Hardware Computermodule erobern Verkehrstechnik

Computermodule in Verkehrstechnik und Transportwesen
Computermodule in Verkehrstechnik und Transportwesen

Anwendungen in Verkehrstechnik und Transportwesen stellen höchste Ansprüche bezüglich Robustheit, Betriebssicherheit und Verfügbarkeit der Systeme. Computermodule erleichtern den Einsatz aktuellster Prozessoren. Das Know-how erfahrener Hersteller und die schlüsselfertige Vorintegration machen es möglich

Kaum ein Segment der industriellen Computertechnik ist so vielfältig und anspruchsvoll wie das des Transport- und Verkehrswesens. Die Breite der Anforderungen reicht dabei von extremer Robustheit bei Systemen, die in Fahrzeugen integriert sind, extremer Zuverlässigkeit bei Systemen in Bahn- und Verkehrstechnik und Überwachungssystemen bis hin zu aufwendiger Vernetzung und extremer Komplexität bei Systemen der Infrastruktur und Logistik. Gemeinsame Voraussetzungen dafür sind immer höchste Verfügbarkeit und Betriebssicherheit (Safety).

Dies ist ein Grund dafür, warum solche Systeme – zumindest, wenn sie ein bestimmtes Maß an Komplexität haben – bisher zumeist als modulare Computersysteme realisiert werden. Derartige Industriecomputersysteme mit Busrückwand, die auf Standards wie VMEbus oder CompactPCI basieren, zeichnen sich zwar durch höchste Qualität und Verfügbarkeit aus, andererseits aber auch durch den hohen Preis. Für einfachere Einsatzgebiete oder bei einer Serienfertigung von mehreren tausend Stück im Jahr waren und sind sie nach wie vor zu teuer. Hier waren bisher aufwendige Einzelentwicklungen die übliche Vorgehensweise.

Modulare Computersysteme können mit ihrer Skalierbarkeit und Flexibilität beide Aufgabenstellungen mit einem Konzept abdecken: Die aufwendig und anspruchsvoll zu fertigende Computertechnik rund um den jeweils aktuellen Prozessorkern wird dabei durch den Einsatz von Computermodulen komplett auf erfahrene Spezialisten ausgelagert.

Die kompakten Qseven-Module zielen auf mobile und semistationäre Anwendungen, während die COM-Express-Bauform auf höchste Leistung und weiteste Skalierbarkeit ausgelegt ist (Bild 1). Die Standardisierung auf einen der beiden Modulstandards spart nicht nur wertvolle Entwicklungszeit, sondern bringt auch durch Sammel- und Synergieeffekte eine deutliche Erhöhung von Produktqualität und Betriebssicherheit. Entscheidend für den Erfolg sind hierbei Erfahrung und Können des Modulherstellers. Dieser muss einerseits über das benötigte Spezial-Know-how bei Hard- und Software verfügen, andererseits schnell und flexibel Erfahrungen und Rückmeldungen seiner Kunden zur Weiterentwicklung nutzen können.

Durch die schlüsselfertige Vorintegration des Betriebssystems durch einen erfahrenen Modulhersteller mit entsprechenden Kapazitäten erhöhen sich Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit der gesamten Applikation deutlich. Potenzielle eigene Risiken werden durch das Können des Partners minimiert. Wenn auch schon bisher eine große Auswahl an langzeitverfügbaren Modulen mit Prozessoren verschiedener Hersteller auf dem Markt erhältlich war, so hat Modulspezialist congatec das Angebot in letzter Zeit mit neuen Produktfamilien erweitert, die aufgrund ihrer Eigenschaften für den Markt der Transport- und Verkehrstechnik besonders interessant sind: conga-QA3 (Qseven), conga-TCA3 (COM express Typ 6 „compact“) und conga-TC87 (COM Express Typ 6 „compact“). Alle drei sind mit den neuen Prozessorfamilien von Klassenprimus Intel ausgestattet.

Prozessoren für alle Fälle

Die beiden erstgenannten Module unterstützen die Atom-38xx-Serie, besser bekannt unter ihrem ehemaligen Projektnamen „Bay Trail-I“ einschließlich der Celeron-Volumenmodelle J1900 und N2920. Das kompakte Qseven-Modul mit nur 70 × 70 mm2 Grundfläche ist dabei extrem robust und verwendet ausschließlich keramische Kondensatoren, was für höchste Lebensdauer auch bei widrigsten Umfeldbedingungen sorgt. Unabhängig vom jeweiligen Standard zeichnen sich beide Module jeweils durch die niedrige Betriebsleistung der Prozessoren von nur 5 bis 10 Watt TDP (Thermal Design Power) aus; die tatsächliche Leistungsaufnahme des kompletten Moduls bewegt sich im Betrieb in einer Größenordnung zwischen 4,5 und etwa 12 Watt. Die Rechenleistung ist dabei von einem bis zu vier Prozessoren mit Frequenzen von 1,33 bis 2,0 GHz skalierbar und die integrierte Grafik unterstützt bis zu zwei unabhängige Displays in Full-HD-Auflösung bei HDMI 1.4 bzw. mit bis zu 2.560 × 1.600 Pixeln bei DisplayPort 1.2. Die Grafik- und Rechenleistung übertrifft dabei die der Vorgängermodelle der zweiten Atom-Generation um mehr als das Doppelte.

Im High-End-Modul conga-TC87 (Bild 2) kommen die „Ultra“-Versionen der Intel-Embedded-Prozessoren vom Celeron 2980U bis hin zum Core-i7-4650U zum Einsatz. Diese neuen SoCs (Systems on Chip) mit zwei Kernen bieten eine bisher unerreichte Anwendungs- und Grafikleistung, und das trotz ihrer geringen Leistungsaufnahme von nur rund 15 W bei Prozessortakten von 1,6 bis 1,9 GHz. Die Topmodelle können darüber hinaus die Taktfrequenz im Turbo-Boost-Modus auf bis zu 3,3 GHz (i7-4650U) bzw. 2,9 GHz (i5-4300U) erhöhen.

Welcher Modulstandard für welchen Zweck?

Allen Modulen gemein ist die standardisierte Schnittstelle für Peripherie bzw. Träger-Board, so dass Module gleichen Typs durch einfachen Austausch beliebig getauscht werden können. Der Qseven-Standard zeichnet sich vor allem durch die niedrigere Versorgungsspannung von nur 5 V (statt 12 V), die kleineren Maße von 70 × 70 mm2 und den Edge Connector aus. Alles zusammen ermöglicht insgesamt kleinere, flachere und auch kostengünstigere Systeme, als dies mit COM Express möglich wäre. COM-Express-Module sind selbst in ihrer „compact“-Ausführung mit einer Grundfläche von 95 × 95 mm2 deutlich größer, können aber in der Typ-6-Ausführung mit ihren beiden Steckerleisten deutlich mehr Signale nach außen führen (440 statt 230 Pins) und erlauben so mehr schnelle Erweiterungen bzw. Verbindungen wie etwa Serial ATA, USB 3.0 und bis zu 24 PCI Express Lanes, z.B. für schnelle Grafikausgabe. Zudem ist COM Express für höhere thermische Verlustleitungen spezifiziert. Die Qseven-Spezifikation empfiehlt eine maximale TDP von 12 Watt.