Процессорные модули Connect Card® и СonnectCore™ компании Digi International

На основе новой концепции платформ «система-на-модуле» SoM (System-on-Module) можно создавать высокоэффективные, компактные и мобильные решения, предназначенные для широкого спектра приложений. Процессорные платы серий Connect Card® и СonnectCore™ компании Digi International представляют на рынок M2M свою реализацию платформ «система-на-модуле», обеспечивающих новый уровень интеграции и производительности.

Модули SoM, представляют собой готовые и стандартизированные изделия в компактном форм-факторе, уже содержащие процессор, шину данных, память и порты ввода/вывода, широкий набор периферийных интерфейсов, а также дисплейные и мультимедийные интерфейсы. Применение SoM-модулей позволит облегчить и значительно ускорить разработку систем для встроенных приложений. В результате, на создание и оптимизацию собственного встраиваемого приложения специалистами будет уделяться больше внимания, что позволит построить максимально эффективное решение, отвечающее всем системным требованиям. Такой подход позволяет вывести готовую систему на рынок гораздо быстрее, чем при разработке ее с нуля.

Последние годы характеризуются ростом приложений, в которых активно используются мультимедийные функции: графика высокого разрешения и качества, ввод изображения со встроенных видеокамер, обработка видеопотока в реальном времени, интерфейсы сенсорной панели, конвертация и сжатие видео и т.п. Ярким примером такого приложения могут служить, например, автомобильные мультимедийные и навигационные системы, системы обеспечения пассивной безопасности и помощи при парковке автомобиля. В таких системах активно используется ввод информации от нескольких видеокамер, установленных в автомобиле. А для вывода видеоинформации используется несколько дисплеев. Для поддержки таких функций требуется высокопроизводительная и многофункциональная процессорная платформа со встроенными аппаратными ресурсами поддержки графических вычислений и преобразований. Большая часть производительности процессорной платы будет направлена на обеспечение ввода видеоданных, обработки в реальном времени изображений, вывода обработанного изображения и графических параметров на экран дисплеев.

Архитектура процессорных модулей «система-на-модуле»

Одним из ключевых направлений разработок инженеров компании Digi в последнее время стали процессорные модули c архитектурой «система-на-модуле», ориентированные на сегмент рынка M2M (Machine-to-Machine). В ранних разработках компании в процессорных модулях серии SmartCat устанавливались процессоры средней производительности Rabbit 2000, работающие на частоте 22,1 МГц (модуль BL21xx) или же процессоры Rabbit 3000, работающие на частоте до 7,4 МГц (модуль LP35xx). Сектор применения таких модулей – бюджетные терминалы, недорогие промышленные контролеры, HMI-контроллеры, контроллеры в Ethernet-коммутаторах, контроллеры управления узлами беспроводного доступа и т.п.

Компания Digi Int. также предлагает разработчикам готовые варианты решений на базе таких модулей, например, за счет установки на процессорную плату мезонинного дисплейного модуля с кнопочным функциональным полем. Для такой сборки компания предлагает и готовые корпуса.

Процессорные модули на базе SoC-мультимедийных процессоров Freescale

Рассмотрим перспективные разработки процессорных плат производства компании Digi на базе высокопроизводительных мультимедийных процессоров компании Freescale, имеющих архитектуру «система-на-кристалле» (SoC). Основными достоинствами используемых процессоров являются их высокий уровень интеграции, производительность, встроенные коммуникационные порты, наличие интегрированных функций поддержки графики, мультимедиа, низкое энергопотребление, а также поддержка множества программных платформ. Компания Digi разработала несколько серий компактных процессорных плат Connect Card® и ConnectCore™, обеспечивающих различную производительность и набор встроенных портов.

Рассмотрим три базовых варианта процессорных плат, которые отличаютсяв первую очередь структурой мультимедийного и дисплейного блока. Так модули Connect Card® i.MX28 имеют всего один параллельный порт для подключения модуля TFT ЖК-дисплея, модуль ConnectCore™ 53 – два отдельных дисплейных порта с различными типами дисплейных интерфейсов, а плата ConnectCore™ 6 обеспечивает подключение до четырех независимых дисплеев.

В таблице 1 представлены базовые характеристики процессорных плат Digi, выпускаемых в настоящее время.

Таблица 1. Основные характеристики процессорных плат Connect Card® и ConnectCore™

Процессорные модули	Connect Card® i.MX28	ConnectCore™ i.MX53	ConnectCore™ 6 i.MX6
Процессор	Freescale i.MX28 ARM926EJ-S; частота до 454 МГц (1,2 DMIPS/MГц)	Freescale i.MX53 Cortex-A8; частота до 1 ГГц (2,0 DMIPS/MГц)	Freescale i.MX6 до четырех ядер Cortex-A9; частота до 1,2 ГГц (2,4 DMPIS/MГц)
Размеры модуля, мм	Форм-фактор PCI Express Mini Card 51х35х3	82х50х8	50х50х5; SMT формат
Сетевые интерфейсы	802.11a/b/g/n + Bluetooth 4.0, single/dual 10/100 Mbit/s Ethernet	802.11a/b/g/n, single/dual 10/100 Mbit/s Ethernet	802.11a/b/g/n + Bluetooth 4.0, Gigabit Ethernet
Интерфейсы	UART;, USB; CAN; SPI; I2C; I2S; ADC; GPIO	USB; UART; SPI; I2C; I2S; ADC; SD/MMC; CAN; SATA; GPIO; интерфейс клавиатуры; трехосевой акселерометр	CAN; USB; UART; SPI; I2C; I2S; SD/MMC; SATA; PCIe; GPIO
Операционная среда	Android; Windows; Linux	Android; Windows; Linux	Android; Windows; Linux
Разъемы	52-контактный PCI	Два по 180 выводов	Без разъемов; SMT-корпус LGA-400
Отладочный набор	CC-WMX28-LX	CC-WMX53-ANDRD	SBC Development Board
Мультимедийные интерфейсы
Дисплейные интерфейсы	Один параллельный интерфейс (31-конт. разъем)	Два дисплейных интерфейса (до 24 бит) UXGA@60Hz; 2 х LVDS; TV-out/VGA 1080p60	До четырех независимых мультидисплейных интерфейсов; (LVDS/MIPI/parallel/HDMI)
Модули аппаратных графических ускорителей	Масштабирование; поворот изображения; конверсия цветов	Ускоритель 2D/3D-графики (GPU); MPEG-4; H.263; H.264; MPEG-2; VC-1; DivX; RV10; MJPEG; видеокодек 720p/1080p	Один или два ускорителя 2D/3D-графики (GPU), видеокодек 1080p
Интерфейс видеокамер	–	Два MIPI/параллельный	Два MIPI/параллельный
Интерфейс сенсорного экрана	4/5-проводной (LRADC)	да	да
Аудио	I2S	многоканальное цифровое аудио	многоканальное цифровое аудио
Аудио	I2S	многоканальное цифровое аудио	многоканальное цифровое аудио
Интерфейс видеокамер	–	Два MIPI/параллельный	Два MIPI/параллельный
Интерфейс сенсорного экрана	4/5 wire (LRADC)	да	да
Аудио	I2S	многоканальное цифровое аудио	многоканальное цифровое аудио

Особенность модуля i.MX6 – на плате нет коннекторов. За счет этого удалось значительно сократить габаритные размеры модуля. Более подробно особенности реализации мультимедийных и дисплейных модулей в структуре процессорных плат серий Connect Card® и ConnectCore™ будет рассмотрены ниже.

Структура процессорного модуля i.MX28

Это бюджетный вариант процессорной платы со средней производительностью для приложений, где требуется в первую очередь малое потребление при большой функциональности. На рисунке 1 приведена структура процессорной платы Connect Card® i.MX28.

Рис. 1. Структура процессорного модуля Connect Card® i.MX28

На рисунке 2 приведена схема расположения базовых элементов на плате процессорного модуля Connect Card® i.MX28.

Рис. 2. Расположение базовых элементов на модуле Connect Card® i.MX28

Интерфейс с ЖК-дисплеем

На плате Connect Card® i.MX28, помимо краевого PCI-печатного коннектора установлен отдельный интерфейсный разъем для подключения ЖК-дисплея. Интерфейс обеспечивает подключение ЖК-дисплеев с различными типами дисплейных интерфейсов и имеющих различные размеры и разрешения экрана, от простых мультиплексных и монохромных алфавитно-цифровых модулей до TFT ЖК-панелей формата WVGA, с шинами данных шириной 16/18/24 разряда. Интерфейс обеспечивает передачу данных для отображения на экране дисплея реального видео в RGB-режиме. Максимальное разрешение TFT-ЖК-дисплея 800х480 (WVGA). Частота обновления – до 60 Гц. Режимы – RGB/DOTCK/SYSTEM. Также аппаратно обеспечивается конверсия цветов, масштабирование и поворот изображения.

Реализация интерфейса с ЖК-дисплеем

ЖК-дисплей подключается к 31-контактному ZIF-коннектору, установленному на верхней стороне модуля. В отладочном наборе используется кабель компании NICOMATIC (обозначение 050P331K0076-406406). По умолчанию в отладочной плате используется интерфейс ЖК-дисплея с 18-разрядной шиной (6 разрядов на один цвет). Можно использовать и 24-разрядный режим кодирования цветов, однако в этом случае будет отключена функция JTAG-интерфейса, сигналы которого также выведены на этот же разъем. Интерфейс сенсорной панели поддерживается посредством использования LRADC2-5. Для интерфейса с контроллером сенсорной панели можно задействовать один из SPI-портов. В отладочной плате используется порт SSP1. ШИМ-сигналы PWM0, 1, 3, 4, 5 и 6 могут использоваться для управления яркостью подсветки (в отладочной плате используется сигнал PWM0).На модуле в качестве дисплейного разъема используется FCI 10106814-051002LF.

Модули i.MX28 находят применение в медицине и здравоохранении, транспорте, применяются для управления энергораспределем, используются в промышленной автоматизации.

Отладочный набор для процессорного модуля i.MX28

Для ускорения отладки пользовательского ПО можно использовать отладочные наборы, разработанные компанией Digi. На рисунке 3 показан внешний вид такой отладочной платы с указанием размещения интерфейсных разъемов, в частности, разъемов дисплея и сенсорной панели.

Рис. 3. Верхняя сторона отладочной платы i.MX28 с интерфейсными разъемами

Архитектура процессорного модуля ConnectCore™ i.MX53

Процессорный модуль ConnectCore™ i.MX53 является дальнейшей модификацией модуля предыдущего поколения ConnectCore™ i.MX51 и обладает по сравнению с ним существенно лучшей производительностью и функциональностью. В первую очередь это обеспечивается применяемым в модуле новым процессором i.MX53, разработанным компанией Freescale.

Основные различия процессоров i.MX51 и i.MX53

Процессор i.MX53 является более производительным клоном i.MX51. При миграции от i.MX51 к i.MX53 обеспечивается полная совместимость. Увеличена производительность процессора, уменьшено энергопотребление, расширены мультимедийные функции, увеличена частота процессора, скорость обмена по шине памяти, расширен объем адресуемой памяти. Вместо видеокодека HD720p30, используемого в i.MX51 51, в процессоре i.MX53 применяется видеокодек HD1080p, обеспечивающий более высокое разрешение. Также значительно увеличена производительность модуля ускорения 2D/3D-графики. В модуле интерфейса дисплея максимальное разрешение в i.MX53 увеличено до формата UXGA (1600×1200) 60 Гц. Вместо компонентного аналогового видеоинтерфейса HD720/60 Гц в i.MX53 используется интерфейс VGA HD1080p60. В процессоре i.MX53 в модуле дисплейного контроллера дополнительно введен внутренний бридж LVDS-интерфейса. Для реализации LVDS-интерфейса в устройствах на процессоре i.MX51 требуется установка внешнего LVDS-бриджа. Все это в целом должно способствовать увеличению эффективности применения процессорных модулей ConnectCore i.MX53 вместо i.MX51. На рисунке 4 показан внешний вид процессорного модуля ConnectCore™ i.MX53 со стороны установки процессора и других базовых компонентов. Коннекторы для подключения периферийных узлов расположены с другой стороны платы.

Рис. 4. Общий вид процессорного модуля ConnectCore™ i.MX53

В структуре ConnectCore™ i.MX53 используется мультимедийный процессор Freescale i.MX535 нового поколения с высокопроизводительным ядром 1,2 ГГц Cortex-A8. Процессор имеет встроенный кодек видео 1080p/720p и полный набор периферийных интерфейсов. На плате реализованы проводные и беспроводные интерфейсы, две шины CAN. ConnectCore™ i.MX53 просты в интеграции благодаря наличию ключевых функций, таких как встроенное управление энергопотреблением, поддержка мультимедиа, включая аппаратное декодирование видео 1080p, 2D/3D-ускоритель, возможность управления двумя дисплеями высокого разрешения, захват видео с камеры, аппаратное шифрование, беспроводной 802.11a/b/g/n Wi-Fi-интерфейс со скоростью передачи данных до 150 Мбит/с, Bluetooth 4.0, два порта Ethernet (каждый со своим MAC), две шины CAN, возможность подключения устройств по SATA II и полный набор периферии. На рисунке 5 показана структура процессорной платы ConnectCore™ i.MX53.

Рис. 5. Структура процессорной платы ConnectCore™ i.MX53

Модули ConnectCore™ i.MX53 выпускаются в двух вариантах: с коммерческим температурным диапазоном -20…70°C и с промышленным температурным диапазоном -40…85°С.

Мультимедийные интерфейсы ConnectCore™ iMX53

На рисунке 6 показана схема подключения мультимедийных устройств к процессорной плате дисплеев, видеокамер, сенсорной панели экрана, аудиосистем.

Рис. 6. Распределение сигналов дисплейных и мультимедийных интерфейсов на модуле i.MX53

Дисплейные интерфейсы

На процессорной плате физически реализовано пять дисплейных интерфейсов различных типов, посредством которых возможно подключение до пяти дисплеев. Однако активными могут быть одновременно только два из них. Суммарная пропускная способность всех интерфейсов – до 180 Mbps при 24 бит на пиксель.

Состав дисплейных интерфейсов:

• два параллельных 24-разрядных дисплейных порта с пропускной способностью до 165 Mbps (UXGA@60 Гц);
• два LVDS-последовательных порта. 1 порт до 165 Mbps (HDMI) или 2 порта (WXGA@60 Гц) каждый;
• один TV-out/VGA-порт с пропускной способностью до 150 Mbps (1080p при 60 Гц).

Один из дисплеев может использовать сенсорную панель.

В мультимедийном модуле процессора i.MX53 реализован интерфейс четырехпроводной резистивной сенсорной панели с тактильным пером. Управление контроллером сенсорной панели может осуществляться через один из портов SPI. Мультимедийный модуль имеет также два параллельных интерфейса для подключения видеокамер.

Дисплейные интерфейсы распределены по контактам двух 180-контактных коннекторов следующим образом:

• Коннектор J1
  1. сигналы интерфейсов подключения двух видеокамер;
  2. LVDS дисплейного интерфейса;
  3. VGA-интерфейс.
• Коннектор J2
  1. параллельный RGB-интерфейс/сигналы HDMI;
  2. сигналы VGA-аналогового интерфейса.

Процессорный модуль Connect Core™ i.MX53 DIGI International может быть использован в медицинских приборах, системах безопасности и видеонаблюдения, кассовых терминалах, HMI-контроллерах промышленной автоматики, а также в мультимедийных устройствах.

Отладочная плата ConnectCore™ i.MX53

Компания Digi International выпускает для своего процессорного модуля ConnectCore™ i.MX53 комплект разработчика на базе операционной системы Android. Полный и недорогой отладочный набор JumpStart Kits содержит необходмый инструментарий для поддержки платформ Digi Embedded Linux, Timesys LinuxLink, Android Microsoft, Windows Embedded Compact 7. На рисунке 7 показан внешний вид отладочной платы.

Рис. 7. Отладочная плата ConnectCore™ i.MX53

Недорогие, включающие в себя все необходимое, отладочные комплекты Digi JumpStart Kits с Linux, Android и Windows Embedded Compact 7 и полным набором BSP позволяют быстро и профессионально разработать и вывести на рынок свой продукт.

Для освоения встраиваемого модуля CC-Wi-MX51 доступны отладочные комплекты:

• CC-WMX53-CE – JumpStart Kit для Microsoft Windows Compact 7;
• CC-WMX53-LX – JumpStart Kit для Digi Embedded Linux;
• CC-WMX53-ANDRD – JumpStart Kit для ANDROID.

Процессорные модули серии ConnectCore™ 6

Особенностью новых процессорных мультимедийных модулей серии ConnectCore™ 6 является применение многоядерного мощного мультимедийного процессора Freescale, обеспечивающего сверхвысокую производительность, необходимую при работе с несколькими видеопотоками. На модулях может устанавливаться процессор ARM Cortex A9 с количеством ядер 1…4 с рабочей частотой до 1,2 ГГц каждое. Модуль снабжен мультиканальным HD-видеокодеком с возможностью 1080p60-декодирования, 1080p30-кодирования и проигрывания 3D-HD-видео. В модуле реализован режим с поддержкой стереоскопических камер.

Модуль опционально будет содержать сертифицированные WLAN 802.11a/b/g/n и Bluetooth-4.0-радио, интегрированный микроконтроллер Freescale Cortex M0+ и высокоэффективную PMIC для управления энергопотреблением. На рисунке 8 показана структура процессорной платы Connect Core™ 6.

Рис. 8. Структура процессорной платы ConnectCore™ 6

Процессор изготовлен по технологическим нормам 40 нм. Питание ядра процессора – 1,1 В.

Модули серии доступны в трех исполнениях рабочего температурного диапазона:

• индустриальный диапазон – -40…85°C;
• расширенный коммерческий – -20…105°C;
• коммерческий – 0…95°C.

В таблице 2 приведены параметры мультимедийного блока для различных исполнений процессора (числа ядер).

Таблица 2. Параметры мультимедийного блока для различных вариантов процессора i.MX6

Исполнения	i.MX 6SoloLite	i.MX 6Solo	i.MX 6DualLite	i.MX 6Dual	i.MX 6Quad
Макс. разрешение дисплея, 60 Гц	WXGA (1366×768)	2xWXGA (1366×768)	2xWXGA (1366×768)	2x4XGA (2048×1536) или 2x[1080p + WXGA (1280×720)]	2x4XGA (2048×1536) или 2x[1080p + WXGA (1280×720)]
Дисплейные интерфейсы	EPDC; Parallel; Два выхода	2xParallel; 2xLVDS; MIPI-DSI; HDMI; EPDC; Два выхода	2xParallel; 2xLVDS; MIPI-DSI; HDMI; EPDC; Два выхода	2xparallel; 2xLVDS; MIPI-DSI; HDMI; Четыре выхода	2x parallel; 2xLVDS; MIPI-DSI; HDMI; Четыре выхода
Интерфейс видеокамеры	16-bit parallel	2×20-bit parallel; MIPI-CSI2 (2 дорожки); Два входа	2×20-bit parallel; MIPI-CSI2 (2 дорожки); Два входа	2×20-bit parallel; MIPI-CSI2 (4 дорожки); Три входа	Types: 2×20-bit parallel; MIPI-CSI2 (4 дорожки); Три входа
Ускоритель графики GPU 3D (OpenGL ES)	n/a	Vivante GC880; 53 Mtri/s; 266 Mpxl/s; OpenGL ES 2.1	Vivante GC880; 53 Mtri/s; 266 Mpxl/s; OpenGL ES 2.1	Vivante GC2000;176 Mtri/s 1000 Mpxl/s; OpenGL; GL ES 2.1 & Halti, OpenCL 1.1 EP	Vivante GC2000 176 Mtri/s 1000 Mpxl/s; OpenGL; GL ES 2.1 & Halti, OpenCL 1.1 EP
Ускоритель графики GPU 2D (Vector Graphics)	Vivante GC355; 300 Mpxl/s; OpenVG 1.1	via GPU 3D	через GPU 3D	Vivante GC355; 300 Mpxl/s; OpenVG 1.1	Vivante GC355; 300 Mpxl/s; OpenVG 1.1
GPU 2D (Composition)	через GPU 2D	Vivante GC320; 600 Mpxl/s, BLIT	Vivante GC320; 600Mpxl/s, BLIT	Vivante GC320; 600Mpxl/s, BLIT	Vivante GC320; 600Mpxl/s, BLIT
Ускоритель Audio	n/a	ASRC	ASRC	ASRC	ASRC
Audio интерфейсы	3xI2S; SPDIF Tx/Rx	3xI2S; SPDIF Tx/Rx; ESAI	3xI2S; SPDIF Tx/Rx; ESAI	3xI2S; SPDIF Tx/Rx; ESAI	3xI2S; SPDIF Tx/Rx; ESAI

Программная часть будет включать Linux (Yocto Linux), Android и Microsoft Windows Embedded.

Дисплейные интерфейсы

Так же, как и в структуре i.MX53, реализованы пять дисплейных интерфейсов. Общая полоса пропускания всех интерфейсов повышена до 450 Mbps при 24 bpp. Подключить можно сразу пять дисплеев. В структуре ConnectCore™ 6 могут быть активными одновременно до четырех подключенных дисплеев.

Дисплейный интерфейс состоит из:

• одного параллельного 24-разрядного порта с полосой до 225 Mbps (например, WUXGA при 60 Гц) или двух параллельных портов (HD1080 и WXGA/60 Гц);
• последовательных LVDS-портов — одного с полосой 165 Mbps или двух с полосами по 85 Mbps (например, WUXGA/60 Гц);
• HDMI-1.4-порта
• MIPI/DSI с двумя линиями по 1 Гбит/с.

Порты видеокамер

Для подключения видеокамер используются следующие порты:

• параллельный порт (разрядность шины до 20 бит с полосой до 240 МГц);
• MIPI CSI-2-последовательный порт камеры с полосой до 1000 Mbps/канал в 1/2/3-канальных режимах, или же с полосой 800 Mbps/канал в 4-канальном режиме.

На рисунке 9 показана схема подключения видеокамер к процессорной плате i.MXSolo.

Рис. 9. Подключение видеокамер для исполнения процессорной платы i.MXSolo

Основной особенностью конструкции модуля ConnectCore™ 6 является отсутствие разъемов. Модуль имеет конструкцию выводов для поверхностного монтажа по технологии LGA. При поверхностном монтаже по технологии LGA вместо шариков используются плоские контактные площадки из позолоченного никеля (NiAu). Такие площадки имеются как на модуле, так и на печатной плате. Контактные площадки модуля и платы располагаются точно друг напротив друга, и между этими двумя поверхностями наносится ровным слоем паяльная паста. Нагрев производится в печи для оплавления припоя. Результатом является плоское, но широкое паяное соединение. На рисунке 10 показана конструкция модуля i.MX6.

Рис. 10. Конструкция модуля i.PX6 (SMT-корпус LGA-400)

На пользовательской плате размещается соответствующий данному применению набор коннекторов и дополнительных компонентов. Пользователь сам выбирает тип используемых разъемов. В качестве примера на рисунке 11 показан вариант реализации такой платы (отладочная плата). В данном примере для подключения дисплея используется LVDS-порт и 30-контактная розетка под плоский кабель. Дополнительный дисплей может быть подключен через порт LVDS2. На отладочной плате для этого подключения используется однорядный 14-контактный разъем типа DF14-20. Дисплей высокого разрешения может подключаться через стандартный HDMI-коннектор, также установленный на плате. На рисунках 11…12 показаны схемы размещения коннекторов на передней и задней сторонах печатной платы модуля.

Рис. 11. Отладочная плата ConnectCore™ 6 CBS (сторона монтажа модуля i.PX6)

Рис. 12. Отладочная плата ConnectCore™ 6 CBS (обратная сторона)

На обратной стороне отладочной платы смонтированы разъемы дисплейного параллельного порта, подключения камер MIPI и параллельный CAM1.

Области применения процессорного модуля ConnectCore™ i.MX6:

• транспорт;
• устройства промышленной автоматики;
• медицинские электронные приборы.

ConnectCore™ 6 i.MX6 будет доступен для заказа со второго квартала 2014 года.

Заключение

В портфолио компании Digi International имеется широкий набор компактных модульных решений, подходящих для эффективных применений в различных секторах приложений. Среди них можно выбрать подходящую платформу, соответствующую бюджету и функциональности. Использование модулей серий Connect Card® или ConnectCore™ позволит разработчикам уменьшить затраты на разработку и сократить сроки вывода изделий на рынок. Среди возможных приложений для процессорных модулей Connect Card® или ConnectCore™ следует отметить мобильные устройства со сверхнизким потреблением, человеко-машинные интерфейсы (HMI), портативные медицинские приборы. Кроме того, эти решения найдут применение в портативных измерительных приборах, торговых кассовых аппаратах, промышленной автоматизации и медицинской технике.