Rutronik gibt Tipps zur Auswahl von COMs Für jeden Fall das passende Embedded Design

Tobias Zilly, Rutronik

»Man sollte die Verfügbarkeit aller Kernkomponenten monitoren und entsprechend schon beim Design die Obsoleszenz in die Planung einzubeziehen.«
Tobias Zilly, Rutronik: »Man sollte die Verfügbarkeit aller Kernkomponenten monitoren und entsprechend schon beim Design die Obsoleszenz in die Planung einzubeziehen.«

Aktuell findet sich eine Vielzahl an COMs aus der x86- und der ARM-Welt auf dem Markt. Diese als Aufsteckmodule konzipierten Computer bieten für viele Anwendungsfälle eine einfachere und kostengünstigere Alternative zur kompletten Eigenentwicklung.

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Standard oder proprietär?

Für jeden Fall das passende Design. Bilder: Rutronik

»Allerdings hat jede Lösung nicht nur ihre ganz spezifischen Vorteile, sondern stellt auch bestimmte Anforderungen an die notwendigen Baseboards«, gibt Tobias Zilly, Product Sales Manager bei Rutronik, zu bedenken. Modulbasierende Designs haben ihren Erfolg vor allem der Tatsache zu verdanken, dass sie schneller und einfacher entwickelt werden können als komplette Eigenentwicklungen. Sie stellen wesentlich geringere Anforderungen als ein komplett kundenspezifisches Design, weil die meisten kritischen Bereiche, wie z.B. die High-Speed-Busse und die prozessorabhängigen Schnittstellen mit dem Modul bereits abgeschlossen sind und nicht mehr vom Kunden bearbeitet werden müssen. Gängige Schnittstellen wie Ethernet, USB, UARTs, Grafikinterface u.v.m. lassen sich hingegen mit vergleichsweise geringem Aufwand umsetzen. 

Eine lange Verfügbarkeit von sieben bis zehn Jahren je nach Prozessorarchitektur vereinfacht zusätzlich die Obsoleszenz-Planung. Für die Umstellung auf eine neue CPU-Generation oder ein Performance-Upgrade kann in der Regel einfach das Modul ausgetauscht werden, das auf dem Kunden-Baseboard zum Einsatz kommt, ebenso gibt dies die Möglichkeit zur Skalierung über verschiedene Performance-Level hinweg. »Zum Beispiel kann ein Intel-Core-i3- von einem Intel-Core-i7-Modul abgelöst werden. Da beide Module in diesem Falle mit CPUs und Chipsätzen von Intel bestückt sind, ist dabei wenig bis gar keine Softwareanpassung nötig«, weiß Zilly. 

Damit bietet dieser Lösungsansatz höchste Flexibilität und gibt Anwendern eine hohe Investitionssicherheit. »Unsere Modulhersteller unterstützen die Kunden bei der Entwicklung des Baseboards. Sie bieten sowohl Design-In-Support als auch Unterstützung bei Problemen auch auf Layout-Ebene.«

Eigenentwicklungen

Bei komplett kundespezifischen Designs gilt es, neben der Größe und Komplexität der Applikation auch die Positionierung, Anzahl und Typen der notwendigen Steckverbinder zu berücksichtigen. »Häufig fällt die Entscheidung für spezifische Anschlüsse, weil sie das Design des Komplettsystems aufnehmen und die Kabelführung vereinfachen«, so Zilly. Hinzu kommen Anforderungen an die eingesetzte Prozessortechnologie, sodass bereits in der Planungsphase der möglichst genaue Bedarf an Speichergröße, Prozessortakt und Kernzahl bekannt sein muss, um das Board mit der einzusetzenden Software bestmöglich und kostenoptimiert einsetzen zu können. Mit der ausgewählten Technologie gehen spezielle Schnittstellen oder anforderungsabhängige Spannungsversorgungen einher, die ebenfalls für das entsprechende Anforderungsprofil optimiert werden müssen.

Als Vorteil solcher hochspezialisierten Board-Entwicklungen sieht Zilly nicht nur die optimale Anpassung auf die einzelne Applikation: »Auch kostenseitig lassen sie sich schon in der Planungsphase optimieren. Bei Entwicklungen, die möglichst viele Applikationen abdecken und deshalb viele verschiedene Schnittstellen mitbringen müssen, ist das nur bedingt möglich. Allerdings muss man die Möglichkeit zur Kostenoptimierung in Relation zu den extrem hohen Entwicklungskosten sehen.«

Die Entwicklung erfordert tiefgreifendes und umfangreiches Know-how zu Highspeed-Bussystemen für Prozessoren und den entsprechenden Schnittstellen, CP-Initialisierung in Hard- und Software, Bootloader sowie Hardwaretreiber auf Source-Code-Basis. Außerdem ist eine hochkomplexe PCB-Design-Software mit passenden Tools nötig, die sowohl Impedanz-Monitoring bietet als auch Multilayer-Platinen erstellen und prüfen kann. Freeware Tools reichen hier in der Regel nicht mehr aus. 

Auch an das Equipment stellen die Eigenentwicklungen hohe Anforderungen: Die ersten Prototypenschaltungen müssen mit Mess- und Analysegeräten, wie z.B. Spektrum-, USB-, CAN-Analyzern sowie Debugging Tools ARM-DS5 und/oder Dstream Hardware, kontrolliert werden. Je nach Applikationsanforderung kommen noch spezifische Testinstrumente hinzu. Werden auch die Platinen selbst gebaut, benötigen Unternehmen Bestückungsautomaten, die mindestens BGAs mit 0,5 mm Pitch oder kleiner verarbeiten können. 

»Zudem gilt es, die Verfügbarkeit aller Kernkomponenten zu monitoren und entsprechend schon beim Design die Obsoleszenz in die Planung einzubeziehen«, merkt Zilly an. »Hierbei unterstützen wir unsere Kunden über alle Fachbereiche hinweg bereits in der Planungsphase bei der Auswahl möglichst lang verfügbarer Komponenten.« Damit ist eine Eigenentwicklung erst ab einer entsprechend hohen Stückzahl wirtschaftlich sinnvoll. »Abhängig vom erzielbaren Preis der Gesamt-lösung, liegt diese meist bei einigen Tausend Stück pro Jahr«, so Zillys Einschätzung. 

»Allerdings hat jede Lösung nicht nur ihre ganz spezifischen Vorteile, sondern stellt auch bestimmte Anforderungen an die notwendigen Baseboards«, gibt Tobias Zilly, Product Sales Manager bei Rutronik, zu bedenken. Modulbasierende Designs haben ihren Erfolg vor allem der Tatsache zu verdanken, dass sie schneller und einfacher entwickelt werden können als komplette Eigenentwicklungen. Sie stellen wesentlich geringere Anforderungen als ein komplett kundenspezifisches Design, weil die meisten kritischen Bereiche, wie z.B. die High-Speed-Busse und die prozessorabhängigen Schnittstellen mit dem Modul bereits abgeschlossen sind und nicht mehr vom Kunden bearbeitet werden müssen. Gängige Schnittstellen wie Ethernet, USB, UARTs, Grafikinterface u.v.m. lassen sich hingegen mit vergleichsweise geringem Aufwand umsetzen. 

 

Eine lange Verfügbarkeit von sieben bis zehn Jahren je nach Prozessorarchitektur vereinfacht zusätzlich die Obsoleszenz-Planung. Für die Umstellung auf eine neue CPU-Generation oder ein Performance-Upgrade kann in der Regel einfach das Modul ausgetauscht werden, das auf dem Kunden-Baseboard zum Einsatz kommt, ebenso gibt dies die Möglichkeit zur Skalierung über verschiedene Performance-Level hinweg. »Zum Beispiel kann ein Intel-Core-i3- von einem Intel-Core-i7-Modul abgelöst werden. Da beide Module in diesem Falle mit CPUs und Chipsätzen von Intel bestückt sind, ist dabei wenig bis gar keine Softwareanpassung nötig«, weiß Zilly. 

 

Damit bietet dieser Lösungsansatz höchste Flexibilität und gibt Anwendern eine hohe Investitionssicherheit. »Unsere Modulhersteller unterstützen die Kunden bei der Entwicklung des Baseboards. Sie bieten sowohl Design-In-Support als auch Unterstützung bei Problemen auch auf Layout-Ebene.«

 

[Eigenentwicklungen

 

Bei komplett kundespezifischen Designs gilt es, neben der Größe und Komplexität der Applikation auch die Positionierung, Anzahl und Typen der notwendigen Steckverbinder zu berücksichtigen. »Häufig fällt die Entscheidung für spezifische Anschlüsse, weil sie das Design des Komplettsystems aufnehmen und die Kabelführung vereinfachen«, so Zilly. Hinzu kommen Anforderungen an die eingesetzte Prozessortechnologie, sodass bereits in der Planungsphase der möglichst genaue Bedarf an Speichergröße, Prozessortakt und Kernzahl bekannt sein muss, um das Board mit der einzusetzenden Software bestmöglich und kostenoptimiert einsetzen zu können. Mit der ausgewählten Technologie gehen spezielle Schnittstellen oder anforderungsabhängige Spannungsversorgungen einher, die ebenfalls für das entsprechende Anforderungsprofil optimiert werden müssen.

 

Als Vorteil solcher hochspezialisierten Board-Entwicklungen sieht Zilly nicht nur die optimale Anpassung auf die einzelne Applikation: »Auch kostenseitig lassen sie sich schon in der Planungsphase optimieren. Bei Entwicklungen, die möglichst viele Applikationen abdecken und deshalb viele verschiedene Schnittstellen mitbringen müssen, ist das nur bedingt möglich. Allerdings muss man die Möglichkeit zur Kostenoptimierung in Relation zu den extrem hohen Entwicklungskosten sehen.«

 

Die Entwicklung erfordert tiefgreifendes und umfangreiches Know-how zu Highspeed-Bussystemen für Prozessoren und den entsprechenden Schnittstellen, CP-Initialisierung in Hard- und Software, Bootloader sowie Hardwaretreiber auf Source-Code-Basis. Außerdem ist eine hochkomplexe PCB-Design-Software mit passenden Tools nötig, die sowohl Impedanz-Monitoring bietet als auch Multilayer-Platinen erstellen und prüfen kann. Freeware Tools reichen hier in der Regel nicht mehr aus. 

 

Auch an das Equipment stellen die Eigenentwicklungen hohe Anforderungen: Die ersten Prototypenschaltungen müssen mit Mess- und Analysegeräten, wie z.B. Spektrum-, USB-, CAN-Analyzern sowie Debugging Tools ARM-DS5 und/oder Dstream Hardware, kontrolliert werden. Je nach Applikationsanforderung kommen noch spezifische Testinstrumente hinzu. Werden auch die Platinen selbst gebaut, benötigen Unternehmen Bestückungsautomaten, die mindestens BGAs mit 0,5 mm Pitch oder kleiner verarbeiten können. 

 

»Zudem gilt es, die Verfügbarkeit aller Kernkomponenten zu monitoren und entsprechend schon beim Design die Obsoleszenz in die Planung einzubeziehen«, merkt Zilly an. »Hierbei unterstützen wir unsere Kunden über alle Fachbereiche hinweg bereits in der Planungsphase bei der Auswahl möglichst lang verfügbarer Komponenten.« Damit ist eine Eigenentwicklung erst ab einer entsprechend hohen Stückzahl wirtschaftlich sinnvoll. »Abhängig vom erzielbaren Preis der Gesamt-lösung, liegt diese meist bei einigen Tausend Stück pro Jahr«, so Zillys Einschätzung.