CPU-Modul speziell für Transportation

Flexible Info-Zentrale im Stadtbus

Neben den weit verbreiteten ETX-, COM Express- und Qseven-Baugruppen bietet die MSC Vertriebs GmbH ihre im eigenen Hause entwickelte, standardisierte Embedded-Modulfamilie EXM32 an, die besonders für raue Umgebungen ausgelegt ist. Die CoMs sind für den erweiterten Temperaturbereich spezifiziert, besonders stoß-, schock- und vibrationsfest und erfüllen die Automotive-Spezifikation DIN EN 60068. Der Artikel beschreibt den Einsatz mehrerer EXM32- Module in hochauflösenden Anzeige- und intelligenten Kassensystemen in öffentlichen Fahrzeugen.

Speziell für anspruchsvolle Umweltumgebungen hat die MSC Vertriebs GmbH im eigenen Hause den System-On-Module- Standard EXM32 entwickelt (Bild 1). Seit knapp zwei Jahren ist die Spezifikation offen gelegt, um allen interessierten Unternehmen die Möglichkeit zu bieten, ebenfalls auf EXM32 basierende Produkte zu entwickeln und zu vertreiben. Damit wird der bereits etablierte Standard einem noch größeren Anwender- und Herstellerkreis zugänglich gemacht.
Um den Einstieg in den EXM32-Standard zu erleichtern, sind unter der Webseite www.EXM32.org alle wichtigen Informationen, die zur Entwicklung neuer Produkte benötigt werden, zusammengefasst. Neben der „EXM32 CPU Module Design Specification“ ist dort auch ein „EXM32 Baseboard Design Guide“ zum Download hinterlegt.

Bild 1: Die EXM32-Module von MSC sind besonders für raue Betriebsumgebungen ausgelegt.

Robuster Aufbau

Die robusten EXM32-Module sind speziell für Anwendungen in der Industrie oder in Fahrzeugen ausgelegt und für den erweiterten Temperaturbereich von – 40 bis + 85 °C spezifiziert. Gerade in Automotive- Anwendungen ist es nicht möglich, den Temperaturbereich in engen Grenzen zu halten. Die Funktion der Module darf bei Minustemperaturen aber auch bei großer Hitze nicht ausfallen.

Ein weiterer Pluspunkt der Baugruppen EXM32 ist ihre hohe Stoß-, Schock- und Vibrationsfestigkeit, die den Einsatz in der Fahrzeugindustrie erst möglich macht. Besonders wichtig ist auch die Unempfindlichkeit der Module gegen Kondensation von Wasser, die eine besondere Steckertechnologie erfordert. Die EXM32- CoMs erfüllen die Automotive-Spezifikation DIN EN 60068 (Environmental Conditions for Electrical and Electronic Equipment for Road Vehicles).

Bild 2: Die Verbindung zwischen EXM32-Modul und Basisboard mittels Elastomer-Kontaktstreifen.

Dank ihrer robusten und erschütterungsfreien Elastomer-Verbindungstechnologie lassen sich die EXM32-Module einfach auf das Baseboard montieren (Bild 2). Als Verbindungselemente dienen Elastomer- Kontaktstreifen, die mittels Schraubverbindungen zwischen die vergoldeten Kontaktzonen der zu verbindenden Baugruppen eingeklemmt werden. Die Verbindungselemente weisen Kammern auf, die eine elastische Masse mit einer sehr hohen Zahl hauchdünner Golddrähtchen enthalten. Diese bohren sich in die vergoldeten Kontaktzonen und schaffen dadurch einen sicheren Kontakt, der hermetisch von Einwirkungen der Umwelt abgeschlossen ist und nicht durch oberflächliche Verschmutzung oder eine nachträglich aufgebrachte Lackierung gestört wird. Auf der Oberseite des CPU-Moduls befinden sich zusätzlich vergoldete Pads für Elastomer- Kontaktstreifen, um dort weitere EXM32-Module, z. B. Interface Boards, übereinander zu stapeln.

Da EXM32-Module nur 2-3 Watt Leistung aufnehmen, sind Maßnahmen für die Kühlung entbehrlich, wodurch das Stapeln erst ermöglicht wird.

Von MSC sind bereits eine Reihe von CPU und Interface-Module entsprechend der EXM32-Spezifikation erhältlich, u. a. die CPU-Module EXM-IMX35 und EXM32-AU1250 sowie das Navigations- und Kommunikationsmodul EXM-NAVCOM. Wegen der geringen Verlustleistung der EXM32-Module und ihres kompakten Formats von 65 x 90 mm können resultierende Systeme bei Bedarf in recht kleinen Gehäusen ohne Kühlkörper oder gar aktive Kühlung untergebracht werden.

Module in der Applikation

Die Steuerung des großflächigen Displays für Fahrgastinformationen übernimmt das CPU-Modul EXM32-AU1250, das eine hohe Rechenleistung und exzellente Multimedia- Eigenschaften bei niedrigem Stromverbrauch bietet. Die Baugruppe basiert auf dem RMI Alchemy Au1250 RISCProzessor mit 16 kB Daten und 16 kB Instruction Cache und arbeitet mit einer Taktfrequenz von 500 MHz. Da auf dem Display nicht nur die nächsten Haltestellen angezeigt werden sollen, sondern anspruchsvolle Beitrage und Werbung für den Fahrgast, unterstützt das Modul eine HDAuflösung von bis 1 366 x 768 Bildpunkten und kann auch MPEG-Videos in diesem Format (oder kleiner) ruckelfrei abspielen.

Das Herzstück des intelligenten Kassensystems ist das hochintegrierte Modul EXM-IMX35, das auf einem i.MX35-Prozessor mit ARM11 Core von Freescale basiert, der mit 533 MHz getaktet wird. An Speicher stehen neben einem Standard- DDR2-SDRAM mit einer maximalen Kapazität von 256 MB onboard ein bis zu 64 MB großes NOR Flash und bis zu 4 GB NAND Flash zur Verfügung. An Schnittstellen sind neben zwei USB 2.0 und zwei UART Interfaces zwei FlexCAN 2.0B-Schnittstellen vorhanden. Über das LAN Interface lässt sich eine schnelle 10/100 Base-TEthernet- Verbindung aufbauen. Zwei I2CSchnittstellen, ein AC97-Audiointerface und ein 8 Bit breiter Kamera Port komplettieren das Angebot. Mit 16 GPIO-Signalen, dem SPI-Interface und dem über die Baseboard- Konnektoren zugänglichen Prozessorbus sind den Erweiterungsmöglichkeiten kaum Grenzen gesetzt. Zur Datenspeicherung sind zwei Compact Flash und eine SD/MMC-Schnittstellen vorgesehen.

Um die richtige Fahrkarte auszustellen und den entsprechenden Fahrpreis zu ermitteln, muss automatisch festgestellt werden, an welcher Haltestelle sich der Bus gerade befindet. Nur so lässt sich die Entfernung zum Fahrziel und die Fahrzeit bestimmen. Aus diesem Grund wird auf das EXM-IMX35-Modul ein Telematikmodul mit einer Satelliten-gestützten Global Positioning-Funktion (GPS) zur Ortung und Navigation gesteckt. Die aufgenommenen Positionsdaten können zusammen mit den Serviceinformationen via Mobilfunk über GPRS (Global Packet Radio Service) an eine Leitzentrale übertragen werden.

Wenn Navigation gefragt ist

Mit dem von MSC entwickelten Navigations- und Kommunikationsmodul EXM-NAVCOM lassen sich die robusten CPU-Module um Quad Band 800/900/ 1800/1 900 MHz EGSM- und GPRS- sowie um GPS-Funktionen erweitern (Bild 3). Optional wird auch UMTS/HSDPA/EDGE unterstützt. Zur Trägheitsnavigation bei fehlendem Satellitenkontakt ist ein Gyrosensor integriert, der durch die zusätzliche unabhängige Positionsbestimmung eine Ortung trotz eventueller Abschattung des GPS-Satellitensignals z. B. in Tunnels und Tiefgaragen ermöglicht (Dead Reckoning). Bei dem Dead Reckoning- Verfahren wird u. a. mittels Trägheitsnavigation die räumliche Distanz vom letzten per GPS errechneten Standort festgestellt. Alternativ können auch die Radimpulse gezählt und daraus die gefahrene Strecke und aus der Differenz zwischen links und rechts die Abweichung von der Geradeaus-Fahrt ermittelt werden.
Der 16-kanalige GPS-Receiver liefert mit einer zugehörigen GPS/GSM-Kombiantenne die aktuelle Position mit einer Genauigkeit von 2,5 m (CEP). Die Positions-Neubestimmung dauert im eingeschwungenen Zustand weniger als 1 Sekunde, während der „Kaltstart“ bei gutem Signalempfang nach spätestens 34 Sekunden abgeschlossen ist.

Bild 3: Das auf das CPU-Modul steckbare Navigations- und Kommunikationsmodul EXM-NAVCOM integriert einen 16-kanaligen GPS-Receiver.

Die für Telematik-Anwendungen notwendige Sprach- und Datenkommunikation lässt sich mit der zusätzlich vorhandenen GSMFunktionalität abdecken. Dazu verfügt das EXM-NAVCOM über einen I2S-Audiokanal für Sprachanwendungen sowie über einen schnellen Datenkanal für Datenübertragung via GPRS. Das Dualband-GSM erlaubt praktisch weltweiten Einsatz dieser Funktechnologie, für die ein Sockel zur Aufnahme einer SIM-Karte vorgesehen wurde.

Schlussbemerkung

Zur Evaluierung und zum Design-In der EXM32-Module stellt die MSC Vertriebs GmbH spezielle Entwicklungsplattformen und Starter Kits zur Verfügung. Es werden die Betriebssysteme Linux, Windows CE bzw. Windows Compact Embedded und das zertifizierbare QNX unterstützt. (sb)