the information processing system. E.g. the dynamic weighing systems need solutions with very high resolution and lowest achievable measurement uncertainty in order to perform high-speed-measurements in a mechanically disturbed environment. In particular, the abilities for official calibration and metrologic reliability are considered. The complex and high-performance functions are required to guarantee measurement results. FPGA-based systems are used for the implementation of these functions.The especially designed certifiable development process (ZEfIRA) provides a procedural method for the development of complex embedded systems. The metrologic reliability, the legal requirements like calibratability, the validation and the verification are included as a general criteria in the entire development process. ZEfIRA is based on the 3W-model and is designed in an evolutionary manner. This process starts with the analysis of a predecessor system followed by the model-based development of a prototype, which leads into an optimized and application-specific product solution.The study emphasizes the influence of challenging requirements on the measurement system. It will be presented, how these can be integrated into the modelling level during the design and the implementation on a FPGA-based target platform. The stages of the functional and technical design of the system are analysed, whereas the realization of the partitions “FPGA logic” and “FPGA softcore solutions” are discussed in detail.Based on the preliminary design of the information processing in an electromagnetic force compensation (EMC) scale, the applicability of the process ZEfIRA and its developed methods and principles are proved. On the one hand, the optimal system-specific algorithms of signal processing, control and safety and on the other hand whose technical implementation are essential. This was realized with different performance parameters. In addition, the prototype allows the possible comprehensive analysis for embedding system. In the conclusion, the performance of ZEfIRA based on the prototype development is evaluated.Die Dissertation befasst sich mit Prinzipien, Methoden und Techniken der systematischen Entwicklung von komplexen Eingebetteten Systemen. Die betrachtete Domäne besitzt Anwendungsbereiche mit anspruchsvollen und besonderen Anforderungen an die Informationsverarbeitung. In der dynamischen Wägetechnik sind z.B. Lösungen mit sehr hohen Auflösungen und kleiner Messunsicherheit bei schnellen Messungen in einem mechanisch gestörten Umfeld notwendig. Die Anforderungen an die Eichfähigkeit und die Metrologische Sicherheit sind Besonderheiten. Es werden komplexe und hochleistungsfähige Funktionen zur Erzeugung der Messergebnisse verlangt. In der Arbeit werden dafür vorwiegend FPGA-basierte Eingebettete Systeme verwendet. Der entworfene zertifizierbare Prozess (ZEfIRA) bietet eine Vorgehensweise für die Entwicklung von Eingebetteten Systemen. Die Metrologische Sicherheit, die Eichfähigkeit, die Validier- und der Verifizierbarkeit werden als Kriterien im gesamten Entwurfsprozess berücksichtigt. ZEfIRA basiert auf einem 3W-Modell und ist evolutionär angelegt. Innerhalb des Prozesses werden die Analyse eines eventuellen Vorläufersystems sowie die modellbasierte prototypische Entwicklung bis hin zu einer produzierbaren Lösung (Produkt) durchgeführt. Die Arbeit verdeutlicht den großen Einfluss der spezifischen Anforderungen an das Messsystem. Es wird gezeigt, wie diese bereits zu der Entwurfszeit auf Modellebene und im Weiteren bei der Implementierung in einer FPGA-basierten Zielplattform berücksichtigt werden. Es werden verschiedene Schritte des funktionalen und technischen Systementwurfs untersucht und ausführlich die Realisierungspartitionen „FPGA-Logik“ und „FPGA-Softcore-Lösungen“ betrachtet. Als Beispiel zum Nachweis der Anwendbarkeit des Prozesses ZEfIRA dient die prototypische Entwicklung des Informationsverarbeitungssystems einer elektromagnetischen Kraftkompensationswaage (EMKW). Ausschlaggebend sind die optimal an das Gesamtsystem angepassten Signalverarbeitungs-, Regelungs- und Sicherheitsalgorithmen und deren technische Umsetzung. Dieses wurde mit verschiedenen Leistungsparametern, wie z.B. Latenz, Verarbeitungskomplexität und Genauigkeit realisiert. Ergänzend ermöglicht der Prototyp umfassende Analysemöglichkeiten für das Messsystem. Die abschließende Wertung ist eine Abschätzung der Leistungsfähigkeit von ZEfIRA auf Basis dieser prototypischen Entwicklung

Algorithmen, Architekturen und Technologie der optoelektronischen Rechentechnik

Der Einsatz optischer Verbindungen in der Rechentechnik verspricht viele der heute bei der Kommunikation zwischen Leiterplatten und zwischen integrierten Schaltkreisen auftretende Engpässe zu lösen. Optische Verbindungen moderaler Parallelität (10-20 Kanäle) zwischen Baugruppen sind, wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, mittlerweile technisch machbar. Die effiziente Nutzung optischer Verbindungen im Bereich chip-to-chip zum Aufbau eines 3-dimensionalen optoelektronischen VLSI (3-D O E-VLSI) erfordert dagegen wesentlich stärkere Eingriffe in die Architektur derzeitiger VLSI-Systeme. Aufgabe der Informatik ist einerseits die Entwicklung geeigneter Architekturen und zugehöriger Algorithmen und andererseits der Nachweis der hardwaretechnischen Machbarkeit der entwickelten Architekturkonzepte. In der Arbeit werden eine Reihe von Architekturvorschlägen unterbreitet, die weitgehend bis auf die Hardwareebene spezifiziert sind und teilweise in ersten Demonstrator- und Testschaltkreisen realisiert wurden. Dies betrifft ein superskalares aus Superpipelinestufen aufgebautes optoelektronisches 3-D Rechenwerk für Ganzzahlarithmetik, einen binären neuronalen Assoziativspeicher, figurierbare Hardwarestrukturen, eine 3-D Architektur für alle Prozessoren, systolische Addierer und ein Architekturkonzept für einen digitalen optoelektronischen Bildverarbeitungsprozessor. Durch theoretische Vergleiche wird der Nachweis erbracht, daß für die genannten Architekturen durch den Einsatz eines hochdichten optischen Verbindungssystems Steigerungen der Durchsatzrate von 1-3 Größenordnungen gegenüber rein-elektronischen Systemen möglich sind. Für den Assoziativspeicher, die rekonfigurierbare Hardware und das 3-D Rechenwerk für Ganzzahlarithmetik wurden erste einfache OE-VLSI-Schaltkreise auf der Basis optischer Modulatoren und PN-Detektoren realisiert. Da der Entwurf solcher Systeme neue rechnergestützte Entwurfssysteme erfordert, werden ferner die im Rahmen der Arbeit durchgeführten Entwicklungen für ein Simulations- und Synthesewerkzeug für 3-D OE-VLSI-Systeme dargestellt

Engineering wissensbasierter Navigation und Steuerung autonom-mobiler Systeme

Die autonome Steuerung mobiler, technischer Systeme in nicht exakt vorherbestimmbaren Situationen erfordert Methoden der autonomen Entscheidungsfindung, um ein planvolles, zielgerichtetes Agieren und Reagieren unter Echtzeitbedingungen realisieren zu können. Während mittels mathematischer Formeln Basisverhalten, wie beispielsweise in einer Geradeausbewegung, einer Drehung, bei einem Abbremsen, und in Gefahrenmomenten schnelle Reaktionen, berechnet werden, benötigt man auf der anderen Seite ein Regelsystem, um darüber hinaus "intelligentes", d.h. situationsangepaßtes Verhalten zu produzieren und gleichzeitig im Hinblick auf ein Missionsziel planvoll agieren zu können. Derartige Regelsysteme müssen sich auf einer abstrakten Ebene formulieren lassen, sollen sie vom Menschen problemlos entwickelbar, leicht modifizierbarund gut verifizierbar bleiben. Eine aufgrund ihres Konzeptes geeignete Programmierwelt ist die Logikprogrammierung. Ziel der Logikprogrammierung ist es weniger, Arbeitsabläufe zu beschreiben, als vielmehr Wissen in Form von Fakten zu spezifizieren und mit Hilfe von Regeln Schlußfolgerungen aus diesen Fakten ziehen zu können. Die klassische Logikprogrammierung ist jedoch aufgrund ihres Auswertungsmechanismus der SLD-Resolution (linear resolution with selected function for definite clauses) zu langsam für die Anwendung bei Echtzeitsystemen. Auch parallele Sprachformen, die ebenfalls mit SLD-Resolution arbeiten, erreichen beim Einsatz auf (von Neumann-) Mehrprozessorsystemen bislang nicht die notwendige Effizienz. Das Anwendungsgebiet der deduktiven Datenbanken hat im Vergleich dazu durch Bottom-Up Techniken einen anderen Auswertungsansatz mit deutlich höherer Effizienz geliefert. Viele dort auftretenden Probleme können jedoch nur durch die Integration anforderungsgetriebener Abarbeitung gelöst werden. Auf der anderen Seite stellen Datenflußrechnerarchitekturen aufgrund der automatisierten Ausbeutung feinkörniger Parallelität einen hervorragenden Ansatz der Parallelverarbeitung dar. Bei Datenflußrechnerarchitekturen handelt es sich um (Mehrprozessor-) Systeme, deren datengetriebener Abarbeitungsmechanismus sich grundlegend vom weit verbreiteten kontrollflußgesteuerten von Neumann-Prinzip unterscheidet.Überlegungen zur Struktur von Steuerungssystemen werden ergeben, daß es mittels Ansätzen aus dem Gebiet der deduktiven Datenbanken möglich ist, ein für diese Aufgabenstellung neuartiges, ausschließlich datengetriebenes Auswertungsmodell zu generieren. Dabei vermeidet es Probleme, die bei Bottom-Up Verfahren auftreten können, wie z.B. das Auftreten unendlicher Wertemengen und die späte Einschränkung auf relevante Werte, ohne gleichzeitig die Stratifizierung von Programmen zu gefährden. Ergebnis der Arbeit ist eine anwendungsbezogene, problemorientierte Entwicklungsumgebung, die einerseits die Entwicklung und Verifikation der Spezifikation mit existierenden Werkzeugen erlaubt und andererseits die effiziente, parallele Ausführung auf geeigneten Rechensystemen ermöglicht. Zusätzlich wird die Voraussetzung geschaffen, verschiedene weitere, für die Steuerung autonomer Systeme unverzichtbare Komponenten in das Abarbeitungsmodell zu integrieren. Simulationsergebnisse werden belegen, daß das vorgestellte Berechnungsmodell bezüglich realer Anwendungsbeispiele bereits in einer Monoprozessorversion Echtzeitbedingungen genügt. Damit ist die Voraussetzung für die Ausführung zukünftiger, weitaus komplexerer Steuerungsprobleme, ggf. auf Mehrprozessorsystemen, in Echtzeit geschaffen