Computermodule verbinden den Vorteil von Standardprodukten mit der Flexibilität für kundenspezifische Designs Computermodule für Rapid Prototyping und Serienreife

Standardprodukte oder kundenspezifische Entwicklung – ein ewiges Dilemma. Computermodule sind ein Ausweg aus diesem Dilemma, indem sie Standard- und kundenspezifische Funktionen entkoppeln. Gleichzeitig entkoppeln sie auch ein schwierig zu entwickelndes CPU-Board von der leichter realisierbaren Peripherie. Das miriac-MPX-Konzept zeichnet sich darüber hinaus durch einen besonderen Steckverbinder aus.

Die anhaltenden Marktbedingungen wie schnelle Innovationszyklen, stetiger Kostendruck, steigende Komplexität der Systeme verbunden mit langen Produktlebenszyklen stellen immer größere Ansprüche an das Design von Embedded- Systemen. Zusätzlich möchten die Kunden neueste technologische Trends in ihren Produkten wiederfinden. Ein gängiger Ansatz, diesen Bedingungen gerecht zu werden, ist der Rückgriff auf Standardprodukte aus der Massenproduktion, wie beispielsweise auf geeignete PC-Plattformen mit entsprechenden Zusatzkomponenten für die Einbindung der Peripherie. Viele Anforderungen aus Automatisierung, Medizintechnik, Luftfahrt oder Transportwesen können allerdings mit Standard-PCs nicht erfüllt werden.

Rauhe Umgebungsbedingungen, kompakte Baugröße, spezielle elektrische oder funktionale Anforderungen sowie besondere mechanische Widerstandsfähigkeit erfordern kundenspezifische Designs und Systemlösungen. Kundenspezifische Einplatinensysteme lassen sich jedoch in den typischen 1000er Stückzahlen vieler hiesiger Embedded-Anwendungen in der Regel nicht zu marktgerechten Preisen fertigen. Die Entwicklungskosten, oftmals verbunden mit mehreren Durchläufen einer Vorserienentwicklung, amortisieren sich erst in typischen Stückzahlen von Consumer-Elektronik- Designs.

Kundenspezifische Designs trotz kleiner Stückzahlen

Ein Ausweg aus diesem Dilemma ist der Trick, Standardfunktion und –komponenten eines Systems wie CPU, Chipsatz, Speicher, Grafikcontroller (VGA, LCD, TV), Speicher usw. auf einem „Computer-on-Module“ (CoM) zu vereinen. Aufgabenspezifische Funktionen können auf dem Träger- Board des Moduls kostengünstig umgesetzt werden. Über Steckverbindungen sind Modul und Trägerplatine verbunden. Die Aufgabenteilung ist klar: Das CoM umfasst alle Standard-Computerfunktionen und das Träger-Board wird an die kundenspezifischen Aufgaben angepasst. Das kann z.B. auch ein PCI-, VME- oder PMC-Carrier sein, der einfach alle gängigen I/OInfrastrukturen aufnehmen kann. Ein weiterer wesentlicher Vorteil eines CoM-Designs mit getrenntem Computer- und Träger-Board ist die Eigenschaft, Komplexes von weniger Komplexem zu trennen. Die Computermodule können in aufwendigen Mehrlagendesigns ausgeführt werden, und die Carrier-Boards kommen meist mit sehr viel weniger Lagen aus. Das führt in der Regel zu kostengünstigeren Gesamtsystemen, denn komplexe „Mehrlagen-Single-Board- Systeme“ sind meist aufwendiger in der Entwicklung und Fertigung. Darüber hinaus ist das EMV-Verhalten eines CoM-gestützen Gesamtsystems einfacher zu beeinflussen. Die I/OFunktionen auf dem Träger können je nach Übertragungseigenschaften gemäß der EMV-Anforderungen einfach optimiert werden, das bereits optimierte Computermodul bleibt davon unbeeinflusst. Mit diesem Konzept sind Projekte ab einer Stückzahl von 50 Systemen bereits kostendeckend realisierbar.

Eine CoM-Lösung ist damit eine bewährte und zuverlässige Ausgangsbasis für typische Embedded- Anwendungen im industriellen Umfeld. Typische Vertreter dieses Konzepts sind beispielsweise COM-Express, das ETX-Konzept und die miriac-MPX-Spezifikation von MicroSys (Bild 1). CoM-Entwicklungen auf der Basis von Mehr-Board-Designs bieten somit:

  • schnellen Zugriff auf erprobte und ausgereifte Techniken, kostengünstige und schnell verfügbare Entwicklungskits,
  • kurze Entwicklungszyklen für Hardware-Plattformen mit Peripherie,
  • sofortigen Beginn der Software-Entwicklung,
  • Kosteneinsparungen im Entwicklungsprozess,
  • schnellen Marktzugang,
  • einfache Technologieanpassung im Produktlebenszyklus durch Austausch kompatibler Module mit neuen Funktionen,
  • Flexibilität des Einsatzspektrums durch Plattformkonzept und damit Produktfamilien verschiedener Leistungsklassen
  • und Konfigurationen,
  • verschiedene Betriebssystem-Unterstützung durch verfügbare „Board Support Packages“,
  • kostengerechten Zugriff auf komplexe Systemtechniken schon bei geringen Stückzahlen.
  • CoM-Lösungen gibt es zahlreiche am Markt und mit den verschiedensten Eigenschaften. Sie unterscheiden sich
  • hauptsächlich in der zugrunde liegenden Verbindungstechnologie zwischen CPU-Modul und Träger-Board. Die COM-Express-Spezifikation beispielsweise definiert Stecker, Größe und Abmessungen der Boards. Damit soll die Integration von Standardkomponenten herstellerübergreifend ermöglicht werden. Einen andern Ansatz bietet die miriac- MPX-Spezifikation. Eine Verbindungstechnik auf Basis elastomerer Stecker (Bild 2) ermöglicht Systemeigenschaften,
  • die mit gängigen Goldkontaktsteckern nicht umzusetzen sind:
  • geringe Bauhöhe für möglichst geringe Systemabmessungen,
  • Stapeln der Module für flexible und einfache Funktionserweiterungen,
  • mehr als 200 Kontakte pro Stecker bei bestmöglicher Übertragungsqualität,
  • Übertragung von Signalen und Versorgungsspannungen, ausgelegt für Ströme bis zu einigen Ampere,
  • unempfindlich gegen Schock und Vibrationen, geeignet für Karosserieanbau nach DIN EN 60068,
  • zuverlässige „Zero Force“- Kontaktierung und einfache Montage,
  • sichere Abdichtung und damit gute Eignung für die Lackierung der Boards (oftmals Anforderung für den Einsatz in
  • rauhen Umgebungen, z.B. in Avionik, Bahntechnik, Chemieindustrie, beim Militär usw.)
  • bei „Conduction Cooling“, Entkopplung von Signal- und Chassis-Ground.
  • Vor allem die Möglichkeit der beidseitigen Steckerkontaktierung bei geringsten Systemabmessungen bietet vielfältige Vorteile im Systemdesign. Die Systeme können damit buchstäblich wie ein Baukastensystem „gestapelt“ werden. Standardkomponenten, wie CompactPCI-, VME-, PCI-, 19-Zoll-Interfaces oder OEMSpezifikationen lassen sich damit einfach auf dem Carrier oder für Rapid Prototyping auf sehr schnell umzusetzenden Zusatzplatinen realisieren.

Single-Board-Computer: Trotz Entwicklungskits viel Eigenleistung nötig

Eine gängige Single-Board-Computer- Entwicklung beginnt i.d.R. auf der Basis eines Design-Kits, das vom Halbleiterhersteller der CPU zur Verfügung gestellt wird. Diese Kits umfassen in der Regel ein komplettes System mit CPU, Speicher, I/O etc. und die Anpassung an eines oder mehrere gängige Betriebssysteme. Die Development-Kits sind generisch, denn sie sollen ja möglichst vielen künftigen Designs gerecht werden. Das bedeutet andererseits: Sie sind bei weitem noch nicht serientauglich. Sie werden für die Konzept- und Software-Entwicklung eingesetzt und müssen an die Anforderung der Applikation und das spätere Einsatzprofil durch Redesigns weiterentwickelt werden. Änderungen sind meist nötig im Board-Layout, der Umsetzung des geforderten I/O-Systems, der Einführung spezieller Formfaktoren und der Anpassung an mechanische und/oder thermische Eigenschaften.

Nachdem der „erste Schuss“ einer Entwicklung erfahrungsgemäß nicht fehlerfrei vonstatten geht, sind weitere Iterationen notwendig, um Schritt für Schritt zur Serienreife zu gelangen. Diese zyklischen Prozesse sind zeit- und kostenintensiv und können mehrere Monate pro berarbeitungsschritt in Anspruch nehmen. Die Aufwände rechnen sich meist nur für Projekte mit hohen Produktionsstückzahlen. Computermodule verbinden dagegen den Wunsch nach möglichst flexibler kundenspezifischer Auslegung mit vernünftigem Entwicklungsaufwand für Projekte mit geringeren Stückzahlanforderungen. Der Entwicklungsprozess mit MPX-Technik ist dazu ein innovativer Ansatz. Die elastomeren Steckverbinder der MPX-Spezifikation öffnen durch die Stapelbarkeit (siehe Bild 3) der Module, die „Zero Force“-Kontaktierung und einfache Montage neue Wege der Systementwicklung.

Die CoM-Module werden mit den Träger- Boards über die MPX-Stecker durch eine Schraubverbindung fixiert. Nachdem die Pins der Stecker kraftfrei miteinander kontaktieren, kann die Verbindung im Entwicklungsprozess bis zu 50-mal getrennt und wieder hergestellt werden, ohne durch mechanische Beschädigungen die elektrischen Übertragungseigenschaften zu beeinträchtigen. In Verbindung mit der Stapelfähigkeit gibt es nun die Möglichkeit, aus dem großen Fundus der vorhandenen CoM-Modul- und Träger-Board- Kombinationen ein möglichst seriennahes Design flexibel zu gestalten. Die Software-Entwicklung auf einem „Beinahe- Zielsystem“ kann sofort beginnen.

Die Eigenschaft der mehrmaligen Steckertrennung und Wiederverbindung öffnet darüber hinaus einfache Wege, Hardware-Anpassungen, neue oder zusätzliche I/O-Funktionen etc. im laufenden Projekt einzuführen und zu testen. Ergebnisse dieser Projektergebnisse können parallel dazu in ein Träger-Board-Redesign eingebracht werden. Solche Redesigns können innerhalb von wenigen Wochen umgesetzt sein und beschleunigen damit wesentlich den Projektverlauf. Während das Zielsystem sozusagen softwaretechnisch bereits fertig entwickelt ist, ist mit diesem Konzept auf einfachste Weise die parallele Entwicklung der Hardware in kurzer Zeit möglich.

»Familiengründung« mit MPX-Modulen

Besteht die Absicht, bei gleichen Carrier- Board-Funktionen Systeme mit verschiedenen CPUs und damit Leistungsklassen dem Markt anzubieten, lässt sich das einfach durch die Auswahl geeigneter CoM-Module umsetzen. Darüber hinaus sind Zusatzplatinen für spezifische I/O-Anforderungen möglich (siehe Bild 3 oben: spezieller I/O-Adapter). Busadapter für VME, CompactPCI, PCI, AMC oder andere Standards wie auch kundenspezifische I/O-Funktionen sind damit schnell und kostengünstig integrierbar. Über die Adapterplatinen (Bild 4) können selbst komplexeste Zusatzfunktionen über die Elastomerstecker in das System übernommen werden.

Solche speziellen Platinen sind in kurzer Zeit verfügbar. Oft benötigt die Entwicklung einer neuen Funktion, wie beispielsweise ein zusätzlicher A/D-Wandler, nur eine Woche. Dann können Software-Tests durchlaufen und bei positiven Ergebnissen in ein neues Carrier-Board überführt werden. Das gibt dieser Architekturweitgehende Freiheitsgrade bezüglich der flexiblen Anpassung der Rechen- und I/O-Leistung an vielfältige Anwendungsprofile. Eine weitere wichtige Fähigkeit von MPX, eine Entwicklung zu beschleunigen, ist die Möglichkeit, über Adapterplatinen an den Originalsignalen des Systems direkt messen zu können oder spezielle Test- und Überwachungsfunktionen auszuführen. Über die von Header-Pin-Adapter-Platinen (Bild 5) herausgeführten Signale stehen einer Messung elektrisch die Signale des Zielsystems zur Verfügung. Damit werden unerwünschte Messwertverfälschungen weitgehendst vermieden. Soll zum Beispiel die Funktion der Ethernet-Kommunikation für Testzwecke über einen externen Zeitstempel überwacht werden, ist das ebenfalls über einen Adapter einfach umzusetzen. Die Adapter-Boards sind schnell und einfach für die entsprechende Testlogik zu fertigen und können nach Abschluss der Systemüberprüfungen sozusagen „rückstandsfrei“ vom System wieder entfernt werden.

 

Technologieanpassung im Produktlebenszyklus

Oft ist die Entwicklung eines Embedded- Systems mit dem Erreichen der Serienreife nicht abgeschlossen. Basisdesigns sollen im Produktlebenszyklus technologischen Entwicklungen folgen können, spätere Leistungs- und I/O-Anpassungen werden gefordert. Mit dem mehrstufig modularen MPX-Ansatz sind auch hier einfach Anpassungen möglich. Nachdem die MPXCoMs mit den unterstützten Betriebssystemen und I/O-Erweiterungen entsprechend angepasst sind, können unterhalb der Applikation und der Betriebssysteme neue Hardware-Funktionen selbst bei Systemen, die schon einige Zeit im produktiven Einsatz sind, nachträglich sozusagen als „Service Release“ umgesetzt werden.

Der Rückgriff auf die Erfahrung aus vielen erfolgreichen Projekten und auf einen großen Fundus von MPXCoM- Modulen und Basis-Boards ermöglicht mit der MPX-Architektur Entwicklungen, die in wenigen Wochen vom Prototypenstatus in die Serie gehen können. Das ist mit klassischen Single-Board-Computer-Designs in dieser Weise nicht möglich. Bereits ab Stückzahlen von 50 Einheiten bis zu typischen Volumen von 500 bis 1000 pro Jahr, die für viele hiesige industrielle Projekte relevant sind, können mit MPX innovative und komplexe Embedded- Lösungen schnell und zügig umgesetzt werden. In Designs, die eine militärische oder medizinische Zulassung erfordern, sind bei Änderungen der Hardware keine neuen aufwendigen und teuren Neuzulassungen erforderlich.