von Barbara Schmitz

Ursprünglich als Infotainment-Computer für den öffentlichen Personenverkehr in Bahn, Bus und Flugzeug entwickelt, hat der Display-Controller Eigenschaften, die auch für Industriesteuerungen mit rauen und ausfallkritischen Anforderungen interessant sind. Die Basis bildet die Intel-Atom-Plattform – im Kern keine neue Erfindung, aber aufgrund der Kombination aus Rechenleistung, Stromverbrauch, Größe, Temperaturbereich und Preis eine kleine Revolution für industrielle Steuerungen.

Bisher war es in der Automation beispielsweise nur mit Kompromissen möglich, eine Steuerung bei Raumtemperaturen bis 85 °C zu betreiben. Dazu musste entweder auf eine relativ schwache CPU zurückgegriffen werden oder auf CPU-Architekturen, die kein Windows unterstützen. War beides nicht möglich, blieb bislang nur die Option, eine leistungsstarke Intel-Plattform aktiv zu kühlen – was wiederum im Widerspruch zu den ausfallkritischen Aspekten wie Überhitzung bei einem defekten Lüfter steht.

Wenn es heiß wird

Den Konflikt löst die Atom-CPU-Familie von Intel, die bei einer Taktfrequenz bis 1,6 GHz in der Leistungsklasse einer Pentium-M-CPU liegt und dabei weniger als 5W Verlustleistung erzeugt. Dennoch ist es nicht trivial, aus den einzelnen bis 85°C spezifizierten Baugruppen ein komplettes System für den gleichen Temperaturbereich aufzubauen – vor allem, wenn der Betrieb lüfterlos erfolgen soll. Hier muss das Kühlkonzept konsequent auf der sogenannten „Conductive-Cooling“-Technologie (Wärmeleitung) basieren.

Die Steuerungselektronik der Display-Computer sitzt deshalb direkt hinter dem Bildschirm. Dies ermöglicht eine effektive Weiterleitung der Abwärme von der Elektronik und des Displays über die rückseitigen Kühlrippen. Mit einer Gesamt-Verlustleistung von 20W ist das System für eine Betriebstemperatur von – 40 °C bis +70°C ausgelegt, beziehungsweise für 15 Minuten bis +85°C entsprechend der Temperaturklasse Tx der Bahnnorm EN 50155. Generell liegt die Abweichung der Gehäusetemperatur von der Raumtemperatur bei maximal 15°C.

Der Display-Controller DC1 basiert auf einem ESMexpress-Modul mit Atom-CPU sowie Träger- und Adapter-Boards, die sich bei Bedarf individuell anpassen lassen.

Ein weiteres Kriterium für Bahn- wie auch Industrie-Applikationen ist die Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, Schock und Vibrationen. Um das sicherzustellen, sind sämtliche Baugruppen verschraubt und die elektronischen Bauteile inklusive des Arbeits- und Programmspeichers verlötet. Bei Bedarf können auch die Ein-/Ausgabe-Stecker für Ethernet und die anderen Geräteschnittstellen als M12- oder DSUB-Stecker herausgeführt werden. Alle Signale sind außerdem geschützt an der Unterseite des Panel-PC angebracht, was eine problemlose rückseitige Montage mittels VESA-Verbinder (Video Electronics Standards Association) ermöglicht. Zum Schutz gegen Feuchtigkeit ist die Elektronik im Inneren des Computers bereits für eine eventuell notwendige Schutzlackierung vorbereitet, während die Front aus Sicherheitsglas im Aluminiumgehäuse die Schutzart IP65 erreicht.

Die „gehärteten“ Panel-PCs bieten sich als intelligente Displays für die Steuerung und Überwachung von Maschinen und Anlagen in den unterschiedlichsten Industriezweigen an, beispielsweise von Werkzeugmaschinen, Pressen oder Textilmaschinen.

Weitere Anwendungsgebiete mit hohen Anforderungen an die Ausfallsicherheit sind beispielsweise Ticket-Automaten in Bahnhöfen oder im Parkhaus, Check-In-Schalter an Flughäfen oder auch Geldautomaten. Mittlerweile kommen Bedienterminals verstärkt in beweglichen „Maschinen“ wie etwa in Gabelstaplern, Kränen, Baggern, Betonmischern oder Traktoren zum Einsatz. Diese mobilen Geräte müssen nicht nur robust sein, sie setzen außerdem ein möglichst flaches Design voraus. Das breite Einsatzspektrum verlangt die verschiedensten Ein-/Ausgabe-Konfigurationen, Display-Größen und -Auflösungen sowie Netzteile und Prozessortypen.

Flexibilität ist Pflicht

Um den unterschiedlichen Anforderungen zu genügen, muss ein Display-Computer flexibel aufgebaut sein. Das Konzept der Panel-PC-Familie stützt sich auf den zur Standardisierung eingereichten System-On-Module-Formfaktor ESMexpress. Dabei bleibt das aufwendiger zu entwickelnde CPU-Modul immer unangetastet. Alle applikationsspezifischen Modifikationen und Schnittstellen-Konfigurationen erfolgen ausschließlich auf der Trägerkarte (Base-Board), die selbst bei einer kompletten Neuentwicklung schneller zu realisieren ist, als eine Komplettlösung mit integrierter CPU. Das Trägerboard der Display-Controller ist für Displays zwischen 12 und 19 Zoll optimiert. Ein neues Trägerboard ist notwendig, wenn dessen Format an die Display-Größe angepasst werden muss, beispielsweise an die bei mobilen HMIs üblichen 10 Zoll.

Ein wichtiges Kriterium ist außerdem die Definition der elektrischen Signale zwischen CPU-Modul und Trägerboard. ESMexpress lässt im Gegensatz zu anderen Formfaktoren nur eine einzige Pinbelegung zu, so dass auch nach mehreren Jahren ein Wechsel auf die nächste Generation eines CPU-Moduls möglich ist. Der Formfaktor COMexpress hat insgesamt fünf verschiedene Pin-Outs und vier Modulformate.

Um eine Langzeitverfügbarkeit der Geräte gewährleisten zu können, gehört die Definition der heute und in Zukunft gängigen Standardschnittstellen dazu. ESMexpress setzt hier ausschließlich auf serielle Schnittstellen wie USB, Ethernet, Seriell-ATA und HD-Audio. Auf die Implementierung von „Legacy“-Schnittstellen wie COM, Parallel-ATA, welche die Atom-CPU mit dem System-Controller-Hub heute noch unterstützt, wurde bewusst verzichtet.

Das ESMexpress-Modul XM1 ohne Gehäuse.

Dennoch können die meisten notwendigen Modifikationen ohne Layout-Änderungen auf der bestehenden Trägerkarte vorgenommen werden. Beispielsweise lassen sich die im industriellen Umfeld immer noch üblichen UART-Schnittstellen (Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter) über Steckplätze für RS232/ 422/RS485-Adapter realisieren. Diese Schnittstellen werden über einen USB/ UART-Konverter mit dem CPU-Modul verbunden. Und über einen Mini-PCIExpress-Steckplatz können Wireless-Karten adaptiert werden. Ein Steckplatz für SIM-Karten bietet die Möglichkeit auch Mobilfunknetze zu nutzen.

Eine weitere Option zur Erweiterung der I/O-Funktionalität auf der Trägerkarte stellt ein FPGA (Field Programmable Gate Array) dar, das über ein PCI-Express-Link mit dem Prozessormodul kommuniziert. Damit können beispielsweise die Touch-Funktion oder Feldbus-Anschaltungen als IP-Core integriert werden, vom CAN-Bus über Interbus und Profibus bis zu Ethernet und dessen Echtzeit-Derivaten. Mit dem FPGA bleibt diese Vielfalt beherrschbar. Zudem gibt die FPGA-Technik Sicherheit bei möglichen Bauteil-Abkündigungen.

Natürlich müssen diese vielen Schnittstellen-Funktionen auch flexibel nach außen herauszuführen sein. Bei den Display-Computern gibt es dafür eine Adapter-Karte, über die sich beliebige Stecker-Kombinationen realisieren lassen, beispielsweise Ethernet über einen DSUB-Stecker anstatt dem üblichen RJ45-Stecker.

Die Basis der Panel-PC-Serie bildet der Display-Computer DC1 mit einem 15-Zoll-TFT-Display (1024 × 768 Pixel Auflösung). Das Gerät misst 326,5mm× 253,5mm bei einer Tiefe von 55 mm. Der Panel-PC ist mit einer Atom-CPU (1,6 GHz), 1GByte Arbeitsspeicher und 4GByte USB-Flash-Disk ausgestattet. An Schnittstellen stehen zwei USB- und zwei Fast-Ethernet-Anschlüsse sowie fünf binäre Eingänge zur Verfügung. Hinzu kommen Schnittstellen für UART und HD-Audio. Der Mini-PCI-Express-Steckplatz ermöglicht in Kombination mit einer externen Antenne die Integration von Wireless-Technologien wie WLAN, WIMAX, GSM/GPRS, UMTS. Überwachungsschaltungen für Spannung, Temperatur und die Hintergrundbeleuchtung des Displays sind bei dieser Art von Computern Standard. Das Weitbereichs-Netzteil liefert 9 bis 36V(DC) und deckt optional den gesamten Bereich bis 154V(DC) ab.

Die Montage-Varianten

Flexibel zeigt sich der Panel-PC darüber hinaus bei der übergeordneten Ansteuerung der Displays sowie der Montage. Bei Client-Server-Applikationen können die Bildinhalte in Hardware – und damit verzögerungsarm – über den integrierten Ethernet-Switch zum nächsten Display-Computer weitergeleitet werden. Das spart bei Visualisierungslösungen in weitläufigen Anlagen Platz und Kosten für die bislang notwendige sternförmige Verkabelung der Displays zum Visualisierungs-Server. Neben der Montage an der Wand oder einem Tragarm können je zwei Systeme auch direkt nebeneinander oder Rücken an Rücken montiert werden. Diese Doppel-Displays benötigen nur einen Rechner-Kern. Dezentral angeordnete Bildschirme lassen sich per DVI-D ansteuern. Schließlich ermöglicht ein Dongle, auf dem die jeweilige Konfiguration gespeichert ist, die einfache Verwaltung der Panel-PCs bei Systemerweiterungen oder einem Gerätetausch.

Autor

Barbara Schmitz ist Marketing-Leiterin bei MEN Mikro Elektronik in Nürnberg.

Das Kühlkonzept

ESMexpress ist ein System-On-Module- Standard für raue Umgebungsbedingungen und sicherheitskritische Anforderungen in industriellen Embedded- Anwendungen. ESMexpress basiert auf einem lüfterloses Kühlkonzept mittels Wärmeleitung (Conductive-Cooling) für CPU-Module bis 35WVerlustleistung. Hierzu wird die 85mm× 115mm große Leiterplatte in einen Aluminium- Rahmen mit Deckel (95mm× 125 mm) montiert. Die Befestigung des CPU-Boards erfolgt durch Einklipsen der Leiterplatten- Überstände in den Rahmen. Zudem leiten diese Überstände die Abwärme über den Rahmen zum Gehäusedeckel des CPU-Moduls. Das Modul ist wiederum fest mit dem Trägerboard verschraubt. Diese feste Verbindung unterstützt die thermische Anbindung der Komponenten. Außerdem leitet der Rahmen die Abwärme der Trägerkarte zum Gehäusedeckel.

Das ESMexpress-Modul selbst ist zur externen Wärme-Ableitung mit dem Systemgehäuse verbunden. Gleichzeitig bietet das geschlossene Metallgehäuse einen optimalen EMV-Schutz. Der von MEN entwickelte Formfaktor befindet sich bei der VITA (VMEbus International Trade Association) in der Vorbereitung zur Standardisierung gemäß ANSI (American National Standards Institute) (ANSI-VITA 59, RSE: Rugged System- On-Module-Express).