Kontron S&T AG

System-on-Modules sind kompakt und bringen trotzdem viel Power für Anwendungen in Industrie, Handel oder Medizin.

Bild: iStock, skynesher

System-on-Modules Starke Prozessoren auf kleinstem Raum

15.06.2020

Mit der voranschreitenden Digitalisierung und Verbreitung von IoT-Anwendungen nimmt auch die Bedeutung von System-on-Modules zu. Die kostengünstigen Embedded-Computing-Bausteine bilden die Grundlage für individuelle Board- und Applikationsentwicklungen vor allem im Bereich der Human Machine Interfaces, aber auch in der Automatisierung und Robotik, Medizintechnik, PoS/PoI und IoT.

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Dem Bedarf an einer weiteren Miniaturisierung und Leistungssteigerung steht der Wunsch nach Kostenoptimierung und einer einfacheren Fertigung gegenüber. Vor diesem Hintergrund haben mehrere Hersteller, darunter auch Kontron, im Rahmen der Standardization Group for Embedded Technologies (SGET) einen neuen Standard für gelötete System-on-Modules entwickelt. Die finale Spezifikation für den „Open Standard Module“-Standard wird voraussichtlich im zweiten Quartal 2020 verabschiedet.

Der OSM-Standard ist für direkt auflötbare Module ohne Steckverbindungen ausgelegt, die sich vollständig maschinell fertigen lassen. Gegenüber den standardisierten Computer-on-Modules (COM), die häufig einen gewissen mechanischen und manuellen Aufwand erfordern, lassen sich mit OSM sowohl das Handling als auch die Bestückung und das Testen optimieren.

Das Ziel des „Open Standard Module“ (OSM) ist, die heutige Vielfalt an herstellerspezifischen Modulen zu normieren hinsichtlich Baugrößen, Pin-Belegung, Schnittstellen, Kühllösungen sowie Verlustleistung. Der OSM-Standard sieht vier aufeinander aufbauende Modulformate zur Skalierung von Funktionalität und I/Os vor. Die Abmessungen umfassen 15 mm x 30 mm, 30 mm x 30 mm, 45 mm x 30 mm und 45 mm x 45 mm. OSM ermöglicht die Entwicklung und Herstellung von System-on-Modules für die gängigsten Prozessorarchitekturen wie MCU32, ARM und x86.

Leistungsstarker, kompakter Modulbaustein

Bei einem SoM handelt es sich in der Regel um einen kleinen, aber vollwertigen Industrierechner, der die relevanten Funktionseinheiten wie Mikroprozessor, Arbeitsspeicher (RAM und Flash) und Stromversorgung, teilweise aber auch mit weiterem Funktionsumfang, auf einer kompakten Leiterplatte integriert. Die physikalischen Konnektoren, über die Peripheriegeräte angeschlossen werden können, werden auf einem Träger-Board untergebracht. Die Kapselung der Kernfunktionalitäten auf dem System-on-Module ermöglicht hohe Leistungsfähigkeit bei kompakten Abmessungen sowie kostengünstiger Fertigung.

Ein SoM wird üblicherweise auf die Trägerplatine aufgelötet oder gesteckt. Die System-on-Modules von Kontron werden aufgelötet, wodurch die Stecker auf dem Modul und dem darunter liegenden Baseboard wegfallen. Die Kommunikationsschnittstellen sind über Kontakt-Pads an der Unterseite des Moduls angeschlossen.

Einer der Vorteile von System-on-Modules liegt darin, dass sich die Komplexität beim Lagenaufbau des Baseboards reduzieren lässt. Dies schlägt sich in den Entwicklungs- und Stückkosten nieder. Von diesem Kostenvorteil profitiert man vor allem bei einer relativ großen Differenz in den Größen von SoM-Leiterplatte und Träger-Board.

Bei einem SoM hat man in der Regel eine acht- oder zehnlagige Leiterplatte in einer kleinen Größe. Diese lässt sich wiederum auf ein größeres, aber deutlich einfacheres und damit günstigeres Träger-Board mit einer geringeren Lagenzahl setzen.

Kurze Entwicklungszeiten und geringes Risiko

System-on-Modules mit leistungsstarken, neuesten Prozessoren auf kleinstem Raum bieten Unternehmen die Möglichkeit, neue Produktgenerationen schneller in den Markt zu bringen. Sie vereinfachen die Entwicklung komplexer, kundenspezifischer Board-Architekturen und bilden damit die ideale Grundlage für individuelle Board-Designs.

Einer Eigenentwicklung eines kompletten Embedded-Boards mit integrierter CPU steht in der Regel die hohe Komplexität verbunden mit den entsprechend langen Entwicklungszeiten entgegen. Bei Kontron erhält der Kunde ein fertig entwickeltes, vollständig betriebsbereites System-on-Module. Anspruchsvolle Design- und Layout-Aufgaben sind bereits gelöst, beispielsweise das Pin-Multiplexing oder das komplexe Routing beim Anschluss von DDR3- oder DDR4-RAMs.

Der Kunde kann auf eine erprobte Komponente zurückgreifen, die in jeglicher Hinsicht optimiert ist. Damit lässt sich das Entwicklungsrisiko minimieren und die Produkteinführungszeit deutlich beschleunigen. Das Unternehmen übernimmt neben der Entwicklungsverantwortung auch die Produktpflege. Wird beispielsweise ein Speicherbaustein abgekündigt, ersetzt Kontron diesen automatisch. Die Langzeitverfügbarkeit der Module beträgt in der Regel zehn Jahre.

Baseboards einfach entwickeln

Auf Basis des System-on-Modules können Unternehmen ihr eigenes Baseboard entwickeln. Bei Bedarf steht Kontron hier unterstützend zur Seite oder übernimmt alternativ die komplette Entwicklung.

Die Baseboards des Unternehmens umfassen neben dem SoM ein Standard-Peripherie-Set mit einer Vielzahl von Schnittstellen, in der Regel USB, Ethernet, CAN, SD-Karten-Interface, Display-Interface, Touch-Interface sowie Audio- und Programmierschnittstelle. Mit den Baseboards lassen sich auch in einem Proof-of-Concept Applikationen erproben, um in einem nächsten Schritt über das Design des Boards und den passenden Prozessor zu entscheiden. Rechen- und Speicherleistung sind je nach Bedarf skalierbar.

HMI, Web-Panels oder IoT-Gateways

Mit den umfangreichen Schnittstellen eignen sich die System-on-Modules für eine Vielzahl von Anwendungen in Industrie, Automation, Medizintechnik, PoS/PoI sowie für IoT und Industrie 4.0. In Kombination mit Displays und wahlweise mit Gehäuse lassen sich hochwertige HMI und Multitouch-Panels in unterschiedlichen Größen realisieren. Ein weiterer Schwerpunkt sind IoT-Gateways.

Ein Beispiel für den Einsatz von System-on-Modules mit Displays sind Kaffeeautomaten mit Touchscreens. Kontron zeichnet sich hier für das Display, die Steuerelektronik, die Schnittstelle zu den Bezahlsystemen und das Datenlogging verantwortlich. Künftig wird noch eine Gateway-Funktionalität integriert sein, sodass auch Betreiber von Kaffeeautomaten von den Vorteilen der Fernwartung profitieren können. So können Servicearbeiten bei tatsächlichem Bedarf ausgeführt werden.

Eine weiteres Anwendungsfeld sind hochwertige Glas-Touch-Bedienfelder, die besonderen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, wie etwa in Backstationen in Supermärkten oder bei Bäckereisystemen in Großbäckereien, wo hohe Temperaturen und Luftfeuchtigkeit sowie extreme Staubbelastung herrschen. Sowohl die Elektronik als auch die Software müssen speziell auf diese Bedingungen zugeschnitten sein. Kontron will die erforderliche Lösungskompetenz beisteuern, um die individuellen Kundenanforderungen abzubilden.

Die System-on-Modules des Unternehmens kommen zudem in Touch-Displays zum Einsatz, wie sie beispielsweise in Wasserhandling-Anlagen oder Entkalkungsgeräten in Privathaushalten genutzt werden. Die Anbindung zum Unternehmens-Server und zum Service-Smartphone ermöglicht es den Betreibern dieser langlebigen Geräte, neue digitale Geschäftsmodelle zu initiieren, bei geringen Stückkosten für das SoM.

Neue System-on-Modules

Die System-on-Modules von Kontron basieren auf den modernsten, leistungsfähigsten Prozessorarchitekturen. Nachdem Kontron 2019 als einer der ersten Hersteller ein SoM mit dem STM32MP157 Prozessor von STMicroelectronics auf den Markt gebracht hat, steht jetzt mit dem SL i.MX8M Mini ein SoM mit dem High-Performance-Prozessor i.MX8M Mini von NXP zur Verfügung. Für beide Module bietet das Unternehmen auch entsprechende Baseboards an. Zukünftige System-on-Modules werden dann unter anderem auf Basis des neuen OSM-Standards entwickelt.

Das neue SoM SL i.MX8M Mini basiert auf den Prozessortechnologien Arm Cortex-A53 und Arm Cortex-M4 für Real-Time-Anwendungen beziehungsweise Steuerungsaufgaben sowie der Speichertechnologie LPDDR4. Das kompakte Modul bietet eine hohe Performance für rechenintensive Applikationen, anspruchsvolle 3D-Visualisierungen und verfügt über umfangreiche Kommunikationsschnittstellen sowie ein modernes DSI-Interface als Display-Schnittstelle. Je nach Variante ist es mit bis zu 1,6 GHz getaktet.

In Verbindung mit dem Linux Board Support Package und einer komplett konfigurierten Open-Source-Entwicklungsumgebung ist das SL i.MX8M Mini sofort einsetzbar. Das System kann auch als Starter-Kit geliefert werden, um den Prozessor zu erproben. Als erstes SoM von Kontron bietet es zudem die Möglichkeit, alternativ zu einem Linux-Betriebssystem auch Microsoft Windows 10 IoT Core zu verwenden.

Vorteile von Systems-on-Modules

  • einfache, kostengünstige Entwicklung von Embedded-­Lösungen mit individuellen Board-Designs

  • Anwendungen in Industrie, Automation, Medizintechnik, PoS/PoI, IoT und Industrie 4.0

  • skalierbare Modulbauweise oder Baukastenprinzip

  • minimiertes Design-Risiko und sehr verkürzte Time-to-Market

  • vollständig betriebsbereit mit Linux oder Microsoft Windows 10 IoT Core

Open Standard Module (OSM)

Im Oktober 2019 haben sich die Unternhmen Kontron, Iesy und F&E Electronic Systems zusammengeschlossen und gründeten die Standardisierungsgruppe SDT.05, um einen neuen Formfaktor für Auflötmodule zu definieren. Inzwischen sind 13 weitere Unternehmen an der Entwicklung des „Open Standard Module“-Standards beteiligt.

Mit der Veröffentlichung des Release Candidate 1.2 konnten bereits im Februar 2020 Grundlagen für erste Produkt-Designs vorgestellt werden, voraussichtlich im zweiten Quartal 2020 wird der Standard von der Standardization Group for Embedded Technologies (SGET) final verabschiedet.

Bildergalerie

  • Das SoM SL i.MX8M Mini ist aufgrund des High-Performance-Prozessors i.MX8M Mini Quad Core 1,6 GHz und LPDDR4-Speichers eine kostengünstige Grundlage für individuelle Board- und Applikationsentwicklungen.

    Bild: Kontron

  • Das SoM auf Basis des STM32MP157-Prozessors ist eine leistungsfähige, kompakte und kostengünstige Grundlage für individuelle Board-Designs.

    Bild: Kontron

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