COM-HPC Mini Leistungsstarkes Computer-on-Module für Railway-PCs

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Embedded-Computer für die Bahnindustrie müssen starke Vibrationen, Temperaturschwankungen sowie elektrische Störeinflüsse meistern. Eine Herausforderung für Entwickler.

Ausgangspunkt für das Entwickeln des Railway-Computers RML-R10 von Syslogic war eine klare Marktanforderung: Ein kompaktes und leistungsstarkes Embedded-System für das Transportwesen. Der Railway-Computer wurde hauptsächlich als Bordcomputer entwickelt – einsetzbar als Rail Control Unit, Kollisionswarnsystem sowie für Predictive Maintenance oder ADAS (Advanced Driver Assistence Systems). Daneben eignet sich der Rechner für Off-Train-Anwendungen wie Streckenüberwachung oder Gleisfreimeldung.

Vom Kundenbedarf zur Gesamtlösung

Viele Bahnanwendungen verlangen außerdem, dass Embedded-Systeme direkt im Führerstand oder in Schaltschränken untergebracht werden – dabei zählt jeder Millimeter Platzbedarf. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Rechenleistung, Konnektivität und Zukunftssicherheit im Bahnsektor immer weiter an.

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Herzstück des Computers ist ein COM-HPC-Mini-Modul von Congatec, das dank hoher Performance, kompaktem Formfaktor, robuster Auslegung und Schnittstellenvielfalt für Bahntechnik-Applikationen prädestiniert ist. Mit der Kombination aus einem individuell entwickeltem Syslogic-Carrierboard, einem robusten Gehäuse, industrietauglichen Schnittstellen und dem leistungsfähigen Congatec-Modul entstand ein Gesamtsystem, das die Erwartungen der Kunden bestens erfüllt. Europäische Schienenfahrzeughersteller, Bahnbetreiber sowie Systemintegratoren setzen den RML-R10 bereits erfolgreich in verschiedenen Projekten und Applikationen im Transportwesen ein.

COMs vs. Full-Custom-Designs

Ein Computer-on-Module (COM) vereint die wichtigsten Bausteine eines PCs auf einem kompakten Board, darunter CPU, Arbeitsspeicher und Basis-I/Os. Im Gegensatz zu Single-Board-Computern (SBCs) oder Motherboards arbeitet das COM jedoch nicht alleine, sondern wird auf einem Trägerboard – auch als Carrier bezeichnet – installiert.

Zu den großen Vorteilen von COMs gegenüber reinen Bordlösungen oder Full-Custom-Designs sind die skalierbare Leistung durch Prozessorupgrades, eine Auswahl verschiedener Formfaktoren für unterschiedliche Ansprüche sowie einfache Upgrades durch einen Modultausch statt eines Redesigns. Zudem sind standardisierte COMs von mehreren Herstellern und damit auch zuverlässig lange verfügbar. Dadurch bieten sie zukunftssichere Konnektivität. Die Trennung der PC-Entwicklung von der eigentlichen Applikationsentwicklung reduziert zudem die Time-to-Market. Gleichzeitig reduziert die Wiederverwendbarkeit des Carrierboards die NRE-Kosten.

Bei Computer-on-Module kommt einem zuerst der häufig und erfolgreich eingesetzte COM Express Standard in den Sinn, der auch im Mini-Format vorliegt. Jedoch gibt es seit Oktober 2023 eine Alternative: COM-HPC Mini.

COM-HPC-Mini von Congatec als Basis

Mit seinen standardisierten 95 mm x 70 mm ist das Computer-on-Module conga-HPC/mRLP von Congatec äußerst kompakt und bestens geeignet für enge Bauräume. Hinzu kommen hochmoderne High-Speed-Schnittstellen wie PCIe Gen4, USB 4.0 und schnelle Ethernet-Standards, die eine hohe Zukunftssicherheit bieten. Entscheidend für Syslogic war zudem, dass CPU und RAM gelötet sind, was sich positiv auf die Vibrationsbeständigkeit im Bahnbetrieb auswirkt.

Das Modul conga-HPC/mRLP integriert zudem die leistungsfähigen Intel-Core-Prozessoren der 13. Generation (Raptor Lake). In Verbindung mit “on Module“ DDR5-Speichertechnologie entsteht ein Performance-Paket, das auch für komplexe Anwendungen wie Videoanalyse oder Steuerlogik hervorragend gerüstet ist.

Die Kombination aus dem applikationsspezifischen Carrier Board von Syslogic mit einem COM-HPC-Mini-Modul von congatec bietet eine hohe Flexibilität für kundenspezifische Anforderungen sowie eine hohe Skalierbarkeit und Modularität. Syslogic kann bei Bedarf jederzeit auf die neueste Prozessorgeneration (SKUs) aufrüsten, sollte dies nötig sein. Auch der Austausch des Moduls ist einfach möglich. Ein Redesign der Hardware oder der Kühlung ist nicht nötig. Das Carrier Board bleibt erhalten, es wird lediglich ein leistungsstärkeres Modul verbaut. So lassen sich neue Kundenanforderungen flexibel und schnell umsetzen – eine Investition, die sich auszahlt.

Zertifizierte Railway-Tauglichkeit

Doch nicht nur das COM muss für die hohen Anforderungen an die Bahntechnik ausgelegt sein, auch die restliche Peripherie des Railway-Computers ist an die strengen Vorgaben an Embedded-Designs auszurichten. Seit 25 Jahren liefert Syslogic an die Bahnindustrie und erfüllt mit seinen Produkten jederzeit die hohen Normen und harschen Umweltbedingungen der Branche. Bereits bei der Bauteilauswahl achtet Syslogic darauf, dass lediglich Komponenten zum Einsatz kommen, die mit den Bahnanforderungen kompatibel sind. So erfüllt der Railway Computer RML-R10 unter anderem die Anforderungen an:

• EN 50155, Klasse OT4: Einsatz im erweiterten Temperaturbereich von -40 bis 85 °C

• EN 50125: Umweltbedingungen für Bahnbetriebsmittel wie Temperatur, Luftfeuchte, mechanische Einflüsse, Regen, Schnee, Hagel, Eis oder Sonneneinstrahlung

• EN 45545-2 HL3: Anforderungen der Betriebsmittel an den Brandschutz

• EN 61373: Anforderungen an Schock- und Vibrationsfestigkeit

So übersteht der Computer etwa Netzausfälle mit einer 10-ms-Überbrückung (EN 50155 Klasse S2) und lässt sich mit einem galvanisch isolierten Weitbereichseingang (16,8 bis 137,5 V_DC) an allen gängigen Bordnetzen betreiben, ohne zusätzliche DC/DC-Wandler. Zur Robustheit tragen verschraubbare M12-Steckverbinder, ein passives Kühlkonzept sowie ein massives Gehäusedesign bei. Jedes Gerät wird außerdem vor dem Ausliefern Extremtests unterzogen, darunter Cold-Start-Tests bei Minusgraden.

Diese Robustheit setzt sich modular bis in das COM-HPC-Mini-Modul fort. Es basiert weitgehend auf Lötverbindungen (kein Steck-RAM) für hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit. Zudem meistert es ebenfalls den rauen industriellen Einsatz, etwa Temperaturen von -40 bis 85 °C und basiert auf einem robusten Leiterplatten-Design.

Aufgrund der Modularität kann Syslogic je nach Einsatzgebiet gezielt weitere Features wie eine zusätzliche Isolation, eine galvanische Trennung oder eine optimierte EMV-Verträglichkeit hinzufügen, ohne das Kern-Rechenmodul anpassen zu müssen.

Konnektivität für zukunftssichere Designs

Um die Zukunftssicherheit seiner Bahntechnik-Applikationen sicherzustellen, setzt Syslogic auf kundenspezifische Schnittstellenlayouts und kann diese je nach Anforderung als IP-geschützte Schnittstellen ausführen. Standardmäßig stehen Ethernet (M12, verschraubbar), CAN, RS232/422/485 sowie digitale I/Os zur Verfügung. Optional lassen sich unter anderem Power-over-Ethernet (PoE), Single Pair Ethernet (SPE), zusätzliche LAN- oder CAN-Ports sowie DisplayPort ergänzen. Weil USB kein in der Bahntechnik verbreiteter Standard ist, ist dieser ausschließlich für Wartungszwecke verbaut.

Um die Zukunftssicherheit seiner Bahntechnik-Applikationen sicherzustellen, setzt Syslogic stark auf kundenspezifische Schnittstellenlayouts und kann diese je nach Anforderung als IP-geschützte Schnittstellen ausführen. Standardmäßig stehen Ethernet (M12, verschraubbar), CAN, RS232/422/485 sowie digitale I/Os zur Verfügung. Optional lassen sich unter anderem Power-over-Ethernet (PoE), Single Pair Ethernet (SPE), zusätzliche LAN- oder CAN-Ports sowie DisplayPort ergänzen. Weil USB kein in der Bahntechnik verbreiteter Standard ist, ist dieser ausschließlich für Wartungszwecke verbaut.

Virtualisierung und Sicherheit

Mit den modernen Prozessoren von Intel mit Virtualisierungstechnologien wie Intels VT-X und VT-D unterstützt der Railway-Computer Hypervisoren wie congatec aReady. Auf diese Weise lassen sich mehrere Funktionen auf einer Hardware konsolidieren, die bisher separat gelaufen sind, etwa:

• Videoüberwachung

• Fahrgastinformation

• Predictive Maintenance

• Zugsteuerung

Mithilfe der Virtualisierung laufen diese Anwendungen isoliert und parallel auf demselben System. Das spart Platz, reduziert die Kosten und erhöht die Effizienz im Fahrzeug. Mit dem Railway-Computer RML-R10-SPE bringt Syslogic außerdem erstmals Single-Pair-Ethernet in die Bahnbranche. Jede SPE-Schnittstelle verfügt über einen eigenen dedizierten Network Interface Controller (NIC). Das ermöglicht die Echtzeitkommunikation mit Kameras und anderen Sensoren.

Für Bahnbetreiber allerdings zählt nicht nur die Leistung, sondern auch ein hohes Maß an IT-Sicherheit und Wartbarkeit. Aus diesem Grund integriert Syslogic verschiedene Sicherheitsmechanismen in seinen Railway-Computer, darunter TPM 2.0, UEFI Secure Boot, Intels Control-Flow Enforcement (CET) sowie Intels Total Memory Encryption. Mit diesen Funktionen erreicht Syslogic eine hohe Datenintegrität und schützt das System gleichzeitig vor Angriffen von außen.

Über den Bahnsektor hinaus eignet sich die neue Plattform auch für Busse, Trams, Baumaschinen, Off-Highway-Fahrzeuge und die Agrartechnik. Syslogic plant zudem weitere Varianten, die auch KI-Workloads auf Intel-Basis ermöglichen sollen. (mk)

* Claire Liu ist Senior Market Segment Manager bei Congatec.

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