Was ist ein Embedded System?

Embedded Systems (oder auf Deutsch: eingebettete Systeme) sind kleine Computersysteme, die als eine Art “Mini-Computer” innerhalb einer größeren Anwendung eingebettet sind und dort speziell an die Erledigung einer anwendungsspezifische Aufgaben “im Hintergrund” angepasst sind.

Es handelt sich also nicht um einen Computer im herkömmlichen Sinne, sondern eher um eine Art Black-Box, die innerhalb eines größeren Gerätes (z.B. einem Kühlschrank) verbaut ist und mit diesem interagiert.

Warum nicht gleich einen “richtigen” Computer einbauen?

Ein Computer, PC oder Laptop ist in hohem Maße vielseitig und flexibel einsetzbar. Mit ihm lassen sich viele - auch sehr anspruchsvolle - Aufgaben bewältigen: von Video- und Bildbearbeitung, über alle Arten von Office-Anwendungen bis hin zu komplexen und grafikintensiven Spielen. Ein PC ist somit eine exzellente “Allzweck-Waffe” für alle möglichen Anwendungen. Diese große Flexibilität hat aber ihren Preis! Man zahlt diesen Preis in Form von Größe, Energieverbrauch und letztlich auch in Euro. Ein PC braucht Platz, verbraucht eine Menge Strom und kostet auch in der Anschaffung ordentlich Geld.

Ein “klassischer” PC wäre grundsätzlich in der Lage, die Aufgabe eines Embedded Systems zu übernehmen. Er wäre jedoch einerseits “unterfordert”, was die Leistungsfähgkeit betrifft! Es ist, als würde man mit einer großen Kanone auf einen kleinen Spatzen schießen. Andererseits wäre ein PC hinsichtlich der Schnelligkeit eher “überfordert”. Einem PC fehlt an dieser Stelle schlichtweg die Echtzeitfähigkeit, die ein schlankes Embedded System mitbringt. Ein maximal auf seine Anwendung spezialisiertes Embedded System ist nicht nur schneller, als ein handelsüblicher PC. Es verbraucht dabei auch deutlich weniger Platz, Energie und kostet nur einen Bruchteil eines PC’s. Kurz und knapp: Der PC ist definitiv keine gute Lösung!

Wo werden Embedded Systems eingesetzt?

Eingebettete Systeme werden überall dort eingesetzt, wo eine bestimmte Aufgabe sicher und zuverlässig automatisiert erledigt werden soll. Eines der ersten Embedded Systems war bspw. der “Apollo Guidance Computer” - eine einfache Manövrierhilfe, die in den 1960er und 70er Jahren die Apollo-Kapseln auf Ihrem Kurs zum Mond hielten.

Typische Beispiele für den Einsatz von Embedded Systems

• Vernetzte Produktionsanlagen in der Industrie 4.0
• Predictive Maintenance (vorausschauende Wartung von Maschinen und Anlagen)
• Condition Monitoring (Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen)
• Alle Anwendungen im Bereich “Internet of Things”: smarte und vernetzte Systeme

Woraus bestehen Embedded Systems?

Wie jedes Computersystem besteht auch ein Embedded System aus einer Hard- und einer Software. Beides zusammen bildet eine möglichst effizient und ressourcenschonend arbeitende Einbau-Komponente, die gezielt (nur) die festgelegte Aufgaben dauerhaft und sicher erfüllt.

Bei der embedded Hardware kommen in der Regel bewährte Standardkomponenten zum Einsatz, die sich bereits als zuverlässig und robust erwiesen haben. Die Software wird dagegen stärker, als die Hardware individualisiert und speziell für die jeweilige Anwendung entwickelt. Aber auch hier kann mittlerweile natürlich auf eine Reihe von Standards zurückgegriffen werden.

Vorteile von Embedded Systems

• Zuverlässigkeit und Sicherheit
  Ein Embedded System ist genau auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten und genau dafür optimiert.
• Hohe Geschwindigkeit und Echtzeitfähigkeit
  Der insgesamt minimalistische System-Aufbau führt zu extrem kurzen Reaktionszeiten. Davon profitiert jede Steuerstrecke und jeder Regelkreis
• Geringe Kosten
  Durch die Auswahl von optimal aufeinander abgestimmten Komponenten (Soft- und Hardware) können die Kosten pro Einheit minimiert werden.
• Energie- und ressourcenschonender Betrieb
  Durch den optimal abgestimmten Funktionsumfang werden auch die Energie- und sonstige Ressourcenverbräuche minimiert.
• Einfachere Zertifizierung und Marktfreigabe
  bei sicherheitsrelevanten oder medizintechnischen Anwendungen können Embedded Systems einfacher geprüft und zertifiziert werden, als herkömmliche PC-Systeme

Best Practice: Planung und Entwicklung von Embedded Systems

Bei der Entwicklung von Embedded Systems ergeben sich folgende wesentliche Planungsschritte:

1. Anforderungsanalyse
   Zu Beginn steht eine umfassende Analyse der Anforderungen und Zielsetzungen des Entwicklungsprojekts. Dabei werden alle Einflussfaktoren und Umgebungs-Umstände betrachtet.
   
   
2. Strategie- und Konzeptentwicklung
   Im Rahmen eines Konzept-Workshops erarbeiten wir konkrete Ideen und Lösungsansätze für die nach Punkt 1 definierten Zielsetzung und Anforderungen der Gesamtaufgabe. Hierbei spielen neben Kreativität auch Erfahrung und eine solide Kenntnis von technischen Lösungsmöglichkeiten eine entscheidende Rolle.
   
   
3. Konkretisierung: Hard- und Softwarekomponenten
   Um die unter Punkt 2 entwickelten Lösungsansätze zu konkretisieren, werden zunächst (je nach Anforderungen) weitere Analysen durchgeführt, z.B.: Energiebedarfsanalysen und Kostenanalysen, geforderte Lebensdauer usw.. Auf dieser Basis können dann die optimalen Komponenten für das Embedded System zusammengestellt werden.
   
   
4. Individualisierung und Prototyping
   In dieser Entwicklungsphase steht die systematische Individualisierung und Zusammenführung aller Komponenten im Mittelpunkt. In diversen Einzelschritten und Musterbestückungen wird dabei das Embedded System nach und nach bis zum funktionsfähigen Prototypen aufgebaut.
   
   
5. Optimierung bis hin zur Serienreife
   Nach einer weiteren Test- und Optimierungsphase beginnt die Überführung in die Serienproduktion. Am Ende steht ein marktreifes Produkt inkl. Zulassungsprüfungen und kompletter Dokumentation

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