Встраиваемые компьютерные модули компании CompuLab для промышленных и военных систем

Как утверждает «Википедия» (свободная энциклопедия в интернете), термин «компьютеры на модуле» (Computer-on-Module, CoM) придумала консалтинговая компания Venture Development Corporation [1] для обозначения специального класса встраиваемых процессорных плат [2].  Под этим термином подразумевались полнофункциональные компьютеры для OEM-производителей, выполненные  в виде одной платы, но без набора разъемов для подключения внешних интерфейсов.
В настоящее время разработано множество вариантов CoM-модулей в различных форм-факторах. При этом (по оценке VDC) около одной трети рынка CoM-модулей составляют частно-фирменные решения с ежегодным увеличением количества выпускаемых изделий на уровне 27,7%  (за 2005— 2007 гг.; см. отчет VDC Merchant Computer Boards in Embedded and Real-Time Applications).
Компания CompuLab Ltd. (Израиль) [3], основанная в 1992 г.,  была одной из первых компаний, начавших специализироваться на производстве продукции именно в этом сегменте рынка. Основная сфера деятельности CompuLab — разработка высокотехнологичной электроники по заказу (в основном для систем специального назначения). В 1997 г. компания начала выпуск процессорных модулей CORE (класса CoM) на базе процессора I-960.
Следующее поколение процессорных модулей увидело свет в 1999 г. Они были построены на процессоре AMD ELAN SC400 (архитектура х86) и назывались 486CORE. На тот момент это были самые миниатюрные в мире компьютеры. Фантастический успех 486CORE на рынке подтвердил правильность выбранной стратегии, ориентированной на разработку процессорных модулей и одноплатных компьютеров для OEM-производителей.
Сегодня продукцией компании CompuLab пользуется более 400 фирм в 60-ти странах мира, в т.ч. в России. Функциональные возможности и качество  продуктов CompuLab — ключевой фактор, определяющий быстрый рост продаж компании: более чем 200% за прошедшие три года, в то время как рынок CoM развивался значительно медленнее (по данным VDC за 2005—2007 гг.). В 2007 г. объем продаж процессорных модулей CompuLab превысил 100 тыс. шт., что позволило компании CompuLab упрочить свои ключевые позиции на рынке CoM с долей около 20%.
Среди основных покупателей компании можно упомянуть таких известных гигантов как Cisco Systems, Marconi, General Electric, OKI и многих других. Все более широкое применение продукция CompuLab находит и в России — об этом будет рассказано подробнее в конце статьи. Очень важно, чтобы отечественные разработчики по достоинству оценили возможности продуктов компании CompuLab для того, чтобы в полной мере воспользоваться  их конкурентными преимуществами.
Спектр применений продукции CompuLab весьма широк: военная и авиационная промышленность, медицинская техника, транспорт, телекоммуникационное оборудование, интеллектуальные сетевые устройства, миникомпьютеры, компьютерная периферия, оборудование для индустрии развлечений. Для заказчиков в военной и промышленной отраслях крайне важным являются такие характеристики изделий CompuLab как компактность, малое энергопотребление, возможность устойчивой автономной работы в широком температурном диапазоне (расширенном и промышленном), быстрое время запуска аппаратных и загрузки программных средств, длительный жизненный цикл.

Компания CompuLab специализируется на выпуске CoM-модулей и одноплатных компьютеров в форм-факторе PC/104+ c установленным на них CoM-модулем CompuLab. Стыковка CoM-модулей и платы-носителя в формате PC/104+ осуществляется через   электрические линии, выведенные на унифицированные разъемы (CAMI — CompuLab’s Aggregated Module Interface). Продукты CompuLab могут использоваться для различных разработок и обеспечивают такую функциональность, какую только могут предоставить малогабаритные встраиваемые компьютерные решения, плюс возможность работы как в обычном, так и в промышленном температурном диапазоне (–40…85°C).
Вместе с поставкой аппаратных и программных средств заказчик получает годовую техническую поддержку по телефону и электронной почте от CompuLab и  дистрибьютора в России (компания «ФИОРД» [4]), а при необходимости — адаптацию драйверов и верификацию ЖК-панелей.

* TBA — данная возможность находится в процессе разработки

В таблице 1 приведены данные по CoM-модулям и одноплатным компьютерам CompuLab, рекомендуемым для новых проектов. Одним из последних продуктов CompuLab является CoM-модуль CM-X300, построенный на базе  процессора PXA300 семейства Marvell PXA3xx (известного под обозначением Monahans). Этот процессор производится по 90-нм технологическому процессу и имеет не только большую производительность, по сравнению с предыдущими поколениями чипов, но и значительно меньшую потребляемую мощность. Кроме того, PXA300 представляет собой недорогое решение, обеспечивающее длительное время автономной работы устройства. Построенный на базе PXA300, модуль СМ-X300 имеет два существенных новшества по сравнению с более ранними продуктами от CompuLab:
• расширенное управление батареей и схемой заряда, включая поддержку встроенного контроллера и операционной системы;
• защиту от сбоев питания для флэш-диска. В случае сбоя питания встроенная схема будет поддерживать работу системы на время, достаточное для завершения операции с флэш-диском. Эта особенность крайне важна для достижения высокой  стабильности системы в течение длительного времени.

Следует сделать также несколько замечаний по данным в таблице 1:

• высота указана без учета радиатора (если он используется);
• для рассеивания мощности свыше 5 Вт должен использоваться дополнительный радиатор;
• потребление энергии зависит от выбранных опций и частоты;
• производительность измерялась с помощью теста SiSoft Sandra;
• модуль CM-X270 выпускается в двух вариантах: CM-X270W и CM-X270L. CM-X270L имеет размер 66×44×7 мм, CM-X270W – 66×58×7. Оба модуля имеют практически идентичную функциональность и интерфейсы, за исключением некоторых небольших отличий, которые явно указываются в документации;
• большинство из указанных в таблице 1 характеристик реализованы на CoM-модуле, хотя некоторые дополнительные возможности реализованы на плате-носителе. SBC-X270 совместима и с CM-X270W, и с CM-X270L;
• в нижней части таблицы 1 приведены данные по одноплатным компьютерам CompuLab.

Одноплатные компьютеры CompuLab реализуются в форм-факторе PC/104+ путем комбинации платы носителя (carrier baseboard) и установленного на ней определенного CoM-модуля.  Кроме SBC, в формате PC/104+ у CompuLab есть еще плата-носитель в формате mini-ATX, которая может работать со всеми ныне производимыми модулями CompuLab.
В таблице 2 приведен внешний вид CoM-модулей и одноплатных компьютеров CompuLab, рекомендуемых для новых проектов. Внешний вид одноплатного компьютера (SBC) приводится без фронтальной панели (кроме SBC-X300 и SBC-iGLX).

Продукт CompuLab	CoM-модуль	SBC
CM-X300/ SBC-X300**
CM-X270W/SBC-X270
CM-X255/SBC-X255
CM-iPM/mini-ATX*
CM-iGLX/SBC-iGLX**

* CM-iPM может быть установлен на mini-ATX, но на фотографии mini-ATX показан с модулемCM-X255;

** SBC-X300 и SBC-iGLX показаны с фронтальной панелью.

Жизненный цикл продуктов CompuLab имеет четыре фазы: выпус­ка, активную, замораживания и конца жизненного цикла (End-of-life, EOL). На рисунке 1 и в таблице 3 дано развернутое описание каждой фазы, и приведены данные жизненного цикла по всем основным модулям CompuLab (включая модули в фазе замораживания и конца жизненного цикла).

Рис. 1. Примерный график жизненного цикла изделий CompuLab

Фаза выпуска — приблизительно первые 6 месяцев, в течение которых решаются последние проблемы в продукте и программных пакетах поддержки плат (BSP).  Фаза активного маркетинга — первые 2—3 года, следующие за фазой выпуска. В этой фазе характеристики продукта и BSP стабильны, и кроме того, могут дополняться новыми возможностями. Продукты в этой фазе являются наиболее подходящими для новых проектов. Фаза замораживания — приблизительно 4-й и 5-й годы после фазы выпуска. Продукты доступны, поставляются в полном объеме со стабильными и богатыми по возможностям BSP, разработанными ранее. Однако эти продукты уже не рекомендуются для новых проектов; их поддержка постепенно замораживается. Фаза конца жизненного цикла — приблизительно 5-й год после фазы выпуска. Начало EOL в основном зависит от доступности компонентов, требуемых для производства продуктов.

Компания CompuLab самостоятельно проводит тестирование для различных вариантов температурного диапазона. Большинство протестированных компонентов способно работать в диапазоне –40…85°С. Компоненты, чувствительные к температуре, заменяются на аналогичные, но нечувствительные к температуре. В указанном температурном диапазоне работоспособность небольших компонентов, таких как конденсаторы, резисторы, резонаторы и микросхемы малой степени интеграции, используемых компанией CompuLab, уже гарантирована их изготовителями. Методика тестирования плат зависит от температурного диапазона (см. табл. 4).

* Температура измеряется на самых горячих точках платы или на радиаторе (если установлен).

Тестируемые компоненты/системы могут изменяться в зависимости от типа платы. Тест проводится под операционной системой Linux. Тестируются следующие компоненты/подсистемы: процессор, ОЗУ, флэш-диск, последовательные порты, графический контроллер, контроллер Ethernet, интерфейсы карт расширения (например, SD), USB, аудио, Bluetooth, WiFi.
 Процедура температурного тестирования для промышленного диапазона включает следующую последовательность операций:
• программирование платы в соответствии с программой тестирования;
• охлаждение без питания, минимум 20 минут, пока термокамера не остынет до температуры –48° C;
• тест включения/выключения — 10 циклов;
• тестирование компонентов/подсистем;
• сушка платы;
• нагревание до верхней границы диапазона;
• тест включения/выключения — 10 циклов;
• тестирование компонентов/подсистем;
• программирование платы стандартным набором программного обеспечения (для отгрузки пользователю);
• проверка работоспособности при нормальной температуре.

Для отладки программного обеспечения CoM-модулей и разработки собственного законченного изделия пользователь может приобрести отладочный комплект — Evaluation Kit, который обычно включает следующие элементы: саму плату, плату расширения, ЖКИ с сенсорным экраном, батарею, антенны и кабели для WiFi, GPRS и GPS, кабели для USB и последовательного порта, адаптер ЖКИ, клавиатуру, динамик, источник питания.

В таблице 5 перечислены ЖК-панели, проверенные на совместимость с CoM-модулями CompuLab. Таблица отсортирована по критерию «разрешение». Описание уровней совместимости дано в таблице 6.

* Требования к интерфейсу: «+» — интерфейс панели может быть присоединен прямо к контроллеру; «B» — требуется буфер преобразования уровня 3,3 в 5 В; «L» — требуется последовательно-параллельньный преобразователь LVDS; «T» — требуется Timing controller. ** TS — сенсорный экран. *** Описание уровней совместимости дано в таблице 6.

Компания CompuLab поставляет готовые к применению образы программного обеспечения операционных систем Linux, Windows CE и Windows XP Embedded (для CM-iGLX, CM-iPM). Поддержка в Linux для CoM-модулей CompuLab базируется (в зависимости от модуля) на дистрибутивах Debian [5] и Gentoo. В качестве средств кросс-разработки Linux могут использоваться такие дистрибутивы как Debian, Scratchbox, OpenEmbedded или Embedded Linux Development Kit.

Компания «ФИОРД» поставляет дополнительные BSP (Board Support Package) для операционной системы Linux для некоторых модулей CompuLab (см. табл. 7), которые значительно расширяют стандартные возможности программной поддержки этих модулей. BSP представляет собой образы ядра (включающего необходимую драйверную поддержку аппаратных ресурсов процессорного модуля) и файловой системы (для размещения в NAND Flash), а также средства кросс-компиляции и необходимые заголовочные файлы и библиотеки (в виде .deb пакетов) для разработки. Дистрибутив от «ФИОРДа» обеспечивает следующую функциональность:
• базовые возможности (минимальный набор unix-команд и утилит);
• доступ по протоколу ftp (ftpd);
• доступ по протоколу telnet (telnetd);
• возможность удаленной отладки с помощью gdb (gdbserver);
• если есть поддержка расширения реального времени RTAI [7, 8] для данного модуля, то обеспечивается возможность загрузки модулей RTAI (патчи в ядре, базовые модули в корневой файловой системе).

При наличии поддержки расширения реального времени RTAI для конкретного модуля в дистрибутив включается документация по программированию RTAI (на русском языке). Дистрибутив комплектуется последней версией ядра, для которой есть патчи от CompuLab.

Приведем несколько примеров применения модулей CompuLab в промышленных и военных системах, в т.ч. в России. Еще раз повторимся, что для этого класса систем крайне важны такие характеристики как размеры изделий, малое энергопотребление, возможность устойчивой автономной работы в широком температурном диапазоне, очень быстрое время запуска аппаратных и загрузки программных средств. 

Рис. 2. Малогабаритный спасаемый бортовой накопитель (МСБН) на базе CM-i686B

За достаточно короткий срок, в течение которого продукция CompuLab официально представлена в России, продукцию компании CompuLab использовали в своих разработках более 30-ти отечественных OEM-производителей изделий для различных сфер деятельности. Назовем лишь некоторые из реально осуществленных проектов в России. ГосНИИАС (Москва) совместно с ОКБ «Авиавтоматика» (Курск) разработал малогабаритный спасаемый бортовой накопитель (МСБН) на  базе CM-i686B [9], информация в котором записывается на NAND флэш-накопитель (см. рис. 2). МБСН размещается в катапультируемом кресле или в носимом аварийном запасе пилота. Он обеспечивает прием и регистрацию информации, поступающей от блоков сбора информации по каналу Ethernet со скоростью 1 Мбит/с. Параметры МБСН: потребляемая мощность — не более 3 Вт; габариты 90×105×35 мм; масса — 300 г. Конструкция блока обеспечивает сохранение зарегистрированной информации при падении с высоты 16 м на бетонную поверхность, а также при воздействии морской воды в течение одного дня на глубине до 3 м.

Другой OEM-производитель в области авиации — ОАО «КБПА» (Саратов, предприятие «Авиаприбор-холдинга») [10] использовало модуль CM-F82 с процессором Freescale PowerPC MPC8271 для разработки вычислителя управления полетом (см. рис. 3). На нем предполагается возможность установки операционной системы Linux и сертифицируемой по стандарту DO-178B операционной системы реального времени LynxOS-178 компании LynuxWorks [11].
Еще одним предприятием, специализирующимся на производстве бортовых изделий для авионики и спецтехники и использовавшим продукцию CompuLab (CM-i686B), стало ОАО «НПК «Элара» (Чебоксары) [12]. Изделие прошло испытания на использование в диапазоне температур –55…85°С.

Рис. 3. Вычислитель управления полетом ОАО «КБПА» на базе CM-F82

Компания «Алтек» использует CM-X255[6] в своей новейшей разработке — ультразвуковом дефектоскопе PELENG УД3-204 (см. рис. 4) [13]. Прибор имеет металлический корпус, цветной TFT-экран последнего поколения, съемную литий-ионную батарею, два полных акустических канала.

Рис. 4. Ультразвуковой дефектоскоп PELENG УД3-204 компании «Алтек» на базе CM-X255

Компания SPAWAR Systems Center (SSC) из Сан-Диего в сотрудничестве с «Лабораторией реактивного движения» НАСА (JPL) разработала компактный робот с миниатюрным датчиком обнаружения препятствий (см. рис. 5). SSC также развил алгоритмы предотвращения столкновения с препятствиями.
Датчик передает информацию центральному вычислителю, который отвечает за управление всеми аппаратными средствами, сбором данных со стереокамер, обработку данных и посылки команд навигационному процессору. Центральный вычислитель — CM-i686, установленный на одноплатный компьютер (SBC) от CompuLab. Процессор — National Semiconductor Geode с частотой 300 МГц,  управляемый операционной системой Linux. Одноплатный компьютер от CompuLab SBC интегрирован с другими разработанными для данного проекта модулями, такими как CAN, аналоговые и цифровые выходы.
Разведывательный робот ROBART III  (см. рис. 6) предназначен для обнаружения  взрывчатых веществ.  Вычислительное ядро ROBART III — CM-i686 от CompuLab установлено на плате расширения компании SSC. Компьютер работает под управлением Linux на частоте 266 МГц и имеет семь последовательных портов, CAN, Ethernet, три порта USB, четыре DAC, 12 ADC и 50 DIO, что позволяет взаимодействовать с многочисленными датчиками и сенсорами.

Рис. 5. Миниатюрный робот URBOT на базе CM-i686 для обнаружения и обхода препятствий, оснащенный стереовидеокамерами с центральным вычислителем	Рис. 6. Разведывательный робот ROBART III на базе CM-i686, предназначенный для обнаружения  взрывчатых веществ

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА). В качестве примера приведем использование модулей CompuLab в проекте Marvin (Multi-purpose Aerial Robot Vehicle with Intelligent Navigation), ориентированного на разработку вычислительного ядра (аппаратных и программных средств), устанавливаемых на разведывательных беспилотных аппаратах (например, вертолетах). Одним из изделий этой компании является система MarkII, построенная на базе одноплатного компьютера SBC-i686 [14] и устанавливаемая на различные типы беспилотных летательных аппаратов (см. рис.7).

Рис. 7. SBC CM-i686 в составе БПЛА CB-5000 немецкой компании Aero-Tec

Устройство Plenitude Premium компании CFD Eleсtronica — встроенная система обнаружения вторжения в помещение (см. рис. 8) на основе Linux, оснащенная камерами и инфракрасными датчиками [15]. Она включает 32 беспроводных датчика со сроком службы аккумулятора до трех лет и может посылать изображения (две черно-белые фотографии в формате QCIF) на пульт управления. Пульт управления, в свою очередь, может переслать их на мобильные телефоны или другому GPRS-, Bluetooth- или Wi-Fi-устройству. Пульт управления оснащен встроенным 5,7-дюймовым цветным дисплеем и может использоваться для видеонаблюдения или отображать фотографии и видео для 2000 последних событий.
Пульт управления Plenitude Premium основан на SBC-X255 от CompuLab: процессор XScale PXA255 с частотой 400 МГц, память 64 или 128 Мбайт и встроенная флэш-память объемом 64 Мбайт. У пульта системы управления нет накопителя на жестких дисках. Для конфигурации системы используется внешнее EEPROM.

Рис. 8. Plenitude Premium — система обнаружения вторжения в помещение на базе SBC-X255

На наш взгляд, описанные функциональные возможности встраиваемых компьютерных модулей компании CompuLab должны заинтересовать, прежде всего, разработчиков бортовых и мобильных компьютеров для применения в промышленных и военных отраслях — т.е. там,  где важна поддержка расширенного и промышленного температурного диапазона, компактные размеры, малое энергопотребление, а также длительный жизненный цикл изделия.