СИСТЕМА НА МОДУЛЕ IW-RAINBOW-G40M I.MX 8M ОТ КОМПАНИИ IWAVE

Компания iWave Systems выпустила систему на  модуле iW-RainboW-G40M i.MX 8M, соответствующую стандарту SGET OSM (модуль открытого стандарта), на базе процессора NXP i.MX 8M Plus, разработанного для приложений V2X и IIoT, в форм- факторе OSM Size-L (45×45 мм) [1, 2].

Идея всех Open Standard Modules™ состоит в том, чтобы создать новый, перспективный и униве сальный стандарт для небольших и недорогих встраиваемых компьютерных модулей, сочетающий в себе следующие ключевые характеристики:

• полностью автоматизированная пайка, сборка и тестирование
• различные модули для непосредственной пайки печатных плат без разъема
• предопределенные программные и аппаратные интерфейсы • открытый исходный код в программном и аппа- ратном обеспечении

Спецификация Open Standard Module™ позволяет разрабатывать, производить и распространять встроенные модули для самых популярных архитектур MCU32, ARM и x86. Для растущего числа приложений IoT этот стандарт помогает сочетать преимущества модульных встроенных вычислений с растущими требованиями к стоимости, пространству и интерфейсам.

Стандартом предусмотрено 4 типоразмера модулей (рис. 1):

• Size-0 – “Zero”: 30×15 мм
• Size-S – “Small”: 30×30 мм
• Size-M – “Medium”: 30×45 мм
• Size-L – “Large”: 45×45 мм.

Рис. 1. Стандартизованные размеры модулей

В зависимости от размера модуля меняется число интерфейсов в его составе. В табл. 1 приведен состав интерфейсов для различных размеров модулей.

Таблица 1. Состав интерфейсов модулей различных размеров

Характеристики модуля во многом определяются встроенным процессором. Процессор i.MX 8M Plus – первое устройство в семействе i.MX компании NXP, имеющее встроенный нейронный процессор (NPU) с быстродействием до 2.3 TOPS, предназначенный для ускорения алгоритмов машинного обучения. Процессор имеет два встроенных ISP (процессоры обработки изображений) для реализации систем технического зрения.

Благодаря своим функциональным возможностям i.MX 8M Plus хорошо подходит для применения в сферах машинного обучения и машинного зрения, в современных мультимедийных приложениях, в оборудовании промышленных сетей, в высоконадёжных приложениях и в таких сегментах, как «умный» дом, «умное» здания, розничная торговля и «умный» город, а также «умные» фабрики и промышленный IoT.

Функциональные возможности i.MX 8M Plus:

• нейронный процессор (NPU) с быстродействием до 2.3 TOPS
• два процессора обработки изображений и два входа для подключения камер, позволяющие создавать эффективные системы технического зрения
• кодирование и декодирование видео (в том числе по стандарту h.265) • ускорение 3D-/2D-графики и множество функций для обработки звука и видео
• ядро Cortex®-M7 для задач управления в реальном времени. • возможность создания надёжных управляющих сетей благодаря наличию двух контроллеров CAN и двух контроллеров Gigabit Ethernet с поддержкой стандарта TSN (Time Sensitive Networking)
• высокая надёжность промышленного уровня благодаря поддержке «inline ECC» для памяти DRAM.

iW-RainboW-G40M SOM может поддерживать SoC i.MX 8M Plus от NXP. Семейство i.MX 8M Plus состоит из трех процессоров: i.MX 8M Plus Quad, I.MX 8M Plus QuadLite и i.MX 8M Plus Dual [3].

Основное различие между SoC i.MX 8M Plus заключается в следующем:

• i.MX 8M Plus Quad содержит: 4 ядра Cortex-A53, 1 ядро Cortex-M7, GPU, VPU, NPU, ISP и HiFi4 Audio DSP
• i.MX 8M Plus QuadLite содержит: 4 ядра Cortex-A53, 1 ядро Cortex-M7 и графический процессор • i.MX 8M Plus Dual содержит: 2 ядра Cortex-A53, 1 ядро Cortex-M7, GPU, VPU, NPU, ISP и HiFi4 Audio DSP.
• i.MX 8M Plus – это мощный четырехъядерный процессор Arm® Cortex. Встроенный процессор ®- A53 с частотой до 1,6 ГГц с NPU 2,3 TOPS, которые значительно ускоряют процесс машинного обучения.

Блок обработки видео позволяет обрабатывать сигналы от двух видеокамер с поддержкой HDR сигнальным процессором (ISP) со скоростью 375 Мпикс/с. Расширенные мультимедийные возможности позволяют кодировать и декодировать видео 1080p60, используя кодеки H.265 и H.264.

Процессор позволяет осуществлять обработку 3D и ускорение 2D-графики с поддержкой 1 GPixel/s, OpenVG 1.1, Open GL ES3.1, Vulkan и Open CL 1,2 FP.

Содержит Несколько аудио и микрофонных интерфейсов для создания аудио систем. 3 контроллера дисплея поддерживают несколько вариантов интерфейсов вывода на дисплей, включая MIPI-DSI, HDMI 2.0. и LVDS. Интерфейсы памяти с поддержкой LPDDR4, Quad SPI/Octal SPI (FlexSPI), eMMC 5.1, SD 3.0 и широкий спектр периферийных устройств ввода-вывода, таких как PCIe 3.0, обеспечивающих широкие функциональные возможности.

Для промышленных приложений включено управление в реальном времени встроенным процессором Arm® Cortex®-M7 с частотой 800 МГц.

Управление сетями обеспечивают интерфейсы CAN-FD и два Gb Ethernet, один из которых поддерживает Time Sensitive Network (TSN) – сеть с малой задержкой. Высокая надежность промышленных систем для обеспечения безопасности использует DRAM Inline ECC, а также поддержку ECC на внутренних программно-доступных SRAM.

Процессор создан для удовлетворения потреб- ностей приложений «Умный дом», » Умное здание», «Умный город» и «Промышленность 4.0».

Структурная схема I.MX 8M Plus приведена на рис. 2 [3].

Рис. 2. Структурная схема процессора I.MX 8M Plus

Особенности i.MX 8M Plus SOM Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA поддерживает следующие функции [4]:

1. SoC:

• процессор приложений i.MX 8M Plus • i.MX 8M Plus Quad: 4 x Cortex-A53, 1 x Cortex-M7, GPU, VPU, NPU, ISP и HiFi4 Audio DSP
• i.MX 8M Plus QuadLite: 4 ядра Cortex-A53, 1 ядро Cortex-M7 и графический процессор
• i.MX 8M Plus Dual: 2 x Cortex-A53, 1 x Cortex- M7, GPU, VPU, NPU, ISP и HiFi4 Audio DSP

2. Питание:

• PMIC PCA9450C

3. Память:

• LPDDR4 – 2 ГБ (с возможностью расширения до 8 ГБ)
• флэш-память eMMC – 16 ГБ (с возможностью расширения до 128 ГБ)

4. Другие функции SOM:

• IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax* Wi-Fi и Bluetooth 5.0 (* ax не обязателен)
• высокоскоростной 4-портовый концентратор USB 2.0
• контроллер часов реального времени
• программированные заголовки

5. LGA-интерфейсы OSM:

• 2 × RGMI
• 2 × SDIO (1× 4-битный, 1× 8-битный)
• 2 × USB 3.0
• 2 × USB 2.0 x 2
• порт PCIe 3.0
• передатчик HDMI 2.0
• MIPI DSI 4 линии
• 2 канала LVDS • SAI/I2S (аудиоинтерфейс)
• 2 порта SPI
• 1 порт UART (с CTS и RTS)
• 2 порта UART (без CTS и RTS, один порт может использоваться как порт отладки) • OSM GPIO
• 2 порта CAN FD • 2 порта I2C 6. Общая спецификация:
• напряжение питания 5 В
• ток потребления 2.5 А
• габаритные размеры 45 45 мм (спецификация OSM V1.0).

Структура модуля приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структура модуля i.MX 8M Plus SOM

PCA9450C PMIC

Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA использует один PCA9450C PMIC (U3) для управления питанием модуля.

PCA9450C оснащен шестью высокоэффективными понижающими DC/DC-преобразователями и пятью линейными стабилизаторами напряжения.

Это высокопроизводительная интегральная схема управления питанием (PMIC), которая обеспечивает программируемую/конфигурируемую архитектуру с полностью интегрированными силовыми  устройствами и встроенной одноразовой программируемой памятью, в которой хранятся ключевые начальные конфигурации, что значительно сокращает количество внешних компонентов, обычно ис- пользуемых для настройки напряжения и последовательности их включения. Параметры регулятора настраиваются с помощью высокоскоростного I2C после запуска, что обеспечивает высокую гибкость системы. PMIC PCA9450C поставляется в 56-контактном корпусе 7 7 QFN и размещается на верхней стороне SOM.

Память ОЗУ LPDDR4 Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA по умолчанию поддерживает 2 ГБ оперативной памяти LPDDR4 с использованием 32-битного канала DDR_CH0 SoC i.MX 8M Plus для поддержки LPDDR4 до 2 ГГц. Часть LPDDR4 U12 размещена на верхней стороне SOM.

Объем оперативной памяти можно увеличить до 8 ГБ (при наличии чипов).

Флэш-память eMMC Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA поддерживает eMMC емкостью 16 ГБ в качестве загрузочного и за- поминающего устройства по умолчанию. Он напрямую подключен к контроллеру uSDHC3 SoC i.MX 8M Plus и работает с уровнями напряжения 1.8 В (питание ввода-вывода) и 3.3 В (питание ядра NAND).

Флэш-память eMMC (U2) физически расположена на нижней стороне модуля LGA. Объем памяти флэш-памяти eMMC можно настроить в зависимости от требований, связавшись со службой поддержки iWave.

Беспроводные интерфейс Wi-Fi и Bluetooth Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA интегрирован с модулем Wi-Fi и Bluetooth на базе модуля u-blox «JODY-W263» или «JODY-W374». Серия JODY- W2/W3 представляет собой компактные модули на базе чипсета Marvell 88W8987, совместимого с AEC-Q100. Они обеспечивают связь Wi-Fi, Bluetooth и Bluetooth с низким энергопотреблением.

Модули JODY-W2 могут работать в следующих режимах: • Wi-Fi 1 × 1 802.11a/b/g/n/ac на частоте 2.4 ГГц или 5 ГГц • двухрежимный Bluetooth 5, включая аудио, может работать одновременно с Wi-Fi.

Модули JODY-W3 могут работать в следующих режимах:

• Wi-Fi6 802.11a/b/g/n/ac/ax на частоте 2,4 ГГц или 5 ГГц
• Bluetooth/Bluetooth LE 5.1, включая звук, может работать одновременно с Wi-Fi.

JODY-W2 проходит расширенную автомобильную сертификацию в соответствии с ISO 16750-4 и производится в соответствии с ISO/TS 16949. Подключение к хост-процессору осуществляется через SDIO или высокоскоростной интерфейс UART. Мо- дуль i.MX 8M Plus использует интерфейс UART1 процессора для Bluetooth и интерфейс USDHC1 для Wi-Fi в конфигурации по умолчанию. В модуле OSM контакты антенн JODY-W2/W3 Bluetooth и Wi-Fi подключены к разъемам J1, J2 и J3.

Контроллер часов реального времени Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA поддерживает внешний контроллер RTC «PCF85263» On-SOM для поддержки часов реального времени. Внешний контроллер RTC подключен к SoC i.MX 8M Plus через интерфейс I2C и работает при уровне напряжения 3.3 В. В состоянии отключения питания SOM это устройство будет получать питание от литиевой батареи.

Шарики OSM LGA/BGA OSM LGA/BGA Balls имеет стандартное расположение выводов в соответствии со спецификацией OSM V1.0. Число выводов 662. Расположение выводов показано на рис. 4, а нумерация и назначение приведены в [3].

Рис. 4. Расположение шариков OSM LGA/BGA

Интерфейс USB 2.0 Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA поддерживает три хост-интерфейса USB2.0 на OSM LGA. Для поддержки четырех хост-интерфейсов USB2.0 SOM включает в себя четырехпортовый USB-концентратор «USB2514» от Microchip. Этот концентратор взаимодействует с i.MX 8M Plus SOC с помощью контроллера USB OTG2 (со встроенным PHY), который поддерживает высокоскоростную (480 Мбит/с), полноскоростную (12 Мбит/с) и низкоскоростную (1,5 Мбит/с) передачу USB2.0. Этот выход концентратора напрямую подключен к портам USB_A, USB_B и определенным поставщиком кон- тактам OSM LGA.

Интерфейс PCIe Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA поддерживает одну линию PCIe Gen3 на OSM LGA, линия PCIe1 SoC i.MX 8M Plus со встроенным PHY напрямую подключена к порту PCIe Link A разъема OSM PCB Edge.

Опция выхода внешнего тактового генератора 100 МГц также доступна для подключения к SoC и OSM PCB Edge для эталонных тактовых импульсов PCIe.

По умолчанию используется внутренний генератор с эталонной частотой PCIe. Кроме того, сброс PCIe и пробуждение PCIe поддерживаются через разъем OSM PCB Edge от i.MX 8M Plus SoC IOs GPIO1_12 и GPIO1_14, соответственно.

Линии дифференциального передатчика PCIe соединены по переменному току на самом SOM.

Кроме того, при использовании дифференциальных тактовых линий PCIe от внешнего тактового генератора не требуется внешнего согласования, поскольку они имеют согласующие резисторы на SOM.

Аудио интерфейс Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA поддерживает I2S_A разъема OSM Edge от канала SAI2 SoC. Периферийное устройство SAI обеспечивает синхронный аудиоинтерфейс, который поддерживает полнодуплексные последовательные интерфейсы с кадровой синхронизацией, такие как I2S, AC97 и другие интерфейсы аудиокодеков/DSP. Общие функции SAI включают секцию передатчика с независимой синхронизацией битов и кадров, максимальный размер кадра 32 слова, размер слова от 8 до 32 бит и поддержку BCLK 49.152 МГц. В соответствии со спецификацией OSM поддерживается тактовая частота передатчика левого и правого каналов (LRCK).

В модуле LGA i.MX 8M Plus OSM передатчик на- строен на асинхронный режим, а приемник на- строен на синхронный режим, поэтому и передатчик, и приемник используют битовую синхронизацию передатчика и синхронизацию кадров.

SPI-интерфейс SoC i.MX 8M Plus содержит расширенный модуль конфигурируемого последовательного периферий-

ного интерфейса (ECSPI), который поддерживает интерфейс к шине SPI в качестве ведущего и/или ведомого устройства с максимальной скоростью передачи данных 52 Мбит/с. Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA поддерживает каналы SPI0 и SPI1 разъема OSM Edge с использованием ECSPI1 и ECSPI2 SoC.

Универсальный приемопередатчик данных UART OSM V2.1.1 поддерживает пять каналов UART, где два канала UART_A и UART_B с CTS и RTS, а два канала UART_C и UART_D без них, а также консольный порт UART. UART1 SoC i.MX 8M Plus дополнительно подключается к UART_B на стороне OSM LGA. UART2 и UART3 подключены к каналам SER0 и SER1 разъема OSM Edge, соответственно. Принимая во внимание, что канал SER2 разъема OSM Edge опционально подключается к UART1 SoC i.MX 8M Plus.

В конфигурации по умолчанию UART1 подключен к Bluetooth-модулю SOM. SER1 разъема OSM Edge дополнительно подключается к модулю SOM GNSS. SER0, SER1 и SER2 могут использоваться для любого обмена данными. UART4 SoC подключен к каналу SER3 разъема OSM Edge и используется как отладочный UART.

OSM GPIO

OSM V2.1.1 поддерживает 14 GPIO, которые можно использовать для любых приложений обще- го назначения.

Интерфейс CAN Модуль гибкой локальной сети контроллеров (FLEXCAN) представляет собой коммуникационный контроллер, реализующий протокол CAN в соответствии со стандартом ISO 11898-1 и спецификация- ми протокола CAN 2.0B.

Протокол CAN был в первую очередь разработан для использования в качестве шины последовательных данных транспортного средства, отвечаю- щей особым требованиям в этой области: обработка в реальном времени, надежная работа в условиях электромагнитных помех транспортного средства, экономичность и требуемая пропускная способность. Модуль FLEXCAN представляет собой полную реализацию спецификации протокола CAN, которая поддерживает как стандартные, так и расширенные кадры сообщений. Модуль FlexCAN поддерживает 64 буфера сообщений. i.MX 8M Plus SOC поддерживает два интерфейса CAN и подключается к OSM Edge Connector.

Интерфейс I2C Спецификация OSM V2.1.1 поддерживает пять I2C, но i.MX 8M Plus SOM поддерживает только четыре I2C в конфигурации по умолчанию и пятый I2C в качестве опции.

Выбор источника загрузки Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA поддерживает один контакт выбора загрузки в соответствии со спецификацией OSM V2.1.1. Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA поддерживает загрузку с On-SOM eMMC и OSM SD (с материнской платы). Любой из этих загрузочных носителей можно выбрать, правильно установив статус контактов выбора загрузки на материнской плате.

Заголовок программирования Модуль i.MX 8M Plus OSM LGA поддерживает 16- контактный разъем для программирования и тестирования встроенных в модуль устройств. Заголовок программирования используется для прошивки платы и имеет DATA UART для получения загрузочных инструкций.

Электрические характеристики Входное напряжение питания модуля подается на семнадцать контактов VCC_IN_5V в модуле Size-L и возвращается через многочисленные контакты GND на разъеме. Модуль сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания в диапазоне от 4.5 до 5.25 В.

Последовательность включения источников питания Требования к последовательности ввода питания модуля i.MX 8M Plus OSM LGA приведены на рис. 5.

Рис. 5. Последовательность включения питания

Значения времени на рис. 5: T1 ≥ 0 мс, T2 ≥ 0 мс, T3 ≥ 0 мс, T4 ≥ 0 мс, T5 = 100…500 мс.

Диапазон рабочих температур Диапазон рабочих температур от -40 до 85 °С. iWave гарантирует подбор компонентов для за- данной рабочей температуры. На рабочую температуру на уровне системы будут влиять различные компоненты системы, такие как материнская плата и ее компоненты, корпус системы, циркуляция воз- духа в системе, источник питания системы и т. д. В зависимости от конструкции системы может потребоваться особый подход к рассеиванию тепла. Перед использованием SOM в изделии рекомендуется выполнить необходимое тепловое моделирование на уровне системы и найти необходимое тепловое решение.

Для любой высокоинтегрированной системы на модулях очень важным фактором является тепло- вой расчет. Поскольку размер ИС уменьшается, а производительность модуля увеличивается за счет повышения частоты процессора, он генерирует большое количество тепла, которое необходимо рассеивать, чтобы система работала должным об- разом без сбоев.

Для рассеивания тепла необходимо использовать соответствующие методы управления температурным режимом, например, такие как радиатор.В некоторых случаях может потребоваться использовать вентиляторы, тепловые трубки и т. п.

Электростатический разряд Модуль iWave i.MX 8M Plus OSM LGA чувствителен к электростатическому разряду, поэтому высокое напряжение, вызванное статическим электричеством, может повредить некоторые устройства модуля. Недопустимо использовать SOM, кроме как на рабочей станции с защитой от электростатического заряда.

Платформа разработки i.MX 8M Plus OSM iWave Systems предлагает платформу (рис. 6) разработки iW-RainboW-G40DS-i.MX 8M Plus, предназначенную для быстрой проверки OSM SOM на базе i.MX 8M Plus SoC и его функций. Платформа разработки OSM оснащена всеми необходимыми интерфейсами и встроенными разъемами для проверки всех функций, поддерживаемых OSM.

Рис. 6. Платформа разработки iW-RainboW-G40DS-i.MX 8M Plus

Габаритные размеры 100×72 мм.

Более подробную информацию можно найти на сайте компании iWave [4].

ЛИТЕРАТУРА

1. 1. h t t p s : / / s g e t . o r g / w p — content/uploads/2022/05/OSM_V1.1.pdf
   2. h t t p s : / / s g e t . o r g / w p — content/uploads/2022/05/OSM_DG_V1.0.pdf
   3. https://www.iwavesystems.com/wp-con- t e n t / u p l o a d s / 2 0 2 1 / 1 2 / i W — R a i n b o W — G40M_i.MX_8M_Plus_OSM_LGA_Module-Hard- wareUserGuide-R1.0-REL0.1.pdf
   4. https://www.iwavesystems.com/product/i- mx-8m-plus-osm-lga-module/