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Szenarien

Szenarien

Unter eingebetteten Systemen versteht man Hard- und Softwaresysteme, die eingebettet in umgebende technische Systeme komplexe Steuerungs-, Regelungs- und Datenverarbeitungsaufgaben übernehmen. Typische Anwendungsfelder eingebetteter Systeme sind Automobilbau, Luft- und Raumfahrt, Telekommunikation, Steuerung und Regelung von Produktionsprozessen oder auch Instrumented Homes. Für die Erweiterung des Anwendungsspektrums eingebetteter Systeme wird insbesondere der Miniaturisierung der Komponenten sowie der Ausstattung mit Sensorik, d. h. dem Übergang zu eingebetteten Mikrosystemen eine entscheidende Bedeutung zukommen. Je kleiner solche Komponenten werden, desto größer ist deren Flexibilität und Mobilität bei sinkenden Kosten, so dass mehr Objekte in einem Gesamtsystem zum Einsatz kommen können und diese mit intelligenter Sensorik und Rechenleistung ausgestattet werden können. Dies eröffnet zahlreiche neue Anwendungsfelder, insbesondere dann, wenn diese Systeme flexibel untereinander sowie mit externen Rechnern kommunizieren können. Einige zentrale Fragestellungen im Kontext eingebetteter Mikrosysteme werden bei der Betrachtung der folgenden Szenarien deutlich.

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Szenario 1

Bei der Automatisierung von Fertigungsanlagen fallen erhebliche Investitionen an. Insbesondere machen sinkende Produktlebenszyklen und die steigende Variantenvielfalt der Produkte eine Flexibilisierung der Fertigungseinrichtungen notwendig. Die in der Regel zentrale Informationsverarbeitung hat große Datenströme zur Folge. So werden zur Identifikation von Produkten z.B. Barcodes eingesetzt, so dass die zugehörigen Produktinformationen aus einer zentralen Datenbank abgerufen werden müssen. Durch den Einsatz von eingebetteten Mikrosystemen können diese Informationen am Produkt geführt werden. Die Bearbeitungsmaschine nimmt die Kommunikation mit dem Produkt auf und kann sich lokal auf die Anforderungen einstellen. Darüber hinaus ermöglicht eine Selbstlokalisation des Produktes eine dezentrale Organisation des Materialflusses einschließlich der Lagerhaltung.

Szenario 2

Als ein weiteres Beispiel sei ein System von eingebetteten Systemen am menschlichen Körper genannt, das der fortwährenden Diagnose und ggf. auch der Therapie dient. Im Gegensatz zu schon heute existierenden Systemen, die z.B. ein Blutdruck-Monitoring durchführen, erlauben eingebettete Mikrosysteme eine wesentlich komplikationslosere und lückenlosere Überwachung. Wenn gewünscht, kommunizieren diese Systeme mit Diagnoseeinrichtungen im eigenen Haus oder beim Arzt.

Szenario 3

Betrachten wir als letztes Beispiel die multimediale Aufbereitung einer Lehrveranstaltung: Bei heutigen Systemen ist üblicherweise eine spezielle Hardware wie z. B. ein Touch-Screen oder ein Whiteboard mit aufwändiger Elektronik erforderlich, um die Aufzeichnungen des Dozenten aufzunehmen. Traditionelle Techniken wie Tafel und Kreide können hierfür nur mit größerem Aufwand, beispielsweise unter Einsatz von Bildverarbeitungstechniken oder unter Einsatz kostspieliger Sensorik, erschlossen werden. Gelingt es hingegen, die Kreide mit einem Mikrosystem auszustatten, das die exakte Schätzung der Position des Kreidestücks erlaubt, so können die vom Dozenten an die Tafel angeschriebenen Informationen automatisch übernommen werden.

Diskussion

Wenngleich diese Szenarien nur Beispiele darstellen, zeigen sie doch den Nutzen und das enorme Anwendungspotenzial eingebetteter Mikrosysteme. Sie werden alle Lebensbereiche durchdringen und sich dabei nicht nur zahlreiche neue Funktionen erschließen, sondern ihre Aufgaben auch unauffälliger, angepasster und sicherer wahrnehmen können. Ihre Anwendung im medizinischen und im Consumer-Bereich wird die Lebensqualität erhöhen; ihr Einsatz in technischen Systemen der Automatisierung oder der Fahrzeugtechnik wird zu mehr Flexibilität bei sinkenden Investitionskosten führen und auf diese Weise einen Beitrag zur Sicherung des Wettbewerbsvorteils der Bundesrepublik Deutschland leisten.

Um dieses Ziel erreichen zu können, müssen Lösungen für grundlegende Forschungsfragen gefunden werden, die ein interdisziplinäres Zusammenwirken der Mikrosystemtechnik und der Informatik erfordern. Die Fakultät für Angewandte Wissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg mit ihren zwei Instituten für Mikrosystemtechnik und Informatik unter ein und demselben Dach ist fachlich ideal positioniert, um sich dieses Themas anzunehmen. Da die interdisziplinäre Thematik der eingebetteten Mikrosysteme einer durch etablierte Ausbildungsgänge nicht in dieser Breite abgedeckten Berufsqualifikation entspricht, erscheint ein Graduiertenkolleg die geeignete Struktur, um das Thema sowohl in Forschung als auch Lehre adäquat zu entwickeln.

Sowohl im Szenario 1 zur Lokalisierung von Produkten während der Fertigung als auch im Szenario 3 zur Verfolgung eines Kreidestücks wird deutlich, dass die Selbstlokalisierung (Location Awareness) von Mikrosystemen eine Querschnittsaufgabe darstellt. Die Szenarien ließen sich erweitern, beispielsweise bei der Abstandserkennung zwischen Fahrzeugen und Robotern durch Mikrosysteme oder in der Warenlogistik. Je nach Anwendungsfall werden unterschiedliche Messprinzipien erforderlich sein (z. B. Mikrowellen-Laufzeitmessung oder Bestimmung durch Magnetfelder), doch werden spezifische, neue Fähigkeiten für Mikrosysteme verlangt: Die Bestimmung der Lokalisation aus Feldmessungen, Sensordatenfusion und Objektverfolgung. Die Lokalisierung von Mikrosystemen erwächst daher zu einer Schlüsseltechnologie für eingebettete Mikrosysteme, die im geplanten Vorhaben in einem eigenen Forschungsbereich bearbeitet werden soll. Die Spanne reicht von der Entwicklung sensitiver Magnetfeldsensoren bis zur Sensordatenfusion und erfordert die enge Verzahnung von Mikrosystemtechnik und Informatik.

Im Szenario 1 und im Szenario 2 zur medizinischen Diagnostik wird davon ausgegangen, dass mehrere Mikrosysteme örtlich verteilt sind und eine gemeinsame Aufgabe erledigen müssen, sei es die Organisation des Fertigungsablaufs oder die Diagnose der Herz-Kreislauf-Funktionen eines Patienten. Auch dafür werden Schlüsseltechnologien benötigt, die im Forschungsbereich Verteilte Mikrosysteme behandelt werden sollen: Eine lokale Intelligenz der Mikrosysteme, die Fähigkeit zur Kommunikation in wechselnden Konfigurationen sowie die Erfüllung der Aufgaben bei minimalem Energieverbrauch. Die fachübergreifenden Projekte realisieren über Funk kommunizierende Netze und analysieren dafür effiziente Kommunikationsarchitekturen. Mit Blick auf die genannten Anwendungsszenarien werden verteilte Mikrosysteme für messtechnische Anwendungen und für die energieeffiziente Automatisierung entwickelt.

 

Die wachsende Komplexität eingebetteter Mikrosysteme verlangt auch nach effizienteren Entwurfsmethoden: Beispielsweise muss bei einer Änderung der Fertigungsabläufe in Szenario 1 eine rasche (am besten im Hinblick auf die Ressourcenbeschränkungen automatisierte) Anpassung der Software möglich sein. Werkzeuge dazu sind die automatische Generierung anwendungs- und architekturspezifischer Betriebssystemdienste und eine ressourcenbewusste Programmadaption. Ebenso sind für den Entwurf der Hardware geeignete Methoden zu entwickeln: Beispielsweise erfordert der Einsatz implantierbarer Systeme zur Diagnostik (Szenario 2) den Entwurf sehr spezifischer, energiesparender Mikrocontroller. Eine integrierte Betrachtung des komplexen Zusammenspiels von Analog- und Digitaltechnik, von Sensortechnik und Datenverarbeitung stellt eine spannende Herausforderung in diesem Zusammenhang dar. Im Forschungsbereich Modellierung und Entwurf des Vorhabens werden für eingebettete Mikrosysteme spezifische Entwurfswerkzeuge bereitgestellt, die sich über alle Ebenen des Hard- und Software-Entwurfs erstrecken.

Insbesondere das Szenario 2 der Medizintechnik macht deutlich, dass die Betriebssicherheit ein zentraler Aspekt eingebetteter Mikrosysteme ist, die mit wachsender Komplexität immer schwerer beherrschbar wird. Herkömmliche Methoden zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit digi taler Schaltungen sind jedoch für eingebettete Mikrosysteme nur begrenzt einsetzbar, da eingebettete Mikrosysteme darüber hinaus auch analoge und mechanische Systemkomponenten enthalten. Die Antragsteller setzen daher den Forschungsschwerpunkt Diagnose und Test. Für die Entwicklungsphase der Mikrosysteme sollen gemeinsame Testverfahren sowohl für mechanische als auch für elektronische Systemkomponenten entwickelt werden. Um das Funktionieren der eingebetteten Mikrosysteme auch während des Betriebs permanent zu überwachen und sicherzustellen, werden für die Betriebsphase Verfahren zur Selbstdiagnose aufgebaut.

 

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