Vortrag. zum Silica-Workshop Improving Design Performance bei der AVT GmbH Ilmenau

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1 Vortrag zum Silica-Workshop Improving Design Performance bei der AVT GmbH Ilmenau

2 Agenda 1 Firmenüberblick 2 Anwendungen mit FPGAs 3 Programmierung von FPGAs 4 Weitere Angebote 5 Zusammenfassung

3 1 Firmenüberblick Wir sind Ihr Partner für: Elektronikentwicklung FPGA-Design Intelligente Lichtsteuerung IP-Core Entwicklung Bildverarbeitung Softwareentwicklung Algorithmenentwicklung AVT GmbH Ilmenau Am Hammergrund Ilmenau Tel: +49 (0)3677 / Fax: +49 (0)3677 / info@avt-ilmenau.de Web:

4 Firmenchronik Gründung der AVT GmbH Ilmenau als Audio- und Videotechnikvertrieb GmbH seit 1995/96 seit 1998 seit 2001 seit 2005 seit 1995 Umbenennung und Änderung des Gegenstandes in Automatisierungsund Verfahrenstechnik Entwicklung CE-CAM Entwicklung Steuergeräte für KFZ FPGA-Design, Development Kit, IP-Cores, Intelligente Kamera Lichtsteuerung mit FPGA

5 Wir bieten: -Produkte als Development-Kit und finale Lösung auf der Basis neuster FPGA-Technik (programmierbare Logik, Schaltkreise und Board-Design) -FPGA-Programmiersoftware mit grafischer Oberfläche zur schnellen Einarbeitung (MGP) -Entwicklung schneller digitaler Applikationen als Hard- und/oder Softwarelösungen (von der Machbarkeit bis zur Produktion) -Patentlösungen als Patent, Lizenz oder Entwicklungsangebot -Schulungen und Beratung zu Elektronikentwicklung rund um XILINX FPGAs -Umsetzung von Bildverarbeitungslösungen auf beliebigen Plattformen (FPGA, PC, )

6 Elektronikentwicklung mit FPGAs -Schnelle Berechnung großer digitaler Datenmengen -Neuprogrammierung während des Betriebs möglich -Geringer Energieverbrauch (0,4 6 Watt) - Geringer Platzverbrauch, universeller Einsatz - Zahlreiche Ein- und Ausgänge, viele Schnittstellenstandards -System-on-reprogrammable-Chip in einem Design möglich -wiederverwendbare Softwarefunktionen -als großer Wachstumsmarkt in den USA bereits erkannt (Vorhersage: 2006: 4,5 Mrd $, 2007: 5,2 Mrd $, 2008: 6,3 Mrd $, in Deutschland 100 Mio in 5 Jahren) m $ % 12% USA Europe Japan others % %

7 Ausstattung Entwicklung mehrere Entwicklungsrechner mit: Matlab/Simulink (grafische Programmierung) System Generator für DSP (Brücke Simulink ISE) XILINX ISE (Implementierung in FPGA) XILINX EDK (Programmierung von Prozessoren) Development Kits: Spartan II 200k (Trenz) Spartan II 200k (Celoxica) Virtex II 1000k (Insight/Memec) Spartan-IIE 600k (AVT Ilmenau) Spartan-3 200k (XILINX) Spartan-3 400k (AVT Ilmenau) Spartan-3E 100k (XILINX) Virtex 4 FX12 (XILINX)

8 Softwareentwicklung Mathworks Matlab/Simulink Agilent VEE; National Instruments Labview Borland C++, Delphi, Java

10 2. Anwendungen mit FPGAs Intelligente Kamera Lichtsteuerung Patentanwendungen Intelligente USB2 Kamera Universelle FPGA-Plattform mit Echtzeit- Ethernet Development Kits Modulare Grafische Programmierung MicroBlaze-Betriebssystem IP-Core-Entwicklung Schulungsangebot

11 Intelligente Kamera Module: -Kameramodule mit VGA bis 5 MegaPixel, Farb- und Schwarz/Weiß-Sensor -GSM zur Kommunikation mit Mobiltelefon -12 fps (hohe Auflösung) bis 93 fps (VGA) > Anwendungen: - Einbruchsalarm - Feueralarm - Überwachung von Bauwerken und Baustellen - Überwachung von Produktionsprozessen - Erkennung von Nummernschildern für Parkgaragen - Überwachung von Patienten (Koma, Epilepsie) Function has to be granted also at challenging motives

12 AVT Lichtsteuerung LS900 Die AVT Lichtsteuerung LS900 steuert seriell verbundene Niederspannungs- Halogenlampen durch modulare intelligent getaktete Netzteile mit FPGAs. Die maximale Leistung der Reihenschaltung je Kassette beträgt 900 W. 19" industry rack Cartridge with Switch Mode Power Supply - intelligent control with reprogrammable XILINX FPGA

13 Ideen und deren Nutzung Patentierung neuer Verfahren als deutsche und Internationale Patente mit internationaler Präsentation und Prämierung

14 Dynamische Video Anpassung (DVA) für die Objektüberwachung Beispiel für die Überwachung einer Objektbegrenzung: Die lange Grundstücksgrenze verlangt 3 Kameras, um eine zufriedenstellende Auflösung zu gewährleisten. Sie wird auf 3 Monitoren wiedergegeben.

15 Dynamische Video Anpassung (DVA) für die Objektüberwachung Beispiel für die Überwachung einer Objektbegrenzung: Die Einsparung zweier Displays erfordert ein Display mit einem Seitenverhältnis von 4:1 oder man konzentriert sich nur auf ein Anzeigedetail.

16 Dynamische Video Anpassung (DVA) für die Objektüberwachung Beispiel für die Überwachung einer Objektbegrenzung: Mit der neuen patentierten DVA wird es möglich, alle Bilder von verschiedenen Kameras auf nur einem Display anzuzeigen. Die sicherheitsrelevanten Details werden mit voller Auflösung dargestellt. Moderne FPGAs erlauben die Bildbearbeitung (im Video) einschließlich Inhaltsbewertung und Anzeige in Echtzeit.

17 Dynamische Video Anpassung (DVA) für KfZ Die AVT GmbH Ilmenau bietet die patentierte Rückspiegeltechnologie der Zukunft. DVA schafft den Überblick. Mehrere Kameras zeigen die Rückund Seitenspiegelsicht auf einem Videodisplay. Alles ist im Bild, aber die wichtigsten Teile der Straße (z.b. Fahrzeuge, Radfahrer, Fußgänger) sind hochaufgelöst. DVA ist: -Ständige Rundumsicht auf höchstem Niveau -3 Kameras = 1 Bild -Wichtigste Videoausschnitte hochaufgelöst

18 Dynamische Video Anpassung (DVA) für die Objektüberwachung Technische Vorteile: beliebige Auswahl an Kameras kombinierbar mit anderen Systemen kombinierbar (Zoom, PIR-, Mikrofone, ) automatische Erkennung von unerlaubten Zutritten bzw. Handlungen Erkennung von Objekten mit verschiedenen Größen und Anforderungen möglich erweiterbar um komplexe Bildverarbeitungsalgorithmen (Hintergrundschätzung, Datenbankvergleich, Bildkompression, Objektiverkennung, ) Zusatzinformationen in das Bild einblendbar verschiedene Stufen akustischer und optischer Warnmeldungen absetzbar Entlastung des Wachpersonals von ermüdender und fehleranfälliger Monitorüberwachung

19 Dynamische Video Anpassung (DVA) für die Objektüberwachung Ökonomische Vorteile (Nutzen für den Anwender): 1 Display statt 2 bis 4 besserer Überblick, Kostenersparnisse 2 bis 4 Kameras an einem Modul Kostenersparnisse Automatische Erkennung von unerlaubten Handlungen, weniger Wachpersonal notwendig Kostenersparnisse Einsparung von mehreren PCs mit Frame-Grabber-Karten und spezieller Software Kostenersparnisse Erweiterung durch neue Hardware -Versionen (oder funktionen) durch Redesigns Kundenvorteil Sicherheit durch unteilbare Hard- und Software auf verschiedenen Stufen Kopierschutz

20 Kamerasysteme mit FPGAs Beispiel eines embedded Stand-alone Systems mit DVA Vollständiges Videosystem mit: -CMOS-Sensor inkl. Ansteuerung -Bayer-Pattern-Interpolation -RGB zu YUV -Helligkeitsregelung mit Histogrammbewertung -Dynamische Videoanpassung (DVA) -Fenstersteuerung im Video -Referenzbildbereitstellung -Motion detection -YUV zu RGB -VGA-Ausgabe mit Bildvervielfachung (2 bis 4) -grafische Einblendungen ins VGA-Bild (Grafik, Text) -JPEG-Komprimierung -32 bit Controller -RS232-, RS485-Steuerung -Ethernetsteuerung (TCP/IP)

21 Kamerasysteme mit FPGAs Beispiel eines embedded Stand-alone Systems mit DVA Eigenschaften des Videosystems: -Sensorauflösung 3,1 MegaPixel -Nutzung des Windowing 1280x480 -Bildwiederholfrequenzen maximal 12 fps (3,1 MPx), 93 fps (VGA) sowie frei wählbar -eine Versorgungsspannung 7 20 VDC -Leistungsaufnahme 4 W Mögliche Erweiterungen: -GSM-Bildübertragung -Bluetooth-Bildübertragung -Datenübertragung zusätzlicher Bildinformationen -kompatible Datenübertragung mit verschiedenen Echtzeit-Ethernetlösungen (EtherCAT, Ethernet Powerlink, ) -Datenspeicherung auf beliebige Datenträger (Flash, Festplatten, ) -Spannungsversorgung mit Power over Ethernet, Solarzellen,

22 Kamerasysteme der industriellen Bildverarbeitung In den letzten 25 Jahren stieg die Rechenleistung der uns zur Verfügung stehenden Technik um den Faktor 10 5, der Faktor der auszuwertenden Bildinformationen stieg um den Faktor Prof. Bernd Jähne, 25 Jahre Bildverarbeitung, Fraunhofer IPA Stuttgart, 2005 Als zukünftige Notwendigkeit wurde der breite Einsatz von intelligenten Kameras zur Videovorverarbeitung von mehreren Rednern dieser Veranstaltung postuliert! Prinzip der industriellen Bildverarbeitung mit intelligenten Kameras Bildübertragung per USB, Ethernet, GigE neben Bildübertragung auch Bildinformationen aus rechenintensiven Verarbeitungsschritten auch mehrere Kameras an einen PC anschließbar ohne Überlastung des PC

23 Intelligente USB 2.0 Kamera FPGA-basierende Kamerasysteme sind universell, erweiterbar und leistungsstark, da sie reprogrammierbar sind. Der schnelle Transfer von Bild- und Videodaten wird durch den USB2.0- oder Ethernet-Kommunikationskanal sichergestellt. Die Sensoren haben Auflösungen bis 5 MegaPixel (12 Bilder/s).

24 Produkte Kleinstes Spartan-IIE und Spartan-3 Development Kit Development Kit = finales Produkt Platz sparendes Design (100 x 60 mm und 50 x 25 mm) FPGA von XILINX mit bis zu Systemgattern Umfassende Peripherie on Board Schneller Einstieg durch grafische Programmierung

25 Kamera-Applikation mit FPGA Mit nur einer integrierten Hardwarelösung wird der technische Fortschritt durch einfache Redesigns ermöglicht. Dadurch wird ein Gebrauch der Hardware für verschiedene Applikationen und mit unterschiedlichen Kameras möglich. hoch dynamisch Automotive Global Shutter Erkennung von Nummernschildern Machinevision IR-Flash, -Lichtkontrolle FPGA-Board High Speed Überwachung mehrere Kameras Kamera Applikation hochauflösend Messungen

26 Produkte (noch ohne FPGA) EMV-Kamera CE-CAM/10 Optik: Zoom 18fach 200 V/m bis 18 GHz Inkl. Steuerung über PC (Iris/Shutter) Optionen: Infrarotbeleuchtung, Bildverarbeitung

27 Produkte (noch ohne FPGA) EMV-Kamera CE-CAM/1x Volkswagen, BMW, Siemens BOSCH SAMSUNG Weltweiter Vertrieb durch Schaffner, Rohde & Schwarz und Direktvertrieb Testsysteme (Agilent VEE) Präzisionskalibriersystem für Widerstände (Thüringer Landesamt für Meß-und Eichwesen) Board-Level-Tester für GSM-Funkmodule (Funkanlagen Leipold OHG) Wafer-Tester (MPD Dresden)

29 3.1 Programmiermethoden Programmierung mit HDL (Hardware Description Language) (VHDL, Verilog) VHDL Design Entry VHDL-File Simulation sehr gute Beherrschung der HDL- Sprache notwendig für eine effektive FPGA- Programmierung Synthesis netlist Implementation bit-file PROM-file Timing Simulation

30 3.2 Erweiterte Programmiermethoden -Matlab/Simulink und System Generator - Grafische Programmierung mit Matlab/Simulink, System Generator and ISE (XILINX) Task Matlab/Simulink System Generator Simulation Functional Simulation VHDL-File sehr umfangreiche finanzielle Investition, umfangreiches Wissen über FPGA s, Matlab/ Simulink, HDL- Sprache und Programmiertools notwendig Core Generator Synthesis netlist Implementation bit-file PROM-file Timing Simulation

31 3.2 Erweiterte Programmiermethoden -Matlab/Simulink und System Generator - Simulation XILINX-Library Grafische Programmierung mit Matlab/ Simulink und System Generator Simulink

32 Modulare Grafische Programmierung (MGP) Applikationsprogrammierung mit XILINX ISE und AVT Toolbox -Sehr kurze Einarbeitungszeit -graphische Programmierung mit komplexen Funktionsblöcken (cores) -kostenlose Software für Implementierung und grafischen Input -erweiterbare Funktionsblöcke Realisierung der Applikation ILMENAU Core Toolbox ILMENAU Software Dokumentation

33 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Modulare Grafische Programmierung (MGP) - Design flow mit MGP: Applikationsingenieur muss die Aufgabe und die Realisationsidee haben Applikationsingenieur benutzt grafisches Rahmenprogramm entsprechend der Hardware Hinzufügen der für die Applikation notwendigen Funktionen als grafische Module der Toolbox Generierung der FPGA-Programmierungsdatei mit dem Implementierungstools MGP besteht aus 6 Schritten

34 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Modulare Grafische Programmierung (MGP) - 1. Schritt: Berechnung der Design-Ressourcen Wahl der notwendigen Funktionen entsprechend der Anwendung Eingabe der Bitbreite und Anzahl der Funktionen in einer Excel-Tabelle Ausgabewerte sind die Summe der notwendigen Design-Ressourcen (Slices und BlockRAM) im Vergleich mit den Ressourcen des ausgewählten FPGA

35 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Modulare Grafische Programmierung (MGP) - 2. Schritt: Kopieren der notwendigen Modul-Dateien der Funktionen Kopieren der Modul- Dateien vom Toolbox- Verzeichnis in das Arbeitsverzeichnis Modul-Dateien sind Netzlisten und graphische Symbole von Funktionen ergänzende Report- Dateien bestehen aus Platz- und Geschwindigkeitsinformationen

36 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Modulare Grafische Programmierung (MGP) - 3. Schritt: Start des Rahmenprogramms innerhalb des Implementierungstools Xilinx ISE Project Navigator zeigt die Teile des Rahmenprogramms und die Implementierungsschritte Öffnen des Rahmenprogramms in ECS/ Schematics Clock dll Image sensor control Pixel counter SRAM interface VGA output

37 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Modulare Grafische Programmierung (MGP) - 4. Schritt: Einfügen der Modulsymbole zu einer Applikation Symbole der Modulfunktionen befinden sich im Arbeitsverzeichnis in ECS/Schematic. Save Fault check Nach der Wahl der Module, werden diese ins Rahmenprogramm eingefügt Datenleitungen zwischen Modulen des Rahmenprogramms können getrennt und wieder mit Modulen der vorgefertigten Funktionen verbunden werden Fehlerüberprüfung und Speichern

38 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Modulare Grafische Programmierung (MGP) - 5. und 6. Schritt:Generieren der Programmdatei und Hardwareprogrammierung Automatische Generierung der Programmierdatei durch Doppelklick auf den letzten Implementierungsschritt; alle Schritte laufen automatisch Das Programm IMPACT (Teil der Xilinx ISE) lädt das generierte bit-file in den FPGA

39 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Modulare Grafische Programmierung (MGP) - Die MGP-Toolbox besteht aus über 800 Modulen (IP-Cores), hauptsächlich für Videobearbeitung, digitale Signalverarbeitung und Kommunikation Modul-Funktionen sind in verschiedenen Kategorien angeordnet (mathematische Grundfunktionen, Signalgenerierung, Flankenerkennung und Filter, Transformation und Kompression, Statistik, Displayfunktionen, Interfacekontrolle Bildverarbeitung und Datenmanagement) Module beinhalten zudem sehr komplexe Funktionen wie JPEG- Komprimierung, Nutzung des XILINX MicroBlaze 32 bit RISC Prozessors im FPGA, sowie Hard- und Software Module, die an den MicroBlaze Prozessor angeschlossen sind

40 3.2 Erweiterte Programmiermethoden - Modulare Grafische Programmierung (MGP) - Modulare Grafische Programmierung (MGP) ist geeignet für den leichten, kostengünstigen und schnellen Einstieg in die FPGA-Programmierung und/oder für eine schnelle Design-Erweiterung von bestehenden Designs mit Funktionen als Cores MGP ist leicht zu benutzen und schnell zu lernen MGP macht die schnelle Realisierung von Anwendungen möglich spart Kosten spart Kosten MGP ist nahtlos in das Implementierungstool integriert, damit ist keine spezielle Programmiersoftware notwendig spart Kosten MGP ist durch eigene Funktionen erweiterbar spart Kosten MGP macht verschiedene Programmierungen möglich: Schematic Module, VHDL Module, Module von Core/System Generator und IP Cores) Nach Beginn der Arbeit mit FPGAs wird MGP die Kenntnisse über FPGA-Programmierung systematisch erweitern

42 Seminarangebote: 1. Einführung in die FPGA-Technik 2. Design und Verifikation von DSP-Funktionen mit XILINX-Werkzeugen 3. Modulare Grafische Programmierung (MGP) 4. Applikationserstellung mit MicroBlaze Modulen Vorteile: -schnelle Orientierung und kurze Einarbeitungszeit -Dynamischer Auswahl der Trainingstage (in 2 Blocks) -Neueste Technologie -Schulungsunterlagen -Teilnahmezertifikat

43 Seminare und Inhalte Einführung in die FPGA-Technik Dieses Seminar bietet einen perfekten Einstieg in die moderne Technologie der FPGA-Programmierung von der Hardwarebasis zur Implementierung. Programmiertechniken für komplexe FPGAs werden vorgestellt und vertieft. Design und Verifikation von DSP-Funktionen mit XILINX-Werkzeugen Die Umsetzung schneller DSP-Funktionen in leistungsfähigen FPGAs erfordert komplexe Software-Werkzeuge deren Funktionsweise im Seminar beschrieben wird. Dabei stehen Design-entries mit VHDL, Schematics und die grafische Programmierung mit Matlab/ Simulink und XILINX System Generator im Vordergrund. Modulare Grafische Programmierung (MGP) mit XILINX-Schematics Die grafische Erstellung von FPGA-Applikationen steht im Zentrum dieses Workshops. Es wird die schnelle Einführung in Programmierung mit Schematics und der Nutzung komplexer Funktionsblöcke beschrieben. Mit Applikationsbeispielen und Anleitungen zur Erstellung von Funktionsblöcken wird der Workshop abgerundet. Applikationserstellung mit MicroBlaze Modulen System-on-Chip-Designs beinhalten Module, die sich mit DSP-Algorithmen nur unvorteilhaft programmieren lassen. Für diese Teile ist der XILINX 32 bit RISC Prozessor (MicroBlaze) als ladbarer Core die ideale Lösung. Der Workshop vermittelt die Grundlagen und Programmierung des Prozessors sowie leistungsfähige Erweiterungen (z. B. Ethernet).

44 Marketingkonzept auf Messen -Präsentation als eigenständige Firma zusammen mit XILINX auf der Messe electronica 2004

45 Marketingkonzept auf Messen -Präsentation auf der IAA PkW 2005 Besuch des Thüringer Ministerpräsidenten, Wirtschaftsministers und des Präsidenten des IAA

46 Marketingkonzept auf Hausmessen -Workshops von NEMO ViQuaNet im Hause, sowie in Jena und Erfurt

47 Internationale Beziehungen

48 5 Zusammenfassung Die AVT GmbH bietet: -moderne schnelle Technik -ein hohes Maß an FPGA-Know How -hervorragende Kontakte -kostengünstige Hardware und Programmiertools -viele fertige IP-Cores als Funktionalitäten -Hilfe zur Erstellung von eigenen Funktionalitäten -direkte Nachbarschaft zu Dienstleistern (EMV bei CE-LAB) Zielstellung: -gemeinsame Projekte (Förderung ist möglich) -Einstieg und Ausbau von firmeneigenem Know How -Herstellung von Kontakten -leistungsfähige Hardwareplattformen aufbauen -Entwurf und Herstellung von Produkten

49 Kontaktinformationen AVT GmbH Ilmenau Automatisierungs- und Verfahrenstechnik Am Hammergrund 1 D Ilmenau Sie erreichen uns unter: Tel: +49 (0) / Fax: +49 (0) / Web: info@avt-ilmenau.de Ansprechpartner: Dr.-Ing. Jörg Pospiech Herr Kai Frieße Herr Wilfried Geyer Geschäftsführer, Entwicklungsleiter Projektleiter Lichtsteuerung Konstruktion