QSEVEN, SMARC oder COM

Eins, zwei oder drei

1. März 2021, 14:30 Uhr | Von Alexander Jäger

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Hohe Leistungen mit COM Express

Wie sieht es dagegen bei Anwendungen mit einer höheren Leistungserwartung aus, zum Beispiel dem autonomen Fahren? Längst ist der Autopilot nicht mehr auf herkömmliche Kraftfahrzeuge beschränkt, sondern spielt ebenso eine immer größere Rolle in der Landwirtschaft, bei öffentlichen Verkehrsmitteln sowie beim Überwachen von Flugräumen. So leiten beispielsweise Landwirte Mähdrescher mit optimierter und kraftstoffsparender Route. Außerdem wird mithilfe von Drohnen die Getreidereifung ausgewertet. So wird lediglich das Terrain befahren, das aktuell nötig ist. Sensorik spielt hierbei eine unerlässliche Rolle. Zum Beispiel überwachen hochauflösende (Wärmebild)-Kameras und Infrarotsensoren Bereiche vor dem Fahrwerk und der Mäheinheit, um Lebewesen wie Rehe im hohen Getreidefeld zu schützen.

Performante Anwendungen wie diese verfügen zwar ebenfalls über eine Struktur mit Controller und Bediengerät, dennoch reicht die Leistungsfähigkeit von SMARC-Modulen bei solchen Anwendungen meist nicht mehr aus. So nutzen Entwickler Vision und Logik auf Basis künstlicher Intelligenz (KI), um ein Situationsbewusstsein zu etablieren. Hierzu ist es nötig, verschiedene Aufgaben zu implementieren, die eine komplexe Elektronik, Software und Kommunikation nötig machen. Zu den Aufgaben zählen zum Beispiel:
➔ eine genaue Motorsteuerung
➔ umfangreiche Sensorik und Bildverarbeitung
➔ Algorithmen und Sicherheitsfunktionen
➔ eine anspruchsvolle Datenverarbeitung wie das Berechnen von Erntezeitaufwand, Reifegrad, Mengen oder Flächen

Algorithmen sind in Echtzeit zu berechnen, so kann die Anwendung unter anderem aus Sicherheitsgründen sofort reagieren und unter Umständen den Betrieb einstellen. Das Gleiche gilt für kollaborative Roboter (Cobots). Alle genannten Beispiele erfordern verschiedene Vernetzungs- und Multifunktionsmöglichkeiten. Für eine große
geforderte Anzahl an Schnittstellen und entsprechend hohe Rechenleistungen, bietet sich COM Express an.

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Einen Vergleich mit SMARC und Qseven zeigt Bild 2. COM Express definiert eine Familie von »Small Form Factor« (SFF)- und CoM Single-Board-Computern (SBCs), die die nötige Leistungsvielfalt liefern und genau auf die jeweiligen Bedürfnisse adaptierbar sind. COM Express wurde für die aktuellen Chipsätze und seriellen Signalisierungsprotokolle konzipiert. Es schließt PCI-Express der dritten Generation, 10 GbE, SATA, USB 3.0 sowie hochauflösende Videoschnittstellen – etwa für das Erfassen der Umgebung – mit ein.

Nicht zu vernachlässigen ist außerdem die Kompaktheit von COM-Express-Modulen. Ihr Alleinstellungsmerkmal ist, dass die Module einerseits eigenständig als SBC operieren, andererseits als Prozessor-Mezzanine auf einem Basisboard ihren Dienst verrichten können. Letzteres reduziert den Zeit- und Kostenaufwand beim Produktdesign. Der Anwender muss die Details der Signalverarbeitung in Hochgeschwindigkeit nicht verstehen und der rasanten Entwicklung der Chipsätze nicht folgen. Für den Anwender bedeutet das Zukunftssicherheit, da neue COM-Express-Module einfach auf das Trägerboard aufsteckbar sind und so die Leistung erhöhen sowie die Produktlebenszeit verlängern.

Von den acht erhältlichen Typen sind die vier neuesten Pin-out-Typen relevant. Sie sind in der Spezifikation 3.0 der COM-Express-Module beschrieben. Mit dem sogenannten »Mini«-Formfaktor (84 x 55 mm²) sind Designs hinsichtlich COM Express Typ 10 realisierbar, »Compact« (95 x 95 mm²) findet vor allem bei Typ 6 Anwendung, »Basic« (95 x 125 mm²) dient Typ 6 und Typ 7 als Basis (Bild 3). Der »Extended«-Formfaktor ist insbesondere für Server-Anwendungen relevant, von denen in der Folge die Rede ist.

Daten am Edge verarbeiten

IIoT-Anwendungen erfordern oft eine hohe Konnektivität – sowohl drahtgebunden als auch per Funk. Nach »oben« ins Internet beziehungsweise in die Cloud und nach »unten« zu unterschiedlichen Sensoren und Aktoren.

Sind viele Informationen vor Ort auszuwerten und anschließend weiterzugeben, ist oft eine Gateway-Funktion mit umfassender Leistung gewünscht. Ein Aufbereiten und Ergänzen der Daten vor dem Weitergeben führt zu einer verbesserten Konnektivität und Bedarfsoptimierung. Daten lassen sich gegebenenfalls im laufenden Betrieb umgehend an veränderte Anforderungen anpassen. Wesentliche Bestandteile der Architektur sind Gateways, die die zeitlich deterministisch zu erfassenden Daten in Echtzeit puffern, asynchron vorverarbeiten und an nachgeschaltete Dienste weitergeben. Über passende Schnittstellen, industrielle Datenmodelle und Standardprotokolle werden die lokalen Daten abgerufen. Ein sicheres und korrektes Verarbeiten der Signale verschiedener Datenprotokolle wird im Gateway anhand der Schnittstellenphysik und Softwarealgorithmen gewährleistet.

Abhängig von den zu analysierenden Datenpunkten und Auslastungen erzeugt eine Maschine mehrere hundert GB an Daten. Würde die Datenmenge an ein Rechenzentrum übertragen, käme es zu hohen Kosten aufgrund der benötigten Leitungskapazitäten, langen Latenzzeiten oder überlasteten Netzen. Um eine unterbrechungsfreie Funktion der involvierten Systeme zu gewährleisten, sammeln, überwachen und analysieren Edge-Computing-Systeme Datenmengen dort, wo sie erzeugt werden – in der physischen Nähe zu den Maschinen, welche die Daten generieren. Hiermit ergeben sich mehrere Vorteile:

➔ Die Analyse von Livedaten funktioniert lokal erheblich schneller als in virtuellen Speichern oder auf Ebene des Datenzentrums
➔ Die Kosten für das Übertragen der Daten sind gering, da die Daten vor Ort ausgewertet werden
➔ Es werden lediglich die relevanten Daten in die Cloud oder ein Rechenzentrum geschickt
➔ Die Datensicherheit ist höher, da sensible Daten die Fertigung nicht verlassen

Bei den hohen Anforderungen an Bandbreite, Rechenleistung, Signalvielfalt und Stromaufnahme sind COM-Express-Module eine gute Wahl. Mit ihren vier aktuellen Grundtypen können Entwickler leistungsgerechte Designs – je nach Verlustleistung und Leistungsaufnahme – exakt umsetzen.