Kontron PCIe/104 Modul mit Intel Atom Prozessor E6x5C
Mobile Medizin-Plattform aus einem Guss
Mit dem Kontron Microspace MSMST steht erstmals ein PCIe/104 Embedded Single Board Computer zur Verfügung, der einen Prozessor der Intel Atom E600 Serie mit einem Altera Field Programmable Gate Array (FPGA) auf einem einzigen Multi-Chip Modul integriert. Eine solche Lösung ist äußerst attraktiv beispielsweise für Ultraschall-Anbieter: Sie können nun eine Plattform nutzen, die als Serienprodukt hochintegriert verfügbar und für individuelle Wünsche schneller adaptierbar ist, als ein komplett kundenspezifisches-Design.
Ultraschall bzw. Sonographie wird in der Medizintechnik für die Behandlung bei Nieren- und Gallensteinen, zum Entfernen von Zahnstein und als bildgebendes Verfahren zur Diagnose und Darstellung eingesetzt. Konventionell werden Ultraschallköpfe exogen eingesetzt. Es gibt aber auch Endoskope mit Ultraschall (Endosonographie). Zudem kommt Ultraschall auch in medizinischen Labors in Mikroskopen zum Einsatz. Der Anteil von ’nicht-traditionellen‘ Ultraschallanwendungen nimmt dabei stetig zu. Ein Beispiel ist hierfür die ultraschallgestützte Lokalanästhesie. Zunehmend werden Ultraschallgeräte aber auch mobiler: Um in der Praxis am Point-of-Care flexibel zum Einsatz zu kommen. Die Qualität dieser Verfahren wird konstant besser. Die Technik und Leistungsfähigkeit steigt weiter. Möglich wird das nur durch innovative Elektronik.
Signalverarbeitung mit FPGA
Eine wichtige Voraussetzung hierfür ist die steigende Rechenleistung. Eine gute technologische Basis für die erste Aufbereitung der von den Ultraschallsonden gelieferten Rohdaten stellen FPGAs dar. Dies zum einen aufgrund der hohen dedizierten Rechenleistung, die sie je nach Auslegung bedarfsgerecht bieten. Aber – und das ist für Ultraschallgerätehersteller ebenfalls von Interesse – auch um die Langzeitverfügbarkeit der Gesamtlösung deutlich besser sicherstellen können, als jede andere in Hardware gegossene Logik. Denn im Gegensatz zu dedizierten Bausteinen wie etwa DSPs verfügen FPGAs über eine flexibel programmierbare Logik, die es Entwicklern erlaubt, die Schnittstellen und Funktionen frei nach ihren Bedürfnissen zu programmieren. Mit FPGAs ist es auch möglich, in Abhängigkeit der angeschlossenen Sonde die Rohdatenverarbeitung anzupassen. Dank dieser flexiblen I/O-Auslegung können Medizingeräte-OEMs auch solche Designs sehr effizient entwickeln, die hinsichtlich der I/O-Anforderungen exakt auf die Anforderungen in ihren jeweiligen Zielapplikationen zugeschnitten sein müssen. Auch Bauteilabkündigungen sind dank programmierbarer Logik kaum noch ein Thema, denn die Soft IP (Intellectual Property) bleibt erhalten und kann bei geringem Aufwand auf einen neuen FPGA-Baustein portiert werden. Aufgrund dieser Vorteile kommen FPGAs in Ultraschallgeräten vermehrt zum Einsatz. Mit schnellen FPGAs alleine ist der Anforderungskatalog moderner Medizingeräte aber noch nicht erschöpft. Hinzu kommt noch die gesamte x86er-Infrastruktur, die für die Visualisierung, die Interaktion mit dem Benutzer und je nach System weitergehende, rechnergestützte Diagnostik erforderlich ist. Und hierin liegt das eigentliche Dilemma der Gerätehersteller: Es gab bislang keine Standardplattform, die FPGA und x86er als einheitliches Standardprodukt oder Evaluierungsplattform angeboten hat. Es war also immer ein kundenspezifisches Design nötig. Das hat sich mit der Verfügbarkeit neuer FPGA-Lösungen nun geändert. So ist beispielsweise ein standardbasierter PCIe/104 SBC mit einem integrierten Intel Atom Prozessor der E600 Serie mit einem Altera FPGA auf einem kompakten Modul verfügbar. COTS oder Evaluierungsplattformen verfügbar Der Kontron MSMST PCIe/104 SBC (siehe Kasten) ist die derzeit weltweit einzige verfügbare Lösung, die das hochintegrierte Multichip-Modul bereits implementiert hat. Durch die Symbiose dieser beiden Technologien auf einem einzelnen kompakten Single-Board-Computer profitieren Applikationsentwickler von einem vereinfachten Applikationsdesign und reduziertem Entwicklungsaufwand. Als langzeitverfügbare Standardkomponente erfüllt eine solche Plattform zudem alle Anforderungen hinsichtlich reduziertem Entwicklungsaufwand, minimiertem Designrisiko und Total-Cost-of-Ownership (TCO). Parallel dazu bietet sich auch das COM Express FPGA Starterkit mit Altera Cyclone IV GX FPGA an, welches Entwicklern einen sofortigen Einstieg in die Entwicklung dedizierter, FPGA-basierter Applikationen ermöglicht. Das Starterkit beinhaltet alle Komponenten, die zur Evaluierung neuer Board-Designs mit frei definierbaren I/Os benötigt werden. Die Komponenten des Starterkits und das ausgewählte Computer-on-Module sowie individuelle High Speed Mezzanine Cards (HSMC) mit zusätzlichen physikalischen Schnittstellen sind in wenigen Minuten zusammengesetzt. Softwareentwickler können unmittelbar mit der eigentlichen Programmierung der Plattform beginnen. Bei Bedarf übernimmt Kontron auch die komplette Entwicklung, einschließlich Revisionskontrolle, sowie landes- und marktspezifische Test- und Prüfverfahren. Für den kundenspezifischen I/O-Zuschnitt bieten beide Kontron Lösungen HSMC-Steckplätze für High-Speed Mezzanine Cards (HSMC), die die gewünschten Schnittstellen des FPGAs physikalisch ausführen. Werden kompatible HSMCs beispielsweise direkt von Altera bezogen, gehören die passenden IP-Cores meist schon zum Lieferumfang. Die Applikationsevaluierung kann folglich nach nur wenigen Handgriffen und Installationsroutinen schnell starten. Nach erfolgreicher Evaluierung übernimmt Kontron dann bei Bedarf auch die serienreife Entwicklung und Fertigung der kundenspezifischen Plattform. Bereits validierte IP Cores sind beispielsweise für applikationsspezifische I/Os wie CAN-Bus, serielle Schnittstellen (SPI Master / UART) sowie PCI-Express, I2C und GPIO verfügbar. Weitere IP Cores befinden sich in der Entwicklung bzw. Validierung. Dadurch lässt sich die Plattform schnell und einfach und zunehmend flexibel konfigurieren. OEMs benötigen nur noch den erforderlichen IP Core und die entsprechenden High-Speed Mezzanine Cards (HSMC), um die Schnittstellen auszuführen. Für noch mehr I/Os bietet Kontron die FPGA-Programmierung als Softwaredienstleistung an. Diese Flexibilität gepaart mit dem neuen x86/FPGA Ökosystem und seinen IP Cores und HSMCs machen die Kontron FPGA-Plattformen zu einer höchst attraktiven Lösung für Ultraschall-Plattformen. Medizingeräte-OEMs mit eigener Hardwareentwicklung stehen deshalb jetzt vor der Frage, ob es sich mit der Verfügbarkeit von vorintegrierten COTS (Commercial-off-the-shelf)-Komponenten und Lösungen überhaupt noch lohnt, den Aufwand für die Entwicklung und Fertigung der Hardwareplattformen selbst zu übernehmen. Denn alternativ könnten sie das Design jetzt auch an starke Partner outsourcen, um sich so auf die Applikationsentwicklung mit der spezifischen IP für die FPGAs sowie der Softwareentwicklung für die Kundenapplikationen zu konzentrieren. Was in der Folge zu einem höheren Innovationspotential, kürzeren Entwicklungszyklen und gesteigerter Qualität führen kann.
Details zum PCIe/104 Embedded Single Board Computer Microspace MSMST
Der Kontron PCIe/104 Embedded Single Board Computer Microspace MSMST verfügt dank des integrierten Altera Arria II GX FPGA über ein höchst anpassungsfähiges I/O Design. OEMs benötigen nur noch den zur FPGA-Programmierung erforderlichen IP Core und die entsprechenden High-Speed Mezzanine Cards (HSMC), welche die gewünschten Schnittstellen physikalisch ausführen. Bereits validierte IP Cores sind beispielsweise für industrielle I/Os wie CAN-Bus, serielle Schnittstellen (SPI Master / UART) sowie PCI-Express, I2C und GPIO verfügbar. Der Kontron SBC ist zudem speziell für den Einsatz im erweiterten industriellen Temperaturbereich (-40 bis +85°C) entwickelt. Diese robuste Auslegung erweitert das Spektrum möglicher Einsatzgebiete des neuen Kontron SBC auch auf widrige Umgebungsbedingungen. Hardwareseitig ist der Kontron PCIe/104 Microspace MSMST mit der Intel Atom E600C Prozessorserie mit bis zu 1,3GHz und 2GB onboard DRAM ausgestattet. Der leistungsoptimierte Intel Graphics Media Accelerator (Intel GMA 600) mit bis zu 128MByte, 18/24Bit LVDS sowie SDVO-Interface ist im Prozessor integriert. Videosignale werden über optionale Mediaboards für VGA oder DVI ausgegeben. High-Definition Audiosignale werden optional über SPDIF (out) und 2 x analog Stereo für Line-out und Mic-in ausgeführt. Speichermedien finden Anschluss über 2x SATA300. An weiteren Schnittstellen stehen 2x USB 2.0 sowie optional 1x Gigabit LAN zur Verfügung. Die Integration der unzähligen kundespezifischen I/O Optionen erfolgt über den PCI-Express Bus des PCIe/104 konformen Moduls oder über die HSMC-Schnittstelle. Das Trusted Platform Modul (TPM) sorgt für hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit durch die Hardwareverschlüsselung aller übertragenen Daten.
Autor: Andres Kammermann, Sales Director bei Kontron
