Embedded Design für die Medizintechnik:
Standardmodule maßgeschneidert
Nutzerfreundlichkeit, Reduzierung der Fehlbedienung sowie geringer manuell zu erbringender Arbeitsaufwand bei medizinischen Einrichtungen werden wesentlich durch die Leistungsfähigkeit der Geräte bestimmt. Funktional hoch integrierte Computerbaugruppen können diese Aufgaben zusammen mit qualifizierter Anwendungssoftware erbringen.
Auf der Suche nach der passenden Embedded Computing-Plattform stellt sich gleich zu Beginn des Projektes die entscheidende Frage: Standard oder kundenspezifisch? Standardlösungen sind sofort verfügbar, die Entwicklungsrisiken sind kalkulierbar und die Serienkosten sind selbst bei geringen Stückzahlen niedrig. Für zahlreiche Anwendungen sind jedoch speziell auf die Anwendung abgestimmte, intelligente Embedded-Design-Lösungen die bessere Wahl. Wägt man die maßgeblichen Faktoren gegeneinander ab, bietet sich die Kombination aus Standardlösung mit individueller Anpassung an. Ein standardisiertes Computer-on-Modul (CoM), das herstellerübergreifend und in verschiedenen Versionen verfügbar ist, wird um ein applikationsspezifisches Baseboard zum Embedded Computer ergänzt, der damit optimal an die Anwendung angepasst ist.
Hohe Datenraten einfach beherrschen
Geringe Herstellkosten durch große Stückzahlen und die einfache Realisierung von Prozessorbussen sind bei der Neuentwicklung von medizinischen Geräten wichtige Vorgaben. Auf einem Computer-on-Module können hohe Datenraten relativ einfach beherrscht werden. Computer-on-Module sind komplette, standardisierte Computer auf Aufsteckmodulen. Alle für den Computer relevanten Funktionseinheiten wie die CPU und der Chipsatz befinden sich auf dem CoM-Board. Lediglich Funktionseinheiten für spezielle Interfaces sind auf einer ausgelagerten, kundenspezifischen Leiterplatte untergebracht. CoM-Module bieten zum einen den Vorteil, dass sie austauschbar sind und zum anderen wird der Anwender entlastet, da er sich nicht in die Details der PC-Technik einarbeiten muss. Zudem ist das Marktangebot von Modulen des modernen CoM-Standards „COM Express“ groß. Über 15 Herstellern bieten mehr als 75 verschiedene Module, von denen die meisten bezüglich Prozessor und Speicher unterschiedlich konfiguriert werden können. Bei einem neuen Medizintechnik-Projekt wird als erstes das Gesamtsystem spezifiziert und das passende Modul ausgewählt. In der Regel werden zuerst die Leistungsklasse und die notwendigen Interfaces ausgesucht. Anschließend erarbeiten die Entwickler weitere Kriterien für die Auswahl, wie Preis, Langzeitverfügbarkeit, bauteilgleiche Lieferung etc. Eine bauteilgleiche Lieferung können nicht alle Hersteller bieten – Hardware- und BIOS-Releases sind üblich. Ein flexibel gestaltetes Design, das den Einsatz von Modulen unterschiedlichster Hersteller ermöglicht, bietet hier große Freiräume. Die Entscheidung für ein CoM kann so spät wie möglich getroffen oder sogar noch in der laufenden Serie geändert werden. Das Entwicklerteam von MAZeT besitzt das Know-how, Baseboards zu realisieren, auf denen COM-Express-Module verschiedenster Hersteller gleichermaßen arbeiten. Damit erhöht sich die Auswahlmöglichkeit von COM-Express-Modulen. Das ist besonders wichtig, wenn das Base-board als Basisplattform mit Modulen unterschiedlicher Leistungsklassen verwendet wird, um die Abhängigkeit zu einem festen Anbieter von CoMs zu verringern.
Kompatibilität von Modulen
Die konkrete Aufgabenstellung bestand in der Entwicklung eines anwenderspezifischen Embedded-Computers für die Medizingerätetechnik auf Basis der COM-Express-Modultechnologie. Module von vier namhaften Modulherstellern standen zur Auswahl. Die Entscheidung für ein spezielles Modul für den Einsatz auf dem kundenspezifischen Baseboard sollte erst nach dem Prototypentest fallen unter Berücksichtigung der Preisgestaltung. Die ausgewählten Hersteller unterstützten die Entwicklungsarbeit in Form von Modulen, Carrier-Boards und Stromlaufplänen. Erhebliche Probleme, bis hin zum Nichstarten der Module, gabe es erst als COM-Express-Module verschiedener Hersteller eingesetzt wurden. Dabei wurden eingangs nur Module der gleichen Klasse verwendet. Auffallend viele Fehlfunktionen gab es bei den Legacy-Schnittstellen, welche auf den Carrier-Boards aller Hersteller nachgerüstet waren. Teilweise konnte das in der Tabelle gezeigte Resultat nur mit BIOS-Nachbesserungen erreicht werden. Mit ihren hauseigenen Schaltungsentwürfen konnte keiner der vier Hersteller die Aufgabenstellung erfüllen. Die Modulhersteller vereinbarten die gemeinsame Entwicklung eines „Carrier-Design-Guide“. Dazu müssen die Modulschnittstellen aller Hersteller gleich ausgelegt sein. Der Vergleich der Design-Unterlagen zeigt kleine, feine Unterschiede auf. So wurde die Beschaltung der Steuersignale unterschiedlich realisiert. Das eigene Schaltungs-Design musste für alle diese unterschiedlichen Fälle gerüstet sein. Weitere wesentliche Unterschiede bestanden in der PCI-
Express-Konfiguration und im Power-Management der Module. Die Abweichungen im Systemstart der Module betrugen bis zu fünf Sekunden – was in der anwenderspezifischen Hard- und Software berücksichtigt werden musste. Besondere Aufmerksamkeit galt dem eingesetzten Super-I/O zur Erweiterung des eigenen Baseboards um Legacy-Schnittstellen. Da hier die BIOS-Programmierung bausteinabhängig durchgeführt werden muss, gilt es, sich auf eingesetzte Typen der Modulhersteller zu beschränken. Es empfiehlt sich, Legacy-Schnittstellen über Bridge-Bausteine per PCI-Express oder USB nachzurüsten. Dies ist zwar oft kostenintensiver, dafür aber zukunftssicherer. Die kundenspezifische High-Speed-Messwert-Erfassung wurde mittels FPGAs an einer PCI-Express-Bridge realisiert. Zukünftig lassen sich hier die Eigenschaften moderner FPGAs mit PCI-Express-Interfaces voll einbringen und die Integrationsdichte weiter erhöhen. Die Menge der schnellen Interfaces auf dem Baseboard stellte bei sorgfältigem, impedanzkontrolliertem Entwurf im PCB-Layout kein Problem dar. Die auf dieser Basis entwickelte Hardware erfüllte die Erwartungen voll und lief mit Modulen aller vier Hersteller. Auch einige Tests mit Modulen höherer und niedrigerer Leistungsklassen verliefen positiv, so dass eine Skalierbarkeit prinzipiell gegeben ist. Für die Zukunft ist davon auszugehen, dass sich mit zunehmendem Know-how der Hersteller die Kompatibilität der Module weiter erhöht. Jedoch nimmt gleichzeitig die Modulvielfalt zu und immer neue Anbieter drängen mit eigenen Produkten auf den Markt. Als vom Modulhersteller unabhängiges Designhaus verfügt MAZeT über die Erfahrungen, die geschilderten Anforderungen zu realisieren. Dabei entlastet das Designhaus seine Kunden durch die Entwicklung und Lieferung der Rechnerplattform inklusive des Betriebssystems und der notwendigen Treiber, damit sich der Anwender seinem Kerngeschäft widmen kann.
Autoren: Lutz Keil, Hardwareentwickler bei der MAZeT GmbH;
Frank Reklies, technischer Leiter des Bereichs Hard-/Softwareentwicklung bei der MAZeT GmbH
