Graphical System Design Die sieben Elemente von Mess-, Steuer- und Regelsystemen

Zumal technische Werkzeuge und Ansätze oft lediglich darauf ausgelegt sind, spezielle Entwicklungsschritte wie bspw. den Entwurf, das Prototyping oder die Implementierung zu optimieren. Häufig handelt es sich dabei um Plattformen, bei denen der Schwerpunkt entweder auf Hardware oder auf Software liegt und die Integration des Gesamtsystems eine untergeordnete Rolle spielt. Ideal wäre es daher, wenn der Anwender sich auf seine Problemstellung konzentrieren könnte, anstatt die unterschiedlichsten Werkzeuge der jeweiligen Phase der Systementwicklung erlernen und sich dann auch noch mit deren Gesamtintegration herumschlagen zu müssen. Mit Graphical System Design steht dem Anwender eine methodische Grundlage zur Verfügung, die es ihm erlaubt, diese Anforderungen schneller zu adressieren als mit herkömmlichen Ansätzen. Der Ursprung des Graphical System Design geht zwar auf die Konzipierung von LabView als Systemdesignsoftware zurück, doch lässt sich prinzipiell jede beliebige Mess-, Steuer-, Regel- und Embedded-Anwendung immer in folgende Grundbausteine aufteilen: 1. I/O 2. Analyse 3. Verarbeitung 4. Programmierung 5. Benutzerschnittstelle 6. Ausführungsplattform Die Verknüpfung dieser Elemente über grafische Programmiertechniken inkl. Timing und Synchronisation (als siebtes Element) wird als Graphical System Design bezeichnet. Hierbei werden die gängigen Bestandteile einer Hardwareplattform (Verarbeitung (=Prozessoren, DSP, FPGA), Kommunikation und modulare I/O) auf einer Systemebene auf die gleiche Art abstrahiert wie Modelle und andere Softwareelemente. Dieser plattformbasierte Ansatz ermöglicht es dem Anwender, sich auf Innovationen bzw. seine Applikation zu konzentrieren, anstatt sich mit aufwändigen Systemdesignproblemen auseinandersetzen zu müssen. Die oben genannten Bausteine inkl. Timing- und Synchronisationsmöglichkeiten sind schematisch in Bild 1 veranschaulicht. Zusammenspiel der Grundbausteine Zur Verdeutlichung sehen wir uns beispielhaft an, wie einige Grundbausteine des Graphical System Designs ineinandergreifen. Betrachten wir zunächst den Aspekt der Systemabstrahierung: Die Systemdesignsoftware LabView integriert die oben genannten Systemelemente so, dass die Komplexität abstrahiert wird und der Anwender sich auf die Applikation konzentrieren kann, statt Systeme integrieren zu müssen. Dies lässt sich am besten am Beispiel der Integration der FPGA-Technologie erklären. Eine intuitive grafische Schleife mit Funktionsbausteinen kann tausende von Zeilen von entsprechendem VHDL-Code abstrahieren bzw. ersetzen. Kommunikationsprotokolle, DSP-Programmierung, Systemtiming, I/O, Analyse werden auf dieselbe Art und Weise abstrahiert. Dadurch kann der Anwender sich auf den Einsatz von Technologien konzentrieren, mit denen letztendlich der Zweck des Systems erfüllt wird, ganz egal, ob es sich um ein Steuer-, Test- oder Embedded-System handelt. Ohne diesen Ansatz ließen sich handelsübliche Technologien kaum ohne erheblichen Aufwand in ein System integrieren. Sehen wir uns nun den Aspekt \“Programmierung\“ bzw. \“Models of computation\“ genauer an: Dieses Framework erlaubt es dem Anwender, über LabView als einzige Entwicklungsumgebung Anforderungen, die in der Praxis eigentlich nicht in Einklang zu bringen sind und in der Regel unterschiedliche Entwicklungsumgebungen fordern, schneller zu adressieren als es bei herkömmlichen Systemdesignansätzen der Fall ist. Beispiel: Will man die Gesamtfunktionalität des Systems programmatisch abbilden, so müssen verschiedene Teilkomponenten über unterschiedliche Methoden beschrieben werden. Während die parallele Programmierung etwa am besten durch Datenfluss dargestellt wird, lassen sich mathematische Algorithmen besser in textueller Form kodieren. Ebenso denkbar sind zustandsbasierte Strukturen oder klassische Programmiersprachen wie C oder gar eine Mischung aus allen Darstellungsmethodiken. LabView erlaubt die Integration all dieser Methodiken in einer einzigen Entwicklungsumgebung, so dass die unterschiedlichen Komponenten des Systems auf die jeweils beste Art beschrieben werden können. Anwendungen Mess-, Steuer-, Regel- und Embedded-Applikationen kommen in den unterschiedlichsten Branchen und Anwendungsbereichen zum Einsatz. In allen Industriezweigen wird sehr viel geforscht und entdeckt – und dies erfordert die Entwicklung neuer, der jeweiligen Applikation angepasster Werkzeuge, mit denen sich realitätsnah messen, steuern, regeln und darstellen lässt. Graphical System Design als methodische Grundlage für die Erstellung solch benutzerspezifischer Werkzeuge erlaubt letztendlich, das Problem überhaupt zu erfassen und anschließend zu lösen. Mit dieser Grundlage kann der Forscher z.B. sehr schnell verschiedene Möglichkeiten untersuchen, ohne übermäßig viel Zeit darauf zu verwenden, ein System von Grund auf neu zu erstellen, nur um das richtige Messgerät für die Erforschung eines physikalischen Phänomens zu erhalten. Somit kommt er schneller zum Ergebnis, egal, ob er im CERN Atome miteinander kollidieren lässt oder an der Entwicklung von Krebserkennungssystemen der nächsten Generation arbeitet. Sei es der Energiebereich, die Biomedizin, die Kernfusion oder die anspruchsvolle Robotik (um nur einige zu nennen) – das Einsatzspektrum dieses methodischen Ansatzes ist vielfältig und der Phantasie des jeweiligen Anwenders keine Grenzen gesetzt. Fazit Die vorgestellte methodische Grundlage zur Lösung von technisch-wissenschaftlichen Problemen lässt sich folgendermaßen skizzieren: Sie umfasst sowohl Software als auch Hardware. Sie ist modular und rekonfigurierbar. Sie abstrahiert Komplexität, integriert kommerzielle Technologien und stellt vielfältige Ausführungsplattformen zur Verfügung, die auf derselben rekonfigurierbaren Architektur basieren. Baut man auf diesen plattformbasierten Ansatz, so verfügt man über eine solide Basis für eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme und Anwendungen, ohne dass man jedes Mal erneut ein anderes Werkzeug erlernen muss. Aufgrund der software-zentrischen Ausrichtung und der Unterstützung durch ein ganzes System von Partnern kann der Anwender sein System schneller und kostengünstiger an sich ändernde Anforderungen anpassen bzw. neue Technologien integrieren, als es mit Insellösungen möglich ist.