Ein Embedded-PC-Baukasten

Das skalierbare Embedded-PC-System COMSys von TQ ist Basis für unterschiedlichste Applikationen. Standardmäßig werden Box-PC-Lösungen sowie HMI-Lösungen (im Standard-PC-Umfeld auch als All-in-One-Lösungen bekannt) angeboten. Es sind jedoch auch individuelle Lösungen, beispielsweise für Medizin- und Industrie-Produkte möglich. Die Rechenleistung variiert von Intel Atom über AMD Fusion bis hin zur neuesten Intel Core-Technologie. Alles in einem einheitlichen mechanischen Design und langfristiger Verfügbarkeit.

Embedded-PC-Anwendungen kommen historisch gesehen aus Marktbereichen, in denen keine Standard-PC-Technologie eingesetzt werden konnte. Die Gründe hierfür sind vielfältig, jedoch war meist eine sehr deutliche Abgrenzung zum Standard-PC offensichtlich, sei es aufgrund der Baugröße oder dem Einsatz von speziellen Funktionen und Interfaces. Heute ist der Begriff Embedded-PC in der Hauptsache geprägt durch „Ich bin kein Office- oder Home-PC“. Gleichzeitig gibt es immer mehr Embedded-Lösungen, die in typische PC-Applikationen vordringen. Im Gegenzug dazu erobern immer öfter Standard-PC-Systeme, vor allem ausgelöst durch die Miniaturisierung der Formfaktoren im Consumer-Bereich, die herkömmlichen Domänen von Embedded-Anwendungen.

Im Zuge der Überlappung der Anwendungsgebiete für Embedded- und Standard-PCs ist es wichtig, entscheidende Unterschiede herauszustellen. Auch bei TQ-Systems ist die Vermischung der Anwendungsbereiche deutlich spürbar: Ein großer Teil der Anfragen für Embedded-PC-Systeme kommt von Anwendern, die mit Standard-PC-Systemen schlechte Erfahrungen gemacht haben oder mit diesen an Grenzen stoßen. Wo liegen die Gründe hierfür? In vielen Fällen kristallisieren sich die zu Anfang aufgeführten Schlagworte „robuster, zuverlässiger und langlebiger“ heraus, die bei den eingesetzten Systemen vernachlässigt oder nicht genau genug hinterfragt wurden.

Wodurch sind Embedded-Systeme robuster?

Untersucht man Systeme in Bezug auf Robustheit, so gilt es, zunächst die Schwachstellen aufzudecken. Kurz zusammengefasst: Meist machen Kabelverbindungen, hohe und schwere Bauteile sowie unpassend montierte Mechanik-Komponenten die Systeme anfällig. Es gilt also, diese Schwachpunkte auszuschalten.

Der flexible Box-PC TQ-COMBox mit langfristiger Verfügbarkeit.

Der flexible Box-PC TQ-COMBox mit langfristiger Verfügbarkeit.TQ-Systems

Am Beispiel eines konkreten Embedded-PC-Systems lässt sich erläutern, wie diese Schwachstellen umgangen werden können: Das System von TQ ist modular aufgebaut. Zum Einsatz kommen CPU-Module nach COM Express-Standard, der sich unter anderem durch sein robustes Stecksystem auszeichnet. Wo andere Modulstandards Schwächen in Bezug auf Steckkraft und Kontaktsicherheit haben, hat sich COM Express in nahezu allen Branchen der Welt bewährt, so dass selbst Anforderungen aus den Bereichen Militär und Luftfahrt bedenkenlos abgedeckt werden können. Eine besonders hohe mechanische Stabilität wird durch eine feste Verschraubung zwischen Modul und Mainboard, aber auch zwischen der Hardware und der Kühllösung gewährleistet. In dieser Kombination stellt das System eine sehr robuste, gegen Schock und Vibration resistente Einheit dar.

Standard-PC-Systeme sind zwar meist als Einplatinen-Computer ausgeführt, haben aber im Hinblick auf Robustheit ein großes Manko im Bereich der Kühlung. In den meisten Fällen werden die Hauptkomponenten auf dem Mainboard einzeln gekühlt. Der Chipsatz bekommt oft einen kleinen Kühlkörper, der durch Federn auf den Chip gedrückt wird. Die Kühlung der CPU erfolgt fast ausschließlich durch große, meist aktiv belüftete Kühler, die trotz ihrer Masse auch nur über Federn mit dem Mainboard verbunden sind. Ein Risikofaktor, der meist völlig unterschätzt wird. Schon bei schwachen Stößen, sei es im Betrieb oder beim Transport, wirken enorme Kräfte auf die CPU. Die Masse des Kühlers, kombiniert mit der federnden Befestigung können leicht zu Beschädigungen der CPU (Silizium-Oberfläche, Chip-Trägermaterial, Anschlüsse) oder zumindest zu mechanischen Extrembelastungen im Bereich des CPU-Sockels führen. Ein kaum kalkulierbares Risiko hinsichtlich Sofortschäden und schleichender Beschädigung der Baugruppe.

In vielen Systemen sind vor allem die Speichermedien wie Festplatte oder Solid-State-Disks (SSD) über Kabel angebunden. Schon durch geringe Vibrationsbelastungen werden die Steckverbinder sehr belastet, besonders dann, wenn die angeschlossenen Kabel nicht ausreichend fixiert sind und sich dadurch große Hebelwirkungen auf den Steckverbinder ergeben. Bei TQ wird bei der Anbindung der Massenspeicher ganz auf Kabelverbindungen verzichtet. Das 2,5“-Laufwerk wird direkt am Mainboard montiert. Es erfolgt eine direkte Verschraubung zwischen dem Laufwerk und dem Mainboard sowie eine kabellose Kontaktierung. Damit können sich keine Kabelverbindungen lösen und keine mechanischen Kräfte auf die Steckverbindung einwirken. Für Flash-Karten wie Compact Flash sind ebenfalls Steckplätze direkt auf dem Mainboard vorgesehen. Es besteht dabei sogar die Möglichkeit, diese mechanisch zu fixieren, so dass auch ein versehentliches Herausrutschen aus dem Steckplatz sicher unterbunden wird. Dadurch erreicht man ein rundum robustes System.

Was macht Embedded-PCs zuverlässiger und langlebiger?

Standard-PC-Systeme sind im Ursprung durch Anwendungen im Home- und Office-Bereich getrieben. Dort sind äußere Einflüsse wie die Umgebungstemperatur unkritisch. Zudem sind die Systeme nicht für den Einsatz über viele Jahre ausgelegt, geschweige denn für den Dauerbetrieb (24/7). Die Hersteller, die mit ihren Standard-PC-Systemen auch in Embedded-Anwendungen vordringen möchten, versuchen zwar, hier etwas Abhilfe zu schaffen, jedoch zeigt sich in vielen Fällen, dass es sich oft nur um „kleine Pflaster auf den schmerzhaftesten Wunden“ handelt und das Grunddesign eben weiterhin durch den „Consumer“-Einsatz geprägt ist.

Bei Embedded-PC-Herstellern werden die Designs auf Basis der langjährigen Erfahrung im Industriebereich von vorne herein auf Zuverlässigkeit und Langlebigkeit ausgelegt. Leicht zu erkennen ist dies am Beispiel der eingesetzten Kondensatoren. Während Standard-PC-Systeme in der Regel eine ganze Menge an Elektrolytkondensatoren einsetzen, die bekanntermaßen oft die Ursache für Ausfälle nach zwei bis drei Jahren Laufzeit sind, wird bei zuverlässigen Systemen sehr genau auf die Auswahl von Kondensatoren geachtet. Bei den Komponenten der Embedded-PC-Plattform COMSys werden ausschließlich Keramik- und Tantal-Kondensatoren verbaut, die für eine hohe Zuverlässig und Langzeitstabilität prädestiniert sind. Das Design-Know-how sowie die Ausführung des Leiterplattendesigns machen zudem hohe Kapazitätswerte überflüssig, so dass die Bauteile nicht an ihre maximalen Leistungsgrenzen getrieben werden müssen. Das ist eine wichtige Voraussetzung für zuverlässige und langlebige Systeme.

Das Hardware-Kit TQ-COMKIT, basierend auf der Embedded PC-Plattform COMSys.

Das Hardware-Kit TQ-COMKIT, basierend auf der Embedded PC-Plattform COMSys.TQ-Systems

Natürlich gilt es auch, die Zuverlässigkeit von Systemen zu verifizieren. Dafür gibt es viele Methoden, die jedoch meist nur bei echten Embedded-Designs umfangreich Anwendung finden. Embedded-Hersteller investieren in diesem Bereich viel Budget und Know-how, um ihre Systeme zu verifizieren und gegebenenfalls Optimierungen durchzuführen. So werden beispielsweise bei TQ Embedded-PC-Komponenten, die offiziell nur für einen Temperaturbereich von 0 bis 50°C beziehungsweise 0 bis 60°C spezifiziert sind, während der Produktqualifizierung teilweise bis zu den Grenzen -50°C und +95°C auf korrekte Funktion und stabiles Laufverhalten hin untersucht. Die so erfolgreich durchgeführten Tests beweisen, dass die Systeme auch bei widrigen Umgebungsbedingungen zuverlässig laufen. Um die Langlebigkeit der Komponenten zu verifizieren, sind darüber hinaus Testverfahren wie HASS/HALT im Einsatz. Dort werden die Systeme einer hohen Schockbelastung sowie sehr schnellen Temperaturwechseln unterzogen, was eine Extrembelastung für die Komponenten darstellt und womit eine Alterung innerhalb kürzester Zeit künstlich nachgebildet werden kann. All diese Anstrengungen gewährleisten, dass die Systeme zuverlässig über viele Jahre im Einsatz sind und damit ein ungestörter Betrieb sichergestellt ist. Das stellt nicht nur eine Minimierung der Serviceaufwände sicher, sondern gibt dem Endkunden auch Sicherheit und Vertrauen.

Zuverlässig über viele Jahre im Einsatz

Die aufgeführten Beispiele zeigen, dass es sehr wohl Unterschiede im Bereich der Robustheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von PC-Systemen gibt. Seriöse Embedded-Lösungen haben hier den klaren Vorsprung. Entscheidend ist die Frage, welche Anforderungen das System zu erfüllen hat. Auch wenn die Applikation nicht unter Extrembedingungen betrieben wird, so stellt der Einsatz außerhalb von Büros und Heimanwendungsbereichen dennoch die eine oder andere Herausforderung an das PC-System, was den Einsatz von Embedded-PC-Lösungen empfehlenswert macht.

Harald Maier

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: Harald Maier ist Produktmanager x86 / Embedded PC bei TQ-Systems.

(ah)

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