EF 2016

Software/Tools/Kits
trächtigen. Um diese Einflüsse zu
umgehen, können entsprechende
Prozesse stattdessen im Dedicated-
Modus ausgeführt werden.
Speedloop-Modus für
Frequenzen bis zu 1 MHz
und mehr
Hierbei werden einzelne exklusiv
verwendbare CPU-Kerne bereitgestellt,
welche ausschließlich für das
Echtzeitsystem zur Verfügung stehen.
Windows wird dabei schon im
Bootvorgang angewiesen, auf weniger
Kernen hochzufahren, so dass
Echtzeit und Windows parallel laufen,
anstatt sich Ressourcen teilen
zu müssen. Auf diese Weise können
Echtzeit-Timer mit Task-Frequenzen
von bis zu 100 kHz, bei
Abweichungen von bis hinunter zu
1 µs realisiert werden. Im speziellen
„Speedloop-Modus“ kann darüber
hinaus eine CPU exklusiv mit einer
einzelnen Callback-Funktion belegt
werden, womit sogar Frequenzen bis
zu 1 MHz und mehr erzielbar sind.
Stabiles Jitterverhalten
Neben den aktuellen Vorteilen
für Präzision und Effizienz werden
dedizierte CPUs zum Erreichen von
Echtzeit auch für die nahe Zukunft
an Bedeutung gewinnen. Bereits
Anfang 2015 wird der Mainstream
Support von Windows 7 eingestellt,
wodurch es für die meisten zukünftigen
Entwicklungen schließlich
auf Windows 8 und folgende Versionen
hinausläuft. Ab Windows 8
ist die geteilte Nutzung von Ressourcen
ohnehin nicht mehr möglich,
was den Shared-Modus letztendlich
ausschließt. Deshalb stellt
hier die Trennung von Windows und
Echtzeit den logischen Schritt dar,
um ein stabiles Jitterverhalten zu
garantieren.
Prioritätsgesteuertes,
präemptives Multitasking-
System
Das Echtzeitsystem der „Real-
Time Suite“ selbst ist einem autark
betriebenen Echtzeitbetriebssystem
ebenbürtig. So stellt das prioritätsgesteuerte,
präemptive Multitasking-
System dabei sicher, dass die wichtigsten
Tasks auf jeder logischen
CPU stets zuerst ausgeführt und
unterbrochene Prozesse am Punkt
des Interrupts fortgesetzt werden.
Weiterhin wird zur Vermeidung der
Prioritätsinversion die Methode
der Prioritätsvererbung verwendet.
Bis zu 255 Prioritätsstufen können
konfiguriert und zudem dynamisch
angepasst werden, wobei
Tasks mit gleicher Prioritätsstufe
nach dem „Round-Robin”-Verfahren
behandelt werden. Bei all diesen
Prioritätsmechanismen besitzt
Windows stets die Stufe 0, also die
geringste Priorität, um sicherzustellen,
dass die relevanten Ressourcen
vorrangig für das Echtzeitsystem
bereitstehen.
Vielfältige Synchronisationsmechanismen,
wie zum Beispiel
Semaphore, Mutexe, Events und
Pipes stehen zur Verfügung. Auch
zur schnellen Kommunikation zwischen
Echtzeitkontext und Anwendung
werden Events, Shared Memory,
Daten- oder Message-Pipes sowie
Sockets bereitgestellt.
Nativer Maschinencode
Da zum Erreichen von “harten”
Echtzeiteigenschaften die Ausführung
des Anwendungscodes
auf der Kernel-Ebene vorausgesetzt
wird, müssen die verwendeten
Programmiersprachen in der
Lage sein, nativen Maschinencode
zu erzeugen. Hierbei können
Anwender auf vertraute Sprachen
wie C/C++ oder Delphi zurückgreifen
sowie weit verbreitete Entwicklungsumgebungen
wie z.B. Microsoft
Visual Studio nutzen.
Anbindung an die
Außenwelt
Die modulare Verknüpfung des
Systems mit externen Geräten und
Prozessen erfolgt über verschiedene
Schnittstellen im Echtzeitkontext.
Sollen mehrere Steuerungseinheiten
und Sensor-/Aktor-Baugruppen
auch untereinander große Mengen
an Prozessdaten mit garantierten
Jitterzeiten transferieren, so
bietet sich auf der Feldebene eine
Echtzeit-Lösung auf der Grundlage
des Ethernet-basierten Automatisierungsprotokolls
EtherCAT an. Der
EtherCAT Master ist dabei in der
Echtzeitumgebung von Kithara integriert
und ermöglicht Zykluszeiten
bis hinab zu etwa 50 µs. Weiterhin
umfasst der Master alle von Ether-
CAT bekannten Mechanismen wie
Topologieerkennung, Distributed
Clocks zur genauen Zeitsynchronisation
der Ein- und Ausgangssignale,
Hot-Connect und Kabelredundanz
sowie die gängigen Protokolle
wie zum Beispiel für Ethernet-
Kommunikation, Dateitransfer oder
sicherheitsgerichtete Steuerungen.
Zukunftsweisende Automatisierungsanlagen
profitieren mit PCs als Slaves
in einer höheren Topologie oder
dem EtherCAT Automation Protocol
für schnelle ebenenübergreifende
Peer-to-Peer-Kommunikation
zudem von einer hohen horizontalen
Skalierbarkeit.
Nachfrage stark gestiegen
Auf dem Gebiet der Automatisierung
gewinnt vor allem die industrielle
Bildverarbeitung weiter an
Bedeutung. Die immer leistungsfähigeren
Kameras, mit modernen
Standards wie GigE Vision oder
USB3 Vision, finden vermehrt Einsatz
in der Robotik, Fertigung, Medizintechnik
oder bei der Qualitätssicherung.
Auch in diesen Bereichen
steigen jedoch stetig die Anforderungen
und damit die Nachfrage
an Echtzeitlösungen. Wurden früher
Werkstücke oder Schüttgut
nur stichprobenartig einer Qualitätskontrolle
unterzogen, so stellen
heutige Ansprüche bereits die
Aufgabe, jedes einzelne Teil präzise
zu erfassen und die Bilddaten an
verarbeitende Prozesse weiterzugeben.
Bei steigenden Verarbeitungsmengen
und schnellen Durchlaufzeiten
kann dies ebenfalls nur noch
in Verbindung mit harten Echtzeiteigenschaften
bewerkstelligt werden.
Harte Echtzeit ist kein bloßes
Leistungsmerkmal. Für zahlreiche
Anwendungen ist sie eine strikte
Voraussetzung. Dass die Anzahl
solcher Applikationen auch weiterhin
stark steigen wird, zeigen
Bereiche wie Automatisierung
oder Bildverarbeitung. So
können präzise Robotersysteme
hochfrequent Sensordaten
abfragen, um sich exakt auf
den Zehntel Millimeter genau
zu bewegen oder Bildverarbeitungssysteme
Schüttgut noch
Fazit
Baugruppen besser
entwickeln und testen
Die im Automobilbereich verwendeten
Bussysteme LIN, CAN oder
FlexRay können ebenfalls unmittelbar
aus dem Echtzeitsystem heraus
angesprochen und gesteuert werden.
Für Automobilhersteller und -zulieferer
ist dies von Bedeutung, da auf
diese Weise Geräte und Baugruppen
besser entwickelt und getestet
werden können. Auch die Integration
in größere Baugruppen oder
ganze Fahrzeuge lässt sich so mit
realistischem Zeitverhalten überprüfen.
Hochpräzise Prüfstände
garantieren damit geringe Reaktionszeiten,
um genaueste Testresultate
zu erzielen.
Grundsätzliche
Datenübertragung
Im Bereich der allgemeinen Industriekommunikation
sind Echtzeittreiber
für die gängigsten Schnittstellen
wie Ethernet oder USB vorhanden,
auf denen moderne Automatisierungs-
und Bildverarbeitungssysteme
aufgebaut sind. So wird
Echtzeit auch für die grundsätzliche
Daten übertragung bereitgestellt.
Wer noch tiefer in die Hardware eingreifen
will, kann darüber hinaus über
Zugriffe auf I/O-Register, den physischen
Speicher und die Behandlung
von Interrupts sogar komplett
eigene Echtzeit-Treiber für beliebige
Hardware-Baugruppen und
Steckkarten erstellen.
• Kithara Software GmbH
info@kithara.de
www.kithara.de
im Fallen erfassen, auswerten
und punktgenau aussortieren.
Ohne ein Echtzeitsystem würde
auch der leistungsfähigste PC
zwar die Verarbeitungsleistung
erhöhen, der kritische Aspekt
bliebe jedoch die fehlende
garantierte Reaktionszeit. Die
modulare Echtzeiterweiterung
»RealTime Suite« von Kithara
stellt die hierfür benötigten
Mechanismen zur Verfügung, um
fortschrittliche Industrielösungen
zu ermöglichen.
Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2016 145