Планшетный компьютер на базе процессорного модуля

№ 8’2015
PDF версия
Рост требований к производительности, габаритам и потребляемой мощности современных вычислительных систем, а также необходимость сокращения времени выхода готового устройства на рынок (time-to-market) привели к возникновению спроса на так называемые процессорные модули, или COM (Computer-On-Module).
В статье показаны возможности процессорных модулей стандарта QSeven на простом примере планшетного компьютера. В нем реализованы все необходимые для вычислительного устройства функции — ввод/вывод, хранение и обработка информации, а также дополнительно выведены проводные (USB, LAN) и беспроводной (Wi-Fi) интерфейсы. Разработка этого устройства одним инженером заняла не более двух недель с использованием готовых модулей и установкой готового образа операционной системы.

Зачастую при разработке технического устройства могут потребоваться большие временные и финансовые затраты, если от этого устройства необходима вычислительная мощность, превышающая возможности современных микроконтроллеров. Ведь речь может идти о высокоскоростных интерфейсах, непременно сопровождающихся сложным расчетом электромагнитной совместимости и серьезными требованиями к парку измерительной аппаратуры. А использование процессорного устройства потребует применения дорогостоящих технологий изготовления многослойных плат (6–10 слоев и более).

 

Процессорные модули и стандарты

Одна из особенностей модульного принципа построения систем (рис. 1) заключается в том, что при разработке и производстве устройства часть функций, которую можно выделить как общую для целой серии устройств, выносится на отдельный модуль. В таком случае разработку и производство самого модуля можно делегировать стороннему производителю и существенно сократить временные и финансовые затраты на осуществление всего проекта. Для компьютерных систем наиболее общим для всех устройств набором функций обладает процессорная часть со вспомогательными компонентами и необходимым программным обеспечением (ПО): загрузочная программа, операционная система, интерфейс EAPI (Embedded Application Programming Interface, интерфейс прикладного программирования для встраиваемых приложений).

Модульный принцип построения встраиваемых систем (процессорный модуль и несущая плата)

Рис. 1. Модульный принцип построения встраиваемых систем (процессорный модуль и несущая плата)

Если в момент появления модулей на рынке встраиваемых систем их производители не стандартизировали свою продукцию, то на сегодня мы имеем возможность выбирать из списка сразу нескольких разных стандартов COM. В зависимости от типа решаемых задач можно выделить основные стандарты, которые получили наибольшее распространение в России.

COM Express

COM Express — стандарт, в основном, с центральным процессором на архитектуре x86. Обеспечивает широкий набор интерфейсов, в т. ч. высокоскоростных (USB 3.0, SATA III, PCI Express Gen 3, Ethernet 10/100/1000, LVDS, HDMI), промышленных (CAN, SPI, GPIO, SDIO, I2C) и др. Использование модулей этого стандарта предполагается в высокопроизводительных системах (вплоть до использования процессоров Intel Core i7, если возможно применение кулера для охлаждения системы) [1]. Последняя спецификация стандарта COM Express определяет следующий набор форм-факторов [1]:

  • Extended — 110×155 мм;
  • Basic — 95×125 мм;
  • Compact — 95×95 мм;
  • Mini — 55×84мм.

Такие модули широко применяются в устройствах телекоммуникации и в средствах связи, в радарных системах, системах видеонаблюдения и видеоаналитике (распознавание лиц, номеров автомобилей и т. п.) [5, 7].

QSeven

QSeven — кроссплатформный стандарт, поддерживающий работу как на архитектуре x86, так и на архитектуре ARM. Имеет несколько более урезанный по сравнению с COM Express набор интерфейсов (рис. 2) и, как следствие, более компактный соединительный разъем [3]. Однако этого набора зачастую достаточно, чтобы построить полноценную вычислительную систему. Стандарт QSeven определяет верхнюю границу потребляемой модулем мощности — 12 Вт, что существенно для мобильных систем с автономным питанием (активное охлаждение требует дополнительных затрат энергии) [2].

Набор интерфейсов стандарта QSeven

Рис. 2. Набор интерфейсов стандарта QSeven

В последней спецификации QSeven 2.0 описаны два форм-фактора [2]:

  • QSeven 70×70 мм (площадь модуля QSeven на 5% больше площади модуля COM Express Mini);
  • μQSeven 40×70 мм.

В целом, стандарт QSeven является более универсальным при создании мобильных автоматизированных систем, чем COM Express, благодаря своей кроссплатформности (на одной базовой плате возможно использование модулей как на платформе x86, так и на платформе ARM), миниатюрности и низкой потребляемой мощности. В связи с этим модули QSeven стали широко применяться в мобильных средствах связи, в различных переносных датчиках параметров среды (аналитика вибраций, химического состава окружающей среды, радиоизлучений и т. п.), в «тонких» клиентах, сканерах отпечатков пальцев и т. п. [9].

Зачастую бывает необходимо сократить срок разработки готового изделия и уменьшить время вывода его на рынок настолько, что разработка устройства «с нуля» становится нерациональным решением. В этом случае, конечно, следует ориентироваться на применение готовых процессорных модулей. При этом начать нужно с выбора платформы: если требуется мощная вычислительная система, то в ее основе должен быть модуль COM Express; если же требуется компромиссное решение между производительностью и потреблением мощности, то следует ориентироваться на модули QSeven.

 

Пример планшетного компьютера на базе процессорного модуля

В собранном устройстве — планшетном компьютере без охлаждения — установлен модуль стандарта QSeven компании Congatec QMX6/QC‑1G eMMC4 с четырехъядерным ЦПУ Freescale i.MX6, со встроенными ОЗУ 1 Гбайт и накопителем eMMC 4 Гбайт (рис. 3). Достаточно мощный процессор с четырьмя ядрами ARM Cortex-A9 позволяет решать сложные вычислительные задачи, а наличие оперативной памяти и SSD-накопителя на борту модуля освобождает от дополнительных трудностей с сопряжением ОЗУ и ЦПУ и подключением внешних накопителей. Пакет BSP для Linux Ubuntu взят с сайта производителя [10] и скомпилирован при отладке всей системы. Благодаря полноценной поддержке EAPI от производителя мы имеем полный доступ ко всем внешним интерфейсам процессорного модуля под управлением установленной операционной системы [6].

Панельный компьютер (лицевая сторона)

Рис. 3. Панельный компьютер (лицевая сторона)

Выбор стандарта обусловлен компактностью модуля (по сравнению с модулями COM Express) и возможностью масштабировать систему в двух направлениях — как по линии развития процессоров с архитектурой ARM (например, Freescale, NVIDIA, Texas Instruments), так и по линии развития процессоров с архитектурой x86 (например, Intel, AMD, VIA). Таким образом, при появлении следующих серий модулей QSeven с новыми процессорами ARM и x86 достаточно будет установить новый модуль в систему, а саму систему разрабатывать заново не придется.

Одним из самых важных этапов на стадии выбора компонентов (до принятия решения о типе вычислительной платформы) для компьютерной системы является выбор средств ввода/вывода информации, то есть, в случае планшетного компьютера, это выбор типа сенсорной панели и матрицы LCD. Обычно с точки зрения пользователя планшетного устройства важны следующие параметры: диагональ матрицы, ее пропорции, а также ее толщина, яркость, контрастность и глубина цвета (битность изображения). Эти параметры должны быть прописаны в техническом задании. В соответствии с указанными критериями для применения в планшетных устройствах компания NLT Technologies предлагает серию PCAP LCD-панелей с диагоналями от 5,7 до 21,3 и с различными опциями (в том числе покрытие антивандальным или декоративным стеклом, антибликовое или олеофобное покрытие — пленка, отталкивающая жиры от сенсорного экрана, уменьшает загрязнение при интенсивном использовании). Работа сенсоров поддерживается драйверами под Windows 7/8, Linux Ubuntu, Android.

Для планшетного устройства были выдвинуты следующие требования к матрице:

  • диагональ 10,4;
  • разрешение 1024×768;
  • яркость не менее 400 кд/м2;
  • контрастность не менее 800:1;
  • рабочий температурный диапазон –30…+80 °C;
  • встроенный тач-контроллер;
  • интерфейс lvds.

Наличие на борту модуля QMX6/QC‑1G eMMC4 микросхемы преобразователя видеосигналов ЦПУ в сигналы LVDS упрощает вывод изображения на матрицу. Спецификация QSeven 2.0 определяет возможность вывода этих сигналов на общий разъем MXM с максимальной конфигурацией Dual Channel 24 bits LVDS [2]. Поэтому из списка номенклатуры NLT Technologies была выбрана матрица NL10276BC20-18BD-C1, параметры которой удовлетворяют вышеизложенным требованиям и которая легко сопрягается с видеовыходом процессорного модуля по интерфейсу LVDS.

Питание устройства осуществляется с помощью платы управления питанием SBM3/2‑cell (Smart Battery Manager) компании Congatec. На основной плате организовано питание микросхемы BIOS, разведены интерфейсы LVDS для передачи сигналов изображения, порты 3×USB и 1×GLAN, а также аудиовыход. В качестве внешнего накопителя подключен модуль SSD 32 Гбайт по интерфейсу mSATA [8]. Для беспроводной связи предусмотрен Wi-Fi-модуль, подключенный к разъему mini-PCIe (рис. 4) [4].

Панельный компьютер (вид изнутри)

Рис. 4. Панельный компьютер (вид изнутри)

При необходимости снабдить полученное устройство дополнительной периферией (например, 3G/4G-модуль, звуковая карта и т. п.) потребуется незначительная доработка несущей платы и корпуса, а не полный перерасчет всего устройства в целом.

 

Выводы

В статье рассматривается возможность упрощения и ускорения разработки компьютерных систем с помощью применения готового процессорного модуля и панели LCD со встроенным PCAP-сенсором и тач-контроллером на примере планшетного компьютера. Таким образом, у разработчика освобождаются дополнительные ресурсы, позволяющие сосредоточиться исключительно на уникальных функциях своего устройства. Исходя из опыта применения компонентов встраиваемых систем, можно отметить следующее.

Во‑первых, при выборе процессорных модулей следует ориентироваться на задачи, которые будет решать разрабатываемое устройство. Если требования к производительности достаточно высокие, то лучше выбрать стандарт COM Express; если же высокая производительность не требуется, то перспективнее будет использовать модули стандарта QSeven благодаря целому ряду преимуществ: миниатюрность модуля, низкое энергопотребление и кроссплатформенность.

Во‑вторых, при выборе средств отображения информации можно использовать готовые комплекты, предлагаемые производителями матриц, в соответствии со специальными требованиями поставленной задачи. Например, для планшетного компьютера это может быть матрица со встроенным PCAP-сенсором и тач-контроллером. При этом не нужно тратить время на подбор подходящих по размерам компонентов, будь то антивандальное или сенсорное стекло.

Литература
  1. www.picmg.org/wp-content/uploads/PICMG_COMDG_2.0‑RELEASED‑2013-12-061.pdf /ссылка утрачена/
  2. www.qseven-standard.org /ссылка утрачена/
  3. Qsevenpinout, electromechanical description and implementation guidelines, Revision 2.0. Qseven Consortium. 2010.
  4. Qseven Design Guide, Revision 1.0. Qseven Consortium. 2012.
  5. Румянцев С. Архитектура истандарт COM Express // Мир электронных компонентов. 2008. Вып. 3.
  6. Как сократить время разработки изделий на процессоре с ядром ARM: процессорные модули Qseven. 2012.
  7. Компьютеры-на-модуле COM Express для ответственных применений. Каталог ЭЛТЕХ. 2013.
  8. Румянцев С., Некрасов А. Надежному промышленному компьютеру — надежную память, или Основные отличия промышленных и коммерческих SSD // Компоненты и технологии. 2011. № 11.
  9. Семенов Н., Некрасов А. Выбор управляющего процессорного модуля для встраиваемых систем // Control Engineering Россия. 2013. № 1.
  10. www.congatec.com/ru.html

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *