COM4mobile – COM Express wird mobil

Computer werden immer leistungsfähiger und zugleich mobiler. Der Trend vom stationären zum mobilen, portablen PC setzt sich weiter fort. Subnotebooks und Handheld-PCs sind stark auf dem Vormarsch. Bereits heute findet man eine fast unüberschaubare Anzahl an Konsumer-Minigeräten basierend auf x86 PC Plattformen. Von der dafür entwickelten Technologie profitieren auch die Industrie-PC Hersteller und Anwender, denn viele embedded PC Applikationen erfordern die gleiche Low Power Funktionalität. Typische Bereiche sind z.B. Patientenmonitoring im Medizinbereich, alle Arten von mobilen Messgeräten, Rechner mit besonderer Robustheit für den Outdoor-Einsatz in der Vermessungstechnik oder auch in der Automobiltechnik zur Fahrzeugdiagnose.

Gerade diese Geräte erfordern meist ein hohes Maß an Flexibilität und werden nicht zuletzt deshalb mit COMs (Computer-On-Modules) realisiert. Der von der PIGMG verabschiedete COM Express Standard bringt alle Voraussetzungen für die Entwicklung eines stromsparenden und batteriebetriebenen portablen PCs mit. Die dazu benötigte Stromversorgungs-Einheit sollte ähnlich einfach anwendbar und möglichst flexibel ausgelegt sein. congatec hat dazu ein Konzept entwickelt, das genau diesen Anforderungen gerecht wird.

Battery-Management im Notebook- oder Konsumer-Bereich sind meist geschlossene Systeme und auf genau einen Akku-Typen abgestimmt. Dahinter steckt ein hoher Entwicklungsaufwand der sich erst bei sehr hohen Stückzahlen rechnet. Eine Skalierbarkeit bzw. flexible Austauschbarkeit von Akkus ist damit kaum gegeben und von den großen Herstellern auch gar nicht gewollt. Diese Ansätze können also die Anforderungen an Flexibilität und kurze Time-to-Market im Industrie PC Markt nicht erfüllen.

Mobile embedded PC Anwendungen lassen sich mit Modulkonzepten wie COM Express skalierbar und austauschbar aufbauen. Das Batterie-Management für eine solche Lösung sollte auch entsprechend flexibel ausgelegt sein, zumal industrielle Geräte auch hinsichtlich der mobilen Energieversorgung besondere Anforderungen haben.

Dem Gedanken der Modularität folgend hat congatec einen kompletten Smart-Battery-Manager als integrierbares Modul ausgelegt um auch hier eine schnelle und risikolose technische Umsetzung zu ermöglichen. Mit dem conga-SBM²C (SMART Battery Manager Modul für COM Express), ein nur 68 mm x 110 mm kleines und 12,5 mm hohes Modul, wird ein komplettes Akku-Manager Subsystem angeboten. Das benötigte Systemnetzteil muss lediglich 19 Volt Gleichspannung zur Verfügung stellen, den Rest übernimmt das conga-SBM²C. Durch die Eingangs-Leistungsbegrenzung kann das Systemnetzteil auf die maximale COM Leistung plus 25% dimensioniert werden, nicht wie sonst üblich, auf den vollen Parallelbetrieb von COM und Akkulader. Das conga-SBM²C verteilt den Strom für den Betrieb des Rechners und das Laden der Akkus intelligent. Damit können Gewicht und Kosten der Anwendung reduziert werden.
Der congatec SMART Battery Manager bietet neben einfacher Integrierbarkeit auch ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit. Es können SMART Batterien in den Zellen-Konfigurationen 2S1P (2 Zellen in Serie) bis 4S3P (4 Zellen in Serie, 3 Serien parallel, entspricht 12 Zellen) eingesetzt werden.

Blockschaltbild einer typischen mobilen Lösung unter Verwendung des congatec conga-SBM² SMART Battery Manger Modules

Zusätzlich kann bestimmt werden, ob die Akkus gleichzeitig oder sequenziell verwendet werden. Beim sequenziellen Betrieb kann ein leerer Akku im Betrieb durch einen geladenen ausgetauscht werden. Die gleichzeitige Verwendung beider Batterien betreibt die Akkus und das Modul in einem optimierten Modus mit erhöhtem Wirkungsgrad. Die Systemlaufzeit kann dadurch um bis zu 10% verbessert werden.

Zusätzlich bietet das conga-SBM²C die Möglichkeit mehrere LEDs zur Visualisierung des Ladestatus anzusteuern. Somit kann der Status der Akkus unabhängig von der Software angezeigt werden.
Das conga-SBM²C ist mit einem eigenen Mikrocontroller ausgestattet, der über den I²C Bus mit dem Boardcontroller auf dem congatec COM Express Module kommuniziert . Dieser wiederum ist eng mit dem congatec embedded BIOS verzahnt, welches über den ACPI Treiber die Kommunikation zum Betriebssystem ermöglicht.

Blockschaltbild des conga-SBM² SMART Battery Manger Modules mit Anbindung an eine COM Express Lösung

Das Datenprotokoll auf dem I²C Bus zwischen der Ladeschaltung und dem congatec COM Express Modul basiert auf dem Protokoll des SBS-forum.org, wurde aber um ein paar Funktionen erweitert. Um die Lösung kostengünstig mit nur einem Mikrocontroller implementieren zu können, wurden die Adressen des SMART Battery Managers und der SMART Battery zusammengefasst. Dies ist in der „congatec Battery Management Interface Specification Rev. 1.2“ ausführlich dokumentiert.
Die Kommunikation zwischen conga-SBM²C und dem ACPI Betriebssystem erfolgt über ein so genanntes „Control-Method-Battery“-Interface (CMB), welches im ACPI Teil des congatec embedded BIOS enthalten ist. Es bietet den Nutzern die Flexibilität über ein standardisiertes Software-Interface auf das Akku-System zuzugreifen. ACPI konforme Betriebssysteme wie Microsoft Windows XP, Windows XP Embedded, Microsoft Vista oder LINUX können damit direkt auf den Status der Batterien und des Managers zugreifen und so z.B. den Ladezustand der Batterien, die aktuelle Stromquelle und den Ladestatus auslesen und anzeigen. Außerdem kann das Verhalten des Gerätes in Abhängigkeit der Akkukapazität effizient beeinflusst werden. Typische Aktionen sind hier z.B. die Limitierung der max. Prozessorperformance bei Akkubetrieb oder das automatische Herunterfahren bei kritischem Akkustand. Bei der Verwendung nicht ACPI fähiger Betriebssysteme wie z.B. Windows CE, können die Anwendungen selbst über das congatec CGOS API auf das Batteriesystem zugreifen. Dieses API beinhaltet neben Batteriefunktionen noch zahlreiche weitere embedded PC Funktionen und ist auf allen congatec COM Express Modulen implementiert.

Um möglichst lange Akkulaufzeiten zu ermöglichen, sind die congatec COM Express Module mit ausgeklügelten Powermangement-Funktionen ausgestattet. Neben dem Abschalten von Display und Festplatten während Benutzungspausen, kann mit dem so genannten S3 Suspend Modus viel Strom gespart werden. Beim S3 (Suspend-to-RAM) sichert das Betriebssystem den Systemzustand im Hauptspeicher (RAM) und schaltet das Netzteil in den Soft-Off Zustand. Die einzige Versorgung des Rechners erfolgt dann über die 5-Volt-Standby Power. Daraus versorgt sich das komplette RAM im Self-Refresh-Modus. Suspend-to-RAM wird von allen congatec COM Express Modulen sowie dem conga-SBM²C unterstützt. Mobile Lösungen mit hoher Rechenleistung und langer Batterielaufzeit sind damit möglich.

conga-SMB²C SMART Battery Management Modul

Der Trend zu mobilen embedded PCs basierend auf COM Express Modulen wird von zwei wichtigen Faktoren bestärkt. Zum einen wird Intel, der Marktführer bei x86 Prozessoren und Chipsätzen, in 2008 extrem stromsparende Plattformen auf den Markt bringen, welche auch auf der embedded Roadmap zu finden sein werden. Zum anderen haben bereits einige COM Express Hersteller sehr kompakte Module in einem bisher von der PICMG noch nicht spezifizierten Format von 95x95mm im Angebot. Verbindet man die Intel Technologie mit dem COM Express Compact Formfaktor, entstehen COMs, die für mobile Applikationen prädestiniert sind.

Zum schnellen Test des conga-SBM²C SMART Battery Management Moduls bietet congatec ein Akku Starterkit inklusive conga-SBM²C Modul, SMART Battery und Kabelsatz an. Dieses Kit kann direkt am congatec COM Express Starterkit betrieben werden. Damit lassen sich alle Funktionalitäten von COM Express Modul und conga-SBM²C schnell und einfach testen und konfigurieren. Im kundenspezifischen System wird das conga-SBM²C auf das anwendungsspezifisch entwickelte COM Express Basisboard aufgesteckt. Optional ist auch eine komplette Integration des conga-SBM²C-Moduls auf dem Basisboard möglich.
Sowohl COM Express als auch das modulare Batterie-Management erlauben ein

sehr hohes Maß an Individualisierung von embedded PC-Lösungen. Ein System kann in Bezug auf Rechenleistung und Batterielaufzeit durch die Verwendung unterschiedlicher COMs und Akkutypen flexibel dimensioniert werden. Kosten, Designrisiko, Flexibilität, Skalierbarkeit sowie Entwicklungszeiten können optimiert werden. Alle COM Express basierenden Produkte mit Batteriebetrieb profitieren davon.