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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
Dresdner Transferbrief
Thema der Ausgabe 2(2014): Industrie 4.0
Neue Konzepte für die Produktion von Morgen S. 4/5
Die Fabrik der Zukunft erreicht die KMUs S. 16/17
Kundenorientiert und effizient fertigen... S. 24/25:Industrie 4.0 und die Herausforderungen für Wissenschaftler S. 3, 14, 15, 28/29
Schöne neue Welt in der Cyberfabrik? S. 4/5
Die Fabrik der Zukunft: Visionen und Konzepte S. 6/7
Branchenübergreifend und interdsiziplinär agieren S. 8/9
Horizon 2020 fördert innovative Ansätze S. 10/11
Instandhaltung On-Demand S. 12/13
Das Internet der Dinge durchdringt das industrielle Umfeld S. 16/17
Lernfähige Anlagen – auch für KMUs ein Thema S. 18/19
Unternehmer im Gespräch S. 20/21
Stets im Blick: Qualifi zierte Mitarbeiter und die Kosten S. 22/23
Mit dem Exists-Gründerstipendium auf der Überholspur S. 24/25
Über die Landtechnik von übermorgen S. 26
Wenn Maschinen „selbst“ lernen… S. 27
Auf der Beratungsschiene kompetent unterwegs S. 32, 3
Ein zielsystemidentischer Ansatz für das domänenspezifische Rapid Prototyping in der Informations- und Elektrotechnik
The systematic reuse of experiences and results gained during the development of
production projects is possible by partitioning control system hardware and
software, as well as by introducing appropriate interfaces. Suppliers will be
able to share this yield of hardware and software components for example with
vehicle manufacturers (OEMs). By sharing these components, suppliers will be
able to share their experience and expertise gained through the development of
production proven control systems without compromising their proprietary know-
how. Thus OEMs and system suppliers can engage in efficient simultaneous
component engineering. This approach will enable OEMs to quickly implement
innovations within their own organizations and beat their competitors to the
market.
Furthermore, this reuse of experiences and results from production development
facilitates and accelerates the creation of prototypes that are essentially
identical to the target system and can therefore be readily used in the original
environment. The development effort can thus be focused on new concepts and
components, which in turn will enable a much earlier evaluation of feasibility
and acceptance. Thus duplication and parallel development can be reduced to a
minimum. Compared to traditional approaches, this approach will reduce overall
development time.
By using hardware with reconfigurable logic, rather than static hardware,
modifications and extensions become possible and are easy and fast. Also, in
traditional development, the decision as to where to implement a given function
- in the microcontroller, in the reconfigurable logic or distributed between
both units - has to be made very early, when not all information is available
yet. Embedding the microcontroller in reconfigurable logic, however, lets
developers postpone this decision until very late in development, when it can be
made with much greater confidence.
The functions realized in the reconfigurable logic can be used, for example, as
executable specifications for ASIC (Application-specific Integrated Circuit)
developments. The results obtained during development of the user software can
be reused in the production system without much extra cost, since the user
interface software accesses hardware drivers, service routines and the operating
system via target system identical interfaces.
Consistently using graphic development tools capable of automatic code
generation for prototype and production systems, as well as other tools that can
be used to automate manual, error-prone steps in the development process, will
further reduce development time.
This thesis describes target-identical domain-specific rapid prototyping using a
development ECU for diesel engines as a sample application.In der vorliegenden Arbeit wird ein zielsystemidentischer Ansatz für das domänenspezifische Rapid Prototyping in der Informations- und Elektrotechnik vorgestellt. Dabei wird durch die Partionierung von Serienstrukturen sowohl der Hardware, als auch der Software, in unabhängige Teilkomponenten sowie der Einführung entsprechender Schnittstellen die Wiederverwendung von Erfahrungen aus Serienentwicklungen systematisch ermöglicht. Dadurch können, die bislang den Systemlieferanten vorbehaltenen Erfahrungen aus Serienentwicklungen in gut handhabbarer Form z.B. Fahrzeugherstellern (OEM) für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben zur Verfügung gestellt werden, ohne dass die Systemlieferanten ihr Know-How offen legen müssen. Es wird damit eine effiziente Möglichkeit für das Simultaneous Engineering zwischen OEM und Systemlieferant ermöglicht. Des Weiteren kann mit Hilfe der Wiederverwendung von Erfahrungen aus Serienentwicklungen sehr schnell ein in wesentlichen Punkten mit dem Zielsystem identischer Prototyp erstellt und in der realen Umgebung eingesetzt werden. Der Entwicklungsaufwand kann damit auf neue Konzepte und Komponenten begrenzt und somit eine frühe Aussage über Realisierbarkeit und Akzeptanz getroffen werden. Dadurch lassen sich Doppel- und Parallelentwicklungen auf ein Minimum reduzieren und damit die Entwicklungszeit gegenüber traditionellen Verfahren deutlich verkürzen. Durch den Einsatz rekonfigurierbarer Logik wird es ermöglicht, Änderungen in der normalerweise statischen Hardware vorzunehmen. Zusätzlich kann durch Einbetten des Mikrocontrollers in die rekonfigurierbare Logik die normalerweise sehr früh zu treffende Entscheidung, ob eine Funktion im Mikrocontroller oder in der rekonfigurierbaren Logik realisiert werden soll, noch in sehr fortgeschrittenen Entwicklungsphasen beeinflusst werden. Die in der rekonfigurierbaren Logik umgesetzten Funktionen können anschließend als ausführbare Spezifikation für ASIC Entwicklungen verwendet werden. Die bei der Entwicklung der Anwendersoftware erzielten Ergebnisse können ohne großen Aufwand im Seriensystem weiterverwendet werden, da die Anwendersoftware nur über mit dem Zielsystem identische Schnittstellen auf Hardwaretreiber, Service Routinen sowie das Betriebssystem zugreift. Durch die Steigerung des Automatisierungsgrades z.B. mit Hilfe der Verwendung von grafischen Entwicklungswerkzeugen mit automatischer Codegenerierung können die Entwicklung beschleunigt, Fehlerquellen reduziert und somit die Qualität verbessert werden. Der in der vorliegenden Arbeit beschriebene zielsystemidentische Ansatz für das domänenspezifische Rapid Prototyping wird am Beispiel eines Entwicklungs-Steuergerätes für Dieselmotoren dargestellt
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