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Wechseldatenträger für Embedded-Systeme

Robust, langlebig und sicher

Berge
© shutterstock.com

Oft sind in Embedded-Systemen Daten über steckbare Wechselspeicher zu transferieren. Handelsübliche USB-Sticks oder SD-Karten sind hierfür meist ungeeignet. Ein Branchenexperte schildert, welche Anforderungen für industrielle Systeme wichtig sind und welche Produkte sich dafür eignen.

Tragbare Wechselspeichergeräte – oder Portable Removable Memory – werden in der Regel für folgende Einsatzmöglichkeiten verwendet:

  • Protokollieren, Speichern und Übertragen von Daten
  • Aktualisieren der Soft- und Firmware eines Systems
  • Parametrieren und Upload von Konfigurationsdaten
  • Zugriffs- und Zugangskontrolle
  • Benutzerauthentifizierung
  • als Krypto-Token in Kommunika­tionssystemen

Je nach Anwendung ist das Speichermedium möglicherweise nur für einen kurzen Moment mit dem Hostsystem verbunden. Beispielsweise zum Übertragen von Daten und Firmware oder beim Verwenden als Zugangsschlüssel, der vorübergehende Zugriffsberechtigungen erteilt. Umgekehrt kann es erforderlich sein, dass der Datenträger für die gesamte Betriebszeit des Systems dauerhaft eingesteckt bleibt, womöglich für Jahrzehnte.

Hohen Belastungen ausgesetzt

Eine Betriebsumgebung mit besonderen Ansprüchen findet sich zum Beispiel
in Windkraftanlagen: Sie sind mit Da­­tenerfassungssystemen ausgestattet,
die den Zustand von Lagern und Getrieben aufzeichnen und überwachen. Obwohl Techniker von der Ferne auf die Daten zugreifen können, ist das lokale Speichern gängige Praxis. Steckbare Speichermedien ermöglichen zudem, eine Anlage und deren Komponenten mit einer ID zu versehen und sicherheitskritische Betriebsparameter zu hinterlegen. Das kann zum Beispiel die Geschwindigkeit sein, mit der eine Windkraftanlage den Anstellwinkel ihrer Flügel reduzieren soll, um Schäden bei starkem Wind zu vermeiden. Windkraftanlagen operieren unter rauen Bedingungen und sind meist extremen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit, evtl. Salznebel, Spritz- und Kondenswasser sowie Vibrationen ausgesetzt.

Um langfristig in einer Umgebung mit hohem Vibrationsniveau zuverlässig zu funktionieren, müssen besonders die mechanischen Kontakte belastbar sein. Handelsübliche SD-Karten und USB-Flash-Speicher sowie deren Anschlussbuchsen sind für Heim-, Büro- und Freizeitprodukte ausgelegt. Somit sind sie meist wenig belastbar – Vibrationen führen erfahrungsgemäß sehr schnell zu einem vorzeitigen Verschleiß.

Ein gutes Maß für die Verschleißanfälligkeit der Kontakte ist die Anzahl der Steckzyklen, welche der Hersteller auf dem Datenblatt angibt. Selbst wenn der gesteckte Datenträger nicht viel Eigengewicht hat und die Vibrationskräfte, trotz hoher Frequenz und Amplitude, ihn nicht aus der Anschlussbuchse werfen können, wirken sie sich schädlich auf die Lebenszeit beider Komponenten aus. Die Kontaktflächen verschleißen vorzeitig und ein kontinuierlicher Datenstrom ist schon nach kurzer Betriebszeit nicht mehr sicher aufrechtzuerhalten.

Die Anzahl der angegeben Steckzyklen unter vibrationsfreien Bedingungen ist ein guter Anhaltspunkt für die Verarbeitungsqualität, Belastbarkeit und zu erwartende Lebensdauer der Komponenten des Speichersystems. Gewöhnlich haben USB-Anschlussbuchsen eine Nennleistung von bis zu 1.500 Steckzyklen, wobei industrietaugliche Produkte für Zehntausende, mitunter bis zu 100.000 Steckzyklen, ausgelegt sind.

Relevante Anbieter

Industrielle Wechselspeicher
Bild 1. Industrielle Wechselspeicher haben die Funktion handelsüblicher Produkte wie USB-Sticks und SD-Karten, sie sind je­doch weitaus langlebiger und bieten auch mehr Sicherheit.
© Nexus Industrial

Robustheit ist essenziell

Industrielle Speichergeräte basieren auf handelsüblichen Speichertypen, z. B. NAND-Flash oder EEPROM, und lassen sich daher über die Standardschnittstellen und Kommunikationsprotokolle wie USB 2.0, I2C und SPI ansteuern. Es ist jedoch die robuste Bauweise beziehungsweise das aufwendige Verarbeiten hochwertiger Materialien, die den Unterschied ausmachen.

Meist unterscheiden sich industrietaugliche Produkte außerdem im Formfaktor wesentlich von den Standardformaten, insbesondere in der Beschaffenheit und Anordnung der Kontaktpins. Aus dem Grund lassen sich manche Produkte im Gegensatz zu USB-Sticks beliebig ausgerichtet in den Anschluss einstecken. Dies ist sehr benutzerfreundlich, besonders wenn die Anschlussbuchse außer Sicht angebracht ist oder der Zugang zu ihr erschwert sein sollte. Zudem bietet ein proprietäres Steckerformat einen gewissen Sicherheitsvorteil, da sich der Datenträger nicht einfach an jedem PC einstecken und auslesen lässt. Abgesehen von der Auslegung für eine hohe Anzahl von Steckzyklen, müssen industrietaugliche Wechseldatenträgersysteme noch anderen widrigen Umgebungsbedingungen standhalten.

Zum Beispiel entwickelt und fertigt ATEK Access Technologies mit Sitz in den USA proprietäre Wechseldatenträgersysteme der Marke »Datakey«. Ein Datenträger wird im Fachjargon als »Token« bezeichnet (Bild 1). Er entspricht etwa der Größe eines gewöhnlichen USB-Sticks, jedoch ist seine Elektronik bis auf die Kontakte mit hochbeständigem Verbundwerkstoffumgossen, sodass er bruchsicher und wasserfest ist. Datakey-Produkte sind gemäß »MIL-STD 810F«, Testmethode 514.5, zum Teil ebenso nach Testmethode 509.4 Proc. 1, unter anderem auf Verträglichkeit mit Salznebel, Eisregen, Staub sowie UV-Strahlung getestet und zertifiziert. Vor einigen Jahren führte ein Hersteller von Windkraftanlagen stark beschleunigte Lebensdauertests an Datakey-Tokens durch, um 20 Jahre Betrieb in der Gondel einer Turbine zu simulieren. Die Tests umfassten hohe Vibrationszyklen sowie intensive und schnelle Temperaturwechsel. An den Kontakten wurde Verschleiß beobachtet, jedoch war die elektrische Verbindung nicht beeinträchtigt.

Datenspeicher im Motorsport

So ist es nicht verwunderlich, dass die Motorsportindustrie industrietaugliche Wechseldatenträgersysteme für Datalogging in Engine Control Units (ECU) und Condition-Monitoring-Systemen einsetzt. Rennfahrzeuge sind in der Regel mit Sensorsystemen ausgestattet, die Daten über die Leistung von Motor, Antriebsstrang und Aufhängung unter extremen Bedingungen während der Rennen registrieren. Zu den gemessenen Parametern gehören:

  • Temperatur
  • Druck
  • Durchflussraten
  • mechanische Verschiebung
  • Schock und Vibration

Die Abtastraten variieren, so ist die Temperatur beispielsweise lediglich ein paar Mal pro Sekunde zu erfassen. Jedoch erfordert das Beobachten von Getriebekomponenten während eines Gangwechsels eine Abtastfrequenz im kHz-Bereich, um die nötige Auflösung zu erreichen. Die erfassten Daten sind für die Ingenieure wertvoll, weil das Auswerten der Daten ein Optimieren der Fahrzeugeinstellungen ermöglicht. Aufgrund der extremen Belastung der Hardware ist die Ausfallquote von handelsüblichen Speichern zu hoch, sodass manche Rennteams inzwischen ausschließlich auf robuste Wechseldatenträgersysteme zurückgreifen, die ursprünglich für Militär und Industrie entwickelt wurden.

Auch dort schließen also heftige Vi­­brationen und mechanische Stöße den Einsatz marktüblicher Geräte aus. Auf Formel-1-Fahrzeuge können zum Beispiel beim Beschleunigen, Bremsen und Kurvenfahren Kräfte bis zu 5G wirken. Jedoch stellt man im Motorsportsektor noch zwei weitere grundlegende Anforderungen:

  • Geräte müssen hohen Temperaturen standhalten, da sich das Datenerfassungssystem in der Regel in der Nähe des Motors befindet.
  • Das Gerät ist eventuell Öl und an­deren Flüssigkeiten sowie Staub ausgesetzt.

Die meisten Gerätehersteller und Systemhäuser, die im Motorsport aktiv
sind und steckbare Wechselspeicher für das Protokollieren von Daten verwenden, setzen industrielle Modelle mit Flashspeicher ein, die über das USB-Protokoll ansteuerbar sind. Allerdings setzt mindestens ein Unternehmen auf serielle EEPROM-Speicher, um Datenträger sehr schnell an der Box auswechseln zu können.


  1. Robust, langlebig und sicher
  2. Vorgaben für das Design

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