Embedded-Hardware- Plattform im Praxiseinsatz Single-Board RIO in der Medizin- und Brandschutztechnik

Bis zu einem Drittel der jährlich über 600.000 Frühgeburten in den Vereinigten Staaten haben Probleme bei der Nahrungsaufnahme, da ihr Gehirn Saugen, Schlucken und Atmen noch nicht richtig koordinieren kann. Frühchen verbringen oft Wochen, manchmal sogar Monate, angeschlossen an Schläuche, die sie künstlich ernähren und mit Masken, die sie beim Atmen unterstützen. Dadurch können sie in dieser wichtigen Phase der Entwicklung ihres Gehirns das Saugen nicht lernen. KC BioMediX, ein junges Unternehmen in der Medizintechnik aus Shawnee, Kansas, entwickelte ein Produkt namens NTrainer System, um Frühgeborenen die Nahrungsaufnahme beizubringen und damit ihre Überlebenschancen zu erhöhen. Bei dem Gerät handelt es sich im Wesentlichen um einen computergesteuerten Schnuller. Das im Mund befindliche Ende wird durch sanfte Luftströme zum Pulsieren gebracht. Ärzte oder Schwestern können mit dem Gerät die Fähigkeiten des Babys zur Nahrungsaufnahme viel genauer beurteilen und dann eine Therapie beginnen, damit das Baby das Saugen lernt. Forschungen haben ergeben, dass die Therapie mit dem NTrainer System das Gehirn von Frühchen trainiert. Damit lernen sie schneller, ohne künstliche Ernährung auszukommen, wodurch sich ihre Überlebenschancen erhöhen. Die Geschäfts- führer des Unternehmens und die Wissenschaftler, die die Technologie entwickelt haben, bezeichnen sie als erhebliche Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Methode, bei der der Saugreflex des Babys einfach mit dem Finger stimuliert wird. \“Mit LabView und CompactRIO von National Instruments konnten wir unsere Entwicklungskosten um 250.000US-$ senken und die Entwicklungszeit von vier Monaten auf vier Wochen verkürzen. Wir mussten dabei keinerlei anwenderdefinierte Steuersoftware und passende Treiber entwickeln\“, so Dave Stalling, Chief Technical Officer, KC BioMediX Inc. Entwicklung des NTrainer-Systems Der Designprozess bei KC BioMediX begann mit einer anwenderdefinierten Embedded-Lösung. Daran beteiligt war außerdem ein Unternehmen, das die Methode vermarktete. Als sich herausstellte, dass die Kosten zu hoch waren, wurde entschieden, die Entwicklung intern durchzuführen. In nur drei Wochen führte der leitende Softwareingenieur mit der grafischen Entwicklungssoftware NI-LabView und der Hardware NI CompactRIO eine Machbarkeitsstudie durch, die bewies, dass CompactRIO die anwender- definierte Embedded-Lösung ersetzen konnte. Die Softwarearchitektur wurde mit den Modulen LabView Real-Time, LabView FPGA und LabView Statechart entwickelt. Bei den ersten Geräten, die auf den Markt kamen, wurden die Systeme mit CompactRIO implementiert. Für die Se­rienproduktion wird das Gerät mit NI Single-Board RIO (s. Kasten) noch kosteneffizienter produziert, während die Investitionen in die Softwareentwicklung vollständig gewahrt bleiben. Ein weiteres Beispiel für den Einsatz von Single- Board-RIO findet sich in einem gänzlich anderen Bereich. Die Hardwareplattform wurde im Hauptsteuer- system in der Brandbekämpfungsanwendung eingesetzt, die Ventura Aerospace für FedEx Express erstellt hat. In jedem Flugzeug befinden sich zwei Geräte, die NI Single-Board RIO verwenden: die Brandschutzeinheit und der Brandschutz-Hub. Architektur des Brandschutzsystems Die Brandschutzeinheit enthält ein NI Single-Board RIO und eine kundenspezifische Tochterplatine. Sie liest Temperaturen von 16 Infrarotsensoren ein, verarbeitet diese Daten und zeichnet sie auf. In einem Frachtflugzeug befinden sich zahlreiche Frachtcontainer. In einem Flugzeug des Typs MD-11 gibt es beispielsweise 14 Reihen Container, wobei für jede Reihe eine Brandschutzeinheit zur Verfügung steht. Mit dem Brandschutz-Hub und den 14 Brandschutzeinheiten werden also in einer MD-11 insgesamt 15 NI-Single-Board-RIO-Geräte eingesetzt. Brandschutzeinheiten und -Hubs sind so konzipiert, dass sie unabhängig vom jeweiligen Flugzeug und Standort sind. Sie wurden von Anfang an so erstellt, dass sie in jedem beliebigen Flugzeugtyp eingesetzt werden können. Mit LabView wurden sowohl Brandschutzeinheit als auch -Hub intelligent programmiert, sodass nach der Installation Flugzeugtyp und Position automatisch erkannt werden. So sind Austauschbarkeit und Funktionstüchtigkeit in jedem Flugzeug gewährleistet. Das System läuft vollkommen autonom und unabhängig von Benutzereingaben. Jede Einheit überwacht kontinuierlich den eigenen Zustand. Darüber hinaus ist das System auch fehlertolerant. Auch wenn es zu einem Brand kommt oder ein Fehler auftritt, funktioniert es weiterhin so gut wie irgend möglich. Nach jedem Flug sendet das System eine Fehlerbenachrichtigung, einschließlich der Position, an welcher der Fehler auftrat. All dies ist aufgrund der Zuverlässigkeit des Echtzeit- prozessors, des Field-Programmable Gate Arrays (FPGA) und der I/O an den rekonfigurierbaren I/O-Hardwareprodukten von NI sowie der Flexibilität von LabView möglich. Das System überwacht die Temperatur und steuert das Brandschutzsystem, das Löschschaum in einen Container spritzt, in dem ein Feuer erkannt wird. Rapid Prototyping mit CompactRIO und LabView Die zügige Markteinführung einer zuverlässigen Lösung stand bei diesem Projekt im Vordergrund. Dank der RIO-Technologie konnte mit LabView und CompactRIO zügig ein Prototyp des Systems für FedEx entwickelt und die fertig implementierte Lösung mittels NI Single-Board RIO erstellt werden – das alles in weniger als einem Jahr. Dabei kamen grafische Werkzeuge in LabView zusammen mit CompactRIO sowie analogen und digitalen Modulen der C-Serie von NI zum Einsatz. Obwohl CompactRIO und das LabView FPGA Module hier zum ersten Mal verwendet wurden, konnte der funktionierende Prototyp dank der kurzen Einarbeitungszeit in LabView FPGA in nur drei Monaten fertiggestellt werden. Schnelle Implementierung dank Single-Board RIO Wegen der kompakten Größe und dem günstigen Preis-Leistungs-Verhältnis von NI Single-Board RIO wurde entschieden, für die endgültige Lösung ein Gerät des Typs NI sbRIO-9612 zu verwenden. Es enthält einen integrierten Echtzeitprozessor, einen rekonfigurierbaren FPGA sowie Analog- und Digital-I/O. Die Steuer- und Regelalgorithmen wurden zusammen mit dem Netzwerk und der Datenprotokollierung der Anwendung auf dem Echtzeitprozessor implementiert. Die integrierten Analogeingänge des sbRIO-9612 wurden mittels anwenderdefinierter Signalkonditionierung mit den Infrarotsensoren verbunden. Der Übergang von der Prototypenerstellung zur Implementierung ging nahtlos vonstatten, da CompactRIO und NI Single-Board RIO über eine gemeinsame Hardware- architektur verfügen. Die Erstellung der endgültigen implementierten Lösung verlief unproblematisch, weil der LabView-Programmcode des Prototypen fast ohne Änderungen wiederverwendet werden konnte. Die Tatsache, dass NI Hard- und Software bereitstellt, mit der sich Embedded-Systeme schnell prototypisieren und implementieren lassen, war von großer Bedeutung für dieses Projekt. Die knappen Fristen hätten ohne die NI-Werkzeuge mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht eingehalten werden können. Kasten 1: Hardwareplattform für den Serieneinsatz von Embedded-Anwendungen Das kürzlich von National Instruments auf den Markt gebrachte NI Single-Board RIO gibt Ingenieuren und Wissenschaftlern eine kostengünstige, integrierte Hardwareplattform für den Serieneinsatz von Embedded-Anwendungen im Bereich Steuerung, Regelung und Datenerfassung an die Hand. Die acht neuen sbRIO-96xx-Geräte vereinen einen echtzeitfähigen Embedded-Prozessor, einen rekonfigurierbaren FPGA (Field-Programmable Gate Array) sowie Analog- und Digital-I/O auf einer einzigen Leiterplatte. Dadurch eignen sie sich besonders für Anwendungen, bei denen Flexibilität, hohe Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit auf geringen Abmessungen eine besondere Rolle spielen. Anwender können die grafische Systemdesignplattform NI LabView einsetzen, um Single-Board-RIO-Hardware von NI individuell anzupassen, alle Aspekte ihrer Embedded-Systeme zu entwickeln und damit mehr Produktivität und kürzere Markteinführungszeiten zu erreichen. Geräte des Typs NI Single-Board RIO umfassen einen für den Industrieeinsatz geeigneten Freescale-MPC5200-Prozessor mit 266 oder 400MHz, der auf der Power-Architecture-Technologie beruht, außerdem das Echtzeitbetriebssystem Wind River VxWorks und den Xilinx-Spartan-3-FPGA. Die integrierten Analog- und Digital-I/O-Kanäle sind direkt mit dem FPGA verbunden und ermöglichen somit eine Low-Level-Anpassung von Timing- und I/O-Signalverarbeitungsfunktionen. Anwender können auch die I/O-Funktionen mithilfe der drei Erweiterungssteckplätze ausweiten, an die sich alle I/O-Module der C-Serie von NI oder anwenderdefinierte Module anbinden lassen. Es stehen mehr als 40 Module der C-Serie für Kommunikation und I/O zur Verfügung wie z.B. Beschleunigung, Temperatur, Netzqualität, CAN und Motorsteuerung. Überdies bieten die Geräte eine Betriebstemperatur von -20 bis 55°C für den Einsatz in rauen Umgebungen sowie einen integrierten Spannungseingangsbereich von 19 bis 30VDC und einen Echtzeittakt mit Pufferbatterie für mehr Zuverlässigkeit. Alle Produkte des Typs NI Single-Board RIO entsprechen der EU-Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe und stehen für das Engagement von NI, bei seinen Produkten zum Schutz der Umwelt auf den Einsatz bestimmter gefährlicher Stoffe zu verzichten. Halle 10 Stand 221