Skalierbarer Industrie-PC

NanoServer mit Intel-Atom, PCIe und SATA

10.11.2008 | Autor / Redakteur: Christian Lang* /

DSM Computer stellt sein erstes Embedded-System vor, das auf der Atom-CPU N270 basiert: Der skalierbare Industrie-PC integriert ein COM-Express-Modul und eignet sich für mobile Anwendungen in der industriellen Automatisierungstechnik, im Transport- und Logistikwesen, in Medizingeräten und in POS-/POI-Systemen.

Neben der Rechenleistung ist in den letzten Jahren zunehmend die Energieeffizienz von Embedded-Systemen in den Blickpunkt gerückt. Getrieben wird dieser Trend durch die wachsende Anzahl industrieller Applikationen, in denen lüfterlose Industrierechner mit entsprechender I/O-Performance realisiert werden. Ein geringer Stromverbrauch reduziert die Abwärme der Systeme und die Anforderungen an die Kühlkonzepte sinken.

Damit lassen sich komplett lüfterlose Designs in geschlossenen Gehäusen aufbauen. Dank des niedrigen Stromverbrauchs sind die Strom sparenden Embedded-PCs auch für mobile Anwendungen geeignet und ermöglichen eine, um das zwei- bis dreiFache, Verlängerung der Batterielebensdauer. So eröffnet sich für diese IPCs eine neue Palette an Anwendungen, die noch vor Monaten als unrealisierbar erschienen.

Eine Voraussetzung für die Entwicklung Strom sparender Embedded-Systeme ist Intels Atom-Prozessorarchitektur, die von den Leistungsdaten in neue Dimensionen vorgestoßen ist. Der Prozessor wird im 45-nm-Prozess gefertigt und ist im Small-Formfaktor-Gehäuse untergebracht. Der je nach Version entweder nur 13 mm × 14 mm oder 22 mm × 22 mm große Chip beansprucht wenig Platz auf der Leiterplatte und überzeugt durch seine geringe Verlustleistung.

Die Mehrheit der in letzter Zeit auf Basis des Atom vorgestellten Embedded-Plattformen integrieren eine CPU aus der Serie Z5xx und Intels System Controller Hub US15W. Die 2-Chip-Lösung überzeugt durch hohe Energieeffizienz, bietet jedoch nicht die breite Palette moderner Schnittstellen, die in der industriellen Automatisierungstechnik gefordert sind. So stehen nur zwei PCI Express Lanes zur Verfügung, von denen normalerweise einer schon für die GBit-LAN-Schnittstelle verwendet wird. Zusätzliche Interfaces wie weitere PCI Express Ports oder ein PCI Bus lassen sind nur über spezielle Bridge-Chips realisieren.

Lüfterlose Anwendungen profitieren

Eine Lösung bietet die Kombination aus Atom N270, der Northbridge 82945GME und der ICH7-Southbridge. Der 82945GME-Chipsatz bietet die für die Industrie wichtigen Schnittstellen, z.B. PCI Express ×16 für externe Highend-Grafikkarten und eine Dual-DVI/LVDS-Schnittstelle. Über fünf PCI Express ×1 Lanes sind zusätzliche Systemerweiterungen möglich. Die Kombination von Atom-CPU und 945GME-Chipsatz ist sinnvoller, als CPU-Boards mit 945GC-Chipsatz, die die 8- bis 9-fache Verlustleistung des Prozessors aufweisen.

Der Atom N270 wird mit einer Frequenz von 1,6 GHz getaktet und hat mit einer Thermal Design Power (TDP) von 2,5 W einen niedrigen Energieverbrauch. Die komplette 3-Chip-Lösung weist eine theoretische Verlustleistung von 12,6 W auf. Damit lassen sich viele Fanless-Anwendungen realisieren, in denen bislang meist teure LV-/ULV-Prozessoren zum Einsatz kamen. Die N270-CPU unterstützt Intels Enhanced-SpeedStep-Technologie. Dank integriertem Hyper-Threading können mehrere Threads zur gleichen Zeit in einem Single Core abgearbeitet werden.

Bild 1: Kundenspezifisch entwickeltes Baseboard mit Strom sparendem COM-Express-Modul
Bild 1: Kundenspezifisch entwickeltes Baseboard mit Strom sparendem COM-Express-Modul

Die Vorteile der hohen Energieeffizienz der Atom-Prozessortechnik und die damit verbundenen geringeren Systemkosten nutzt DSM im Embedded-PC-NanoServer E3-COM aus. Die industrietauglichen Rechner kommen als verteilte und unabhängige Client-Server z.B. als Steuerungseinheit, Messwert- oder Kommunikationsserver zum Einsatz. Die Basis bildet ein dafür entwickeltes COM Express Baseboard im Mini-ITX-Format mit einem auf der N270-CPU und dem 82945GME-Chipsatz basierenden COM-Express-Modul. Damit setzt DSM auf die Zukunftssicherheit des PICMG-Standards COM Express, der die lange Verfügbarkeit der auf Intels Embedded Roadmap stehenden Komponenten sicherstellt. Das Baseboard und das CPU-Modul werden in Deutschland gefertigt.

Das COM-Express-Modul weist einen kleinen Formfaktor von 125 mm × 95 mm (Basic-Format) auf; die Schnittstellen lassen sich über das individuelle Carrier Board genau dort ausführen, wo sie im Gehäusedesign gewünscht sind. Deshalb müssen die externen Anschlüsse im Gehäuse nicht aufwändig verkabelt werden. COM Express definiert über die beiden Pin-out-Spezifikationen Typ 1 und 2 alle für den Industrieeinsatz relevanten Spezifikationen wie PCI Express, PCI, PEG, USB 2.0, GBit-Ethernet und SATA. Der COM-Express-Steckverbinder bietet eine hohe Stoß- und Vibrationsfestigkeit sowie eine gute EMV.

Schnittstellen- und Peripherieausstattung

Der NanoServer E3-COM ist in einem Industriegehäuse mit den Abmessungen 220 mm × 220 mm × 110 mm untergebracht. An Schnittstellen sind vier USB 2.0 Ports für den flexiblen Anschluss unterschiedlicher Peripheriegeräte und schnelles GBit-Ethernet vorhanden. Vier weitere USB 2.0 Ports sind auf dem Baseboard vorgesehen und können bei Bedarf herausgeführt werden.

Die gewünschte Audiofunktionalität lässt sich über das High-Definition- oder das AC‘97-Audio-Interface sicherstellen. Eine PCI Express ×1 Lane sowie ein PCI- (3,3/5 V) und ein MiniPCI-Bus komplettieren das Angebot. Zusätzliche Schnittstellen lassen sich über das I/O Shield des Embedded-Systems kundenspezifisch realisieren.

Erweiterbare Grafik und Energiesparmodus

Durch den im 945-Chipsatz integrierten Graphics Media Accelerator 950 bietet der IPC 3-D-Grafikeigenschaften. Der VGA-Speicher weist eine Kapazität von 224 MByte (shared) auf. Die interne Grafik unterstützt Dual Independent Displays. Bei Bedarf lässt sich die Grafikleistung über den PCI Express Graphics (PEG) Port erweitern. Neben VGA-, DVI-D- und LVDS ist ein Backlight-Interface ausgeführt. Damit lässt sich die Intensität der Hintergrundbeleuchtung eines LCD-Anzeigemoduls steuern.

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Digitale Signale

Zur Datenspeicherung findet im PC-Gehäuse eine robuste 2,5"-HDD Platz, die für den Temperaturbereich von —20 bis 75 °C geeignet ist und damit auch bei niedrigen Außentemperaturen zuverlässig arbeitet. Die robuste 80-GByte-HDD kann rund um die Uhr ohne Unterbrechung laufen, wobei eine MTBF von 750.000 h erreicht wird. Optional ist der Anschluss einer Disk-on-Modul oder einer Compact Flash Card möglich.

Der E3-COM läuft unter Windows XP (Embedded). Auf dem COM-Express-Modul ist das „TrustedCore“-BIOS von Phoenix Technologies implementiert, das Sicherheitsfunktionen entsprechend der Trusted Computing Group (TCG) enthält. Damit lässt sich das Kopieren und Verändern des kundeneigenen Knowhows verhindern. Zur Optimierung des BIOS hat DSM vollen Zugriff auf den Phoenix-Quellcode. Zusätzlich integriert das COM das Trusted Platform Module TPM 1.2 SLB 9635 von Infineon.

Für Applikationen, die eine sehr hohe Rechenleistung erfordern, bietet DSM den NanoServer E3 auch mit Intels Core2-Duo-Prozessor L7400 an. Dieses System lässt sich dann sogar im erweiterten Betriebstemperaturbereich von —10 bis 50 °C betreiben.

*Christian Lang ist Marketingleiter bei DSM Computer, München.

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