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Ho-Ho-Ho!
Open/DES: Deeply Embedded System eDNP/8331

Deeply Embedded System eDNP/8331

Das eDNP/8331 ist ein "virtuelles" System-on-Module (SoM) auf Arm-Basis mit 32-bit inklusive Debian-Linux-Betriebssystem und Firmware-Funktionen für headless Embedded Gateways. Es ist im Rahmen eines Lizenzmodells als Intellectual Property erhältlich.

Die komplette SoM-Schaltung steht als Schematic- und PCB-Snippet für die weitverbreitete Leiterplatten-Entwicklungsumgebung "Altium Designer" zur Verfügung.

Das Snippet des eDNP/8331 lässt sich mit wenigen Schritten in eigene Altium-Projekte importieren, um die benötigten Addon- und I/O-Funktionen erweitern und vollständig auf einer einzigen kostenoptimierten Leiterplatte integrieren.

Zum Lieferumfang gehören u. a. eine Backend Function Library mit einem Docker-basierten Update Server, digitalem Zwilling sowie PKI-Sicherheitsbausteinen.

Darüber hinaus ist mit dem DNP/8331 auch ein reales System-on-Module zur Evaluierung, zum Fast Prototyping und für Kleinserien lieferbar.

Highlights

  • In wenigen Schritten in eigene Altium-Projekte integrierbar
  • Kostenreduzierung durch Verkürzung der Lieferkette
  • Vollständige Stücklisten-kontrolle auf Bauteilebene
  • Weniger EMV-Probleme durch entfallende Steckverbinder
  • Komponenten für Remote OTA-Updates, PKI, digitaler Zwilling uvm.

Schritt für Schritt: Der Workflow bis zum Serienprodukt

Ein eDNP/8331 lässt sich in einem Altium Designer-Projekt als Snippet vollständig in die Schaltungsentwicklung einer eigenen Baugruppe integrieren und in das finale Serienprodukt übernehmen.

Die einzelnen eDNP/8331-Signale des Schaltungssymbols sind an ein Debian-Linux-Betriebssystem angepasst, welches als Zubehör für eine microSD-Karte zur Verfügung steht.

Altium Workflow

Das ideale Anwendungsumfeld des eDNP/8331 liegt in der IoT-Datenintegration für Sensorik- und Aktorikfunktionen. Dabei geht es in der Regel darum, die Daten eines Sensors an eine überordnete Plattform zu übermitteln, dort eine Entscheidungsfindung herbeizuführen und an Hand dieser Entscheidung neue Ausgangsdaten an Aktoren zu verschicken.

Die Funktionen des eDNP/8331 dienen dabei als Bindeglied zwischen Sensoren, Aktoren und der jeweiligen Plattform (dem Backend).
Im Rahmen einer IoT-Produktentwicklung gibt es vier entscheidende Einzelschritte, für die DNP/8331 und eDNP/8331 viele Vorteile bieten:

1.
IoT-Datenprototypen
 

Entwicklung eines Prototyps, um ein zur Aufgabenstellung passendes Gesamtdatenbild zu erzeugen. Dafür lässt sich der DNP/8331 nutzen.

2.
Proof-of-Concept-Softwareentwicklung

Längere Iterationsphase, um die erforderlichen Softwarekomponenten für die Sensorik- und Aktorikdaten zu entwickeln. Dazu gehören auch Testszenarien, um das Ergebnis zu verifizieren bzw. validieren.

3.
Entwicklung der Serien-Hardware

Entwicklung der Serien-Hardware unter Einbeziehung des eDNP/8331-Snippets. Ziel ist eine hochintegrierte und kostenoptimierte Baugruppe mit minimalen Stückkosten.

4.
Markteinführung
(inkl. Zertifizierungen)

Im Rahmen der Markteinführung erfolgen dann auch die nötigen Zulassungen für die jeweiligen Zielmärkte
(CE, UL usw.).

Umfangreiches Zubehör

Die Hauptkomponente des eDNP/8331 besteht aus einer SoM-Schaltung in Form eines Snippets für die Leiterplatten-Entwicklungsumgebung "Altium Designer", die sich in eine eigene Schaltung bzw. Leiterplatte integrieren lässt.

Dazu kommt noch ein umfangreicher Technologie-Stack als Baukasten für integrierbare Embedded-Systems-Lösungen.

Die einzelnen Bausteine bzw. Funktionen lassen sich wie in der nebenstehenden Grafik als ein Schichtenmodell darstellen.

Lieferumfang des eDNP/8331

Backend Function Library

Die Backend Function Library bietet u.a. folgende Bausteine:

  • VPN-Server für sichere Fernzugriffe
  • SDU-Server (SDU = Secure Device Update) für Over-the-Air (OTA)-Software-Updates
  • generischer digitaler Zwilling mit digitalem Typenschild
  • Public Key Infrastruktur (PKI, Baugruppen werden ab Werk mit vorinstalliertem X.509-Zertifikat ausgeliefert)
  • MQTT-Broker
  • modulares REST-Interface

Firmware Stack

Der Firmware Stack beinhaltet auch Plug-in-Softwarebausteine, um Funktionen aus der Backend Function Library sowie der I/O Function Library zu nutzen, bspw. die TensorFlow Lite-Laufzeitumgebung für den Inferenzbetrieb einer KI-Anwendung.

  • Boot Loader (bei Bedarf inkl. Secure Boot)
  • Debian Linux
  • SSV/WebUI für die Konfiguration via Webbrowser
  • Python 3-Laufzeitumgebung
  • C/C++ Laufzeitumgebung

I/O Function Library

Die einzelnen Funktionen erfordern die Integration der korrespondierenden Plug-in-Codebausteine in den Firmware Stack.

  • Schaltbilder zu den Baseboards MB/935A und MB/941
  • Power-over-Ethernet (PoE)-Interface als Schaltungsbeispiel
  • 4G-Mobilfunk für den weltweiten Einsatz
  • Verschiedene Beispielschaltungen zu 868/915 MHz und 2,4 GHZ-Nahbereichsfunkschnittstellen für die Sensor- und Aktorintegration
  • Generischer Sensor mit STM32, A/B-Boot und OTA-Software-Update
  • BLE-to-Smartphone-Bausteine, um BLE-Token in einer Smartphone-App auszuwerten

Altium Schematic/PCB Snippet

Snippets zur Nutzung in eigenen Leiterplattenentwürfen mit dem Altium Designer.

  • Schaltbild (Schematic) zum eDNP/8331
  • 6-Lagen-Layout (PCB) zum eDNP/8331

Industrieller Maschinen-Datenlogger

IoT Connectivity und IoT Security

Dem Entwickler einer eDNP/8331-basierten Lösung steht eine umfangreiche Auswahl verschiedener Funktionsbausteine zur Verfügung.

Neben einem virtuellen SoM als Altium-Snippet, dass sich vollständig in die Datenlogger-Schaltung integrieren lässt und einen Steckplatz für vorzertifizierte LTE-Funkmodule bietet, existieren auch die erforderlichen Softwarefunktionen.

Dazu gehören eine eDNP/8331-Firmware für LTE-A, LTE-M und NB-IoT-Funkverbindungen plus verschiedene Cloud-Serverfunktionen mit einer Public Key Infrastruktur (PKI) für die Cybersecurity, die sich auf jedem Linux-Root-Server im Internet hosten lassen.

Datenblatt eDNP/8331WDM-L

Technische Informationen zum Wireless IoT Data Modem finden Sie im Datenblatt zum eDNP/8331WDM-L.

User Story Maschinen-Datenlogger

Wir bauen industrielle Datenlogger für Maschinen und Anlagen. Unsere Kunden wünschen flexible Fernzugriffsfunktionen auf die Daten.

Eine ab Werk vorgegebene Cloudanbindung bei einem Internetgiganten wäre allerdings aus verschiedenen Gründen keine Lösung, sondern bestenfalls eine Option.

Wir benötigen daher nicht nur eine kostenoptimierte Hardwarelösung für IoT-Funkverbindungen, die international einsatzfähig ist, sondern auch eine leistungsfähige und modulare Cloudplattform ohne Vendor-Lock-in.

Die Cloud-Softwarefunktionen müssen sich schnell und einfach an Kundenbedürfnisse anpassen lassen.

Embeddable OT/IT Network Gateway

User Story OT/IT Gateway

Wir wollen die Schaltschränke unserer Werkzeugmaschinen in Zukunft mit einer eigenen Ethernet-LAN-Schnittstelle ausstatten, um den Anwendern im Rahmen ihrer Digitalisierungsvorhaben eine sichere Zugriffsmöglichkeit auf alle relevanten Baugruppen innerhalb des Maschinen-LANs zu ermöglichen.

Dieses zusätzliche Interface soll eine vollständige physische Trennung zum Schaltschrank-LAN aufweisen und über Sicherheitsmechanismen verfügen, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen.

Damit wollen wir hinsichtlich der sicheren Maschinenvernetzbarkeit auf die neue EU-NIS2-Direktive sowie die EU-Maschinenverordnung 2023/1230 reagieren.

Technische Daten

Prozessor
Hersteller / Typ Sochip S3 mit Arm Cortex-A7 CPU
Taktgeschwindigkeit 1008 MHz
Speicher
RAM 128 MB DDR3 SDRAM
Speichermedium 1x SD-Karten-Halter
Schnittstellen
Ethernet 1x 10/100 Mbps
USB 1x USB 2.0 Host Port mit max. 480 Mbps
UART 3x UART (COM1 mit allen Hardware Handshake Signalen, COM2 nur TX/RX, COM3 TX/RX/RTS/CTS - funktional ODER mit 4 GPIO Signalen)
SPI 1x SPI Master Controller, funktional ODER mit 4 GPIO Signalen
I2C 1x I2C Master Controller, funktional ODER mit 2 GPIO Signalen
GPIO 20-Pin GPIO (General Purpose Input Output)
Spezialfunktionen
Echtzeituhr (RTC) 1x Echtzeituhr
Watchdog 1x Timer Watchdog
(Hardware-basiert, Software-konfigurierbar)
1x Power Supervisor (Hardware-basiert)
Elektrische Eigenschaften
Spannungsversorgung 3.3 VDC ±5%
Stromaufnahme 300 mA typ. / 500 mA max.
Mechanische Eigenschaften (nur DNP/8331)
Sockel 40-pin JEDEC DIL-40-Connector, 2.54 mm Raster (Pin-kompatibel zu anderen SSV DIL-40-Modulen)
Masse <150 g
Dimensionen 55 mm x 23 mm
Betriebstemperatur 0 .. 70 °C

eDNP/8331

Das eDNP/8331 ist ein "virtuelles" System-on-Module, welches als Altium-Snippet in eigene Schaltungen bzw. Layouts integriert werden kann.

Pinout des eDNP/8331
Datenblatt eDNP/8331

DNP/8331

Das DNP/8331 ist das "echte" System-on-Module, welches zur Evaluierung, zum Fast Prototyping und für Kleinserien zur Verfügung steht.

HW Reference DNP/8331 v2.0

GitHub

Auf unserem GitHub-Profil finden Sie weitere Informationen zum eDNP/8331:

https://github.com/SSV-embedded/eDNP

GitHub logo

Prototypen per I/O-Funktionsbibliothek

Zur Evaluierung bzw. für das Fast Prototyping – also für die Schritte 1 und 2 der Produktentwicklung (s.o.) – bieten wir passend zum DNP/8331 auch zwei Basisboards an.
Zum Lieferumfang der beiden Basisboards gehören neben der

jeweiligen Schaltung auch die CAD-Daten zur Bearbeitung der Ausbrüche eines passenden Gehäuses aus der ME-Serie von Phoenix Contact.

MB/935A

Das Basisboard MB/935A dient zur Anbindung externer Peripherie über USB und bietet folgende Schnittstellen:

  • 1x USB
  • 1x Ethernet LAN
  • 1x RS485

MB/941

Das Basisboard MB/941 dient zur Integration von auf Mini-PCIe-basierenden Kommunikationskarten wie 4G-, NB-IoT- oder LTE Cat-M1-Modems. Es bietet folgende Schnittstellen:

  • 1x Mini-PCIe
  • 1x SIM-Karten-Steckplatz
  • 1x Ethernet LAN
  • 1x RS232
  • 1x RS485

Firmware-Ausstattung

Software-Komponenten
Boot Loader U-Boot mit A/B-Dual-Boot-Partitionen
Betriebssystem Debian Linux (gesicherter APT-Serverzugriff)
Webserver lighttpd mit SSL für SSV/WebUI-Benutzerschnittstelle
Laufzeitumgebung Python 3, C/C++
IP-Adressen-Vergabe IPv4, IPv6, Static, DHCP, AutoIP, UPnP
Protokollstack ARP, ICMP, IPv4, IPv6, DHCP (Client + Server), DNS (inkl. DynDNS-Support), TCP, UDP, FTP, HTTP, SNMP, Telnet, TFTP
Security-Protokolle OpenSSL/TLS, OpenSSH/SSH, HTTPS, OpenVPN (Client + Server), SFTP, SNMPv3, PKCS#11 für ATECC Secure Element
TCP-Server Telnet, FTP, HTTP(S), SSH, SFTP
Firewall netfilter + iptables
Proxy-Funktionen HTTP/HTTPS (Web), DNS, FTP, generic TCP port mapping, generic UDP port mapping
Machine Learning TensorFlow Lite-Interpreter für Deep Learning
Sonstiges C/C++ Build-Umgebung (Compiler etc.);
I2C-Tools mit i2cdetect, i2cdump, i2cget und i2cset;
CLI-Tool für ATECC Secure Element mit HMAC- und ECDSA-Funktionen uva.

Sprechen Sie uns an!

Wir beraten Sie gerne, was mit dem eDNP/8331 alles möglich ist und wie Sie es in Ihre eigenen Projekte integrieren.

 

Kontakt aufnehmen

SSV Software Systems GmbH

Dünenweg 5
30419 Hannover

Fon: +49(0)511 · 40 000-0
Fax: +49(0)511 · 40 000-40

sales@ssv-embedded.de


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