18 elektronik industrie 2-2001 embedded systems titelstory er?te, die keinen pc eingebaut ha- ben, aber dennoch per daten- oder fax- ?bertragung mit einem hostrechner kommunizieren m?ssen, ben?tigen da- zu ein modem ?am besten ein fest inte- griertes, also ein ?mbedded modem? internetsysteme, die ausschlie?ich in- formationen per e-mail oder ?ber das web liefern, sind f?r die verbindung zum internet ebenfalls auf embedded modems angewiesen. auch settop-bo- xen f?r interaktives kabel- oder satelli- tenfernsehen kommen nicht ohne em- bedded modems aus z.b. f?r abrech- nungsinformationen, interaktive pro- grammierung, pay-per-view und ein- k?ufe ?bers fernsehen. elektrische und elektronische ger?te wie handheld-pcs oder pdas werden bedeutend vielseiti- ger, wenn sie sich per embedded mo- dem mit einem hostrechner in verbin- dung setzen k?nnen. aufbau von embedded modems embedded modems enthalten eine da- tenpumpe, daa (d ata a ccess a rrange- ment) sowie den modem-code. dar?- ber hinaus k?nnen sie wahlweise mit oder ohne controller aufgebaut sein und den internet protocol (ip) stack und sdram enthalten. die anzahl der ben?tigten komponenten h?ngt von den anforderungen des ger?tes ab so- wie vom bedarf an zus?tzlichen funktio- nen, die zum beispiel die verbindung zum telefonnetz herstellen und die daf?r erforderliche hard- und software enthalten. in der datenpumpe (f?r fax oder inter- net) befindet sich ein digitaler signal- prozessor (dsp), der die daten in ein standardprotokoll mit der zugeh?rigen bitrate wie v.32, v.34, v.90 ?bertr?gt und dazu den modemcode nutzt. das daa liefert dabei die physikalischen und software-schnittstellen f?r den an- schluss an das herk?mmliche telefon- netz (pots, plain old telephone system). der integrierte daa-baustein ben?tigt dazu keinerlei externe codecs, relais, optokoppler oder transformatoren. ein internet protokoll (ip) stack implemen- tiert die internet-protokolle wie ppp, tcp, http, pop3, ftp etc. auf dem dsp des modems. dies erm?glicht dem ger?t, an dem das modem angeschlossen ist, da- ten aus dem netz zu laden, web-seiten bereit zu stellen und sichert die e-mail- f?higkeit, und zwar ohne dass ein pc, mikrocontroller oder andere prozesso- ren ben?tigt werden ?denn der dsp ?bernimmt sowohl das ausf?hren des modem-codes als auch des ip-stacks. modem-architekturen embedded modems k?nnen controller- gest?tzt (parallel) oder auch ohne con- troller arbeiten. in beiden f?llen werden jedoch eine dsp-datenpumpe sowie ein daa ben?tigt. der modem-code kann dabei auf der dsp-datenpumpe ablaufen, auf einem pentium- oder risc- prozessor (bei rechnergest?tzten oder software-modems) oder aber auf einem multifunktionellen, programmierbaren dsp (z. b. a-dsp-218x). zum vergleich k?nnen modem-architekturen in zwei host-basierte klassen (mit und ohne onboard-verarbeitung) und zwei rech- nergest?tzte klassen (mikrocontroller und dsp-gest?tzt) eingeteilt werden. die jeweiligen charakteristika sowie vor- und nachteile sind in tabelle 1 gegen- ?bergestellt. controllergest?tzte designs ( bild 1 ) ar- beiten ohne ?bergeordneten rechner. der vorteil: sie funktionieren unabh?n- gig von betriebssystemen und arbeiten auch dann weiter, wenn der rechner einmal abst?rzt. dieser selbst?ndige zu- gang garantiert eine gr??re redun- danz, da das modem unabh?ngig vom hostrechner und seinen betriebssyste- men arbeitet. ein nachteil ist jedoch, dass controllergest?tzte modemarchi- tekturen einen mikrocontroller und speicher ebenso ben?tigen wie einen dsp-speicher, damit der steuerungsco- de funktioniert. damit erh?ht sich auch die anzahl der ben?tigten komponen- ten, der platzbedarf, die stromaufnahme und damit auch kosten und risiko.dar?- ber hinaus ist bei controllergest?tzten modems die software meist fest ver- drahtet und somit nicht aktualisierbar. controllerlose, softwaregesteuerte oder win-modems ( bild 2 ) dagegen sind ko- steng?nstiger, ben?tigen weniger platz und haben eine geringere stromauf- nahme, da der speicher des pcs verwen- det wird und weder ein mikrocontroller noch speicherplatz daf?r ben?tigt wer- den. allerdings muss der pc den steuer- code abarbeiten, so dass solche win- rick blessington intelligente ger?te von heute k?nnen weit mehr als nur ein neu aufgenommenes foto zu zeigen oder den w?schetrockner auszuschalten, so- bald die w?sche trocken ist. sie melden beispielsweise, wenn ein automat auf- gef?llt oder geleert werden muss, erstellen bei bedarf ferngesteuerte diagno- sen, ver?ndern automatisch ihre einstellungen und aktualisieren ihre soft- ware per download. oder sie fordern selbst?ndig ihre wartung an, so dass fehlfunktionen vermieden werden. kurz: sie bringen intelligenz ins system. elektroger?te kommunizieren via internet embedded modems g bild 1 : controllergest?tztes modem
19 elektronik industrie 2-2001 embedded systems titelstory modems in hohem ma? vom pc-be- triebssystem abh?ngig sind. sie funktio- nieren folglich nur, solange der pc l?uft und sind betroffen von den typischen installations- und supportproblemen des pc. ihre funktion leidet, wenn der rechner mit anderen jobs stark belastet ist. dar?ber hinaus ben?tigen sie zus?tz- lich eine datenpumpe mit speicher. co- de-upgrades und diagnostik sind nicht redundant und h?ngen von der zuver- l?ssigkeit des pcs ab. software-upgra- des sind aufgrund des begrenzten spei- cherplatzes des modems beschr?nkt. software-modems softwaremodems, rechnergest?tzte modems oder softmodems arbeiten ohne dsp oder mikrocontroller, da ihre steuer- und datencodes auf dem pc laufen. dieser ansatz wurde von den pc- prozessor-herstellern verbreitet, um die ?ostenlosen?nicht ben?tigten mips der immer st?rkeren mikroprozessoren zu nutzen, da die modems den rechner nur unbedeutend belasten, jedoch gleichzeitig helfen, einen dringenden upgrade zu rechtfertigen. diese mo- dems sind sehr kosteng?nstig, da sie den bereits vorhandenen rechner nut- zen. betrachtet man jedoch die kosten, die im falle eines upgrades auf einen ausreichend schnellen rechner anfallen, um die modemfunktionen auszuf?hren, so werden die kosten eines controller- gest?tzten bzw. controllerlosen designs weit ?berstiegen. rechnergest?tzte mo- dems sind auch in hohem ma? von der zuverl?ssigkeit der rechner abh?ngig. auch sind probleme zu ber?cksichtigen, die auftreten, wenn viele arbeiten gleichzeitig durchgef?hrt werden. dar?- ber hinaus ist das modem auf windows- und pentium-anwendungen be- schr?nkt. der stromverbrauch und die kosten pro mips f?r einen pentium sind viel h?her als f?r einen dsp-gest?tzten entwurf, so dass der vom board ver- brauchte strom ber?cksichtigt werden muss, auch wenn die kosten vernachl?s- sigt werden. die kosten der modem-ip m?ssen immer noch bezahlt werden, so dass von einem ?ostenlosen?konzept nicht gesprochen werden kann. ein multifunktions-embedded-modem auf dsp-basis ( bild 3 ) enth?lt einen pro- grammierbaren dsp, z. b. einen adsp- 218x. wenn man controller, speicher und datenpumpe in einem einzelnen baustein integriert, reduzieren sich platz- bedarf , kosten und stromverbrauch. es wird kein separater mikrocontroller oder zugeordneter speicher ben?tigt. eine softwaregest?tzte uart reduziert dar?- ber hinaus hardwarekosten, speicher- platz und stromverbrauch. das selbst- st?ndige design arbeitet unabh?ngig von rechner und betriebssystem und bietet aufgrund des integrierten flash- speichers redundanz und aktualisier- barkeit der software. der codec f?gt in- ternationale spezifkationen hinzu und benutzt l?nderspezifische parameter. drei modulationsgeschwindigkeiten sind m?glich, wobei jede einzelne die- selben bauteile, aber ein unterschiedli- ches internet-protokoll (ip) benutzt: bis zu 14,4 kbit/s, bis zu 33,6 kbit/s und bis zu 56 kbit/s. das programmierbare embedded mo- dem von analog devices enth?lt alle der erw?hnten vorteile mit nur wenigen nachteilen. selbst wenn die pc-preise fallen, w?hrend gleichzeitig die rech- nerleistung steigt, werden embedded dsp mips immer g?nstiger, zuverl?ssi- ger und unabh?ngiger vom eingesetz- ten rechner bleiben. alle diese alternativen bis auf das rechnergest?tzte design, haben den nachteil, dass sie dem wettbewerb mit dem pc-preisverfall ausgesetzt sind. da der pc-preis relativ zum selbst?ndigen modem f?llt, werden rechnergest?tzte modems kosteneffektiver. zuk?nftig wird man die redundanz und die ko- sten weiterhin gegeneinander abw?gen m?ssen. daa-ans?tze das daa (data access arrangement) unterst?tzt die l?nderspezifischen an- ruf-protokolle und -kennungen, die f?r jedes land spezifiziert werden m?ssen. es sind verschiedene daa-bauelemente verf?gbar, um ein weltweites arbeiten zu unterst?tzen. das daa managt tip- und ring-telefonverbindungen ?und enth?lt einen zweiten codec f?r leitun- gen ohne spannungsversorgung, z.b. f?r standleitungen und drahtlose verbin- dungen. mehrere daas k?nnen von ei- nem einzigen dsp beim einsatz in an- wendungen mit vielen leitungen unter- st?tzt werden. der daa-baustein mit integriertem co- dec eliminiert kosten und platzbedarf von umsetzern, optoisolatoren, relais und hybriden. all das wird ersetzt durch zwei kleine tsso-geh?use, die direkt an das dsp angeschlossen sind und dabei die zuverl?ssigkeit verbessern, den be- dienkomfort steigern und gleichzeitig platzbedarf und kosten senken. das de- sign hat eine verbesserte leistungs- f?higkeit, da die signale digital ?ber die isolation ?bermittelt werden. der daa- baustein integriert l?nderspezifische bild 2 : controllerloses modem (isa und pci) bild 3 : multifunktions-dsp-gest?tztes modem
20 elektronik industrie 2-2001 embedded systems titelstory spezifikationen in einem einzigen de- sign und unterst?tzt sowohl die us- amerikanischen wie auch die internatio- nalen anrufkennungen ohne relais ?ber software-programmierung f?r verschie- dene l?nder. es ist keine hardware-mo- difikation erforderlich. fortschrittliches power-management, anrufkennung, und sleep-modus sparen strom und bieten umweltvertr?glichkeit, indem sie gerin- geren strombedarf und eine l?ngere le- bensdauer der batterie erm?glichen. monitorausgang und mikrofoneingang erm?glichen sprach- und telefonie-an- wendungen. jedes modemdesign bie- tet auch legacy-daas, die f?r telefonlei- tungen ohne stromversorgung wie et- wa bei drahtlosen verbindungen oder standleitungen verwendet werden. die embedded modems von analog devices enthal- ten einen modem-code der von telindus zur verf?gung gestellt wird. produktspezifi- sche software kann von mo- dempartnern von analog devices angefordert werden. modemreferenz- designs die embedded-modem- entwicklungsplattform ( bild 4 ) von analog devices ent- h?lt den programmierbaren dsp adsp-218x und einen daa-baustein und braucht weniger als 200 mw bei 3,3 v. es ist kein kundenspezifischer code notwendig. die entwicklungsplattform enth?lt mo- dem-software vom dem iso 9001-zerti- fizierten technologiepartner telindus von analog devices. das board kommt mit anschl?ssen f?r ez-ice, jtag und rs-232 schnittstelle f?r modifikation und test des at kommando-sets und der s-register. anwendungen ger?te, die embedded modems zur kommunikation verwenden, sind u.a. verkaufsautomaten (die informationen ?ber verschiedene inventarebenen mit- teilen k?nnen und wann sie gef?llt wer- den m?ssen), kiosks, pos-terminals, si- cherheits- und ?berwachungssysteme, spiele und automaten, die mitteilen, wann lieferungen aufgenommen wer- den m?ssen. die art und weise, wie das betreffende ger?t ?ber diese modems kommuniziert, wird durch die program- mierung der zugeh?rigen inhalts- und kommunikationsdaten festgelegt. ger?- te, die das internet nutzen, um kunden- informationen bereitzustellen und kom- munikation zu erm?glichen, k?nnen ?berall aufgestellt werden. industriege- r?te k?nnen anzeigen, wann sie gewar- tet werden m?ssen. k?hlschr?nke k?n- nen rezepte anzeigen, die nur zutaten aus dem k?hlschrankinhalt verwenden, usw. embedded modems bieten komplette und flexible entwicklungsalternativen f?r weltweite kommunikation in ver- schiedenen anwendungen. jede an- wendung kann mit nur drei bauteilen aufgebaut werden, bietet unterschiedli- che geschwindigkeiten und kann ko- steng?nstig mit wenig stromverbrauch und platzbedarf eingesetzt werden. weitere informationen erhalten sie im internet unter www.analog.com/soluti- ons oder ?ber die kennziffer. rick blessington arbeitet in der software & systems technology division bei analog devices. hostrechner n?tig redundanz ausbauf?hig kosten nachteile alleinstellungs- merkmale ja nein, h?ngt vom host- rechner ab h?ngt vom hostrechner ab angemessen ben?tigt hostrechner f?r den supervisor-code speicher im host ja nein, h?ngt vom hostrechner ab schwierig minimal ben?tigt mehr leistung, be- schr?nkt auf pen- tium- und win- dows-applikatio- nen nur software, su- pervisor-code und dsp laufen auf dem host nein optimal, arbei- tet auch bei rechnerab- sturz weiter nein maximal ben?tigt mi- krocontroller mit speicher, um supervisor- code zu bear- beiten neutrales be- triebssystem nein optimal, arbeitet auch bei rechnerabsturz weiter optimal angemessen preiswettbewerb mit host- pc-preispolitik keine host- oder betriebssy- stem-abh?ngigkeit. integrier- ter controller und datenpum- pe typ trade-offs (+ und -) mit controller parallel ohne controller, seriell (oder winmodem) software-host- basierend multifunktional, program- mier-dsp-basierend tabelle 1 : ?bersicht, modem-architekturen 405 a nalog d evices bild 4 : v.90 em-referenzdesign
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