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CPU im Single Board Computer, auf COM-Modul und PicoITX

Welcher Formfaktor darf es sein?Die Vybrid-CPU von Freescale besteht aus einer asymmetrischen Multiprozessorarchitektur die auf ARM Coresbasiert und sich für viele Applikationen in der Industrie wie auch in medizinischen Geräten eignet. Die besondereKombination der CPU aus ARM Cortex-A5 mit einem Cortex-M4 Core auf demselben Chip ermöglicht neueEinsatzgebiete bei denen Grafik und Echtzeit in einer CPU integriert sind.

Mit ARM Cortex-A5 undCortex-M4 Core aufeinem Chip erübrigt

sich eine externe Micro Control-ler Einheit (MCU) für schnelleEchtzeitverarbeitung. Damit kön-nen auf der CPU alle Vorteileeines Betriebssystems wie Linuxoder Windows CE genutzt wer-den und gleichzeitig die Vorteileeiner Echtzeitverarbeitung unterMQX oder eines C++ Pro-gramms. Beide Kerne tauschen

über einen gemeinsamen Adress-bereich Daten aus und teilen sichsomit die Aufgaben. Freescalehat entschieden, diese asymme-trische Multiprozessorarchitekturin weitere Produkte wie diei.MX7 und i.MX8 Produktfamilieeinfließen zu lassen. Für sicher-heitskritische Anforderungen ste-hen zudem verschiedene hilfrei-che Funktionen zur Verfügungwie CRC Modul, TrustZone Me-mory Protection, unabhängiger

Watchdog sowie Sabotageerken-nung und Kryptografieunterstüt-zung. Die Produktfamilie VybridVF5 mit Single-Core ARM Cor-tex-A5, 1,5MB SRAM, LCD, Se-curity, zwei Ethernet-Schnittstel-len, L2 Switch und Dual HighSpeed USB-Interface bietet sichfür Applikationen an, bei denenbislang ein ARM9 oder ARM11zum Einsatz kam. Die pinkompa-tible Vybrid VF6-Produktfamiliemit zusätzlichem Cortex-M4

Autor: Dipl. Ing. (FH) Karlheinz Kusch, Vertriebsleiter, F&S Elektronik Systeme GmbH

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nach außen führenden Buchsenund dem Wunsch eines kompak-ten Boards, hat sich der SmallForm Factor PicoITX etabliert. Die-ser Formfaktor mit 100x72mmwurde ursprünglich mit x86 CPUsbestückt. Zwischenzeitlich bietendiverse Boardhersteller wie auchF&S Elektronik diesen Formfaktormit RISC-CPUs an.

CPU auf PicoITX

F&S Elektronik bietet seit Ende2013 die armStoneA5 mit derVybrid CPU von Freescale aufdem PicoITX Formfaktor an. Esstehen sowohl Boards mit Single-Core CPU (Cortex-A5-500MHz)wie auch mit Dual-Core CPU(Cortex-A5-500MHz und Cortex-M4-167MHz), bis zu 512MBRAM und 1GB Flash zur Verfü-gung. Auf den Standardbuchsenliegen zwei Ethernet-Schnittstel-len, USB Host, USB Device undAudio Out. Für den Displayan-schluss werden sowohl digital

Core eignet sich für Applikatio-nen bei denen besondere Anfor-derungen an Echtzeit, Sicherheitoder Zulassung gestellt werden.Weitere wichtige Eigenschaftensind die Langzeitverfügbarkeitvon zehn Jahren und der verfüg-bare Temperaturbereich von -40bis +85°C. Damit eignet sich dieCPU-Produktfamilie auch fürOutdoor-Anwendungen.

Im Single Board Computer

In einigen Anwendungen bietensich Single Board Computer(SBC) besonders an: Immer dann,wenn wenig externe Hardwarenotwendig ist oder die externeHardware auf einer eigenen, ab-gesetzten Leiterplatte unterge-bracht ist. Ein SBC bietet die Dis-playschnittstellen, Toucheingang,diverse Standardschnittstellenwie Ethernet und USB auf Stan-dardbuchsen gelegt und weitereSchnittstellen wie RS232, I2C,CAN und GPIO auf Steckverbin-

der. Damit ist ein schneller undeinfacher Geräteaufbau sowie ra-sche Marktreife möglich. Bei Ver-wendung eines SBC fallen keineKosten für ein zusätzliche Basis-boards und keine Zusatzkostenfür das Handling von zwei Boardsanstelle nur eines Boards an,damit ist die SBC Lösung oftauch die günstigere Lösung. EinReduced Instruction Set Compu-ter-basierendes (RISC) Board bei-spielsweise erzeugt nur wenigVerlustleistung. Es lassen sichLüfter und oft auch auf Kühlkör-per vermeiden: Ein kleiner Form-faktor ist damit möglich. Weiter-hin bestimmen die nach außenführenden Standardbuchsen dieBoardgröße. Beschränken An-wender sich hier auf USB für denDatenaustausch, RJ45 für die Ge-rätevernetzung und evtl. Audiooder Monitorschnittstellen, istauch damit ein kleiner Formfak-tor möglich. Als sehr guter Kom-promiss zwischen verfügbarerLeiterplattenfläche, Anzahl der

2 Die Grafik zeigt, wie bei der Dual-Core Variante der Vybrid CPU der Cortex M4in Echtzeit seine hinterlegte Routine ohne Betriebssystem abarbeitet. Diese Rou-tine könnte z.B. eine hochgenaue I/O-Abfrage sein, ein PWM oder eineHighspeed Serial Multiprozesskommunikation zu firmenspezifischen Devices.

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3 PicoCOMA5 (links) und arm-StoneA5 (PicoITX, rechts) imVergleich: Die PicoCOMA5mit der Vybrid CPU vonFreescale geht ab März 2014in die Serienproduktion.

RGB bis SVGA als auch LVDS bisXGA angeboten. Für den Touch-Anschluss bietet das Unterneh-men ein 4-Draht resistiver Touch,wie auch ein PCAP-Touch überI2C an. Weitere Schnittstellensind CAN, I2C, SPI, RS232, GPIOund Audio LIN IN/OUT/MIC. DieBoard-versorgung erfolgt über 5oder 8-14V. Mit einer Leistungs-aufnahme von 3W und einemTemperaturbereich bis -20 bis85°C kann dieser SBC sowohl beiniedrigen wie auch bei hohenTemperaturen zum Einsatz kom-men. Sollte die Leistung nichtausreichen, stehen auch SBCsmit i.MX 6 CPU zur Verfügung.Für die armStoneA5 werdenLinux und auch Windows Em-bedded Compact 2013 angebo-ten. Damit entfällt die zeitauf-wendige Arbeit der Anpassungdes Betriebssystems an die Hard-ware des Boards. Ein optionalervierstündiger Workshop vermit-telt das Rüstzeug, um auch ohnespezielle Erfahrung mit WindowsEmbedded CE oder Linux schnellmit der Entwicklung zu beginnenund typische zeitintensive Fehler-quellen gezielt zu vermeiden.

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4 F&S Elektronik bietet seit Ende 2013 die armStoneA5 mit der Vybrid CPU vonFreescale auf dem PicoITX Formfaktor an.

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Im Formfaktor COM-Modul

Natürlich gibt es auch viele An-wendungen auf dem Markt, beidenen der Einsatz eines Basisbo-ards notwendig und sinnvoll istund sich damit der Einsatz einesCOM-Boards anbietet. Der Ent-wicklungsaufwand ist höher,aber oft nicht zu umgehen. EinCOM sollte kompakt und preis-wert sein und über genügendSchnittstellen verfügen. Es gestal-tet sich einfach, alle CPU-Schnitt-stellen zur Verfügung zu stellen,dies zeigt sich für industrielleoder medizinische Geräte jedochals wenig sinnvoll. Viele dieserSchnittstellen sind in einerSmartphone-Applikation sichernützlich, machen aber das Boardnur unnötig groß und den Steck-verbinder komplex und teuer.F&S Elektronik setzt daher seitJahren auf den PicoCOM-Form-faktor mit 40x50mm und 80Pin-

Steckverbinder. Die PicoCOMA5mit der Vybrid CPU von Freescalegeht ab März 2014 in die Serien-produktion. Dabei stehen sowohlBoards mit Single-Core CPU (Cor-tex-A5-500MHz) als auch mit Dual-Core CPU (Cortex-A5-500MHzund Cortex-M4-167MHz), bis zu512MB RAM und 1GB Flash zurVerfügung. Auf dem 80pol-Steck-verbinder liegen Schnittstellen wieEthernet, USB Host, USB Device,CAN, I2C, SPI, 2x RS232, GPIO,uSD-Card und Audio LIN IN/OUT,ein Displayanschluss in digital RGBbis SVGA sowie ein Touchan-schluss für 4-Draht resistivenTouch und für PCAP-Touch überI2C. Die Boardversorgung erfolgtüber 3,3V. Sollte die Performancenicht ausreichen, stehen auchSOMs mit i.MX6 CPU zur Verfü-gung. Für die PicoCOMA5 werdenLinux, Win-dows CE 6.0 undWindows Embedded Compact2013 angeboten.

Einsatzgebiete in Industrie- undMedizintechnik

Vybrid CPU lässt sich damit so-wohl in SBC als auch COM Boardauch mit dem identischen Be-triebssystem einsetzen, der Über-gang von einem zum anderenFormfaktor lässt sich einfach rea-lisieren. Mögliche Applikationensind Anzeige-, Bedien- und Kom-munikationsgeräte in Industrie-und Medizintechnik mit einemDisplay von 3,5 bis 7" über digi-tal RGB oder auch bis 15" überLVDS bei der armStoneA5. AlsBedienmedium kommt ein 4-Draht resistives Touchpanel oderPCAP-Touchpanel zum Einsatz.Die Verwendung der Dual-CoreCPU (Cortex-A5-500MHz & Cor-tex-M4-167MHz) verbindet dieVorteile eines Betriebssystems mitschneller Echtzeitverarbeitungauf einem Chip. Diese asymme-trische Multiprozessorarchitektursoll auch in weitere Produkte wiedie i.MX7 und i.MX8 Produktfa-milie einfließen. Mit dieser spe-ziellen Funktion und einer Ver-fügbarkeit von zehn Jahren erge-ben sich neue Einsatzgebiete.Reichen die Schnittstellen derarmStoneA5 (PicoITX) für denEinsatz in der Applikation aus, istdies ein schneller und günstigsterWeg. Hardwareerweiterungenerfolgen dabei über den FeatureConnector. Für die Verwendungmit einem Basisboard steht diePicoCOMA5 zur Verfügung. DerPicoCOM-Formfaktor und die Be-legung des 80pol Steckers sindoptimal auf RISC-CPUs und denEinsatz in Industrie- und Medizin-geräte ausgelegt. �

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