在物联网时代使用开放标准模块
*本文采用 Google 翻译，原文请查看本站 英文版本
消费者、工业和医疗市场的需求正在推动嵌入式系统设计的加速。通过减少对低级硬件设计的依赖，项目资源可以专注于应用级别的差异化功能。
标准化计算机模块 (COM) 和单板计算机 (SBC) 的设计旨在方便工程师使用。最近的产品将较小的外形尺寸与最新的处理器架构和功能相结合。开放标准模块™ 规范是最新和最小的规范之一。它通过焊接球栅阵列 (BGA) 轮廓增加了稳健性。
标准加速嵌入式开发
COM 方法将通用计算资源放入标准模块中。标准化的 COM 规范（例如 PCI 工业计算机制造商组织 (PICMG) 于 2005 年推出的 COM Express）建立了通用外形尺寸和接口，便于与载板集成，从而随着项目的发展实现灵活性和可扩展性。
COM Express 外形尺寸如下：
- 迷你型（84 毫米 x 55 毫米）。
- 紧凑型（95 毫米 x 95 毫米）。
- 基本型（125 毫米 x 95 毫米）。
有多种引脚排列：
- 6 型接口侧重于图形应用。
- 7 型专为服务器级平台而设计。
- 10 型采用 84 毫米 x 55 毫米的迷你外形，支持紧凑型嵌入式设计。
作为替代方案，单板计算机开箱即可使用，并且通常更易于设置。它们将计算组件与 I/O 端口、连接器和其他功能组合在一个单元中。
1987 年推出的 90 毫米 x 96 毫米 PC/104 外形尺寸就是一个例子。PC/104 以 ISA 总线为导向，通过自堆叠总线等功能以及提供针头而不是边缘卡连接器，使 PC 技术可用于嵌入式开发。
随着 PC 技术的变化，出现了更多规格。一个例子是 PCI/104 Express，它采用相同的 90 毫米 x 96 毫米外形尺寸。这种格式使高速 PCI Express® 总线可用于模块化嵌入式应用。
其他平台也纷纷涌现，利用了 Arm Cortex-A 应用处理器等技术。例子包括 Raspberry Pi 计算模块和制造商社区中流行的项目，例如 BeagleBone 和 Arduino。它们以紧凑的外形提供类似 SBC 的便利性，常用于原型设计、小规模嵌入式项目以及工业和物联网应用。
计算模块尺寸正在缩小
嵌入式开发趋势是更轻松、更快速地开发，使用更小的外形尺寸、更高的性能和更低的功耗。这一趋势正在利用最新的处理器、内存和接口架构。
Avnet 是嵌入式技术标准化组织 (SGET) 的创始成员，该组织是一个非营利性协会。SGET 规范包括 SMARC®（“智能移动架构”）计算机模块、Qseven® 和开放标准模块™ (OSM)。
SMARC 包括标准化的 82 毫米 x 50 毫米和 82 毫米 x 80 毫米模块尺寸，适用于通常低于 6 瓦的便携式和固定式嵌入式系统。Qseven 模块适用于移动和物联网应用。其主要特点是：
- 70 毫米 x 70 毫米或 40 毫米 x 70 毫米外形尺寸
- 纤薄外形
- 图形功能
- 音频处理能力
- 大容量存储
- 网络连接
- 多个 USB 端口
SGET 的开放标准模块 (OSM) 规范充分利用了超低功耗应用处理器。OSM 大约有邮票大小，可以取代信用卡大小的前代产品。OSM 代表了模块化 COM/载体设计的显著小型化。
OSM 面向运行开源操作系统的嵌入式和边缘物联网系统。这些模块基于各种处理器架构，包括 MCU32、Arm 和 x86。这些模块是可直接焊接的 BGA 表面贴装封装。这使它们坚固耐用，适用于恶劣的工业环境。此外，BGA 设计可以降低生产中的装配成本。
详述开放标准模块规范
OSM 规范规定了四种不同的尺寸：
- 尺寸 0 “零”，尺寸为 30 毫米 x 15 毫米，有 188 个触点，
- 尺寸 S “小”，尺寸为 30 毫米 x 30 毫米，有 332 个触点，
- 尺寸 M “中”，尺寸为 30 毫米 x 45 毫米，有 476 个触点，
- 尺寸 L “大”，尺寸为 45 毫米 x 45 毫米，有 662 个触点。
相比之下，45 毫米 x 45 毫米 Size -L 模块比 40 毫米 x 70 毫米 µQseven 小 28%，比 SMARC（82 毫米 x 50 毫米）小 51%。
使用这些模块，应用程序变得与处理器无关，并提供可扩展性。OSM 通过简化和加速处理器设计来确保应用程序面向未来。OSM 模块的硬件和软件规格都是开源的，鼓励嵌入式和物联网系统开发社区内的协作和创新。
每个模块的规格包括嵌入式系统中通常需要的基本接口，包括以太网、I2C、SPI、UART 和 USB，Size-0 以上的模块可以选择 USB 3.0。Size-S 和更大的模块具有 RGB 显示接口、DSI 和 CSI 显示和摄像头串行接口以及 PCIe x1。
Size M 和 L 具有嵌入式 DisplayPort，Size L 还包括 LVDS 显示接口和 PCIe x4。该规范还规定了供应商定义的触点范围，从 Size-0 模块上的最多 3 个触点到 Size-L 上的 19 个触点。
该规范通过定义天线连接位置来支持无线通信。此外，标准化评估载板可访问所有模块尺寸的功能。使用载板可以将表面贴装组装推迟到项目后期，从而加速开发。
OSM支持不同的处理器
开放标准模块供应商可以灵活地创建具有各种不同处理器类型和接口的模块。目前可用的一些示例（来自 Avnet Embedded）包括使用 NXP i.MX 8M Mini 应用处理器构建的 Size-M 模块，该处理器包含最多四个 Arm Cortex-A53 应用处理器，结合图形处理单元 (GPU) 和 Cortex-M4 微控制器内核以及提供实时功能的 DSP 扩展。
其他示例包括基于 i.MX 91 Cortex-A55 处理器和 Arm Neon 媒体处理引擎的 Size-S 模块、带有 Cortex-A55 内核的 i.MX 93 处理器以及可有效处理机器学习应用的 Arm Ethos-U65 microNPU。与 i.MX 9 处理器一样，这些模块还受益于 NXP 的 EdgeLock 片上安全性，旨在保护物联网设备免受基于网络的攻击。
四种 OSM 尺寸
专为小型物联网应用设计的模块
OSM 模块为工业自动导引车、割草机或无人机等移动机器人提供紧凑、坚固且省电的神经中枢。它们可以捕获和处理来自多个传感通道的数据，包括惯性和测距传感器，用于引导和避障。这些模块还可以利用设备上的人工智能 (AI) 来加速机器视觉响应，所有这些都以最小的功率预算完成。
应用可能包括智能城市设备，例如交通流量和停车监控器，以及拥堵和排放收费监控。这些模块可以关闭到微瓦空闲模式，从而利用存储在小型电池中的太阳能进行操作。这种功率配置可以帮助节省安装成本并加速推出。借助允许高分辨率图像数据的 CSI 接口和用于快速车牌识别的边缘推理，开发人员还可以利用本机安全功能来防范在线威胁，包括安全的无线 (OTA) 固件升级。
结论
标准化计算平台加速了嵌入式系统开发的步伐。其高集成度和标准格式为更多组织打开了深度嵌入式设计领域。可能不具备硬件设计技能的 OEM 不再处于劣势。
OSM 规范将小型化提升到了一个新的水平，增加了应用处理器和最新的低功耗技术、包括 AI 在内的异构处理以及硬件安全性。此外，焊接式 BGA 连接增强了稳健性和生产准备度。