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Embedded Computer & Boards für Industrie Applikationen

Die Trends für den Anwender kommen oftmals aus den Consumerbereichen. Dazu gehört nicht nur eine komfortable und verlässliche Bedienbarkeit sondern auch immer leistungsfähigere Embeddedembedded boards 370x200 Systeme um die Schnittstelle Mensch-Maschine optimal zu unterstützen. Intelligente Bildschirmlösungen, ob in mobilen oder stationären Einsatzbereichen verlangen nach kundenspezifischen Lösungen. Wir bieten Ihnen komplette Smart Panel Lösungen nach Ihren Anforderungen und Wünschen im Industriedesign. Langfristige Verfügbarkeit und Produktstabilität sind natürlich garantiert.

 

Hersteller

 

Toradex 220x61

 

Unsere Leistung

 Wir unterstützen Sie bei Ihrem technischen Design-In von Embedded Computern
 Nutzen Sie unsere Expertise bei Ihrer Baseboard Entwicklung
 Auf Wunsch assistieren wir bei der Produktqualifikation

 

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Wichtige Auswahlkriterien für Embedded Computer

In welcher Anwendung und Umgebung soll der Embedded Computer zum Einsatz kommen?

 

Für die Auswahl der richtigen Embedded Hardware ist es wichtig die Anwendung genau zu kennen.

  • Was soll das System leisten und wo ist der Einsatzort?
  • Mobil, stationär, in- oder outdoor?
  • Steht die Peripherie fest?

Nicht nur Umwelteinflüsse wie Temperaturbereich und Feuchtigkeit spielen hier eine große Rolle. Auch Anforderungen zu EMV, elektrischer Sicherheit, Schock und Vibration sollten vorab in einer Produktspezifikation genau definiert sein.

Welcher Typ des Embedded Computers soll verwendet werden?

 

Es sind verschiedene Arten von Embedded Computern verfügbar.

  • Kann ein kompletter Panel- oder Box PC eingesetzt werden oder wird auf ein vorhandenes Computermodul (CoM) zurückgegriffen?
  • Was sollte bei der Auswahl des Moduls und bei der Entwicklung des entsprechenden Base- oder Carrierboards beachtet werden?
  • Welche Stückzahlen sind zu erwarten?
  • Lohnt sich eventuell eine kundenspezifische Eigenentwicklung auf Basis eines SBCs (Single Board Computers)?

Die Architektur des Embedded Comupters ist abhängig vom Prozessor

 

Die Architektur eines Embedded Systems richtet sich nach dem verwendeten Prozessor und der damit verbundenen Befehlssätze. Am häufigsten vertreten sind hier x86 und ARM. Beide Varianten gibt es als Single oder Multicore (Dual oder Quad Core) Prozessoren. Homogene Strukturen verwenden den gleichen Kern mehrmals, während heterogene Systeme auf unterschiedliche Kerne zurückgreifen. Hier wird zum Beispiel ein Hauptprozessor für die Datenverarbeitung verwendet, während ein Nebenprozessor unter einem anderen Betriebssystem sicherheitsrelevante Zugriffe erlaubt oder steuert.

Welches Betriebssystem soll es sein?

 

Viele bekannte Betriebssysteme sind auch als Embedded Variante verfügbar. Die Wahl des richtigen Betriebssystems (OS) hängt hauptsächlich von der Applikation und der Rechenplattform ab. Während Windows Embedded Standard eher für leistungsstarke x86 Systeme ausgerichtet ist läuft Windows Embedded CE in kleineren Modulen auf x86 und ARM. Da Linux modular aufgebaut ist kann es beinahe auf jedem Rechner laufen, allerdings erschweren viele Distributionen (z.B. Ubuntu und Yocto) die Auswahl. Auch Android basiert auf einem Linux Kernel und wurde primär für mobile Geräte wie Handys und Tablets entwickelt. Echtzeitbetriebssysteme (z.B. QNX und eCos) verfügen über ein berechenbares Zeitverhalten und wurden unter anderem speziell für sicherheitsrelevante Anwendungen geschrieben.
Zumeist installiert der Anwender das Betriebssystem selbst, Hersteller wie z.B. Toradex verkaufen ihre Module mit bereits vorinstalliertem OS. Embedded Hardware Hersteller bieten unter anderem BSPs (Board Support Packages) und APIs an (Schnittstellen zur Anwenderprogrammierung). Embedded Systemhäuser regeln die Lizensierung oder leisten Unterstützung bei einer Treiberentwicklung.

Wieviel Platz steht zur Verfügung?

 

Der Platz, den Sie für den Embedded Computer zur Verfügung haben, bestimmt primär den Formfaktor des Main- oder Baseboards. Auf dem Markt erhältlich sind standardisierte Bauformen (z.B. ATX oder ITX) mit Vorgaben für Abmessungen, maximalen Bauhöhen und definierten Befestigungslöchern. Bei Computermodulen unterscheidet man zwischen herstellerspezifischen (z.B. Colibri und Apalis) und standardisierten Systemen (z.B. QSeven) mit definierten Vorgaben für Funktion und Belegung der Schnittstellen. Für die Standardisierung bilden Embedded Hersteller gemeinsame Gremien, wie zum Beispiel die SGET (Standardization Group for Embeddded Technologies).

Schnittstellen zur Anbindung

 

Welche Schnittstellen werden benötigt? Wie werden sie optimal angeordnet? Hier ist die Anzahl der Stecker sowie die Art der Peripherieanbindung entscheidend. Die Kommunikation nach außen spielt schon in der Entwicklungsphase eine große Rolle (z.B. Debug Terminal). Gewünscht sind Touch Panel (z.B. P-CAP Technologie) und Displayanbindungen (z.B. LVDS und eDP) für immer höhere Auflösungen. Auch High-Speed Datenschnittstellen (z.B. PCI Express, SATA, Ethernet, USB 3.0) stellen hohe Anforderungen an Entflechtung und Leiterplattenaufbau. Bitte beachten Sie auch eventuell benötigte Steckplätze für Speicherkarten (z.B. SD, mSATA und CFast) und Adaptern wie Funkschnittstellen (z.B. Mini PCIe WI-FI Card).

Wieviel Speicher braucht man?

 

Während bei Industrie PCs häufig noch mit Speicherriegeln (Arbeitsspeicher, z.B. DDR3) und externen Festplatten (z.B. HD und SSD) gearbeitet wird, findet man auf Computermodulen integrierte RAM-Bausteine und nicht flüchtigen Flashspeicher in NOR oder NAND Technologie. Zusätzliche Speicherkarten finden auf dem Baseboard Platz. Eine Festplatte hat eine Kapazität von > 1 TB, eine SD-Karte circa 64 GB und eine mSATA ist verfügbar von 4 GB bis 512 GB. Als Arbeitsspeicher kann man zwischen Bandbreiten von 128Mbyte bis zu 16 GByte wählen.

Leistung, Wärme, Strom sparen

 

Wichtig für ein gelungenes Design sind besonders auch Powermanagement und Wärmekonzept.

  • Möchte man nicht auf einen anfälligen und lauten Lüfter verzichten?
  • Reicht ein passiver Heatsink aus?
  • Habe ich ein thermisch abgeschlossenes System?
  • Muss es unbedingt ein high Performance Quad Core sein?
  • Wie reduziere ich wirksam die Verlustleistung trotz meiner Anforderungen an den Prozessor?

Embedded Systeme können mit verschiedenen Spannungen betrieben werden. Mobile Applikationen benötigen ein intelligentes Powermanagement in Bezug auf Akkumulatortyp und Ladetechnik. Ist ein stromsparender Standby Modus geplant? Was sollte hierzu bei der Entwicklung des Baseboards beachtet werden? Standard sind einzelne (single) oder doppelte (dual) Versorgungsspannungen mit 12Vdc bzw. 24Vdc und einer 10% Eingangstoleranz. Aber auch Wechselspannungen, ATX-Netzteile und Weitbereicheingänge sind gefragt.

Je nach Anwendungsfall hat man die Wahl zwischen verschiedenen Temperaturbereichen. In der Regel handelt es sich hier um die optimale Betriebstemperatur (Operating Temperature) der Elektronik selbst. Häufig wird auch der Lagertemperaturbereich angegeben. Ein Prozessor oder ein Spannungsregler überwacht seine Betriebstemperatur um einer thermischen Zerstörung entgegen zu wirken. Maßgebend ist hier nicht nur die Umgebungstemperatur (Ambient Temperature) sondern auch die Eigenverlustleistung und das thermische Gesamtkonzept eines Gerätes.

Erweiterte Temperaturbereiche bedeuten erhöhte Kosten für Bauteile und Elektronik. Betriebstemperaturbereiche sind in der Regel wie folgt definiert:

  • Handelsüblich (Commercial) 0 bis +60°C
  • Industrie (Industrial) -40 bis + 85°C
  • Automobil (Automotive) -40 bis + 125°C

Graphics Processing Unit für Video, 2D und 3D

 

Für Multimedia Anwendungen verfügen moderne Prozessorsysteme über eine 2D und 3D Hardware Grafikbeschleunigung mit mehreren GPUs (Graphics Processing Unit). Somit wird eine multiple Videoausgabe mit unterschiedlichen Bildschirminhalten, hohen Auflösungen und Bildwiederholraten möglich ohne den Hauptprozessor zu überlasten. Integrierte Dekoderblöcke ermöglichen die Ein- und Ausgabe von digitalen Videosignalen im Seriell- oder Parallelbetrieb. Für analoge Videoschnittstellen werden in der Regel Zusatzmodule benötigt (Add on Boards) oder man bestückt die Videodekoder direkt mit auf dem Baseboard. Das gleiche gilt auch für Audiodekoder (z.B. HDA und I2S) und Leistungsverstärker.

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