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Systementwicklung: ARM-basierte Labor-Analysegeräte

Immer häufiger werden auch bei ARM-basierten Designs Computer-on-Modules verwendet, um die zum Laborgerät passende Embedded Logik in das System zu bekommen. Heitec hat ein NXP-i.MX6-basiertes QSeven-Modul von Congatec für das Design eines spektrophotometrischen Analysegeräts von Implen genutzt.

Congatec/Heitec/Implen Bildquelle: © Congatec/Heitec/Implen

Spektrophotometrische Instrumente für Proben im Kleinstvolumen sind in molekularbiologischen, biochemischen und biomedizinischen Laboratorien für unterschiedlichste Anwendungsbereiche erforderlich. Die Spektrophotometer sind darauf ausgelegt, bei kleinsten Probenmengen Analysen unterschiedlichster Art durchzuführen. Die »NanoPhotometer« (Bild 1) werden hauptsächlich für Konzentrationsbestimmungen und Qualitätskontrollen von Nukleinsäuren und Proteinen in Forschung und Herstellung eingesetzt. 

Implen Bildquelle: © Bild: Implen

Bild 1: »NanoPhotometer« von Implen werden sowohl in biologischen, chemischen, medizinischen und pharmazeutischen Laboren verwendet.

Anwender können mit dem NanoPhotometer je nach Anwendungsfall mit unterschiedlichen Probenmengen arbeiten: Die Probe kann entweder direkt mit einer Pipette auf das Mikrovolumen-Pedestal gegeben werden, oder alternativ kann in Standardküvetten im Küvettenschacht mit Temperaturkontrolle gemessen werden. Ein Vortex (Probenmischer) dient zur Durchmischung der Proben, um exakte Messungen zu erhalten. Die Ergebnisse des jeweiligen spektrophotometrischen Verfahrens werden automatisch analysiert und auf einem Touchdisplay grafisch dargestellt. Im Linux-basierten System sorgt ein leistungsfähiger NXP-i.MX6-ARM-Prozessor (1 GHz) für die Probenmessung, Datenverarbeitung und Visualisierung. 

Mit Computer-on-Modules schneller zum Ziel 

Die passende Embedded Logik hat Heitec für Implen implementiert. Hierfür nutzt Heitec ein Computer-on-Module nach dem Qseven-Standard als applika­tionsfertigen Embedded Computing Core und entwickelte rund um dieses Modul das zum Funktionsumfang des spektrophotometrischen Analysegeräts passende Carrierboard. Der Vorteil dieser Kombination liegt darin, dass Entwickler die Freiheit einer kundenspezifischen Lösung mit dem Komfort eines fertig entwickelten und zertifizierten Boards erhalten und das Modul mit dem umfassenden Eco-System des QSeven-Standards der SGET nutzen können. Fertige Module mit ihrem Eco-System bieten Entwicklern deutlich mehr »Application-Readyness« als die sonst üblichen Evaluierungsplattformen für ARM-Designs. Deren Hilfestellung besteht zumeist nur darin, dass Entwickler vorgefertigte Leiterplattenlayouts kopieren dürfen. Ansonsten müssen sie alles selber machen.

Wolfgang Christl, Projektleiter Electronic System Design bei Heitec (links) und Wolfgang Christl, Projektleiter Electronic System Design bei Heitec (rechts) Bildquelle: © Congatec / Heitec

Zeljko Loncaric von Congatec (l.) u. Wolfgang Christl von Heitec (r.)

Die Flexibilität erhalten Entwickler durch das im Vergleich zum »Full-Custom«-Design weniger aufwendig zu entwickelnde Carrierboard. Auf ihm müssen im Wesentlichen nur noch die Leiterbahnen für die Systemschnittstellen geroutet und zusätzlich benötigte Controller implementiert werden. Entwickler können zudem mit nur einem Boarddesign skalierbare Systeme entwickeln, die sich mit neueren Prozessoren aufrüsten lassen. Das geht durch Standardisierung auch herstellerunabhängig.

Die Anpassung im Detail 

Kompaktheit, Kosten- und Energieeffizienz spielten bei der Auswahl der Elektronik und Bestandteile für das Carrierboard eine ebenso wichtige Rolle wie technische Aspekte, zum Beispiel das Batterie- und Wärmemanagement. Neben allen Standardfunktionen wie Touch-Controller-Interface, LVDS-Schnittstelle zum TFT-Panel, USB-Hub sowie der Integration eines externen Audiocodecs für die Bereitstellung einer Audio-Schnittstelle wurden als Besonderheiten implementiert: 

► Eine Akku-Ladesteuerung für den mobilen Betrieb. Angebunden wurde ein 4S3P-Batteriepack, mit dem das Gerät einen ganzen Arbeitstag ohne Netzanschluss betrieben werden kann und das einen hohen Strombedraf beim »Ziehen« der Messungen ermöglicht.

► Standby-Steuerung sowie Soft-On/Off mittels Low-Power-FPGA, da der i.MX6 im Vergleich zu x86-Prozessoren keine Deep-Sleep-Funktion aufweist. Mit dem FPGA wurden die bei x86 üblichen »Advanced Configuration and Power Interface«-Funktionen (ACPI) nachgebildet und binnen Millisekunden über Quick-Boot hochfahrbare Prozessor wird stromlos geschaltet, was die Betriebsbereitschaft eines nicht am Stromnetz angeschlossenen Systems von Tagen auf Wochen erhöht.

► Integriert wurden auch Motoransteuerungen für den Vortexmischer inklusive »Snubber«-Schaltung, die unerwünschte Schwingungen des Systems reduziert, um möglichst exakte Absorptions- und Transmissionsmessergebnisse zu erhalten.

► Eine geregelte Folienheizung sowie eine Messbrücke zum Küvettenschacht sorgen für genaue Temperaturmessung der Proben, die für exakte Messwertanalysen von Bedeutung sind.