Rugged COM Express
Computer-on-Modules sind für Anwendungen, bei denen wenig Platz zur Verfügung steht, eine etablierte Lösung. Erweitert durch robuste Eigenschaften findet das Konzept der COMs den Weg in Züge, Baumaschinen und allgemein anspruchsvolle Märkte. Kann man dann die Hardware austauschen oder unterschiedlich kombinieren, verringern sich die Gesamtkosten des Systems und die Markteinführung geht schneller. Dies allerdings benötigt ein standardisiertes Konzept, was ganz nebenbei auch Herstellerunabhängigkeit und Zukunftssicherheit garantiert. Doch wie bekommt man diese Herausforderungen alle unter einem Hut?
(Bild: MEN mikro elektronik GmbH)
Für seine Rugged-COM-Express-Module (RCE) setzt MEN auf eine Mischung aus der Technologie von früheren ultra-robusten COM-Modulen aus dem eigenen Repertoire und dem COM-Express-Standard der PICMG. Dabei bleiben Pin-Out und Form-Faktor aus dem COM-Express-Standard erhalten, um die Kompatibilität von Modulen unterschiedlicher Hersteller zu ermöglichen. Rugged-COM-Express ist dabei gerade auf dem Weg, als VITA 59 ein eigener Standard zu werden – und ist somit der erste Standard, der die beiden Konsortien VITA und PICMG vereint. Hauptsächlich für unkritische Industrie-Anwendungen konzipiert, stößt COM Express schnell an seine Grenzen, sobald eine Anwendung der Elektronik robuste Eigenschaften wie einen erweiterten Temperaturbereich, hohe Vibrations- und Stoßfestigkeit oder den Schutz vor Staub und Feuchte und 100%ige EMV-Dichtigkeit abverlangt. Diese Anforderungen wurden bisher meist durch kostspielige kundenspezifische Designs oder nur begrenzt realisiert. Die Rugged-COM-Express-Module bieten nun all das -standardmäßig und ohne zusätzlichen Entwicklungsaufwand.
Wärmemanagement
Gemäß ihrer Natur haben kleinere Systeme öfter mit Belastungen durch Wärmeentwicklung und deren Folgen auf die Komponenten zu kämpfen. Basierend auf den Formfaktoren von COM Express besitzen die Rugged-COM-Express-Module zusätzliche Seitenflügel zur Einbettung in einen konduktionsgekühlten Aluminiumrahmen (CCA), der für eine thermische Anbindung sorgt. Der Rahmen leitet die Abwärme von CPU und Träger direkt zum umgebenden Gehäuse. Die Betriebstemperatur ist durch die bei COM Express verwendeten Stecker zwar begrenzt, kommt aber immer noch auf -40 bis +85°C. Außerdem erlaubt die CCA-Technologie zusammen mit passiver Kühlung den Betrieb ohne wartungsintensive Lüfter – auch wenn sie für leistungsintensive Anwendungen zusätzlich eingebaut werden können, sofern es das Platzangebot erlaubt. So können z.B. Steuerungen im Bahnumfeld, die einen erweiterten Temperaturbereich und volle EN50155-Konformität erfordern, einfach umgesetzt werden: so geschehen mit einem Überwachungssystem in U-Bahnen, das die Bilddaten von vier Videokameras zu einem Panel-PC in der Fahrerkabine überträgt. Innerhalb des 15″-TFT-Monitors steckt ein Intel-basierendes COM-Modul, das durch Rugged COM Express konform zur Bahnnorm EN50155 ist, ohne Lüfter auskommt und vandalensicher ist. Durch ihre e1-Zulassung sind die Geräte außerdem in Straßenfahrzeugen einsetzbar. Auch hier spielen Größe und Kühlung entscheidende Rollen, so wie bei einem SCADA-System, das Daten in Bussen und LKWs erfasst und vorverarbeitet. Für ein optimales Flottenmanagement bestimmen die Geräte per GPS die Fahrzeugposition und kommunizieren über UMTS drahtlos mit der Zentrale.
Schutz vor Umwelteinflüssen
In Verbindung mit Conformal Coating, also dem Lackieren der Module, bietet der Aluminium-Rahmen außerdem sicheren Schutz gegen Umwelteinflüsse wie Staub, Feuchtigkeit oder auch Chemikalien. Sämtliche Faktoren sind nicht seltene Übel in der Landwirtschaft. So ist die Steuerungselektronik für ein Bedienterminal mit Touchscreen zum ‚Precision Farming‘ als ein RCE-Modul umgesetzt. 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.
Schock- und Vibrationsfestigkeit
Die feste Verschraubung des Rahmens auf dem Trägerboard ermöglicht eine hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit. Fahrzeuge und Maschinen im Bergbau müssen hinsichtlich Schock und Vibration hohen Belastungen trotzen – so auch eine Steuerung für Bergbaumaschinen, die innerhalb eines feuerfesten, IP67-geschützen und konduktionsgekühlten Gehäuses Vibrationen bis zu 5G und Stößen bis zu 50G ausgesetzt ist. Das System verwendet eine Architektur aus zwei Low-Power-Modulen. Die CPUs sind per Ethernet verbunden und teilen sich die Aufgaben: eine CPU steuert die Fahrzeugfunktionen an, die andere bildet eine Mensch-Maschine-Schnittstelle – Grafikausgabe inklusive. Ergänzend zu den seriellen Anschlüssen hat man hier über ein FPGA auf dem COM-Träger weitere Spezialfunktionen realisiert.
EMV-Festigkeit
Im Medizinbereich ist eine hohe EMV-Festigkeit oftmals eine unabdingbare Systemanforderung. Auch hier überzeugt das mechanische Konzept von Rugged COM Express, da der zu allen Seiten abgedichtete Metallrahmen 100% EMV-Schutz gewährleistet. Für ein Beatmungsgerät, dessen Steuerung des HMI-Interfaces und die weitere Datenverarbeitung auf zwei unterschiedlichen Modulen innerhalb eines Systems realisiert wurde, war diese 100%ige EMV-Dichtigkeit ebenfalls Grundvoraussetzung. Durch Verwendung von FPGA-Technologie konnten die Module individuell an die Anwendung angepasst werden. Durch ihr flexibles Konzept und den geringen Platzbedarf ermöglichen Computer-on-Modules kostengünstige Systemdesigns in unterschiedlichsten Märkten. Die standardisierten RCE-Module von MEN machen die kleinen Rechner nun für ein noch breiteres Anwendungsgebiet sofort einsetzbar. Der neueste Vertreter dieser Familie ist übrigens nicht nur robust, sondern auch sicher: Er kommt inklusive einer Vor-Zertifizierung für SIL2.
