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10-2015

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Bauelemente Steckmodul

Bauelemente Steckmodul konfiguriert Hardware mit Java FPGA-Anwendungen ohne Hardwarebeschreibungssprache nutzen Kostenaufwand neu konfiguriert und damit auf den aktuellen Stand der Technik gehalten werden. Die Eigenschaft des geringeren Design risikos spielt insbesondere im Zusammenhang mit Kommunikationsprotokollen eine große Rolle, deren Spezifikationen sich mit der Zeit ändern können. Darüber hinaus verfügen FPGAs über die notwendigen Funktionen, um in kürzester Zeit Prototypen zu erstellen und zu testen. Auf diese Weise wird der Entwicklungs- und Fertigungsprozess von Produkten verkürzt, was sich positiv auf die Time-to-Market auswirkt. Des Weiteren verwenden Raspberry-Pi-Nutzer FPGA-Module, um den Single-Board-Computer mit weiteren Schnittstellen auszurüsten. Insgesamt lässt sich festhalten, dass sich FPGA-Module speziell als Universaladapter eignen, um Hardware nach den eigenen individuellen Vorgaben zu konfigurieren. Autor: Marc Hankmann, IT-Journalist für WORDFINDER FPGAs entwickeln sich immer mehr zu einer effektiven Alternative zu CLPDs, ASICs oder Microcontrollern. Sie bieten eine ganze Reihe von Vorteilen, doch viele Software- Entwickler schrecken aufgrund der komplizierten Hardwarebeschreibungssprache, mit der das FPGA- Verhalten beschrieben wird, vor der Nutzung zurück. Dabei gibt es inzwischen eine Lösung für die FPGA- Konfiguration, die ohne Hardwarebeschreibungssprache auskommt. Wurden FPGAs früher lediglich als „Glue-Logic“ verwendet, hat ihre rasante Weiterentwicklung dazu geführt, dass sie heute in vielfältigen Bereichen der Digitaltechnik Anwendung finden, vor allem dort, wo schnelle Signalverarbeitung und flexible Schaltungen gefragt sind. So finden sich FPGAs im Rahmen der Realtime-Verarbeitung in einer Vielzahl von Algorithmen – von einfachen bis hin zu sehr komplexen. Sie erhöhen die Effizienz einer Programmierung, wenn zum Beispiel für einen ganz konkreten Fall, wie etwa für kryptografische Berechnungen, eine Hardwarebeschleunigung generiert werden soll oder wenn eine Schnittstelle unabhängig von einer CPU bestimmte Tasks ausführen soll. Hier zeigen sich die Vorteile von FPGAs gegenüber einem Microcontroller. So werden die integrierten Schaltkreise beispielsweise in Systemen eingesetzt, in denen spontan mehrere Schnittstellen wie GPIOs, SPI oder CAN-Bus zur Verfügung stehen müssen. Darüber hinaus verarbeiten FPGAs Informationen parallel, während ein Microcontroller Programme sequenziell abarbeitet und dadurch die Leistungsfähigkeit einer Anwendung einschränkt. Höhere Flexibilität Im Vergleich zu ASICs bieten FPGAs mehr Flexibilität, denn sie können ohne größeren Zeit- und Vordefinierte Komponenten in Java Um ein FPGA zu konfigurieren, wird eine Hardwarebeschreibungssprache wie Verilog in den USA oder das in Europa weit verbreitete VHDL eingesetzt. Derartige Hardwarebeschreibungssprachen führen Befehle nicht sequenziell Zeile für Zeile aus, wie es Software-Entwickler von anderen Programmiersprachen gewohnt sind. Eine Hardwarebeschreibungssprache ähnelt vielmehr einem Schaltplan, durch den mehrere Befehle gleichzeitig ausgeführt werden. Dadurch nimmt im Vergleich zu einer sequenziell strukturierten Programmiersprache die Komplexität zu, weshalb viele Software-Entwickler den mühevollen Einstieg in eine Hardwarebeschreibungs sprache meiden. Hinzu kommt, dass die Gesamtkosten für FPGAs ab einer bestimmten Stückzahl über denen von ASICs liegen. Zwar fallen die Kosten für die Entwicklung bis hin zur Fertigung für einen ASIC höher aus als bei einem FPGA, jedoch lohnen sich letztere nur bei benutzerdefinierten Hardwarefunktionen für eine vergleichsweise geringe Anzahl von Systemen. 50 PC & Industrie 10/2015

Bauelemente easyFPGA Eine Lösung zur Nutzung von FPGAs ohne jedwede Kenntnisse einer Hardwarebeschreibungssprache präsentiert die os-cillation GmbH mit dem Steckmodul easyFPGA. Der Software-Entwickler führt eine zusätzliche Abstraktionsebene ein, mit der sich aus der Hochsprache Java vordefinierte Komponenten nutzen lassen. os-cillation nennt diese Komponenten easyCores, die über Java frei zusammengesetzt werden können. Aus einer solchen FPGA-Definitionsklasse wird VHDL generiert und an das Synthesewerkzeug übergeben. Zum easy- FPGA-Modul gehört ein SDK, in dem neben GPIO die Komponenten Frequenzteiler, 8- und 16-Bit PWM, MIDI und die Schnittstellen SPI, UART und I 2 C integriert sind. Die Integration eines CAN-Bus- Interfaces ist über ein CAN-Wrapper möglich. os-cillation hat das SDK auf Open-Source-Basis entwickelt, so dass jeder Anwender auf das Kit zugreifen und eigene easy- Cores hinzufügen kann. Das easyFPGA-Board basiert auf einem Xilinx Spartan 6 XC6SLX9 und bietet über die standardmäßigen 2,54-mm-Stiftleisten insgesamt 72 GPIOs. Der generierte Code wird direkt über eine USB- 2.0-Schnittstelle ins Steckmodul geladen. Dadurch entfällt die Nutzung eines externen Programmieradapters. Zusätzlich dient die USB- Schnittstelle zur Stromversorgung des Moduls. Alternativ kann die Spannungsversorgung auch über einen Hohlstecker erfolgen. Um nicht bei jedem Hochfahren des Moduls die Konfiguration neu zu laden, verfügt das easyFPGA über einen nichtflüchtigen Speicher, der beim Hochfahren automatisch die zuletzt bekannte Hardwarekonfiguration lädt. Niedriger Einstiegspreis Das Modul verfügt lediglich über die notwendigste Peripherie. So verzichtete os-cillation beispielsweise auf eine für Entwicklungsboards typische 7-Segmentanzeige. „Auf diese Weise können wir den Einstiegspreis vergleichsweise niedrig halten“, erklärt Geschäftsführer Oliver Schweißgut. Er hat insbesondere die Produktentwicklung als Anwendungsbereich für das easyFPGA-Modul ins Auge gefasst. Seine Mitarbeiter wollen in Zukunft weitere easyCores hinzufügen. Aufgrund der großen Nachfrage an einer C/C++ Variante des SDKs, kündigt os-cillation für den Herst 2015 dessen Release an. Auch dieses soll quelloffen verfügbar gemacht werden. Damit würde die Oliver Schweißgut, Geschäftsführer Os-cillation GmbH Einstiegshürde für die Anwendung von FPGAs noch einmal gesenkt. • Os-cillation GmbH www.os-cillation.de Neues 60 A / 1200 V Hochtemperatur-Leistungsmodul Cissoid stellt das neue Hochtemperatur- Leistungs modul CHT-PLUTO vor, welches zuverlässig bei Temperaturen von -55 bis +225 °C betrieben werden kann und einen Strom von 60 A liefert. Das duale Siliziumkarbid MOSFET-Modul ist hauptsächlich für Halbbrücken mit einem Konstantstrom von 30 A sowohl für Low- als auch für High-Side geeignet. Die zwei unabhängigen Schalter können in einer Parallelschaltung verwendet werden um einen Gesamtstrom von 60 A mit einer Durchbruchspannung von mehr als 1200 V und einen niedrigen Durchgangswiderstand von 23 mΩ bei 25 °C und 50 mΩ bei 225 °C bei VGS = 20 V zu erreichen. Aufgrund der niedrigen Schaltverluste der SiC-Transistoren sind hohe Betriebsfrequenzen möglich. Ferner beinhaltet CHT- PLUTO Schottky-Freilaufdioden mit einer niedrigen Flussspannung VF zur Minimierung der Verlustleistung während der Totzeiten. Jeder Schalter kann über eine Standard-Gatespannung von -5/+20 V geregelt werden. Der neue Baustein ist im proprietären hermetisch dichten 8-Pin HM8A-Metallgehäuse mit den Abmessungen 18 x 29 mm 2 (ohne Montagevorrichtung) erhältlich. Darüber hinaus sind die Bausteine elektrisch vom Gehäuse isoliert. Das Modul bietet für jeden 30-A-Kanal einen niedrigen thermischen Widerstand von 0,7 °C/W zwischen der Sperrschicht und dem Gehäuse. Zwei zusätzliche Source-Kontakte ermöglichen einen einfachen und robusten Kontakt zum Gate-Treiber. CHT-PLUTO eignet sich hervorragend zur Implementierung einer Halbbrücke für Anwendungen wie z. B. Leistungswandler, Inverter oder Motortreiber. Bei einer Parallelschaltung der beiden Schalter kann der Baustein einen Strom von 60 A mit einem niedrigen thermischen Widerstand Rth von 0,35 °C/W liefern. Für höhere Ströme können auch mehrere Module parallel geschaltet werden. Integrierter 4,5 A / 16 mΩ Lastschalter mit hoher Performance und einer Rückstromsperrfunktion Silego Technology erweitert sein Produktportfolio um einen neuen integrierten Power Switch SLG59M1603V mit zwei Kanälen und einer Rückstromsperrfunktion. Der neue Baustein eignet sich insbesondere für die Verteilung von Versorgungsleitungen mit niedrigen Spannungen, Power Rail Sequencing oder anderen Applikationen mit zwei Versorgungsleitungen, bei denen Leistung von Last zu Quelle übertragen wird. Mit seiner proprietären und patentierten CuFET-Technologie kann der SLG59M1603V konstante Lastströme von bis zu 4,5 A pro Kanal liefern und weist Betriebsspannungen von 2,5 bis 5 V auf. Mit internen Ladungspumpen, einem Entladungsschaltkreis am Ausgang sowie einer separaten ON/OFF-Regelung sind die beiden Kanäle des SLG59M1603V vollständig voneinander unabhängig. Damit kann jeder Kanal dieses hochintegrierten Leistungsschalters für unterschiedliche Applikationen der Versorgungsspannung konfiguriert werden ohne den Betrieb des anderen Kanals zu beeinflussen. Aufgrund der CuFET-Technologie von Silego können beide Kanäle parallel für Anwendungen mit höheren Strömen verwendet werden bis entweder die maximale Verlustleistung des Gehäuses oder ein Strom von 8,5 A erreicht wird. Der Leistungsschalter SLG59M1603V ist im platzsparenden 14-Pin 1,0 x 3,0 mm 2 STDFN-Gehäuse erhältlich und für einen Temperaturbereich von -40 bis 85 °C spezifiziert. • setron GmbH www.setron.de PC & Industrie 10/2015 51

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