Moduły SoM sposobem na szybkie wprowadzanie innowacyjnych produktów na rynek

W takich okolicznościach raczej unika się projektowania całej aplikacji od zera i możliwie w największym stopniu wykorzystuje się dostępne na rynku standardowe komponenty składowe, gdyż takie podejście zapewnia największą oszczędność czasu i zasobów firmy. W przypadku urządzeń przemysłowych i systemów embedded takim podstawowym komponentem są moduły SoM.

Zgodnie z raportem pt. "Światowy rynek płyt głównych i modułów do systemów embedded" firmy analitycznej IHS, rynek modułów SoM w latach 2010-2016 będzie rósł w średnim tempie 17,5% rocznie, a rynek przemysłowych płyt głównych o 9,3%. Wskazuje to, że produkty te będą często wybierane przez konstruktorów.

Cechą charakterystyczną modułów SOM jest to, że łączą one w jednym produkcie wiele funkcji, które można znaleźć w każdym systemie embedded, jak procesor, pamięć lub porty I/O. W przypadku produktów National Instruments, jak sbRIO-9651, centralnym elementem takiej konstrukcji jest układ FPGA firmy Xilinx z rodziny Zynq-7000, co zapewnia dużą uniwersalność zastosowań modułu, łącznie z możliwością implementacji specyficznych interfejsów I/O oraz układów peryferyjnych itp. funkcjonalności.

Moduły NI od strony warstwy sprzętowej

Rys. 1. Moduł SOM sbRIO-9651 bazuje na układzie SoC Zync firmy Xilinx i charakteryzuje się niewielkimi wymiarami i dużymi możliwościami

Moduły SoM NI bazują na układzie SoC Xilinx Zynq-7020, którego działanie wspiera pamięć RAM i Flash. Częścią Zynq SoC jest taktowany zegarem 667 MHz procesor dwurdzeniowy ARM Cortex-A9 z FPGA Artix-7.

Dostępna w ramach zestawu deweloperskiego płytka modułu zawiera ponadto wiele interfejsów takich jak Gigabit Ethernet x2, USB Host, USB Device, port SD, RS-232 x2, RS-485, CAN, które definiuje się z poziomu oprogramowania dostarczonego przez producenta. Jest też na niej dostępne miejsce do prototypowania własnego układu, a także złącze PMOD ułatwiające integrację całości we własnej aplikacji. Jest to istotne, bo na rynku jest wiele modułów I/O ze złączem PMOD pochodzących od różnych producentów, zawierających proste linie I/O i złożone układy typu wzmacniacz stereo audio.

Przetestowane gotowe rozwiązanie

Moduły SOM NI to kompletne przetestowane rozwiązanie sprzętowe dostarczane razem z poddanym walidacji zbiorem sterowników dla sprzętu oraz innych urządzeń (BSP - board support package), driverami dla opracowanej przez NI wersji Linuksa czasu rzeczywistego. Załączone oprogramowanie pozwala na natychmiastową i bezproblemową implementację układów peryferyjnych i interfejsów, jak Ethernet lub USB, interfejsów do pamięci oraz mostów pomiędzy procesorem a FPGA.

NI Linux Real-Time zapewnia natomiast funkcjonalność systemu czasu rzeczywistego przy otwartości i dostępności charakterystycznej dla Linuksa. Programiści mogą też skorzystać z wiedzy i wsparcia społeczności użytkowników tego systemu operacyjnego, aby skrócić czas pisania oprogramowania dla aplikacji. NI Linux Real-Time pozwala ponadto na dużą elastyczność programowania wbudowanego w module procesora, dzięki możliwości komunikacji z układem FPGA z poziomu C/C++ oraz LabVIEW Real-Time.

Zgodnie z danymi zawartymi w raporcie Embedded Market Survey przygotowanym przez UBM w 2013 roku stworzenie oprogramowania dla realizowanego projektu systemu embedded zabiera aż 60% zasobów zespołu projektowego. Deweloperzy muszą bowiem stworzyć system, łącząc firmware z oprogramowaniem aplikacyjnym, systemem operacyjnym, komponentami typu middleware, przez co całość wymaga znacznych inwestycji, nakładów pracy oraz na koniec testów.

Oparcie konstrukcji na gotowym module, który ma za sobą walidację, zarówno jeśli chodzi o warstwę sprzętową łącznie z układami peryferyjnymi, jak i dla oprogramowania jest zatem w stanie oszczędzić dużo wysiłku. Przetestowane BSP, drivery urządzeń, system czasu rzeczywistego minimalizują też ponoszone przez projektantów i firmę ryzyko, nie ograniczając jednocześnie elastyczności aplikacyjnej lub możliwości tworzenia własnych algorytmów i oprogramowania aplikacyjnego.

Oprogramowanie aplikacyjne dla FPGA

Rys. 2. Moduły NI SoM dostarczane są z przetestowanym zbiorem sterowników dla systemu NI Linux Real-Time

Dzięki możliwościom, jakie zapewnia rekonfigurowalna struktura logiczna układu FPGA, możliwe jest przeprowadzanie cyfrowej obróbki sygnałów lub systemów deterministycznego sterowania, przetwarzanie sygnałów ciągłych oraz precyzyjne odmierzanie interwałów czasowych. Do FPGA można też załadować kod algorytmu sterującego, uzyskując wysoką szybkość działania i minimalne opóźnienia wymagane w systemach czasu rzeczywistego.

Oprogramowanie LabVIEW zapewnia graficzne środowisko projektowe dla tworzonej aplikacji oraz dostępność tysięcy funkcji logicznych, bloków IP dla procesora i FPGA. Dodatkowo moduł LabVIEW FPGA, który rozszerza możliwości oprogramowania LabVIEW, pozwala na alternatywne w stosunku do języka HDL programowanie. Ułatwia to znacznie projektowanie interfejsów I/O, komunikację, a także projektowanie systemów embedded, redukując znacznie czas pracy nad projektem.

Skrócenie czasu projektowania i ograniczenie ryzyka

Połączenie w jednym produkcie przetestowanego układu elektronicznego z oprogramowaniem i systemem operacyjnym przekonuje, że NI SoM zapewnia projektantom znaczną redukcję czasu i pozwala szybciej wprowadzić produkt na rynek. Przetestowana platforma sprzętowa uwalnia także od wielu innych dokuczliwych problemów związanych z projektowaniem systemu rozpraszania ciepła, zapewnianiem kompatybilności oprogramowania i sterowników. Przykłady z branży medycznej pokazują, że w typowym przypadku i w porównaniu do własnych rozwiązań można zaoszczędzić nawet do 6 miesięcy cennego czasu.

Eric Myers, Product Manager NI
National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com