Die Aufgabe der Embedded-Building- Blocks-Initiative bestand darin, ein System zu definieren, welches die Anforderungen aus der Industrie mit den Vorteilen der Consumer-PC-Welt verbindet. Dazu muss die Lösung flexibel wie ein Consumer-PC sein, preislich zwischen einem Consumer-PC und Industrie-PC liegen sowie die sonstigen Anforderungen industrieller Anwendungen erfüllen. Kennzeichen der Consumer-PCs sind schnelle Produktwechsel, eine nahezu unüberschaubare Anzahl von Anbietern mit einer aggressiven Preispolitik und meist mehrere Lösungen für jede Anforderung.

Industrielle Anwender würden gerne diese Flexibilität und den günstigen Preis nutzen; einige sind der Versuchung in der Vergangenheit auch erlegen und haben Consumer-PCs in ihren Anwendungen eingesetzt. In fast allen Fällen haben die Anwender ihre Entscheidung später bereut, denn in Summe waren die Kosten meist höher als bei einem industriellen System. Die speziellen Anforderungen industrieller Anwender an ein PC-System sind primär eine sehr lange Verfügbarkeit und die zuverlässige Funktion unter rauen Industrieumgebungen. Dazu müssen die Rechner höhere Umgebungstemperaturen aushalten und höhere Schock- und Vibrations- Werte sowie Schutzklassen erfüllen.

Während in der Consumer-PC-Welt die Schnittstellen oft sehr schnell durch neue Technologien abgelöst werden, sieht dies in der industriellen Anwendung anders aus: Hier gibt es nach wie vor viele spezielle Geräte mit veralteten Schnittstellen (RS232 und RS485), die an den PC angeschlossen werden müssen. Darüber hinaus sind spezielle Schnittstellen wie Feldbusse (CAN, Profibus oder Ethercat) gefordert. Die Industrie-PC- und Embedded-Welt bietet hier zwar eine Reihe von Lösungen, beispielsweise PC/104- oder 19-Zoll-Systeme, die aber entweder recht teuer, groß oder eine Spezialausführung sind. Den Kern der Embedded-Building- Blocks-Lösung bilden COM-Express-Module nach der PICMG-Spezifikation COM.0, Ausführung 1 oder 2 (PICMG: PCI Industrial Computer Manufacturers Group).

Die treibende Kraft der Initiative ist die Firma Intel; das COMExpress- Modul liefern Firmen wie Congatec, deren Fokus auf der Entwicklung von Embedded-Modulen liegt. Die COM-Express-Anbieter sorgen mit ihrer Auswahl an unterschiedlichen COM-Modulen für die notwendige Flexibilität, zumal die jeweils neuesten Intel-Prozessoren sehr schnell auf diesem Formfaktor zur Verfügung stehen. Für den Einsatz in einer industriellen Umgebung entwickelt, erfüllen diese Module die Anforderungen hinsichtlich der rauen Industrieumgebungen und erweiterten Temperaturbereiche. In der Consumer-PC-Welt geht der Standard bis +35 °C Umgebungstemperatur. Dagegen sind in industriellen Anwendungen in der Regel Temperaturen von 0 °C bis +50 °C gefordert, mitunter auch bis zu +60 °C.

Standards aus dem Consumer-PC-Bereich dienen als Grundlage

Zielapplikationen der COM-Express-Module waren bisher kundenspezifische oder applikationsspezifische Trägerboards; eine Standardlösung gibt es bislang nicht. Die im Markt verfügbaren Träger- oder Mainboards basieren in der Regel auf Standards wieATX-Mainboards aus dem Consumer-PC-Bereich. Allerdings bleibt deren Flexibilität auf der Strecke. Eine erste universelle Lösung im Rahmen der Embedded-Building-Blocks- Initiative hat die Firma TQ entwickelt. Das Mainboard MB-COME-1 bildet in Verbindung mit einem COM-Express-Modul einen kompakten Hardware-Bausatz, der sich aufgrund des modularen Aufbaus als eine skalierbare Embedded-PC-Plattform nutzen lässt.

Die Abmessungen (170 mm × 170 mm) und die Montagepunkte des Mainboards entsprechen dabei dem Mini-ITX-Formfaktor. Damit steht die komplette Infrastruktur der am Markt verfügbaren Gehäuse und mechanischen Lösungen zur Verfügung. Auch seitens Stromversorgung setzt das Board auf die vorhandenen Standards. Wesentlicher Unterschied zu bisherigen Lösungen sind die flachen Schnittstellen-Stecker, die ein völlig neues thermisches Design ermöglichen: Bisher wird das Mainbord von oben auf den Gehäuseboden geschraubt und eine mehr oder weniger aufwendige thermische Kopplung des CPU-Kühlkörpers mit der Gehäuseoberseite realisiert, um darüber die Wärme abzuführen. Daneben gibt es die aus der Standard-PC-Welt bekannte Kühlung per großem Lüfter.

Da bei der Embedded-Building- Blocks-Initiative sämtliche Anschlüsse auf einer Boardseite konzentriert sind, können Anbieter wie die Firma Apra-Norm Gehäuse in IP54 oder in IP65 (auf fünf Seiten) konzipieren.

© Apra-Norm

Aufgrund der flachen Bauweise des Boards ist bei Embedded-Building-Blocks der Heatspreader auf dem COM-Board immer der höchste Punkt des Embedded-Systems. Daher lässt sich das Trägerboard quasi auf den Kopf legen und zusammen mit dem COM-Express-Modul und dessen Heatspreader an die Gehäuse-Oberseite montieren. Wegen der definierten Höhenprofile entsteht dabei eine genau definierte thermische Verbindung mit dem Gehäuse. Ebenso sind die bisher bei Mini-ITXLösungen üblichen thermischen Lösungen möglich. D

abei ist das Trägerboard so konzipiert, dass sich auch eine kürzere Version mit 170 mm × 137 mm realisieren lässt. Das MB-COME-1 bietet standardmäßig bereits viele Schnittstellen: Nach außen geführt sind 4×USB 2.0, 2×Gigabit Ethernet, DVI-I (analog & digital) und RS232. Als interne Schnittstellen stehen zur Verfügung: 1×SATA zum Anschluss einer 2,5-Zoll-Festplatte, 1×SATA für ein externes Speichermedium, CF-Interface, CFast-Interface, Mini-PCIe, LVDS, 1×USB, PCI/ PCIe-Riser und eine proprietäre I/OSchnittstelle. Durch diese reichlichen internen Schnittstellen können die unterschiedlichen Anwendungen ohne zusätzliche Erweiterungen realisiert werden.

Sollten diese Schnittstellen nicht ausreichen oder spezielle Funktionen benötigt werden, stehen zwei zusätzliche Extensions zur Verfügung. Die proprietäre I/O-Erweiterung bietet eine weitere USB-, PCIe-, HDA-, SVDOund I²C-Schnittstelle. Damit können beispielsweise Feldbusse wie CAN realisiert werden.

Erweiterungskarten werden horizontal montiert

Das TQ-System lässt sich mittels des patentierten Rizer- Interface nach unten oder zur Seite (Mitte und unten) mit PCIoder PCIe-Karten erweitern.

© TQ Components

Das von der Firma TQ zum Patent angemeldete Riser-Interface als zweite Umbau- Option ist eine der Schlüssellösungen des Systems: Das Interface ermöglicht eine Ergänzung nach unten oder zur Seite und löst damit ein bei den bisherigen Mini-ITX-Lösungen häufig auftretendes Problem. Am Markt angebotene Mini-ITX-Lösungen aus dem Industrie-PC oder Embedded-Bereich bieten zwar einen PCI-Slot, allerdings steht die Slot-Karte senkrecht auf den Trägerboards, was ein voluminöses Gehäuse erfordert.

Zwar kann über eine Riser-Karte die PCI-Karte auch parallel zum Mainboard positioniert werden, in der Regel führt dies aber zu Problemen bei der Kühlung von Trägerboard und Steckkarte. Bei der Lösung von TQ erfolgt die Erweiterung dagegen nach unten, so dass das System innerhalb der Standard- I/O-Fenster bleibt und damit selbst mit der zusätzlichen Karte in ein Standard-Mini-ITX-Gehäuse passt. In puncto Entwärmung hat dieser Aufbau einen großen Vorteil, da nach wie vor eine sichere thermische Kopplung mit der Gehäuse-Abdeckung gegeben ist. Bei Systemen, die wie bisher vom Gehäuseboden aufgebaut sind, können die Montagetoleranzen eine schlechte thermische Kopplung bewirken bis hin zu einer vollständigen Entkopplung.

Neben den vier PCI-Interfaces stellt das Riser-Interface zusätzlich zwei PCIe(x1)-Lanes zur Verfügung. Dies öffnet das System für die komplette Bandbreite an Erweiterungskarten - sowohl PCI- als auch PCIe-Slot-Karten und zwar nicht nur für eine, sondern für bis zu sechs Slot-Karten. Um eine vergleichbare Flexibilität zu realisieren, braucht es bisher 19-Zoll-Systeme oder eine PICMG-1.3-Lösung. Alle Schnittstellen und externen Anschlüsse sind auf einer Board-Seite realisiert. In Verbindung mit einem entsprechenden Gehäuse, wie es etwa innerhalb der Embedded Building Blocks-Initiative die Firma Apra-Norm anbietet, entstehen IP54-dichte Lösungen oder auf fünf Seiten IP65-geschützte Industrierechner.

Autor: Wolfgang Heinz-Fischer ist Leiter Marketing und Öffentlichkeitsarbeit der TQ-Group in Seefeld.