Wearable Computing Computer auf dem Catwalk

Auch wenn Entwickler von »Wearable Electronics« häufig einen anderen Eindruck erwecken wollen, ist auch im Bereich der in Kleidung integrierten Computersysteme der Krieg der Vater aller Dinge. Die entscheidenden Impulse für derartige Systeme kommen aus der Wehrtechnik, doch migrieren sie langsam über den Katas-trophenschutz hin zu rein zivilen Anwendungen. Kleine Embedded-Computing-Plattformen wie Qseven können die Realisierung vereinfachen.

Das Design leistungsfähiger Embedded-Computing-Plattformen für batteriebetriebene Wearable- (also am Körper tragbarer) und Mobil-Applikationen ist schon unter günstigen Rahmenbedingungen keine einfache Aufgabe.

Kommt noch die Forderung hinzu, dass die Plattformen unter den anspruchsvollsten und widrigsten Umgebungsbedingungen einsatzfähig sein müssen, steigt der Schwierigkeitsgrad der Aufgabe exponentiell an.

Diesen Bedingungen sahen sich die Designer der Firma Quantum3D gegenüber, als sie daran gingen, ihre »Tactical Visual Computer« der Reihe »Thermite TVC 2.0 TL« (Bild 1) für mobile Applikationen aufzurüsten. Die Systeme sind für raue Umgebungsbedingungen vorgesehen und wurden mit Blick auf Mobilität, lange Batterielebensdauer und Echtzeit-Visualisierungsfähigkeiten entwickelt.

Umgesetzt wurden diese Vorgaben durch die Kombination aus Embedded-Computing, 2D/3D-Grafik, Kontaktkühlungsverfahren für erweiterte Umgebungsbedingungen sowie Unterstützung für Open-Architecture-Betriebssysteme.

Leistungsaufnahme, Größe und Gewicht

Viele mobile Applikationen - einige davon »wearable« - stellen hinsichtlich der Stromversorgung recht ähnliche Anforderungen. Dazu zählen am Körper tragbare Computing-Applikationen wie etwa Bedieneinheiten für Roboter oder kleine unbemannte Fahrzeuge, »Immersive Virtual-Reality«-Trainingsapplikationen, Steuerungscomputer für unbemannte Luft- und Landfahrzeuge sowie Land-, Luft- und Wasserfahrzeuge, die nach Grafikfähigkeit in einem kompakten Format verlangen.

Solche Anwendungen erfordern viele Arten der Verarbeitung, darunter beispielsweise Echtzeit-Signalverarbeitung für die GPS-Positionsermittlung sowie Radar-, Sicht- und Inspektionssysteme, Embedded-Sensor-Signalverarbeitung für die LIDAR/LADAR-Punktwolken-Visualisierung sowie integriertes Visual-Computing für digitale Kartenanzeigen und Head-up/Head-down-Displays.

Zusätzliche Verarbeitungsleistung wird häufig für Situationsorientierung, Überwachung, Zielerkennung und andere anspruchsvolle Aufgaben benötigt. Die Stromversorgung dieser Verarbeitungseinheiten erfolgt in der Regel mit Batterien. Wie immer beim Embedded-Computing gibt es auch in diesem Bereich ganz spezifische Herausforderungen und Designaspekte.

Vier der drängendsten Probleme für mobile, am Körper tragbare Plattformen sind die Leistungsaufnahme, die Abmessungen, das Gewicht und die Wärmeentwicklung. Bei Quantum3D konzen-trierte man sich nun vorrangig auf die Leistungsaufnahme und die Effizienz und strebte eine um 30% bis 40% niedrigere Gesamtstromaufnahme gegenüber dem existierenden Produkt an, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Insgesamt ergaben sich folgende Anforderungen:

  • Robuste Portabilität, realisiert durch Verwendung eines versiegelten Leichtmetallgehäuses geringer Masse.
  • Energieeffizienz, also hohe Rechenleistung im Verbund mit langer Batterielebensdauer.
  • Verwendung von SSDs hoher Stoßfestigkeit für den Einsatz unter extremen Umgebungsbedingungen.
  • Einsatz von Steckern nach militärischen Spezifikationen für robuste und zuverlässige Verbindungen.
  • Unterstützung für die Umsetzung von LVDS-Ausgängen in VGA, NTSC oder PAL.
  • Volle PC-Kompatibilität, um auf vorhandene Software und Programmierkenntnisse zurückgreifen zu können.
  • Hohe Rechenleistung und viel Speicher zur Verarbeitung der Applikationen.
  • Integrierte Grafik mit hoher Auflösung für lokale Displays.

Leistungsaufnahme als Grenzkriterium

Die Leistungs- beziehungsweise Stromaufnahme ist möglicherweise das entscheidende Grenzkriterium im Bereich der mobilen Technik, und der Bereich Wear-able-Computing wartet mit ganz spezifischen Varianten dieses Problems auf. Beim Design eines Produkts für den militärischen Einsatz stellen sich völlig andere Herausforderungen, als wenn es um ein Produkt für den Consumer-Markt geht.

Das Verteilen der Stromversorgung ist bei den meisten am Körper tragbaren militärischen Applikationen ein nachrangiges Problem, da die Rechnereinheit direkt den Strom für das Display und die I/O-Schnittstellen zur Verfügung stellt. Anders bei Konsumprodukten: Tragbare Computer sind hier oft Bestandteil der Kleidung. Möglicherweise ist ein Display in die Sonnenbrille eingebaut, der Computer wird möglicherweise auf dem Rücken getragen oder die Tastatur ist in eine Jacke integriert.

Reicht die Kapazität einer Batterie nicht aus, so schmälert dies den Nutzen des Systems deutlich. Eine mögliche Lösung ist die Verwendung einer größeren Stromversorgung mit Primärzellen, die verglichen mit wiederaufladbaren Lösungen relativ lange halten. Akkus sind zweifellos die umweltfreundlichere Variante, jedoch kann es problematisch sein, dass diese Energiespeicher der Pflege bedürfen, damit sie bei Bedarf die nötige Leistungsfähigkeit bieten.

Alternativ lässt sich die Energieeffizienz des Systems anheben. Es kann dann länger genutzt werden, ohne Batterien tauschen oder laden zu müssen. Angestrebt sind generell acht Stunden oder mehr. Beim Spezifizieren von Prozessoren für Wearable-Computer ist die spezifische Verarbeitungsleistung (in MIPS pro Watt) wesentlich wichtiger als die absolute Verarbeitungsleistung, denn die Ableitung der Verlustwärme verursacht erheblichen Aufwand.

Kennzeichnend für einen Wearable-Computer ist, dass sich die thermischen Umgebungsbedingungen des Benutzers routinemäßig ändern. In den anvisierten Einsatzumgebungen wird das System üblicherweise auf dem Rücken getragen. Die Herausforderungen hängen hier mit den Umgebungstemperaturen zusammen, kommt das System doch möglicherweise in heißen Wüsten mit starker Sonneneinstrahlung oder aber in der kalten Tundra zum Einsatz.

Mit beiden Extremen muss ein am Körper tragbares System effektiv fertig werden. Speziell in heißen Umgebungen ist die Wärmeableitung kritisch, also der Transport der Verlustwärme aus dem Geräteinneren nach außen, wo sie an die Umwelt abgegeben werden kann. Bedachtsame Ressourcennutzung trägt dazu bei, viele Wärmeentwicklungskrisen tragbarer Rechner von vornherein zu vermeiden.

Unter anderem können Entwickler die Applikationen für Wearable-Computer von Anfang an unter Berücksichtigung der Wärmeableitung entwickeln. Unter anderem ist es denkbar, dass das System Diskwartungs-, Download- und Batch-Aufgaben so lange hinauszögert, bis es kühlere Umgebungsbedingungen vorfindet. Abhängig vom wahrgenommenen Bedarf des Anwenders kann auch eine langsamere Netzwerkverbindung in Frage kommen, um mehr Zeit für die Wärmeabfuhr einzuräumen.

Dank solcher Methoden bleibt mehr Performance für die Benutzerinteraktion, und die effektive mittlere Stromaufnahme kann höher sein, ohne dass es zu lästigen Wärmespitzen kommt.

Als beste Vorgehensweise für die Realisierung kristallisierte sich eine Kombination aus intern entwickelten und zugekauften Standard-modulen heraus. Dabei half Connect Tech, die auf ihre Erfahrung im Design von Computer-on-Module-Trägerplatinen auf der Grundlage von Standard- und Embedded-Formaten wie PC/104 und PCI-Express zurückgreifen konnten, kombiniert mit einem Qseven-Prozessormodul von Congatec (siehe Kasten »Das Qseven-Konzept« und Bild 2).

Computer-on-Module - Das Qseven-Konzept
Das Computer-on-Module-Konzept Qseven ist eine standardmäßig von mehreren Anbietern ab Lager lieferbare COM-Lösung, die auf einer applikationsspezifischen Trägerplatine sämtliche zentralen Elemente eines gängigen PCs enthält. Alle Qseven-Module haben ein standardisiertes Format von 70 mm x 70 mm, und ihre Anschlüsse sind an einem kostengünstigen High-Speed-MXM-Steckverbinder mit standardisierter Anschlussbelegung herausgeführt. Ein einziger, robuster MXM-Stecker dient der Trägerplatine als Schnittstelle zur Übertragung aller I/O-Signale vom und zum Qseven-Modul. Als Hauptvorteile gelten das kompakte Format, die Vielfalt der aktuellen Prozessoroptionen und das Angebot mehrerer Anbieter. Die Qseven-COMs gehören zu den kleinsten mit allen Funktionen aufwartenden COM-Produkten auf dem Markt. Sie sind deshalb für viele mobile und ultramobile Embedded-Applikationen attraktiv.

Die Kombi-Lösung

Eine große Auswahl ist ein entscheidendes Kriterium für viele Systemdesigner. Nicht selten haben es Entwickler mit Restriktionen zu tun, die sich ihrer Kontrolle entziehen, oder sie benötigen die Flexibilität, um Modifikationen vornehmen zu können, wenn sich die Anforderungen im Laufe der Entwicklung ändern.

Die Kombination aus COM, Trägerplatine und kundenspezifischen I/Os gewährt Optionen, von denen sie während des gesamten Designprozesses profitieren können.

Ist ein Produkt einmal realisiert, lässt sich das Produktspektrum mit Qseven-Modulen unterschiedlicher Leistungsklassen und I/O-Ausstattungen über die Trägerplatine diversifizieren (Bild 3). Dies geht ohne Redesign und erfordert nur den Austausch eines Moduls durch ein anderes.

Bekannterweise entwickelt sich die Prozessortechnik schnell weiter, sodass zwei- bis dreimal pro Jahr Verbesserungen an bestehenden Prozessorfamilien vorgestellt werden. Außerdem kommen Jahr für Jahr zahlreiche neue Prozessoren hinzu. Die Bündelung der Prozessorelemente, des Speichers und der unterstützenden Chipsätze auf einem COM-Modul macht es möglich, die neueste Technik zu nutzen und zum richtigen Zeitpunkt in die Produktlinie einzuführen.

Mit PCI-Express als gemeinsamem Nenner stehen bei Bedarf viele plattformübergreifende Prozessoralternativen zur Auswahl. Sofort-Upgrades existierender Produkte sind möglich, und zu keinem Zeitpunkt ist das Produkt an ein veraltetes Design gebunden. Weiterhin lassen sich die Systemkosten von Kleinserien senken, indem Großserien-komponenten wie etwa Qseven-COMs Verwendung finden. COM-Anbieter können durch die Möglichkeit, die Stückzahlen zu vergrößern und den Bauteileaufwand zu verringern, Einsparungen erzielen und diese an die Systemintegratoren weitergeben.

Über den Autor:

Patrick Dietrich ist Hardware-Design-Ingenieur und Projektmanager bei Connect Tech.