Entwicklung eines Embedded-Brandmeldesystems
Das Projekt auf einen Blick: Für ein führendes europäisches Unternehmen im Bereich Sicherheitssysteme entwickelte Promwad ein modulares Brandmeldesystem, das aus sieben Leiterplatten mit STM32-Mikrocontrollern und einem NXP-iMX6-Prozessor besteht. Die Module kommunizieren über RS-485 mithilfe eines kundenspezifischen Master-Slave-Protokolls, verarbeiten akustische Alarmmeldungen aus microSD- und IP-Quellen und unterstützen sichere Firmware-Updates. Der Systemstatus wird auf einem Touchscreen angezeigt. Das System wurde ohne eigene Gehäuse für den Einbau in Telekommunikationsschränke konzipiert. Durch den Einsatz breit verfügbarer Komponenten und eines einheitlichen Prozessormoduls für mehrere Leiterplatten bleiben Fertigung und Wartung einfach.
Kunde & Herausforderung
Eines der führenden Unternehmen auf dem europäischen Markt für Sicherheitssysteme beauftragte uns mit der Hardware- und Softwareentwicklung für ein Brandmeldesystem. Das Projekt umfasste die Entwicklung von Leiterplatten ohne eigene Gehäuse. Alle Leiterplatten sollten in Telekommunikationsschränken installiert werden.
Lösung
1. Zusammenarbeit mit dem Kunden
Während des Projekts arbeiteten der Kunde und das Promwad-Team eng zusammen und tauschten sich regelmäßig in zweiwöchentlichen Besprechungen aus. Es handelte sich um ein langfristiges Projekt, da die Hardware- und Softwareentwicklung die Entwicklung von sieben Leiterplatten auf Basis von Mikrocontrollern der STM32-Familie und Anwendungsprozessoren der NXP-iMX6-Serie umfasste.
2. Konzeptentwicklung
Unser Entwicklungsteam schlug einen modularen Ansatz für die Systemarchitektur vor.
Die Geräte kommunizieren über RS-485-Leitungen mithilfe eines von unseren Ingenieuren entwickelten Kommunikationsprotokolls. Der Systemstatus wird auf einem Touchscreen angezeigt, der mit einem der Systemmodule verbunden ist.
Die entwickelten Leiterplatten und ihre jeweiligen Funktionen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
2. Hardware- und Softwareentwicklung
Wir entwickelten die Hardware und Software für sieben Leiterplatten. Die Hardware basiert auf Mikrocontrollern der STM32F1-Serie von STMicroelectronics und iMX6-Prozessoren von NXP. Die Software wurde mit Qt Creator entwickelt.
Abbildung 1. Modulplatinen Nr. 1 und Nr. 2 des Brandmeldeüberwachungssystems
Modul Nr. 1 digitalisiert die Eingangszustände und überträgt sie über RS-485. Modul Nr. 2 ändert den Zustand der Ausgänge auf Befehl.
Die Hardware der Module Nr. 1 und Nr. 2 basiert auf einfachen Mikrocontrollern der STM32F1-Serie. Die 24-V-DC-Eingangsspannung der Module wird über DC/DC-Wandler in die erforderliche Betriebsspannung der Leiterplatten umgewandelt. Die Stromversorgung ist zudem galvanisch getrennt.
Die Module Nr. 1 und Nr. 2 implementieren das Slave-Protokoll. Die Geräte reagieren somit auf Anfragen des Masters und übertragen bzw. setzen die Zustände externer Kontakte. Das Slave-Protokoll wird über RS-485 mittels UART im Direct-Memory-Access-Modus (DMA) umgesetzt. Die anderen Systemmodule implementieren ebenfalls entsprechende Master- und Slave-Protokolle.
Abbildung 2. Modulplatine Nr. 3 des Brandmeldeüberwachungssystems
Modul Nr. 3 misst die Leitungsimpedanz der angeschlossenen Lautsprecher in einem Widerstandsbereich von 10 Ohm bis 1 kOhm mit einer Genauigkeit von ±5 %. Außerdem steuert es das Relais zur Umschaltung der Ein- und Ausgänge.
Die Hardware von Modul Nr. 3 basiert auf Mikrocontrollern der STM32F4-Serie. Die 24-V-DC-Eingangsspannung des Moduls wird mithilfe von DC/DC-Wandlern in die erforderliche Betriebsspannung der Leiterplatte umgewandelt. Die Steuerleitungen werden über eine Relaiseinheit geschaltet, die ebenfalls über RS-485 mit dem System kommuniziert. Mithilfe von ADC und DAC im Direct-Memory-Access-Modus (DMA) misst das Modul die Impedanz der Leitung, an die die Last angeschlossen ist. Dazu wird ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von 20 kHz erzeugt.
Abbildung 3. Modulplatine Nr. 4 des Brandmeldeüberwachungssystems
Modul Nr. 4 spielt auf Befehl Audiodateien von einer microSD-Karte ab. Die Hardware basiert auf einfachen Mikrocontrollern der STM32F1-Serie von STMicroelectronics. Die 24-V-DC-Eingangsspannung des Moduls wird mithilfe von DC/DC-Wandlern in die erforderliche Betriebsspannung der Leiterplatte umgewandelt. Ein externer DAC-Chip übernimmt die Digital-Analog-Wandlung des Audiosignals.
Modul Nr. 4 verfügt über folgende Hauptfunktionen:
- Anbindung der SD-Karte über SDIO im Direct-Memory-Access-Modus (DMA).
- Dateisystemverwaltung mithilfe der FatFS-Treiberbibliothek.
- Wiedergabe von "*.wav"- und "*.mp3"-Dateien durch Übertragung von PCM-Daten an einen externen DAC-Chip, der über I2S im Direct-Memory-Access-Modus (DMA) angebunden ist, entsprechend den über die RS-485-Leitung empfangenen Befehlen.
- Kodierung und Dekodierung von "*.mp3"-Dateien mithilfe der Helix-Treiberbibliothek.
Abbildung 4. Modul Nr. 5 und eine Prozessormodulplatine des Brandmeldeüberwachungssystems
Modul Nr. 5 empfängt vier Audiostreams über IP, gibt sie über analoge Kommunikationsleitungen wieder, digitalisiert Eingangssignale und überträgt diese über IP. Außerdem spielt es Audiodateien von microSD-Karten ab.
Die Hardware von Modul Nr. 5 basiert auf einem Prozessormodul der iMX6-Ultralite-Serie. Die Eingangsspannung des Moduls beträgt 24 V DC. Die Leiterplatte verfügt außerdem über einen Codec zur Umwandlung digitaler Signale in Audiosignale (4 symmetrische Eingangs- und 4 symmetrische Ausgangskanäle).
Auf der Leiterplatte von Modul Nr. 5 ist ein Übertrager für die Anbindung an ein IP-Netzwerk installiert, während die übrigen Komponenten der physikalischen Ethernet-Schnittstelle auf der Prozessormodulplatine untergebracht sind. An die Leiterplatte von Modul Nr. 5 kann eine microSD-Speicherkarte angeschlossen werden, um die Wiedergabe aufgezeichneter Audiodaten zu ermöglichen.
Das Prozessormodul verarbeitet die Tasteneingaben und übernimmt die Anzeige von Informationen.
Abhängig von den über das IP-Netzwerk oder die RS-485-Leitung empfangenen Befehlen kann das Modul folgende Funktionen ausführen:
- Umwandlung eines ausgewählten IP-Audiostreams in ein analoges Audiosignal und Ausgabe über den gewählten Audioausgang.
- Wiedergabe einer ausgewählten Audiodatei von der SD-Karte über den gewählten analogen Audioausgang.
- Verwaltung einer Warteschlange für Audiodateien.
- Umwandlung von IP-Befehlen in Befehle für das RS-485-Subsystem und umgekehrt.
Abbildung 5. Modulplatine Nr. 6 des Brandmeldeüberwachungssystems
Modul Nr. 6 dient zur Anzeige und Eingabe von Informationen über eine Tastatur. Aus Hardware-Sicht besteht es aus einer Leiterplatte mit Steckverbindern und passiven Bauelementen zum Anschluss der Tastatur, des Displays und von Modul Nr. 5 oder Nr. 7 für den Datenaustausch.
Abbildung 6. Modulplatine Nr. 7 des Brandmeldeüberwachungssystems
Modul Nr. 7 steuert den Datenfluss (Umsetzung der Systemalgorithmen und Umschaltung der RS-485-Datenströme). Die Hardware basiert auf einem iMX6-Ultralite-Prozessormodul von NXP. Die Eingangsspannung des Moduls beträgt 24 V DC.
Modul Nr. 7 dient zur Vernetzung der vor- und nachgelagerten Systemebenen. Es verfügt über eine RS-485-Leitung im Master-Modus und acht RS-485-Leitungen im Slave-Modus.
Die Software von Modul Nr. 7 umfasst außerdem folgende Komponenten:
- DHCP-Client;
- SSH-Server;
- HTTP-Server;
- Skripte für sichere Firmware-Updates.
Geschäftlicher Nutzen
Der Kunde erhielt ein Brandmeldesystem mit erweiterten Sicherheitsfunktionen für den industriellen Einsatz. Das Projekt umfasste die Hardware- und Softwareentwicklung für sieben Leiterplatten ohne eigene Gehäuse. Alle Leiterplatten wurden in Telekommunikationsschränken installiert.
Die wichtigsten Vorteile des für unseren Kunden entwickelten Brandmeldesystems sind:
- Verwendung von Komponenten, die auf dem Markt breit verfügbar sind.
- Einsatz desselben Prozessormoduls für mehrere Module.
- Einsatz moderner CAD-Werkzeuge für die Hardwareentwicklung.
- Das RS-485-Kommunikationsprotokoll ermöglichte eine weitreichende Segmentierung des Netzwerks.
- Die Leiterplatten wurden ohne eigene Gehäuse für die Montage auf Montageplatten konzipiert.
- Für die Entwicklung grafischer Grundelemente mit Qt Creator wurden QtQuick1-Bibliotheken eingesetzt, da der Prozessor keine Hardwarebeschleunigung für Grafik unterstützte.
