基于Raspberry Pi的快速系統(tǒng)原型設(shè)計

Arduino 和 Raspberry Pi 沒有為商業(yè)產(chǎn)品中的電子硬件提供足夠的模擬。專業(yè)工程師需要工業(yè)級原型設(shè)計解決方案。他們需要一個“工業(yè) Pi”。

除了易于使用之外，像 Arduino 和 Raspberry Pi 這樣的快速原型制作平臺的最大優(yōu)點是它們的成本極低。除非你是專業(yè)工程師。

所謂的“創(chuàng)客板”最初是為大型 STEM 教育環(huán)境設(shè)計的，因此必須盡可能便宜。結(jié)果，它們集成了許多不適合商業(yè)部署的電子元件。換句話說，它們很便宜。

盡管出于顯而易見的原因，快速原型設(shè)計的概念對工業(yè)設(shè)計師很有吸引力，但 Arduino 和 Raspberry Pi 級設(shè)備通常無法為將在其成品中使用的電子硬件提供足夠的模擬。這些開發(fā)人員需要更多的工業(yè)級原型設(shè)計平臺，這些平臺仍然允許他們快速完成設(shè)計迭代。

為什么不使用計算機(jī)模塊 （COM）？

為什么不使用 COM 進(jìn)行工業(yè)原型設(shè)計？

COM 架構(gòu)在 2000 年代末和 2010 年代初在工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療和運輸行業(yè)中流行起來，作為延長電子系統(tǒng)部署壽命的一種方式。他們通過兩板架構(gòu)實現(xiàn)了這一點：

首先，包含系統(tǒng)可能需要的所有 I/O 和接口的特定應(yīng)用載板將被設(shè)計成一臺機(jī)器。

然后，在載體頂部插入一個計算模塊，以提供最終應(yīng)用程序使用的處理、內(nèi)存和 I/O 控制器。

為確保設(shè)計相隔數(shù)年或可能數(shù)十年的電路板之間的兼容性，開放 COM 標(biāo)準(zhǔn)指定了在模塊和載體之間傳輸信號的連接器。迄今為止，這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中最成功的是 PICMG 的 COM Express、Qseven 和SGET SMARC。

這種架構(gòu)的好處是它可以防止硬件過時。例如，如果一臺機(jī)器需要運行比最初設(shè)計的更強(qiáng)大、更復(fù)雜的軟件堆棧，工程師可以簡單地將現(xiàn)有的計算模塊換成具有更高計算機(jī)和內(nèi)存性能的計算模塊。承運人保持不變，系統(tǒng)中的其他一切也一樣。

例如，像LEC-PX30之類的 SMARC 模塊本身就是為滿足苛刻的平均故障間隔時間 （MTBF）、長生命周期和工業(yè)嵌入式應(yīng)用程序的嚴(yán)格修訂控制而設(shè)計的（圖 1）。

圖 1.像 ADLINK LEC-PX30 這樣的 SMARC 計算模塊專為工業(yè)用例而設(shè)計，包括邊緣連接器等堅固的組件，以實現(xiàn)高平均故障間隔時間和長生命周期，同時保持嚴(yán)格的修訂控制

因此，如果您可以使用 COM 將部署的系統(tǒng)從 A 點帶到 B 點，為什么不使用 COM 將設(shè)計從原型設(shè)計到生產(chǎn)？嗯，COM 傳統(tǒng)上并沒有被用作原型平臺，因為：

為了優(yōu)化設(shè)計的性能、尺寸和成本，系統(tǒng)集成商或最終用戶通常會設(shè)計自己的特定應(yīng)用載板。這可能很耗時。

從一個目標(biāo)優(yōu)化軟件到下一個目標(biāo)可能是勞動密集型的，因此專業(yè)開發(fā)人員通常希望在實施生產(chǎn)質(zhì)量軟件之前確定最終硬件。

工業(yè)級 COM 只是比業(yè)余愛好者的替代品更昂貴，但它們通常不提供與創(chuàng)客板相同的即插即用功能。

快速原型板和工業(yè)級 COM 之間的中間地帶是什么？

工業(yè) Raspberry Pi或“I-Pi 。

工業(yè) Pi 的構(gòu)建塊

凌華科技最近推出了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)原型平臺I-Pi，讓專業(yè)工程師可以使用基于 COM 的平臺快速驗證他們的設(shè)計。

該套件由上述LEC-PX30 SMARC 模塊組成；簡化的現(xiàn)成 SMARC 載板；以及類似于 Raspberry Pi 生態(tài)系統(tǒng)中使用的硬件連接頂部 （HAT），可將 DSI 信號轉(zhuǎn)換為 HDMI（圖 3）。HAT 通過 40 針擴(kuò)展接頭插入 I-Pi 載體，而 LEC-PX30 模塊通過 SMARC 2.1 MXM 3.0 連接器連接到 I-Pi 載體

圖 3. SMARC 2.1 規(guī)范中使用的 MXM 3.0 連接器在 SMARC 計算模塊和載板之間傳輸大量信號，最終有助于簡化整個系統(tǒng)設(shè)計

如圖 3 所示，MXM 連接器在 I-Pi 載體和模塊之間承載各種信號，連接兩個 10/100 Mbps LAN、四個 USB 2.0 端口和一個 USB 2.0 OTG 端口、四通道 MIPI DSI、兩個通道 MIPI CSI，以及 CAN、SPI、UART 和 I2C 等串行接口。但設(shè)置的真正美妙之處在于，實際 I-PI 基板上唯一的高速信號是 PCI Express 和 HDMI。

當(dāng)然，在原型設(shè)計階段完成后，這些信號可以在優(yōu)化的特定應(yīng)用載板上進(jìn)行更改。但是將更復(fù)雜的走線限制為僅 PCI Express 和 HDMI 會降低 I-Pi 的復(fù)雜性并增加工程師的易用性。事實上，每個模塊都包含 PCI 去耦電容和鎖，因此工程師在更改硬件配置時所要做的就是確保處理器板和載卡之間的走線對齊。

這使得在原型制作過程中將具有一組接口和性能的 SMARC 模塊換成另一組接口和性能變得輕而易舉。

例如，LEC-PX30 基于Rockchip PX30片上系統(tǒng)，包括四核 Arm Cortex-A35 CPU 和安全擴(kuò)展（圖 4）。該板還配備了 2 GB 內(nèi)存和 Microchip 的 ATT ECC608A 加密認(rèn)證芯片。但是，I-Pi 載體支持具有與頂級英特爾 Apollo Lake 處理器一樣先進(jìn)的處理器的 SMARC 模塊。

圖 4. Rockchip PX30 SoC 包含一個四核 Arm Cortex-A35 CPU 和 Mali G31 GPU，以及用于通用工業(yè)應(yīng)用的大量多媒體、安全和連接模塊

這將我們帶到了軟件上。在大多數(shù)情況下，在不同的計算模塊之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，更不用說具有不同處理器架構(gòu)的計算模塊，例如基于 Arm 的 Rockchip PX30 和基于 x86 的 Intel Atom 處理器，這意味著原型設(shè)計過程要重新開始。然而，鑒于 I-Pi 平臺廣泛的硬件靈活性，凌華科技通過為其所有 SMARC 模塊配備MRAA 功能來解決這個問題（圖 5）。

圖 5. MRAA 硬件抽象層 （HAL） 是一個具有 Java、JavaScript 和 Python 集成的 C/C++ 庫，允許用戶輕松地將軟件從一個硬件平臺移植到另一個硬件平臺，例如不同的 SMARC 計算模塊（來源：Eclipse UPM ）。

MRAA 是最初由英特爾開發(fā)的開源硬件抽象層 （HAL）。它是一個包含 Java/JavaScript 和 Python 集成的 C/C++ 驅(qū)動程序和 API 庫，允許開發(fā)人員無縫集成新的硬件組件，而無需修改任何代碼。因此，工程師可以簡單地用一個 SMARC 模塊替換另一個，即使一個支持瑞芯微 PX30 而另一個托管 NXP i.MX8M SoC；他們可以添加他們需要的任何傳感器 HAT；他們甚至可以將 Raspberry Pi 或 Arduino 環(huán)境中的軟件移植到他們的 I-Pi COM，而無需對其進(jìn)行重新加工。

MRAA 可以通過 Github 下載，也可以通過 MRAA 擴(kuò)展的有用包和模塊折疊到 Eclipse IDE 中。它可以使用英特爾 Apollo Lake 平臺和 Docker 容器等模擬平臺以及標(biāo)準(zhǔn)和嵌入式 Linux 發(fā)行版在 Windows 環(huán)境中運行。

I-Pi 本身支持Android、Ubuntu、Debian和Yocto。

圖 6.所有凌華科技 SMARC 模塊都集成了 MRAA 硬件抽象層 （HAL），以實現(xiàn)從一個目標(biāo)到另一個目標(biāo)的無縫軟件可移植性，即使該代碼是在 Arduino 或 Raspberry Pi 編程環(huán)境中開發(fā)的

與 I-Pi 平臺兼容的其他開源軟件組件包括 ADLINK 的部分 Vortex 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù) （DDS） 網(wǎng)絡(luò)中間件，這是一個發(fā)布/訂閱軟件框架，允許物聯(lián)網(wǎng)工程師以安全、可擴(kuò)展、容錯的方式連接他們的設(shè)備和確定性的方式。

圖 7. ADLINK Vortex 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù) （DDS） 中間件是一種網(wǎng)絡(luò)抽象軟件，它以發(fā)布/訂閱格式可靠、確定性和安全地傳輸消息

以 Pi 級風(fēng)險加速工業(yè)原型制作

從硬件和軟件的角度來看，I-Pi 的模塊化方法使其盡可能接近 Arduino 或 Raspberry Pi 的開箱即用用戶體驗。那就只剩下成本問題了。

如前所述，工業(yè)級組件本質(zhì)上比用于制造板的技術(shù)更昂貴。畢竟，I-Pi COM 支持高達(dá) -20oC 至 +85oC 的工作溫度范圍，以及符合 IEC 60068-2-27/64 和 MIL-STD-202 F 的沖擊和振動容限。對于接近生產(chǎn)的客戶，凌華科技還將 USB 和 PCI 開關(guān)集成到他們的 SMARC 模塊中，這提高了這些模塊的價格。而且，當(dāng)然，您必須考慮到 I-Pi 實際上是三個工業(yè)板封裝在一個套件中。

盡管如此，該套件的零售價僅為 125 美元，或包括藍(lán)牙/Wi-Fi 加密狗的 136 美元。為此，您將獲得 I-Pi 載板、LEC-PX30 SMARC 模塊、DSI 轉(zhuǎn) HDMI HAT、32 GB SD 卡、Micro USB 電纜和電源適配器。散熱器/散熱器也可提供，起價約為 15 美元。

對于為可商業(yè)部署的產(chǎn)品尋找快速原型解決方案的專業(yè)工程師來說，這一點也不差。

審核編輯：郭婷