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Unser Leitfaden für eingebettete Computer
Eingebettete Computer haben die Art und Weise, wie wir leben und arbeiten, verändert. Diese kleinen, aber leistungsstarken Systeme werden oft speziell dafür entwickelt, eine Reihe vorgegebener Funktionen zu erfüllen, wenn sie in ein größeres System oder eine Maschine integriert werden. Zu den Funktionen können die Steuerung von Prozessen, die Verwaltung von Daten oder die Ermöglichung von Kommunikation gehören.
Im Gegensatz zu Personalcomputern sind eingebettete Computer speziell für die Ausführung einer einzigen Funktion konzipiert. Dieses Konzept macht sie äußerst effizient, kostengünstig und zuverlässig. Lesen Sie weiter, um mehr darüber zu erfahren, wie eingebettete Computersysteme funktionieren und wie Sie den richtigen Typ für Ihre Anwendung auswählen.
Was sind eingebettete Computer?
Vielleicht recherchieren Sie, was ein eingebetteter Computer ist, weil Sie Probleme mit Tower-PCs oder Small-Form-Factor-Geräten haben und Ihnen empfohlen wurde, Ihre Infrastruktur durch eingebettete Lösungen zu ersetzen, die besser für Ihren Zweck geeignet sind. Für eingebettete Computer gibt es viele Bezeichnungen, darunter lüfterlose Box-PCs, Einplatinencomputer, Fahrzeugsteuerungen, Industrie-PCs und so weiter.
Einfach ausgedrückt ist ein eingebetteter Computer ein Computersystem, das für bestimmte Aufgaben innerhalb eines größeren Geräts oder Systems entwickelt wurde. Sie sind in der Regel eigenständig, d. h. sie benötigen keine externen Komponenten wie Tastaturen und Monitore. Stattdessen verwenden diese Geräte spezielle Hardware und Software, um ohne Benutzereingaben zu funktionieren. Trotz ihrer geringen Größe und ihres niedrigen Stromverbrauchs bieten eingebettete Computer leistungsstarke Rechenfunktionen mit speziellen Prozessoren, Speicher, E/A-Anschlüssen, Kommunikationsschnittstellen und mehr.
Wozu Werden Eingebettete Computer Verwendet?
Die Anwendungen für eingebettete Computer nehmen rapide zu, da sie in der Lage sind, spezielle Aufgaben mit minimalem Stromverbrauch und geringen Kosten zu erfüllen. Sie bieten eine breite Palette wichtiger Dienste, von der Steuerung von Maschinen und der Datenerfassung bis zur Kommunikation mit anderen Systemen. Von alltäglichen Konsumgütern bis hin zu industriellen Automatisierungsanwendungen und anderen Spezialgebieten arbeiten eingebettete Computer hart, um unser tägliches Leben in aller Stille zu ermöglichen.
Beispiele für eingebettete Computer
Im häuslichen Bereich sind eingebettete Computersysteme in einer Vielzahl von Alltagsgegenständen zu finden, z. B. in Ampelanlagen, CCTV-Lösungen, Digital Signage-Controllern, Epos-Systemen und Kiosken. Diese eingebetteten Computer ermöglichen es diesen Lösungen, fortschrittliche Funktionen wie Internetanbindung und automatische Zeitplanung zu bieten.
Industrielle Automatisierung
Im Industriesektor werden eingebettete Computer in vielfältiger Weise eingesetzt. Im Bereich der Fabrikautomation werden Embedded Computer zur Steuerung von Produktionsprozessen, Überwachungssystemen und Robotern eingesetzt. Auch im Gesundheitswesen gewinnen solche Systeme zunehmend an Bedeutung, da sie zuverlässige, sichere und leistungsstarke Rechenkapazitäten bieten, die für verschiedene Anwendungen benötigt werden, z. B. zur Überwachung von Vitaldaten, zur Unterstützung medizinischer Behandlungen, zur Ferndiagnose und für andere medizinische Geräte, die eine genaue Datenverarbeitung erfordern. Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit dieser eingebetteten Computer zu gewährleisten, müssen die Hersteller Zertifizierungen wie ISO 13485 oder IEC 60601 erlangen, um sicherzustellen, dass ihre medizinischen Computersysteme alle von den Aufsichtsbehörden festgelegten Qualitätsanforderungen erfüllen. Hersteller wie Axiomtek, Arbor Technology, AValue, Winmate und viele andere bieten eine Reihe von zertifizierten Embedded-Computern und zertifizierten Panel-PCs an.
Erneuerbare Energiequellen
Eingebettete Computer spielen eine Schlüsselrolle bei den Fortschritten im Bereich der erneuerbaren Energien, da sie eine Reihe von Prozessen steuern und überwachen können, um die Effizienz zu maximieren. Mit eingebetteten Computern ist es beispielsweise möglich, Sonnenkollektoren und Windturbinen zu überwachen, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß und effizient arbeiten. Sie können auch dazu verwendet werden, verschiedene Aufgaben zu automatisieren, wie z. B. die Einstellung des Winkels des Solarpanels oder der Turbinenschaufeln, um eine maximale Leistung zu erzielen. Eingebettete Computer haben daher das Potenzial, die mit der Energieerzeugung verbundenen Kosten zu senken und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Leistung zu erhöhen. Hersteller wie Neousys, ASRock, AAEON, Cincoze bieten eine Reihe von Systemen an, die für den Einsatz im Energiesektor entwickelt werden können, wie z. B. DIN-Schienen-Computer und Industrie-Panel-PCs.
Eingebettete Computer für das Militär
Eingebettete Computer sind ein integraler Bestandteil vieler militärischer Systeme und Anwendungen, von Waffenkontrollsystemen bis hin zu Kommunikationsnetzwerken, die den Soldaten eine effiziente Möglichkeit bieten, mit ihrer Umgebung zu interagieren und gleichzeitig Datengenauigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Damit diese eingebetteten Computer vom Militär verwendet werden können, müssen sie die Zertifizierungsanforderungen erfüllen, die in einer sicheren militärischen Umgebung erforderlich sind. Die gängigste Anforderung ist MIL-STD-810G, die umwelttechnische Aspekte wie extreme Temperaturen, Luftfeuchtigkeit, Stoßfestigkeit, Vibrationstoleranz und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) abdeckt. Andere Zertifizierungen können auch den Schutz vor Manipulationen oder böswilligen Hackerangriffen umfassen. Durch die Erfüllung dieser strengen Anforderungen können eingebettete Computer den Streitkräften wertvolle Dienste leisten, ohne die Sicherheit oder Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Mit Herstellern wie Winmate, Arbor Technology, Cincoze und Neousys sind Ingenieure für eingebettete Computer in der Lage, komplexe militärische Computerlösungen für den Einsatz in vielen militärischen Anwendungen zu liefern.
Bahnzertifizierte eingebettete Computer
Eingebettete Computer haben in den letzten Jahren Bahnanwendungen revolutioniert und bieten eine Reihe von Vorteilen, die den Bahnverkehr sicherer, effizienter und kostengünstiger machen können. Sie bieten ausgefeilte Analysen, die den Betreibern helfen, Probleme zu erkennen und die Leistung zu optimieren, und ermöglichen eine verbesserte Kommunikation zwischen Komponenten wie Sensoren und Steuerungen, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Darüber hinaus können diese leistungsstarken Geräte die Wartungskosten senken und gleichzeitig dazu beitragen, die Sicherheit für Fahrgäste und Personal gleichermaßen zu erhöhen. Für einen effektiven Einsatz in Schienennetzen benötigen eingebettete Computer jedoch bestimmte Zertifizierungen, die ihre Eignung für den Einsatz garantieren. Eine dieser Zertifizierungen ist EN50155, die den Standard für eingebettete Computersysteme in Schienenfahrzeugen und anderen Bahnanwendungen festlegt. Dieser umfassende Anforderungskatalog stellt sicher, dass die Computer für den Einsatz in potenziell rauen Umgebungen, einschließlich extremer Temperaturen und Vibrationen, geeignet sind. Darüber hinaus werden verschiedene Leistungsparameter wie Energiemanagement und Fehlertoleranz abgedeckt, um ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig die Kompatibilität mit anderen Komponenten im Netz sicherzustellen. Durch die Einhaltung dieser strengen Norm können die Hersteller sicher sein, dass ihre Produkte die höchsten Sicherheits- und Qualitätsstandards erfüllen, wenn sie in Bahnanwendungen eingesetzt werden.
Eine weitere Zertifizierung ist die EN 45545, eine europäische Norm, die die Anforderungen an den Brandschutz von Schienenfahrzeugen festlegt. Sie wurde entwickelt, um sicherzustellen, dass alle Schienenfahrzeuge die gleichen Sicherheitsstandards erfüllen und im Notfall eine sichere Umgebung für Fahrgäste, Besatzungsmitglieder und anderes Personal bieten. Die Norm deckt Bereiche wie Innenmaterialien, Strukturen, elektrische Ausrüstung, Kabinen, Fenster und Außenflächen ab. Sie umfasst auch spezifische Tests, um zu bewerten, wie gut diese Komponenten Flammen oder Hitze widerstehen können. EN 45545 stellt sicher, dass alle Züge mit ausreichenden Brandschutzmaßnahmen ausgestattet sind, damit sie im Bedarfsfall schnell evakuiert werden können. Durch die Anwendung dieser gemeinsamen europäischen Norm in ganz Europa wird sichergestellt, dass kein Risiko eines unzureichenden Schutzes aufgrund von Unterschieden zwischen den Vorschriften der einzelnen Länder oder der Umsetzung der eigenen Normen durch die Hersteller besteht.
AI-Systeme
Künstliche Intelligenz (KI) verändert die Art und Weise, wie Maschinen mit ihrer Umgebung interagieren, und macht unser Leben einfacher und effizienter als je zuvor. Eingebettete KI-Computer sind eines der wichtigsten Werkzeuge in diesem Wandel. Sie ermöglichen die Kombination von leistungsstarken Prozessoren und Algorithmen für maschinelles Lernen in einem kleinen Gerät, das große Datenmengen schnell und präzise verarbeiten kann. Der NVIDIA Jetson ist ein Beispiel dafür und ermöglicht es Entwicklern, maschinelle Lernmodelle auf Edge-Geräten mit beispielloser Effizienz zu erstellen, zu trainieren und einzusetzen. Mit seiner fortschrittlichen Prozessorarchitektur und seinem Software-Stack mit Frameworks ist es kein Wunder, dass der NVIDIA Jetson viele Branchen verändert, indem er Prozesse automatisiert, die zuvor manuell oder gar nicht durchgeführt wurden.
Da sich die Technologie ständig weiterentwickelt, sind eingebettete Computer heute für eine Vielzahl von Branchen und Anwendungen unverzichtbar, damit diese effizient und zuverlässig funktionieren.
Was sind die wichtigsten Arten von eingebetteten Computern?
Obwohl eingebettete Computer in hohem Maße anpassbar sind, lassen sie sich anhand ihrer Funktion grundsätzlich in vier Haupttypen einteilen:
1. Eingebettete Computer für allgemeine Zwecke
Eingebettete Allzweckcomputer werden verwendet, um Geräte mit grundlegender Rechenleistung zu versorgen. Diese Computer sind in der Regel weniger leistungsfähig als eigenständige Systeme, liefern aber die notwendige CPU, den Speicher und andere Komponenten, die für die Funktionalität des Geräts erforderlich sind. Gängige Beispiele sind intelligente Fernsehgeräte und Hausautomatisierungssysteme.
2. Eigenständige eingebettete Computer
Eigenständige eingebettete Computer sind so konzipiert, dass sie unabhängig von externen Systemen oder Netzwerken arbeiten und über eigene Hardware- und Softwareressourcen verfügen. Gängige Beispiele hierfür sind Industrieroboter, medizinische Geräte und militärische Ausrüstung.
3. Eingebettete Echtzeit-Computer
Eingebettete Echtzeit-Computer sind für Anwendungen konzipiert, die innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens auf einen Reiz reagieren müssen. Der Hauptzweck dieser Systeme besteht darin, Signale oder Eingaben zu analysieren und in Echtzeit auf Veränderungen in der Umgebung oder im Gerät zu reagieren. Gängige Beispiele sind Flugsysteme, Telekommunikationsnetze und Robotersysteme.
4. Vernetzte eingebettete Computer
Vernetzte eingebettete Computer sind speziell dafür ausgelegt, miteinander zu kommunizieren und Informationen über ein spezielles Netzwerk zu senden und zu empfangen. Diese Art von Computern wird verwendet, um mehrere eingebettete Geräte miteinander zu verbinden, damit sie als eine Einheit zusammenarbeiten können. Gängige Beispiele sind Gebäudeautomationssysteme und Sicherheitssysteme.
Die Vorteile der Verwendung eines eingebetteten Computers
Eingebettete Computersysteme bieten zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Computern für Verbraucher. Im Folgenden werden die wichtigsten Vorteile der Verwendung eines eingebetteten Computers aufgeführt, unabhängig von der jeweiligen Anwendung:
Design mit kleinem Formfaktor
Ein herausragendes Merkmal fast aller eingebetteten Computer ist ihre kompakte Größe und ihr geringes Gewicht. Durch die Verwendung von Motherboards mit kleinem Formfaktor, wie z. B. Mini-ITX, kann ein Embedded Computer an Orten installiert werden, an die ein typischer Desktop- oder Tower-PC niemals passen würde. Wenn sie mit flexiblen Montageoptionen ausgestattet sind, ist die Integration in praktisch jeder Position oder Ausrichtung möglich. Wenn die Größe eine der wichtigsten Einschränkungen ist, sollten Sie Pico-ITX- oder Einplatinencomputer in Betracht ziehen.
Lüfterlose Kühlung
Ein potenzieller Fehlerpunkt bei der Verwendung lüfterbasierter Technologie zur Kühlung von Computern ist die Ansammlung von Partikeln wie Staub. Typische Computer der Verbraucherklasse haben Öffnungen im Gehäuse und verwenden Lüfter, um einen Luftstrom zu erzeugen. Auf diese Weise zirkuliert kühlere Luft über die Komponenten im Inneren, wodurch auch Staub in das System gelangen kann. Das Entfernen des Lüfters zu Kühlzwecken verringert die Ausfallrate, beseitigt die Geräuschentwicklung und bietet mehr Platz für integrierte Teile.
Sie fragen sich vielleicht, wie eingebettete Computer kühl bleiben? Einige eingebettete Computer verwenden zwar immer noch Lüfter, typischerweise für Erweiterungsmodule oder Grafikkarten, aber die meisten verwenden Wärmeleitpads auf der CPU und externe Kühlkörper, um die von Kernkomponenten wie dem Prozessor abgegebene Wärme abzuführen. Alle wärmeerzeugenden Komponenten sind gleichmäßig auf der Leiterplatte verteilt, um ein Durchsickern der Wärme zu vermeiden. Eingebettete Computergehäuse verwenden auch externe Kühlkörper, die entweder oben oder an der Seite angebracht sind, um die von den Komponenten erzeugte Wärme weiter abzuführen. Diese passiven Kühltechniken ermöglichen es vielen Industriecomputern, gegen Witterungseinflüsse abgedichtet zu bleiben (und können der Schutzart IP65 entsprechen), während sie gleichzeitig die Wärme effektiv ableiten, ohne dass Lüfter erforderlich sind.
Geringe Wartung und Zuverlässigkeit
Eingebettete Computer müssen in der Regel rund um die Uhr laufen und auch den Faktoren in anspruchsvollen Anwendungen standhalten. Daher sind Zuverlässigkeit und Robustheit von entscheidender Bedeutung. Wenn Sie z. B. einen PC der Verbraucherklasse mit beweglichen Teilen in einer vibrationsanfälligen Umgebung einsetzen, müssen Sie damit rechnen, dass Komponenten wie die Festplatte ausfallen. Hersteller von eingebetteten Computern hingegen entwickeln und fertigen die Hardware nach bestimmten Kriterien und Zertifizierungen, wodurch sie extrem wartungsarm, zuverlässiger und robuster sind als Computer für allgemeine Zwecke.
Tatsächlich werden häufig Komponenten für weite Temperaturbereiche verwendet, um Betriebstemperaturen von mehr als 0-60 °C zu bewältigen, und auf Wunsch können auch konforme Beschichtungen aufgebracht werden, um das System vor Feuchtigkeit, Staub, Korrosion und elektrischer oder thermischer Leitfähigkeit zu schützen
Langfristige Verfügbarkeit
Ein weiterer wichtiger Vorteil des Einsatzes eines eingebetteten Computers ist die lebenslange Unterstützung der Technologie. Sofern vom Hersteller nicht ausdrücklich angegeben, haben die meisten Computer für den Endverbraucher einen sehr begrenzten Beschaffungslebenszyklus. Sie werden in der Regel nach sechs bis zwölf Monaten abgekündigt, was für eingebettete und industrielle Anwendungen ein großes Problem darstellt. Unerwünschte Nebeneffekte treten häufig auf, wenn Computerkomponenten ausgetauscht werden. Software, die sich auf einem System bewährt hat, funktioniert unter Umständen auf anderer Hardware oder Betriebssoftware nicht korrekt. Kunden von Embedded- und Industriecomputern ziehen es vor, ein Betriebssystem-Image zu speichern, das auf allen Systemen im Feld eingesetzt wird. Wenn sich die Hardwarekomponenten ändern, ist das Betriebssystem-Image nicht mehr kompatibel, so dass bei Hardwareänderungen ein neues Software-Image erstellt werden muss. Die Verwaltung unterschiedlicher Software-Implementierungen auf mehreren Hardware-Plattformen verkompliziert die IT-Infrastruktur, verursacht zusätzliche Kosten und Arbeit und ist keinesfalls wünschenswert. Mit speziell entwickelten eingebetteten Systemen wird dieses Risiko verringert oder beseitigt.
Um es kurz zu machen:
Allgemeine Desktop-Computer der Verbraucherklasse sind überholt in: 6-12 Monaten
Apple Mac Mini's sind überholt in: 24-36 Monate (normalerweise)
Eingebettete Computer haben einen Langzeitsupport von 2-12 Jahren (variabel je nach Modell und Hersteller)
Kosteneffektiv
Ein großer Vorteil von eingebetteten Computern ist ihre Kosteneffizienz. Eingebettete Computer sind wesentlich günstiger als herkömmliche Computer, bieten aber dennoch eine vergleichbare Leistung und Rechenkapazität. Das bedeutet, dass Unternehmen nicht in kostspielige Hardware-Upgrades investieren müssen, wenn sie die Fähigkeiten ihrer Systeme erweitern wollen. Eingebettete Systeme ermöglichen es den Benutzern außerdem, die neuesten Technologien zu nutzen, ohne sich um Kompatibilitätsprobleme kümmern zu müssen.
Sicherheit
Eingebettete Computer bieten auch eine viel höhere Sicherheit als herkömmliche Computer, da sie extrem zuverlässig und schwer zu knacken sind. Dadurch eignen sie sich hervorragend für den Schutz sensibler Daten wie Kundendaten oder Finanzinformationen. Außerdem können die Systeme so konfiguriert werden, dass sie eine Vielzahl verschiedener Betriebssysteme unterstützen, ohne dass die Hardware ausgetauscht werden muss.
Insgesamt bieten eingebettete Computer eine Vielzahl von Vorteilen für Unternehmen und Privatpersonen gleichermaßen. Ihre Erschwinglichkeit, Vielseitigkeit, Sicherheitsfunktionen und Größe machen sie zu einem unschätzbaren Werkzeug in jeder Branche.
Wie wähle ich einen eingebetteten Computer für meine Anwendung aus?
Bei der Auswahl eines eingebetteten Computers für Ihre Anwendung ist es wichtig, die physikalischen Beschränkungen der Umgebung zu kennen. Berücksichtigen Sie die genauen Abmessungen, die erforderlich sind, um in den zugewiesenen Raum zu passen, und stellen Sie sicher, dass alle erforderlichen Anschlüsse und Stromquellen sicher angeschlossen werden können. Berücksichtigen Sie auch alle anderen physischen Einschränkungen wie Temperaturbereich und Vibrationsstärke, die vor der Installation berücksichtigt werden müssen.
Sie müssen auch die wichtigsten Leistungsanforderungen wie Prozessorgeschwindigkeit, Speichergröße und Speicherkapazität berücksichtigen. Es gibt viele verschiedene Prozessoren mit unterschiedlichen Taktfrequenzen und Kernen. Daher ist es wichtig, dass Sie sich über die beste Lösung für Ihre Anwendung informieren und sicherstellen, dass der gewählte Prozessor die von ihm erwartete Arbeitslast bewältigen kann.
Schließlich sollten Sie auch den Stromverbrauch berücksichtigen, da dieser bei jeder Anwendung eine entscheidende Rolle spielt. Es ist wichtig zu wissen, welche Art von Stromanschlüssen benötigt wird, und sicherzustellen, dass die erforderlichen Kabel oder Adapter vor der Installation gesichert werden können.
Wenn Sie diese Faktoren berücksichtigen, können Sie sicherstellen, dass Ihr eingebetteter Computer ideal für Ihre Anwendung und deren Umgebung geeignet ist.
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