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)
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.
Linux OS Betriebssystem
Das Linux OS hat im Umfeld von Embedded Vision einige Vorteile. So gibt es die Möglichkeit, Real Time Linux einzusetzen – mit besserem Zeitverhalten, bei höheren Echtzeitanforderungen. Zudem – im Gegensatz zu Windows Embedded – werden bei Linux nur Stück für Stück die Software, Treiber und Zusatzprogramme installiert, die auch wirklich erforderlich sind. Der Überblick bleibt somit besser gewahrt. Windows Embedded kann man zwar von seiner Gesamtfunktionalität reduzieren, nach mehreren Jahren hat sich jedoch gezeigt, dass dieses niemand wirklich fordert. Die typischen Windows OS Risiken bleiben erhalten und müssen von den Applikationsentwicklern beherrscht werden. Ein weiterer interessanter Aspekt ist, dass Linux zunehmend auch in den Kameras selbst zum Einsatz kommt, Stichwort Vorverarbeitung. So arbeitet die 10GigE-Zeilenkamera exposure vom AIT intern ebenso mit Linux, wobei Funktionalitäten zwischen Kamera und Embedded Rechner verschoben werden können. Bereits vor fünfzehn Jahren gab es die Idee, auf DSP-basierten VisionBoxen Halcon-Funktionen embedded zu nutzen. Inzwischen läuft auch Embedded Halcon auf dem ARM A 72 ab und nutzt teilweise auch die Neon SIMD Beschleuniger. Anspruchsvolle Applikationen können somit zeitsparend umgesetzt werden.
