Robuste Embedded-Systeme Computer-on-Modules, die alles mitmachen

Neben einem kompakten Design sind bei Embedded-Systemen mehr Modularität und Robustheit gefragt. Aus welchen Märkten kommen die hohen Ansprüche und gibt es Produkte, die sich schon bewährt haben?

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Mit den vielen Möglichkeiten, die Elektronik heute bietet, findet Technologie einerseits Zugang zu Bereichen, mit denen man eher Tradition als Moderne assoziiert. So hat der Fahrerstand heutiger Landmaschinen neben Klimatisierung und Rundumsicht vor allem High-Tech zu bieten. Andererseits profitieren ebenso Bereiche wie Avionik von den technologischen Veränderungen der letzten Jahre. Für die Flugzeug-Elektronik kommen nun auch Komponenten in Frage, die von der Stange erhältlich und/oder leicht anpassbar sind.

In diesen und anderen Embedded-Disziplinen erobern sich Computer-on-Modules (COMs) – kleinformatige Aufsteck-CPU-Karten – als Hardware-Architektur einen festen Platz. Die Idee, die CPU mit Basisfunktionen als Modul abzutrennen und die gewünschten Steckverbinder sowie Spezialfunktionen auf eine Trägerkarte auszulagern, ist so einfach wie genial. Die wichtigsten Kostenfaktoren der Entwicklung werden aufgeteilt. Kann man dann die Hardware austauschen oder unterschiedlich kombinieren, verringern sich die Gesamtkosten des Systems, auch bei Upgrades, und die Markteinführung geht schneller.

Die Sache hat allerdings einen Haken. Um Komponenten auszutauschen, braucht man ein standardisiertes Konzept, das zu den Anforderungen des Kunden passt und zukunftssicher ist. Und nun soll das Ganze auch noch robust sein. Lässt sich all das vereinen? Werfen wir einen Blick hinter die Kulissen.

Wann ist ein Rechner wirklich robust?

Wenn das Handy unbeschadet herunterfällt, ist das Glück; bei industrietauglicher Elektronik ist es Berechnung. Je kalkulierbarer die Umweltbedingungen, desto unkomplizierter die nötigen Maßnahmen, z.B. in einer klimatisierten Fertigungshalle. Wirklich robust ist ein Rechner, wenn er Erschütterungen und Stößen ebenso standhält wie Feuchtigkeit, Staub, Hitze oder Chemikalien, und all das auch ungeplant oder in größerem Ausmaß – etwa in einem Zug oder einem Nutzfahrzeug.

Mit dem relativ neuen Standard ANSI/VITA 59 RSE (Rugged System-On-Module Express) erschließt das COM-Konzept eben jene besonders anspruchsvollen Einsatzbereiche. Es baut auf PICMG COM.0 (COM Express) auf, perfektioniert jedoch Aspekte wie mechanische Stabilität und lüfterlose Kühlung. MEN Mikro Elektronik setzt ANSI/VITA 59, dessen Normungsprozess dem Ende entgegengeht, in der Produktserie „ESMexpress“ um.

Die CPU-Karte ist in einen Aluminiumrahmen eingebettet, der die mechanischen Teile thermisch optimal verbindet. Der Rahmen leitet die Abwärme von CPU und Träger direkt zum umgebenden Gehäuse. Zugleich sind die Bauteile perfekt geschützt, auch hinsichtlich EMV. Die Signale sind auf zwei robusten Samtec-Steckverbindern mit je 120 Pins fest zugeordnet. Dazu gehören schnelle serielle Schnittstellen wie PCI Express, Gigabit Ethernet, USB, SATA bis hin zu High-End-Grafik und Audio.

Geschüttelt, aber völlig ungerührt

In kleinerem Format lehnt sich „ESMini“ an ESMexpress an. Kühlkonzept und Stecker sind gleich, allerdings bietet das Modul mehr I/O-Flexibilität. Die Pinbelegung ist nicht fest definiert und ein FPGA für Erweiterungen kann direkt auf dem Modul untergebracht werden.

ESMexpress und ESMini schreiben vor allem in mobilen Anwendungen ihre Erfolgsgeschichte – sogar im Ackerbau beim „Precision Farming“. Durch Positionsbestimmung per GPS und laufende Erfassung von Werten wie Feuchte, Ertrag oder Kraftstoffverbrauch bis hin zur digitalen Bilderfassung kann der Landwirt seine Böden gezielter und schonender bearbeiten und den Einsatz seiner Maschinen besser planen. Das spart Geld und schont Ressourcen. Der Fahrer der Landmaschine hat über ein Bedienterminal mit Touchscreen alles im Blick. Im Gehäuseinneren steckt ein ESMexpress-Modul, das je nach Maschinentyp mit einem Intel-Atom-Prozessor oder einem Intel Core 2 Duo ausgestattet ist.

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