Embedded-Technik für Industrie 4.0 und IoT

Bis 2020 soll es weltweit bis zu 50 Milliarden vernetzte smarte Produkte geben – das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) und Industrie 4.0 erreichen eine neue Dimension. Bereits heute gibt es zahlreiche Anwendungen wie Getränkeautomaten, die selbstständig Nachschub ordern oder Heizungssteuerungen, die automatisch die Temperatur hochregeln, sobald sich Hausbewohner ihrer Immobilie nähern. Hier öffnen sich Wachstumsmärkte mit viel Potenzial. Eine Folge davon: Die heutigen universellen Computer werden mehr und mehr durch intelligente, eigenständige Geräte verdrängt. Diese kommunizieren selbstständig untereinander und tauschen Daten aus. Somit sind völlig neue Anwendungen möglich.

Eingebettete Power

Vernetzte Geräte basieren oft auf sehr moderner, an die jeweiligen Applikationen angepasster Embedded-Computertechnik, wie sie bereits in vielen industriellen Anwendungen zum Einsatz kommt, beispielsweise in der Medizin, Visualisierung, Instrumentierung oder im Transportwesen. Solche Embedded-Systeme müssen einen Spagat meistern und viel Rechenleistung auf engstem Raum zur Verfügung stellen. Darüber hinaus erfordern professionelle Applikationen eine tadellose Funktion in einem Temperaturbereich von typisch 0 bis +60 °C. Da für aufwendige Kühllösungen kein Platz vorhanden und zudem ein möglichst niedriger Stromverbrauch gefordert ist, müssen die Systeme sehr energieeffizient arbeiten.

Kompakte Bauform, leistungsfähiges, energieeffizientes Design, hohe Flexibilität – Single-Board-Computer (SBC) wie der IB899 von I-Base erfüllen diese anspruchsvollen Anforderungen. Der komplette Rechner ist inklusive aller Steckplätze nicht größer als eine herkömmliche 3,5-Zoll-Festplatte. Auf seinem industrietauglichen, lediglich 102 × 147 mm² großen Embedded-Mainboard hat der Hersteller ein Intel-basiertes SoC (System-on-a-Chip) der neusten Generation integriert.

Mit 25 × 27 mm² ist das SoC-Modul deutlich kleiner als die Grundfläche einer Streichholzschachtel. Trotzdem vereint es Haupt- und Grafikprozessor sowie Chipsatz – und damit die meisten Funktionen der bewährten x86-Architektur. Möglich ist dies, weil Intel seine Chips in hochintegrierter 14-nm-Prozesstechnik fertigt. Dank der winzigen Transistorstrukturen schrumpft nicht nur der Platzbedarf, sondern auch die Energieaufnahme. Somit helfen die neuen Intel-SoCs, eine der wichtigsten Forderungen für Embedded-Systeme zu erfüllen.

Der Single-Board Computer IB899 von I-Base ist ein kompletter Rechner inklusive aller Steckplätze, dabei ist er nicht größer als eine herkömmliche 3,5-Zoll-Festplatte. Fortec

I-Base bietet seine Plattform IB899 aktuell in zwei Versionen an: als IB899-370 mit leistungsfähigem Intel Pentium-Prozessor N3700 und als IB899-300 mit sparsamem Celeron N3000. Dabei liegt die TDP (Thermal Design Power) für den Celeron bei 4 W und die SDP (Scenario Design Power) bei 3 W. Die Standardfrequenz liegt bei 1,04 GHz und kann im Burst-Modus auf bis zu 2,08 GHz steigen. Der Pentium hat eine TDP  von 6 W und eine SDP von 4 W. Die Standard-Prozessorfrequenz liegt bei 1,6 GHz und im Burst-Mode bei 2,4 GHz.

Intels x86-Architektur liefert Entwicklern von Embedded-Systemen schlagkräftige Argumente. Eines der wichtigsten ist das gut entwickelte Ökosystem aus Entwicklungssystemen, Betriebssystemen sowie standardisierter und angepasster Software. Spezialdistributoren wie Fortec liefern neben Standard-Betriebssystemen auch kundespezifische Windows-Versionen mit bereits fertig installierter Anwendungssoftware an. Dadurch sinkt der Entwicklungsaufwand noch einmal erheblich: Kunden brauchen die schlüsselfertige Lösung nur noch einschalten und können sofort loslegen.

Hochwertige Energieversorgung

Der im SoC integrierte I/O-Controller stellt alle wichtigen Schnittstellen bereit: SATA, mSATA, zweimal USB 2.0 und vier USB 3.0, zwei Gigabit-LAN, ein RS232 und ein RS232/422/485. Dank seiner zwei Mini-PCIe-Expansion-Slots kann der SBC eine Full-Size- und eine Half-Size-Erweiterungskarte aufnehmen und lässt sich sehr flexibel an unterschiedliche Applikationen anpassen. Dazu passt, dass das leistungsfähige Computersystem auch bei der Stromversorgung sehr variabel ist: Es arbeitet mit Gleichspannungen zwischen 12 und 24 V.

Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, sollten Entwickler trotzdem auch in diesem Punkt auf hochwertige Produkte namhafter Hersteller setzen. Spezialisierte Distributoren wie Fortec vertreiben ein umfassendes Portfolio an zuverlässigen und energieeffizienten AC/DC- und DC/DC-Stromversorgungen mit Leistungen bis in den zweistelligen Kilowattbereich, die zuverlässig Strom und Spannung in höchster Qualität liefern. Im eigenen Design-Center entwickelt das Unternehmen auch kundenspezifische Produkte.

Für die Bildausgabe kommt in beiden SoCs die Intel-Lösung HD Graphics 4000 zum Einsatz. Diese integrierte Grafikeinheit liefert auch für anspruchsvolle Anwendungen im industriellen Bereich ausreichend Leistung. Dazu zählen grafikintensive Anwendungen wie HMI, bildgebende Verfahren in der Medizintechnik oder auch POS- und Kiosk-Applikationen. Als Schnittstellen stehen DVI-D, CRT und 24-Bit-Dual-Channel-LVDS zur Verfügung, so dass sich auch hochauflösende Displays und Monitore ansteuern lassen.

Trotz aller Automation im IoT-Zeitalter erfordern viele Anwendungen die Interaktion mit Benutzern, zum Beispiel per Touchscreen. Fortec

Touchscreens

Trotz fortschreitender Automation im Internet-der-Dinge-Zeitalter erfordern viele Anwendungen die Interaktion mit Benutzern. Diese Aufgabe übernehmen Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human Machine Interfaces, HMI). Oft handelt es sich dabei um robuste Displays, die Informationen grafisch genau in der von der Applikation geforderten Auflösung darstellen können. Bei Fortec können Entwickler aus einem breiten Portfolio das genau für ihre Applikation passende Display wählen – von der 3,5-Zoll-Anzeige mit einer Auflösung von 320 × 240 Pixel bis hin zum 65-Zoll-Display mit 4k-Auflösung.

In vielen Fällen müssen diese HMI auch Benutzereingaben entgegennehmen. Typische Anwendungen sind Info-Monitore auf Messen oder in Kaufhäusern, Fahrkarten- und Geldautomaten, aber auch Bedienterminals für industrielle Maschinen und in der Medizintechnik. State-of-the-Art ist dafür heute die Touch-Bedienung, über die man die Embedded-Devices wie vom Smartphone gewohnt per Fingerzeig und Wischgesten steuert. Nicht zuletzt im industriellen Einsatz müssen diese Produkte robust ausgelegt sein und zuverlässig arbeiten. Teils bestehen auch spezielle Anforderungen, etwa wenn Bildschirme auch bei voller Sonneneinstrahlung ablesbar sein sollen oder Kunden eine besonders lange Liefergarantie fordern.

Fortec liefert ein breites Spektrum an Displays und kann sie mit unterschiedlichen Touch-Technologien ausstatten. Im Programm hat der Spezialdistributor auch Produkte, die auf der Projected-Capacitive-Touch-Technologie (PCAP) basieren. Diese nutzt zwei voneinander isolierte Sensorebenen aus leitfähigem ITO-Material (Indiumzinnoxid). Wesentlicher Vorteil dieser Technik ist, dass die Schichten auf der Rückseite des Deckglases liegen, während die Bedienung auf der nahezu verschleißfreien Glasfront erfolgt. PCAP erkennt zudem sowohl Ein- als auch Mehrfingergesten und ist somit Multi-Touch-fähig.

Durch spezielle Optical-Bonding-Verfahren bietet Fortec zudem die Möglichkeit, Displays bis zu einer Diagonale von 32 Zoll einschlussfrei, völlig transparent und vergilbungssicher mit anderen Substraten zu verkleben, etwa mit einer bruchsicheren Abdeckscheibe oder einem Touch-Modul. Diese Technik verringert massiv störende Reflektionen, die sonst durch Lichtbrechungen am Luftspalt zwischen LCD und Abdeckglas entstehen. Gleichzeitig verbessern sich Helligkeit und Kontrast – und damit die Ablesbarkeit des Displays.

Lange Einsatzdauer

Industriell eingesetzte Güter wie Embedded-Systeme und Displays werden in der Regel länger genutzt als Consumer-Produkte. Daher ist die langfristige Verfügbarkeit der Einzelkomponenten sowie eine definierte End-of-Life-Abwicklung ein wichtiges Kriterium bei der Wahl des geeigneten Lieferanten: Nur so können die erwarteten 50 Milliarden IoT-Geräte auch lange im Dienst bleiben und ihre Hersteller nach Jahren noch passenden Ersatz liefern.

(lei)