Обзор компьютерных модулей формата SMARC от НПК "АТРОНИК"

Компьютерные модули, называемые также компьютерами на модуле (Computer-on-Module) или системами на модуле (System-on-Module), представляют собой компактный вычислитель, содержащий центральный процессор (ЦП), память, контроллеры периферии и вторичные источники питания. Все периферийные интерфейсы выведены на разъемы в соответствии с общепринятой спецификацией.

Компьютерные модули широко применяются как для решения тех задач, которые невозможно эффективно решить с помощью стандартных встраиваемых плат, так и для решения задач обновления технического решения наследственных или устаревших систем.

Описание преимуществ и выпускаемых НПК АТРОНИК компьютерных модулей в форм-факторах ETX, SMARC, СOM Express представлено в статье «Компьютерные модули НПК АТРОНИК»

Далее будет приведено описание стандарта встраиваемых компьютерных модулей: SMARC и краткое описание модулей НПК АТРОНИК в данном стандарте.

Описание стандарта SMARC

Стандарт SMARC («Smart Mobility ARChitecture») разработан консорциумом SGET в 2013 году. Модули стандарта быстро стали очень популярными масштабируемыми строительными блоками, позволяющими разработчикам создавать приложения нового поколения.

Модули SMARC предназначены для создания компактных вычислительных устройств с низким энергопотреблением. Область применения модулей SMARC постоянно расширяется по мере развития технологий Интернета вещей и искусственного интеллекта: от решений по автоматизации производства до обработки изображений, мультимедиа и т.п. Они также могут быть использованы в различных приложениях, от промышленных автоматизации до медицинского оборудования и транспортных средств

Кроме того, модули SMARC зарекомендовали себя при создании компактных портативных устройств, где энергопотребление не должно превышать нескольких ватт, а вычислительная мощность должна быть особенно высокой.

SMARC-модули могут быть построены на базе центральных процессоров с архитектурами ARM, X86 или RISC и поддерживают различные операционные системы, такие как Linux, Windows Embedded и даже QNX.

Модули SMARC являются популярными среди разработчиков встраиваемых систем благодаря своей гибкости, модульности и производительности. Они позволяют сократить время разработки и упростить сопровождение системы, что делает их идеальным выбором для широкого спектра приложений

Модули SMARC имеют стандартизированный форм-фактор и интерфейсы (назначение контактов жестко прописано в спецификации), что позволяет легко заменять модули в системе без необходимости перепроектирования всей системы.

Компьютерные модули SMARC имеют несколько преимуществ по сравнению с другими компьютерными модулями:

1) Компактный размер: SMARC-модули имеют габариты с кредитную карту, что делает их идеальными для использования в ограниченном пространстве. Они часто используются во встраиваемых системах, таких как промышленные компьютеры, медицинские приборы и автоматизированные системы.

2) Масштабируемость: SMARC-модули предоставляют гибкую платформу для разработчиков, позволяя им выбирать модули от разных производителей с различными характеристиками и возможностями, такими как процессор, оперативная память, графика и т. д. Это обеспечивает масштабируемость в разработке продуктов и легкое обновление их при необходимости.

3) Низкое энергопотребление: SMARC-модули обычно имеют низкое энергопотребление, что делает их эффективными для использования в портативных и мобильных устройствах. Они являются идеальным выбором для разработчиков, которые стремятся создать энергоэффективные продукты.

4) Стандартизация: SMARC-модули разработаны на основе открытого стандарта, что обеспечивает совместимость и переносимость. Это позволяет разработчикам использовать SMARC-модули от разных производителей и без проблем комбинировать их с другими компонентами системы.

5) Легкость разработки: SMARC-модули предоставляют готовую платформу, которую разработчики могут использовать для ускорения процесса разработки. Они включают в себя основные компоненты и интерфейсы, такие как Ethernet, USB, HDMI, CAN, PCIe и другие, чтобы обеспечить подключение к периферийным устройствам, что позволяет сосредоточиться на разработке приложения, не занимаясь проектированием базовой аппаратной платформы.

6) Надежность: SMARC-модули обычно производятся производителями промышленных модулей в соответствии с высокими стандартами качества и имеют долгий срок службы. Это делает их надежным выбором для использования в критически важных приложениях, где требуется стабильная работа и минимальные сбои.

Спецификация определяет два размера модуля: 82 мм x 50 мм и 82 мм x 80 мм (рис.1). Основное питание модулей – 5В.

Рисунок 1. Габаритные размеры модулей SMARC

 Список обязательных и дополнительных интерфейсов модуля приведен, а таблице 1:

«Обязателен» указывает на обязательное требование

«Рекомендован» указывает на рекомендуемое, но не обязательное требование.

«Может быть» указывает на редко используемый дополнительный интерфейс.

Таблица 1. Список интерфейсов модулей SMARC.

Печатные платы модуля имеют 314 контактный краевой разъем, который соединяются с низкопрофильным 314-контактным прямоугольным разъемом типа MXM3 на несущей плате (рис. 2).

Рисунок 2. Компьютерный модуль SMARC c несущей платой.

Разъем MXM3 обычно используется для видеокарт или модулей в форм-факторе SODIMM. Но назначение контактов на Модулях SMARC и графических картах – различные. Контакты модуля SMARC намеренно пронумерованы как P1 – P156 и S1 – S158 с целью отличия модуля SMARC от графического модуля MXM3.

В таблице 2 приведен перечень рекомендованных к использованию разъемов.

Таблица 2. Перечень рекомендованных разъемов для подключения модулей SMARC.

Обзор модулей SMARC производства НПК АТРОНИК.

Компания НПК "АТРОНИК" разрабатывает и серийно производит спецвычислители (рис.3) для бортовых и наземных систем автоматизации, в том числе в соответствии с требованиями по устойчивости к внешним воздействующим факторам.

Рисунок 3. Примеры продукции НПК АТРОНИК

Разрабатываемые НПК АТРОНИК вычислительные блоки построены по модульному принципу и весьма универсальны. Построение спецвычислителей на базе мезонинных компьютерных модулей в форм-факторах: ETX, COM Express, SMARC и наличие стандартных шин и слотов расширения: miniPCIe, M.2 и т.п. позволяют изменять функционал и производительность в зависимости от сценария применения.

При проектировании модулей и блоков изначально заложены принципы импортонезависимости и долгосрочной доступности продукции на рынке.  Основные компоненты, используемые в изделиях разработаны и производятся на заводах в КНР и не имеют никакого отношения к европейским и американским производствам. Диверсифицированы каналы поставок критичных компонентов, с поставщиками заключены долгосрочные договора, подтверждающие беспроблемную поставку как в настоящее время, так и на период до семи лет вперед.

В выпускаемых модулях и блоках применены радиоэлектронные компоненты не специального, а общепромышленного назначения, что обеспечивает огромное количество каналов их поставок. Кроме того:

- трассировка печатных плат и технологические процессы ее изготовления выполнены с учетом возможности их изготовления на территории РФ;

- заложены дублирующие интерфейсы (при работе модулей может использоваться как напаянная Flash память и, при проблемах поставки микросхем памяти может использоваться стандартно выпускаемая множеством компаний внешний модуль памяти);

- собственным программным обеспечением решается задача поддержки открытых и отечественных операционных систем, что обеспечивает нашим изделиям независимость от импортного программного обеспечения. Наличие в АО «НПК «АТРОНИК» команды высококвалифицированных программистов позволяет в сжатые сроки разработать необходимые драйверы для отечественных операционных систем;

- ключевые компетенции по производству модулей и специализированного ПО принадлежат сотрудникам АО «НПК «АТРОНИК».

В настоящее время усилия многих разработчиков встраиваемых процессорных модулей сосредоточены на использовании компонентной базы производства КНР. Многие ведут обновление ЭКБ серийных изделий на компоненты с континентального Китая. НПК «АТРОНИК» не исколючение, в настоящее время инженерные усилия компании сосредоточены на использовании компонентной базы производства КНР.

НПК «АТРОНИК» параллельно с вычислительными модулями на базе ЦП Intel Atom выпускает вычислители на ЦП DM&P Vortex 86DX3, активно ведется внедрение ЦП RockChip RK3568/3588, на которых уже изготовлены компьютерные модули МЦП1502 и МЦП1503. Данные модули уже в текущем году станут вычислительными ядрами в серийных блоках АТРОНИК. Также данные вычислители предлагаются заказчикам, ведущим самостоятельную разработку вычислительных блоков, контроллеров и т.п.

Модули АТРОНИК на ЦП RockChip RK3568J (МЦП1502) и RK3588J (МЦП1503).полностью соответствуют спецификации SMARC 2.1.1 Дублированные коммуникационные интерфейсы (Ethernet, CAN, RS-232/422/485), система коррекции ошибок памяти (ECC), промышленный температурный диапазон эксплуатации обеспечивают эффективное использование модулей в высоконадежных системах управления транспортными средствами.

Встроенный нейросетевой ускоритель и возможность подключения видеокамер высокого разрешения, позволяют использовать его в системах интеллектуальной видеоаналитики и управления беспилотными транспортными средствами.

На рисунках  4 и 5  представлен компьютерные модули МЦП1502 и МЦП1503.

Рисунок 4. Модуль МЦП1502 производства АО «НПК «АТРОНИК»	Рисунок 5. Модуль МЦП1503 производства АО «НПК «АТРОНИК»

Основные отличия модулей МЦП1502 и МЦП1503 приведены в таблице 3.

Таблица 3. Сравнение модулей SMARC МЦП1502 и МЦП1503

Рисунок 6. Сравнение производительности процессоров, DMIPS 

** DMIPS – анг. Dhrystone MIPS. Стандарт для сравнения производительности разных микроконтроллеров / микропроцессоров в разных наборах команд.

Для задач тестирования, отладки прикладного программного тестирования для модулей МЦП1502 и МЦП1503  НПК Атроник предлагает использовать модуль центрального процессора  МЦП905.

Рисунок. 7. Модуль центрального процессора  МЦП905

МЦП905 конструктивно состоит из трех элементов (рисунок 7): Компьютерного модуля стандарта SMARC (в центре), несущей платы (вверху) и теплоотводящей пластины (внизу). Отладочный комплект может быть построен на базе МЦП1502 или МЦП1503  и обеспечивает доступ к интерфейсам расположенных на SMARC модулях.

МЦП905 – это высоконадежный промышленный компьютер, выполненный в форм-факторе 3,5”. Дублированные коммуникационные интерфейсы CAN, RS485/422, Ethernet и гибкие возможности расширения с помощью стандартизованных модулей miniPCIe, M.2, ClickBoard позволяют использовать его для решения большинства пользовательских задач.  Конструктив МЦП905(не требующий систем активного охлаждения) позволяет применять его без каких-либо доработок в вычислительных устройствах АСУ ТП, системах видеоаналитики, мониторинга и управления транспортными средствами,  объектами транспортной  и  критической информационной инфраструктуры (КИИ).

Примеры блоков на базе модулей SMARC

Как говорилось выше, НПК Атроник поставляет компьютерные модули в разницу, так и использует их в составе серийных и заказных вычислительных блоках.

В настоящее время НПК Атроник применяет модули формата SMARC в следующих вычислителях:

- Блок компьютера ВК02. Применяется в составе микропроцессорных системах управления (МСУ) маневровых тепловозов. Блок предназначен для реализации алгоритмов управления, диагностики силового и вспомогательного оборудования в составе систем управления железнодорожного подвижного состава, а также функции «Автомашинист».

Рисунок. 8. Блок компьютера ВК02

- Блок центрального процессора БЦП01 предназначен для применения в качестве быстродействующего и малопотребляющего бортового компьютера. К его особенностям можно отнести большое количество интерфейсов CAN, возможность обмена по двум каналам Ethernet, вывод графической информации на внешний экран (DVI), непрерывный режим работы в течение не менее 24 часов.

Рисунок. 9. Блок центрального процессора БЦП01

 - Биометрический терминал БМТ02.  Предназначен для биометрической идентификации по геометрии лица в составе системы контроля и управления доступом СКУД. Терминал имеет влагозащищенное вандалоустойчивое исполнение и расширенный диапазон рабочих температур.

Рисунок. 10. Биометрический терминал БМТ02

 - Блок индикации машиниста БИ М12. 12 дюймовый панельный компьютер, предназначенный для вывода графической и звуковой информации, приема и передачи данных в систему управления поездом, отображения видео, поступающего с камер системы видеонаблюдения.

Рисунок. 11. Блок индикации машиниста БИ М12

 - Блок индикации машиниста БИ М19. Это 19 дюймовый панельный компьютер, осуществляющий вывода графической и звуковой информации, приема и передачи данных в систему управления поездом.

Рисунок. 12. Блок индикации машиниста БИ М19.

Особенностям блоков БИ М12 и БИ М19 являются:

-развитые коммуникационные возможности (1 x RS-232 с гальванической изоляцией; - 2 x Ethernet 10/100 Мбит/с с гальванической изоляцией; - 4 x CAN2.0B с гальванической изоляцией; - 1 x USB 2.0;)

- очищаемая плоская передняя панель;

- отсутствие вентиляторов и отверстий в корпусе;

- PCAP сенсорный экран на ударопрочном стекле.

Заключение

Преимущества использования SMARC-модулей включают:

1) Гибкость: SMARC-модули обеспечивают возможность выбора подходящего процессора и характеристик для конкретного приложения. Это позволяет оптимизировать систему под требуемые задачи.

2) Компактность: Модули SMARC объединяют множество интерфейсов в одном компактном модуле, что упрощает проектирование и снижает размер системы.

3) Легкость модернизации: Стандартизированный формат и назначение контактов SMARC-модулей облегчают их замену или модификацию, что позволяет быстро адаптировать конечное изделие к новым требованиям или технологиям

4) Возможность масштабирования: SMARC-модули поддерживают различные процессоры и периферийные устройства, что позволяет расширять возможности конечной системы и улучшать ее производительность

В целом, SMARC-модули представляют собой современное и гибкое решение для создания вычислительных систем и устройств, обладающее преимуществами компактности, масштабируемости, энергоэффективности, стандартизации, легкости разработки и надежности. Использование SMARC-модулей может быть полезно во множестве областей, таких как автоматизация, медицина, телекоммуникации, промышленность и другие, где требуется компактный масштабируемый встраиваемый вычислительный модуль.