Artykuł pierwotnie opublikowany na łamach magazynu „Elektronik”, w numerze 9/2018.

Mianem SoM lub CoM (System-on-module/computer-on-module) określamy gotowe do użycia rozwiązania komputerowe, w skład których wchodzi niezbędny hardware (procesor, pamięci, układ zasilania, PCB oraz interfejs) oraz software (system operacyjny, niezbędne drivery i przypisane biblioteki). Można zatem mówić o kompletnej platformie wbudowanej (embedded) do przygotowywania projektów urządzeń. Rozwiązania te, pracujące bardzo często pod kontrola systemów Linux lub Android, świetnie sprawdzają się przy projektowaniu paneli HMI, gdzie tworzenie interfejsu użytkownika jest nie tylko proste i szybkie, ale też daje bardzo zadowalające efekty. Tego typu panele mają zastosowanie w szeroko pojętych urządzeniach medycznych, sterownikach przemysłowych, automatyce budynkowej/domowej, urządzeniach fiskalnych, maszynach vendingowych, punktach sprzedaży i wielu innych.

Skąd tak duża popularność SoM ostatnimi czasy ? Czy przygotowywanie takich projektów z wykorzystaniem mikroprocesora nie daje większych oszczędności, a dzięki obecnemu poziomowi dokumentacji, wymagając jednocześnie niewiele więcej pracy? Okazuje się, że często tylko pozornie. Wykorzystywanie prostych, niedrogich mikrokontrolerów aplikacyjnych może być stosunkowo proste sprzętowo, jednakże podczas budowy oprogramowania wymaga zdecydowanie więcej czasu, jednocześnie mocno ograniczając możliwości docelowego interfejsu użytkownika. Systemy operacyjne dają zdecydowanie więcej elastyczności, a jednocześnie rozwiązują bardzo wiele problemów już na starcie. Decydując się na SoM bazujący na Androidzie, otrzymujemy sprzęt z działającym już systemem operacyjnym, a rola programisty sprowadza się tylko do pisania aplikacji dla użytkownika. Część klientów skrupulatnie liczy koszt wykorzystywanych w SoM komponentów, wskazując, że własny projekt w oparciu o mocniejszy mikroprocesor oraz system operacyjny to niższy koszt. Tym niemniej, patrząc szerzej na aspekty projektowania, takie rozwiązanie bardzo rzadko jest opłacalne. Wynika to przede wszystkim z mnogości zalet komputerów wbudowanych.

Podstawowa zaleta to przede wszystkim krótszy czas potrzebny na zaprojektowanie urządzenia, a co za tym idzie wprowadzenie produktu na rynek. W urządzeniach opartych o mikroprocesor, czas ten waha się średnio pomiędzy 18 a 36 miesięcy. Wykorzystując SoM skracamy go do 6-18 miesięcy, w zależności od złożoności wymagań. Wynika to nie tylko z przygotowania przez producenta modułów dopasowanej do sprzętu dystrybucji systemu operacyjnego (wraz ze sterownikami i niezbędnymi bibliotekami), ale również poprzez rozwiązanie wielu problemów związanych z implementacją procesora i jego peryferiów. Prowadzenie ścieżek o wysokiej częstotliwości, podłączenie magistral pamięci, obsługi jednego źródła zasilania, komunikacji bezprzewodowej – to wszystko wymaga zakupu dodatkowego sprzętu, bibliotek dla programów projektowania PCB, przekopania się przez ogromną ilość dokumentacji, a przede wszystkim sporej wiedzy. Jej zdobywanie podczas projektu oznacza nie tylko dłuższy czas, ale również zwiększone ryzyko błędów, których konsekwencje niestety mogą pojawić się już po wprowadzeniu produktu na rynek. Z uwagi nie tylko na ceny samych komponentów, ale także kosztów rozwoju rozwiązań bazujących na SoM oraz mikroprocesorze, okazuje się, ze potencjał ilościowy, dla którego projekt na MPU „od podstaw” staje się opłacalny, to serie co najmniej 10 tys. sztuk. Nawet dla tak dużych projektów, początki mogą bazować na SoM, by szybko wprowadzić na rynek produkt wolny od wad. Optymalizacja zachodzi wtedy podczas kolejnych iteracji.

Takie rozwiązanie to także wygoda – stosując moduły SoM można w łatwy sposób serwisować sprzęt, a także go modernizować, co umożliwi wykorzystanie interfejsów graficznych o większych możliwościach. Łatwiejszy jest też proces zamówień oraz logistyka – klient współpracuje z tylko jednym, mocno wyspecjalizowanym dostawcą, co pozwala na poprawę terminowość dostaw. Podobnie rzecz ma się w przypadku gwarancji.

W ofercie Soyter Components klienci znajdą aż czterech uznanych producentów rozwiązań System-on-module. Są to polskie firmy GRINN i SoMLabs, izraelska firmę Variscite oraz chiński producent Quectel. Dostępne są wersje lutowane i na złączu, w szerokim zakresie dostępnych architektur oraz systemów operacyjnych, takich jak Windows, Android, Linux. Do wszystkich modułów dostępna jest obszerna dokumentacja software/hardware, gotowe do użycia obrazy systemów operacyjnych, a także przykłady i schematy referencyjne dla projektowania własnych płyt interfejsowych.

SoMLabs to polski producent komputerów wbudowanych, który ciekawą ofertą oraz dużym zaangażowaniem projektowym zyskuje coraz większą popularność. Główny produkt VisionSoM-6ULL bazuje na procesorze NXP i.MX6 ULL 900MHz oraz daje możliwość wyboru kilku bardzo ciekawych konfiguracji sprzętowych. Dostępne są moduły z pamięcią NAND (do 512MB), eMMC (2GB) lub slotem karty uSD. Możemy także wybrać wersje pracujące w różnych zakresach temperatur, a także wyposażone w komunikację bezprzewodowa Wi-Fi oraz Bluetooth. Nowością jest także innowacyjny moduł ActionSOM-7ULP bazujący na NXP i.MX.7 ULP. Użytkownik ma w tym przypadku do dyspozycji dwa rdzenie: Cortex-A7 800MHz oraz Cortex-M4 200MHz. Rozwiązanie świetnie sprawdzi się we wszystkich aplikacjach wymagających działania w czasie rzeczywistym, jednocześnie dając wspomnianą przewagę systemu operacyjnego podczas projektowania interfejsu użytkownika. SoMLabs w swoich modułach zdecydował się na użycie popularnego interfejsu SO-DIMM i montaż do PCB za pomocą złącza. Oprócz modułów dostępne są także płyty bazowe w mniej lub bardziej rozbudowanych wersjach oraz zestaw deweloperski wyposażony w niezbędne akcesoria. Moduły SoMLabs wspierają dystrybucje Linux (Debian, Yocto oraz Buildroot), a także Android.

Quectel to obecnie największy na świecie producent modułów do komunikacji w sieciach komórkowych. Tym niemniej w swoim portfolio posiada moduły, które można zaliczyć do typowych SoM. Moduły SC20 i SC60, bo o nich mowa, oparto na procesorach Qualcomm Snapdragon SD210 oraz SD425.Pozwalają one na uruchomienie systemu Android w wersji 7.1 (co jest systematycznie aktualizowane do nowszych wersji przez Quectela). Moduły nie tylko wyposażono w pamięci eMMC o pojemności od 8 do 16 GB i pamięci RAM o pojemnościach 1GB oraz 2GB, ale również w bogaty zestaw dodatkowych funkcjonalności. Mowa tu o sterownikach wyświetlacza, panelu dotykowego, interfejsach kamer, komunikacji Wi-Fi oraz Bluetooth, odbiorniku GNSS, a także opcjonalnej komunikacji LTE. Wszystko zamknięto w kompaktowych obudowach LCC do lutowania.

W przypadku GRINN do wyboru są architektury: Cortex-A8 bazująca na procesorze Sitara od Texas Instruments oraz Cortex-A7 oparta na ARM® Cortex®- A7 Core od Freescale. Pierwsze rozwiązanie (chiliSoM) dostępne jest w kilku konfiguracjach sprzętowych (taktowanie 600-1000MHz, do 512MB DDR3, 256MB NAND) oraz w postaci lutowanej obudowy LCC. Natomiast drugie (LiteSoM) wyposażono w 204-pinowy interfejs SO-DIMM. Procesor taktowany jest zegarem528 MHz, a wykorzystana pamięć to 2GB eMMC. Obydwa moduły dostępne są także w wersji z rozszerzonym zakresem temperatur i mają dostępne płyty z fizycznie wyprowadzonymi interfejsami (chiliBoard oraz liteBoard). Wspierane systemy operacyjne to przede wszystkim dystrybucje Linux (Yocto, Buildroot, Arch).

Variscite to jeden z najbardziej doświadczonych producentów na rynku modułów embedded. Jednocześnie posiada najszerszą ofertę dostępnych architektur i procesorów. Zaczynając od ARM9 (Freescale), przez Cortexy A7, A8, A9 (Freescale, TI), a kończąc na A-53 i A-72 (Qualcomm Snapdragon). Wszystko jest dostępne w wielu konfiguracjach sprzętowych, w wersjach na różne zakresy temperatur, z opcjonalną komunikacją bezprzewodową i praktycznie na wszystkie przemysłowo stosowane systemy operacyjne. Mamy tu do czynienia głównie z modułami wpinanymi za pomocą złącz – zarówno SO-DIMM jak i ZIF. Rozwiązania Variscite szczególnie polecane są do zaawansowanych projektów, gdzie stawiane są duże wymagania co do mocy obliczeniowych z uwagi np. na akwizycję wideo czy przetwarzanie sygnałów.

Soyter to nie tylko dostawca komputerów System-on-module, to także dystrybutor komponentów i integrator wielu usług komplementarnych. W ofercie Soyter Components można znaleźć wyświetlacze, touch panele, moduły komunikacyjne, złącza interfejsowe oraz obudowy. Wszystkie rozwiązania dostosowane są do wymagań aplikacji oraz zakładanego budżetu. Nasi inżynierowie sprzedaży nie tylko pomogą z doborem odpowiednich komponentów, ale mogą zaproponować również bardziej kompleksową obsługę projektu, wliczając projektowanie dedykowanej elektroniki w oparciu o wybrany jednopłytkowy komputer bazowy. W dalszym kroku może zostać przygotowany projekt mechaniczny związany z konkretną obudową lub integracją wyświetlacza. Korzystając z usług dotyczących kompletowania elementów oraz montażu kontraktowego, klient może otrzymać gotowy produkt w pełnym przemysłowym wydaniu, spełniający jego wszystkie założenia.

Więcej na www.soyter.pl oraz u handlowców Soyter Components.