KOMPONENTY AUTOMATYKI PRZEMYSŁOWEJ - są podstawą cyfryzacji, jakości i narzędziem rozwoju technologii

W dobie promowanego niemal wszędzie Przemysłu 4.0, który w rodzimym wydaniu ma niemal skokowo zwiększyć konkurencyjność i wydajność naszych zakładów, produkty i systemy automatyki przemysłowej stają się coraz bardziej poszukiwanym elementem zakupowym wielu przedsiębiorstw. Do swojej oferty producenckiej lub dystrybucyjnej włącza je więc coraz więcej firm, również tych związanych z rynkiem elektroniki. Ważnym składnikiem branżowego portfolio są m.in. komputery jednopłytkowe, urządzenia do komunikacji bezprzewodowej oraz przemysłowe pamięci Flash.

KOMPONENTY AUTOMATYKI PRZEMYSŁOWEJ - są podstawą cyfryzacji, jakości i narzędziem rozwoju technologii

Komputery jednopłytkowe do systemów embedded - zapewniają wydajność i elastyczność

Rosnącemu popytowi na komputery jednopłytkowe sprzyja głównie postępująca komputeryzacja w przemyśle, aplikacje w transporcie, budownictwie, a nawet w rozrywce. Powszechna automatyzacja i walka o klienta, wysokie wymagania klientów specjalistycznych odnośnie certyfikatów i warunków pracy oraz wzrost liczby aplikacji embedded stanowią główne czynniki napędowe dla rynku.

Krótkie serie lub wyroby wykonywane na zamówienie, rosnąca bardzo szybko komplikacja zagadnień i coraz droższa praca ludzka to naturalne czynniki rozwojowe dla komputerów jednopłytkowych. Niemniej ostatnio na skutek spadku cen, wielu nowych procesorów o znakomitych parametrach i większej świadomości klientów, można zauważyć, że komputery SBC, pamięci Flash stają się po prostu łatwo dostępne. W naszym otoczeniu jest coraz więcej urządzeń i sprzętu bazującego na komputerowym sterowaniu.

ARM-y RZĄDZĄ

Na rynek SBC przebojem weszły w ostatnich latach procesory ARM, które do takich zastosowań nadają się doskonale pod względem poboru mocy, możliwości integracji oraz dużej wydajności. Nie oznacza to oczywiście, że architektura x86 Intela jest w odwrocie. Procesory tego producenta są wybierane chętniej, gdy konieczne jest zapewnienie wysokiej mocy obliczeniowej, dobrych możliwości multimedialnych i graficznych.

Z kolei układy ARM producenci mogą scalać samodzielnie w ramach SoC i tworzyć rozwiązania skrojone na miarę pod kątem wydajności zasobów i pobieranej mocy. Ponieważ licencjobiorców ARM jest wielu, także oferta rynku w zakresie SBC wydaje się bardzo szeroka, a ceny bardzo konkurencyjne.

Znaczenie poszczególnych kryteriów handlowych ofert w komputerach SBC
 
Zestawienie najważniejszych kryteriów składających się na ofertę handlową w zakresie komputerów jednopłytkowych można uznać za typowe dla rynku krajowego. Dwie pierwsze pozycje, a więc cena i parametry techniczne, zostały wskazane przez znakomitą większość pytanych, podobnie wysoko oceniono jakość i niezawodność. Tak jest prawie zawsze. Różnice dotyczą bardzo wysokiej pozycji długoterminowej dostępności produktu, która w przypadku innych urządzeń nie jest tak bardzo eksponowana w podobnych zestawieniach, to samo można powiedzieć o kompetencjach technicznych dostawcy i marce producenta. Innymi słowy, poza wymienionymi pewniakami, kupujący biorą pod uwagę to, czy komputer będzie w ofercie przez minimum kilka lat, im więcej, tym lepiej, cenią sobie kompetentnych dystrybutorów i patrzą na jakość przez pryzmat marki.

Klienci cenią te układy i chętnie je stosują w swoich projektach, tym bardziej że jest w czym wybierać - mamy układy z rodziny Cortex-M o niewielkiej mocy obliczeniowej znane ze świata mikrokontrolerów, są wydajniejsze jednostki 32-bitowe Cortex-A5-A9 i 64-bitowe takie jak Cortex-A35, A53.

W sumie jest to kilkadziesiąt rdzeni, które każdy z producentów obudowuje w liczne układy peryferyjne: interfejsy, komunikację, tworząc dziesiątki, jeśli nie setki wersji. Widać to zwłaszcza w przypadku modułów SOM/COM, których jest mnóstwo.

Andrzej Jamrozik

CSI

  • Które branże są motorem napędowym dla sektora SBC w Polsce?

Nie da się wymienić tylko kilku branż, ponieważ komputery jednopłytkowe znajdują zastosowanie praktycznie w każdym sektorze. Stosują je zarówno producenci rozwiązań medycznych, jak i systemów digital signage, którzy implementują takie komputery jako jednostki sterujące całym urządzeniem. Popularność sektora SBC wynika głównie z całkowitej dowolności w projektowaniu ich obudów, co jest możliwe dzięki ich małym wymiarom.

  • Jakie nowości w komputerach SBC warto wymienić?

Oprócz nastawienia na coraz większą miniaturyzację, której przykładem są obecnie najmniejsze jednostki w formacie Pico-ITX (100 × 72 mm), producenci zwracają uwagę głównie na możliwości rozbudowy komputera o kolejne interfejsy we/wy. Poprzez specjalizowane złącze tworzą w ten sposób rozwiązania podobne do kanapki, które do tej pory były wykorzystywane w rzadziej już stosowanych komputerach PC/104.

Wprowadzanie kolejnych generacji energooszczędnych procesorów Intel Atom, Celeron czy Pentium spowodowało, że producenci wypuszczają na rynek nowe modele komputerów SBC z interfejsami do tej pory niewystępującymi, jak np. dla pamięci dyskowej w postaci złączy M. 2.

  • Jakie są najważniejsze dla klientów cechy komputerów SBC przy ich zakupie?

Istotność danej cechy komputera SBC zależy od typu rynku, na jakim działa klient, czy ma dużą konkurencję oraz przeznaczenia produktu. Mnogość różnych modeli, formatów płytek, pozwala na dobór odpowiedniego rozwiązania, a przy większych zamówieniach jest możliwość modyfikacji w postaci dodania czy usunięcia interfejsów, dodania funkcjonalności BIOS-u itp.).

Istotną cechą komputera SBC jest cena jego zakupu, zwłaszcza że na rynku są dostępne bardziej komercyjne komputery Raspberry Pi czy UP, znajdujące zastosowanie w prostszych konstrukcjach. Warto jednak pamiętać, że w przypadku, gdy liczy się tzw. TCO, koszt rozwiązania przemysłowego może być całościowo niższy niż rozwiązania komercyjnego.

Klienci znają oczywiście przewagę rozwiązań przemysłowych i w większości przypadków zwracają uwagę na długi czas życia produktów - odbiorcy nie chcą przeprojektowywać urządzeń końcowych, zwłaszcza gdy dany model przemysłowego komputera SBC jest dostępny przez 4 do 7 lat. Koszty serwisowania urządzeń są również ważne, szczególnie jeżeli producent działa na rynku międzynarodowym (wspomniane wcześniej TCO). W tym przypadku pojedynczy serwis urządzenia komercyjnego może wynieść więcej niż różnica w zakupie.

FORM FACTOR

Większość komputerów SBC to prostokątna płytka z chipami oraz wielopinowym złączem lub gniazdami interfejsów umieszczonymi na jej obrzeżu, przez co można by oczekiwać, że po latach producentom uda się wypracować jakiś standard co do rozmieszczenia i wymiarów.

Takie próby były i są podejmowane, a branża co jakiś czas ekscytuje się nowym wypracowanym standardem (form factor), który za każdym razem jest określany jako przełomowy. Niemniej po chwili okazuje się, że pojawia się nowy pomysł na jeszcze mniejszy format.

W takiej rzeczywistości część producentów nie zaprząta sobie głowy normalizacją i tworzy własne konstrukcje. W efekcie na rynku funkcjonuje kilkadziesiąt rozwiązań, w tym także mniej lub bardziej otwarte (open source), rozwijane przez stowarzyszenia i fundacje (jak Raspberry Pi). W przypadku modułów COM/SOM standardów nie ma wcale, tak samo kompatybilności pinowej, za to są maleńkie wymiary, np. moduły procesorowe 40 × 40 mm lub komputerki w formacie karty PCI Express Mini 51 × 35 mm.

Główne branże i odbiorcy komputerów jednopłytkowych
 
Komputery jednopłytkowe trafiają przede wszystkim do aplikacji przemysłowych i służą do automatyzacji i komputeryzacji instalacji i systemów w takich zastosowaniach. Korzystają z nich też producenci OEM/ ODM tworzący w oparciu o nie swoje produkty. Trzecia pozycja grupuje zastosowania transportowe, gdzie małe komputerki są podstawą wielu systemów i instalacji. Istotną pozycję zajęły też zastosowania reklamowe, które od zawsze były postrzegane w tym obszarze jako znaczący klient, podobnie jak sektor rozrywkowy. Ten akurat okupuje dół wykresu, co jest znakiem, że ten sektor rynku ma już w kraju najlepsze czasy za sobą.

Poza nimi są tradycyjne płyty główne w wykonaniu przemysłowym w formatach Mini-ITX, MicroATX, ATX i EATX. Do tego dostępne są komputery jednopłytkowe (a więc z zamontowanym procesorem i pamięcią) o rozmiarach 5,25, 4, 3,5", a nawet o wielkości karty PICMG 1.3 jako System Host Board (SHB).

Są też moduły PC/104, PC/104-Plus, PCI-104, EPIC oraz EBX, a kolejne możliwości dają moduły płytek procesorowych SOM/COM, które są też dostępne w kilku formatach: ETX/XTX, COM Express w trzech odmianach Basic i Compact i Mini, SMARC, QSeven i uQSeven. Jak widać, wersji i pomysłów na "form factor" jest bez liku.

Piotr Zbysiński

SomLabs

  • Jak doszło do tego, że zakiełkował pomysł, aby zająć się produkcją komputerów SoM?

Własna produkcja jest dla nas doskonałym miejscem do obserwacji procesów zachodzących na rynku oraz ewolucji w procesach koncepcyjnych w zakresie projektowania i konstruowania urządzeń, a także okazją do rozmów z klientami. Jednym z wniosków z takich obserwacji było to, że mikrokontrolery o dużych zasobach sprzętowych tracą swoją atrakcyjność i są wypierane z rynku przez mikroprocesory, zapewniające większe możliwości przy niższych cenach.

Zjawisko to wynika z rosnących wymagań użytkowników elektroniki, bo nawet prosty sprzęt musi mieć dzisiaj komunikację bezprzewodową oraz kolorowy wyświetlacz graficzny z panelem dotykowym. Poza tym projekty trzeba przygotowywać w coraz krótszym czasie, a serie produkcyjne stają się coraz mniejsze.

Koszty opracowania urządzenia z wykorzystaniem zaawansowanych mikrokontrolerów dla złożonych aplikacji szybko rosną, także na skutek postępującej komplikacji i pracochłonności tworzenia firmware’u.

Z tych przyczyn konstruktorzy poszukują obecnie rozwiązań, które pozwalają ominąć te kłopoty, jak na przykład komputery jednopłytkowe SBC lub moduły SoM. Bazują one na wydajnych mikroprocesorach, mają dużą ilość pamięci pozwalającą na uruchomienie systemu operacyjnego i zawierają wszystkie popularne układy peryferyjne oraz oczywiście komunikację bezprzewodową. W ostatecznym rozrachunku takie podejście jest znacznie tańsze, nie tylko od strony ceny hardware’u, ale także kosztów pracy inżynierskiej.

Dlatego w firmie wpadliśmy na pomysł, aby zająć się opracowaniem i produkcją modułów komputerów SoM w wersji przemysłowej. Od razu założyliśmy wykorzystanie komponentów najwyższej jakości pochodzących od czołowych i wyłącznie renomowanych producentów światowych po to, aby termin "przemysłowy" odpowiadał ich jakości oraz dlatego, aby nie musieć niepotrzebnie zmagać się z konkurencją cenową ze strony firm azjatyckich.

  • Jak wygląda aktualnie komputer SoM z punktu widzenia odwiecznego dylematu konstruktora "robić swój czy kupić gotowy"?

Zasoby pamięci obecnie dostępnych mikrokontrolerów są ograniczone do 2-4 MB Flash, a układy takie z rdzeniem ARM Cortex-M kosztują często ponad 100 zł za sztukę. Wykorzystywany przez nas w VisionSOM mikroprocesor NXP i.MX6 z rdzeniem Cortex-A7 kosztuje cennikowo 5 dolarów i nawet jak dołączy się do niego dużą pamięć Flash i SDRAM, cena takiej jednostki będzie nadal sporo niższa.

Z uwagi na małą przestrzeń adresową do mikrokontrolera nie da się też podłączyć zewnętrznej pamięci o dużej pojemności. W efekcie z przyczyn technicznych i cenowych, gdy potrzebny jest Linux, trzeba sięgać po mikroprocesory.

Wykorzystanie we własnej aplikacji modułu komputera, który umieszcza się w podstawce wlutowanej we własną płytę bazową, jest korzystne, bo ta część może być tania, m.in. dzięki zastosowaniu do jej wykonania laminatu dwustronnego, a jednostka centralna komputera wymaga wysokiej jakości płytki 6-warstwowej. Niemniej jest ona mała i dzięki temu niedroga. Wykonanie całej, dużej wielowarstwowej płyty bazowej byłoby rozrzutnością.

Jako konstruktor elektronik dodam, że zaprojektowanie płytki dla takiego komputera nie jest banalne i jeśli ktoś myśli, że wystarczy poprowadzić połączenia autorouterem, to niestety bardzo się myli. Pamięć taktowana jest zegarem 667 MHz lub większym, przez co trzeba perfekcyjnie panować nad czasem propagacji sygnałów w magistralach i projektować ścieżki z kontrolą impedancji, aby uniknąć odbić sygnałów, które zakłócą prawidłowe działanie komputera.

16-bitową magistralę danych, 23 linie adresowe oraz sygnały sterujące trzeba zmieścić na małym kawałku laminatu i poprowadzić tak, aby dane i adresy pojawiły się równo w czasie i przed sygnałem latch. Każdy niuans projektu i wykonania PCB może spowodować zmianę czasu propagacji sygnałów synchronizujących, a w takim przypadku taktowanie z pełną szybkością przestaje działać i prototyp, za którym idą tygodnie pracy, wędruje do kosza.

W naszym przypadku projekt VisionSOM zabrał blisko pół roku pracy i wymagał kilku podejść do prototypu. Dlatego nie wierzę, aby w warunkach charakterystycznych dla rynku krajowego, a więc serii do 1000 sztuk, można było wyjść z kosztami na plus przy własnym opracowaniu. Warto też zauważyć, że dokumentacja techniczna mikroprocesora i.MX6 to 6000 stron, a gdy wykorzystuje się kilka typów pamięci, każdy chip trzeba znać w szczegółach.

CORAZ WIĘKSZA INTEGRACJA

Z roku na rok komputery jednopłytkowe mają coraz mniejsze wymiary, ale też większe zasoby oraz moc obliczeniową. Jest to bezsprzecznie zasługa nowych technologii półprzewodnikowych, a więc procesów o coraz mniejszym wymiarze charakterystycznym lub metod układania jednego układu na drugim (PoP - Package over Package), po to aby zajmowały na płytce drukowanej jak najmniej miejsca.

Przełomem stało się to, że procesory i inne układy (interfejsy) są dostępne jako bloki IP (a więc jako oprogramowanie) i mogą być łatwo integrowane w jednej strukturze jako układ SoC (System on Chip). Efekty są imponujące, bo nieźle wyposażony komputer zajmuje na płytce powierzchnię nieznacznie przekraczającą 20 cm².

Znakiem możliwości, jakie kryją się we współczesnej technologii półprzewodnikowej, jest także dostępność matryc FPGA, które też są przez producentów integrowane wielu rozwiązaniach SBC.

Popularne procesory wykorzystywane w SBC
 
Wykres ilustruje najpopularniejsze typy procesorów znajdujących się w kupowanych obecnie komputerach jednopłytkowych, a więc ARM- y A5– A9 – o średniej wydajności, które zdaniem pytanych są częściej wybierane niż produkty Intela z rodzin Core i Atom. Wydaje się, że wynika to z optymalnego z punktu widzenia zastosowań komputerów SBC połączenia wydajności poboru mocy i ceny oraz tego, że ARM- y łatwo jest scalić w ramach układu SoC w jeden chip z całą resztą. Procesory Core są sercem raczej jednostek wydajniejszych oraz tych o nieco większych wymiarach, a także ich ceny w porównaniu do najpopularniejszych ARM- ów są też wyższe. Stąd w zakresie małych komputerków w ostatnich latach ekspansja układów o architekturze ARM jest bardzo szybka.

Warto zauważyć, że w przypadku komputerów jednopłytkowych duża wydajność przestaje być priorytetem. Ona jest ważna w pełnowymiarowych komputerach przemysłowych (IPC). W omawianym obszarze ważniejsze są właśnie małe wymiary, niski pobór mocy oraz niewielki koszt, gdyż w ogromnej części zadania, jakie wykonują te jednostki, nie są bardzo złożone.

Dowodem potwierdzającym taką tezę jest to, że w ostatnich latach rynek SBC został zawojowany przez układy ARM Cortex i zapewne jest to też sygnał, że rynek komputerów SBC ewoluuje raczej w stronę wymagań aplikacji IoT niż przemysłowych rozwiązań procesowych. Bezsprzecznie sektor komputerów przemysłowych staje się coraz bardziej otwarty dla "przeciętnego" konstruktora, a coraz niższe ceny i większa dostępność sprawiają, że dostęp do tych rozwiązań jest praktycznie nieograniczony.

PLATFORMY OPEN SOURCE

 
Przegląd ofert dostawców komputerów jednopłytkowych

Przełomowym momentem dla rynku komputerów jednopłytkowych było pojawienie się platform open source, a dokładnie komputerka Raspberry Pi. Był on bardzo tani, nieźle wyposażony, dostępny dla każdego oraz dobrze udokumentowany. RPI wszedł przebojem na rynek, bo miał rewelacyjny stosunek ceny do możliwości.

Sukces RPI wywołał na rynku prawdziwą gorączkę złota, a kolejne platformy zaczęły wyrastać jak grzyby po deszczu. Aktualnie grupa najpopularniejszych liczy minimum kilkanaście pozycji, a całość nawet kilkadziesiąt. Najtańsze komputerki kosztują poniżej 10 dolarów!

W tworzenie i promocję takich rozwiązań zaangażowały się największe światowe firmy dystrybucyjne, dzięki czemu całość nie była jedynie chwilowym zainteresowaniem grup społeczności lub fundacji. Do wymienionego Raspberry Pi należy dodać BeagleBone, BananaPi, OrangePi, HummingBoard, Gizmo lub Odroid.

Do tej grupy można też dopisać wiele platform mniej otwartych, ale o podobnym charakterze i przeznaczeniu, jak Galileo, Wandboard, UP Board i inne. Efekt jest taki, że komputery tego typu trwale zmieniły rynek i stworzyły nową kategorię użytkowników, makerów, czyli takich hobbystów nowej generacji.

Platformom open-source brakuje wielu cech niezbędnych w aplikacjach przemysłowych, czyli szerokiego zakresu temperatur pracy, jakości, stabilności działania i wieloletniej dostępności, przez co ich możliwości aplikacyjne sięgają jedynie obszaru półprofesjonalnego, a więc takiego o łagodnych wymaganiach.

W praktyce wiele zastosowań z pogranicza da się za ich pomocą obsłużyć i tym samym stają się one znaczącą częścią rynku, z którą trzeba się liczyć.

Prezentacje przykładowych firm powiązanych z tematyką tej analizy znajdują się na stronie:

 

Najlepsi w branży