Single-Board-Computer

Andreas Mühlbauer,

Kurze Time-to-Market mit Raspberry Pi

Der Raspberry Pi ist als Entwicklungsrechner sehr beliebt. Ob er sich auch für die industrielle Serienproduktion eignet, hängt vom jeweiligen Anwendungsfall und den Anforderungen ab. Um dies im Einzelfall zu testen, hat Kontron ein Starter-Kit auf Basis des Einplatinen-Rechners entwickelt. 

Das Developer Kit für Raspberry Pi von Kontron umfasst ein Entwickler-Board, ein Raspberry Pi Compute Module 3 Light sowie eine SD-Card mit vorkonfiguriertem Raspian-Betriebssystem. © Kontron

Der Einplatinen-Rechner Raspberry Pi (Rpi) wird zunehmend als Basis für Produktdesigns verwendet. Aber eignet er sich auch als Grundlage für die industrielle Serienproduktion? Um das zu prüfen, hat Kontron für das (Rpi) Compute Module 3 ein Industrial Starter-Kit entwickelt. Damit lässt sich beurteilen, ob sich industrielle Produktion auf Basis eines Rpi-Designs umsetzen lässt. Das Starter Kit wurde zum Beispiel bei der Entwicklung der mobilen Messstation „Checkbox“ eingesetzt, einer Messstation für Vitaldaten von Patienten im Krankenhaus. Mit Rpi ließ sich die Zeit bis zur Marktreife deutlich verkürzen.

Kontron hat eine Lösung für einen Klinik-Kunden entwickelt, die die wichtigsten Gesundheitsparameter bettlägeriger Patienten laufend und berührungslos erfasst und notfalls Schwestern und Ärzte alarmiert. Als Medizinprodukt musste das Instrument für die zweithöchste Sicherheitsklasse 2b zertifiziert werden. Außerdem musste die mobile Messstation die Anforderungen nach EN 60601 für medizinische elektrische Geräte und medizinische Systeme erfüllen. Das Gerät sollte mobil und unter dem Krankenbett angebracht sein. Folgende Anforderungen waren wichtig:

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  • schnelle Umsetzung
  • Langzeitverfügbarkeit
  • gutes Preis-Leistungs-Verhältnis
  • Unterstützung von yocto Linux
  • der Support mehrerer Schnittstellen wie WLAN, LAN und Bluetooth
  • eine Rechenleistung, die auch Machine Learning erlaubt
  • ein zweiter, unabhängiger Prozessor, um korrekte Messergebnisse zu gewährleisten

Als Plattform wurde das damals aktuellste Rpi Compute Module 3 ausgewählt. Der Kunde nahm in Kauf, dass die Kriterien Stromverbrauch und Langzeitverfügbarkeit nicht ganz eingehalten werden konnten. Auf der Plus-Seite verbuchte er dafür eine hohe Rechenleistung, einen umfassenden Linux-Support und geringe Kosten.

Der Prototyp bestand die hohe Hürde der elektromagnetischen Verträglichkeit, und die Schnittstellen ließen sich mit Raspian OS verifizieren. Bei der Übertragung des Prototyps auf yocto Linux unterstützten die Entwickler von Kontron und die Rpi-Community. Das Starter-Kit hatte die Entwicklung deutlich beschleunigt.

Starter-Kit mit industriellen Standarderweiterungen

Seit rund fünf Jahren beobachtet Kontron, dass die von Kunden gelieferten Designs immer häufiger auf Rpi basieren. Ingenieure und Entwickler sind mit dieser Plattform vertraut und kommen schnell zu Ergebnissen.

Allerdings bestand die Schwierigkeit darin, dass das Rpi-basierte Design manchmal hard- und softwareseitig von Grund auf neu entwickelt werden musste. Der finanzielle und zeitliche Aufwand war also höher als gewünscht und die Markteinführung dauerte länger als erhofft. Doch eine kurze Time-to-Market ist den Kunden wichtig, um wettbewerbsfähig zu sein.

Vergleich der SOM-Module mit dem Compute Modul 3.

Deshalb hat Kontron beim Starter-Kit, das die gleiche CPU wie das Compute Module Rpi 3 nutzt, Erweiterungen industrieller Standards vorgenommen. Es verfügt über alle in der Industrie verbreiteten Schnittstellen wie Ethernet, CANbus, 1-Wire, die serielle RS-485-Schnittstelle für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen über große Entfernungen, RS-232, um die Abwärtskompatibilität zum Beispiel zu älteren Steuereinrichtungen sicherzustellen, Eingänge und Ausgänge für 24 V, analoge Eingänge, Verpolungsschutz und eine höhere Störfestigkeit.

Kontron plant weitere Varianten, zum Beispiel speziell für IoT-Gateways mit 24-V-Versorgung, LAN-Schnittstelle, einem Security-Chip und entsprechender Konnektivität. Eine andere Version wird für die Ansteuerung von Displays und Touch-Screens für Web-Panels oder Digital Signage entwickelt.

Rpi im Vergleich mit Arm-Cortex-CPUs

Kontron bietet alternativ zum Rpi Compute Module 3 auch zwei SOM-Varianten und ein SMARC-Modul mit der vergleichbaren Familie von Arm-Cortex-A7- und Cortex-A9-Quadcore-Prozessoren an sowie ein Qseven-Modul mit dem Arm-Cortex-A7. Der Vergleich in der Tabelle zeigt, dass das Rpi Compute Module 3 bei den Anforderungen der beschriebenen Anwendung in vier Punkten besser ist gegenüber Cortex-A9 quad und in drei Punkten besser ist als Cortex-A7.

Die Kontron KBox A-330-RPI basiert auf dem langfristig verfügbaren Raspberry Pi Compute Modul CM3+ und kann so den riesigen Softwarepool der Raspberry Pi Community nutzen. © Kontron

Die Kombination von Prozessorleistung, kurzer Time-to-Market und einem günstigen Preis-Leistungs-Verhältnis machen Rpi für die Serienentwicklung industrieller Lösungen sehr attraktiv. Letztendlich hängt die Prozessorauswahl von den individuellen Anforderungen für eine Anwendung ab. Häufig ist der Preis des Mini-Computers nicht das ausschlaggebende Argument: Die einfache Handhabung der Software ist oft wichtiger. Durch das weit verbreitete Betriebssystem Raspian OS auf Basis von Linux lassen sich Software-Pakete leicht nachinstallieren. Embedded Linux ist aber deutlich aufwendiger zu installieren und zu administrieren.

Bis Ende des Jahres 2018 wurde Rpi laut der Raspberry Foundation rund 22 Millionen Mal verkauft. Das ist einerseits ein großes Plus, doch Open Source ist für industrielle Anwender nur bedingt von Vorteil. Zwar sind viele Anwendungen lizenzfrei verfügbar, wird aber der Source Code angepasst, muss auch dieser wieder unter freier Lizenz veröffentlicht werden. Das Gleiche gilt, wenn nur einzelne Module aus bestehenden Applikationen verwendet werden. Wer nicht auf Linux angewiesen ist, kann auch Windows IoT Core nutzen.

Starter-Kit für Rpi CM 4 in Planung

Die Raspberry Foundation hat im Juni den Rpi 4 auf den Markt gebracht. Neue Features sind zum Beispiel bis zu 4 GByte RAM, eine 4K-Videoausgabe, USB 3.0, Gigabit-Ethernet und mehr Rechenleistung. Durch den größeren Arbeitsspeicher, einen neuen Grafikkern und zwei HDMI-Anschlüsse lassen sich anspruchsvollere Projekte auch für Dual-Display-Anwendungen verwirklichen. Rpi 4 macht einen großen Schritt in der Performance. Sobald eine Compute-Module-Variante vom Rpi  4 vorhanden ist, wird Kontron ihre Kompatibilität sowie den Einsatz im Industrieumfeld prüfen.

Das Unternehmen hat inzwischen eine Reihe kommerzieller Projekte auf Basis von Rpi abgeschlossen. Der günstige Ausgangspreis spiegelt sich am Ende nicht bei jedem Projekt im Endprodukt wider. Es zeigte sich, dass auch für Prototypen auf Basis von Rpi die Kundenberatung bei der Umsetzung finanziell zu Buche schlägt. Die entstehende Industrieplattform kostete in manchen Fällen so viel wie eine standardisierte Embedded-Plattform. Die Eignung von Rpi hängt also immer vom jeweiligen Einsatzzweck und der Anwendung ab. Mit dem Industrial Starter-Kit lässt sich jedoch schnell ermitteln, ob ein Raspberry Compute Module den gewünschten Anforderungen entspricht.

Andreas Schlaffer, Head of R&D bei Kontron Austria / am

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