Embedded-System-Modul für sicherheitskritische Anwendungen und rauhe Umgebung Was ist ESMexpress? #####

Mit ESMexpress betritt ein Modulstandard den Markt, bei dem von Anfang an Kühlung, Montage und Gehäuse eine Rolle spielten: all dies wurde mitspezifiziert. Neben der geregelten Wärmeabfuhr bietet das Gehäuse auch die Schirmung der...

Embedded-System-Modul für sicherheitskritische Anwendungen und rauhe Umgebung

Mit ESMexpress betritt ein Modulstandard den Markt, bei dem von Anfang an Kühlung, Montage und Gehäuse eine Rolle spielten: all dies wurde mitspezifiziert. Neben der geregelten Wärmeabfuhr bietet das Gehäuse auch die Schirmung der elektromagnetischen Felder von Hochfrequenz-Komponenten.

System-On-Modules (SOM) oder Computer-On-Modules (COM) sind komplette Computer auf einem Aufsteckmodul, deren Funktion durch die Konfiguration der Ein-/Ausgabe auf einer separaten Trägerkarte individuell an die jeweilige Anwendung angepasst wird. Da nur die Trägerkarte für die Anwendung entwickelt werden muss, reduziert dies die Entwicklungskosten erheblich und auch die Vorlaufzeit (Time-to-Market) wird verkürzt. Typisch für SOMs sind Baugrößen, die deutlich kleiner als bei einer Einfach-Europakarte ausfallen, eine breite Palette unterschiedlicher Funktionen und hoher Preisdruck. Intelligente Mezzanin-Module wie Prozessor-PMCs, XMCs oder AMCs zählen nicht zur Kategorie SOM, da sie ohne die Infrastruktur der Trägerkarte oder des Gesamtsystems nicht funktionsfähig sind.

Mit schätzungsweise an die 50 auf dem Markt bekannten SOM-Konzepten erfreut sich dieser Lösungsansatz für eingebettete, höhervolumige Anwendungen insbesondere im europäischen Raum großer Popularität. Laut ETP-Studie („The Merchant Embedded Computing Market 2007“) sollen SOMs von 230 Mio. Euro (2006) auf 540 Mio. Euro im Jahr 2011 zulegen und damit als die am stärksten wachsende Board-Architektur einen Anteil von 11 % am Embedded-Board-Level-Markt halten. Allerdings stellen die wenigsten dieser SOM-Konzepte herstellerübergreifende Standards dar und ebenso wenige basieren bisher auf modernen seriellen Kommunikationsstrukturen. Im Gegensatz zu dem von der PICMG (www.picmg.org) verwalteten COM-Express-Standard befindet sich ESMexpress in der Vorbereitung zur Standardisierung gemäß ANSI bei der VITA (VMEbus International Trade Organization,www.vita.com). Die offizielle Bezeichnung lautet: ANSI-VITA 59, RSE Rugged System-On-Module Express.

Auf dem Weg zum ANSI-Standard

Das ESMexpress-Konzept stützt sich auf eine Untersuchung zu den spezifischen Anforderungen an mobile Embedded-Steuerungen in rauher sicherheitskritscher Umgebung. Dabei erfolgte die Orientierung absichtlich nicht an aktuell verfügbaren Elektronikkomponenten, sondern berücksichtigt die CPU-Roadmaps der nächsten Jahre im Zusammenhang mit der zu erwartenden technischen Weiterentwicklung. Das neue Konzept musste in erster Linie widerstandsfähig sein gegen extreme Temperaturunterschiede, Stoß, Vibration und EMV-Einflüsse und in lebenswichtigen oder mit hohen Ausfallkosten verbundenen Anwendungen sehr zuverlässig funktionieren. Es sollte zweitens in der Lage sein, alle heutigen und künftigen seriellen Busse von PCI-Express über Ethernet bis Serial ATA und USB zu unterstützen. Dabei fallen Switch-Fabric-Verbindungen bei SOMs – im Gegensatz zu modularen Computern wie VMEbus – keine Bedeutung zu. Weiterhin sollte Kompatibilität zu allen Standard-Betriebssystemen wie Windows, Linux, VxWorks, QNX, Integrity gewährleistet sein.

Auf dem Modul XM50 (Bild 4) kommt der MPC8548 oder MPC8543 von Freescale zum Einsatz. Der kraftvolle und dennoch energiesparende Prozessor mit e500-Core, MMU, FPU und 512 Kbyte L2-Cache verfügt über eine Reihe leistungsfähiger Kommunikationsschnittstellen. Sie bestehen aus drei Gigabit-Ethernet-Kanälen, sechs USB-Ports mit Host- und einem USBPort mit Client-Funktion sowie drei Serial-ATA-Anschlüssen. Der vom Prozessor unterstützte PCI-Express-Link kann flexibel in 1-, 2-, 4- oder 8-Lane-Konfiguration verwendet werden. 2 Gbyte fest verlöteter DDR2-SDRAM-Speicher mit ECC, nichtflüchtiges SRAM und FRAM sowie Echtzeituhr und Board-Management-Controller komplettieren dieses ESMexpress-Modul. Durch die bewährte PowerPC-Technik, den erweiterten Temperaturbereich und eine Langzeitverfügbarkeit von mindestens zehn Jahren empfiehlt sich das XM50 besonders für sicherheitskritische Anwendungen.

Zum Test sämtlicher Funktionen aktueller und zukünftiger ESMexpress-Module und zur Entwicklung der eigenen Anwendung ist Benutzern die universelle Trägerkarte XC1 im ATXFormat empfohlen (Bild 5). Nachdem Module wie das XM1 und XM50 noch völlig unspezifisch hinsichtlich ihres späteren Anwendungsgebietes sind, hat MEN auf Basis des XM1 bereits einige Anwendungen entwickelt. Etwa eine Trägerkarte für den flexiblen modularen Industrie-PC der nächsten Generation mit Atom-Prozessor, seriellen Schnittstellen, einem FPGA für mehrere UARTs und Ethernet-Leitungen und einigen M-Modul-Steckplätzen. Oder einen kompletten Hutschienen-PC mit Atom, Wireless-Funktion, FPGA, integriertem Ethernet-Switch, Verschlüsselungsfunktion und Netzteil, wahlweise mit oder ohne Visualisierung.

Ebenfalls auf dem Atom oder dem XM1 basiert ein intelligenter Display-Controller, der in verschiedenen Hardware- und Mechanik-Ausbaustufen insbesondere als Infotainment-Gerät für Züge, Busse und Flugzeuge konzipiert wurde. Das gehärtete Aluminium-Gehäuse, es umschließt ein TFT-Display mit 12 bis 19 Zoll, ist wartungsfrei und lüfterlos aufgebaut und entspricht komplett der Bahnnorm EN50155. Hinsichtlich der Betriebstemperatur bedeutet das beispielsweise –40 bis +75 °C für den gesamten Rechner (+85 °C für 10 Minuten gemäß Tx-Bahnspezifikation), was durch das Conductive-Cooling-Konzept von ESMexpress und eine Gesamtverlustleistung von nur 20 Watt ermöglicht wird. Der Display-Computer ist mit einem Weitbereichsnetzteil ausgestattet und für Funkanbindung vorbereitet. Er entspricht frontseitig der Schutzklasse IP54. Da das Gerät im öffentlichen Bereich eingesetzt wird, muss es einerseits vandalensicher sein, andererseits darf von ihm keine Gefahr für Passagiere ausgehen, zum Beispiel durch scharfe Kanten.

Dies waren nur einige wenige Beispiele für die – heutigen und künftigen – Anwendungsmöglichkeiten von System-On-Modules und für die berechtigte Forderung nach Verwirklichung eines SOM-Standard wie ESMexpress, der speziell für rauhe, mobile und sicherheitskritische Anwendungen geeignet ist. jk