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19-Zoll-Systeme kurz erklärt: Wie werden Boards verbunden?

| Autor / Redakteur: Alexander Jäger * / Kristin Rinortner

In vierten Teil unserer Serie zur 19-Zoll-Technik geht es um die Backplane, auch oft als Rückwandplatine bezeichnet. Der Beitrag gibt einen Überblick zum Stand der Technik und geht auf die Historie ein.

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19-Zoll-Technik: 
In unserer Serie zu 19-Zoll-Systemen erläuern wir wichtige Grundbegriffe. In diesem Teil geht es um die Backplane.
19-Zoll-Technik: 
In unserer Serie zu 19-Zoll-Systemen erläuern wir wichtige Grundbegriffe. In diesem Teil geht es um die Backplane.
(Bild: Heitec)

Bestimmt haben Sie die vorangegangenen Teile unserer Serie gelesen und freuen sich auf weitere spannende Aspekte rund um das Thema 19-Zoll-Technik! In diesem vierten Teil beschäftigen wir uns mit der Backplane oder auch Rückwandplatine. Dabei handelt es sich um eine wichtige, aber oftmals unterschätzte Komponente des 19-Zoll-Systems.

Nun, was ist eine Backplane? Oberflächlich lässt sich diese Frage sehr schnell beantworten: Backplanes dienen vorhandenen und eingeschobenen Baugruppen als Verbund. In den meisten 19-Zoll-Systemen gibt es zahlreiche verschiedene Baugruppen.

Diese besitzen mehr oder weniger unterschiedliche Schnittstellen (beispielsweise Ports, Busse usw.), mit deren Hilfe die einzelnen Komponenten untereinander kommunizieren können. Das ist notwendig, um die einzelnen Bestandteile überhaupt im Verbund betreiben zu können. Diese wichtige Aufgabe übernimmt die Backplane.

19-Zoll-Systeme vor den Zeiten der Backplane

Früher kam die sogenannte Wire-Wrap-Technik (engl. für Wickeltechnik) zur Anwendung, um die einzelnen Komponenten innerhalb eines Systems zu verbinden. Die zu den Baugruppen passenden Gegenstecker wurden einzeln im 19-Zoll-Rack positioniert und eingeschraubt. Die Steckverbinder selbst weisen auf den Anschlussseiten deutlich längere Pins auf.

Das Profil der Pins ist rechteckig und besitzt scharfe Kanten. Für die notwendige Verbindung wird jeweils ein Drahtende um den ersten Kontakt gewickelt, die Leitung anschließend zwischen den Steckverbindern verlegt und das andere Drahtende um den zweiten Kontakt gewickelt.

Die scharfen Kanten sichern einen verlustarmen Kontakt, der dauerhaft gewährleistet werden kann. Es können sehr schnell Hunderte oder sogar Tausende einzelner Verbindungen zusammenkommen, abhängig davon, welches 19-Zoll-System genutzt wird. Auf der einen Seite ist diese Technik sehr flexibel und kann je nach Bedarf und Situation sehr schnell und einfach angepasst und verändert werden.

Aber natürlich ist dies durch die gerade beschriebene Art und Weise der Installation sehr aufwändig und nur in beschränktem Maße reproduzierbar. Der Aufbau ist aufgrund der Komplexität fehleranfällig und ist aus diesem Grund in den meisten Anwendungsgebieten seit Jahren veraltet.

Bild 1: Beim Vorläufer einer Backplane wurden notwendige Verbindungen mit der sogenannten Wire-Wrap-Technik hergestellt.
Bild 1: Beim Vorläufer einer Backplane wurden notwendige Verbindungen mit der sogenannten Wire-Wrap-Technik hergestellt.
(Bild: Heitec)

Zudem können Highspeed-Leitungen, wie sie beispielsweise bei Netzwerken oder SATA-Verbindungen nötig sind, mit dieser Technik nicht umgesetzt werden. Eine Ausnahme bilden die Verdrahtung von In-Circuit-Prüfadaptern und weiteren Prototypen oder aber Projekte mit sehr kleiner Stückzahl. Hier kommt die Wire-Wrap-Technik auch heute noch zum Tragen.

Überblick zum Stand der Technik bei Backplanes

Generell wird die Schnittstelle einer Backplane zum Baugruppenträger durch die Norm IEC-60297-3-104 beschrieben. Diese Norm beschreibt Abmessungen, Anschraubpunkte und weitere relevante Eckdaten der Backplane, die für das mechanische Zusammenspiel mit dem Baugruppenträger wichtig sind. Diese Norm hält zwar jede Menge Daten bereit, weitere Aussagen über die Backplane selbst wie Aufbau oder Verdrahtung werden jedoch nicht getroffen.

Bild 2: Beispiele von Backplanes – im Bild CPCI.
Bild 2: Beispiele von Backplanes – im Bild CPCI.
(Bild: Heitec)

Um eine Standardisierung bzw. eine einheitliche Festlegung zu erreichen, schlossen sich hunderte Firmen in Komitees zusammen. Die beiden für die 19-Zoll-Technik erwähnenswertesten Komitees sind wohl die PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) sowie die VITA (VMEbus International Trade Association). Diese beiden erarbeiteten unzählige Standards, von einigen haben Sie womöglich schon einmal gehört. CompactPCI, CompactPCI-Serial, AdvancedTCA und VME bis hin zu VPX sind nur einige unter vielen dieser Standards.

Jeder dieser Standards regelt ganz klar, welcher Steckverbinder wie zu verwenden ist. Des Weiteren ist z.B. das Pinout (d.h. welches Signal liegt am Steckverbinder auf welchem Kontakt und muss wohin verbunden werden) und viele andere Themen (Breite für eine Einschubkarte, Stromaufnahme etc.) festgelegt. Diesen Standards ist es auch zu verdanken, dass Hersteller Baugruppen entwickeln können, die mit annähernd jeder anderen 19-Zoll-Technik im Verbund auf Anhieb funktionieren.

Bild 3: Beispiele von Backplanes – CPCI-Serial.
Bild 3: Beispiele von Backplanes – CPCI-Serial.
(Bild: Heitec)

Dies ist am Ende auch der größte Vorteil und Kundennutzen. Der Kunde kauft passende Komponenten unterschiedlicher Hersteller und kombiniert diese zu einem lauffähigen System. Auf der anderen Seite profitiert die Entwicklungsfirma davon, dass nicht mehr für jedes Kundenprojekt komplett neue Komponenten entwickelt werden müssen. Hierfür kann aufgrund der Kompatibilität unter den Baugruppen der 19-Zoll-Technik auf bereits bestehende Hardware zurückgegriffen werden, was Kosten und Entwicklungszeiten deutlich reduziert.

Die Anforderungen an die Übertragungsraten zwischen den Komponenten steigen stetig an. Dies liegt nicht zuletzt an der Entwicklung immer leistungsfähigerer Komponenten, Baugruppen, Bussysteme und Schnittstellen (z.B. USB 3.1, SATA III, PCIe, 10-GBit-Netzwerk etc.) Dies beeinflusst in direkter Art und Weise die benötigten Bandbreiten und damit natürlich auch die Technologien innerhalb der Backplane. Übertragungsraten von bis zu 100 GBit/s haben in Telekommunikationssystemen heutzutage keinen Seltenheitswert mehr.

Wie wird die Backplane montiert?

Den hochpoligeren Steckverbindern und den damit verbundenen immer größeren Steck- und Ziehkräften ist es geschuldet, dass eine äußerst stabile Befestigung der Backplane im Baugruppenträger notwendig geworden ist. Daher wird die Backplane auf der Rückseite des Baugruppenträgers an den quer verlaufenden Verbindungsschienen festgeschraubt.

Bild 4: Backplane von der Rückseite in einen 19-Zoll-Baugruppenträger eingeschraubt.
Bild 4: Backplane von der Rückseite in einen 19-Zoll-Baugruppenträger eingeschraubt.
(Bild: Heitec)

Werden 19-Zoll-Systeme heute nicht mehr verdrahtet? Doch! Auch wenn die Backplanes (Standardausführung oder kundenspezifische Variante) einen Großteil der Verdrahtung verdrängt haben, besteht immer noch die Notwendigkeit einer Verdrahtung der zusätzlich benötigen Komponenten, die zur Stromversorgung bzw. der Lüftung dienen. Dazu werden beispielsweise Powerbackplanes passend zu den geplanten Netzteilen im Gehäuse installiert. Um diese mit Spannung zu versorgen, werden sie durch Leitungen oder Kabel mit der Backplane verbunden.

Aber auch diese Verbindungen werden nicht mehr mit der alten Wire-Wrap-Technik, sondern über bereits vorhandene Anschraubpunkte oder Steckverbinder realisiert. Dies ist zum einen kostengünstiger, zum anderen kann man somit zusätzliche Funktionen oder eben auch eine Spannungsversorgung ins System integrieren, ohne direkt eine neue Backplane entwickeln zu müssen.

Heitec deckt mit seinem Portfolio an Standard-Backplanes ein weites Anwendungsspektrum ab. Für jede Anforderung kann eine passende Backplane entweder aus dem Standard-Produktportfolio ausgewählt oder bei Bedarf von Grund auf neu entwickelt werden.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 14/2020 (Download PDF)

In unserer nächsten Episode beschäftigen wir uns mit dem Innenleben der Racks. Es werden die Fragen beantwortet, wie das Board in das System kommt, welche Führungsleisten es gibt, wie das mit den Steckverbindern funktioniert und noch einige interessante Themen mehr.

* Alexander Jäger arbeitet im Produktmanagement im Geschäftsgebiet Elektronik bei Heitec in Eckental.

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