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(jí)原型設(shè)計(jì)解決方案。他們需要一個(gè)“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(tái)的最大優(yōu)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”最初是為大型 STEM 教育環(huán)境設(shè)計(jì)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(jì)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(jí)原型設(shè)計(jì)平臺(tái)，這些平臺(tái)仍然允許他們快速完成設(shè)計(jì)迭代。

為什么不使用計(jì)算機(jī)模塊 （COM）？

為什么不使用 COM 進(jìn)行工業(yè)原型設(shè)計(jì)？

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(yùn)輸行業(yè)中流行起來，作為延長(zhǎng)電子系統(tǒng)部署壽命的一種方式。他們通過兩板架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)：

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(jì)成一臺(tái)機(jī)器。

然后，在載體頂部插入一個(gè)計(jì)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(jì)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(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。

這種架構(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)的更強(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)存性能的計(jì)算模塊。承運(yùn)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(shí)間 （MTBF）、長(zhǎng)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(jì)的（圖 1）。

圖 1.像 ADLINK LEC-PX30 這樣的 SMARC 計(jì)算模塊專為工業(yè)用例而設(shè)計(jì)，包括邊緣連接器等堅(jiān)固的組件，以實(shí)現(xiàn)高平均故障間隔時(shí)間和長(zhǎng)生命周期，同時(shí)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(diǎn)帶到 B 點(diǎn)，為什么不使用 COM 將設(shè)計(jì)從原型設(shè)計(jì)到生產(chǎn)？嗯，COM 傳統(tǒng)上并沒有被用作原型平臺(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)自己的特定應(yīng)用載板。這可能很耗時(shí)。

從一個(gè)目標(biāo)優(yōu)化軟件到下一個(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 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(jí) 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(tái)I-Pi，讓專業(yè)工程師可以使用基于 COM 的平臺(tái)快速驗(yàn)證他們的設(shè)計(jì)。

該套件由上述LEC-PX30 SMARC 模塊組成；簡(jiǎn)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(hào)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(jì)算模塊和載板之間傳輸大量信號(hào)，最終有助于簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(hào)，連接兩個(gè) 10/100 Mbps LAN、四個(gè) USB 2.0 端口和一個(gè) USB 2.0 OTG 端口、四通道 MIPI DSI、兩個(gè)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，這些信號(hào)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(huì)降低 I-Pi 的復(fù)雜性并增加工程師的易用性。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(jí)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(gè)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(jì)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(jì)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(jì)過程要重新開始。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)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(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)包含 Java/JavaScript 和 Python 集成的 C/C++ 驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單地用一個(gè) SMARC 模塊替換另一個(gè)，即使一個(gè)支持瑞芯微 PX30 而另一個(gè)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(duì)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(tái)和 Docker 容器等模擬平臺(tái)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

與 I-Pi 平臺(tái)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(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)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(jí)風(fēng)險(xiǎn)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(yàn)。那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(dòng)容限。對(duì)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(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。

盡管如此，該套件的零售價(jià)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(jià)約為 15 美元。

對(duì)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(diǎn)也不差。

審核編輯：郭婷