Vollautomatisch auflötbare OSM-Module
Rechenpower für kleine Bauräume
Avnet Embedded hat das Portfolio an OSM-Produkten erweitert – um eine Modulfamilie nach dem OSM-1.1-Standard (Size-S) mit Maßen von 30 mm x 30 mm. Die kompakten Baugruppen kommen vor allem in industriellen Low-Power-Applikationen zum Einsatz. Das entspricht dem Gedanken der Nachhaltigkeit.
Der Trend zum Realisieren von Produkten mit höherer Prozessor-Leistung in immer kleineren Embedded-Systemen und damit verbunden die Nachfrage nach Modulen im Formfaktor Open Standard Module (OSM) nimmt weiter Fahrt auf. Standardisierte OSM-Module sind auflötbare Computer-on-Modules (CoMs) und lassen sich ohne Stecker direkt auf die Leiterplatte löten.
OSM wurde als erster offener Standard für Auflötmodule vor etwa zwei Jahren von der Standardization Group for Embedded Technologies (SGeT) gelauncht. Die SGET zeichnet sich ebenfalls für die Einführung des weit verbreiteten SMARC-Standards für Embedded-Module verantwortlich. Mit OSM wurde der erste offene Standard geschaffen, der die Vorteile des modularen Embedded Computing auf Auflötmodule erweitert und die bislang weitestgehend proprietären Module ablösen könnte. Das Modulkonzept erlaubt neben einer hohen Flexibilität ein Optimieren der Projektkosten und ein Reduzieren der Time-to-Market des Endprodukts. Der offene Standard ist darauf ausgerichtet, die Verfügbarkeit der Module und die Lebensdauer der Produkte zu verlängern. Durch die Einführung des neuen Standards und die steigende Anzahl an Embedded-Computing-Herstellern, die erste Module vorgestellt haben, ist eine Fülle neuer Anwendungsbereiche für OSM-Module zu erwarten.
Vier verschiedene Größen im OSM-Standard
OSM-Module sind für einen vollautomatisierten Löt-, Assemblierungs- und Testprozess geeignet und lassen sich in einem einzigen Prozessschritt zeitgleich mit weiteren elektronischen Komponenten verarbeiten. Darüber hinaus sind der Systemtest, die Logistik und das Handling der OSM-Module deutlich kostenoptimiert. Aufgrund der reduzierten Anzahl an Produktionsschritten und dem Wegfall der Kosten für Stecker lassen sich im Vergleich zu den bislang existierenden Modulformfaktoren deutliche Kosteneinsparungen erzielen. Aus diesen Gründen eignen sich die auflötbaren Module besonders für hohe Stückzahlen.
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OSM-Module sind für den erweiterten Temperaturbereich spezifiziert und unter anderem ohne Stecker sehr robust bei Applikationen, die hohe Anforderungen an Schock- und Vibrationsfestigkeit stellen. Hersteller liefern OSM-Module besonders platzsparend als vorverzinntes Land-Grid-Array(LGA)-Package. Das größte Modul ist lediglich etwa halb so groß wie ein SMARC-Modul, bietet aber zum Beispiel die doppelte Anzahl an Pins. Die kompakten Maße der OSM-Module führt zu geringeren Abmessungen des Baseboards und hiermit unter anderem zu einem weiteren Kostenvorteil.
Um unterschiedliche industrielle Applikationen zu unterstützen, definiert der OSM-Standard vier verschiedenen Größen (Bild 1):
- Size-0: 30 mm x 15 mm mit 188 Pins
- Size-S: 30 mm x 30 mm mit 332 Pins
- Size-M: 30 mm x 45 mm mit 476 Pins
- Size-L: 45 mm x 45 mm mit 662 Pins
Die einzelnen OSM-Varianten sind für den Einsatz unterschiedlicher Prozessortypen vorgesehen. Während ein Size-0-Modul für Mikrocontroller geeignet ist, findet auf einem Modul der Größen S/M/L ein Prozessor wie der »i.MX93« von NXP Semiconductors oder vergleichbare Arm-basierte Prozessoren Platz. Einige Bereiche auf den Modulen sind bei allen Baugruppengrößen identisch und beispielsweise für den Anschluss von Antennen reserviert.
Die kompakten OSM-Module kommen vor allem in industriellen Low-Power-Anwendungen zum Einsatz, die kostensensitiv sind – beziehungsweise wenn sehr wenig Platz für den Einbau vorhanden ist. Typische Beispiele sind optimierte IoT-Systeme, zum Beispiel kleine Gateways, industrielle Steuerungen und Home-Automation-Produkte.
Drei Module für unterschiedliche Einsatzbereiche
Avnet Embedded hat als einer der ersten Embedded-Hersteller bei der Standardisierung von OSM innerhalb der SGET mitgewirkt und frühzeitig erste Module vorgestellt. So entspricht die Modulfamilie »MSC OSM-SF-IMX93« dem OSM-1.1-Standard (Size-S) mit Maßen von 30 mm x 30 mm (Bild 2). Die skalierbaren Module sind mit i.MX-93-Applikationsprozessoren von NXP Semiconductors bestückt. Die OSM-Modulfamilien »MSC OSM-MF-IMX8MINI« und »MSC OSM-MF-IMX8NANO« von Avnet Embedded basieren auf den Prozessoren »i.MX 8M Mini« und »i.MX 8M Nano« von NXP Semiconductors (Bild 3). Die System-On-Chips (SoCs) integrieren die Arm-Cortex-A53-Architektur, die über bis zu vier Cores verfügt.
Avnets OSM-Modulfamilie MSC OSM-SF-IMX93 integriert i.MX 93-Applikationsprozessoren, die über Single oder Dual Core Arm Cortex-A55 Cores mit bis zu 1,7 GHz verfügen und die für Linux-basierte Edge-Applikationen benötigte Leistung und Energieeffizienz liefern. Hinzu kommt Arms »Ethos-U65« micro Neural Processing Unit (NPU), die das Entwickeln leistungsfähiger, kosten- und energieeffizienter Machine-Learning(ML)-Applikationen unterstützt. Zudem bieten NXPs i.MX-93-Prozessoren Sicherheitsfunktionen mit integriertem »EdgeLock Secure Enclave« und eine effiziente 2D-Grafikprozessoreinheit (GPU). Die typische Thermal Design Power (TDP) liegt zwischen 2 und 4 W. Weiterhin sind die Module mit Low-Power-LPDDR4-Speichertechnik mit Inline-Error-Correction-Code(ECC)-Unterstützung und bis zu 256 GB eMMC-Flash-Speicher ausgestattet. Die Auswahl an Embedded-Schnittstellen umfasst Dual Gigabit Ethernet (RGMII), zweifach USB 2.0, zweifach CAN-FD, MIPI-DSI und MIPI-CSI-2 für den Anschluss einer Kamera. Die Module arbeiten im erweiterten Temperaturbereich
von -40 bis +85 °C.
Weiterhin integriert die OSM-Modulfamilie MSC OSM-MF-IMX8MINI einen Solo/Dual/Quad-Core-Arm-Cortex-A53-Prozessor von NXP Semiconductors mit bis zu 1,8 GHz, einen Arm-Cortex-M4-Echtzeitprozessor mit bis zu 400 MHz und eine GC-NanoUltra-Multimedia-2D/3D-Grafikprozessoreinheit (GPU). Ebenfalls ist ein Hardware-Video-Encoder/Decoder vorhanden (nicht auf »Mini Lite«). An Schnittstellen stehen MIPI-DSI x4, MIPI-CSI-2 für den Anschluss einer Kamera, PCI Express Gen 2, zweifach USB 2.0 und Gigabit Ethernet (RGMII) zur Verfügung.
Für Applikationen mit geringeren Anforderungen ist die OSM-Modulfamilie MSC OSM-MF-IMX8NANO ausgelegt. Die Baugruppen integrieren einen Solo/Dual/Quad-Core-Arm-Cortex-A53-Prozessor mit bis zu 1,5 GHz, einen Arm-Cortex-M7-Echtzeitprozessor mit bis zu 750 MHz. Außerdem integrieren die Module eine »GC7000UL« Multimedia-2D/3D-GPU. An Speicher sind bis zu 1 GB LPDDR4 SDRAM und bis zu 256 GB eMMC Flash bestückbar. Als Schnittstellen sind MIPI-DSI x4, MIPI-CSI-2, USB 2.0 und Gigabit Ethernet (RGMII) ausgeführt.
Erweiterungen zum einfachen Entwickeln
Damit Entwickler erste OSM-Prototypen testen können, bietet Avnet Embedded den SMARC-Adapter »MSC SM2F-OSM-AD« (Bild 4) an. Er ermöglicht ein Evaluieren der Schnittstellen und der technischen Features der OSM-Module mit der Embedded-Plattform »MSC SM2-MB-EP1«. Alle Ausgänge, die nicht auf dem SMARC-Konnektor vorhanden sind, wurden gesondert an zusätzliche Stecker auf dem Adapter-Board ausgeführt.
Als Evaluation Board ist von Avnet Embedded das standardisierte OSM Carrier Board »MSC OSM-MB-EP5« für die drei OSM-Modulgrößen Size-S, Size-M und Size-L erhältlich. Die SimpleFlex-Plattform im Format 146 mm x 102 mm lässt sich einfach konfigurieren. Nicht benötigte Schnittstellen lassen sich hiermit einsparen. Das Carrier Board bietet:
- M.2 Key E für Wireless-Module
- 2x Gigabit Ethernet
- USB-C Power Supply
- Mikrobus-Slot für diverse I/O-Module
- MIPI-CSI für Kamera
- LVDS/DSI/RGB-Display-Unterstützung
Das Carrier Board ist nicht nur zum Evaluieren der OSM-Module geeignet, sondern kann ebenfalls als sofort lauffähiges Modul in Applikationen mit kleinen Stückzahlen zum Einsatz kommen. Avnet Embedded entwickelt alle Embedded-Module in den unternehmenseigenen Design-Centern, die Produkte werden in automatisierten Produktionsstätten in Deutschland in großen Stückzahlen gefertigt. Hiermit sind eine sehr hohe Qualität der Computer-on-Modules sowie eine lange Verfügbarkeit gewährleistet.
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