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專業工程師的快速系統原型設計

星星科技指導員 ? 來源:嵌入式計算設計 ? 作者:Brandon Lewis ? 2022-11-24 16:24 ? 次閱讀

Arduino和Raspberry Pi不能為商業產品中的電子硬件提供足夠的模擬。專業工程師需要工業級原型設計解決方案。他們需要一個“工業圓周率”。

除了易用性之外,像Arduino和Raspberry Pi這樣的快速原型平臺最好的一點是它們的成本極低。除非你是專業工程師。

所謂的“創客板”最初是為大規模的STEM教育環境設計的,因此必須盡可能便宜。因此,它們集成了許多不適合商業部署的電子元件。換句話說,它們很便宜。

雖然出于顯而易見的原因,快速原型的概念對工業設計師很有吸引力,但Arduino和Raspberry Pi級設備通常不能為將用于其成品的電子硬件提供足夠的模擬。這些開發人員需要更多的工業級原型設計平臺,這些平臺仍允許他們快速完成設計迭代。

為什么不是模塊上的計算機 (COM)?

為什么不是用于工業原型的 COM?

COM 架構在 2000 年代末和 2010 年代初開始在工業、商業、醫療和運輸行業中流行,作為延長電子系統部署壽命的一種方式。他們通過雙板架構實現這一點:

首先,將包含系統可能需要的所有I/O和接口的專用載板設計到一臺機器中。

然后,計算模塊插入載波頂部,以提供最終應用使用的處理、內存和 I/O 控制器

為了確保設計間隔數年或可能數十年的電路板之間的兼容性,開放式COM標準指定了在模塊和載波之間傳輸信號連接器。迄今為止,這些行業標準中最成功的是PICMG的COM Express,Qseven和SGET SMARC。

這種體系結構的好處是它可以防止硬件過時。例如,如果一臺機器需要運行比最初設計時更強大、更復雜的軟件堆棧,工程師可以簡單地將現有的計算模塊換成具有更高計算機和內存性能的模塊。載體保持不變,系統中的其他所有內容也是如此。

例如,像 LEC-PX30 這樣的 SMARC 模塊本身設計用于滿足工業嵌入式應用苛刻的平均故障間隔時間 (MTBF)、長生命周期和嚴格的版本控制。

因此,如果您可以使用COM將已部署的系統從A點帶到B點,為什么不使用COM將設計從原型帶到生產呢?好吧,COM傳統上不被用作原型平臺,因為:

為了優化設計的性能、尺寸和成本,系統集成商或最終用戶通常會設計自己的專用載板。這可能很耗時。

將軟件從一個目標優化到下一個目標可能是勞動密集型的,因此專業開發人員通常希望在實施生產質量軟件之前確定最終硬件。

工業級 COM 比業余愛好者的替代品更昂貴,但它們通常不提供與創客板相同的即插即用功能。

快速原型板和工業級COM之間的中間地帶是什么?

工業樹莓派,或“I-Pi”。

工業 Pi 的構建塊

凌華科技最近推出了I-Pi,這是一個工業物聯網原型平臺,允許專業工程師使用基于COM的平臺快速證明他們的設計。

該套件由上述LEC-PX30SMARC模塊組成;簡化的現成SMARC載板;以及類似于樹莓派生態系統中使用的硬件附加頂部 (HAT),可將 DSI 信號轉換為 HDMI(圖 3)。HAT 通過 40 針擴展針座插入 I-Pi 載波,而 LEC-PX30 模塊通過 SMARC 2.1 MXM 3.0 連接器連接到 I-Pi 載波

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圖3.SMARC 2.1規范中使用的MXM 3.0連接器在SMARC計算模塊和載板之間傳輸大量信號,最終有助于簡化整體系統設計

如圖 3 所示,MXM 連接器在 I-Pi 載波和模塊之間傳輸各種信號,連接兩個 10/100 Mbps 局域網、四個 USB 2.0 端口和一個 USB 2.0 OTG 端口、四通道 MIPI DSI、雙通道 MIPI CSI 以及 CAN、SPI、UARTI2C 等串行接口。但設置的真正美妙之處在于,實際I-PI基板上唯一的高速信號是PCI Express和HDMI。

當然,在原型設計階段完成后,可以在優化的特定應用載板中更改這些信號。但是,將更復雜的走線限制為PCI Express和HDMI可以降低I-Pi的復雜性,并提高工程師的易用性。事實上,每個模塊都包含PCI去耦電容和鎖,因此工程師在更改硬件配置時所要做的就是確保處理器板和載卡之間的走線對齊。

這使得在原型設計過程中將具有一組接口和性能的SMARC模塊換成另一組接口變得輕而易舉。

例如,LEC-PX30 基于瑞芯微 PX30片上系統,其中包括四核 Arm Cortex-A35 CPU 和安全擴展(圖 4)。該板還配備了 2 GB 內存和 Microchip 的 ATT ECC608A 加密認證芯片。但是,I-Pi運營商支持SMARC模塊,其處理器與頂級英特爾阿波羅湖處理器一樣先進。

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圖4.瑞芯微PX30 SoC包含一個四核Arm Cortex-A35 CPU和Mali G31 GPU,以及用于通用工業應用的廣泛多媒體、安全和連接模塊

這就把我們帶到了軟件。在大多數情況下,在不同的計算模塊之間轉換,更不用說具有不同處理器架構的計算模塊,如基于 Arm 的瑞芯微 PX30 和基于 x86 的英特爾凌動處理器,意味著重新開始原型設計過程。然而,鑒于I-Pi平臺廣泛的硬件靈活性,凌華科技通過為其所有SMARC模塊配備MRAA功能來解決這個問題(圖5)。

圖5.MRAA 硬件抽象層 (HAL) 是一個集成了 Java、JavaScript 和 Python 的 C/C++ 庫,允許用戶輕松地將軟件從一個硬件平臺移植到另一個硬件平臺,例如不同的 SMARC 計算模塊(來源:Eclipse UPM)。

MRAA 是最初由英特爾開發的開源硬件抽象層 (HAL)。它是一個具有 Java/JavaScript 和 Python 集成的 C/C++ 驅動程序和 API 庫,允許開發人員無縫集成新的硬件組件,而無需任何代碼修改。因此,工程師可以簡單地用一個SMARC模塊代替另一個,即使一個模塊支持瑞芯微PX30,另一個托管恩智浦i.MX8M SoC;他們可以添加所需的任何傳感器 HAT;他們甚至可以將軟件從Raspberry Pi或Arduino環境移植到他們的I-Pi COM中,而無需對其進行返工。

MRAA可以通過Github下載,也可以通過MRAA擴展的Useful Packages & Modules for MRAA折疊到Eclipse IDE中。它可以使用模擬平臺(如英特爾 Apollo Lake 平臺和 Docker 容器)以及標準和嵌入式 Linux 發行版在 Windows 環境中運行。

I-Pi本身原生支持Android,Ubuntu,Debian和Yocto。

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圖6.所有凌華科技SMARC模塊都集成了MRAA硬件抽象層(HAL),以實現從一個目標到另一個目標的無縫軟件可移植性,即使該代碼是在Arduino或Raspberry Pi編程環境中開發的

其他與I-Pi平臺兼容的開源軟件組件包括凌華科技Vortex數據分發服務(DDS)網絡中間件的一部分,這是一個發布/訂閱軟件框架,允許物聯網工程師以安全,可擴展,容錯和確定性的方式連接他們的設備。

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圖7.凌華科技Vortex數據分發服務(DDS)中間件是一種網絡抽象軟件,以發布/訂閱格式可靠、確定、安全地傳輸消息

利用 Pi 級風險加速工業原型設計

從硬件和軟件的角度來看,I-Pi的模塊化方法使其盡可能接近Arduino或Raspberry Pi的開箱即用用戶體驗。這就只剩下成本問題了。

如前所述,工業級組件本質上比創客板采購的技術更昂貴。畢竟,I-Pi COM支持高達-20oC至+85oC的工作溫度范圍,以及符合IEC 60068-2-27/64和MIL-STD-202 F的沖擊和振動容限。為了降低即將投產的客戶的載板成本,凌華科技還將USB和PCI開關集成到他們的SMARC模塊上,這增加了這些模塊的價格。而且,當然,您必須考慮到I-Pi實際上是三個工業板封裝在一個套件中。

對于為商業可部署的產品尋找快速原型解決方案的專業工程師來說,這一點也不差。

審核編輯:郭婷

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