Komputery jednopłytkowe oraz modułowe

| Prezentacje firmowe Mikrokontrolery i IoT

Rynek ECT (Embedded Computer Technology) obfituje w szereg standardów komputerów jednopłytkowych oraz komputerów modułowych, co daje producentom OEM z różnych branż właściwie nieograniczone możliwości w zakresie projektowania bardziej uniwersalnych lub specjalizowanych urządzeń, zarówno do aplikacji wbudowanych (embedded) jak i brzegowych (edge), w których bardzo dużą rolę odegra technologia 5G. Aby dokonać optymalnego wyboru, działy konstrukcyjne muszą mieć wiedzę na temat dostępnych na rynku rozwiązań oraz panujących trendów. Dobór właściwego komputera (oraz dostawcy) gwarantuje szybkie i optymalne kosztowo wdrożenie co w efekcie pozwala wyprzedzić konkurencję oraz osiągnąć najwyższy zwrot z inwestycji.

Komputery jednopłytkowe oraz modułowe

Przy wyborze komputera inżynierowie muszą wziąć pod uwagę wiele czynników. Począwszy od jego rozmiaru (form factor), poprzez architekturę procesora (x86/ARM), typ i pojemność pamięci oraz dysku, mnogość i różnorodność interfejsów, poziom skalowalności oraz elastyczność w rozbudowie, środowisko pracy, w tym głównie zakres temperatury pracy oraz odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, aż po aspekt oprogramowania, zarówno jeżeli chodzi o firmware jak i OS. Istotna jest również wiedza o możliwości modyfikacji danego komputera i tym samym dostosowania go do danego projektu, zarówno w zakresie sprzętu jak i oprogramowania. Bardzo istotnym aspektem jest również czas życia komputera, na bazie którego działa urządzenie.

Przegląd standardów SBC oraz płyt głównych

W przypadku komputerów jednopłytkowych, inaczej SBC (Single Board Computer) najpopularniejszymi formatami są: 2,5" (Pico-ITX), 3,5", NUC (embedded NUC) oraz PC/104(+). Dostępne są również miniaturowe płyty 1,8" (Femto-ITX) oraz większe, takie jak chociażby 5,25" czy EPIC. Komputery jednopłytkowe są idealnym rozwiązaniem przy opracowywaniu prostych, energooszczędnych i relatywnie tanich urządzeń przemysłowych, w tym do aplikacji handlowych, rozrywkowych oraz medycznych, oczywiście pod warunkiem, że urządzenie końcowe zostanie zaprojektowane w taki sposób, aby mogło spełnić wymagania wszelkich norm branżowych.

Pisząc o komputerach jednopłytkowych nie sposób nie wspomnieć o większych rozwiązaniach tj. płytach PICMG (1.0/1.3), zarówno pełnej jak i połówkowej długości, których wykorzystanie wymaga zastosowania magistrali (tzw. backplane) oraz o płytach głównych, które można spotkać najczęściej w formatach (od najmniejszego) Mini-STX, Mini-ITX, microATX (μATX) oraz ATX. Tego typu komputery służą do budowy bardziej zaawansowanych systemów komputerowych, gdzie istotna jest liczba oraz różnorodność dostępnych I/O jak również duża moc obliczeniowa.

Do tych najbardziej specyficznych, a zarazem specjalistycznych komputerów jednopłytkowych, należą komputery magistralowe, które kierowane są na najbardziej wymagające rynki, takie jak rynek kolejowy czy wojskowy. Chodzi tutaj o płyty standardu CompactPCI / CompactPCI Serial, VME oraz zyskujące coraz bardziej na popularności płyty VPX (OpenVPX / SOSA). Wszystkie wymienione występują w dwóch znormalizowanych wariantach, 3U oraz 6U.

Do naszych głównych dostawców w zakresie komputerów jednopłytkowych oraz płyt głównych należą firmy Kontron, SECO, Jetway oraz iWave, natomiast w przypadku komputerów magistralowych są to firmy Kontron, Concurrent Technologies, Interface Concept oraz EKF Elektronik, z czego dwie pierwsze specjalizują się w kartach procesorów oraz systemach, trzecia specjalizuje się w switchach oraz rozwiązaniach FPGA w standardzie VPX, natomiast ostatnia w kartach procesorów oraz I/O w standardzie CompactPCI Serial.

 
Rys. 1. Komputer jednopłytkowy w standardzie 3,5"
 
Rys. 2. Płyta główna w formacie microATX (μATX)
 
Rys. 3. Karta procesora w formacie 6U VPX

Przegląd standardów komputerów modułowych

Jeżeli chodzi o komputery modułowe CoM (Computer-on-Module) oraz moduły SoM (System-on-Module) to najpopularniejszymi obecnie na rynku standardami są niewątpliwie: COM Express, SMARC, Qseven oraz leciwy już, ale w dalszym ciągu wspierany przez niektórych producentów, format ETX. Trzeba wspomnieć również od dwóch nowych standardach, które dopiero co wchodzą na rynek, ale należy spodziewać się, że z uwagi na swoje cechy oraz aktualne i przyszłe potrzeby rynku będą bardzo szybko zyskiwały na popularności, dając bardzo szerokie możliwości w zakresie skalowalności i standaryzacji projektowanych w najbliższych latach urządzeń i realizowanych projektów z zakresu przemysłowego IoT (tzw. IIoT) oraz szeregu innych. Mowa oczywiście o COMHPC oraz OSM.

COM-HPC (High Performance Computing) zaprojektowany został z myślą o aplikacjach wymagających zarówno najwyższej wydajności obliczeniowej jak również najwyższej przepustowości interfejsów przyłączeniowych i komunikacyjnych. Nie zastępuje standardu COM Express, ale rozszerza ideę "Computer-on-Module" o moduły typu klient oraz serwer oparte na bardzo wydajnych procesorach i zapewniające nieporównywalnie bogatszą infrastrukturę interfejsów high- -end. COM-HPC zarządzany jest przez konsorcjum PICMG, w ramach którego utworzona została międzynarodowa grupa robocza odpowiedzialna za rozwój standardu.

 
Rys. 4. Moduł COM Express w formacie Compact
 
Rys. 5. Moduł SMARC
 
Rys. 6. Moduł Qseven

Natomiast OSM (Open Standard Module) to nowy, otwarty standard komputera modułowego wielkości znaczka pocztowego do bezpośredniego (bez użycia złącza) montażu na płycie nośnej. Specyfikacja OSM poszerza portfolio opracowanych już wcześniej przez stowarzyszenie SGeT (Standardization Group for Embedded Technologies) e.V. formatów komputerów modułowych (SMARC oraz Qseven) o mini-moduły typu BGA, które są znacznie mniejsze niż te wcześniejsze. Nawet największy moduł OSM o wymiarach 45×45 mm jest o 28% mniejszy niż μQseven (40×70 mm) i 51% mniejszy niż SMARC (82×50 mm). Inne rozmiary modułów w nowej specyfikacji OSM są jeszcze mniejsze. OSM rozmiar 0 (Zero) ma najmniejsze rozmiary BGA, konkretnie 30×15 mm i oferuje aż 188 pinów. OSM rozmiar S (Small) mierzy 30×30 mm i oferuje 332 pinów, OSM rozmiar M (Medium) mierzy 30×45 mm i oferuje 476 pinów, natomiast największy rozmiar L (Large) mierzy 45×45 mm i oferuje imponującą ilość 662 pinów. Dla porównania SMARC oferuje 314 pinów, a Qseven "tylko" 230.

Do naszych głównych dostawców w zakresie komputerów modułowych należą firmy Kontron, SECO oraz iWave, z czego firma Kontron specjalizuje się w modułach COMHPC Server, COM Express (Basic, Compact, Mini) oraz SMARC, firma SECO w modułach COM-HPC Client, COM Express oraz Qseven/μQseven, natomiast firma iWave w modułach SOM-OSM oraz niestandardowych SODIMM.

 
Rys. 7. Moduł COM-HPC w formacie server
 
Rys. 8. Moduł SOM-OSM

Ustandaryzowane nie zawsze znaczy optymalne?

Właściwie wszystkie wspomniane wcześniej formaty omawianych komputerów są ustandaryzowane, jednak na rynku spotkać można również szereg rozwiązań, które z różnych powodów nie mieszczą się w ramach żadnego standardowego "form factor". Często jest to wynikiem decyzji danego producenta, ale czasami wynika z uwarunkowań technologicznych przy projektowaniu i produkcji danego komputera. Należy jednak zauważyć, iż trendem jest standaryzowanie wszelkiego rodzaju rozwiązań w tym również formatów komputerów jednopłytkowych oraz modułowych.

Do producentów, którzy specjalizują się zarówno w rozwiązaniach ustandaryzowanych jak również "własnych" należy indyjska firma iWave Systems, która jest jednym z liderów rynku w zakresie rozwiązań HPC, FPGA, ARINC 818 oraz telematycznych. Oprócz standardowych płyt SBC i modułów w formatach Pico-ITX, SMARC, Qseven oraz OSM oferuje szereg rozwiązań na PCB "niestandardowej" wielkości. Mowa tutaj głównie o modułach SOM bazujących na układach FPGA firm Xilinx oraz Intel.

 
Rys. 9. Moduł SOM oparty na układzie FPGA firmy Xilinx
 
Rys. 10. Moduł SOM oparty na układzie FPGA firmy Intel

Zestawy starter-kit oraz płyty ewaluacyjne i referencyjne do komputerów modułowych

Do wszystkich komputerów modułowych dostępne są zestawy starter-kit oraz/lub same płyty ewaluacyjne czy też referencyjne. W zależności od standardu komputera oraz samego producenta płyty te mogą mieć wielkość 3,5", Nano- ITX, ATX lub nawet E-ATX (Extended- ATX) w przypadku komputerów modułowych COM-HPC.

Platformy open-source

W naszej ofercie znajdują się również rozwiązania oparte na platformach open-source, takich jak Raspberry Pi oraz BeagleBone. W przypadku tej pierwszej dostępne są płyty bazowe oraz mini komputery rodziny Pi-Tron jak również sterowniki rodziny PiXtend. Wszystkie zaprojektowane i wyprodukowane przez firmę Kontron.

 
Rys. 11. Płyta ewaluacyjna w formacie E-ATX dla modułów COM-HPC typu server

ME Embedded jako doświadczony i zaufany dostawca elektroniki przemysłowej

W ME Embedded posiadamy niezbędną wiedzę oraz doświadczenie w zakresie sprzedaży jak również projektowania nowoczesnej i niezawodnej elektroniki do zastosowania w najbardziej wymagających systemach przemysłowych. Oferujemy doradztwo techniczne oraz wsparcie projektowe. Obsługujemy klientów z Polski jak również innych krajów Europy Centralnej oraz Wschodniej.

 
Rys. 12. Płyta bazowa pod moduły Raspberry Pi

Serdecznie zapraszamy do kontaktu i współpracy!

 

ME Embedded Sp. z o.o.
ul. Twarda 18, 00-105 Warszawa
tel. 797 383 766
info@me-embedded.eu
www.me-embedded.eu

Zobacz również