Arduino和Raspberry Pi不能為商業(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(jí)原型設(shè)計(jì)解決方案。他們需要一個(gè)“工業(yè)圓周率”。

除了易用性之外，像Arduino和Raspberry Pi這樣的快速原型平臺(tái)最好的一點(diǎn)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”最初是為大規(guī)模的STEM教育環(huán)境設(shè)計(jì)的，因此必須盡可能便宜。因此，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。

雖然出于顯而易見的原因，快速原型的概念對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)師很有吸引力，但Arduino和Raspberry Pi級(jí)設(shè)備通常不能為將用于其成品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(jí)原型設(shè)計(jì)平臺(tái)，這些平臺(tái)仍允許他們快速完成設(shè)計(jì)迭代。

為什么不是模塊上的計(jì)算機(jī) （COM）？

為什么不是用于工業(yè)原型的 COM？

COM 架構(gòu)在 2000 年代末和 2010 年代初開始在工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療和運(yùn)輸行業(yè)中流行，作為延長(zhǎng)電子系統(tǒng)部署壽命的一種方式。他們通過雙板架構(gòu)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：

首先，將包含系統(tǒng)可能需要的所有I/O和接口的專用載板設(shè)計(jì)到一臺(tái)機(jī)器中。

然后，計(jì)算模塊插入載波頂部，以提供最終應(yīng)用使用的處理、內(nèi)存和 I/O 控制器。

為了確保設(shè)計(jì)間隔數(shù)年或可能數(shù)十年的電路板之間的兼容性，開放式COM標(biāo)準(zhǔn)指定了在模塊和載波之間傳輸信號(hào)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。

這種體系結(jié)構(gòu)的好處是它可以防止硬件過時(shí)。例如，如果一臺(tái)機(jī)器需要運(yùn)行比最初設(shè)計(jì)時(shí)更強(qiáng)大、更復(fù)雜的軟件堆棧，工程師可以簡(jiǎn)單地將現(xiàn)有的計(jì)算模塊換成具有更高計(jì)算機(jī)和內(nèi)存性能的模塊。載體保持不變，系統(tǒng)中的其他所有內(nèi)容也是如此。

例如，像 LEC-PX30 這樣的 SMARC 模塊本身設(shè)計(jì)用于滿足工業(yè)嵌入式應(yīng)用苛刻的平均故障間隔時(shí)間 （MTBF）、長(zhǎng)生命周期和嚴(yán)格的版本控制。

因此，如果您可以使用COM將已部署的系統(tǒng)從A點(diǎn)帶到B點(diǎn)，為什么不使用COM將設(shè)計(jì)從原型帶到生產(chǎn)呢？好吧，COM傳統(tǒng)上不被用作原型平臺(tái)，因?yàn)椋?/p>

為了優(yōu)化設(shè)計(jì)的性能、尺寸和成本，系統(tǒng)集成商或最終用戶通常會(huì)設(shè)計(jì)自己的專用載板。這可能很耗時(shí)。

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

工業(yè)級(jí) COM 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(jí)COM之間的中間地帶是什么？

工業(yè)樹莓派，或“I-Pi”。

工業(yè) Pi 的構(gòu)建塊

凌華科技最近推出了I-Pi，這是一個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)原型平臺(tái)，允許專業(yè)工程師使用基于COM的平臺(tái)快速證明他們的設(shè)計(jì)。

該套件由上述LEC-PX30SMARC模塊組成;簡(jiǎn)化的現(xiàn)成SMARC載板;以及類似于樹莓派生態(tài)系統(tǒng)中使用的硬件附加頂部 （HAT），可將 DSI 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 HDMI（圖 3）。HAT 通過 40 針擴(kuò)展針座插入 I-Pi 載波，而 LEC-PX30 模塊通過 SMARC 2.1 MXM 3.0 連接器連接到 I-Pi 載波

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

如圖 3 所示，MXM 連接器在 I-Pi 載波和模塊之間傳輸各種信號(hào)，連接兩個(gè) 10/100 Mbps 局域網(wǎng)、四個(gè) USB 2.0 端口和一個(gè) USB 2.0 OTG 端口、四通道 MIPI DSI、雙通道 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(shí)際I-PI基板上唯一的高速信號(hào)是PCI Express和HDMI。

當(dāng)然，在原型設(shè)計(jì)階段完成后，可以在優(yōu)化的特定應(yīng)用載板中更改這些信號(hào)。但是，將更復(fù)雜的走線限制為PCI Express和HDMI可以降低I-Pi的復(fù)雜性，并提高工程師的易用性。事實(shí)上，每個(gè)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(shí)所要做的就是確保處理器板和載卡之間的走線對(duì)齊。

這使得在原型設(shè)計(jì)過程中將具有一組接口和性能的SMARC模塊換成另一組接口變得輕而易舉。

例如，LEC-PX30 基于瑞芯微 PX30片上系統(tǒng)，其中包括四核 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運(yùn)營(yíng)商支持SMARC模塊，其處理器與頂級(jí)英特爾阿波羅湖處理器一樣先進(jìn)。

圖4.瑞芯微PX30 SoC包含一個(gè)四核Arm Cortex-A35 CPU和Mali G31 GPU，以及用于通用工業(yè)應(yīng)用的廣泛多媒體、安全和連接模塊

這就把我們帶到了軟件。在大多數(shù)情況下，在不同的計(jì)算模塊之間轉(zhuǎn)換，更不用說具有不同處理器架構(gòu)的計(jì)算模塊，如基于 Arm 的瑞芯微 PX30 和基于 x86 的英特爾凌動(dòng)處理器，意味著重新開始原型設(shè)計(jì)過程。然而，鑒于I-Pi平臺(tái)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(gè)問題（圖5）。

圖5.MRAA 硬件抽象層 （HAL） 是一個(gè)集成了 Java、JavaScript 和 Python 的 C/C++ 庫(kù)，允許用戶輕松地將軟件從一個(gè)硬件平臺(tái)移植到另一個(gè)硬件平臺(tái)，例如不同的 SMARC 計(jì)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(gè)具有 Java/JavaScript 和 Python 集成的 C/C++ 驅(qū)動(dòng)程序和 API 庫(kù)，允許開發(fā)人員無縫集成新的硬件組件，而無需任何代碼修改。因此，工程師可以簡(jiǎn)單地用一個(gè)SMARC模塊代替另一個(gè)，即使一個(gè)模塊支持瑞芯微PX30，另一個(gè)托管恩智浦i.MX8M SoC;他們可以添加所需的任何傳感器 HAT;他們甚至可以將軟件從Raspberry Pi或Arduino環(huán)境移植到他們的I-Pi COM中，而無需對(duì)其進(jìn)行返工。

MRAA可以通過Github下載，也可以通過MRAA擴(kuò)展的Useful Packages & Modules for MRAA折疊到Eclipse IDE中。它可以使用模擬平臺(tái)（如英特爾 Apollo Lake 平臺(tái)和 Docker 容器）以及標(biāo)準(zhǔn)和嵌入式 Linux 發(fā)行版在 Windows 環(huán)境中運(yùn)行。

I-Pi本身原生支持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(shí)現(xiàn)從一個(gè)目標(biāo)到另一個(gè)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

其他與I-Pi平臺(tái)兼容的開源軟件組件包括凌華科技Vortex數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）網(wǎng)絡(luò)中間件的一部分，這是一個(gè)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(cuò)和確定性的方式連接他們的設(shè)備。

圖7.凌華科技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，以發(fā)布/訂閱格式可靠、確定、安全地傳輸消息

利用 Pi 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)加速工業(yè)原型設(shè)計(jì)

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(yàn)。這就只剩下成本問題了。

如前所述，工業(yè)級(jí)組件本質(zhì)上比創(chuàng)客板采購(gòu)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(dòng)容限。為了降低即將投產(chǎn)的客戶的載板成本，凌華科技還將USB和PCI開關(guān)集成到他們的SMARC模塊上，這增加了這些模塊的價(jià)格。而且，當(dāng)然，您必須考慮到I-Pi實(shí)際上是三個(gè)工業(yè)板封裝在一個(gè)套件中。

對(duì)于為商業(yè)可部署的產(chǎn)品尋找快速原型解決方案的專業(yè)工程師來說，這一點(diǎn)也不差。

審核編輯：郭婷