OSM-Modul mit NXPs i.MX-8ULP-CPU
Kompakt und auflötbar für batteriebetriebene Geräte
Der Trend am Embedded-Markt geht hin zu direkt auflötbaren Modulen und weg von steckbaren Modulen. Denn es gibt eine wachsende Zahl von robusten Applikationen, die solide Verbindungen und/oder sehr wenig Platz benötigen. Genau hier kommt der Standard OSM der SGeT ins Spiel.
F&S Elektronik ist neben iesy und Kontron eines der Gründungsmitglieder der Arbeitsgruppe der Standardization Group for embedded Technologies (SGeT), die die Standardisierung von Auflötmodulen vorangetrieben hat. Vorteil eines solchen Moduls sind das maschinelle Bestücken, eine Kostenreduktion aufgrund des Entfalls der Steckverbinder sowie eine skalierbare Leistung. Hinzu kommen ein Funktionsumfang auf kleinem Raum sowie eine robuste Verbindung zwischen Trägerboard und Modul ohne Verschraubungen. Aufgrund der Standardisierung der Schnittstellen ist der Austausch der OSM-Module verschiedener Anbieter leicht möglich. F&S Elektronik bietet aktuell bereits ein OSM-Size-S-Modul mit den Maßen 30 mm × 30 mm an. Es basiert auf der CPU »i.MX8M Mini« von NXP Semiconductors. Zwei weitere Module mit den NXP-Prozessoren »i.MX93« und »i.MX8ULP« setzt F&S derzeit um.
Leistungsaufnahme und Schnittstellen der i.MX8 ULP
Während das OSM-Modul mit i.MX8M Mini auf eine möglichst große Performance abzielt, lautet das Ziel des Moduls mit der CPU i.MX8 ULP, eine sehr niedrige Leistungsaufnahme bei gleichzeitig guter Performance zu erzielen. Diese Eigenschaften sind nicht nur bei tragbaren Geräten sehr wichtig, vielmehr stellen sie immer mehr die Basis für eine moderne Geräteentwicklung dar.
Der i.MX-8ULP-Applikationsprozessor ergänzt die i.MX8-Familie mit einer Variante mit sehr geringer Leistungsaufnahme und einem Security-Element, der »EdgeLock Secure Enclave«. Für eine besonders niedrige Leistungsaufnahme ist es wichtig, Leckströme so niedrig wie möglich zu halten. Zu diesem Zweck ist der 8ULP-Prozessor in drei Power-Domänen unterteilt, die einzeln mit Strom versorgt werden können:
- Application-Domain
- Low-Power-Audio-Video-Domain
- Real-Time-Domain
Um die Frequenzen in der CPU möglichst niedrig zu halten und trotzdem eine gute Performance zu haben, wird der LPDDR4-Speicher mit 32 bit angebunden. Zudem sind separate Einheiten für 3D- und 2D-Grafikverarbeitung integriert. Ein spezielles Power-Management-Subsystem auf Basis eines NXP-RISC-V-Core steuert in mehr als 20 Power-Mode-Kombinationen. Hiermit will NXP eine sehr gute Effizienz für unterschiedliche Applikationen gewährleisten. Ist eine hohe Performance nötig, sind alle Cores (zwei Cortex-A35 und ein Cortex-M33) aktiv und die Leistungsaufnahme des Moduls liegt bei weniger als 1 W. Werden die A35-Cores in den »Suspend-Mode« versetzt und es ist nur noch der M33-Core aktiv, reduziert sich diese auf unter 90 mW.
Geht auch noch der M33-Core in den »Power-Down-Mode«, liegt die Leistungsaufnahme bei etwa 2,25 mW. Die Rückkehr vom Power-Down-Mode in den »Active Mode« dauert unter Linux etwa 45 ms. Noch geringer ist die Leistungsaufnahme im Deep-Power-Mode, allerdings steigt hier die Zeit für den Wakeup. Bild 1 lassen sich die einzelnen Werte für das Modul entnehmen.
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Die i.MX-8ULP-CPU ist der weiterentwickelte »i.MX-7ULP«-Prozessor, jedoch mit zwei Cortex-A35- und einem Cortex-M33-Kern sowie 3D-Grafik »OpenGL/CL 3.1« und einer 2D-Grafikverarbeitung. Hiermit steht viel Rechen- und Grafikleistung bereit. Vorhandene Schnittstellen sind LAN, USB, CAN, SDIO, I2S, UART, SPI, I2C sowie MIPI-CSI und zur Displayansteuerung MIPI-DSI, RGB und EPDC (Bild 2).
Das OSM-Modul mit i.MX8ULP-Prozessor, das »FS 8ULP OSM-SF«, ist mit bis zu 2 GB LPDDR4-RAM und 64 GB eMMC-Speicher ausgestattet. Folgende Schnittstellen unterstützt das OSM-Modul:
Starterkit für den schnellen Entwicklungsstart
Außerdem unterstützt das Modul Displays mit RGB-TTL-Interface oder MIPI-DSI. Für die Entwicklung beim Kunden mit dem OSM-Modul hat sich F&S Elektronik etwas Besonderes ausgedacht. Verwendet wird das Baseboard der »PicoCore«-Produktfamilie mit zwei 100-Pin-Steckverbindern (Bild 3).
Hierauf lassen sich alle aktuellen PicoCore-Module aufstecken. Für das OSM-Modul gibt es einen Adapter, der den OSM-Standard (Size S) auf zwei 100-Pin-Steckverbinder umsetzt. Somit können die OSM-Module während des Entwickelns mit dem Starterkit einfach aufgesteckt und ausgetauscht werden, falls ein Defekt aufgetreten ist. Hiermit können Entwickler mit dem OSM-Modul mit i.MX8ULP-CPU, alternativ mit dem PicoCore-Modul mit i.MX8ULP-CPU arbeiten. Hierbei bieten die PicoCore-Module mehr Schnittstellen und es stehen diverse Bestückungsvarianten zur Verfügung. Weiterhin können die PicoCore-Module mit folgenden NXP-CPUs aufgesteckt werden:
- i.MX8MM
- i.MX8MN
- i.MX8MP
- i.MX7ULL
- demnächst i.MX93
Für das Starterkit sind zudem angepasste MIPI-DSI-Displays mit 3,5“ (Auflösung: 600×480) oder 7“ (Auflösung: 1280×800) verfügbar. Zum Anschluss von LVDS-Displays gibt es einen passenden Adapter.
Als Betriebssystem steht Entwicklern Linux (Yocto) mit Board-Support-Package (BSP) Bootloader, Device-Tree, angepasste Schnittstellentreiber und alle zum Entwickeln nötigen Tools zur Verfügung. Eine virtuelle Harddisk (VHD) mit vorinstallierter Toolchain erleichtert den Start der Entwicklung. Zudem sind in regelmäßigen Abständen Patches und Updates verfügbar. Diverse Security-Funktionen wie Secure Boot sowie ein Update-Mechanismus sind ebenfalls vorhanden. Weitere Anpassungen an Kundendisplays und Touchpanels bietet F&S als Dienstleistung an.
Kundenspezifische Bestückungsvarianten mit angepasstem Device-Tree sind aufgrund der eigenen Produktion am F&S-Standort in Stuttgart möglich. Zum Steuern des Echtzeit-Kernels Cortex-M33 ist FreeRTOS verfügbar.
Alternative zum OSM-Modul
Entwickler, die das komplette Schnittstellenset der i.MX8ULP CPU nutzen wollen – zum Beispiel das EPDC-Interface zu einem E-Ink-Display – können alternativ das System-on-Module (SoM) »SolderCore8ULP« von F&S Elektronik einsetzen (Bild 4). Das ist ebenfalls ein auflötbares Modul, führt jedoch alle Schnittstellen der CPU heraus. Mit dem Modul sind folgende Schnittstellen verfügbar:
Die I/O-Spannung lässt sich bei der SolderCore-Variante individuell auf 1,8 V oder 3,3 V einstellen. Gerade für stromsparende Displays ist die i.MX8ULP-CPU eine optimale Ansteuerung. Die SolderCore-Variante hat einen Eingangsspannungsbereich von 2,7 V bis 5,5 V und wird auch mit dem Temperaturbereich von –40 bis +85 °C angeboten.
Passend zum OSM-Modul und zum SolderCore-Modul bietet F&S Elektronik das Entwickeln und Fertigen eines kundenspezifischen Baseboards und, falls gewünscht, des Gehäuses an. Die komplette Einheit kann F&S mit programmierter Security-Einheit und installierter Kundensoftware liefern.
- Kompakt und auflötbar für batteriebetriebene Geräte
- Ergänzende Fragen an Holger Frölich, Geschäftsführer F&S Elektronik Systeme
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