Komputery jednopłytkowe w aplikacjach przemysłowych

Do niedawna najczęściej stosowane były wszelkiej maści moduły komunikacji bezprzewodowej (WiFi, Bluetooth, GPS, GSM czy też niskopoziomowe transceivery ISM), ale dziś coraz większą popularnością cieszą się minikomputery jednopłytkowe zwane SBC (ang. Single-Board Computer). W tym artykule przedstawiamy wybrane rozwiązania, które sprawdzą się w różnego rodzaju aplikacjach przemysłowych.

SBC vs. SoM – dwie klasy rozwiązań

Choć od strony funkcjonalnej zastosowanie komputerów SBC oraz „komputerowych” modułów SoM pokrywa się w większości aplikacji, to obie te klasy rozwiązań różnią się zasadniczo pod względem uniwersalności, możliwości rozbudowy oraz łatwości modyfikacji i/lub serwisowania.

Minikomputery SBC

„Klasyczne” minikomputery jednopłytkowe, nierzadko wzorowane pod względem liczby i ułożenia złączy interfejsowych na kultowych Raspberry Pi Model B, pozwalają na natychmiastowe podłączenie standardowych urządzeń peryferyjnych używanych z komputerami stacjonarnymi, laptopami czy też komputerami panelowymi: myszy, klawiatur, pamięci masowych USB, routerów i switchy Ethernet czy też monitorów z wejściem HDMI. Takie rozwiązanie przyspiesza uruchomienie systemu i ułatwia wszelkie modyfikacje – co więcej, potrzebne peryferia (np. klawiaturę USB) można podłączyć tylko na czas wykonywania prac instalacyjnych bądź serwisowych i odłączyć po zakończeniu tej procedury przy łączności zdalnej “terminal SSH”. Komputer jest gotowy do pracy praktycznie od razu po wyjęciu z fabrycznego opakowania, gdyż system operacyjny w większości modeli uruchamia się z karty microSD. Nieco odmiennej instalacji wymagają natomiast modele wyposażone we wbudowaną pamięć eMMC bądź slot dla modułów takiej pamięci.

Moduł SoM

Moduły SoM wymagają wcześniejszej instalacji na płycie bazowej docelowego urządzenia jeszcze przed pierwszym uruchomieniem – dlatego też projektant PCB jest zobligowany do zapewnienia zewnętrznych obwodów zasilania oraz poprowadzenia ścieżek i ułożenia dodatkowych elementów zewnętrznych dla interfejsów (np. USB czy HDMI). Wiąże się to z koniecznością stosowania specjalnych metod projektowania szybkich obwodów drukowanych niezbędnych do zapewnienia pożądanej integralności sygnałów. Rozwiązania SoM są doskonałym wyborem dla aplikacji o ograniczonej ilości miejsca w obudowie, wymagają jednak większego nakładu pracy podczas prototypowania i uruchamiania nowego systemu wbudowanego. W przypadku komputerów-modułów SoM stopień integracji modułu z resztą urządzenia jest znacznie wyższy, niż dla analogicznych rozwiązań bazujących na większych minikomputerach jednopłytkowych. Brak konieczności łączenia elektroniki urządzenia z komputerem za pomocą kabli (np. USB), związany realizacją tych połączeń poprzez pady krawędziowe modułu bądź precyzyjne złącza typu board-to-board, sprawia, że komputery-moduły klasy SoM doskonale nadają się do aplikacji pracujących w warunkach wibracji czy wstrząsów.

Wybrane minikomputery do zastosowań przemysłowych (i nie tylko)

Oferta producentów minikomputerów rozwija się dynamicznie i pojawia się w niej coraz więcej rozwiązań dedykowanych do aplikacji komercyjnych. Wśród modułów SoM prym wiedzie minikomputer Raspberry Pi Compute Module, którego najnowsza wersja – RPi CM4 – oferuje nawet 8 GB pamięci RAM, do 32 GB wbudowanej pamięci eMMC, wbudowany moduł WiFi/Bluetooth i bazuje na procesorze Quad-core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit SoC taktowanym częstotliwością 1,5 GHz. W oparciu o moduł RPi CM3 powstała natomiast seria interesujących, modułowych sterowników PLC Revolution Pi RevPi Core 3 udostępniających użytkownikowi zaawansowane systemy zabezpieczeń (w tym systemy ochrony obwodu zasilania przed krótkotrwałym zanikiem napięcia czy też 8-kilowoltowe zabezpieczenia ESD), specjalnie opracowane interfejsy PiBridge do łączenia z modułami zewnętrznymi i – rzecz jasna – obudowy przystosowane do montażu na szynie DIN.

Do niewielkich systemów wbudowanych doskonale nadaje się miniaturowy moduł Seeed SoM, oparty na dwurdzeniowym, 650-megahercowym procesorze aplikacyjnym STM32MP157C z koprocesorem ARM Cortex-M4 wspierającym funkcje wymagające pracy w reżimie czasu rzeczywistego. Interesujące propozycje wprowadziła do swojej oferty marka UP Board – niewielkie minikomputery, oparte na procesorach prosto z laboratoriów Intel. Obsługują systemy Linux, Android 5.0 oraz Windows 10, a dodatkowo pozwalają na uzyskanie wysokiej niezawodności dzięki kompatybilnym zasilaczom UPS S.USV Industrial dostępnym w formie nakładki na 40-pinowe złącza GPIO minikomputera. Wszystkie wymienione w artykule moduły, jak i dedykowane akcesoria, dostępne są w stałej sprzedaży w sklepie dla robotyków Botland.