Embedded-System-Modul für sicherheitskritische Anwendungen und rauhe Umgebung
Was ist ESMexpress? #####
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Was ist ESMexpress?
Mobiles Computer- und Outdoor-Equipment
Rauhen Bedingungen ausgesetzte mobile Anwendungen sind beispielsweise auch in der Medizintechnik oder in Nutzfahrzeugen und auf Schiffen zuhause. Sicherheitskritische Systeme in der Medizintechnik sind fahrbare oder tragbare bildgebende Systeme (z.B. CT, Ultraschall) oder solche zur Überwachung, Anästhesie oder Behandlung von Patienten, die auch zur Fernüberwachung verwendet und mit drahtlosen Schnittstellen kombiniert werden können. Nutzfahrzeuge wie Kräne, Baumaschinen, Lastwagen oder Traktoren sind vermehrt mit kleinen robusten Mensch-Maschine-Schnittstellen ausgestattet; nicht zu vergessen die Testsysteme für Kraftfahrzeuge, die auf kleinstem Raum untergebracht werden müssen. Outdoor-Rechner sind beispielsweise im Telekommunikationsbereich anzutreffen (Polizeifunk, Notruf), in der Verkehrskontrolle (Geschwindigkeitskontrolle, Rotlichtüberwachung), auf Ölplattformen oder im Sicherheitswesen (Videoüberwachung von gefährdeten Gebäuden oder stark frequentierten Plätzen).
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Kritische Industriesteuerungen
Ob als eingebettete Maschinensteuerung oder Mensch-Maschine-Interface, mit Anzeige oder Überwachungsfunktion, als Display-Computer oder Hutschienen-PC – die Realisierung auf Basis eines ESMexpress-Moduls ist dann sinnvoll, wenn ein Ausfall des Rechners zum Stillstand einer Maschine oder einer gesamten Produktionsanlage führen würde und so innerhalb kürzester Zeit unter Umständen immense Kosten verursacht. Dies ist besonders kritisch, wenn ein Rechner auch noch rund um die Uhr und viele Jahre in Betrieb ist und beispielsweise in einer staubigen, nicht klimatisierten Produktionshalle steht. Ein anderes Beispiel ist die Steuerung von hochgenauen, schnellen Robotern für die Kfz-Produktion, für Reinräume oder als Laser, wobei der Rechner auch direkt in Robotern untergebracht sein kann wie etwa im humanoiden Roboter „Asimo“ von Honda. Extrem sicherheitskritisch sind schließlich die Steuerung, die Überwachung und das Management der Funktionen eines Kernkraftwerks.
Ausgeklügelte Mechanik
Ein Hauptaugenmerk bei der Entwicklung von ESMexpress lag auf der lüfterlosen Kühlung, die für eine Verlustleistung bis 35 Watt ausgelegt ist und sowohl Wärmeleitung als auch Konvektionskühlung definiert. Hierzu wird die gerade einmal 85 × 115 mm² große bestückte Leiterplatte in einen Rahmen mit 9 × 125 mm² Endmaß montiert und ist komplett von einem Aluminiumgehäuse umschlossen. Die Montage ist unaufwendig und erfolgt ohne Schrauben durch Einrasten der Leiterplattenüberstände in den Rahmen. Ein „Gap-Filler“ gleicht etwaige Leiterplatten-Toleranzen aus. Der hohe Druck aufgrund der sicheren Verbindung mit acht Schrauben zwischen dem Gehäuse und der Trägerplatte unterstützt die thermische Anbindung der Komponenten. Dabei transportieren Leiterplattenüberstände die Abwärme über den Rahmen zum Gehäusedeckel. Der Rahmen leitet außerdem die Abwärme der Trägerkarte zum Gehäusedeckel weiter. Macht die Verlustleistung des jeweiligen ESMexpress-Moduls eine weitere Kühlung erforderlich, wird das Gehäuse entweder an eine externe Wärmeableitung angebunden (Conduction) oder mit einem Kühlkörper zur Abfuhr der Wärme kombiniert (Convection). Umgekehrt kann die Abwärme auch vom Gehäusedeckel über den Rahmen auf eine Trägerkarte geleitet werden, die die Wärmeableitung unterstützt. Gleichzeitig bietet das geschlossene Metallgehäuse einen optimalen EMV-Schutz für die Elektronik (Bild 2). Wegen der Montage auf der Trägerkarte sind alle sechs Seiten hermetisch dicht, auch die Übergabestecker zur Leiterplatte sind als SMT-Komponenten geschirmt.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schock- und Vibrationsfestigkeit. Hierbei wird nicht nur das Modul mit acht Schrauben auf der Trägerkarte befestigt, sondern auch ein Stecker eingesetzt, der für MIL- und Bahnanwendungen zugelassen ist und differenzielle Signale bis 8 GHz (16 Gbit/s) unterstützt. Der mechanisch robuste Stecker weist bei 5 mm Steckhöhe und 0,5 mm Kontaktabstand eine minimale Toleranz von ±0,3 mm auf, verfügt über fest zugeordnete Kontakte für die Stromversorgung und ist für eine Betriebstemperatur von –55 bis +125 °C spezifiziert.
Schnell war klar, dass diese Anforderungen bisher von keinem der aktuellen SOM-Konzepte lückenlos erfüllt werden. Schnelle serielle Datenübertragung bieten derzeit nur COM Express (mit seinen vier Formaten mal fünf Steckerbelegungsvarianten), XTX, PC/104 Express (mit PCIe/104 des PC/104-Konsortiums) und in Anlehnung daran Express 104 der „Small Form Factor SIG“ (www.sff-sig.org). Alle diese System-On-Modules verfügen jedoch weder über ausreichend robuste Steckverbindungen noch über ein Abwärmekonzept für hohe Betriebs- oder Umgebungstemperatur.
Bedenkt man, dass in kritischen Anwendungen zumeist eine Verfügbarkeit der Elektronik von mindestens zehn bis zu 30 Jahren gefordert wird, stellen sich auch die Vorteile eines Industriestandards in neuem Licht dar. Da kaum ein elektronisches Bauteil länger als 15 Jahre erhältlich ist, müssen Module in einer langlebigen Anwendung durch kompatible Nachfolger ersetzt werden können. Dies wird durch einen Standard erleichtert, weil hier Elektrik und Mechanik bindend für alle Hersteller definiert sind (Bild 1). Auf diese Weise trägt ein Standard auch zur Senkung von Kosten und zur Erzielung kürzerer Entwicklungszeiten bei.
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- Autorin:
- Konsequent seriell und prozessorunabhängig
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