Industrie-Mainboards: Spannungsüberwachung für zuverlässigen Betrieb

Auf den Mainboards für Industrieanwendungen von Fujitsu Technology Solutions wird ein eigenständiger Microcontroller verwendet, der den Hauptprozessor überwacht und die Lüfter anhand der gemessenen Temperaturen steuert. Ei­ne Überhitzung des Prozessors wird selbst dann vermieden, wenn der Rechner mit der geladenen Software nicht mehr funktionieren sollte. Bei Überschreitung einer maximalen Temperaturschwelle wird der Rechner ausgeschaltet. Eine Zeitüberwachungsfunktion im Microcontroller erlaubt zudem die Überwachung des Hauptrechners. Damit das Gesamtsystem nicht zurückgesetzt wird, muss innerhalb definierter Intervalle die Zeitüberwachung getriggert werden. Dadurch wird der komplette Rechner, der aus Hard- und Software besteht, überwacht. Bisherige Spannungsversorgung und -überwachung Standard-Mainboards werden mit einem Netzteil versorgt, dessen Interface durch die ATX-Spezifikationen festgelegt ist (ATX = Advanced Technology Extended). Die ATX-Spezifikation V2.2 definiert die Spannungen, die Toleranzen und das Interface zum Mainboard. Die Spannungsversorgung muss die folgenden Gleichspannungen liefern: + 5V…….. ± 5% + 5V…….. standby ± 5% + 3,3V….. ± 5% + 12V…… ± 5% – 12V……. ± 10% Diese Spannungen müssen durch das Netzteil auf Überspannung, Leerlauf und Kurzschluss überwacht werden. Einige Spannungen sind mehrfach vorhanden, um den maximalen Strom von 10A pro Teil-Versorgung nicht zu überschreiten. Allerdings definiert die ATX-Spezifikation einen sehr weiten Toleranzbereich von bis zu 30-40% für das Ansprechen der Überwachung im Netzteil: ein Wert, der für Industrieanwendungen, in denen es besonders auf zuverlässigen Betrieb ankommt, nicht akzeptabel ist. Durch das teilweise oder komplette Versagen eines Mainboards in einer Maschinensteuerung wegen falscher Versorgungs­spannung können hohe wirtschaftliche Kosten entstehen oder – schlimmer noch – Menschenleben gefährdet werden. Praktische Messungen haben zwar gezeigt, dass ein Mainboard durchaus bei Unter- oder Überspannung außerhalb der definierten Toleranzen funktionieren kann, jedoch kann es zu sporadischen Funktionsausfällen kommen. Moderne Mainboards benötigen neben den oben definierten Spannungen bis zu 14 verschiedene Spannungen für die verschiedenen Funktionsblöcke (Prozessor, Northbridge, Southbridge, Speicher, PCI-Bus usw.). Die zusätzlichen Spannungen werden aus den extern zugeführten Spannungen erzeugt, für diese gibt es bei einem Standard-PC-Mainboard keine Überwachung. Sicherheit durch Management-Controller und Software Für die Überwachungsfunktionen auf Industrie-Mainboards setzt FTS einen Microcontroller ein, der zusätzlich auch die Spannungsmessung erlaubt. Die entsprechenden Werte können durch Software gelesen und angezeigt werden. So überwachen TSR-Programme (Terminate and Stay Resident) die Spannungen und zeigen sie in geeigneter Form an. Bei Bedarf werden Alarmmeldungen ausgegeben. Eine Spannungsüberwachung mit einem betriebssystemabhängigen TSR-Programm macht Sinn, solange die Spannungen nicht betriebskritisch sind, wie beispielsweise bei der Batteriespannung für die Echtzeit-Uhr und das CMOS-RAM, in dem die PC-Konfiguration gespeichert ist. Die Überwachung anderer Spannungen für betriebskritische Anwendungen ist nicht immer sinnvoll – das System kann sich nicht selbst überwachen. Spannungsüberwachung durch Hardware Die zusätzliche Spannungsüberwachung erfolgt durch Hardware. Dies hat den Vorteil, dass keine Software beteiligt ist, die versagen könnte. Hardware-Komparatoren überwachen das Mainboard auf Über- und Unterspannung. Erst wenn alle Spannungen innerhalb der definierten Toleranzen arbeiten, erfolgt der Start des Systems und der Programme auf der Mainboard-Hardware. Bei einem Ausfall einer oder mehrerer Spannungen während des Betriebs wird sofort ein Reset des Systems durchgeführt und das Netzteil abgeschaltet. Durch das Abschalten lässt sich ein eventuell größerer Schaden an der Elektronik vermeiden. Mit dem Rücksetzen des Systems stellt man sicher, dass sich das Mainboard nicht in einem undefinierten Zustand befindet. Dies bedeutet beispielsweise bei einer Maschinensteuerung, dass die Maschine sofort stoppt und keinen Schaden verursachen kann. Der Reset-Zustand wird gespeichert, und eine Leuchtdiode signalisiert das Ansprechen der Spannungsüberwachung. Erst nach einem Kaltstart des Mainboards ist ein Wiederanlauf möglich, falls alle Spannungen mit den vorgegebenen Toleranzen wieder vorhanden sind. Deaktiviert werden kann die Überwachungsschaltung nur per Hardware (Jumper). Die beschriebenen Überwachungsfunktionen erhöhen die Zuverlässigkeit eines Systems und erlauben den Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen. Einschlägige Sicherheitsnormen verlangen, dass eine Steuerung von unabhängigen Funktionseinheiten überwacht werden muss.