Congatec AG
We simplify the use of embedded technology

Notebook "out of the box"

Die Welt wird immer mobiler. Die Funktionalitäten aktueller Notebooks erlauben eine hohe Mobilität. Dieser „Luxus“ wird auch für spezialisierte Sonderanwendungen immer wichtiger. 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, da hier meist Sonderfunktionen benötigt werden.
Anwendungen in diesen oder ähnlichen Bereichen erfordern eine hohe Flexibilität und werden nicht zuletzt deshalb häufig mit COMs (Computer-On-Modules) wie zum Beispiel dem aktuellem XTX Standard realisiert. Das dazu benötigte Stromversorgungs-System sollte also ähnlich einfach anwendbar und hoch 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 meist nur für sehr hohe Stückzahlen ökonomisch rechnet. Eine Skalierbarkeit bzw. flexible Austauschbarkeit von Akkus ist damit kaum gegeben und von den grossen Herstellern auch ganz bewusst nicht gewollt. Diese Ansätze können also die Anforderungen an Flexibilität und kurze Entwicklungszeiten im embedded Bereich kaum erfüllen.
Embedded Lösungen lassen sich mit Modulkonzepten wie XTX, ETX oder COM Express skalierbar und austauschbar aufbauen. Das Battery-Management für eine solche Lösung sollte auch entsprechend flexibel ausgelegt sein, zumal embedded Anwendungen auch hinsichtlich der mobilen Energieversorgung besondere Anforderungen haben.

Dem Gedanken der Modularität folgend hat congatec einen kompletten Smart-Battery-Manager als integrierbares Board ausgelegt um auch hier eine schnelle und risikolose technische Umsetzung zu ermöglichen. Mit dem SBM² (SMART Battery Manager Modul), ein nur 68 mm x 95 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 SBM². Durch die Eingangs-Leistungsbegrenzung kann das Systemnetzteil auf CPU Leistung plus 25% dimensioniert werden, nicht wie sonst üblich auf den vollen Parallelbetrieb von CPU und Akkulader. Das SBM² verteilt den Strom für den Betrieb des Rechners und das Laden der Akkus intelligent. Damit können Gewicht und Kosten der Anwendung reduziert werden.

Das congatec SBM² SMART Battery Management Modul bietet neben einfacher Integrierbarkeit (Bild 1) ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit. Es können SMART Batteries in den Zellen-Konfigurationen 2S1P (2 Zellen in serie) bis 4S3P (4 Zellen in Serie, 3 Serien parallel, entspricht 12 Zellen) eingesetzt werden. 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 Akkulaufzeit kann dadurch um bis zu 10% verbessert werden.

Zusätzlich bietet das SBM² die Möglichkeit mehrere LEDs zur Visualisierung des Ladestatus anzusteuern. Damit kann der Status der Akkus unabhängig vom Betriebssystem angezeigt werden.

Das SBM² ist mit einem eigenen Controller ausgestattet, der über den I²C Bus mit dem Boardcontroller der congatec CPU-Boards kommuniziert (Bild 2). Dieser wiederum ist eng mit dem congatec BIOS verzahnt welches über den ACPI Treiber oder dem CGOS API, dem einheitlichen congatec Software-Interface, die Kommunikation zum Betriebssystem und der Anwendung ermöglicht.

Das Datenprotokoll auf dem I²C Bus zwischen der Ladeschaltung und dem congatec Computer Modul basiert auf dem Protokoll des SBS-forum.org, wurde aber um ein paar Funktionen erweitert, welche eine Abwärts-Kompatibilität weiterhin ermöglichen. Um die Lösung kostengünstig mit nur einem Mikrocontroller implementieren zu können, wurden die Adressen des SMART Battery System Controllers und der SMART Battery zusammengefasst.

Zur Kommunikation zwischen SBM² und dem Betriebssystem wurde ein so genanntes „Control-Method-Batterie-Interface“ (CMB) im ACPI Teil des embedded congatec BIOS definiert. Es bietet den Nutzern die Flexibilität über ein standardisiertes Software-Interface auf das Akku-System zuzugreifen. Mit Hilfe des Batterie-Managements kann das Betriebssystem das Verhalten der Batterie effizient beeinflussen, indem es etwa je nach Auslastung neue Low-Battery-Punkte oder Warnmelde-Schwellen setzt. ACPI konforme Betriebssysteme wie Microsoft Windows XP, Windows XP Embedded oder LINUX können damit direkt auf den Status der Batterien zugreifen und so z.B. den Ladezustand der Batterien, die aktuelle Stromquelle und den Ladestatus auslesen. Bei der Verwendung anderer Betriebssysteme können die Anwendungen selbst über das congatec CGOS API auf das Batteriesystem zugreifen. Dieses API beinhaltet neben Batteriefunktionen noch zahlreiche andere embedded Funktionalitäten, welche auf allen congatec Boards und allen gängigen Betriebssystemen über das einheitliche API zugreifbar sind.

Um möglichst lange Akkulaufzeiten zu ermöglichen sind moderne Computer mit ausgeklügelten Powermangement-Funktionen ausgestattet. Neben dem Abschalten von Display und Festplatten während Benutzungspausen kann mit dem so genannten S3 Power-Management Modus viel Strom gespart werden. Beim S3 oder auch 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-Leitung. Daraus versorgt sich das komplette RAM im Self-Refresh-Modus. Suspend-to-RAM wird von vielen congatec CPU Modulen sowie dem SBM² unterstützt. Mobile Lösungen mit hoher Rechenleistung und langer Batterielaufzeit sind damit möglich.

Zum schnellen Test des SBM² SMART Battery Management Moduls bietet congatec ein Akku Starterkit inklusive SBM² Modul, SMART Battery und Kabelsatz an (Bild 3). Dieses Kit kann direkt am congatec XTX Starterkit betrieben werden. Damit lassen sich alle Funktionalitäten von XTX und SBM² schnell und einfach testen und konfigurieren. Im kundenspezifischen System wird das SBM² auf das anwendungsspezifisch entwickelte XTX Basisboard aufgesteckt. Optional ist auch eine komplette Integration des SBM²-Modules auf dem Basisboard möglich.

Die modularen Konzepte für Computerfunktionen als auch Batterie-Management erlauben ein sehr hohes Maß an Individualisierung von embedded Computer-Lösungen. Ein System kann durch unterschiedliche CPU Module von der Rechenleistung, mit unterschiedlichen Akkutypen von der Batterielaufzeit flexibel dimensioniert werden. Kosten, Designrisiko, Flexibilität, Skalierbarkeit sowie Entwicklungszeiten können optimal gestaltet werden. Alle embedded PC Anwendungen mit Batteriebetrieb können davon profitieren.