Embedded-Module auf Basis des i.MX 91
i.MX 91 von NXP: Der überraschende kleine Bruder des i.MX 93
Der Applikations-Prozessor i.MX 91 von NXP zeichnet sich durch ein preisoptimiertes und dennoch funktionell vielfältiges Design aus. Auch auf seiner Basis gibt es für viele Anwendungen geeignete Embedded-Module zum Aufstecken oder Auflöten auf spezielle Carrierboards bzw. Mainboards.
Den Prozessor i.MX 91 bietet NXP als preis- und entsprechend funktionsoptimierte CPU aus der i.MX-9-Familie an. Er ist, neben dem i.MX 93, die kleinste CPU der i.MX-9-Familie und für neue Designs eine gute Alternative zu i.MX 28 und i.MX 6UL / i.MX 6ULL. Der i.MX 91 beruht auf der gleichen Core-Architektur wie die ganze i.MX-9-Familie. Im Wesentlichen unterscheidet er sich bei den im Baustein integrierten Sicherheitsfunktionen sowie bei den Netzwerk- und CAN-Schnittstellen, die unter anderem zweifaches Gigabit Ethernet und zweifaches CAN FD umfassen. Ein paralleles Kamera-Interface (8 Bit RGB) ermöglicht die direkte Anbindung einer Kamera an die CPU und unterstützt die Nutzung in einfachen Bildverarbeitungs-Anwendungen.
Der Prozessor i.MX 91
Beim i.MX 91 kommt der Cortex-A55-Core mit bis zu 1,4 GHz Taktfrequenz zum Einsatz. Der Cortex-A55-Prozessorkern nutzt die DynamIQ-Technologie (Nachfolger des big.LITTLE-Konzepts von Arm) und verfügt über die neuesten Erweiterungen der Armv8-A-Architektur mit dediziertem Befehlssatz zur Umsetzung energieeffizienter Steuerungen. Zur weiteren Unterstützung kommt die so genannte »EdgeLock Secure Enclave« für die einfache Realisierung von Sicherheitskonzepten zum Einsatz. Das Speicher-Interface ist 16 bit breit, nutzt LPDDR4 und bietet wahlweise eine interne ECC-Unterstützung.
Neben bis zu vier I²S-Audioschnittstellen und bis zu acht PDM-Mikrofoneingängen bietet der Prozessor zahlreiche weitere Schnittstellen. Hierzu gehören CAN FD, UART, SPI, QSPI, I²C und SDIO. Darüber hinaus sind umfangreiche Security-Funktionen implementiert.
Es stehen zwei CPU-Varianten zur Verfügung, die sich hauptsächlich in der Taktfrequenz unterscheiden.
Die wesentlichen Schnittstellen des i.MX 91 sind:
• 1x 24 bit RGB-Display
• 1x 8 bit RGB-Kamera-Interface
• 3x SDIO/eMMC
• 2x USB 2.0
• 2x Gigabit Ethernet (1 x mit TSN)
• 2x CAN-FD
• 8x UART, 8x I²C, 8x SPI, 4x I²S
• 1x QSPI
• 2x FlexIO
• 1x Medium-Quality-Sound-Ausgang (Sigma-Delta-Modulator)
Unter Berücksichtigung der jeweiligen Anforderungen lassen sich Schnittstellen je nach Verfügbarkeit und in Abhängigkeit des Pin-Multiplexing verwenden. Daraus ergibt sich viel Flexibilität für das Design von Mainboards, um eine hohe Effektivität und Auslastung der CPU zu erreichen. TQ-Embedded hat für den i.MX 91 zum Aufstecken bzw. Auflöten auf Mainboards zwei Module entwickelt, die trotz der CPU-Unterschiede auf Basis desselben Designs alle i.MX-91- und i.MX-93-Derivate beherbergen können.
Modul-Designs mit dem Prozessor i.MX 91
Das Auflötmodul TQMa91xxLA.
Die nur 54 mm x 32 mm und 38 mm x 38 mm großen TQ-Module eignen sich sowohl für anspruchsvolle und Zuverlässigkeit erfordernde Industrieanwendungen als auch für mobile Anwendungen. Nutzer der Module können auf alle relevanten Signalpins für die Realisierung eines eigenen Mainboards zurückgreifen. Dies ermöglicht eine hohe Flexibilität, zumal durch das Pin-Multiplexing die von der CPU bereitgestellten Schnittstellen optimal genutzt werden können.
Modul-Design Stecker: Das erste Modul, genannt TQMa91xxCA, nutzt die bewährten Stecker aus der Serie »Colibri« von EPT mit einem Pitch von 0,5 mm. Dadurch findet sich auf nur 54 mm Modullänge noch Platz für vier Bohrungen zur Befestigung und zur Erhöhung der Stecksicherheit. Durch die Nutzung der Steckverbinder lassen sich alle Designanforderungen an die hinunter geführten Signale einhalten.
Modul-Design LGA: Das zweite Modul, bezeichnet als TQMa91xxLA, beruht auf der bewährten LGA-Technologie (Land Grid Array) von TQ. Als LGA-Modul wird es direkt mit dem Mainboard ohne Steckverbindung verlötet. Dafür stellt TQ ein eigenes, auf das Modul abgestimmtes Lötprofil bereit. Dies ergibt einen großen Kostenvorteil, weil keine Steckverbinder erforderlich sind.
Bei den LGA-Modulen von TQ sind die Pins in einem Abstand von 1,9 mm angeordnet. Dadurch ist es möglich, das Baseboard-Design unter Berücksichtigung von Designvorgaben, wie Impedanzen und Leitungslängen für Schnittstellen, kosteneffizient zu realisieren.
Weil die LGA-Module von TQ im Allgemeinen maschinenbestückbar sind, entsteht ein weiterer Kostenvorteil. Durch die Skalierbarkeit des i.MX 91 stehen Anwendern bis zu zwei CPU-Varianten zur Verfügung, die die Grundlage für individuelle Geräteausbaustufen bilden.
Mainboard-Design
Das Baseboard MBa91xxCA mit per Adapter anmontiertem Modul.
Das von TQ entwickelte Mainboard MBa91xxCA dient Interessenten als Referenzplattform. Die bereits industrietauglich realisierten Schnittstellen bilden eine fundierte Grundlage für eigene Designs. Dadurch wird wertvolle Entwicklungszeit gewonnen, und es ergibt sich eine erhebliche Kosteneinsparung. Das MBa91xxCA ist als klassisches Starterkit entwickelt. Durch die tiefgehende Qualifizierung von Modul und Mainboard lässt sich diese Einheit auch für erste Versuchs- und Testaufbauten (Proof of Concept) verwenden, wobei das LGA-Modul mittels Adapter auf das Mainboard gesteckt wird.
24 Bit RGB / LVDS: Das TQMa91xxLA verfügt über eine 24-Bit-Grafikschnittstelle, die es ermöglicht, bisher eingesetzte parallele Displays weiterzuverwenden. Diese Technologie hat gerade bei kleineren Displays im Bereich von 2 Zoll bis 7 Zoll eine hohe Bedeutung, weil viele Display-Hersteller sie nach wie vor unterstützen. Gerade bei diesen kleineren Display-Größen hat sich MIPI-DSI noch nicht wirklich durchgesetzt, und die Verfügbarkeit von Displays ist noch dünn gesät. Die Signale für RGB und zur Steuerung des Displays werden über eine 60-polige 2,54-mm-Stiftleiste bereitgestellt. Zur Anbindung von Displays hält TQ mehrere Adapter bereit.
LVDS: Weil der i.MX 91 im Gegensatz zum pinkompatiblen i.MX 93 über kein LVDS-Interface verfügt, ist auf dem Mainboard eine LVDS-Bridge zum Anschluss von LVDS-Displays integriert. Die LVDS-Signale werden über den bei TQ standardisierten DF19-Steckverbinder bereitgestellt. Zur Steuerung des Displays und eines Touchscreens stehen über einen zweiten Steckverbinder alle gängigen Steuerungssignale zur Verfügung.
CAN-FD: Auf dem MBa91xxCA ist ein CAN-FD-Interface nach dem ISO-11898-Standard realisiert. Die Signale stehen über eine dreipolige, industrietaugliche Buchse zur Verfügung. Das Interface ist mit einer Isolationsspannung von 1 kV galvanisch getrennt.
USB: Die von der CPU verfügbaren USB-2.0-Schnittstellen stehen auf dem MBa91xxCA einerseits als eine USB-C-Schnittstelle bereit, andererseits kommt ein USB-Hub zum Einsatz, um weitere USB-2.0-Host-Schnittstellen zu realisieren.
USB 2.0 Host: Der USB 2.0 Hub stellt ausreichend USB-Schnittstellen zur Verfügung, um die auf dem MBa91xxCA realisierten Funktionen zu unterstützen. Die Schnittstellen sind alle als USB 2.0 Host verwendbar.
USB-C 2.0: Die zweite USB-Schnittstelle der TQMa91xx-Module steht auf dem MBa91xxCA als USB-C-2.0-Buchse bereit. Diese Schnittstelle lässt sich für den Serial-Download-Modus des TQMa91xxCA und des TQMa91xxLA nutzen.
Ethernet: Die Module TQMa91xxCA und TQMa91xxLA haben jeweils zwei RGMII-Interfaces (1 x Gigabit Ethernet, 1 x Quality of Service). Auf dem MBa91xxCA sind auch beide Interfaces angeschlossen. Die PHYs unterstützen IEEE 802.3 10BASE-Te, 100BASE-TX und 1000BASE-T. Der zweite Ethernet-Port unterstützt TSN, das bei zeitsynchronisierten Anwendungen seinen Einsatz findet.
RS-485: Die auf dem MBa91xxCA realisierte RS-485-Schnittstelle wurde als Halbduplex-Schnittstelle umgesetzt. Sie ist nicht galvanisch getrennt. Das RTS-Signal der UART-Schnittstelle wird zur automatischen Richtungsumschaltung verwendet.
WLAN: Auf dem MBa91xxCA ist ein WLAN-Modul verfügbar. Es unterstützt IEEE 802.11 ac/a/b/g/n und bietet eine Dual-Band-RF-Schnittstelle (2,4 GHz / 5 GHz).
Mini PCIe: Immer mehr Applikationen im Bereich des IoT fordern eine Mobilfunkverbindung, um Unabhängigkeit von vorhandenen Netzwerken zu erreichen. Diese Funktion ermöglicht es, Daten sicher zu übertragen, auch von schwer zugänglichen Orten ohne technisch ausgebaute Versorgung. Die Bandbreite ist im Wesentlichen abhängig vom Einsatzort und von den Anforderungen an die Datenkommunikation. Das Modul BG95 von Quectel bietet hierfür eine vielseitige Unterstützung, angefangen von Narrowband bis hin zu LTE.
Weitere technische Daten von Modulen und Mainboard
Die Pin-Anordnung der beiden TQ-Module.
Die Module TQMa91xxCA und TQMa91xxLA mit dem i.MX-91-Prozessor bieten einen Arbeitsspeicher von 256 MB bis 2 GB LPDDR4 und eMMC von 8 GB bis 256 GB im erweiterten Temperaturbereich. Die CPU ist im industriellen Temperaturbereich bis +105 °C verfügbar; zusammen mit Speichern im Temperaturbereich bis +105 °C hat das Modul damit einen Vorteil bei Applikationen mit einer höheren Umgebungstemperatur. Mit der in der CPU integrierten Grafik ist eine Bildschirmauflösung bis Full-HD mit 2D-Unterstützung möglich. Auf den LGA-Pins des Moduls stehen Anwendern alle relevanten Signale der CPU zur Verfügung, so dass bei der Umsetzung eines Multiplexings keine Einschränkungen entstehen. Ergänzt wird das Design durch den externen Security Chip SE050 von NXP sowie einen Gyroscope-Sensor zur Messung der Lage und Beschleunigung.
Die wichtigsten Merkmale im Überblick:
• Integrierte Sicherheitsfunktionen
• Erweiterte Security mit SE050/SE051
• Highspeed Kommunikation via 2 x Gbit Ethernet (1 x TSN) und zwei USB-2.0-Schnittstellen
• Geringe Verlustleistung (typ. 1 W)
Alle Module lassen sich auf einem Mainboard unter Berücksichtigung der abweichenden Funktionen verwenden. Dadurch ist eine optimale Skalierung je nach Anwendung und Funktionsumfang möglich.
MBa91xxCA
Das zu den TQMa91xx-Modulen entwickelte Mainboard MBa91xxCA ist 170 mm x 170 mm groß und bildet mit dem jeweils aufmontierten Modul eine Einheit, die zur Evaluierung der beiden Module dient. Darüber hinaus eignet es sich als Referenz für eigene Mainboard-Designs der Kunden. Zudem lässt sich das MBa91xxCA als industrietaugliches Basisboard einsetzen. Es verfügt über vielfältige Schnittstellen wie 2 x Ethernet, 2 x USB 2.0, 1 x USB-C 2.0, 1 x CAN FD (galvanisch getrennt), RS-485, RGB und Single-LVDS. Auf dem MBa91xxCA können auch die pinkompatiblen Module auf Basis des i.MX 93 zum Einsatz kommen.
Für Kunden, die eine Skalierbarkeit mit beiden Prozessoren anstreben, ist das Mainboard die optimale Plattform, um uneingeschränkt testen zu können. So ist für die LGA-Variante des Moduls ein Adapter erhältlich, damit Kunden auch das Lötmodul in ihrem Design ohne Einschränkungen testen können. Zudem bietet TQ-Systems beim Design eines kundenspezifischen Mainboards umfangreiche Unterstützungen wie Stromlaufplan- und Layout-Prüfung, ESD-Beratung und vieles mehr an. Auf Wunsch übernimmt TQ auch das komplette Design - angefangen vom Konzept bis hin zur Zertifizierung und Zulassung eines Produkts.
Software
Als Betriebssystem für die Module steht Linux in Vordergrund. TQ plant, zweimal im Jahr auf Basis der neuesten Kernel-Revision ein aktuelles Yocto- und ein Armbian-BSP zu veröffentlichen. Darüber hinaus bietet TQ seinen Kunden einen umfassenden Service im Bereich der Softwareentwicklung für die Module.
Mögliche Anwendungsgebiete
Beide TQ-Module eignen sich besonders für Lösungen in folgenden Bereichen:
• Medizintechnik (Laborgerätesteuerung, Notrufsystem, Patientenrufsystem, Steuerung, Zahnarztstuhl)
• Messtechnik (Sensorsteuerung, Messdatenerfassung, Gateway, Mobiles Messgerät)
• Gebäudeautomation (Kontrollsystem, Sensorüberwachung, Klimasteuerung, Zentrale Gebäudesteuerung, HMI)
• Energie (Energiemeter, Gateway, Datenlogger, Sensorsteuerung)
Der Autor
Konrad Zöpf ist Produkt-Manager für Arm-basierte Embedded-Module und -Systeme bei der TQ-Systems GmbH in Seefeld bei München. Zudem ist er stellvertretender Geschäftsbereichsleiter von TQ-Embedded.