Компьютерные модули 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, 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 выполнить с помощью стандартных встраиваемых плат, так и для реализации задач обновления технического решения наследственных или устаревших систем.

Описание преимуществ и наиболее популярных среди разработчиков и пользователей встраиваемых систем стандартов компьютерных модулей ETX, QSeven, SMARC, СOM Express и COM-HPC представлено в статье «Компьютерные модули. Описание преимуществ применения и обзор популярных стандартов» [1].

В статье будет приведено описание одного из самых молодых стандартов (SMARC) и модулей отечественного разработчика — компании АО «НПК «АТРОНИК».

SMARC

Стандарт SMARC (Smart Mobility ARChitecture) разработан консорциумом SGET в 2013 г. 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 промышленной автоматизации до медицинского оборудования и транспортных средств.

Кроме того, модули SMARC (рис. 1) зарекомендовали себя при создании компактных портативных устройств, где энергопотребление не должно превышать нескольких ватт, а вычислительная мощность должна быть особенно высокой.

Рис. 1. Компьютерный модуль МЦП1502 стандарта SMARC c несущей платой и теплоотводящей пластиной

Модули могут быть построены на процессорах с архитектурами ARM, X86 или RISC и поддерживать различные операционные системы, такие как Linux, Windows Embedded и даже QNX.

Среди разработчиков встраиваемых систем модули SMARC популярны благодаря своей гибкости, модульности и производительности. Они позволяют сократить время разработки и упростить сопровождение системы, что делает их оптимальным выбором для широкого спектра приложений.

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

Рис. 2. Габаритные размеры модулей SMARC

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

• Компактный размер: SMARC-модули имеют габариты с кредитную карту, что делает их оптимальными для использования в ограниченном пространстве. Они часто применяются в промышленных компьютерах, медицинских приборах и автоматизированных системах.
• 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 обновление их при необходимости.
• Низкое энергопотребление: SMARC-модули обычно имеют низкое энергопотребление, что делает их эффективными для использования в портативных и мобильных устройствах. Это оптимальный вариант для разработчиков, которые стремятся создать энергоэффективные продукты.
• 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.
• Легкость разработки: SMARC-модули предоставляют готовую платформу, которую разработчики могут использовать для ускорения процесса разработки. Они содержат основные компоненты и интерфейсы, такие как Ethernet, USB, HDMI, CAN, PCIe, и другие, чтобы обеспечить подключение к периферийным устройствам и сосредоточиться на разработке приложения, не занимаясь проектированием базовой аппаратной платформы.
• Надежность: SMARC-модули обычно производятся в соответствии с высокими стандартами качества и имеют долгий срок службы. Это делает их надежным выбором для эксплуатации в критически важных приложениях, где требуется стабильная работа и минимальные сбои.
• Спецификация определяет два размера модуля: 82×50 мм и 82×80 мм (рис. 2). Основное питание модулей составляет 5 В.
• Список обязательных и дополнительных интерфейсов модуля приведен в таблице 1.
  • «Обязателен» указывает на обязательное требование.
  • «Рекомендован» указывает на рекомендуемое, но не обязательное требование.
  • «Может быть» указывает на редко используемый дополнительный интерфейс.

Печатные платы модуля имеют 314-контактный краевой разъем, который соединяется с низкопрофильным 314-контактным прямоугольным разъемом типа MXM3 на несущей плате.

Разъем MXM3 обычно используется для видеокарт. Но назначение контактов на модулях SMARC и графических картах — различное. Контакты модуля SMARC намеренно пронумерованы как P1–P156 и S1–S158, чтобы отличить модуль SMARC от графического модуля MXM3.

В таблице 2 приведен перечень рекомендованных к использованию разъемов.

Обзор SMARC-модулей НПК «АТРОНИК»

Основными направлениями деятельности НПК «АТРОНИК» являются:

• Разработка и серийное производство специализированных вычислителей для тяжелых условий эксплуатации.
• Контрактное производство электроники для ответственных применений.
• Разработка сложной электроники по ТЗ заказчика.
• Разработка и производство устройств биометрической идентификации.

В состав компании входит специализированное конструкторское бюро (СКБ) и современное автоматизированное производство электронных изделий. Коллектив НПК «АТРОНИК» имеет опыт в разработке спецвычислителей для экстремальных условий эксплуатации от уровня схемотехники и исходных кодов. Используемые производственные технологии позволяют выпускать вычислители любого уровня сложности, а гибкость технологических процессов дает возможность выпускать изделия любой серийности, от опытных образцов до партий в сотни тысяч штук. Вовлеченность технологов на ранних стадиях в процесс разработки позволяет существенно сократить время от технического задания до получения литеры О1.

МЦП1502 — высоконадежный промышленный компьютерный модуль, соответствующий спецификации SMARC 2.1 (рис. 3). Дублированные коммуникационные интерфейсы CAN, UART, Ethernet, PCIe позволяют эффективно использовать его в системах управления транспортными средствами.

Рис. 3. Модуль МЦП1502 производства АО «НПК «АТРОНИК»

Возможность подключения двух видеокамер высокого разрешения, встроенный ISP, оперативная память с коррекцией ошибок позволяют использовать его для самых ответственных задач на воде, земле и воздухе.

На рис. 4 представлен модуль МЦП1503, выполненный в соответствии со спецификацией SMARC 2.1.

Рис. 4. Модуль МЦП1503 производства АО «НПК «АТРОНИК»

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

В таблице 3 приведен сравнительный анализ модулей SMARC производства АО «НПК «АТРОНИК».

Для тестирования и отладки компьютерных модулей НПК «Атроник» предлагает модуль МЦП905 (рис. 5), выполненный в форм-факторе 3,5″. Модуль может быть построен на базе МЦП1502 или МЦП1503 (рис. 1) и обеспечивает доступ к интерфейсам, расположенным на SMARC-модулях.

Рис. 5. Модуль МЦП905 производства АО «НПК «АТРОНИК»

Гибкие возможности расширения с помощью стандартизованных модулей miniPCIe, M.2, ClickBoard позволяют использовать его в АСУ ТП, системах видеоаналитики, мониторинга и управления транспортными средствами и объектами транспортной инфраструктуры.

Заключение

Преимущества использования SMARC-модулей:

• Гибкость: SMARC-модули обеспечивают возможность выбора подходящего процессора и характеристик для конкретного приложения. Это позволяет оптимизировать систему под требуемые задачи.
• Компактность: модули SMARC объединяют множество интерфейсов в одном компактном модуле, что упрощает проектирование и снижает размер системы.
• Легкость модернизации: стандартизированный формат и распиновка SMARC-модулей облегчают их замену или модификацию, что позволяет быстро адаптировать конечное изделие к новым требованиям или технологиям.
• 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.