CPU-Boards PC/104-Systemintegration

Autor / Redakteur: Wolfgang Heinz-Fischer* / Holger Heller

Die PC/104-Technik ist zwar in die Jahre gekommen, hat aber immer noch ihren festen Platz in industriellen Anwendungen und Steuerungen. Heute unterstützen mehr als 100 Board-Hersteller den Standard und bieten für fast jede Anwendung eine Lösung. Der Vorteil liegt in der kompakten Baugröße, die bisher von keiner anderen Plattform erreicht wurde und der Vielzahl von Erweiterungsboards.

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Bei der Systemintegration stößt die Baugröße leistungsfähigerer Prozessorlösungen heute zunehmend an ihre Grenzen. Aber gerade die neuen Prozessorgenerationen bieten Chancen für neue Applikationen, die speziell in industriellen Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an die Betriebsparameter gefordert sind. Dabei sind die Stückzahlen meist nicht so groß und eine optimale Systemintegration ist oft sehr aufwändig und damit teuer. Welche Möglichkeiten bieten sich für eine optimale Systemintegration bei gleichzeitig hoher Flexibilität und damit günstigen Preisen?

Industrielle Anwendungen und der Einsatz in Fahrzeugen oder im Außenbereich stellen spezielle Anforderungen an die Systemintegration. Hierzu zählen extreme Umgebungsbedingen wie hohe oder niedrige Temperaturen, hohe Feuchtigkeit oder elektromagnetische Störeinflüsse. Hohe Vibrationen und Schockbelastungen stellen besondere Anforderungen an die mechanische Zuverlässigkeit. Da der Ausfall bei industriellen Systemen u.a. zu hohen Kosten oder Risiken führen kann, z.B. in einem Kraftwerk, müssen die Systeme unter diesen besonderen Bedingen hochzuverlässig sein und höchste Ausfallsicherheit bieten.

Dabei können die Anforderungen je nach Einsatzgebiet sehr unterschiedlich sein: In einem Fahrzeug sind z.B. bei der Steuerung und Überwachung von Kameras, des Navigations- und Fahrkartensystems die Anforderungen bezüglich hoher Vibration sehr wichtig, ein extremer Temperaturbereich jedoch eher unwichtig. Bei einem Einsatz in einem unbemannten Luftfahrzeug für militärische Zwecke kann die extreme Temperatur jedoch entscheidend sein. All diese Punkte sind bei der Systemintegration zu berücksichtigen und zu realisieren.

Systemintegrationsprozess

Was ist bei der Systemintegration zu beachten? Am Anfang steht die Auswahl der entsprechenden PC/104-Boards. Es liegt in der PC/104-Systematik, dass jede Lösung ein unterschiedlich hoher PC/104-Stapel sein kann. Dadurch wird die Suche nach einem passenden Gehäuse im Vergleich zu anderen Plattform Lösungen nicht erleichtert und die Anzahl der möglichen Anbieter ist auch entsprechend klein. Ab einer ausreichenden Stückzahl ist es natürlich denkbar, ein anwendungsspezifisches Gehäuse zu entwerfen, was jedoch einen wesentlich höheren Integrationsaufwand bedeutet.

Zur mechanischen Anpassung gehört auch das Herausführen der entsprechenden Schnittstellen und die damit verbundene Verkabelung. Bei PC/104-Systemen kann dies ein erheblicher Aufwand sein und einen großen Anteil der Systemgesamtkosten einnehmen. Und auch hier ist jedes System etwas anders aufgebaut, so dass eine Standardisierung kaum möglich ist. Ein weitaus größeres Problem bei der Systemintegration stellen die höheren Leistungen heutiger Prozessorgenerationen dar. Gerade diese wachsende Leistungsdichte auf dem PC/104-Board macht diesen Formfaktor interessant für viele Anwendungen.

Systemintegrationsprozess bei der Erstellung eines PC/104-Gesamtsystems (Archiv: Vogel Business Media)

Eine gängige Lösung ist, das CPU-Board als oberstes Board des PC/104-Stapels zu platzieren und damit den Prozessor frei zugänglich für entsprechende Kühllösungen zu haben (siehe Bild). Ganz wesentlich für die Zuverlässigkeit eines Systems für raue Industrieumgebungen ist die Stoß- und Vibrationssicherheit. Einerseits helfen bestimmte konstruktive Maßnahmen die Vorgaben zu erfüllen, eine endgültige Aussage liefert jedoch nur ein Stoß- und Vibrationstest mit dem Gesamtsystem. Auch für die Aussage zur EMI und Gerätesicherheit müssen entsprechende Tests durchgeführt werden. Erst dann ist ein System komplett und für den Einsatz bereit. Eine optimale Systemintegration ist mit diesen Schritten nur für entsprechend große Stückzahlen machbar. Ein einzelnes System oder kleine Stückzahlen würden einen zu hohen Systempreis nach sich ziehen und sind in aller Regel nur eine Kompromisslösung.

Die richtige Verpackung: ARK-4000

Advantech bietet mit der ARK-4000-Familie einen neuen Lösungsansatz. Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Methode werden viele Prozessschritte doppelt ausgeführt und erhöhen damit automatisch die Gesamtsystemkosten. So testet der Boardhersteller das Board auf thermische Gegebenheiten und entwickelt entsprechende Konzepte zur Kühlung. Auf der mechanischen Seite werden seitens des Herstellers Vorkehrungen getroffen, dass das Board auch in entsprechenden rauen Industrieumgebungen eingesetzt werden kann und u.U. auch im erweiterten Temperaturbereich funktioniert.

Neuer Verpackungsansatz bei der ARK-4000-Familie von Advantech (Archiv: Vogel Business Media)

All diese Kenntnisse der Basisboardentwicklung fließen bei Advantech in die Konzepte der ARK-4000-Familie ein und reduzieren dadurch die zusätzlichen Systemkosten (siehe Bild). Der modulare Aufbau erlaubt eine schnelle Anpassung an andere Konfigurationen und reduziert damit weiter die Kosten. Ein Standardgehäuse für bis zu zwei PC/104-Boards bildet die Basis des Systems. Mit jedem weiteren Mechanikmodul können zwei weitere PC/104-Boards integriert werden. Die Schnittstellen werden über frontseitige und rückseitige I/O-Boards realisiert. Damit kann einerseits das Standard-Mechanikmodul eingesetzt werden und mit einer kleinen Änderung des I/O-Boards kann das System an die Kundenspezifischen Anforderungen angepasst werden.

Die interne Verkabelung vereinfacht sich dadurch erheblich, da nicht mehr einzelne Stecker ins Gehäuse geschraubt werden müssen sondern ganze Kabelgruppen vorgefertigt werden können. Auch ein nachträglicher Umbau ist ohne großen Aufwand möglich. Der entscheidende Vorteil liegt jedoch im thermischen Konzept. Je höher die Rechenleistung desto eher schränkt ein großer Kühlkörper die maximal mögliche Rechenleistung des Systems ein.

Aufwändige und teure Speziallösungen entfallen

Integrierter Kühlkörper im ARK-4000-System: Wärmeverluste werden über die gesamte Gehäuseoberfläche verteilt (Archiv: Vogel Business Media)

Anders beim ARK-4000 System: der Kühlkörper hat keinerlei Einschränkung bezüglich der Wärmeverlustleistung, da die Leistung/Wärme über die gesamte Gehäuseoberfläche verteilt wird. Damit sind auch höhere Rechenleistungen in einem PC/104 System zu realisieren. Eine Anpassung an spezielle CPU Boards ist so schnell möglich. Es muss nur eine optimale mechanisch-thermische Adaption über den Kühlkörper erfolgen, das restliche thermische Modell bleibt erhalten. Da bereits bei der Boardentwicklung thermische Modelle erarbeitet werden, ist die Integration und die Übertragung auf das ARK-4000-Gesamtsystem einfach möglich (siehe Bild).

Das Standard-Mechanikmodul bleibt erhalten, eine aufwändige und teure Speziallösung ist nicht erforderlich. Da darin alles untergebracht ist, können Erfahrungen im Bereich Stoß und Vibration einfach übernommen werden. Ein Stoß- und Vibrationstest ist nicht mehr nötig. Damit ist das ARK-4000-System eine einfache und sichere Methode zur PC/104-Systemintegration. Zur Advantech-ARK-Familie zählen zusätzlich die Familie ARK-1000 (ETX-Systemintegration), ARK-3000 (3,5"-Biscuit-Systemintegration) und ARK-5000 (Slot-CPU-Systemintegration), die alle nach der gleichen Philosophie entwickelt wurden. Generell erfüllen alle Advantech-Produkte, so auch die ARK-Familien, die Anforderung nach langfristiger Verfügbarkeit.

*Wolfgang Heinz-Fischer ist European Marketing Director bei Advantech in Feldkirchen/München.

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