Mehr Automatisierung bei geringerer Verlustleistung

Der Computer-On-Module Standard COM Express hat sich breit etabliert und ermöglicht einen zukunftssicheren Einstieg bei Anwendungen, die eine geringe Verlustleistung benötigen. Der neue Intel Atom Dual-Core Prozessor, mit einer TDP von nur 3,5Watt ist prädestiniert für das kompakte COM Express Modul mit dem neuen Pin Out Typ 6 und entspricht den immer komplexer werdenden Eintrittsanforderungen an Systeme der Automatisierungstechnik. Neben verbesserten grafischen Benutzer-Schnittstellen und erhöhter Performance soll das Computer-System weiterhin passiv gekühlt bleiben.
Für den kommerziellen Erfolg wesentlicher als die maximale Leistungsfähigkeit ist für neu zu entwickelnde Geräte, dass für die jeweilige Anwendung auch die im Preis/Leistungsverhältnis passende Hardwareplattform zur Verfügung steht. Für viele Anforderungen der Automatisierungstechnik sind hier auch schon kleinere Rechenleistungen von Dual-Thread oder Dual-Core Anwendungen ausreichend. Der wesentliche Schritt ist dabei die Integration der grafischen Benutzeroberfläche (HMI= Human Machine Interface). Hier kann mit einer Geräteintegration auf eine einheitliche Hardwareplattform über COMs schnell und einfach viel Geld gespart werden, ohne bei den Sicherheitsanforderungen Abstriche machen zu müssen.

Grafikleistung

Moderne Benutzeroberflächen mit grafischer Benutzerführung und kontextbezogenen Menüs, die sich an Vorbildern im Consumer-Markt orientieren, stellen eine Herausforderung für die Entwickler dar. Einerseits gilt es, sich mit moderner Technologie und Grafikleistung vom Wettbewerb abzusetzen, andererseits sind die klassischen Anforderungen wie passive Kühlung, langfristige Lieferfähigkeit und wettbewerbsfähige Preise damit oft nur schwer in Einklang zu bringen.

Hyperthreading

Die logische oder besser noch physikalische Trennung der Prozessor-Cores in ein deterministisches und hoch zuverlässiges (Echtzeit-) System einerseits und ein kostengünstiges, allgemeines System für Benutzerschnittstelle und Grafikoberfläche wie Windows oder Linux andererseits ist aktuell der häufigste Grund zum Umstieg auf ein Dual-Core System. Hier kann eine Automatisierungsapplikation auch dann ungestört weiter laufen, wenn sich z.B. eine Windows-Grafikapplikation mit Bluescreen verabschiedet und das Windows-System auf diesem Prozessorkern komplett neu gestartet werden muss. Für ein Multi-Processing mit getrennten Prozessen ist durch Hyper-Threading eine logische Aufteilung auf vier Threads der zwei physikalischen Prozessorkerne möglich. Die sicherheitskritische Anwendung kann dabei zum Beispiel über ein Echtzeitbetriebssystem auf einem separaten logischen Kern getrennt von der grafischen Benutzeroberfläche, die beispielsweise auf einem Windows Betriebssystem läuft, gehalten werden.

Kompakte 32nm Prozessor-Technologie

Als Folge der Miniaturisierung können Intel Atom basierende CPU-Boards und Module sehr klein sein, so dass sich diese einfach in mobile Anwendungen integrieren lassen. Zahlreiche Anwendungen, die bisher auf Basis von Mikrocontrollern aufgebaut wurden, können jetzt mit leistungsfähiger und leicht zu programmierender PC-Technik realisiert werden. Anwendungen, die bis gestern aufgrund der Größe und des Leistungsbedarfs nur stationär möglich waren, werden ab sofort mobil. Computer-On-Modules (COM), schnell und einfache zu integrierende PC Module, können ebenfalls von den reduzierten Abmessungen dieser Technologie profitieren.

Stromverbrauch

Der Platzbedarf eines mobilen Systems wird durch die Modul- bzw. Chip-Größe, aber auch durch seinen Stromverbrauch festgelegt. Die Anwendung selbst definiert in der Regel die Akkulaufzeit des Systems. So muss ein mobiles Endgerät, zum Beispiel ein tragbares Bedien-Panel, im harten Arbeitseinsatz mindestens für eine komplette Arbeitsschicht, also acht Stunden Betrieb, ausgelegt sein. Die geforderte Akkulaufzeit und der Strombedarf der Elektronik bestimmen also die Dimensionierung der Akkus. Die Akkugröße wiederum bestimmt die Größe und das Gewicht des Systems. Die Batterie-Technologien werden zwar auch ständig verbessert, doch das Verhältnis von Kapazität zu Gewicht verbessert sich nur in recht kleinen Schritten. Mit aktuellen Lithium-Akkus lassen sich ca. 100-150Wh/kg erreichen. Je geringer der Strombedarf des Systems ausfällt, desto kleiner und leichter kann eine Systemlösung konzipiert werden. Eine Einsparung der Verlustleistung um 15Watt bei einem Rechner, der für einen 8 Stunden Schichtbetrieb ausgelegt ist, kann zu einer Gewichtsreduzierung von mehr als einem Kilo führen. Der Zusammenhang zwischen Energieverbrauch und Gewicht/Größe des resultierenden Systems ist nahezu linear. Eine zusätzliche Gewichts-, Volumen- und Kostenreduzierung ergibt sich durch die kleinere Dimensionierung der Netzteil-Elektronik. Im Vergleich zu jüngeren Prozessoren und Chipsätzen für den mobilen Einsatz können bei gleicher Rechenleistung ca. 10 bis 15 Watt eingespart werden, werden ältere Systeme aktualisiert, kann die Einsparung der Verlustleistung teilweise um ein Vielfaches höher liegen. Der Leistungsbedarf eines kompletten Intel Atom Prozessor basierenden COMs liegt bei ca. 5Watt und ermöglicht es, Systeme mit nur einem Drittel des Gewichts bei gleicher Akkus-Laufzeit zu bauen.

Das COM Konzept

Die modularen COM Standards erlauben durch einen einfachen Wechsel von Modulen einen ebenso einfachen Wechsel auf neuere Prozessorgenerationen. Meist wird diese Funktion als ‚Upgradefähigkeit‘ bezeichnet. Doch auch die andere Richtung wird zunehmend wichtiger. ‚Downgrades‘ ermöglichen eine deutliche Reduzierung des Stromverbrauchs bei gleichbleibender, in Teilbereichen sogar verbesserter Rechenleistung. Damit wird die Batterielaufzeit bestehender Systeme um nennenswerte Faktoren verbessert. Durch die geringere Verlustleistung wird weniger Wärme erzeugt, was wiederum zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer führt, da die MTBF (Mean Time Between Failures) elektronischer Komponenten im erheblichen Maße von der Betriebstemperatur abhängt. Ein weiterer Vorteil ist die Senkung der Betriebskosten durch Einsparung elektrischer Energie. Eine Einsparung von ca. 20Watt pro Rechner bei einem rund um die Uhr betriebenen Automaten summiert sich auf rund 200kWh pro Jahr. Bei einem Strompreis von 30Cent können so jährlich mehr als 50Euro gespart werden. Vom Einsatz der Intel Atom Technologie profitieren also nicht nur die Betreiber, sondern vor allem auch unsere Umwelt. Zukünftig kann der ‚Performance pro Watt‘ Wert im Projekt den wichtigsten Kostenanteil ausmachen.

Das conga-TCA Modul

Abhängig von den Leistungsanforderungen im Steuerungs- und Automatisierungsbereich findet sich in der Welt der COM Express Module jetzt der passende stromsparende Dual-Core/Quad-Thread Prozessor Intel Atom N2600, 1.6GHz, TDP 3.5W und Intel Atom N2800, 1.86GHz, mit TDP 6.5W. Auf dem kompakten COM Express Modul nach Pin Out Typ6 der congatec AG bietet das COM bis zu 4 GByte schnellem Single-Channel DDR3-Speicher (1066 MHz). Das auf dem Intel NM10 basierende Chipsatz-Modul bietet Verbesserungen im Hinblick auf Speicher-, Grafik- und Display-Technologie sowie intelligente Performance und erweiterte Energieeffizienz. Durch die geringe Leistungsaufnahme und die kompakte Größe (95 x 95mm) ist das neue Modul sowohl für mobile wie auch kompakte Anwendungen in der Automatisierungstechnik geeignet. Ein ausgeklügeltes Verbrauchs- und Batteriemanagement ermöglichen lange Laufzeiten, ein wesentlicher Faktor zur Kosteneinsparung bei portablen Geräten. Das Highlight des COM Express Moduls ist die herausragende Grafikleistung des integrierten Intel Grafikchip GMA 3650, der mit 640MHz doppelt so schnell taktet wie die GPU der vorherigen Atom-Generation. Neben VGA und LVDS verfügt es über zwei digitale Display Interfaces, die jeweils für DisplayPort, HDMI oder DVI ausgeführt werden können und – im Gegensatz zu Typ 2 Modulen – jetzt nicht mehr gemultiplext sind. Fünf PCI Express x1 Lanes, zwei Sata 2.0 Schnittstellen, acht USB 2.0 Ports, optional zwei USB 3.0 Ports sowie eine Gigabit Ethernet-Schnittstelle ermöglichen schnelle und flexible Systemerweiterungen. Lüfterkontrolle, LPC-Bus für die einfache Anbindung von Legacy I/O Schnittstellen und das Intel High-Definition-Audio runden das Funktionsset ab. Das conga-TCA Modul ist mit der neuen Embedded Firmwarelösung UEFI ausgestattet. Der congatec Board-Controller stellt ein umfangreiches embedded PC Feature-Set zur Verfügung. Durch die Unabhängigkeit vom x86 Prozessor werden Funktionen wie System Monitoring oder auch der I²C Bus schneller und verlässlicher, selbst dann, wenn sich das System im Standby-Modus befindet. Ein passendes Evaluation-, ein kleines kompaktes Carrier Board so wie ein Starterkit für COM Express Typ 6 ist ebenfalls verfügbar.

COM Express Connector Pinout Typ 6

Der neue Typ 6 baut auf dem erfolgreichen Typ 2 auf und wird diesen auf lange Sicht ersetzen. An der AB Steckerreihe hat es kaum Veränderungen gegeben, es sind lediglich einige bisher reservierte Pins mit neuen Signalen für UART, FAN, Lid, Sleep und TPM belegt worden. An den Signalbelegungen des CD Steckers wurden zahlreiche grundlegende Änderungen vorgenommen. So wurden die alten parallelen Interfaces wie PCI Bus und IDE durch zahlreiche neue Schnittstellen ersetzt:
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3x DDI (Digital Display Interface)
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2x zusätzliche PCIe 2.0 Lanes
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4x USB 3.0 Interfaces
Obwohl USB 3.0 schon 2008 definiert wurde, beginnt die Umsetzung erst jetzt. USB 3.0 braucht zusätzliche Signale, um eine Erhöhung der Bandbreite auf 5 GBit/s zu erreichen. Pro Port werden zwei zusätzliche differenzielle Paare Superspeed-TX und RX benötigt. Statt bisher max. 500mA dürfen externe Geräte bei USB 3.0 bis zu 900mA Strom ziehen. Beim Type 6 können bis zu vier der acht USB Ports als USB 3.0 ausgeführt werden. Zusätzliche Ports können auf dem Carrier Board mit zusätzlichen Controllern realisiert werden.

Fazit:

Der Trend zu Dual-Core Systemen hält auch in Low Power Anwendungen der Embedded-Industrie an. Die Argumente sprechen für sich: Deutlich mehr Leistung bei deutlich geringerer Verlustleistung und höherer Integrationsdichte; der Vorteil des sicheren Konsolidierens von Gerätefunktionen einschließlich ihrer Legacy-Betriebssysteme ohne großen Portierungsaufwand; die kostensparende und betriebssichere Erweiterung von traditionellen Automatisierungssystemen mit leistungsfähigen grafischen Bedienschnittstellen (HMIs) durch den Einsatz von sicher gekapselten Dual-Core Systemen.

Kasten:

Bild 5 (#92752)