Single-Board-Computer

Andreas Mühlbauer,

Klein, stark und echt gut

Single-Board-Computer erfreuen sich immer größerer Beliebtheit – mittlerweile auch in der Industrie. Denn sie sind ausgereift, leistungsfähig und ersparen den Herstellern viel Entwicklungsarbeit. Die kompakten Embedded-Boards sind aufgrund zahlreicher Schnittstellen flexibel und bringen eine Open-Source-Technologie mit sich, die Anpassungen sehr erleichtert. Welches die wichtigsten Einplatinen-Computer sind und was sie können, zeigen wir in diesem Bericht.

Single-Board-Computer erfreuen sich immer größerer Beliebtheit – mittlerweile auch in der Industrie. © RS Components

Heute bieten viele Hersteller mehr oder weniger professionelle Single-Board-Computer an. Die meisten arbeiten mit ARM-Cortex-CPUs, einige auch mit Intel- oder anderen Prozessoren. Zwei bis vier CPU-Kerne und Taktraten bis an oder gar über 2 GHz sind keine Seltenheit. Die Prozessorkerne sind in ein System-on-a-Chip (SoC) integriert, das zudem die meisten weiteren Funktionen des Rechners enthält. Als Betriebssystem bedienen sich die Rechner in der Regel einer Linux-Distribution. Dies kommt der Open-Source-Strategie entgegen und erleichtert die Entwicklungsarbeit. Zudem steht ein großes Angebot an Software zur Verfügung. Weitere Komponenten der kompakten Computer sind bis auf wenige Ausnahmen ein leistungsfähiger Grafik-Chip (GPU) und RAM zwischen 512 MB und 4 GB. Sehr unterschiedlich ist von Modell zu Modell neben der Leistungsfähigkeit auch die Ausstattung mit Schnittstellen.

Mittlerweile gibt es eine ganze Reihe der kompakten Embedded-Rechner, die sich aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit für den professionellen Bereich eignen. Nicht alle Boards sind direkt für den Einsatz in rauer Industrieumgebung entworfen. Entsprechende Anpassungen wie Gehäuse oder verbesserte Kühlung ermöglichen es jedoch, diese Einplatinen-Rechner beispielsweise für Steuerungsaufgaben einzusetzen. Einige der wichtigsten Systeme wir Ihnen hier vor.

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Der Klassiker: Die Himbeere

Der Raspberry Pi 3 Model B+ ist das neuste Modell des beliebten Mini-Rechners. © RS Components

Der bekannteste und wohl meist verbreitete unter den Einplatinen-Rechnern ist der in England anfangs zu Lern- und Ausbildungszwecken entwickelte, 2012 auf den Markt gekommene Raspberry Pi.

Im März 2018 ist das neuste Modell Pi 3 B+ des Open-Source-Boards erschienen. Das SoC stammt von Broadcom und enthält einen 64-Bit-ARM-Prozessor vom Typ Cortex-A53 mit vier Prozessorkernen, die mit 1,4 GHz getaktet sind. Die GPU stammt ebenfalls von Broadcom und verfügt über einen Composite- sowie einen HDMI-Anschluss. Die Auswahl an möglichen Betriebssystemen ist umfangreich: Neben dem Debian-basierten Raspbian und weiteren Linux-Distributionen ist auch eine Windws-10-Version verfügbar.

Im Gegensatz zu den Vorgängermodellen läuft seit dem Model 3 B auch Android auf dem Raspberry Pi. Der Pi 3 B+ hat vier USB-2.0-Schnittstellen, außerdem verfügt er über Bluetooth und nun auch über Dual-Band-Gigabit-Ethernet. Die GPIO-Allzweckschnittstelle bietet 26 Pins zur freien Programmierung. Für festen Speicher ist ein microSD-Kartenleser integriert. Ein Audio-Ausgang über HMDI oder 3,5 mm Klinke sowie CSI für den Anschluss einer Kamera, DSI für den Monitor und I2C runden das Angebot an Schnittstellen ab.

Alles außer Fallobst

Namentlich an den Raspberry Pi angelehnt, jedoch nicht mit ihm verwandt, ist der aus chinesischer Entwicklung stammende Banana Pi. Den Kern dieses Open-Source-Rechners bildet ein Allwinner-SoC mit ARM-Cortex-CPU. Verfügbar sind dabei Revisionen mit zwei, vier und acht Prozessorkernen. Mit 2 GB DDR3-SDRAM sind die Modelle M3 und M64 – letzterer mit 64-Bit CPU – üppig mit Speicher ausgestattet. Auch der Banana Pi ist in den neueren Versionen mit microSD-Slot ausgestattet. Die Modelle M2+, M3 und M64 verfügen jeweils über zwei USB-2.0-Hosts und 40-Pin-GPIO sowie Bluetooth. Als Video-Schnittstellen stehen HDI sowie bei M3 und M64 zusätzlich DSI zur Verfügung. M2+ und M3 haben zusätzlich einen CSI-Kameraanschluss. WLAN und GB-Ethernet haben alle Modelle gemeinsam. Die Platinenabmessungen des Banana Pi sind denen der Raspberry-Pi-Modelle ähnlich.

Integrierte Entwicklungsumgebung

Arduino bietet diverse Boards an. Hier ein Arduino Leonardo mit microUSB-Anschluss ATmega32u4-Controller. © Pixabay

Arduino bietet seit Jahren eine Reihe unterschiedlicher, vorwiegend einfacherer Einplatinen-Boards mit CPUs beziehungsweise Mikrocontroller mit 8 oder 32 Bit im Open-Source-Format an. Am häufigsten sind dabei Controller von Atmel, die etwas leistungsfähigeren Boards sind mit 32-Bit-ARM-Cotex-M-Prozessoren ausgestattet. Sie verfügen über digitale und analoge Ein- und Ausgänge. Der große Voteil der Arduino-Plattform ist, dass sie eine integrierte Entwicklungsumgebung beinhaltet. Diese ist kostenlos und für Linux, Windows und Mac OS erhältlich. Als Compiler ist gcc integriert, die Programmierung lehnt sich also an C bzw. C++ an. Ein grafisches Betriebssystem ist nicht vorgesehen.

Von Beagles und Pandas

Das BeagleBone Black Wireless von Texas Instruments verfügt als eines der wenigen Boards über DDR3-Arbeitsspeicher. © RS Components

Texas Instruments hat in Zusammenarbeit mit Digi-Key das BeagleBoard bereits 2008 entwickelt. Auf Basis eines ARM Cortex, der in ein OMAP3530-SoC von Texas Instruments integriert ist, ist die Leistung des Boards mit einer Taktfrequenz von 720 MHz und 256 MB RAM moderat. Als Betriebssysteme dienen verschiedene Linux-Distributionen. Grafikanschlüsse sind S-Video und HDMI.

Als weitere Schnittstellen bietet das BeagleBoard USB, RS-232, und JTAG. Zusätzlich ist ein SD-Kartenanschluss vorhanden. Das Board zeichnet sich insbesondere durch einen geringen Stromverbrauch aus, eine gesonderte Kühlung ist daher nicht notwendig. Heute sind vor allem die Weiterentwicklungen des BeagleBoard interessant. Das BeagleBoard xM von 2010 bietet 512 MB RAM und vier USB-2.0-Ports. Das PandaBoard, auch von 2010, ist ebenfalls eine Hardware-Weiterentwicklung mit der Zeikern-SoC OMAP4460 von Texas Instruments mit 1 GB RAM und 1 GHz CPU-Takt.

Beim BeagleBone Black von 2013 setzte TI dann erstmals auf DDR3-Arbeitsspeicher. 512 MB davon erhielt der Rechner, der von einem 1 GHz schnellen ARM Cortex auf einem Sitara-SoC, ebenfalls von Texas Instruments, angetrieben wird. HDMI befindet sich auf dem Board, ebenso wie Ethernet und WLAN. Hinzu kommen zwei Erweiterungs-Slots, die den Anschluss von Zusatz-Boards, sogenannten Capes, ermöglichen. Damit lässt sich der Funktionsumfang noch einmal deutlich erweitern.

Und es gibt noch mehr …

Es gibt noch viele weitere interessante Embedded-Boards. Dazu zählt auf jeden Fall das Cubieboard, welches aus chinesischer Entwicklung stammt und sich neben der Möglichkeit, ein Android-Betriebssystem zu verwenden, hardwareseitig durch einen SATA-Anschluss und in der neuesten Version durch seine USB-3.0-Schnittstelle auszeichnet.

Das Asus Tinker Board läuft mit CPU-Geschwindigkeiten von bis zu 2,6 GHz und ist mit 2 GB LPDDR-RAM ausgestattet. © Conrad Business Supplies

Eine recht neue Entwicklung ist das Asus Tinker Board, das erst 2017 erschien und von daher eine sehr aktuelle Hardware hat. Die Rockchip-RK3288-SoC wird von einem 32-Bit-ARM-Cortex-A17-Prozessor befeuert, der mit 1,8 GHz getaktet ist und es im Turbo-Modus bis auf 2,6 GHz bringt. 2 GB LPDDR-RAM, GPU sowie eine 40-Pin-GPIO, Bluetooth, WLAN und Gigabit-LAN runden die starken Hardware-Daten ab. Als Betriebssysteme eignen sich Linux und Android. Leistungsmäßig liegt das Tinkerboard auf jeden Fall über dem Raspberry Pi. Dafür ist jedoch ein etwas höherer Preis fällig.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Angebot an Embedded-Singleboard-Computern recht groß ist. Die meisten eignen sich – gegebenenfalls mit entsprechenden Anpassungen – für industrielle Anwendungen. Die Preise für alle Boards sind sehr moderat und daher nicht nur für Entwickler interessant. Gerade die schon länger angebotenen Varianten sind häufig sehr ausgereift, was das Risiko eines Ausfalls minimiert. Trotz der kleinen Abmessungen bieten die meisten Boards viele Features wie WLAN, Bluetooth oder Gigabyte-Ethernet. Auch das Angebot an Schnittstellen ist bei vielen Modellen zufriedenstellend bis umfangreich.

Wer sich für die Mini-Einplatinenrechner interessiert und weitere Informationen zu deren Anwendungsmöglichkeiten im industriellen Umfeld sucht, wird auf der Embedded World in Nünberg vom 26. bis 28. Februar 2019 fündig werden. Hersteller, Distributoren und Anwender zeigen dort die neusten Modelle und erläutern deren Besonderheiten.

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