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Einplatinen-Computer

Raspberry Pi für Profi-Anwendungen

28. Januar 2016, 10:38 Uhr | Lars Bube

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Low-Cost-Embedded-Controller von Janztec

Ein stabiles Gehäuse und Montagemöglichkeiten auf Hutschienen, eine flexible Spannungsversorgung sowie robuste Anschlussklemmen sind hierfür die ersten »äußerlichen« Voraussetzungen. Der emPC wird in einem individuellen Plastikgehäuse (ca. 10 cm × 10 cm × 3 cm) mit zusätzlicher Halterung geliefert, welches sich ohne Werkzeug öffnen lässt und die emPC-Platine mit dem aufgesetzten Raspberry Pi Modell 2 freigibt (Bild 1). Die Platine sitzt recht stramm im Gehäuse, die mit passgenauen Ausstanzungen für die Anschlüsse versehen ist und stabile Halterungen bietet, sodass mechanische Erschütterungen dem Innenleben nichts anhaben können. Die Micro-SDCard verschwindet komplett im Gehäuse. Beim Auseinandernehmen des Systems ist sie zuvor natürlich aus dem Slot zu ziehen. Dies wird dann nötig, wenn die Knopfzellenbatterie (CR2032) für die Real Time Clock gewechselt werden muss, was einer Komplettzerlegung des Systems gleichkommt.

Als DC-Spannungsversorgung sind 9 V bis 32 V möglich, die, wie die Schnittstellensignale, an einem 24-poligen Multi Connector angeschlossen wird. Hilfreich wäre hier oder auch am Gehäuse eine Kennzeichnung, wo sich Plus und Minus für die Versorgungsspannung befinden, oder noch besser wäre ein entsprechender Gehäuseaufdruck, der alle Kontaktbelegungen zeigt. Der Ethernet- und der HDMI-Anschuss sowie die USB-Buchsen lassen sich wie gewohnt verwenden, während die GPIO-Signale inklusive SPI und I²C für die spezielle Peripherie zuständig sind, die auf einer beidseitig bestückten Platine untergebracht ist. Der standardmäßige serielle Port (RXD, TXD) des Raspberry Pi wird auf den neunpoligen Connector als Console-Port geführt, während am Multiconnector die Anschlüsse für eine RS-232-Schnittstelle mit Übergabeleitungen (RXD, TXD, RTS, CTS) vorhanden sind, die sich per Jumper in eine RS-485-Schnittselle umschalten lässt. Der hierfür notwendige Busabschluss (120 Ω) lässt sich per Jumper ein- oder ausschalten. Hierfür wird ein UART vom Typ SC16IS740 von NXP plus entsprechendem Multiprotocol-Transceicer-Treibern (SP330 von Exar) eingesetzt.

Der UART wird, wie der CAN-Controller von Microchip (MCP2515), über eine SPI-Schnittstelle des Raspberry Pi angesteuert. Das CAN-Interface ist gegenüber den Ports des Raspberry Pi mithilfe eines Solid State Relays (VN330P von STM) optoisoliert aufgebaut. Ebenfalls optoisoliert sind die vier digitalen Ausgänge und die vier digitalen Eingänge, die bis zu 24 V mit 0,5 A vertragen. Hierfür kommen zwei Vierfach-Optokoppler (TPL281) von Toshiba zum Einsatz. Zur Signalisierung von Statusmeldungen sind zwei Leuchtdioden (User LEDs) vorhanden, die direkt vom GPIO-Port gesteuert werden und die beim Ein- und Ausbau der Raspberry-Pi-Platine etwas stören. Bild 2 zeigt die Blockschaltung des emPC:

Eine Rapberry-Pi-Erweiterung − zumal für Embedded-Anwendungen − kommt nicht ohne eine Echtzeituhr aus. Als Echtzeituhr wird hier der Typ MCP794-ON von Microchip verwendet. Die Stromaufnahme von 930 nA (bei 3,3 V) ist für eine Echtzeituhr im Timekeeping-Backup-Mode relativ hoch. Die RTC wird jedoch standardmäßig vom rtc-ds1307-Linux-Treiber (ab Kernel 3.19) unterstützt, weshalb dieser oder ein hierzu kompatibler Typ auf fast allen Raspberry-Pi-Erweiterungen zu finden ist. Die dazugehörige microSD-Card (16 GB von Samsung) enthält eine aktuelle Raspbian-Version mit Vierkern-Unterstützung plus installiertem und konfiguriertem emPC-Treiber-Package, welches die zusätzliche Hardware (RTC, UART/RS-232/RS-485, CAN) komplett unterstützt.

Wünschenswert wäre eine mitgelieferte Testsoftware etwa im Stil von raspi-config, um die zusätzlichen Komponenten einfach ein- und ausschalten und rudimentär testen zu können. Im Moment muss man im System an den unterschiedlichsten Stellen die etwas spärlich beschriebenen Funktionen suchen und ausführen. Allerdings wird die Codesys-Software von 3S-Smart Software Solutions (Codesys Control for Raspberry Pi SL) per Treiber unterstützt, sodass man ein plattformunabhängiges Werkzeug für Steuerungen (IEC 61131) einsetzen und mit den eigenen Codesys-Anwendungen später relativ problemlos auf ein anderes System umziehen kann.