HMI-Panel als eingebettetes System
Mehrzweckcomputer wie konventionelle PCs können flexibel für verschiedenste Anwendungen genutzt werden. Demgegenüber stehen Computer, die in technische Systeme mit einer spezifischen Funktion "eingebettet" sind - wie unser HMI-Panel zur Visualisierung und Diagnose von Thruster-Kontrollsystemen.
Eingebettete Systeme sind daraufhin konzipiert, mit hoher Zuverlässigkeit mit dem System zusammenzuspielen, welches sie kontrollieren. Oft gehört Interaktion in Echtzeit zu den Anforderungen. Beeinträchtigungen durch unerwünschte Zustände wie Überlastung des Systems oder gar Abstürze müssen ausgeschlossen werden. Derartige Systeme sind darauf ausgelegt, mit hoher Robustheit jahrelang ohne Wartung zu laufen und ihre Integrität zu wahren.
Embedded Linux für anforderungsgerechten Betrieb in der Industrie
Betriebssysteme für eingebettete Systeme sind auf diese Anforderungen hin abgestimmt. Sie unterstützen den Softwareentwickler darin, dass das System niemals über seine Fähigkeiten hinaus ausgelastet wird und dass Aufgaben immer rechtzeitig abgearbeitet werden. Aufgaben werden deswegen nicht nur nach Priorität, sondern nach zeitlichen Vorgaben behandelt. So kann das System z.B. immer verzögerungsfrei auf äußere Ereignisse wie Benutzerinteraktionen reagieren.
Wir setzen für den Betrieb unseres HMI-Panels auf Embedded Linux. Ein solches Betriebssystem basiert auf dem Systemkern des bewährten Betriebssystems Linux und ist stark auf die Hardware eines individuellen eingebetteten Systems zugeschnitten.
Durch den spezifischeren Zuschnitt auf Hardware und Funktion der betriebenen Systeme unterscheiden sich Embedded Linux-Systeme von normalen Linux-Distributionen. Ein Embedded Linux-System nutzt ansonsten die gleiche Prozess-Organisation wie andere Linux-Systeme. Auf einem eingebetteten System werden aber weitaus weniger Prozesse ausgeführt als auf z.B. Desktop-Linux-Systemen. Auf unnötige Komplexität wird verzichtet, nicht benötigte Funktionen und Features werden weggelassen. Mit kleinstmöglichen Latenzzeiten auf der gegebenen Hardwareplattform kann Echtzeitfähigkeit erreicht werden.
Individuelle zusammenstellung des Systems mit dem Yocto Project [Linux System Builder]
Das Embedded Linux-Betriebssystem für unsere HMI-Systeme stellen wir mit Tools des Yocto Projects der offiziellen Linux Foundation zusammen. Es liefert einen Systembuilder für die Erstellung spezifischer Embedded Linux-Varianten (Distributionen). Passend zur Architektur und Funktionalität des HMI-Systems generiert Yocto das darauf zugeschnittene Betriebssystem. Für die benötigten Systemkomponente erhält Yocto dazu Erstellvorschriften, sogenannte Rezepte.
Embedded Linux gewährleistet somit das hochgradig aufeinander abgestimmte Funktionalität der Komponenten unseres HMI-Panels.
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Ineinandergreifen der Komponenten
Linux-Systeme bestehen aus den Komponenten Bootloader, Kernel und Root-Filesystem. Für den Bootloader kommt der für eingebettete System meistgenutzte zum Einsatz, Barebox. Er initialisiert bei Systemstart die Hardware. Dann übergibt er die Kontrolle an den Kernel, den Betriebssystemkern. Der Kernel ermöglicht die Grundfunktionalität des Systems, wie die Speicherverwaltung, ein Dateisystem und die Ausführung mehrerer Prozesse nebeneinander.
Nach seinem Start bindet der Kernel das Root-Filesystem ein. Dieses umfasst grundlegende Systemverzeichnisse und darin enthaltene Dateien. Dann startet der Kernel den "Init"-Prozess, von dem seinerseits die weiteren Prozesse zum Lauf des Systems gestartet werden. Auf diese Weise wird zunächst das Dateisystem des Userbereichs eingebunden, System-Voreinstellungen werden vorgenommen und Hintergrundprozesse gestartet. Schließlich startet der Login-Vorgang für den Benutzer.
Qualität durch Open Source
Linux ist Open Source-Software, d.h. der Programmiercode ist allgemein einsehbar und wird von Programmierern über Unternehmens- und Organisationsgrenzen hinaus gepflegt und erweitert. Durch die große Entwicklerbasis ist Linux das am umfassendsten dokumentierte Betriebssystem. Indem der Quellcode von einer großen Anzahl von Programmieren begutachtet wird, finden sich Sicherheitslücken und Bugs schneller als bei proprietärer Softwareentwicklung.
Linux ist durch das Open Source-Konzept somit sehr ausgereift. Es setzt sich von anderen Betriebssystemen zudem dadurch ab, dass derselbe Systemkerns für alle Systeme zum Einsatz kommt - von den kleinsten eingebetteten Systemen über Desktop-Systeme bis zu großen Serverfarmen. Diese Einheitlichkeit kommt der Stabilität und Beherrschbarkeit von Linux-Systemen zusätzlich zugute.
Die weite Verbreitung von Open Source-Software kommt auch der Etablierung einheitlicher Standards zugute. Linux ist im Embedded-Bereich als ein Industriestandard fest etabliert.
Einklang von Hard- und Software
Das Embedded Linux-Betriebssystem läuft bei unserem HMI-Panel auf Prozessoren der ARM-Architektur. Diese zeichnet sich durch einen effizienten Befehlssatz, optimierte Ausführungsgeschwindigkeit und geringen Strombedarf aus. ARM-Prozessoren sind daher die meistgenutzten für mobile Geräte.
Für die Konnektivität und Interoperabilität mit anderen Geräten über Netzwerke enthält Embedded Linux die nötigen Schnittstellen und Protokolle. Damit werden die Ethernet-, CAN- und USB- sowie optional RS232-Schnittstellen unseres HMI-Panels ins System eingebunden.
Für die benutzerfreundliche Bedienoberfläche des Terminals arbeitet das ebenfalls weit verbreitete Framework Qt bewährt mit dem Betriebssystem zusammen.
Fazit
Die Komponenten des Gesas HMI-Panels sind spezifisch auf seine Aufgaben als robustes eingebettetes System abgestimmt. Das Betriebssystem Embedded Linux und die sonstige genutzte Software profitiert von den Vorteilen von Industriestandards auf Basis des Open Source-Modells. Dies gewährleistet den Einklang der Hardware- und Schnittstellenarchitektur mit der Software. Darauf gründet sich die hohe Leistung und Zuverlässigkeit unseres Referenzprodukts.
