SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Компания CompuLab: встраиваемые компьютерные модули для промышленных и военных систем

В статье рассматриваются компьютеры на модуле (CoM) и одноплатные компьютеры  компании CompuLab Ltd. Приведены конкретные примеры использования CoM модулей CompuLab в России и за рубежом в промышленных и военных системах.

ЗАО «Фиорд», г. Санкт-Петербург

fiord.jpg


Решения для OEM-производителей встраиваемых компьютерных изделий от компании CompuLab

Как утверждает Википедия (свободная энциклопедия в Интернете), термин «компьютеры на модуле» (Computer-on-module, CoM) придумала консалтинговая компания Venture Development Corporation (VDC) для обозначения специального класса встраиваемых процессорных плат www.en.wikipedia.org/wiki/Computer-on-module). Под этим термином подразумевались полнофункциональные компьютеры для OEM-производителей, выполненные  в виде одной платы, но без полного набора разъемов для подключения внешних интерфейсов. В настоящее время разработано множество вариантов CoM модулей в различных форм-факторах. Сегодня продукцией компании CompuLab пользуется более 400 фирм в 60 странах мира, в том числе 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 годы). В 2007 году объем продаж процессорных модулей CompuLab превысил 100 тысяч штук, 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 в России, о чем будет рассказано в конце статьи. Очень важно, чтобы отечественные разработчики по достоинству оценили возможности продуктов компании CompuLab, что даст им возможность 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, мини-компьютеры, компьютерная периферия, оборудование для индустрии развлечений.

pic_1_small.jpg

Рис. 1. Внешний вид Fit-PC Slim компании CompuLab на основе CoM-модуля CM-iGLX

Для заказчиков в военной и промышленной отраслях крайне важным являются такие характеристики изделий CompuLab, как широкие функциональные возможности и надежность, очень компактные размеры, малое энерго­потребление, возможность устойчивой автономной рабо­ты в широком температурном диапазоне (расширенном и промышленном), очень быстрое время запуска аппаратных и загрузки программных средств, длительный жизненный цикл. 

Размеры модулей CompuLab очень малы, но функциональность при этом достаточно велика, что позволяет создавать «нано» персональные компьютеры (с системой команд x86), как это показано на рис. 1, где представлен персональный компьютер Fit-PC Slim на основе CoM-модуля CM-iGLX весом всего 380 г, потребляющий мощность 4–6 Вт (c возможностью питания от автомобильного аккумулятора 12 В), с жестким диском емкостью 60 Гбайт, оперативной памятью 512 Мбайт, 3 USB, 2 Ethernet, WiFi интерфейсом 802.11b/g для беспроводной связи, возможностью подключения CRT-монитора (VGA) с разрешением до 1920х1440, TFT или LVDS панели и другими возможностями [1]. Компания CompuLab следующим образом позиционирует область применения Fit-PC Slim: Fit-PC Slim (со встроенным Linux) – для необслуживаемых ПК и небольших серверов, Fit-PC Slim (со встроенным Windows XPe) – для доступа в интернет, почты и мгновенной передачи сообщений, хранения и воспроизведения фотографий.

Таблица 1. Характеристики CoM-модулей и одноплатных компьютеров CompuLab

Fiord_table1.jpg



Основные продуктовые линейки 
компании CompuLab

Компания CompuLab специализируется на выпуске CoM модулей и одноплатных компьютеров в форм-факторе PC/104-Plus, состоящих из платы-носителя и CoM модуля CompuLab. Стыковка CoM модулей и платы-носителя в формате PC/104-Plus 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), при необходимости – адаптацию драйверов и верификацию ЖК-панелей.

Таблица 2. График жизненного цикла изделий CompuLab

Fiord_table2.jpg


Таблица 3. Жизненный цикл модулей CompuLab

Fiord_table3.jpg

В табл. 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 обеспечивает не только более высокую производительность, по сравнению с предыдущими поколениями чипов, но и значительно сниженную потребляемую мощностью. Кроме того, PXA300 представляет собой недорогое решение, обеспечивающее длительное время автономной работы устройства. Построенное на базе PXA300, 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 время, достаточное для завершения операции с флэш-диском. Эта особенность крайне важна для достижения высокой  стабильности системы в течение очень длительных периодов времени.

Следует сделать несколько замечаний по данным в табл. 1: 
- высота указана без учета радиатора (если он используется);
- для рассеивания энергии 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 66x44x7, CM-X270W – 66x58x7. 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 табл. 1 приведены данные по одноплатным компьютерам CompuLab. 

Одноплатные компьютеры CompuLab реализуются в форм-факторе PC/104-Plus путем комбинации платы носителя (carrier baseboard) и установленного на ней определенного CoM-модуля. Кроме SBC в формате PC/104-Plus у CompuLab есть еще плата-носитель в формате mini-ATX, которая может работать со всеми  ныне производимыми модулями CompuLab.


Жизненный цикл продуктов CompuLab

Жизненный цикл продуктов CompuLab имеет четыре фазы: выпуска, активной, замораживания и конца жизненного цикла (EOL). В табл. 2 и 3 дано более подробное описание каждой фазы и приведены данные жизненного цикла по всем основным модулям CompuLab (включая модули в фазе замораживания и конца жизненного цикла). 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. Продукты более не рекомендуются для новых проектов. Поддержка продуктов постепенно замораживается. Фаза конца жизненного цикла (End-of-life, EOL) – приблизительно 5-й год после фазы выпуска. Начало EOL в основном зависит от доступности компонентов, требуемых для производства продуктов.

Кроме описанных выше модулей, следует упомянуть о процессорной плате EM-X270 [2], которая открывает новую линейку продуктов компании CompuLab под названием EmMA (Embedded Mobile Assistant, Встраиваемый Мобильный Помощник). EM-X270 – это полнофункциональная процессорная плата (с 32-битным RISC процессором XScale PXA270), разработанная для производства специализированных карманных (наладонных)/мобильных компьютеров (рис. 2). Функциональный состав платы соответствует составу последних поколений КПК и смартфонов, включая все типы беспроводной связи, спутниковую и сотовую связь: WiFi, Bluetooth, GPS и сотовый Voice/GPRS-модем. Плата может использоваться для различных разработок и обеспечивает такую функциональность, какую только может предоставить плата встраиваемого компьютера плюс возможность работы, как в обычных, так и в промышленных условиях эксплуатации (–40...+85 °C). Плата может поставляться с дисплеем, батареей и зарядным устройством, то есть для получения готового изделия требуется только корпус! Цена EM-X270 при заказе 1 тыс. штук начинается от 122$ (с учетом НДС на условиях DDP Санкт-Петербург, Россия).

pic_2_small.jpg
Рис. 2. Вид EM-X270 с ЖКИ


Поддержка промышленного температурного диапазона компанией CompuLab

Компания CompuLab самостоятельно проводит тестирование для различных вариантов температурного диапазона. Большинство протестированных компонентов способно работать в диапазоне от –40...+85 °C. Компоненты, чувствительные к температуре, заменяются на аналогичные, но нечувствительные к температуре. Работоспособность в температурном диапазоне от –40...+85 °C 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 (табл. 4).

Таблица 4. Методика тестирования изделий CompuLab

Fiord_table4.jpg

Тестируемые компоненты/системы могут изменяться в зависимости от типа платы. Тест проводится под операционной системой Linux. Тестируются следующие компоненты/подсистемы: процессор, ОЗУ, Flash-диск, последовательные порты, графический контроллер, Ethernet, интерфейсы карт расширения (например, SD), USB, аудио, Bluetooth, Wi-Fi. 

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. 


Отладочные комплекты для разработчиков и системных интеграторов

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 Wi-Fi, GPRS и GPS, кабели для USB и последовательного порта, LCD-адаптер, клавиатуру, динамик, источник питания. 

Компания CompuLab на систематической основе проверяет на совместимость со своими CoM-модулями LCD-панели различных производителей и публикует эту информацию на сайте www.compulab.co.il/lcd-panels/html/lcd-panel-list.htm. В приведенной на указанном сайте таблице информация отсортирована по критерию «разрешение». По каждой LCD-панели приводится следующая информация: производитель, длина диагонали видимой области, требования к интерфейсу (+'' – интерфейс панели может быть присоединен прямо к контроллеру, «B» – требуется буфер преобразования уровня 3.3V в 5.0V, «L» – требуется последовательно-параллельный преобразователь LVDS, «T» – требуется Timing controller), тип панели, разрешение, цветная/черно-белая, наличие интегрированного сенсорного экрана, год выпуска, совместимость. Предусмотренные уровни  совместимости LCD-панелей с CoM-модулями CompuLab приведены в табл. 5. Проверенные на совместимость панели от большинства фирм-производителей таких панелей (NEC, Sharp, Hitachi, Citizen, LG, Toshiba и др.) имеют очень широкий диапазон характеристик, начиная от малогабаритных панелей размером по диагонали 3'' и разрешением 160 x 120, и кончая LCD-панелями размером 15.1'' и разрешением 1024 x 768.

Таблица 5. Уровень совместимости панели с графическим контроллером

Fiord_table5.jpg



Программное обеспечение 
компаний CompuLab и ФИОРД

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[3], 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 (табл. 6), 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 (www.rtai.org, www.xenomai.org) для данного модуля, то возможность загрузки модулей RTAI (патчи в ядре, базовые модули в корневой файловой системе).

В случае наличия 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.

Таблица 6. Дополнительные BSP компании ФИОРД для CoM-модулей CompuLab

Fiord_table6.jpg


Примеры применения модулей CompuLab в промышленных и военных системах

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

1_За достаточно короткий срок, в течение которого продукция CompuLab официально представлена в России, продукцию компании использовали в своих разработках более 30 отечественных OEM-производителей изделий для различных сфер деятельности. Назовем лишь некоторые из реально осуществленных проектов в России. ГосНИИАС (г. Москва) совместно с ОКБ «Авиавтоматика» (г. Курск) разработал малогабаритный спасаемый бортовой накопитель (МСБН) на базе CM-i686B (www.aviaavtomatika.ru/production/003/011/), информация в котором пишется на NAND Flash. МБСН размещается в катапультируемом кресле или в носимом аварийном запасе пилота. 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, габаритные размеры – 90 х 105 х 35 мм, масса – 300 г. Конструкция блока обеспечивает сохранение зарегистрированной информации при падении с высоты 16 м на бетонную поверхность, при воздействии морской воды в течение одного дня на глубине до 3 метров.

Другой OEM-производитель в области авиации – ОАО «КБПА»  (г. Саратов, www.kbpa.ru, предприятие «Авиаприбор-холдинга») использовал модуль CM-F82 с процессором Freescale PowerPC MPC8271 для разработки вычислителя управления полетом (рис. 3). На нем предполагается возможность установки операционной системы Linux и сертифицируемой по стандарту DO-178B операционной системы реального времени LynxOS-178 компании LynuxWorks (www.lynuxworks.com).

Еще одним предприятием, специализирующимся на производстве бортовых изделий для авионики и спецтехники и использовавшим продукцию CompuLab (CM-i686B), является ОАО «НПК «Элара» (г. Чебоксары). Изделие прошло испытания на использование в диапазоне температур –55...+85 °С.

2_Компания «Алтек» использует CM-X255[4] в ультразвуковом дефектоскопе PELENG УД3-204, который является новейшей разработкой компании «Алтек» (www.altek.info/new.php?mlid=6&parid=5&trgid=6#204). Прибор имеет металлический корпус, цветной TFT-экран новейшего поколения, съемную литий-ионную батарею, два полных акустических канала.

3_SPAWAR Systems Center (SSC) из Сан-Диего в сотрудничестве с Лабораторией Реактивного движения НАСА (JPL) разработал компактный робот с миниатюрным датчиком обнаружения препятствий. SSC также развил алгоритмы предотвращения столкновения с препятствиями.

Датчик передает информацию центральному вычислителю, который ответственен за управление всеми аппаратными средствами, сбором данных со стерео-камер, обработку данных и посылку 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. 


pic_3_small.jpg

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

4_Разведывательный робот ROBART III, предназначенный для обнаружения  взрывчатых веществ.  Вычислительное ядро ROBART III – CM-i686  от Compulab установлено на плате расширения от компании SSC. Компьютер работает под управлением Linux на частоте  266 MГц и имеет семь последовательных портов, CAN, Ethernet, три порта USB, четыре DAC, 12 ADC и 50 DIO. Это позволяет взаимодействовать с многочисленными датчиками и сенсорами.

5_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 и устанавливаемая на различные типы беспилотных летательных аппаратов (рис. 4).

6_Устройство Plenitude Premium от компании CFD Eleсtronica – встроенная система обнаружения вторжения в помещение на основе Linux, оснащенная камерами и инфракрасными датчиками. Она включает 32 беспроводных датчика с требуемым 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 включает встроенный 5,7'' цветной дисплей и может использоваться для видеонаблюдения, или отображать фотографии и видео для 2 000 последних событий. Пульт управления Plenitude Premium основан на SBC-X255  от CompuLab: процессор XScale PXA255 с частотой 400 Mhz, память 64 или 128 МБайт  и встроенная флэшь-память объемом 64 МБайт. У пульта системы управления нет накопителя на жестких дисках. Для конфигурации системы используется внешний EEPROM.

samolet_small.jpg

Рис. 4. SBC CM-i686 в составе БПЛА CB-5000 немецкой компании Aero-Tec


Заключение 

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. То есть там, где важным является высокая надежность изделий, поддержка расширенного и промышленного температурного диапазона, компактные размеры, малое энергопотребление, а также длительный жизненный цикл изделия. 

Литература

1_С.Н. Дроздов, С.В. Золотарев, Fit-PC от компании CompuLab – «нано» персональные компьютеры с большими возможностями, Компоненты и технологии, № 11,2008 г.
2_С.В. Золотарев, И.Булгаков, EM-X270 – платформа для создания встраиваемых мобильных устройств для промышленных условий эксплуатации, Компоненты и технологии, №9,2008 г.
3_А. Шаробайко, Опыт портирования ОС Debian GNU/Linux с расширением реального времени RTAI на процессорный модуль CM-X255, Компоненты и Технологии, № 7, 2005
4_И. Булгаков, Процессорный модуль CM-X255 компании CompuLab Ltd., Компоненты и Технологии, № 7, 2005



Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 1(21)_2009

С.Н. Дроздов, Зам. генерального директора,
С.В. Золотарев, к.т.н., ведущий эксперт, 
компания «ФИОРД», г. Санкт-Петербург,
тел.: (812) 323-62-12,  
е-mail: serge@fiord.com, zolotarev@fiord.com