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Während Sie dies lesen, arbeiten Embedded-Systeme auf der Oberfläche des Mars, nachdem sie eine interplanetare Reise und eine fantastische Landung auf der unwirtlichen Marsoberfläche hinter sich haben, die kaum Aussicht für Reparaturen vor Ort bietet. Zweifellos sind die Embedded-Systeme eines Mars-Rovers sehr robust und rechtfertigen nahezu jeden Designaufwand, um die für den Erfolg der Mission entscheidenden Faktoren wie Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit sicherstellen zu können. Über ein NASA-ähnliches Budget und die Möglichkeit jahrelanger Entwicklungsarbeit verfügt jedoch nicht der breite Markt für robuste Embedded-Systeme.

Auf einen Blick

Wird eine höhere Leistungsfähigkeit bei niedrigen Kosten angestrebt, sollten Entwickler auch Standard-Embedded-Boards in ihre Überlegungen mit einbeziehen. Das lüfterlose VIA-System AMOS-3002 verbindet eine EPIA-P900-Platine mit einem 1-GHz-Dual-Core x86-Prozessor. Sehr kleine Embedded-Boards sind stoßsicher, da sie wenig Masse haben und alle Chips auf der Platine verlötet sind. Das VIA-System unterstützt einen 1GHz-Dual-Core x86-Prozessor und hat ungefähr die Größe einer Visitenkarte.

Stattdessen werden viele Board-Designs in relativ großen Stückzahlen geliefert, mit strikten Kostenvorgaben und kurzen Entwicklungszyklen. Erfordert ein Projekt einen robusten Embedded-Computer, stehen den Entwicklern von Embedded-Systemen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Zum einen verfügen die Rüstungs-, Luftfahrt- und Automobilindustrien über Jahrzehnte an Test- und Dokumentations-Erfahrung, was die Anforderungen betrifft, die für den Bau eines Systems, das unter sehr rauen Umgebungsbedingungen arbeitet, notwendig sind. Jedoch sollten Entwickler auch aus Kostengründen den möglichen Einsatz eines Standard-Embedded-Boards in Erwägung ziehen. Vorausgesetzt, das Systemdesign ist robust genug für die jeweiligen Umgebungsbedingungen.

Design nicht überfrachten

Mit einer nach militärischen oder industriellen Anforderungen spezifizierten Hardware ist man zwar immer auf der sicheren Seite. Ein für diese Bereiche zertifiziertes Embedded-Board wird zwar ganz sicher auch in einem medizinischen Instrument oder im Inneren eines Fahrzeugs gut funktionieren, jedoch die Kosten unnötig in die Höhe treiben. Eine sinnvolle Vorgehensweise ist es, zuerst die zu erwartenden Umwelteinflüsse zu evaluieren, um anschließend zu entscheiden, wie widerstandsfähig ein System wirklich sein sollte. Muss die Platine beispielsweise wirklich unter den von der Industrie (-40 bis 85 °C) oder dem Militär (-55 bis 125 °C) vorgegebenen Temperaturbedingungen arbeiten können (häufig mit herabgesetzter Geschwindigkeit)? Sind die Kosten für eine konforme Beschichtung und strenge Tests nach Standards wie MIL-STD-202G gerechtfertigt, um die Platine gegen Umweltbedingungen zu schützen, denen sie vermutlich niemals ausgesetzt sein wird? Bild 1 zeigt das Beispiel eines leitfähig gekühlten Embedded-Computers, der mit einem industriellen x86-basierten Board ausgestattet, aber robust genug ist, um in Umgebungen eingesetzt werden zu können, in denen einfach nur ein zuverlässiger und leiser Computer benötigt wird, der Stöße und Vibrationen abfangen, ohne Einbußen bei der Leistungsfähigkeit.

Beispiel eines robusten Systems unter Verwendung eines Standard-Pico-ITX-Embedded-Boards. Das lüfterlose VIA-System AMOS-3002 verbindet eine EPIA-P900-Platine mit einem 1-GHz- Dual-Core x86-Prozessor.

Beispiel eines robusten Systems unter Verwendung eines Standard-Pico-ITX-Embedded-Boards. Das lüfterlose VIA-System AMOS-3002 verbindet eine EPIA-P900-Platine mit einem 1-GHz- Dual-Core x86-Prozessor.VIA Technologies

Der Trend in der Halbleiterindustrie hin zu mehr Integration hat die Größe von Einplatinen-Computern auf Formfaktoren reduziert, die von sich aus stoßfest sind, durch die geringe Masse der winzigen Boards und die bei der Herstellung fest an Ort und Stelle verlöteten Chips. Beispielsweise misst der Pico-ITX Formfaktor lediglich 100 x 72 mm2 und eignet sich damit sehr gut als Single-Board-Computer in einem auf höhere Belastungen ausgelegten Embedded-System. Die VIA P9xx-Serie unterstützt Single-, Dual- und Quad-Core-x86-Prozessoren mit Taktraten von über einem GHz. Konzipiert wurden diese kompletten Boards für Embedded-Applikationen, die eine umfassende Software-Kompatibilität zum PC-Ökosystem benötigen.

Stoßsicher untergebracht in einem robusten Chassis wie das des AMOS-3002-Systems von VIA, können industrielle Pico-ITX-Boards selbst die vom Militär geforderte Stoßfestigkeit und Vibrationsbeständigkeit erreichen. Die Systeme werden auf Basis internationaler Testnormen (IEC 60068-2-27 und IEC 60068-2-64) auf Stoßfestigkeit bis 50 g (Halbsinus-Impuls von 11 ms Dauer) und Vibrationsbeständigkeit bis 5 g (Zufallsbeschleunigung von 20 bis 500 Hz) getestet. Diese Methoden für Schock- und Vibrationstests sind vergleichbar mit den Tests nach militärischen Standards wie zum Beispiel MIL-STD-202, 810 und 883, jedoch finden die IEC-Normen im Allgemeinen eher Anwendung bei industriellen Produkten.

Sehr kleine Embedded-Boards  sind von Natur aus stoßsicher, da sie wenig Masse haben und alle Chips auf der Platine verlötet sind. Das VIA EPIA-900 unterstützt einen 1-GHz-Dual-Core x86-Prozessor und hat gerade mal ungefähr die Größe einer Visitenkarte.

Sehr kleine Embedded-Boards sind von Natur aus stoßsicher, da sie wenig Masse haben und alle Chips auf der Platine verlötet sind. Das VIA EPIA-900 unterstützt einen 1-GHz-Dual-Core x86-Prozessor und hat gerade mal ungefähr die Größe einer Visitenkarte.VIA Technologies

Einige Anbieter robuster Embedded-Boards behaupten, ihre Boards würden den militärischen Standards genügen, ohne dass man sie jemals diesen aufwändigen Tests unterzogen hätte, da die meisten dieser Tests die Zerstörung vieler Produkte zur Folge haben. Stattdessen wird argumentiert, die Produkte würden bereits konstruktionsbedingt die Norm einhalten. Viele Testorganisationen vermeiden einige der Tests, indem sie nur die Materialien und Produktionsmethoden bewerten. Sicher gibt es viele raue Embedded-Umgebungen, die einen Einsatz von Standard-Produkten ausschließen, wobei hier meist die Betriebstemperatur der ausschlaggebende Faktor ist. Bei einem Standard-Produkt wie dem VIA AMOS-3002 wird ein zuverlässiger Betrieb mit 1 GHz bei einer Chassis-Temperatur zwischen -20 und +60 °C garantiert (dabei ist festzuhalten, dass der VIA-Eden-X2-Prozessor für Gehäusetemperaturen von bis zu 90 °C eingestuft ist). Zum Vergleich: Die meisten Telefon- und Tablet-Anbieter begrenzen die Temperatur ihres Systemgehäuses auf unter 45 °C, da die Berührung ansonsten schmerzhaft wäre. Durch die Erweiterung des Temperaturbereichs reduziert sich die Leistung des Systems. Daher müssen die Designer beurteilen, ob eine Leistungsabsenkung von 20 bis 50 Prozent gerechtfertigt ist. Häufig können Anbieter von Prozessoren und Speicherbausteinen etwas von dieser Leistung zurückgewinnen, indem sie Chips mit höheren Taktraten auswählen. Diese sind jedoch entsprechend teurer. Muss das Embedded-System nicht tatsächlich in diesem erweiterten Temperaturbereich arbeiten, sind die Extrakosten diesen Aufwand nicht unbedingt wert.

Designer robuster Systeme können eventuell leistungsstärkere Boards einsetzen, sofern das Chassis des Embedded-Systems genügend Wärme ableiten kann, um die Betriebstemperatur unter dem maximalen Wert zu halten. Die maximale Systemtemperatur stellt sicher, dass keine Komponente ihre maximale Transistor-Sperrschichttemperatur überschreitet, wobei die Wärmeübertragung über die verschiedenen Kontakte zwischen Silikon, Chipgehäuse und Kühlkörper noch zu berücksichtigen ist. Bei einem passiv gekühlten Chassis wie dem des AMOS-3002 wird das Gehäuse selbst zu einem großen Kühlkörper mit einer Wärmeleitfähigkeit, die mittels Standardsoftware modelliert werden kann, zur Berechnung des Wärmeflusses. Die Tools zur Wärmemodellierung verwenden für die Berechnung das Fouriersche Gesetz der Wärmeleitung, demzufolge die übertragene Wärmeleistung proportional zur Fläche und Wärmeleitfähigkeit des Mediums und zur Temperaturdifferenz ist. Während die VIA Dual-Core-x86-Prozessoren 9 W ableiten können (mehr als die meisten Atom- oder ARM-basierten Prozessoren), verteilt das Aluminiumchassis die Wärme auf eine größere Fläche. Selbst bei höheren Umgebungstemperaturen sollten die meisten Systeme genug Konvektionsstrom vom Chassis erhalten, um die Chips kühl genug zu halten, damit ein verlässlicher Betrieb sichergestellt ist und die Vorteile einer höheren Leistung genutzt werden können.

Cliff Moon

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ist Senior Director of Global Marketing, Embedded Platform Division, VIA Technologies, Inc.

(ah)

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