Wie PCs für extreme Einsatzbedingungen fit gemacht werden
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Wie PCs für extreme Einsatzbedingungen fit gemacht werden
Darüber hinaus sind Systemboards verfügbar, die von Grund auf mit speziellen Dielektrika entwickelt wurden, um auch bei hohen Temperaturen einsatzfähig zu bleiben. Zusätzliche Kupferflächen in der Leiterplatte tragen zur Wärmeableitung von Halbleitern und sonstigen wärmeempfindlichen Bauteilen bei. Derartige Embedded Single-Board-Computer (SBC) werden als extrem robust eingestuft, da sie eigens für rauhe Umgebungen entwickelt und konstruiert wurden. Produktionsprozesse und -materialien einschließlich Lot und Reflowprofilen tragen ihren Teil dazu bei, dass die Leiterplatten im Feld zuverlässig funktionieren.
Auch die Auswahl der Bauelemente hat einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität eines Single-Board- Computers. Insbesondere die Abhängigkeit der Bauteileparameter von der Temperatur spielt dabei eine Schlüsselrolle. In Abhängigkeit vom Bauteil – aktiv oder passiv – kann das z.B. die Toleranz oder die Impedanz bei hohen Frequenzen betreffen. Bauteile mit engeren Toleranzen oder besseren Leistungsdaten sind in der Regel teurer. Daher ist es unmöglich, mit einem einzigen Design sowohl die Kosten als auch die Leistung über einen großen Temperaturbereich zu optimieren. Die Produktionsüberwachung bei Consumer-Systemboards sorgt zwar dafür, dass diese Boards nach der Auslieferung einwandfrei funktionieren, kann aber nicht verhindern, dass Langzeiteffekte bezüglich Temperatur und Umgebungsbedingungen später zu Ausfällen führen. Das ist nur durch die Auswahl geeigneter Bauelemente möglich.
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Von „Industrial“ bis „Extreme Rugged“
Embedded-Systeme werden in vielen unterschiedlichen Umgebungen eingesetzt, z.B. in der Produktion, im Außenbereich, in Fahrzeugen etc. Natürlich kann ein einzelnes System nicht alle Anforderungen abdecken. Um Systemintegratoren und OEM-Hersteller bei der Auswahl geeigneter Standardsysteme zu unterstützen, werden Systeme entsprechend ihrer Robustheit (Ruggedness) eingeteilt. Zu den Kriterien gehören Temperaturbereich, Schock- und Vibrationsfestigkeit, Staub- und Feuchtigkeits-Schutzklassen (z.B. IP-/NEMA-Klassen).
Der Begriff „Industrial“ steht z.B. für Innenraum-Umgebungen mit geringeren Zuverlässigkeitsanforderungen. Schlimmstenfalls ist es lästig, einen Computer neu zu booten. Zusätzliche Schäden treten nicht auf. Möglicherweise liegt ein hochzuverlässiges Echtzeit-Subsystem vor, das weiterläuft. Für diese Aufgabe genügen kommerzielle Computer, die für einen Temperaturbereich von 0 bis 40 °C spezifiziert sind.
Der Begriff „Rugged“, die nächste Stufe der Robustheitsanforderung, beschreibt eine leichte Outdoor-Umgebung, bei der z.B. Booten bei –20 °C möglich ist, oder eine Innen-Umgebung in der Nähe von Einrichtungen, die für Vibrationen oder gelegentliche Schockbedingungen sorgen. In diesem Fall werden die Leistungsdaten des Systems vom Schaltungsdesign und von den Produktionsprozessen bestimmt.
Der Begriff „Extreme Rugged“ schließlich ist für härteste Umgebungsbedingungen reserviert, wo selbst gelegentliche „Abstürze“, gebrochene Lötstellen und Wackelkontakte zu katastrophalen Konsequenzen führen können. Viele Anwendungen in den Bereichen Transportwesen, Luftfahrt, Marine und Heer fallen in diese Kategorie. Systeme, die für diese Kategorien ausgelegt werden, entsprechen bei Design, Validierung und Produktion höchsten Standards. Bei derart hohen Anforderungen verbietet sich eine Design-Mentalität, die auf vordergründiges Kostensparen ausgerichtet ist.
Design-Methoden für Rugged-Systeme
Bild 2 zeigt ein Beispiel eines neuen „Extreme Rugged“-Systems. Das RuffSystem 800 wurde von Grund auf für extreme Anwendungen ausgelegt. Besonderes Augenmerk liegt bei diesen Systemen auf der mechanischen Robustheit und den thermischen Umgebungsbedingungen. Bei portablen Systemen und Systemen, die in Fahrzeuge montiert werden, treten besonders hohe Werte für Schock und Vibrationen auf. Die dafür ausgelegten Rugged-Systeme werden entsprechend im Gehäuseinnern speziell auf mechanische Robustheit ausgelegt.
Im gesamten System sind die bewegten Teile auf ein Minimum reduziert. Das System nutzt zur Speicherung des Betriebssystems statt einer Festplatte mit rotierenden Scheiben einen CompactFlash-Halbleiterspeicher.
Als Datenspeicher kommt ein separater Solid-State-Speicher zum Einsatz, sodass auf rotierende Speicher vollständig verzichtet wird. Das interne Prozessorboard „LittleBoard 800“ wird mit ausgewählt hochwertigen Materialien und felderprobten Schaltungsstrukturen realisiert, um den hohen Anforderungen gerecht zu werden.
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