Alles für Embedded Anwendungen

Alles für Embedded Anwendungen Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH Industriestraße 2 75228 Ispringen Tel. +49 (0) 7231/801-0 www.rutronik.com Immer kürzere technologische Entwicklungsschritte, ein wachsender Einfluss durch den Consumermarkt und die Umsetzung der Industrie 4.0 beeinflussen derzeit die Entwicklungen im Embedded Markt. Dies gilt es bei der Auswahl der Kernkomponenten Board, Speicher und Display sowie der Wireless-Anbindung zu beachten. Die grundlegende Entscheidung bei der Auswahl eines Boards ist die zwischen einer kompletten Eigenentwicklung und einem Baseboard mit Aufsteckmodul. Bei kundespezifischen Designs spielen vor allem die Größe und Komplexität der Applikationen eine Rolle, außerdem die Position, Anzahl und Typen der Steckverbinder sowie spezifische Anschlüsse, die das Design des Komplettsystems aufnehmen und die Kabelführung vereinfachen. Hinzu kommen hochkomplexe Anforderungen an die Prozessortechnologie und deren Leistungsfähigkeit. Damit einher gehen spezielle Schnittstellen oder anforderungsabhängige Spannungsversorgungen, die ebenfalls für das Anforderungsprofil optimiert werden müssen. Auch wenn solche hochspezialisierten Boards kostenoptimiert entwickelt werden können, sind diese Zeit-, Know-how- und kostenintensiv. Zudem erfordern sie zahlreiche Hilfsmittel, von der PCB-Design Software bis zu Mess- und Analysegeräten und Debugging Tools. Das macht eine Eigenentwicklung erst ab einer Stückzahl von mehreren Tausend wirtschaftlich sinnvoll. Modulbasierende Designs zeichnen sich durch eine kürzere Time-to- Market und eine Verfügbarkeit von 7-10 Jahren aus. Sie ermöglichen einfache Upgrades durch einen Wechsel des Moduls, das auf dem Kunden-Baseboard zum Einsatz kommt. Die Entwicklung des Baseboards wird vom Modulhersteller durch Design-In Support und Hilfestellung auf Layout-Ebene unterstützt. Damit vereint dieser Ansatz höchste Flexibilität mit diversen Variationsmöglichkeiten. 1

Zudem stellt er deutlich geringere Anforderungen an das Design als eine komplette Eigenentwicklung, da die meisten kritischen Systeme mit dem Modul abgeschlossen sind. Gängige Schnittstellen wie Ethernet, USB, UARTs, u.v.m. lassen sich mit geringem Aufwand umsetzen. Modulbasierende Lösungen stehen als x86 oder ARM Lösung zur Wahl. x86 Module sind auf Basis von COM Express oder Qseven sehr verbreitet, im ARM Bereich gibt es die Standards Qseven und SMARC mit unterschiedlichen Setups, Board Support Packages und Treibern. Ein breites Angebot an Standard-Modulen ist über den gesamten Verfügbarkeitsraum der jeweiligen Chipsätze mit hoher Flexibilität an Up- und Downgrade Möglichkeiten verfügbar. Die x86 Typen sind innerhalb eines Standards herstellerübergreifend pinkompatibel. Bei den ARM Modulen sind die Familien innerhalb eines Standards mechanisch kompatibel, der Softwaresupport variiert von Hersteller zu Hersteller jedoch stark. Nur wenige SOCs sind langzeitverfügbar, was die Flexibilität verglichen mit x86-lösungen deutlich einschränkt. Neben Standardlösungen sind viele proprietäre ARM basierende Module auf dem Markt. Auch sie bieten dank Up- und Downgrade- Möglichkeiten eine gewisse Flexibilität, die Kompatibilität ist jedoch stark eingeschränkt. Spezialisierte Hersteller für das professionelle Segment bieten Lösungen für die Industrie mit BSPs und Treibern für die meisten Embedded Betriebssysteme sowie Unterstützung bei Hard- und Softwaredesigns. Flash Speicher für industrielle Anwendungen Ursprünglich für Consumer-Anwendungen konzipiert, halten Flash Speicher zunehmend auch in industriellen Anwendungen Einzug. Dies ist nicht verwunderlich, denn sie bieten einige Pluspunkte: Sie lagern Daten ohne Versorgungsspannung für lange Zeit und benötigen im Betrieb extrem wenig Leistung. Sie sind sehr klein, robust und arbeiten lautlos. Zudem bieten sie sehr kurze Zugriffszeiten beim Lesen von Daten. Flash Speicher werden von sämtlichen aktuell gängigen Schnittstellen unterstützt. 2

Auf der Minusseite steht die limitierte Lebensdauer durch eine begrenzte Anzahl von Schreib/Löschzyklen sowie ein relativ hoher Preis pro Gigabyte verglichen mit den Kosten für Festplatten. Davon abgesehen findet man jedoch keine bessere bezahlbare Speichertechnologie. Wer Flash Speicher in industrielle Applikationen einsetzt, sollte unbedingt auf eine Fixed Bill of Material (Fixed BoM) und das Product Change Notification (PCN) Handling des Herstellers achten. Wenn sich die BoM mit einer neuen Speicherkarten-Charge plötzlich ändert, kann die Karte in der Applikation aufgrund von Inkompatibilität komplett ausfallen. Dies ist nicht nur Theorie: Fast alle Hersteller ändern kurzfristig ihre BoM ohne dies bekannt zu geben oder zu kennzeichnen. Hersteller wie Swissbit und Apacer aus dem RUTRONIK EMBEDDED Portfolio hingegen bieten spezielle industrielle Flash Produkte mit einer 100% Fixed BoM. Gibt es doch Änderungen, werden Rutronik Kunden durch den PCN Prozess rechtzeitig informiert und haben so ausreichend Zeit, um die geänderte Karte in ihrer Applikation zu testen und gegebenenfalls Alternativen zu evaluieren. PCAP Touch im industriellen Umfeld Ähnlich wie Flash Speicher kommen auch Touchscreens aus dem Consumermarkt in das industrielle Umfeld. Doch eignen sie sich für jede Applikation? Soll die Bedienung auch mit dicken Handschuhen gewährleistet sein, sind resistive Touchscreens derzeit ohne Alternative. Sie lassen sich schnell und einfach auf dem Display integrieren. Ihre Oberfläche besteht in der Regel aus einer Folie, die empfindlich gegenüber Kratzern ist. Kostenintensivere Glas/Glas Varianten bieten hier eine gewisse Robustheit, sie sind jedoch empfindlich gegenüber Stößen. Aktuell finden sich 3

in der Industrie meist die einfachsten Vier-Draht Varianten. Sie lassen nur eine gewisse Anzahl von Touchzyklen zu, mehr Zyklen ermöglichen Fünf-Draht Modelle. Sie müssen auch nur einmalig kalibriert werden und haben eine höhere Genauigkeit. Sind Multitouch oder Gestenerkennung gefordert, muss es ein PCAP Touchscreen sein. Dieser kann auch durch Schutz- oder Coverglas bedient werden, so dass die Applikation geschützt ist und auch mit aggressiven Desinfektions- und Reinigungsmitteln gesäubert werden kann. Das Schutzglas erlaubt zudem die Integration des Touch-Displays in ein Gehäuse ohne Schmutzkanten. Es kann mattiert sein, um Spiegelungen zu verringern, mit einer Anti Fingerprint Oberfläche ist es unempfindlicher gegen Fingerabdrücke. Verschiedene Größen, Formen und Hinterdruckungen des Coverglases bieten außerdem zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten. Bei allen Designüberlegungen sollte jedoch die Funktionalität im Vordergrund stehen. Denn verschiedene Materialien werden unterschiedlich gut von dem PCAP Sensor durchdrungen. Die beste Durchdringungsfähigkeit hat Glas. Aufgrund der Splittergefahr wird z.b. in der Lebensmittelindustrie gerne auf Polycarbonat oder Acrylglas zurückgegriffen. Eine schlechte Durchdringung weist Luft auf, deshalb sind Spalten zwischen Touch-Sensor und Covermaterial zu vermeiden, z.b. durch Optical Bonding. Dies ist relativ kostenintensiv, doch es bietet einige Vorteile: Lichtbrechungen an den Übergängen der verschiedenen Materialien werden weitgehend vermieden, so dass das Display auch bei Sonnenlicht gut ablesbar ist. Die gesamte Einheit wird robuster, da die vollflächige Verklebung einem Verbundglas ähnelt, und es können sich keine Partikel, Staub oder Kondenswasser zwischen den Schichten ansammeln. 4

Grundvoraussetzung für die Funktionsweise des PCAP ist ein durchdachtes Massekonzept, da dieser störanfällig gegenüber elektrischen Feldern ist. Hierbei ist auch das Gehäuse mit zu berücksichtigen, damit Störungen von außen nicht zu Fehlauslösungen, einer Verschiebung der Koordinaten oder gar zu nicht reagierenden Bereichen auf der Touchoberfläche führen. Anbindung an das Internet Im Rahmen der Industrie 4.0 wird eine Internetverbindung für viele industrielle Anwendungen unabdingbar. WLAN Router, Mobilfunk Basisstationen oder Smartphones stellen diese her. Für die letzte Wegstrecke zwischen einem solchen Internet- Gateway und dem Endprodukt stehen zahlreiche Funktechnologien zur Auswahl. Bluetooth Smart (auch Bluetooth LE (Low Energy)) im 2.4 GHz Frequenzband punktet vor allem mit der standardmäßigen Ausrüstung der meisten Smartphones und Tablets, die somit als Internet-Gateway fungieren können. Verglichen mit klassischem Bluetooth koppelt es zwei Geräte deutlich schneller, zudem hat es einen erheblich niedrigeren Energieverbrauch. Anders als bei klassischem Bluetooth sind keine Applikationsprofile vorgegeben, dadurch lässt sich der Energieverbrauch zusätzlich reduzieren. Dies begrenzt jedoch auch die Datenmengen, die verschickt bzw. empfangen werden können. Ein kritischer Punkt ist auch die Überbrückung von Distanzen über 10-20m. Klassisches Bluetooth überbrückt Reichweiten bis zu 100-500m Sichtlinie und überträgt auch größere Datenmengen. Hierfür schreibt es eine Vielzahl von Standard-Protokollen vor. Dies vereinfacht die Implementierung der Funktechnologie, erlaubt jedoch keine individuellen Profile und damit keine Reduzierung 5

des Energieverbrauchs. Hinsichtlich der Topologie gibt es (noch) keine Unterschiede, beide Bluetooth Varianten können für Punkt zu Punkt und sternförmige Topologien genutzt werden. WiFi bietet den Vorteil, dass es neben dem 2.4GHz auch das 5GHz Frequenzband nutzen kann. Dadurch lassen sich Datenübertragungsraten von über 1GBit/s (IEEE 802.11ac) erzielen; werden gleichzeitig mehrere Antennen genutzt, sind theoretisch bis zu 6.933 MBit/s möglich. Auch wenn sich diese in der Praxis nicht erreichen lassen, da Hindernisse die Datenrate reduzieren und sie unter den Teilnehmern im gleichen Netzwerk geteilt wird, liegt sie bei WiFi immer noch um ein Vielfaches über den ca. 1-3 Mbit/s des klassischen Bluetooth. Bei der Reichweite verhalten sich WiFi Lösungen ähnlich den klassischen Bluetooth Lösungen (Klasse 1 mit Verstärker), die mit einer zugelassenen Ausgangsleistung von bis zu +18dBm bis +20dBm senden. Nachteilig ist auch bei WiFi der höhere Energieverbrauch. Ein Minus teilen Bluetooth Smart, klassisches Bluetooth und WiFi: Sie nutzen das 2.4GHz Band. Dies ist extrem frequentiert und somit störungsanfällig, zudem verringern Hindernisse seine Reichweite stark. Eine Alternative bieten proprietäre Lösungen, die auf einem SubGHz Band laufen, wo bei gleicher Sendeleistung deutlich höhere Reichweiten erzielet werden. Außerdem steht ein 500mW Kanal für Entfernungen bis ca. 16km zur Verfügung. Sie ermöglichen zudem Maschennetzwerke, in denen die Teilnehmer auch untereinander kommunizieren können. Damit gewinnt das System an Stabilität. Der Pferdefuß: Um die Informationen einer SubGHz Lösung in die Cloud zu bringen, ist ein Gateway nötig, das sich z.b. über WiFi oder einen Mobilfunkstandard mit dem Internet verbindet. Man kann hier also nicht auf ein Standard- 6

Gateway, wie Smartphone, Tablet oder WLAN-Router zugreifen. Weniger verbreitet, aber nicht außer Acht zu lassen, sind ZigBee und ANT. Beide laufen im 2.4GHz Frequenzband und sind auf das Verschicken sehr kleiner Datenmengen ausgelegt. Ihre Reichweite ist in urbanen Gegenden und innerhalb von Gebäuden nicht sehr groß, dafür punktet ANT mit einem sehr geringen Energieverbrauch. Bei ZigBee muss hier zwischen den verschiedenen Rollen Coordinator, Router und Endpoints unterschieden werden. An den Endpunkten ist die Energieaufnahme sehr gering, die Coordinator und Router verbrauchen mehr Strom. Sowohl ANT als auch ZigBee erlauben den Aufbau einer Maschentopologie und damit stabile Netzwerke. ANT ist inzwischen standardmäßig in Smartphones integriert, so dass kein kundenspezifisches Internet-Gateway nötig ist, wie es bei ZigBee der Fall ist. Für viele Unternehmen sind zudem die Lizenzierungskosten für die Nutzung von Bluetooth Smart oder klassischem Bluetooth von rund 8000USD pro Endgeräteversion ein Hindernis. Hier bietet ANT eine exzellente Alternative. Alle Komponenten und Support aus einer Hand Die Unterstützung von Embedded Systemen erfordert von einem Distributor nicht nur profunde Markt- und Technologiekenntnis, sondern auch ein Portfolio spezifischer Lösungen. Hier genügt es nicht, die aktuellsten Produkte oder High-Runner zu empfehlen, vielmehr sind die am besten zur Anwendung passenden Produkte entscheidend. Ihre Abstimmung darf nicht allein auf dem Matching von Parametern beruhen, sondern sollte auch die Erfahrung mit Technologien und Anbietern einbeziehen. Nur dann kann der Kunde sicher sein, dass die Komponenten für lange Zeit zuverlässig miteinander funktionieren. 7

Entsprechende Hardware, Software und Services für die Realisierung von Embedded Systemen hat Rutronik unter Rutronik EMBEDDED gebündelt. Dabei fokussiert Rutronik auf langjährige Partnerschaften mit verlässlichen Herstellern, die die Anforderungen aus der Industrie verstanden haben und passende Lösungen entwickeln. Die Boards, Displays, Storage und Wireless Komponenten sind optimiert auf Anforderungen wie Robustheit, Langzeitverfügbarkeit und ein hoher Integrationsgrad. Best-fit Kitlösungen sorgen für eine schnelle Time-to-Market. Das breite Portfolio wird getragen vom Know- How der Embedded Spezialisten aus allen Produktbereichen. Sie sorgen dafür, die Entwicklungszeit des Kunden zu verkürzen und die Projekte möglichst schnell und unkompliziert zur Serienreife zu bringen. 8