Totgesagte leben länger - PC/104-Single-Board-Computer fürs IoT

Basis für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) im Internet der Dinge sind häufig autarke Kleinrechner. So erfassen etwa PC/104-Single-Board-Computer mithilfe von Sensoren Umgebungswerte, bereiten sie auf und stellen die Ergebnisse ins Netz. Der seit langem bewährte Standard für Industriecomputer erfreut sich auch im IoT-Zeitalter weiterhin großer Beliebtheit.

Fachartikel von
Thomas Schrefel (Produktmanager Embedded bei der FORTEC) und
Julian Aparicio (Embedded Europe Produkt Sales Manager bei Advantech)

Unzählige Applikationen sind auf Basis der PC-kompatiblen, steckbaren PC/104-Module realisiert worden. Viele davon basieren auf dem über Jahrzehnte bewährten ISA-Bus. Und die Nachfrage nach den kompakten Rechensystemen mit der robusten Schnittstelle ist ungebrochen.

Mit einer Grundfläche von in der Regel 90 mm x 96 mm zählt PC/104 nach wie vor zu den kompaktesten Bauformen für Single Board Computer (SBC) mit kleinem Formfaktor (Small Form Factor, SFF). Und zu den flexibelsten: Bis zu fünf Erweiterungs-Boards lassen sich platzsparend auf oder unter die zentrale SBC-Platine stecken und per Schraubverbindung fixieren. Daher sind PC/104-CPU-Module besonders robust gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen. Ein weiterer Vorteil ist die revisionsfreie Kompatibilität der über die Jahre eingesetzten Bussysteme.

Das flexible Konzept mit langzeitverfügbaren Baugruppen macht PC/104-CPU-Module weiterhin attraktiv. Daher sind diese Lösungen heute noch in vielen vertikalen Marktsegmenten zu finden. Speziell in Bereichen mit hohen Anforderungen an die Langzeitverfügbarkeit und Robustheit – zum Beispiel in der Medizin- und Messtechnik, im Transport- und Verkehrswesen oder in der Automatisierungstechnik. Hinzu kommen vermehrt neue Bereiche wie Robotik oder Fahrzeugsteuerung. Hier steht oft auch die Frage nach einer weitgehenden Individualisierung des Produktes im Vordergrund, etwa über ungewöhnliche Ein- und Ausgänge, COM-Schnittstellen und Digital-I/Os.

 

Aktuelles PC/104-CPU-Modul mit ISA-Unterstützung

Viele Unternehmen, die PC/104-Systeme seit langem einsetzen, haben mit erheblichem Aufwand eigene ISA-Bus I/O-Module für oft individuelle, proprietäre Anwendungen entwickelt. Diese wollen sie in vielen Fällen auch weiterhin nutzen. Doch was ist, wenn das bislang eingesetzte CPU-Modul zum Beispiel aufgrund eines Defekts ausgetauscht werden muss? Außerdem gibt es selbst in den beständigsten Produktpaletten renommierter Anbieter Positionswechsel – etwa, weil bestimmte Komponenten nicht länger verfügbar sind. PC/104-CPU-Module mit aktuellen Prozessoren, Chipsätzen und ISA-Kompatibilität zu finden, ist daher nicht ganz einfach. Andererseits ist es für Anwender häufig keine Option, die entwickelte Schaltung als ISA-Bus basiertes I/O Modul für eine aktuelle Schnittstelle umzudesignen.

In diesem Fall hilft es, wenn sich Hersteller frühzeitig um ein fundiertes, transparentes End-of-Life-Management (EOL) kümmern. Darüber können die Kunden rechtzeitig Ersatz für abgekündigte Produkte evaluieren. Beispiel Advantech: Beim Embedded-Spezialisten ersetzt das Intel Bay-Trail-Board PCM-3365 das abgekündigte PCM-3362 mit Intels Luna-Pier-Plattform (Bild 1).

Das neue CPU-Modul basiert auf dem PC/104-Plus-Standard und ist wahlweise mit reinem ISA- und/oder PCI-Erweiterungsbus (PC/104 beziehungsweise PCI-104) bestückbar. Die eingesetzten Prozessoren stammen aus der Bay-Trail-Reihe: Intel Atom E3825/E3845 oder Intel Celeron N2930. Obwohl die neuen Prozessorgenerationen ISA und PCI nicht nativ unterstützen, lassen sich beide Bussysteme auf dem PC/104-CPU-Modul umsetzen. Für den ISA-Bus kommt dabei der LPC-Bus zum Einsatz, ein serialisierter ISA-Bus mit beschränktem DMA-Zugriff. Der PCI-Bus wird hingegen über einen PCIe/PCI-Bridge-Chip umgesetzt.

Wichtig für Anwender der neuen Lösung ist, dass die PC/104-Bus-Performance mindestens auf dem Niveau des Vorgängers liegt. Das konnte Advantech mit internen Leistungstests nachweisen. Somit lässt sich das alte PC/104-CPU-Modul einfach gegen das neue Modell tauschen, ohne Abstriche in der Leistungsfähigkeit machen zu müssen.

Die schock- und vibrationsbeständige Lösung basiert auf ausgewählten Industriekomponenten und ist langzeitverfügbar. Besonders wichtig für den Einsatz in rauen Anwendungsumgebungen: Alle Bauteile inklusive der E3800-CPU-Familie sind für den erweiterten Temperaturbereich ausgelegt. Dadurch ist ein problemloser Betrieb von -40 bis +85 Grad Celsius garantiert. Speicherhungrigen Anwendungen stehen maximal 8 GB Arbeitsspeicher zur Verfügung. Zusätzlich bietet FORTEC die Möglichkeit, das Modul kundenspezifisch anzupassen. So sind zum Beispiel Varianten mit 16, 32 oder 64 GB Onboard-Flash, angepassten Kabeln oder Heatspreader realisierbar. Der Heatspreader führt Wärme vom Prozessor direkt ans Gehäuse (Conduction Cooling) ab und ermöglicht so einen optimalen konvektiven Wärmetransport.

Die Intel HD-Grafik basiert auf der Intel Graphic Engine der 7. Generation und unterstützt DirectX 11, Open GL 3.2 sowie Open CL 1.1. Zusätzlich ist sie in der Lage H.264, MPEG2/4, VC-1 sowie WMV9 zu dekodieren, beim Enkodieren wird hardwareseitig H.264 sowie MPEG2 unterstützt. Die Bildausgabe erfolgt wahlweise per VGA mit bis zu 2.560 x 1.600 Pixeln bei 60 Hz, per 24-Bit-Dual-LVDS mit bis zu 1.920 x 1.200 bei 60 Hz oder per HDMI/DVI. Multi-Display-Betrieb ist in den Kombinationen VGA + LVDS, VGA + HDMI/DVI, HDMI/DVI + LVDS möglich. Über zahlreiche Schnittstellen wie Ethernet 10/100/1000 Mbps, RS-232/422/485, 2x RS-232, 6x USB 2.0, 1x SMBus,1x GPIO (8-bit), SATA sowie mSATA stellt das PCM-3365 umfassende Konnektivität bereit.

 

Spezialist für anspruchsvolle Umgebungen

Ursprüngliche Intention bei der Entwicklung der PC/104-Spezifikation war es, einen Standard für kompakte, widerstandsfähige Embedded-PCs zu schaffen, die auch in rauen Umgebungen zuverlässig funktionieren. Systeme, die beispielsweise in Bahn- oder Fahrzeug-Applikationen zum Einsatz kommen, müssen sowohl permanente Vibrationen aushalten als auch gegen Feuchtigkeits- und Fremdstoffeinflüsse, Korrosion und Oxidation geschützt sein.

Advantech beschichtet seine Embedded-PC-Platinen im Rahmen seiner Ruggedized Services auf Wunsch mit einer Schutzlackierung. Diese hält zum Beispiel Kondenswasser von elektrisch leitfähigen Bereichen fern, verhindert Kriechströme und schützt Schaltkreise und Bauteile vor direktem Kontakt und damit vor Abrieb und Kurzschlüssen. Darüber hinaus führt Advantech aufwendige Vibrationstests durch, die dynamische Belastungen durch willkürliche Vibrationen innerhalb eines festgelegten Frequenzbereichs erzeugen. Produkte, die die harten Schwingungsprüfungen bestehen, sind für den zuverlässigen Einsatz unter realen Einsatzbedingungen geeignet. Die Ruggedized Services stehen auch für das PCM-3365 zur Verfügung.

PC/104-Alternative PicoITX wächst schnell

Falls der ISA- oder PCI-Bus für die eigene Applikation obsolet geworden ist und nun ein flexibler SBC mit besonders vielfältiger Konnektivität gefragt ist, bietet sich der 2,5-Zoll-Single-Board-Computer im picoITX-Format MIO-2360 von Advantech an (Bild 2). Hier ist Multiple Input Output – eben MIO – keine Worthülse, sondern Programm.

Der mit den neuesten Intel Atom- und Celeron-Prozessoren (Codename Apollo Lake) ausgestattete SBC verfügt über Anschlüsse für USB 3.0 und USB 2.0, Gigabit-Ethernet, LVDS, VGA, HDMI und High Definition Audio. Weiterhin stehen zwei COM-Ports, SMBus, ein GPIO-, ein SATA und ein mSATA-Steckplatz halber Breite sowie ein miniPCIe-Steckplatz mit voller Breite zur Verfügung.

Eine Besonderheit des MIO-2360 ist der von Advantech entwickelte MIO-Extension-Port: Auf Highspeed-Sockets basierend, ermöglicht die Schnittstelle sehr flexible und performante I/O-Optionen. Advantech bietet ein breites Spektrum sofort nutzbarer MIOe-Erweiterungsmodule mit Schnittstellen wie DisplayPort, PCIe, LPC, SMBus, USB 3.0/2.0 sowie Audio-Line-out an. Darüber hinaus können Systementwickler und -Integratoren MIOe-Erweiterungsmodule an kundenspezifische Anforderungen anpassen. Dadurch lassen sich ihre Systeme einfach und schnell auf den Bedarf vertikaler Märkte abstimmen. Da auch die Stromversorgung der Erweiterung über den Bus sichergestellt ist, können Systeme entwickelt werden, die bei gleicher Funktion bis zu ein Fünftel weniger Platz als herkömmliche Lösungen beanspruchen. Das MIO-2360-Board ist voraussichtlich ab dem ersten Quartal 2017 verfügbar.

 

Lösungen für das IoT und Industrie 4.0

Beim PC/104-CPU-Modul PCM-3365 beziehungsweise dem 2,5-Zoll-picoITX-Single-Board-Computer MIO-2360 handelt es sich um komplette PCs, die nur aus einer Platine bestehen und sich daher leicht in kundenspezifische Applikationen integrieren lassen. Solche kompakten Rechner können beispielsweise mithilfe von Sensoren ausgesuchte Umgebungswerte erfassen, diese aufbereiten und die gewonnenen Daten über das Internet für die weitere Nutzung und Verarbeitung bereitstellen. Eine mögliche Anwendung ist das visuelle Überwachen und Steuern einer Fertigungsanlage. Im System könnte ein UMTS- oder WLAN-Modul die Anbindung an das Internet per Mobilfunk übernehmen – zum Beispiel eine 3G/4G-miniPCIe-Karte.

Eng mit dieser Entwicklung verzahnt ist das Thema Industrie 4.0. Auch hier wachsen die Disziplinen Sensorik, Datenaufbereitung und Datenverarbeitung, Datenausgabe, Aktorik, Konnektivität und IT-Sicherheit zusammen. Durch eine permanente, intelligente Abstimmung lassen sich beispielsweise Produktionsprozesse und Lieferketten optimieren, Verkehrsprobleme entschärfen und vieles mehr. Voraussetzung ist hier wie dort, dass Geräte und Systeme internetfähig sind und digitale Daten verarbeiten können. Basis dafür sind häufig autarke Klein- und Kleinstrechner – wie eben die vorgestellten Module PCM-3365 oder MIO-2360.

Die Geschichte von PC/104

Der ursprüngliche PC/104-Standard basiert auf der PC-Industrial-Standard-Architektur (ISA). Ende der 1980er Jahre entwickelt, verabschiedete das PC/104-Konsortium – der Name ist abgeleitet von „Personal Computer“ und der Zahl der Anschluss-Pins des ISA-Modulsteckers – bereits 1992 die erste Version des Standards. Darin sind die Modulgröße, die Lage möglicher Erweiterungsanschlüsse und das PIN-Out des ISA-kompatiblen PC/104-Steckers festgelegt. Am Formfaktor hat sich bis heute nichts geändert: Die Module mit einer Leiterplattengröße von 90 × 96 mm² können direkt übereinander gesteckt werden. Eine Busrückwand (Backplane) ist somit überflüssig. Ebenso lassen sich PC/104-CPU-Module auf Trägerplatinen aufstecken. Als Prozessoren  werden in der Regel x86-CPUs eingesetzt. Über die Jahre sind beständig immer leistungsfähigere PC-Komponenten auf den Markt gekommen. Außerdem stieg der Bedarf an Konnektivität. Daher wurde der PC/104-Standard kontinuierlich angepasst und beispielsweise mit einem schnelleren Bussystem ausgestattet. So hielt 1997 der PCI-Bus als PC/104-Plus Einzug in den Standard. Dem 104-poligen ISA-Bus-Stecker stand damit ein 120-poliger Sockel für den PCI-Bus zur Seite. 2003 folgte PCI-104.

 

 

 

ECK-DATEN


Das Intel-Bay-Trail-Board Advantech PCM-3365 folgt auf das abgekündigte PCM-3362 – und bietet ebenfalls volle ISA- und PCI-Unterstützung. Wichtig für Anwender der neuen Lösung ist, dass die PC/104-Bus-Performanz mindestens auf dem Niveau des Vorgängers liegt. Zusätzlich bietet FORTEC die Möglichkeit, das Modul kundenspezifisch anzupassen. So sind zum Beispiel Varianten mit 16, 32 oder 64 GB Onboard-Flash, angepassten Kabeln oder modifizierten Kühllösungen realisierbar. Das PicoITX-Board MIO-2360 von Advantech wiederum bietet sich als Alternative für PC/104 an – wenn ISA und PCI nicht benötigt werden.