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Pole Position

Skalierbarer Embedded Vision Multi-Core-ARM Rechner

Auf der Pole Position für das Rennen um die höchste Rechenleistung in Maschinen und Geräten steht ein neuer Topfavorit: Acht Kerne, allerneueste CPU-Architektur ARM A72, lüfterlos und mit allen erforderlichen Schnittstellen. Getauft wurde die Visionbox Lemans in Anlehnung an das traditionelle 24-Stunden-Rennen.

Der lüfterlose Embedded-PC Lemans hat acht Kerne, die allerneueste CPU-Architektur ARM A72 und alle erforderlichen Schnittstellen. (Bild: Imago Technologies GmbH)

Der lüfterlose Embedded-PC Lemans hat acht Kerne, die allerneueste CPU-Architektur ARM A72 und alle erforderlichen Schnittstellen. (Bild: Imago Technologies GmbH)

Vision Sensoren und Smart Kameras nutzen heutzutage ARM-basierte Prozessoren mit Linux-Betriebssystem. Dies entspricht dem Trend von Prozessorherstellern, die um einen ARM-Kern herum eigene Funktionalität entwickeln. Multicore-CPUs sind gesetzt, ob nun bei x86, Keystone (Floating Point 8 Core DSP) oder ARM. Dass die ARM-Architektur viel Rechenleistung bei niedrigem Energieverbrauch bereitstellt, kennt jeder aus der Nutzung des eigenen Smartphones oder Tablets. Nicht ganz so bekannt ist, dass heutige Supercomputer ebenso skalierbare ARM-Prozessoren nutzen. Somit war es naheliegend, Hochleistungs-ARM-CPUs auch für anspruchsvolle Bildverarbeitungsanwendungen einzusetzen.

Herausforderungen

Allerdings gibt es für Serienmaschinen einige Herausforderungen: Sogar Embedded-x86-CPUs sind nicht ewig lieferbar. Langzeitverfügbarkeit bedeutet dort fünf bis maximal sieben Jahre, häufig zu kurz für die Maschinenbauer. Bei anspruchsvollen Anwendungen werden als ´’Rechenknechte’´ FPGAs, GPUs oder DSPs eingesetzt. Hierzu benötigt man allerdings mehr Fachwissen, bzw. ein zweites Entwicklungsteam. Open CL Unterstützung könnte hilfreich sein, hat CUDA eine Zukunft, wie sehen die neusten DSP-Kerne aus? Fragen über Fragen und die Zeit drängt, denn neue Visionsysteme sollen in kurzer Zeit entwickelt sein. Die Lösung: Auf CPUs setzen und sich überlegen, ob diese Rechner nicht auch skalierbar eingesetzt werden könnten. Der Vorteil: Eigener C++ Code, OpenCV oder Embedded Halcon funktionieren auch dort und die Entwicklungsumgebungen aus der PC-Welt sind bekannt: Visual Studio, ebenso die Debugging-Methoden. Der neuesten Generationen von Ingenieuren ist mittlerweile auch Linux bestens bekannt (Stichwort: Rasberry mit PI, Erfahrungen mit IoT). Ein Vision-PC rechnet nicht nur, er bedient auch zunehmend immer mehr Schnittstellen: Kameras senden nicht nur ihre Daten über diese, sondern werden über das gleiche Kabel auf Mikrosekunden genau getriggert (Trigger-over-Ethernet) und mit Strom versorgt (Power-over-Camera-Link). Die Beleuchtung wird auf die Kamera synchronisiert und stromgeregelt und das idealerweise für jeden Blitz individuell. Drehgeberanschlüsse, digitale Ein-/Ausgänge und Feldbusse kommunizieren mit anderen Maschinenkomponenten, teilweise sogar schon ohne zentrale SPS. Alle diese Funktionen sind heute Bestandteil eines Rechners im Sinne eines Industrial Embedded Vision bzw. Automation Computers.

8-Kernprozessor mit 2GHz

Bei der Visionbox Lemans kommt das neueste Flaggschiff des Prozessorherstellers NXP (ehemals Freescale) zum Einsatz: A72 ist die neueste ARM-Architektur und als 8-Kernprozessor mit 2GHz für einen 24/7-Betrieb ausgelegt. Mit zehn Jahren Lieferfähigkeit können langfristig verfügbare Systeme umgesetzt werden. Ausgestattet mit zwei 10GBit/s-Schnittstellen ist sowohl der Anschluss allerneuester Highspeedkameras (AIT, Emergent…) als auch die Rechner-Rechner-Kommunikation gewährleistet. Über den PCIe-Bus werden Framegrabber, I/O-Schnittstellen und Feldbus angeschlossen. Hat man höhere Anforderungen an die Rechenleistung so wird eine zweite Box via 10GBit/s Ethernet angeschlossen, z.B. als Kompaktversion ohne PCIe-Slots. Hier werden die Prinzipien aus Supercomputern umgesetzt, bei denen häufig auch nur skalierbare CPU-Rechenleistung vernetzt wird. Für Multikamerasysteme gibt es vier Anschlüsse je PCIe-Karte für GigE-Vision-Kameras bzw. zwei Anschlüsse je PCIe-Karte für Camera Link.

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