Connectivity Comes to the Building

The accelerating digitalization of enterprises and public infrastructure relies on an ever-growing number of networked devices. Information Technology (IT) and Operational Technology (OT) devices alike must provide sufficient digital interfaces to exchange data with one another and via the cloud. This applies across industries including industrial automation, automotive, transportation, logistics, and medical technology — and connectivity is now making strong inroads in building technology as well.

In elevator control systems in particular, digital elements such as modern Human Machine Interfaces (HMIs) for user interaction are playing an increasingly prominent role. They deliver comfort features such as voice input and enable predictive maintenance of elevators, increasingly powered by artificial intelligence (AI).

As a result, OT devices like elevator controllers are evolving away from conventional technology and toward safety-critical, networked infrastructure. With more digital components comes greater demand on the technology deployed — especially the embedded modules that form the heart of every controller.

The Elevator as a „Vertical Software-Defined Vehicle“

Driven by growing connectivity, elevators face a challenge very similar to the one the automotive industry confronted about five years ago: many individual control units each fulfill their specific function, but prevent a holistic, scalable system architecture. The challenges range from integrating functional additions such as touch HMIs and managing differing innovation cycles across components, to increasing networking demands for smart-building features and fleet management. Compounding the problem, multiple suppliers independently evolve components such as drives or HMIs, leading to a fragmented landscape of heterogeneous devices. Developers must consolidate this sprawl and integrate it into a unified control architecture.

Passenger elevators today, however, operate at the intersection of two fundamentally different worlds: the dynamic IT world and the strictly regulated OT world. While IT typically operates fast, data-driven, and connected — with frequent software updates — OT operates deterministically and is driven by safety standards and norms, governing systems such as emergency braking and safety catches. This creates a collision between short innovation cycles demanding high compute performance and hard real-time requirements with deterministic behavior. Attempting to merge both worlds on a monolithic architecture almost invariably leads to serious problems — problems that can have severe consequences in safety-critical situations. It is therefore strongly advisable to separate the IT and OT domains at the hardware level.

Rather than relying on many individual function-specific control units, a unified architecture instead deploys powerful zone and domain controllers to aggregate functions within clearly defined system areas. In a classical elevator controller, for example, separate controllers can be established for drive and braking, HMI and display, and communications and diagnostics. Zone and domain controllers each consolidate individual functions into logical building blocks while maintaining strict separation between the IT and OT worlds.

The Architecture Gap: The Mixed-Criticality Problem

In monolithic control structures, safety-critical OT functions collide with IT-adjacent functions such as HMI and cloud connectivity. For example, a routine software update can inadvertently disable essential safety functions. Moreover, monolithic architectures are difficult to scale to varying market requirements, and maintenance, fault diagnosis, and update deployment all demand significant effort. For these reasons, monolithic structures are no longer adequate for modern passenger elevator controllers.

Classical Programmable Logic Controllers (PLCs), microcontrollers (MCUs), or pure industrial PCs are constrained in their AI compute capacity, often lack support for modern software stacks, and cannot scale sufficiently. Industrial PCs, moreover, lack adequate real-time capability and certification, and present a large attack surface for cyber threats.

Developers should therefore adopt a heterogeneous computing approach, integrating two specialized compute domains that together support both the IT and OT worlds. A so-called Safety Domain handles all safety-critical functions — emergency braking, door monitoring, speed control, and fault detection — while an Application Domain manages visualization, cloud and building connectivity, data analytics, and diagnostic functions. The critical principle is to physically separate the two domains while allowing them to communicate with one another.

Figure 2. The integrated Arm Mali-G310 2D/3D GPU, with OpenGL and Vulkan support, handles the HMI’s graphics and ensures that the display and control elements are rendered correctly. In addition, the integrated eIQ Neutron N3-1024S NPU delivers up to 2 TOPS.

This principle is not new — it has been in use for years in industries such as automotive and industrial automation. In the Safety Domain, for instance, automotive-grade MCUs with lockstep cores can be employed. For the Application Domain, developers can leverage SoCs with multicore architectures and AI accelerators.

NXP Gold Partner MicroSys Electronics applies this architectural principle in its System-on-Modules (SoMs), providing a hardware foundation for modern passenger elevator controllers. Customers receive not only the module itself: MicroSys also supports the development of custom carrier boards where required, accelerating integration into the specific control environment. The miriac MPX-i.MX95 SoM, for example, serves as the Application Domain, while the miriac MPX-S32G399A functions as the Safety Domain.

Application Domain: The Interface to the Outside World

Powered by NXP’s integrated i.MX95 processor, the miriac MPX-i.MX95 can process AI workloads at the edge, act as a security gateway, and handle all HMI functions of the elevator (Figure 2). The i.MX95 CPU operates with six Cortex-A55 cores at up to 2 GHz, along with a real-time-capable Arm Cortex-M7 core at 800 MHz and a Cortex-M33 core at up to 333 MHz. Application and communication functions run on the Cortex-A55 cores, while time-critical tasks execute deterministically on the Cortex-M7/M33 cores — a typical partitioning strategy for modern embedded systems.

The integrated Arm Mali-G310 2D/3D GPU with OpenGL and Vulkan support handles HMI graphics, ensuring that display and control elements are rendered correctly. In addition, the integrated eIQ Neutron N3-1024S NPU delivers up to 2 TOPS (Tera Operations per Second), significantly boosting control efficiency. Where AI algorithms previously ran alongside graphics workloads on the GPU, the NPU in the i.MX95 offloads the graphics core and ensures smooth rendering of display elements while simultaneously executing AI tasks at full compute throughput (Figure 2). The NPU leverages connected cameras not only for surveillance but also for analytics such as counting occupants or detecting falls and vandalism.

To ensure smooth data throughput, the module provides 16 GB LPDDR5 memory at up to 6.4 GT/s (Giga-transfers per second), along with an NFC-configurable EEPROM for storing data such as serial numbers or user configuration with up to 16 kB. Connectivity is provided via industrial-grade interfaces including 1× 10 Gigabit Ethernet, USB 2.0/3.0, PCIe, I3C, SPI, UART, and MIPI-CSI. The module measures 82 mm × 35 mm and is rated for the industrial temperature range of −40 to +85 °C. The Arm TrustZone architecture enables the module to function as a security gateway, serving as a firewall toward the cloud and protecting the underlying control system from unauthorized access.

Figure 3. The miriac MPX-S32G399A serves as the safety domain in modern passenger elevator control systems.

Thanks to its extensive video, audio, and camera interfaces, the miriac MPX-i.MX95 is well-suited to managing user communication via HMI — displaying the selected and current floor, as well as additional information such as the time, date, or emergency call functions. Critically, it carries no safety-relevant authority: if the display crashes, the elevator continues to travel to its selected destination and safely delivers its passengers.

Safety Domain: The Bedrock of Reliable Operation

Alongside the miriac MPX-i.MX95 as Application Domain, the miriac MPX-S32G399A serves as the Safety Domain (Figure 3) in elevator controllers. It is responsible for passenger safety and is fully isolated from the Application Domain to prevent mutual interference. The miriac MPX-S32G399A is built around NXP’s S32G399A CPU, featuring eight Arm Cortex-A53 cores together with four Arm Cortex-M7 dual-core lockstep pairs, backed by 4 GB soldered LPDDR4 RAM, 64 MB QSPI Flash, and up to 32 GB eMMC storage.

The CPU employs dedicated Safety Islands rather than pure software-based solutions. In lockstep mode, two parallel cores execute the same task simultaneously; if their results differ by even a single bit, the system immediately detects the error and initiates a safe state (fail-safe) (Figure 4). This allows random hardware faults — such as bit errors — to be detected early; in the event of a fault, the controller can trigger a defined safety response, such as a safe stop or transition to a defined safe state.

The module also provides high-bandwidth communication interfaces including up to 3× 2.5 Gigabit Ethernet or up to 4× 1 Gigabit Ethernet, PCIe, 4 SerDes lanes, and ULPI USB. Extensive I/Os — including 4× FlexSPI, 2× UART, 18× CAN FD, 2× FlexRay, 4× LIN, 4× I2C, and GPIOs — support communication with connected peripherals. The integrated Hardware Security Engine (HSE) provides secure boot and accelerates the security services required by the elevator controller. The module is likewise rated for the extended temperature range of −40 to +85 °C, enabling operation in harsh environments.

Figure 4. The CPU uses so-called safety islands instead of pure software to isolate tasks from one another. Lockstep operation ensures that two processing cores compute the same task for error detection.

The high-speed I/Os guarantee real-time communication via CAN-FD and Time-Sensitive Networking (TSN). TSN ensures deterministic data transmission across the network: packets carrying emergency-stop commands always take priority in network traffic over diagnostic or video data. This enables deterministic, prioritized communication — time-critical safety telegrams can be transmitted with guaranteed transmission windows and defined priority relative to diagnostic or video data. This is essential when milliseconds determine passenger safety. A further advantage is the extensive certification of the S32G processor: changes to the application do not require new safety certifications of the S32G (Freedom from Interference), making future adaptations straightforward.

The Critical Interface: How IT and OT Communicate Safely

In the interplay between the two domains, it is important to note that the Application Domain — the miriac MPX-i.MX95 — processes user interactions and system data, but makes no safety-relevant decisions. Rather than issuing commands directly, it transmits only a request — for example, that a passenger wishes to open the door. The Safety Domain — the miriac MPX-S32G399A — evaluates this request against all safety-relevant states and alone decides whether to approve or deny the action.

To simplify updates and future extensions, all required software updates are received, verified, and prepared via the Application Domain on the i.MX95. Only after the i.MX95 has verified the digital signature of the update package and confirmed its integrity is it forwarded to the Safety Domain on the S32G. Asymmetric cryptographic and signature schemes are employed throughout, ensuring that only authorized, signed software packages from the manufacturer are accepted. Secure OTA (Over-the-Air) updates thus enable regular updates without compromising the certified safety functions through manipulation.

Application and Safety Domain Working in Concert

A practical example illustrates how the Application and Safety Domains can be properly separated in a passenger elevator. An elevator that previously operated „blind“ had no awareness of how many people were waiting, or whether a passenger inside needed assistance. With the MicroSys architecture integrated into the elevator controller, the picture changes entirely.

Consider the scenario of an „impatient morning commuter rush“ in an office building at 8:30 a.m. The Application Domain of the miriac MPX-i.MX95 captures waiting passengers in the cab and the elevator lobby via camera, and analyzes the data locally on the NPU: „Five waiting individuals, one in a wheelchair.“ The CPU makes a strategic decision: „Hold the door open three seconds longer for the wheelchair user and prioritize floor five, where the open-plan office is.“ It also transmits a request to the controller to hold the door open longer, giving all passengers sufficient time to board. At the same moment, an impatient occupant attempts to force the door closed or blocks the light barrier.

In the Safety Domain of the miriac MPX-S32G399A, the following now occurs: the S32G processor receives the i.MX95’s request to hold the door open longer. Simultaneously, it monitors the door lock sensors and motor temperature in the millisecond range in real time. It intervenes the moment it detects that the door motor current is rising due to the obstruction. It therefore overrides the AI’s „comfort request“ and instead immediately triggers the safe reversal sequence — causing the door to reopen to prevent crushing injuries — and returns a status message: „Command denied, safety intervention active.“

This example demonstrates how Application and Safety Domains collaborate effectively in modern elevator controllers. The physically separated hardware architecture from MicroSys accommodates both passenger comfort and safety simultaneously.

Conclusion

When developers want to incorporate connectivity, cloud integration, or AI capabilities into elevator controllers, they must strictly isolate safety-critical functions from comfort and display functions in order to maintain compliance with standards and certifications at all times. MicroSys System-on-Modules provide the hardware foundation for this separation as a ready-made, validated architecture, consolidating both the Application and Safety Domains on a single platform. Elevator manufacturers use this foundation to implement their software solutions efficiently: the Application Domain handles HMI, data analytics, AI, and communications, while the Safety Domain deterministically supervises all critical control functions.

By deploying these System-on-Modules, system integrators and manufacturers are empowered to simplify the complex integration of hardware, software, and safety mechanisms — resulting in a system that enables both innovation and flexibility while simultaneously reducing development time and certification risk.

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Nicht nur PKW, Busse oder Lieferwagen werden künftig autonom agieren. Für die Automatisierung mobiler Arbeitsmaschinen schuf MicroSys auf Basis aufgabenoptimierter System-on-Module aus eigener Entwicklung ein modulares einbaufertiges Gesamtsystem. Dank nur 60 W Leistungsaufnahme ohne aktive Kühlung, eignet sich die Autonomous Control Unit (ACU) hervorragend für den jahrelangen Einsatz unter rauen Arbeitsbedingungen.

Beim Thema „autonomes Fahren“ sind meist Personenkraftwagen (PKW) gemeint, seltener Busse oder Lieferwagen, die sich fahrerlos im öffentlichen Straßenraum bewegen. Diese sind jedoch keineswegs die einzige Anwendung für diese komplexen Navigationsverfahren. Auch selbstfahrende Arbeitsmaschinen wie z. B. landwirtschaftliche Maschinen, Baumaschinen und Flurfördergeräte haben ein erhebliches Automatisierungspotenzial.

Ziel: hochautomatisierte Arbeitsmaschinen

Die Aufgabenstellung unterscheidet sich erheblich von der an autonome Fahrzeuge des Straßenverkehrs. Landwirtschafts- und Baumaschinen bewegen sich bei ihrer gewöhnlichen Nutzung meist nicht im öffentlichen Straßenraum, sondern in abgegrenzten Baustellenbereichen, in die Unbeteiligte keinen Zugang haben. Dabei kann nicht vom Navigieren auf weitgehend ebenen Flächen ausgegangen werden, sondern von Fahrten im Gelände. Dieses – und damit die Basis für die Überprüfung des Fahrkurses – verändert sich durch den Baufortschritt ständig und muss laufend neu erkannt werden. Zudem sollen sich die autonomen Handlungen nicht auf die Fahrbewegungen beschränken, sondern ebenfalls die Lastaufnahme und -übergabe umfassen.

Bis auf unseren Äckern und Baustellen autonom navigierende und agierende Arbeitsmaschinen Normalität sein werden, sind noch einige grundlegende Voraussetzungen zu schaffen. Das deutsche Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unterstützt die Transformation der Branche mit dem Förderprogramm KoPa 35c, welches bis 2024 unter anderem Fahrzeugherstellern und der Zulieferindustrie in Deutschland zugutekommt.

Im Verbundprojekt POV.OS – Professional Vehicle Operating System soll dazu eine innovative Automatisierungsplattform als offene Architektur aus Hardware und Software für den Einsatz und die Funktionalisierung mobiler Arbeitsmaschinen entwickelt werden. Dabei geht es um die Schaffung einer anwendungsübergreifenden Plattform mit modularen Systemkomponenten, die als Grundlage für eine Spezifizierung und Umsetzung anwendungsbezogener Automatisierungs-, Assistenz- und autonomer Fahrfunktionen genutzt werden kann.

Wirtschaftlich durch Modularität

Mobile Arbeitsmaschinen werden in deutlich geringeren Stückzahlen produziert als gängige Automobile. Eine vollständige Neuentwicklung der zentralen Steuerungselektronik wäre daher für ihre Hersteller wirtschaftlich nur schwer darstellbar. Deshalb bevorzugen diese kommerziell verfügbare sogenannte COTS-Plattformen (für commercial off-the-shelf). Diese ermöglichen den Entwickelnden, individuelle Lösungen zu schaffen, ohne sich bei der Geräteentwicklung mit den einzelnen Komponenten auseinandersetzen zu müssen.

Als probates Mittel dazu entwickelt die MicroSys Electronics GmbH (MicroSys) als Gold Partner des Prozessorherstellers NXP System-on-Module (SoM). Diese in kleinen Formfaktoren hergestellten Baugruppen enthalten neben dem Mikroprozessor und dem Speicher sowie zahlreichen Kommunikationsschnittstellen alle Komponenten, die für die Applikationsentwicklung und Zertifizierung benötigt wird. So ermöglichen SoMs als zentrale Recheneinheiten mit standardisierten Schnittstellen Herstellern professioneller Arbeitsmaschinen die rasche Entwicklung ihrer Produkte. Die anwendungsspezifische Spezialisierung erhalten SoMs hardwareseitig durch zielgerichtete Trägerplatinen, sogenannte Carrierboards. Diese dienen unter anderem der Stromversorgung der Module und der Übersetzung der Ein- und Ausgangssignale in branchenspezifische Formate.

Ein starkes Herz

Nicht nur für mobile Arbeitsmaschinen, sondern für ein breites Spektrum an Anwendungen mit ähnlichen Performance- und Sicherheitsansprüchen entwickelte MicroSys das SoM miriac® MPX-LX2160A. Basierend auf dem LX2160A als derzeit schnellstem Embedded Multi-Core-Prozessor aus dem Hause NXP mit 16 Arm® Cortex®-A72 Prozessorkernen, bietet das Modul im Standard 32 GB aufgelötetes DDR4 RAM, das auf bis zu 128 GB erweiterbar ist. Die prozessorintegrierten Ethernet-Controller ermöglichen eine höchst performante High-End Kommunikation mit bis zu 100 Gbit/s Ethernet und integriertem 122-Gbit/s Layer 2 Ethernet Switching. Damit lassen sich alle Vernetzungsaufgaben im Fahrzeug integrieren, bis hin zu GigEVision Kamerasystemen.

Vier PCIe 3.0 Schnittstellen ermöglichen die Ausstattung des SoM mit dem dafür erforderlichen, großen SSD-Massenspeicher. Die integrierte Security Engine des NXP-Prozessors LX2160A ermöglicht bis zu der maximalen Übertragungsbandbreite eine lückenlose Daten-Verschlüsselung. Sie stellt mittels Secure Boot sicher, dass – etwa bei Software-Updates – nur Software aus zertifizierter Quelle geladen wird. Mit mindestens 15 Jahren Verfügbarkeit bietet das für einen Temperaturbereich von mindestens -40° C bis +85° C spezifizierte miriac® MPX-LX2160A Herstellern mobiler Arbeitsmaschinen eine hohe Versorgungssicherheit der Kernkomponente.

Aufgabenoptimiertes Carrierboard

Das zentrale Prozessormodul allein ist nicht alles. Viele Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen verfügen nicht über die erforderlichen Kompetenzen oder Kapazitäten zum Aufbau eines von diesem angetriebenen Gesamtsystems. Für die Entwicklung einer aufgaben-, aber nicht kundenspezifischen Steuerungsplattform für mobile Arbeitsmaschinen nutzte MicroSys einerseits Erkenntnisse, die das Unternehmen in POV.OS (Professional Operating Vehicles Operating System POVOS) gewinnt. Ebenso lässt der bayerische Hersteller seine jahrelange Branchenerfahrung und weitere Kundenanforderungen, beispielsweise aus dem Baumaschinen-Segment, mit einfließen.

Das im POV.OS Kontext angedachte COTS-Carrierboard von MicroSys bietet 3 M.2 Slots und kann mit folgenden Modulen bestückt werden: ein miriac® MPX-LX2160A, ein FPGA-Beschleunigermodul, bis zu drei SSD-Speichermodule oder ein bis zwei Hailo-8™ KI-Prozessormodule. Für den Fall, dass im Projektkontext eine separate Safety Insel benötigt wird, bietet MicroSys basierend auf dem miriac® MPX-S32G274A oder miriac® MPX-S32G399A eine Lösung zur Erweiterung an. Das schafft zusätzliche Rechenleistung für komplexe Aufgaben und eine unabhängige Kontrollinstanz.

Einbaufertiges Gesamtsystem

Zu einem einbaufertigen ruggedized Gesamtsystem wird die Elektronik durch das völlig neu entwickelte Gehäuse. Staub- und wasserfest nach Schutzart IP 68, führt es in der Basisversion zehn GB Ethernet-Schnittstellen über M12-Stecker sowie serielle Datenbusse über einen robusten Fischer-Steckverbinder aus. Über einen betriebsbewährten Deutsch-Steckverbinder erfolgt die Stromversorgung und die Ausführung von drei CANbus-Strängen. Eine wesentliche Aufgabe des Gehäuses ist neben dem Schutz der verbauten Elektronik die Wärmeableitung. Die dabei entstehende Abwärme wird in erster Linie über die Grundplatte an das Fahrzeugchassis abgegeben, an die das Gerät geschraubt ist. Ein kleinerer Teil der Abwärme gelangt über Kühlrippen an der Gehäuseoberseite direkt in die Umgebungsluft.

MicroSys ist es gelungen, die Leistungsaufnahme der voll bestückten Einheit trotz der extrem hohen Verarbeitungsleistung und der Vielfalt an Schnittstellen auf 60 W zu begrenzen. So kommt die Einheit nicht nur ohne bewegliche Teile, sondern auch ohne aktive Kühlung aus. „Die bisherigen Tests bestätigen die hinreichende Kühlwirkung bis zu einer Umgebungstemperatur von mindestens 55°C“, bestätigt Jörg Stollfuß, Applikationsingenieur bei der MicroSys Electronics GmbH. „Mit der neuen Autonomous Control Unit auf Basis des SoM-Moduls miriac® MPX-LX2160A können wir Herstellern mobiler Arbeitsmaschinen ein einbaufertiges Gesamtsystem für die Automatisierung ihrer Produkte anbieten.“ „Mit der neuen Autonomous Control Unit auf Basis des SoM-Moduls miriac® MPX-LX2160A können wir Herstellern mobiler Arbeitsmaschinen ein einbaufertiges Gesamtsystem für die Automatisierung ihrer Produkte anbieten.“

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AGV- und AMR-Systeme automatisieren Transportprozesse effizient, präzise und sicher. Ihre Implementierung erfordert integrierte, zertifizierbare Hard- und Softwarelösungen. Um das Entwickeln zu vereinfachen, bieten Hersteller wie MicroSys Electronics auf Basis von NXP© Komponenten dafür passende Plattformen und Tools an.

Moderne Robotik-Applikationen wie Automated Guided Vehicles (AGV) sowie Autonomous Mobile Robots (AMR) sorgen besonders in der Industrie, Logistik oder der Lebensmittelbranche für einen sicheren, präzisen und automatisierten Materialfluss. Dadurch entlasten sie Arbeitskräfte und wirken dem Fachkräftemangel entgegen. Zudem lassen sie sich flexibel in bestehende Anlagen und Systeme integrieren. Während AGVs vordefinierten Strecken mit Hilfe von Routen und Spuren folgen, stützen sich AMRs vollständig auf bordeigene Sensoren, Echtzeitverarbeitung und KI, um ihre Umgebung zu interpretieren und autonome Entscheidungen zu treffen.

AGVs und AMRs zeichnen sich durch intelligente Navigation, präzise Lokalisierung, Sensorfusion und High-Speed-Kommunikation der Komponenten aus. Um diese Funktionen zu ermöglichen, benötigen moderne AGVs/AMRs verschiedene Komponenten wie dedizierte Computing Cores, Global Navigation Satellite System (GNSS)-Module sowie fortschrittliche Netzwerkschnittstellen. Herkömmliche Computing-Strukturen stoßen hier an ihre Grenzen. Edge-Prozessoren verarbeiten Daten für Bildverarbeitungssysteme, Bewegungssteuerungen und andere lokale Berechnungen. Deren Integration ist jedoch aufwendig und führt oftmals zu komplizierten Hardware- und Software-Architekturen.

Systemintegration als Herausforderung

Gerade das perfekte Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten wie

• Sensoren für die Wahrnehmung,
• Bildsensoren,
• LiDAR oder
• Radar

ist wichtig, um eine sichere Bewegung und Navigation von AGVs/AMRs zu gewährleisten. Entscheidend ist dabei eine minimale Latenz bei der Datenverarbeitung. Um diese zu erreichen, braucht es ein optimales Zusammenspiel aus Hardware, Software sowie Middleware. Hierfür stellen Hersteller wie MicroSys Electronics zukunftsfähige Hardware-Komponenten wie System-on-Modules (SoMs), Betriebssysteme sowie Frameworks für die Echtzeitsteuerung bereit.

Designvereinfachung durch modulare Plattformen

Vorgefertigte SoMs reduzieren die Entwicklungs-Komplexität des Designs, indem sie die wichtigsten Komponenten bereits applikationsfertig auf dem Modul bereitstellen. Ein Modul, welches optimal die Anforderungen an AGV/AMR-Systeme erfüllt, ist das miriac® MPX-S32G399A von MicroSys. Applikationen, die bislang auf dem Vorgängermodell miriac® MPX-S32G274A basierten, können ab sofort auf das neue Modul hochskaliert werden und von der gesteigerten CPU-Leistung profitieren. Beide Module sind in den kompakten Maßen 82 mm x 50 mm ausgeführt und somit austauschbar.

Um die Komplexität des Designs weiter zu vereinfachen, können Entwickler zudem auf ein Carrierboard zurückgreifen, das zusammen mit dem SoM den Single-Board-Computer (SBC) miriac® SBC-S32G399A ergibt. Für zusätzliche Echtzeitfähigkeit kann über den M.2-Konnektor des Carriers zudem ein KI-Beschleuniger integriert werden, beispielsweise der Hailo-8 KI-Prozessor, für ein noch schnelleres Verarbeiten der Daten sowie eine umfassende Sensorfusion. Das SBC bietet dem Entwickler die vorintegrierte Software sowie umfassende Design-In-Services. Eine maximale Konnektivität der Applikation gewährleisten die fortschrittlichen Schnittstellen der CPU, die über den SBC nach außen geführt sind.

Um externe Peripherie wie Bild-, LiDAR- oder Radar-Sensoren – wie sie in AGV/AMR Einsatz finden – in Echtzeit anzusteuern und aufgenommene Sensordaten direkt in Echtzeit zu verarbeiten und zu analysieren, lässt sich neben dem miriac® MPX-S32G399A zusätzlich das miriac® MPX-S32Z2 einsetzen. Es basiert auf der NXP© S32Z2 CPU, die herausragende Echtzeitfähigkeiten bereitstellt. Hierfür müssen Entwickler lediglich ein zweites Carrierboard einsetzen, welches den Single-Board-Computer MPX-S32Z2 mit dem SBC MPX-S32G399A kombiniert und erweitert.

Hocheffiziente Echtzeit-CPU

Das SoM miriac® MPX-S32G399A basiert auf dem Prozessor S32G399A von NXP©, der ASIL-D-Sicherheit mit einer hochleistungsfähigen Echtzeit- und Anwendungsverarbeitung und einer umfassenden Netzwerkbeschleunigung kombiniert. Die S32G3 CPU erfüllt die Anforderungen moderner Fahrzeugarchitekturen wie serviceorientierte Gateways, Fahrzeugcomputer, Domain Controller, zonale Prozessoren, Sicherheitsprozessoren und mehr.

Dabei arbeitet die CPU mit acht Arm® Cortex®-A53-Kernen mit bis zu 1,3 GHz Taktfrequenz, die optional im Lockstep-Betrieb für erhöhte Sicherheit laufen können. Vier Arm® Cortex®-M7-Dual-Core-Lockstep-Kerne ergänzen die Applikationskerne um Funktionen für sicherheitskritische Echtzeitapplikationen. Hierbei wird die CPU von bis zu 4 GB LPDDR4-32-Bit-Speicher mit 3200 Megatransfers pro Sekunde (MT/s), 64 MB QSPI-Flash- und bis zu 32 GB embedded Multimedia Card (eMMC)-Speicher unterstützt. Die integrierte Hardware Security Engine (HSE) bietet sichere Bootfunktionen, die Low Latency Communication Engine (LLCE) beschleunigt zudem das Verarbeiten von CAN-, LIN- und FlexRay-Nachrichten.

Eine lange Verfügbarkeit garantiert NXP© durch einen Produktlebenszyklus von bis zu zehn Jahren, für manche Bereiche sogar bis zu 15 Jahren, was die Zukunftssicherheit deutlich erhöht.

Modul erfüllt höchste Konnektivitätsansprüche

Um moderne Kommunikationsanforderungen für AGV/AMR zu erfüllen, bietet der SBC umfangreiche Ethernet-Schnittstellen, einige davon mit Support für Time-Sensitive Networking (TSN), darunter:

• 1x 1GbE
• 1x 1000BASE-T1
• 1x 100 Mb
• 6x 100BASE-T1

Daneben führt MicroSys weitere Schnittstellen wie USB 2.0, 18 x CAN-FD, 8x LIN, 2x FlexRay sowie GPIOs und JTAG nach außen. Auch der Automotive-spezifische Switch SJA1110 gehört zum umfassenden Schnittstellensupport des Herstellers.

Die Modulvariant decken sowohl den Standardtemperaturbereich von 0 bis +70 °C – als auch für raue Umgebungsbedingungen den erweiterten Temperaturbereich -40 bis +85 °C – ab und reduziert die Risiken der Anwendungsentwicklung deutlich. Aufgrund der Modularität verkürzt sich die Time-to-Market, womit Entwickler Zeit und Kosten sparen. Weiterhin können sie aufgrund der integrierten Security-Funktionen die Compliance- und Sicherheitsvorgaben der jeweiligen Branche einhalten.

Für einen schnellen Start der Applikationsentwicklung bietet MicroSys neben dem SoM ein umfassendes Entwicklungskit mit Zubehör wie Stromversorgung, Kühlkörper und Dokumentation an. Es vereinfacht und beschleunigt das Evaluieren und Integrieren des SoM und eignet sich sehr gut zum Entwickeln von Prototypen. Zudem erhalten Entwickler mit dem Entwicklungskit umfassenden Support wie Dokumentation, Referenzdesigns sowie Software Tools für eine schnelle Integration.

Vorteile im Vergleich mit SMARC

Im Vergleich zu einem offenen Computer-on-Module-Standard wie SMARC kann MicroSys mit seinem proprietären Standard die Performance der NXP© CPU optimal ausnutzen. So lassen sich mit SMARC nicht alle Anschlüsse der CPU nach außen führen, da lediglich bestimmte Anschlüsse über das Pinout des Standards qualifiziert und umgesetzt sind.

Das MicroSys-SoM führt hingegen alle wichtigen Anschlüsse nach außen, zum Beispiel alle Ethernet- und CAN-Ports. Hiermit kann MicroSys eine skalierbare Anzahl der Schnittstellen bereitstellen und ermöglicht eine maximale CPU-Leistung am Konnektor sowie ein optionales Überwachen der CPU durch den Supervisor.

Software-Integration durch Experten

Neben der Hardware spielt die richtige Software eine entscheidende Rolle für AGV/AMRs. Diese muss dabei verschiedene Funktionen erfüllen, unter anderem für:

• Navigation
• Objekterkennung
• Routenplanung
• Energieverwaltung

Hierbei sind die aufgenommenen und zu verarbeitenden Daten in Echtzeit zu übertragen, um eine schnelle Reaktion zu gewährleisten. Die Software muss außerdem für sicherheitskritische Bereiche zugelassen sein.

Um Entwicklern die Herausforderungen der Software-Integration abzunehmen, implementiert MicroSys ein applikationsfertiges Linux-Betriebssystem auf seiner Plattform. So können Entwickler sich ganz auf die Applikationsentwicklung fokussieren. Auch hier kann MicroSys durch geeignete Partner unterstützen, zum Beispiel für Bare-metal- oder QNX-Programmierung.

Eine umfassende Software-Integration ermöglicht AGV/AMR einen nahtlosen, sicheren und effizienten Betrieb, da alle Sensoren, Steuerungen und Kommunikationsschnittstellen optimal zusammenspielen. Sie erhöht die Skalierbarkeit, erleichtert Updates und erlaubt ein schnelles Anpassen an neue Prozesse oder Umgebungen.

Zusammenfassung

AGVs und AMRs kommen immer häufiger zum Einsatz, da sie die Effizienz, Flexibilität und Betriebssicherheit in Industrie, Logistik und Transportwesen deutlich steigern. Das Entwickeln dieser Systeme bringt jedoch Herausforderungen wie eine starke Echtzeitverarbeitung, hohe Sicherheits-Zertifizierungen und eine komplexe Softwareintegration mit sich.

Hersteller wie NXP© und MicroSys unterstützen Entwickler mit vorvalidierter Hardware, umfassenden Sicherheitsfunktionen und optionaler Middleware, wodurch sich der Entwicklungsaufwand und die Risiken deutlich reduzieren. Mit einer umfassenden Softwareintegration profitieren AGV/AMR von einer höheren Skalierbarkeit, einer besseren Datenverfügbarkeit und einem sicheren, automatisierten Betrieb.

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Das miriac® MPX-i.MX95 System-on-Module von MicroSys bietet hochperformante Systemleistung für grafikintensive Workloads für Automotive, Bahntechnik, Baufahrzeuge und industrielle Automation.

Sauerlach bei München, 01. März 2025 – MicroSys Electronics, führender Anbieter von Embedded-Computing-Technologie, präsentiert mit dem miriac® MPX-i.MX95 ein neues energieeffizientes System-on-Module (SoM) mit hochleistungsfähiger Grafikengine auf Basis der i.MX95 CPU von NXP® Semiconductors. OEM, die dieses neue miriac® SoM des NXP® Gold Partners MicroSys einsetzen, profitieren von der hohen Prozessorleistung für sicherheitskritische Applikationen sowie von dem – bei System-on-Modules typischen – sofortigen Zugang zu Prototyping, erweiterter Konnektivität für spezifische Anwendungsfälle sowie von umfassendem Softwaresupport. Eine lange Verfügbarkeit der CPU sowie eine bei Modulen gewährleistete Austauschbarkeit runden das umfangreiche Angebot ab.

Neben applikationsfertiger Hardware und funktionsvalidierter hardwarenaher Software bietet MicroSys Electronics auch kundenspezifische Design-Services auf Carrierboard- und System-Level an. Diese reichen bis hin zur SIL-Zertifizierung für alle Märkte, in denen funktionale Sicherheitsstandards analog zur IEC 61508 gefordert sind, darunter Bahntechnik (EN 50155), stationäre und mobile Maschinen (ISO 13849) sowie Fertigungsroboter (ISO 10218), Steuerungssysteme (IEC 62061) und Antriebssysteme (IEC 61800-5-2). Auch Zulassungen im Luftfahrtkontext (DO-254/DO-160) werden durch die vorhandene Herstellerdokumentation stark vereinfacht.

Hohe Performanz bei maximaler Konnektivität

Die NXP® i.MX95 CPU mit integrierter Arm®-Trustzone-Architektur eignet sich ideal für Applikationen mit hohen Anforderungen an die Sicherheit. Sechs Cortex®-A55 Cores mit bis zu 2 GHz Taktfrequenz sowie je ein real-time-fähiger Arm® Cortex®-M7 mit 800 MHz und -M33 Core mit bis zu 333 MHz prädestinieren das Modul für den Einsatz in hochperformanten Echtzeit- sowie energieeffizienten Embedded- Applikationen. Auch professionelle Grafikanwendungen profitieren vom Einsatz des miriac® MPX-i.MX95 aufgrund der integrierten Arm® Mali™ 3D GPU mit OpenGL® und Vulkan® Support und einer 2D GPU. Beim Speicher bietet das SoM 16 GB LPDDR5 Memory mit bis zu 6,4 GT/s, zudem ein über NFC konfigurierbares EEPROM für das Sichern von Daten wie Seriennummer oder User-Konfiguration mit bis zu 16 kBit. Über bis zu zwei SD-Karten sowie eine eMMC mit bis zu 64 GB Speicherkapazität lässt sich die Speicherleistung beliebig erweitern.

Neben Arm Trustzone für Security, erfüllt das innovative System-on-Module auch Anforderungen an die Safety: Alle notwendigen internen Spannungen sind auf den Modul-Konnektor herausgeführt, um diese beispielsweise über einen Supervisor zu überwachen. Um weitere Safety-Anforderungen zu erfüllen, lassen sich über einen Stromsensor Parameter wie Stromaufnahme des SoM, der CPU-Logik sowie des Core messen. Zwei Temperatursensoren sind zudem für das Überwachen des Systems nutzbar.

Für eine maximale Konnektivität sorgen umfangreiche industrielle Schnittstellen wie 1x 10-Gigabit-Ethernet, USB 2.0/3.0, PCIe, I3C, SPI, UART sowie MIPI-CSI. Das Modul ist äußerst kompakt (82 mm x 35 mm) ausgeführt und für den Einsatz im industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C ausgelegt. Für einen schnellen Einstieg in die Entwicklung steht zudem ein innovatives Development Kit mit Stromanschluss, Kabel und Linux OS auf einer SD-Karte bereit.

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MicroSys Electronics adaptiert NXP®-Prozessoren für echtzeitkritische Branchen. Um eine leistungsfähige Software bereitzustellen, ist der Embedded-Hersteller eine strategische Partnerschaft mit Cetitec eingegangen. Welche Vorteile das für Kunden bedeutet, erklären Ina Schindler, CEO von MicroSys, und Dr. Michael Back, CEO von Cetitec, im Interview.

Herr Dr. Back, wie kam es zu der Partnerschaft zwischen MicroSys und Cetitec?
Dr. Michael Back, Cetitec: Die Partnerschaft entstand bei einem gemeinsamen Besuch des Automotive-Ethernet-Kongresses in München. Schnell haben wir gemerkt, dass sich unsere Unternehmen inhaltlich sehr gut ergänzen – MicroSys stellt die hochentwickelte Hardware, wir die darauf abgestimmte Software für harte Echtzeit-Applikationen bereit – zudem sind beide Unternehmen NXP®-Gold-Partner. Durch unsere enge Zusammenarbeit ermöglichen wir die optimale Nutzung der NXP® SoCs, um unseren Kunden innovative und zukunftssichere Lösungen anzubieten.

Mit welchen Stärken kann Cetitec MicroSys bei der Applikationsentwicklung unterstützen?
Dr. Michael Back: Wir sind ein weltweit führender Anbieter im Bereich der Vernetzung von Feldbussystemen und entwickeln Softwarelösungen, die in der Automobilindustrie als zentrale Kommunikationsschnittstellen dienen. Als Tochterunternehmen von Porsche verfügen wir über ein tiefgehendes Know-how im Bereich vernetzter Fahrzeugarchitekturen. Die Zusammenarbeit mit MicroSys ermöglicht es uns, neue Technologien schnell und effizient in die Serienreife zu überführen. Gemeinsam adaptieren wir die Automotive-Prozessoren von NXP® für Anwendungen in Märkten mit hohen Echtzeitanforderungen wie Bahntechnik, Luftfahrt, mobile Maschinen, Medizintechnik oder Automation.

Frau Schindler, welche Vorteile bietet die Partnerschaft für MicroSys-Kunden?
Ina Schindler, MicroSys: Durch die Zusammenarbeit von MicroSys und Cetitec und die gemeinsame Partnerschaft mit NXP® können wir für unsere Kunden innovative Projekte mit einer hohen Integrationsdichte umsetzen. Gerade für Automotive-Kunden ist das ein „perfect match“. Gemeinsam adaptieren wir NXPs® Automotive-Prozessoren für Applikationen wie mobile Baumaschinen – wir nennen das „Beyond Automotive“. Cetitec stellt dabei sein umfassendes Software-Know-how bereit, wir unterstützen Cetitec im Gegenzug mit unseren innovativen Hardware-Lösungen.

Können Sie ein konkretes Beispiel nennen?
Ina Schindler: Derzeit arbeiten wir gemeinsam an einem Forschungsprojekt, das den S32Z2-Prozessor von NXP® für den Einsatz in Drohnen optimiert. Im Rahmen des Projekts „BayCHAMP“ entwickeln Cetitec, MicroSys, Tech S.A.T. und AEE Aircraft Electronic Engineering in Kooperation ein Fluglageregelungssystem, das die Stabilität und Steuerungspräzision von Drohnen verbessert. Diese Entwicklungen haben unter anderem ein großes Potenzial für den Agrarsektor, wo der Einsatz von Drohnen eine immer wichtigere Rolle spielt.

Kürzlich hat MicroSys ein neues Modul entwickelt, das miriac® MPX-S32Z2. Welche technischen Highlights bietet es?
Ina Schindler: Das miriac® MPX-S32Z2 System-on-Module (SoM) basiert auf der S32Z2 CPU von NXP Semiconductors® mit acht Arm® Cortex®-R52-Split-Lock-Kernen. Hinzu kommt ein Cortex®-M33-Lockstep-Kern mit Arm® TrustZone-Architektur und erweiterten Sicherheitsmechanismen wie Speicherschutz. In Kombination bietet die CPU harte Echtzeitverarbeitung sowie über einen digitalen Signalprozessor (DSP) Machine-Learning-Fähigkeit mit bis zu 25 GigaFLOPS. Hiermit ermöglicht die Plattform das Implementieren KI-gestützter Algorithmen für Fahrerassistenzsysteme, autonome Fahrfunktionen oder Predictive Maintenance.

Das Modul ist des Weiteren sehr kompakt ausgeführt und misst lediglich 82 x 50 mm, hiermit ist es ideal für enge Bauräume, wie sie in der Fahrzeugarchitektur vorkommen, ideal geeignet. Das miriac® MPX-S32Z2 ermöglicht beispielsweise die Integration und Vernetzung von Prototypen und Achsträgern in Automotive-Applikationen. Bestehende Achsträger-Plattformen lassen sich um neue Subsysteme, hybride Antriebe oder Infotainment-Systeme erweitern, während das System gleichzeitig eine Umgebung simuliert, die bereits mit der zukünftigen Technologie ausgestattet ist

Welche Vorteile bietet das Modul, speziell die CPU, aus Sicht von Cetitec?
Dr. Michael Back: Ein Alleinstellungsmerkmal des Prozessors sind die dedizierten Beschleuniger für Sicherheitsverarbeitung und Netzwerkkommunikation. Bei NXP® wird dies auch als FlexLLCE (Low-Latency Communication Engine) oder PFE (Packet Forwarding Engine) bezeichnet. Durch diese spezialisierten Engines ist die CPU in der Lage, Domänen- und Zonensteuerungsaufgaben in Fahrzeugarchitekturen effizient zu übernehmen. Die Verarbeitung erfolgt mit minimaler Latenz, wodurch sich sicherheitskritische Anwendungen wie Steuergeräte-Kommunikation oder Echtzeit-Datenverarbeitung in Fahrzeug-Gateways erheblich beschleunigen lassen. Häufig wird in dem Zusammenhang von Hardware-Beschleunigung gesprochen, tatsächlich basiert die Optimierung auf einer speziell entwickelten Firmware, die genau auf die zugrunde liegende Architektur abgestimmt ist.

Die Architektur ist zudem hochskalierbar und erlaubt es Entwicklern, unterschiedliche Betriebssysteme auf den Kernen zu implementieren. Neben QNX für hochleistungsfähige Steuerungssysteme lässt sich auch AUTOSAR OS für ressourcenschonende Echtzeitverarbeitung adaptieren. Durch die parallele Nutzung mehrerer Betriebssysteme lässt sich jede Softwarekomponente optimal für ihre jeweiligen Aufgabenbereiche ausführen.

Welche Anforderungen gibt es hinsichtlich Safety & Security und was kann die CPU dazu beitragen?
Dr. Michael Back: Um den hohen Anforderungen an die funktionale Sicherheit und Cybersecurity gerecht zu werden, verfügt der S32Z2-Prozessor über eine dedizierte Hardware Security Engine (HSE), die sicherstellt, dass das Modul authentifiziert bootet, sodass nur signierte und geprüfte Firmware ausgeführt wird. Durch die Integration einer sicheren Boot-Chain ist das Modul vor manipulierten Software-Updates oder Cyberangriffen auf das Steuergerät geschützt. Das ist insbesondere in Fahrzeugen von Bedeutung, die Over-the-Air-Updates (OTA) erhalten, da lediglich über eine verifizierte Signatur sichergestellt werden kann, dass ausschließlich autorisierte Software-Versionen aufgespielt werden.

Zusätzlich sorgt ein dedizierter Mikrocontroller für die Spannungsüberwachung, um das System zuverlässig gegen unerwartete Spannungsschwankungen oder fehlerhafte Stromversorgungen abzusichern. Diese Funktion erhöht die Betriebssicherheit in sicherheitskritischen Anwendungen und erfüllt die Anforderungen der ISO 26262.

Frau Schindler, in modernen Fahrzeugarchitekturen ist eine umfassende Konnektivität immer wichtiger, Stichwort: Car-to-X-Kommunikation. Wie erfüllt das Modul diese Anforderungen?
Ina Schindler: Für höchste Ansprüche an die Konnektivität im Automobil oder in Baumaschinen, bietet das Modul unter anderem zweifach Gigabit-Ethernet-, 16 CAN- oder drei I3C-Schnittstellen. Auch Zipwire, FlexRay, LIN sowie Aurora unterstützen wir – denn diese Kommunikationsstandards decken sowohl traditionelle als auch moderne Vernetzungsarchitekturen ab und ermöglichen eine effiziente Anbindung an bestehende Steuergeräte und Sensorik.

Während CAN weiterhin für viele klassische Steuergeräte und Sensoren zum Einsatz kommt, gewinnen moderne Hochgeschwindigkeits-Bussysteme wie FlexRay und Ethernet-basierte Kommunikationsprotokolle an Bedeutung. Aurora, ein serielles Hochgeschwindigkeitsprotokoll, dient zum Übertragen hochfrequenter Datenströme mit minimaler Latenz direkt zwischen FPGAs, Prozessoren oder anderen Beschleunigern. Durch die Unterstützung von I3C ist das Modul zudem in der Lage, moderne Sensoren für Fahrerassistenzsysteme und Umweltwahrnehmung effizient anzubinden.

Die Anforderungen hinsichtlich Safety & Security betreffen neben der CPU auch die Software. Wie stellt Cetitec die nötige Konformität der Software sicher?
Dr. Michael Back: Die Security-Architektur von Cetitec basiert auf einem strikten Ausschluss von Wildcards, sodass die Software ausschließlich validierte Botschaften verarbeitet. Alle Nachrichten sind in einer Sicherheitsmatrix mit definierten Zugriffsrechten, Nachrichtenlängen und Parametern hinterlegt und werden über einen gesicherten Prozess mit den Firmware-Containern übertragen. Das minimiert Manipulationsrisiken erheblich, da Angriffe nur bei einer vollständigen Kompromittierung der Update-Kette des Herstellers möglich wären.

Auch in puncto funktionale Sicherheit (Safety) erfüllt Cetitec mit der ISO 26262 höchste Standards. Sicherheitszertifizierte out-of-context Safety-Elemente, wie die Safetycore-Bausteine, ermöglichen die ASIL-konforme Integration sicherheitskritischer Funktionen und bieten eine flexible Lösung für anspruchsvolle Steuerungssysteme.

Gibt es weitere Vorteile, die Software betreffend?
Dr. Michael Back: Ein wesentlicher Vorteil der Cetitec-Software ist ihre Betriebssystem-Agnostik. Durch die Post-Build-Konfigurierbarkeit können Entwickler systemkritische Eigenschaften anpassen, ohne den Quellcode neu zu kompilieren. Cetitec stellt hierfür eine entwicklerfreundliche Toolchain bereit, die eine flexible Konfiguration ermöglicht.

Die Software kann sowohl Bare Metal als auch auf statischen Systemen, Linux oder POSIX betrieben werden, was sie breit skalierbar macht. Um den Übergang zwischen verschiedenen Betriebssystemen zu erleichtern, bietet Cetitec zudem Middleware Frameworks, die eine nahtlose Kommunikation zwischen Linux, AUTOSAR und Bare Metal ermöglichen.

Herr Dr. Back, können Sie anhand eines konkreten Anwendungsfalles beschreiben, wie die Hardware von MicroSys und die Software von Cetitec zusammenarbeiten?
Dr. Michael Back: Für hochdynamische Steuer- und Regelprozesse spielt die Wahl der richtigen Abtastrate eine entscheidende Rolle. Eine zu niedrige Abtastrate führt zu Aliasing-Effekten, die Regelalgorithmen verfälschen und zu instabilen Steuerprozessen führen können. Dies ist besonders in Hochgeschwindigkeitsanwendungen bedeutend. Beispielhaft kann die Steuerung von Drohnen genannt werden, die Geschwindigkeiten von rund 500 Knoten erreichen. Hier müssen die Sensoren mit einer erhöhten Grenzfrequenz arbeiten, um präzise Fluglagenkorrekturen in Echtzeit zu berechnen. Der DSP des S32Z2-Prozessors ermöglicht eine hocheffiziente Echtzeit-Signalverarbeitung, um Dateninterpolation und Rauschfilterung durchzuführen, womit sich die Steuer- und Regelgenauigkeit signifikant verbessert.

Die erste Plattform, die MicroSys für Automotive und Co. adaptiert hat, war NXPs® S32G CPU. Wie können beide Plattformen bestmöglich zusammenarbeiten?
Ina Schindler: Wie erwähnt, bieten wir neben dem S32Z2-Prozessor auch die S32G-Plattformen von NXP® an, die als Companion-Chip für spezifische Anwendungen nutzbar ist. Kunden profitieren von einer einheitlichen Architektur mit nur einem Chip-Hersteller, was die Systemintegration vereinfacht.

Während der S32G-Prozessor für Kommunikations- und Gateway-Funktionen optimiert ist, übernimmt der S32Z-Prozessor das Echtzeit-Controlling. Die Kombination ermöglicht eine effiziente Datenaggregation, -verteilung und verarbeitung – gesteuert durch die enge Integration von MicroSys und Cetitec. In der Praxis zeigt sich oft, dass nicht alle Anwendungsfälle mit einem einzelnen Chip abzudecken sind, insbesondere wenn im Entwicklungsprozess neue Sensoren oder Steuerfunktionen hinzukommen. Durch ein Re-Design mit zusätzlicher Z-Controller-Integration lassen sich alle funktionalen Anforderungen flexibel und effizient umsetzen.

Über Cetitec
Cetitec, ein Porsche-Unternehmen, ist ein führender Software-Spezialist für die Entwicklung von Connectivity System Solutions. Cetitecs skalierbare Softwareprodukte sind Schlüsselelemente für die Mobilitätslösungen weltweiter technologisch bedeutender Automobilhersteller. Mit Neugier, Leidenschaft und Begeisterung baut Cetitec Brücken in neue Fahrzeugvernetzungs- und Kommunikationstechnologien und löst seit 1999 erfolgreich komplexe Herausforderungen.

About MicroSys
MicroSys Electronics entwickelt und produziert seit 1975 Embedded Systemlösungen, ist Gold Partner von NXP® und integriert maßgeblich deren S32 Automotive, Layerscape und QorIQ Prozessortechnologie. Designs auf Basis von System-on-Modules (SoMs) sind die Stärken des Unternehmens aus Sauerlach bei München. Das Portfolio reicht von applikationsfertigen SoMs über kundenspezifische Carrierboard-Designs bis hin zu komplett integrierten Systemen. Einsatzbereiche dieser besonders robusten und langzeitverfügbaren Designs finden sich vor allem in Märkten, in denen Sicherheitsstandards analog der IEC61508 gefordert sind, wie Bahntechnik (EN50155), Luftfahrt (DO-160) und Mobile Maschinen (ISO 13849) sowie Fertigungsroboter (ISO 10218), Steuerungen (IEC 61131-6) und Antriebssysteme (IEC 61800-5-2). Weitere Anwendungsbereiche finden sich in der Medizintechnik (IEC 60601) und in kritischen Infrastrukturen, wie dem Nuklearsektor (IEC 61513) oder der Prozessindustrie (IEC 61511). MicroSys arbeitet in all diesen Branchen eng mit seinen Kunden zusammen, um sicherzustellen, dass die jeweils zugehörigen Standards vollständig erfüllt werden. Weitere Informationen unter https://microsys.de/  

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Nicht nur PKW, Busse oder Lieferwagen werden künftig autonom agieren. Für die Automatisierung mobiler Arbeitsmaschinen schuf MicroSys auf Basis aufgabenoptimierter System-on-Module aus eigener Entwicklung ein modulares einbaufertiges Gesamtsystem. Dank nur 60 W Leistungsaufnahme ohne aktive Kühlung, eignet sich die Autonomous Control Unit (ACU) hervorragend für den jahrelangen Einsatz unter rauen Arbeitsbedingungen.

Beim Thema „autonomes Fahren“ sind meist Personenkraftwagen (PKW) gemeint, seltener Busse oder Lieferwagen, die sich fahrerlos im öffentlichen Straßenraum bewegen. Diese sind jedoch keineswegs die einzige Anwendung für diese komplexen Navigationsverfahren. Auch selbstfahrende Arbeitsmaschinen wie z. B. landwirtschaftliche Maschinen, Baumaschinen und Flurfördergeräte haben ein erhebliches Automatisierungspotenzial.

Ziel: hochautomatisierte Arbeitsmaschinen

Die Aufgabenstellung unterscheidet sich erheblich von der an autonome Fahrzeuge des Straßenverkehrs. Landwirtschafts- und Baumaschinen bewegen sich bei ihrer gewöhnlichen Nutzung meist nicht im öffentlichen Straßenraum, sondern in abgegrenzten Baustellenbereichen, in die Unbeteiligte keinen Zugang haben. Dabei kann nicht vom Navigieren auf weitgehend ebenen Flächen ausgegangen werden, sondern von Fahrten im Gelände. Dieses – und damit die Basis für die Überprüfung des Fahrkurses – verändert sich durch den Baufortschritt ständig und muss laufend neu erkannt werden. Zudem sollen sich die autonomen Handlungen nicht auf die Fahrbewegungen beschränken, sondern ebenfalls die Lastaufnahme und -übergabe umfassen.

Bis auf unseren Äckern und Baustellen autonom navigierende und agierende Arbeitsmaschinen Normalität sein werden, sind noch einige grundlegende Voraussetzungen zu schaffen. Das deutsche Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unterstützt die Transformation der Branche mit dem Förderprogramm KoPa 35c, welches bis 2024 unter anderem Fahrzeugherstellern und der Zulieferindustrie in Deutschland zugutekommt.

Im Verbundprojekt POV.OS – Professional Vehicle Operating System soll dazu eine innovative Automatisierungsplattform als offene Architektur aus Hardware und Software für den Einsatz und die Funktionalisierung mobiler Arbeitsmaschinen entwickelt werden. Dabei geht es um die Schaffung einer anwendungsübergreifenden Plattform mit modularen Systemkomponenten, die als Grundlage für eine Spezifizierung und Umsetzung anwendungsbezogener Automatisierungs-, Assistenz- und autonomer Fahrfunktionen genutzt werden kann.

Wirtschaftlich durch Modularität

Mobile Arbeitsmaschinen werden in deutlich geringeren Stückzahlen produziert als gängige Automobile. Eine vollständige Neuentwicklung der zentralen Steuerungselektronik wäre daher für ihre Hersteller wirtschaftlich nur schwer darstellbar. Deshalb bevorzugen diese kommerziell verfügbare sogenannte COTS-Plattformen (für commercial off-the-shelf). Diese ermöglichen den Entwickelnden, individuelle Lösungen zu schaffen, ohne sich bei der Geräteentwicklung mit den einzelnen Komponenten auseinandersetzen zu müssen.

Als probates Mittel dazu entwickelt die MicroSys Electronics GmbH (MicroSys) als Gold Partner des Prozessorherstellers NXP System-on-Module (SoM). Diese in kleinen Formfaktoren hergestellten Baugruppen enthalten neben dem Mikroprozessor und dem Speicher sowie zahlreichen Kommunikationsschnittstellen alle Komponenten, die für die Applikationsentwicklung und Zertifizierung benötigt wird. So ermöglichen SoMs als zentrale Recheneinheiten mit standardisierten Schnittstellen Herstellern professioneller Arbeitsmaschinen die rasche Entwicklung ihrer Produkte. Die anwendungsspezifische Spezialisierung erhalten SoMs hardwareseitig durch zielgerichtete Trägerplatinen, sogenannte Carrierboards. Diese dienen unter anderem der Stromversorgung der Module und der Übersetzung der Ein- und Ausgangssignale in branchenspezifische Formate.

Ein starkes Herz

Nicht nur für mobile Arbeitsmaschinen, sondern für ein breites Spektrum an Anwendungen mit ähnlichen Performance- und Sicherheitsansprüchen entwickelte MicroSys das SoM miriac® MPX-LX2160A. Basierend auf dem LX2160A als derzeit schnellstem Embedded Multi-Core-Prozessor aus dem Hause NXP mit 16 Arm® Cortex®-A72 Prozessorkernen, bietet das Modul im Standard 32 GB aufgelötetes DDR4 RAM, das auf bis zu 128 GB erweiterbar ist. Die prozessorintegrierten Ethernet-Controller ermöglichen eine höchst performante High-End Kommunikation mit bis zu 100 Gbit/s Ethernet und integriertem 122-Gbit/s Layer 2 Ethernet Switching. Damit lassen sich alle Vernetzungsaufgaben im Fahrzeug integrieren, bis hin zu GigEVision Kamerasystemen.

Vier PCIe 3.0 Schnittstellen ermöglichen die Ausstattung des SoM mit dem dafür erforderlichen, großen SSD-Massenspeicher. Die integrierte Security Engine des NXP-Prozessors LX2160A ermöglicht bis zu der maximalen Übertragungsbandbreite eine lückenlose Daten-Verschlüsselung. Sie stellt mittels Secure Boot sicher, dass – etwa bei Software-Updates – nur Software aus zertifizierter Quelle geladen wird. Mit mindestens 15 Jahren Verfügbarkeit bietet das für einen Temperaturbereich von mindestens -40° C bis +85° C spezifizierte miriac® MPX-LX2160A Herstellern mobiler Arbeitsmaschinen eine hohe Versorgungssicherheit der Kernkomponente.

Aufgabenoptimiertes Carrierboard

Das zentrale Prozessormodul allein ist nicht alles. Viele Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen verfügen nicht über die erforderlichen Kompetenzen oder Kapazitäten zum Aufbau eines von diesem angetriebenen Gesamtsystems. Für die Entwicklung einer aufgaben-, aber nicht kundenspezifischen Steuerungsplattform für mobile Arbeitsmaschinen nutzte MicroSys einerseits Erkenntnisse, die das Unternehmen in POV.OS (Professional Operating Vehicles Operating System POVOS) gewinnt. Ebenso lässt der bayerische Hersteller seine jahrelange Branchenerfahrung und weitere Kundenanforderungen, beispielsweise aus dem Baumaschinen-Segment, mit einfließen.

Das im POV.OS Kontext angedachte COTS-Carrierboard von MicroSys bietet 3 M.2 Slots und kann mit folgenden Modulen bestückt werden: ein miriac® MPX-LX2160A, ein FPGA-Beschleunigermodul, bis zu drei SSD-Speichermodule oder ein bis zwei Hailo-8™ KI-Prozessormodule. Für den Fall, dass im Projektkontext eine separate Safety Insel benötigt wird, bietet MicroSys basierend auf dem miriac® MPX-S32G274A oder miriac® MPX-S32G399A eine Lösung zur Erweiterung an. Das schafft zusätzliche Rechenleistung für komplexe Aufgaben und eine unabhängige Kontrollinstanz.

Einbaufertiges Gesamtsystem

Zu einem einbaufertigen ruggedized Gesamtsystem wird die Elektronik durch das völlig neu entwickelte Gehäuse. Staub- und wasserfest nach Schutzart IP 68, führt es in der Basisversion zehn GB Ethernet-Schnittstellen über M12-Stecker sowie serielle Datenbusse über einen robusten Fischer-Steckverbinder aus. Über einen betriebsbewährten Deutsch-Steckverbinder erfolgt die Stromversorgung und die Ausführung von drei CANbus-Strängen. Eine wesentliche Aufgabe des Gehäuses ist neben dem Schutz der verbauten Elektronik die Wärmeableitung. Die dabei entstehende Abwärme wird in erster Linie über die Grundplatte an das Fahrzeugchassis abgegeben, an die das Gerät geschraubt ist. Ein kleinerer Teil der Abwärme gelangt über Kühlrippen an der Gehäuseoberseite direkt in die Umgebungsluft.

MicroSys ist es gelungen, die Leistungsaufnahme der voll bestückten Einheit trotz der extrem hohen Verarbeitungsleistung und der Vielfalt an Schnittstellen auf 60 W zu begrenzen. So kommt die Einheit nicht nur ohne bewegliche Teile, sondern auch ohne aktive Kühlung aus. „Die bisherigen Tests bestätigen die hinreichende Kühlwirkung bis zu einer Umgebungstemperatur von mindestens 55°C“, bestätigt Jörg Stollfuß, Applikationsingenieur bei der MicroSys Electronics GmbH. „Mit der neuen Autonomous Control Unit auf Basis des SoM-Moduls miriac® MPX-LX2160A können wir Herstellern mobiler Arbeitsmaschinen ein einbaufertiges Gesamtsystem für die Automatisierung ihrer Produkte anbieten.“ „Mit der neuen Autonomous Control Unit auf Basis des SoM-Moduls miriac® MPX-LX2160A können wir Herstellern mobiler Arbeitsmaschinen ein einbaufertiges Gesamtsystem für die Automatisierung ihrer Produkte anbieten.“

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Der Mensch ist in vielen Bereichen des Lebens und der Wirtschaft auf mineralische Rohstoffe angewiesen, die im Bergbau aus der Erdkruste gewonnen werden. Da diese nicht erneuerbar sind, verringert sich bei konstantem Verbrauch ihre Verfügbarkeit. Deshalb ist es wichtig, bereits bei ihrer Gewinnung auf eine hohe Effizienz zu achten.

Rockstars für die Bergbauindustrie

Der deutsche Baumaschinenhersteller Liebherr kennt die extremen Herausforderungen in der Bergbauindustrie. Das Produktsegment Liebherr Mining erzeugt im elsässischen Colmar (F) und in Newport News, Virginia (USA) Bagger und Muldenkipper für die Rohstoffgewinnung im Tagebau mit Einsatzgewichten bis 800 Tonnen und mit Grabgefäßen bis zu 47,5m³ Inhalt. Diese sind an die spezifischen Anforderungen des Bergbauumfeldes angepasst und werden durch Diesel- oder Elektromotoren angetrieben.

Das Unternehmen schöpft aus über 50 Jahren Erfahrung und stellt durch Qualität, Zuverlässigkeit und innovative Technologien zeit- und kosteneffiziente Bergbauprojekte unter den härtesten Einsatzbedingungen sicher. Um die Wertigkeit der Produkte sicherzustellen, erfolgt die Produktion der Miningbagger mit hoher Fertigungstiefe. So optimieren etwa von Liebherr selbst entwickelte und produzierte Qualitätskomponenten wie z. B. die Elektronik und Steuerungstechnik oder Dreh- und Fahrantriebe die Verlässlichkeit und Leistungsfähigkeit der Maschinen, die auf der ganzen Welt gefragt sind und auf allen Kontinenten im Einsatz stehen.

Datenerfassung und -kommunikation

Ein Ziel der modernen Montantechnik ist, bei möglichst geringem Eingriff in die Natur die Ausbeute zu optimieren und die Materialbewegungen rasch und lückenlos zu dokumentieren. Ein anderes ist, durch vorausschauende Wartung der hochwertigen Bergbaumaschinen deren Verfügbarkeit sicherzustellen.

Um diese Ziele besser als bisher zu erreichen, entschloss sich Liebherr, die MicroSys Electronics GmbH mit der Entwicklung und Produktion einer Connectivity Box für die Verwendung in den schweren Bergbaumaschinen zu beauftragen. Das Unternehmen mit Sitz in Sauerlach bei München (D) entwickelt und produziert als NXP® Gold-Partner mit seinen miriac® System-on-Modules (SoM) applikationsfertige Embedded-Lösungen auf Basis von Arm® Cortex®- Prozessorplattformen. Unter Verwendung dieser SOMs entwickelt MicroSys bei Bedarf auch maßgeschneiderte Systemlösungen. Diese reichen von Embedded-Computing-Plattformen bis hin zu Echtzeit-Steuerungen für mobile Fahrzeuge und stationäre Maschinen oder bandbreitenstarken Netzwerk- und Edge-Computing-Anwendungen. Dabei kann MicroSys auch die Entwicklung einer Präzisionsmechanik oder die Zertifizierung nach internationalen Normen wie der IEC61508 übernehmen.

Die Connectivity Box sollte ein Prozessormodul aufnehmen und ein ganzes Bündel an Schnittstellen bereitstellen, um verschiedene im Fahrzeug erhobene Daten zu konzentrieren, vorzuverarbeiten und über ein vorhandenes WLAN- oder Mobilfunknetz in die Cloud weiterzureichen.

Embedded Computing aus München

“According to the original specification, the connectivity box should be the size of a packet of cigarettes”, Jörg Stollfuß, Field Application Engineer at MicroSys Electronics, recalls. “We actually achieved 260 x 140 x 70 millimeters.” In view of the fact that the central vehicle network SoM miriac® MPX-S32G274A alone has a size of 82 x 50 mm and the box has about 100 external contacts in several connectors, this is a respectable achievement. Even more so, if the impermeability and shock resistance requirements are taken into account as well.

Das mit dem Prozessor S32G2 von NXP® ausgestattete SoM miriac® MPX-S32G274A enthält vier Arm® Cortex®-A53 Prozessorkerne und drei Arm® Cortex®-M7 Kerne mit Lockstep-Support. Für die Kommunikation nach außen verfügt es über 18 CAN FD Schnittstellen und einen dedizierten Protokollgenerator sowie zahlreiche weitere Schnittstellen wie FlexRay, Lin, SPI, Ethernet mit TSN, PCI Express®, USB und I²C. Hinzu kommt eine Hardware Security Engine für sicheres Booten und schnelle Security Services.

Robuste Fahrzeugdatenerfassung

Zur Klärung der Anforderungen erstellte MicroSys eine Konzeptstudie, bei der Systemarchitektur, Mechanik und die ungefähre Bauteileplatzierung festgelegt wurden. Auf dieser Grundlage erfolgte die voll kundenspezifische Entwicklung von Elektronik und Gehäuse der Conbox (Connectivity Box) und der Prototypenbau.

Bei der kundenspezifischen Entwicklung von Trägerplatine und Gehäuse für diese Connectivity Box musste MicroSys die extremen Umweltbedingungen im harten Bergbaubetrieb berücksichtigen. Die Geräte werden fest mit dem Fahrzeugchassis verschraubt. Sie müssen sich für den Betrieb auf bis auf 5.500 m Seehöhe eignen, Temperaturen von -40 bis +70 °C und Vibrationen bis 6G ohne Einschränkungen aushalten und nach IP68 staubdicht und gegen dauerndes Untertauchen geschützt sein. „Solche Vorgaben lassen nur lüfterlose Geräte zu“ , erläutert Jörg Stollfuß. „Zudem herrschen strenge Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).“

Sichere Datenkonzentration

Die Geräte bieten 4GB Arbeitsspeicher in Form einer aufgelöteten eMMC (Embedded Multi Media Card). Dieser Flash-Speicher dient unter anderem als batterieloses Backupmedium. Er gestattet einen Weiterbetrieb bis zu 250 ms zum Überbrücken von kurzen Unterbrechungen der Bordstromversorgung und zum geordneten Herunterfahren des Systems bei länger anhaltenden Stromausfällen. Dem Erhalt von Einstellungen dienen 512 kB EEPROM.

Die Connectivity Box fungiert als zentrales Gateway vom Fahrzeugbus (CAN, Ethernet) zu einer separaten Uplink-Box, von der die Daten über abgesicherten Link in die Liebherr-Cloud reisen. Das dient der vorausschauenden Wartung, aber auch der Übertragung der Transportdaten für das Optimieren der Materialbewegung und das Effizienzmonitoring über einen abgesicherten Link.

Dabei wurde die Connectivity Box bewusst so gestaltet, dass sie sich nicht nur für Neufahrzeuge, sondern auch für das Retrofit und das Upgrade von Bestandsgeräten eignet. Deshalb ist sie für eine Stromversorgung von 19V bis 32V geeignet. Einschließlich dem bestückten Prozessormodul miriac® MPX-S32G274A kommt es mit maximal rund 50W Leistung aus.

Winziger Konnektivitätsgigant

Die Connectivity Box bietet trotz ihrer extrem kompakten Abmessungen ein breites Bündel an Konnektivität. Sie verfügt fahrzeugseitig über acht getrennte CAN-Bus Schnittstellen für die unterschiedlichen Gewerke im Fahrzeug, z. B. Motorsteuerung, Schaufelsteuerung, etc. Deren Daten werden mittels Software des Fahrzeugherstellers über bis zu fünf Gigabit-Ethernet Schnittstellen konzentriert, zum Großteil kombiniert und vorgefiltert sowie zwischengespeichert, ehe sie über ein fahrzeugseitig vorhandenes Modem in die Liebherr-Cloud abgegeben werden.

Zusätzlich ist die nach ISO13766 EMV-zertifizierte Connectivity Box mit einem Gigabit Ethernet Switch ausgestattet. Zwei der sechs Ports können mit 15 W Power over Ethernet ohne getrennte Stromversorgungsleitungen verwendet werden. Hinzu kommen eine PCI Express Schnittstelle und zwei serielle UART-Schnittstellen. Ergänzt wird das Konnentivitätsportfolio durch ein GPS-Modul zur unabhängigen Positionsbestimmung, eine USB-Schnittstelle für Programmierung oder Updates und ein WLAN-Modul für Wartungseingriffe vor Ort per Tablet. Ausgeführt ist diese umfangreiche Konnektivität über einen 47-poligen Rundstecker, acht über X-codierte M12 Ethernet-Stecker und einen USB Typ C Steckverbinder.

Die Entwicklung erfolgte nicht zuletzt infolge der COVID-Pandemie in mehreren Iterationen, auch weil nach der Lieferung der Prototypen noch Anforderungen nachgereicht wurden. „Bei den seit Ende 2021 im Feld befindlichen Vorseriengeräten gab es bisher keine Ausfälle“, freut sich Frédérique Muller, Leitung R&D Electrics, Electronics and Cloud Services bei Liebherr Mining Equipment. „Deren endgültige Abnahme erwarten wir für Ende 2024.“ Danach ist eine Serie mit jährlich ca. 150 Stück geplant, dazu kommen Geräte für die Nachrüstung bestehender Maschinen.

Über Liebherr:

Die Firmengruppe Liebherr ist ein familiengeführtes Technologieunternehmen mit breit diversifiziertem Produktprogramm. Das Unternehmen zählt zu den größten Baumaschinenherstellern der Welt. Es bietet aber auch auf vielen anderen Gebieten hochwertige, nutzenorientierte Produkte und Dienstleistungen an. Die Firmengruppe umfasst heute über 150 Gesellschaften auf allen Kontinenten. Im Jahr 2023 beschäftigte sie mehr als 50.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter und erwirtschaftete einen konsolidierten Gesamtumsatz von über 14 Milliarden Euro. Gegründet wurde Liebherr von Hans Liebherr im Jahr 1949 im süddeutschen Kirchdorf an der Iller. Seither verfolgen die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter das Ziel, ihre Kunden mit anspruchsvollen Lösungen zu überzeugen und zum technologischen Fortschritt beizutragen. Unter dem Motto „75 years of moving forward“ feiert die Firmengruppe im Jahr 2024 ihr 75-jähriges Bestehen.

Liebherr-Mining Equipment Colmar SAS
49 rue Frédéric Hartmann
CS 50038
68025 Colmar Cedex
France
E-Mail: info.lec@liebherr.com
www.liebherr.com

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Autonom agierende Fluggeräte werden künftig Personen- und Gütertransporte übernehmen und so eine flächendeckende Infrastruktur ermöglichen. Mit der Initiative BayCHAMP fördert der Freistaat Bayern die Entwicklung bayerischer Computerhardware für Air Mobility Plattformen für kleinere bis mittlere Flugsysteme, in die sich klassische Avionik-Plattformen nur schwer integrieren lassen. Als Konsortialführer hat MicroSys eine innovative Plattform entwickelt, die höchste Sicherheit und Zuverlässigkeit garantiert und so zur bayerischen Standortentwicklung in Luft- und Raumfahrt beiträgt.

Bayern ist ein wichtiger Standort für Forschung und Entwicklung im Bereich Luft- und Raumfahrt. So gelingt dem Freistaat im Süden der Bundesrepublik Deutschland eine hohe Wertschöpfung und Beschäftigungsquote in dieser hochtechnologischen Branche. Ein Konglomerat an Herstellern und Zulieferern sowie universitärer und außeruniversitärer Forschungseinrichtungen deckt die gesamte Wertschöpfungskette ab und trägt zum Ruf als führende Region in der Branche bei.

Bayerische Luftfahrtstrategie

Um den fachlichen Führungsanspruch von Bayern als hochinnovativer Standort für Luft- und Raumfahrt abzusichern, unterstützen Regierung und Parlament des Freistaates die Aktivitäten von Unternehmen und Forschungseinrichtungen. So startete das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi) im Rahmen der Bayerischen Luftfahrtstrategie 2030 die Holistsiche Air Mobility Initiative Bayern (HAMI). Zu deren Zielen gehört die Förderung der Einbeziehung neuartiger, fliegender Verkehrssysteme in den städtischen und regionalen Verkehr zum Güter- und Personentransport.

Im Kontext dieser übergeordneten Strategie steht das StMWi als Fördergeber für zukunftsorientierte Projekte zu Verfügung. Die Automatisierung und der Einsatz autonomer Funktionen im Güter- und Personentransport stellen die Grundlage der Forschungsprojekte dar. Weiters müssen die geförderten Entwicklungen operativ umsetzbar und nahtlos in bestehende Infrastrukturmodelle bzw. Verkehrssysteme integriert werden können und so langfristig die führende Rolle der deutschen Luftfahrtindustrie auf dem Weltmarkt absichern.

Computerhardware für die Avionik von morgen

Zur Weiterentwicklung des Luftfahrt-Standorts Bayern entstand innerhalb der HAMI die Mitte 2022 gestartete Initiative BayCHAMP. Ziel des noch bis Ende 2024 laufenden und mit mehreren Millionen Euro dotierten Programms ist die Förderung der regionalen Entwicklung und Produktion bayerischer Computerhardware für Air Mobility Plattformen für kleinere bis mittlere Flugsysteme, in die sich klassische Avionik-Plattformen nur schwer integrieren lassen.

„Um Personen ohne klassische Pilotenausbildung die Nutzung solcher Fluggeräte zu ermöglichen, müssen solche Systeme die Fähigkeit zur Berechnung und Ausführung autonomer Flugbewegungen bieten“, nennt Ina Sophia Schindler, Geschäftsführerin von MicroSys Electronics GmbH. „Zugleich machen die hohen Ansprüche an die Sicherheit die Absicherung durch dreikanalig dissimilarer Komponenten und strenge Zulassungsprozeduren für die Systeme erforderlich.“

Modulare Flight Control Systeme

Im Rahmen von BayCHAMP entwickelte MicroSys das System-on-Modul miriac® MPX-S32Z2. Dabei handelt es sich um eine leistungsstarke und vielseitig einsetzbare Plattform für hochinnovative Anwendungen vor allem im Bereich Luft- und Raumfahrt, sowie der Automobilindustrie und im Maschinenbau. miriac® System-on-Modules sind anwendungsfertige Plattformen auf Basis der NXP® Prozessor Technologie. Die Module sind “Made in Germany“ und unterstützen alle Prozessor-integrierten Funktionen mit einem umfassenden, perfekt aufeinander abgestimmten Paket.

Als Systemintegrator und Gesamtsystemhersteller eines Flight Control Computers tritt die AEE Aircraft Electronic Engineering GmbH auf. Dazu integriert das zertifizierte Unternehmen mittels einer im Haus entwickelten Trägerplatine (Carrier Board) das miriac® MPX-S32Z2 Modul gemeinsam mit einem leistungsfähigen Rechnermodul miriac® MPX-S32G399A. Auf dessen Basis erstellt die auf Software spezialisierte Tech S.A.T. GmbH den für die Sicherheit erforderlichen dritten Kanal.

Autonomes Fliegen ermöglichen

„Aufgrund der Echtzeit-Anforderungen läuft die schnelle Regelungstechnik auf dem miriac® MPX-S32GZ2“, führt Ina Sophia Schindler aus. „Dabei sorgt die Architektur des verwendeten NXP-Prozessors für kompromisslosen Datendeterminismus.“ Dieser ist erforderlich, um die nötige Zuverlässigkeit zu gewährleisten, um das Flight Control System auch für autonomes Fliegen einzusetzen. Dabei ist auch die Kombination mit dem miriac® MPX-S32G399A von Bedeutung. Es liefert unter anderem die nötige Rechenleistung für das Berechnen komplexer Flugbahnen.

An erster Stelle steht selbstredend die Sicherheit im Transport von Personen. Eine enorme Bedeutung kommt daher der Erlangung der nötigen Zulassungen zu. Die Gesamtzulassung ist natürlich Sache des Systemherstellers. MicroSys unterstützt diesen mit Komponenten wie dem MPX-S32G Modul, das bei seiner Entwicklung bereits vollständig für die entsprechenden Zulassungen vorbereitet wurde. Auch das MPX-S32Z2 Modul ist mit den nötigen zulassungsrelevanten Artefakten ausgestattet. So steht einem zukunftsnahen Einsatz nichts im Weg.

„Im letzten Projektschritt erfolgen die bereits geplanten Testflüge, um die Zuverlässigkeit der Rechnerplattform unter realen Bedingungen zu demonstrieren und für eine Zulassung vorzubereiten“, freut sich Ina S. Schindler, Geschäftsführerin von MicroSys. „Damit erfolgt der letzte Schritt zur erfolgreichen Umsetzung der Ziele von BayCHAMP.“

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Die funktionale Sicherheit minimiert das Risiko von Verletzungen und Beschädigungen im Zusammenwirken von Mensch und Technik; Redundanz und mehrkanalige Datenverarbeitung gewährleisten Hochverfügbarkeit und verhindern katastrophale Fehlfunktionen. Während die Zertifizierung sicherheitsrelevanter Steuerungssysteme weiterhin Sache der Gesamtsystemhersteller bleibt, bietet MicroSys diesen zertifizierungsfreundliche System-on-Module und eine einbaufertige Hardwareplattform. Das erleichtert und beschleunigt die Entwicklung anwendungsspezifischer sicherer Lösungen für hochautomatisierte Maschinen und Anlagen.

Geräte, Fahrzeuge, Maschinen oder Anlagen sind heute hoch automatisiert, tauschen Daten aus und interagieren miteinander, teilweise auch vollkommen autonom. Das Internet der Dinge (IoT) beschleunigt diesen Trend. Dennoch erfolgt immer auch eine direkte oder indirekte Interaktion zwischen Mensch und Maschine.

Fehlfunktionen verhindern

Eine wesentliche Voraussetzung für die Nutzung automatisierter Systeme ist deren sicherer Betrieb. In allen technischen Branchen, von Kraftwerken und Verkehrsmitteln über Industrieanlagen und Medizintechnik bis zu Haushalts- und Unterhaltungsgeräten, spielt deshalb die funktionale Sicherheit (engl. Functional Safety; FuSa) eine zentrale Rolle.

Um das Risiko von Verletzungen und Beschädigungen zu minimieren, muss FuSa Fehlfunktionen infolge von Konstruktions-, Produktions- oder Dokumentationsfehlern, betrieblichen Ausnahmesituationen und Fehlbedienungen verhindern und das System in einen sicheren Zustand versetzen. Um das Verletzungsrisiko zu minimieren, entziehen Maschinen- und Anlagenhersteller die beweglichen Komponenten komplexer Maschinen dem menschlichen Zugriff. Eine Schutzverletzung durch Öffnen von Türen oder Abdeckungen führt ebenso wie das Betätigen eines Notausschalters zum Stillstand der Anlage.

Mit Sicherheit produktiver

Dazu wurden Sicherheitsschaltungen lange Zeit durch harte Verdrahtung in Relaistechnik realisiert. Diese waren von der Steuerungselektronik völlig unabhängig und erschwerten flexible, über eine plötzliche Systemabschaltung hinausgehende Reaktionen. Zudem erschwerte deren geringe Flexibilität Aus- und Umbauten an den zu schützenden Anlagen. Immer komplexere, häufig modular aufgebaute und im Betrieb veränderliche Maschinen und Anlagen machen eine differenziertere Reaktion auf unterschiedliche Schutzverletzungen erforderlich. Auch ist es nicht immer einfach möglich, Maschinen oder Anlagen einzuzäunen. Speziell bei mobilen Arbeitsmaschinen oder Transportsystemen entfällt diese Option, während deren zunehmender Automatisierungsgrad die Sicherheitsanforderungen an ihre Steuerungssysteme weiter steigen lässt.

Deshalb sind mittlerweile frei programmierbare Sicherheitssteuerungen Standard. Gemeinsam mit diesen bildet eine fortschrittliche sicherheitsgerichtete Sensorik die Basis für eine zugleich anwendungsfreundliche und effektive Gestaltung der Sicherheitstechnik. So ermöglichen 360°-Laserscanner und Time-of-Flight (ToF) Kameras die sicherere Gegenstands- und Personenerfassung als Grundlage eines sicheren Betriebs von fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF/AGV) und autonomen mobilen Robotern (AMR).

Der Datenaustausch mit IO-Baugruppen, Sensoren und Aktoren erfolgt in modernen FuSa-Konzepten über Datenbusse. Dabei kommt, zumindest in Ethernet-basierten Netzwerken, meist das „Black Channel“ Prinzip zu Anwendung, bei dem die potentiellen Fehlerquellen der Übertragungsstrecke über Safety-Datenprotokolle abgefangen werden. Auf Telegrammebene sind beispielsweise Daten mehrfach vorhanden und durch Prüfsummen oder kryptografisch geschützt. So können Nachrichten bestätigt und die Übertragungsstrecke periodisch auf Funktion geprüft werden.

Mit Sicherheit mehr Freiheit

Dadurch lassen sich sicherheitsgerichtete Steuerungen und I/O-Baugruppen zur Anbindung der Sensoren an beliebiger Stelle im System platzieren. Zudem bieten elektrische Antriebe heute mit sicherheitsgerichteten Funktionen nach EN 61800-5-2 wie sicher abgeschaltetes Moment (STO), sichere Bewegungsrichtung (SDI), sichere Geschwindigkeit (SLS) oder sicher begrenzte Beschleunigung (SLA) zahlreiche Alternativen zur bloßen Abschaltung.

Der Einsatz dieser sanfteren Mechanismen zum Schutz des Personals hilft unter anderem, Beschädigungen durch abrupte Sicherheitsabschaltungen zu vermeiden. Ein sicherer Zustand ohne vollständigen Stillstand erleichtert den Einrichtebetrieb und ermöglichte die Entwicklung kollaborativer Industrieroboter, sogenannter Cobots. Diese sind auch ohne trennende Schutzeinrichtung ausreichend sicher, um mit dem menschlichen Kollegen Hand in Hand zu arbeiten.

Über den gemeinsamen Bus kann die nicht sichere Steuereinheit auch den aktuellen Zustand der Sicherheits-Sensorik abfragen. Das ermöglicht die einfache Inbetriebnahme oder Diagnose bei Fehlerzuständen. Zudem lassen sich bei sicherheitsbedingten Stillständen durch entsprechende Prozessanpassungen problematische Anlagenzustände im Vor- oder Nachlauf verhindern. Eine parametrierbare und damit modifizierbar gestaltete FuSa-Programmierung kann darüber hinaus auch bedarfsgerechte Veränderungen der Konfiguration modularer Maschinen oder Anlagen zulassen, um diesen die Eignung für die Herausforderungen von Industrie 4.0 zu verleihen.

Sicherheit durch Verfügbarkeit

Während es bei Industriemaschinen und -anlagen gute Praxis ist, sie in einen definierten Zustand mit reduziertem Gefahrenpotenzial zu bringen, gibt es einen solchen bei anderen Anwendungen oft überhaupt nicht. Man denke an einen Trieb- oder Leitwerksausfall im fliegenden Flugzeug, an ein Bremsversagen im Eisenbahnzug oder an eine Fehlfunktion der Lenkung im Automobil.

Solche Fälle erfordern eine andere Form der Sicherheit, nämlich einen Schutz vor Systemausfall durch hohe Verfügbarkeit. Hergestellt wird die sogenannte Ausfallsicherheit meist durch redundant aufgebaute Computersysteme. Dies kann von einer einfachen Verdoppelung der Rechenkanäle mit Informationsredundanz (beide haben Zugriff auf Ein/Ausgangsdaten) bis hin zu mehrfach redundant-dissimilaren Systemen mit 5-15 Steuerungsrechnern, mit diversen Rückfallebenen und Notbetriebsmodi im Luftfahrtbereich reichen.

Besonders gefragt ist die Dissimilarität der Berechnungskanäle in Anwendungen mit sehr hohem Gefährdungspotential, etwa in der Luftfahrt, aber auch für Anwendungen der höchsten Sicherheitslevel (SIL3, SIL4) in Industrie- und Bahnanwendungen. Um Single-Event-Upsets, Speicherfehlern oder besonders schwer aufzulösenden Fehlerkaskaden sowie Common-Cause-Failures zu begegnen, kommen dabei zumeist unterschiedliche Prozessoren in den redundanten Rechenkanälen zum Einsatz. Dies schützt auch vor Chargenfehlern eines Herstellers, die bei Ziel-Ausfallraten unterhalb von 10-9 bzw. 10-10 pro Betriebsstunde ebenfalls zu betrachten sind.

Modulare Sicherheit

Für die sicherheitsgerichtete Ausgestaltung von Maschinen oder Anlagen für die industrielle Produktion bieten sich handelsübliche, nach IEC 61508 zertifizierte Safety-Systeme arrivierter Automatisierungssystemhersteller an. Für zahlreiche andere Aufgaben, aber auch für Entwicklung und Herstellung dieser Safety-CPUs ist es erforderlich, hardwareseitig auf einer anderen Ebene anzusetzen.

Dafür bietet sich als oft wirtschaftlichere und risikoärmere Alternative zur völligen Neuentwicklung vom Halbleiter weg die Verwendung von System-on-Modules (SoMs) an. Diese haben den Vorteil, dass sich Systemhersteller bei der Entwicklung von Elektronikbaugruppen nicht mit den komplexen prozessornahen und bei heutigen Taktraten tief in die Physik reichenden Themen herumschlagen müssen. So können sie sich bei der Systementwicklung auf die Entwicklung der Software und die Bedienung handhabbarer Schnittstellen an den Modulgrenzen konzentrieren.

Der bayerische Hersteller MicroSys Electronics GmbH entwickelt und produziert als Gold Partner des europäischen Prozessorherstellers NXP SoMs auf Basis von dessen Prozessortechnologie. „Moderne Multicore-Prozessoren von NXP wie der S32G sind nicht nur sehr leistungsfähig, sondern eignen sich durch ihre spezifische Architektur besser als viele andere für die Entwicklung sicherer Steuerungssysteme“, erklärt Jörg Stollfuß, Field Application Engineer bei MicroSys Electronics. „Auf dieser Basis schufen wir einfach zu integrierende Module mit zertifizierungsfreundlichem Design als Alternative zu FuSa-Eigenentwicklungen auf Platinenebene.“

Die miriac® SoMs von MicroSys bringen alle Voraussetzungen mit, um bei entsprechender Außenbeschaltung und Software auf dem Weg zur Zertifizierung nicht auf hardwareseitige Hürden zu stoßen. Dazu gehören Merkmale wie z. B. eine separate Überwachung der Stromversorgung, die auch das Realisieren eines unabhängigen Watchdog Timers ermöglicht. Auch verbaut MicroSys in den miriac®-SoMs nach der strengen Automobilnorm AEC-Q100 qualifizierte Bauteile , um erhöhte Anforderungen an die Fertigungsqualität der Halbleiter mit abzudecken. Wesentlichen Einfluss auf die Zertifizierbarkeit von Rechnersystemen hat allerdings die anwendungsspezifische Software. Deshalb sind SoMs im Gegensatz etwa zu sicherheitsgerichteten Sensoren nicht als vorzertifizierte generische Sicherheitselemente verfügbar.

Application Ready Plattform

Die Mehrkern-Prozessorarchitektur moderner Prozessoren lässt sich nicht ohne weiteres dazu nutzen, sichere und nicht-sichere Applikationen (Mixed-Criticality) auf einem einzigen Prozessor parallel abzuarbeiten. Noch weniger eignet sie sich aufgrund der vielfältigen Common-Cause-Fehlerpotentiale und der generellen Basisausfallrate der komplexen Halbleiter für den Aufbau von redundanten Systemen oder gar eines mehrkanaligen Systems für hoch sichere Anwendungen auf Basis eines einzigen Prozessors.

Deshalb entwickelte MicroSys die Hardware für eine aufgaben-, aber nicht kundenspezifische Steuerungsplattform als einbaufertiges Gesamtsystem, zunächst in erster Linie für mobile Arbeitsmaschinen. Kernprodukt ist ein Carrierboard, das neben dem zentralen miriac® MPX-LX2160A über drei M.2 Slots verfügt, die für bis zu drei SSD-Speichermodule oder ein bis zwei Hailo-8™ KI-Prozessormodule genutzt werden können. Optional ist die Erweiterung mit einem miriac® MPX-S32G274A oder miriac® MPX-S32G399A angedacht. Auf diese Weise kann es eine sehr hohe Rechenleistung für komplexe Aufgaben erlangen, alternativ aber auch einen unabhängigen, dissimilaren internen Rechenkanal. Damit lässt sich die Sicherheitsstufe SIL 3 erzielen. Neu entwickelt wurde auch das Gehäuse, das die Elektronik erst zu einem einbaufertigen Gesamtsystem macht. Staub- und wasserfest nach Schutzart IP 68, dient es neben dem Schutz der verbauten Elektronik der Wärmeableitung. Da es MicroSys gelungen ist, die Leistungsaufnahme der voll bestückten Einheit trotz der extrem hohen Verarbeitungsleistung und der Vielfalt an Schnittstellen auf 60 W zu begrenzen und vollständig passiv abzuführen, kommt das Gerät ohne Lüfter oder andere aktive Kühlung aus.

„Mit dieser Autonomous Control Unit auf Basis des SoM-Moduls miriac® MPX-LX2160A bietet MicroSys nicht nur Herstellern mobiler Arbeitsmaschinen eine einbaufertige, modular ausbaufähige Hardwareplattform für die Automatisierung ihrer Produkte an“, bestätigt Ina S. Schindler, Geschäftsführerin der MicroSys Electronics GmbH. „Diese können sich daher voll auf die Entwicklung der Software konzentrieren.“

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