Energieeffiziente Embedded-Applikationen mit starken CPUs

Mit dem Prozessor i.MX 93 bietet NXP Semiconductors eine preis- und funktionsoptimierte CPU aus der i.MX-9-Serie an. Neben dem i.MX 91 ist sie die kleinste CPU der Serie und eine gute Alternative zu den Prozessoren i.MX 28, i.MX 6UL sowie i.MX 6ULL für neue Embedded-Designs. Im Wesentlichen unterscheidet sich die CPU zu ihren Vorgängern bei den Grafik- und Videoschnittstellen, so gibt es neben einer 24-Bit-RGB-, auch eine MIPI-DSI- und LVDS-Schnittstelle. Eine serielle Kameraschnittstelle (MIPI-CSI) ermöglicht die direkte Anbindung einer Kamera an die CPU und unterstützt den Einsatz bei Applikationen im Bereich der digitalen Bildaufnahme. Hierbei basiert der neue Prozessor auf der gleichen Arm-Architektur wie die komplette i.MX-9-Serie.

Für energieeffiziente ML-Anwendungen geeignet

Beim i.MX-93-Prozessor kommt der Cortex A55 Core mit bis zu 1,7 GHz Taktfrequenz zum Einsatz. Er nutzt die „DynamIQ“-Technologie, die der Nachfolger von Arms „big.LITTLE“-Konzept ist, und verfügt über die neuesten Erweiterungen der Armv8.2-Architektur mit dediziertem Befehlssatz zur Beschleunigung von maschinellem Lernen (ML).

Laut NXP ist der i.MX 93 branchenweit die erste CPU, in der die Ethos-U65 microNPU (Neural Processing Unit, neuronale Verarbeitungseinheit) von Arm implementiert ist – mit einer Leistung von 256 MACs (Multiple-Accumulate-Operationen) pro Zyklus. Die Ethos-U65 microNPU zeichnet sich durch eine sehr gute Kombination aus Leistung und Effizienz bei kleiner Baugröße aus, die es Entwicklern ermöglicht, leistungsstarke, kostengünstige und energieeffiziente ML-Anwendungen zu realisieren.

Zusätzlich beinhaltet CPU einen Cortex-M33-Prozessorkern mit 250 MHz Taktrate für zeitkritische Echtzeitberechnungen und -steuerungen sowie die sogenannte „EdgeLock Secure Enclave“ für die nötigen Security-Funktionen. Das Speicher-Interface ist 16 Bit breit und unterstützt LPDDR4/4X mit Error Correction Code (ECC). Neben bis zu sieben I²S-Audioschnittstellen und 8-Kanal-PDM-Mikrofoneingängen, bietet der Prozessor weitere Schnittstellen wie CAN-FD, UART, SPI, QSPI, I²C, I²S, USB 2.0 und SDIO. In Summe stehen vier CPU-Varianten zur Verfügung: vom Single Core bis hin zum Dual Core mit oder ohne NPU und geeignet für den Betrieb in verschiedenen Temperaturbereichen.

Berücksichtigt man die Input/Output (I/O)-Anforderungen, lassen sich die Schnittstellen je nach Verfügbarkeit im Pin-Multiplexing verwenden. Hieraus ergibt sich eine hohe Flexibilität für das Design eines Mainboards, um die CPU optimal auszulasten. Auf dieser Basis hat TQ zwei Module – ein Steckmodul sowie ein Lötmodul – entwickelt, auf denen trotz der Unterschiede alle Prozessorderivate auf demselben Design einsetzbar sind.

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Module erfüllen hohe Design-Anforderungen

Die Module TQMa93xxLA (Lötmodul) und TQMa93xxCA (Steckmodul) messen 38 mm x 38 mm beziehungsweise 54 mm x 32 mm und eignen sich sowohl für robuste und zuverlässige Industrieanwendungen als auch für mobile Applikationen. Sie bieten einen Arbeitsspeicher von 256 MB bis 2 GB LPDDR4 und verfügbare eMMC-Größen von 8 bis 256 GB im erweiterten Temperaturbereich bis 105 °C. Dies gibt dem Design einen Vorteil bei Applikationen mit einer höheren Umgebungstemperatur. Mit der in der CPU integrierten Grafik ist eine Bildschirmauflösung bis FullHD mit 2D-Unterstützung möglich.

Auf den Land Grid Array (LGA)-Pins des Lötmoduls stehen dem Anwender alle relevanten Signale der CPU zur Verfügung, sodass bei Multiplexing keine Einschränkungen entstehen. Ergänzt wird das Design durch einen externen Security Chip, den SE050 von NXP, sowie einem Gyroskop-Sensor zur Messung von Lage und Beschleunigung. Einige Features der Module sind:

• Erweiterte Security mit SE050/SE051
• Machine-Learning-Beschleunigung mit bis zu 0,5 TOPS
• Highspeed-Kommunikation via 2x Gbit Ethernet (1x TSN) und 2x USB 2.0
• Geringe Verlustleistung (typ.: 2 W)
• Integrierte Sicherheitsfunktionen

Das Modul TQMa93xxCA realisierte TQ auf Basis der Steckerverbinder-Serie Colibri von ept mit einem Pitch von 0,5 mm. Hiermit ließen sich auf lediglich 54 mm Modullänge vier Bohrungen zum Befestigen und Erhöhen der Stecksicherheit realisieren sowie alle Designanforderungen an die herausgeführten Signale einhalten.

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Das Modul TQMa93xxLA basiert hingegen auf der LGA-Technik, bei der das Modul direkt mit dem Mainboard – ohne Steckverbinder – verlötet und ein eigens auf das Modul abgestimmtes Lötprofil bereitgestellt wird. Aufgrund des Wegfalls von Steckverbindern lassen sich mit der LGA-Technik Ressourcen und damit Kosten einsparen. Hierbei wurde eine Anordnung der Pins von 1,9 mm gewählt, die es ermöglicht, das Baseboard-Design unter Berücksichtigen der Designvorgaben wie Impedanzen und Leitungslängen für Schnittstellen kosteneffizient zu realisieren. Auch die Lötpunkte entsprechen den hohen Anforderungen an Schock, Vibration sowie hoher Umgebungstemperatur und erfüllen damit die Voraussetzungen für ein robustes Design. Weil LGA–Module im Allgemeinen maschinenbestückbar sind, können Hersteller weitere Kostenvorteile erzielen. Beiden Modulen gemein ist die hohe Skalierbarkeit des i.MX-93-Prozessors: Anwendern stehen bis zu vier CPU-Varianten zur Verfügung, welche die Grundlage für individuelle Geräteausbaustufen bilden.

Referenzdesigns einfach umsetzen

Zum Evaluieren des Lötmoduls TQMa93xxLA sowie als Referenz für ein eigenes Mainboard-Design, entwickelte TQ ein Mainboard, das zusammen mit dem Lötmodul den Single-Board-Computer (SBC) MBa93xxLA mit dem Maßen 160 mm x 100 mm bildet und sich zudem als industrietaugliches Basisboard einsetzen lässt. Der SBC verfügt über vielfältige Schnittstellen wie zweifach Ethernet, zweifach USB 2.0, USB C 2.0, zweifach CAN-FC (galvanisch getrennt), Display-Port, Single-LVDS sowie jeweils vier digitale 24-V-I/Os zum Steuern externer Peripherie-Geräte. Acht programmierbare analoge Inputs mit einer hohen Auflösung ermöglichen den vielseitigen Einsatz, hinzu kommen zwei MIPI-CSI Lanes.

Für die Steckvariante des Moduls entwickelte TQ zusätzlich das Mainboard MBa93xxCA mit den Maßen 170 mm x 170 mm, das zusammen mit Stromversorgung, Kabel und Speicherkarte als Starterkit STKa93xx zum Evaluieren beider Modultypen dient. Für die LGA-Variante steht hierfür ein Adapter mit aufgelötetem Modul zur Verfügung. Aufgrund der bereits realisierten Schnittstellen reduzieren sich Entwicklungszeit und -kosten.

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Umfangreiche Schnittstellen nutzen

Der i.MX-93-Prozessor verfügt über umfangreiche Schnittstellen, die im Folgenden näher beleuchtet werden. So verfügt das Lötmodul TQMa93xxLA über ein MIPI-DSI-Interface mit einer differenziellen Clock-Lane sowie vier differenziellen Daten-Lanes. Pro Lane können 80 Megabit pro Sekunde (Mbps) bis zu 1,5 Gigabit pro Sekunde (Gbps) übertragen werden. Auf dem SBC MBa93xxLA wurde das Interface hingegen für die Umsetzung einer Display-Port-Schnittstelle verwendet. Hierbei erfolgt die Umsetzung über die DSI-Bridge TC9595XBG von Toshiba, die den Display-Port-1.1a-Standard mit Auflösungen von bis zu 1920 x 1200 Pixel bei 60 fps (frames per second, Bilder pro Sekunde) ermöglicht.

Zum Übertragen von Bilddaten steht ein LVDS-Controller mit einem Interface für vier differenzielle Lanes bereit. Um diese zu nutzen, wurde auf dem Mainboard eine Schnittstelle zum Anschluss eines LVDS-Displays mit 1280 x 720 Pixel bei 60 fps vorgesehen. Zum Steuern des Displays und eines Touchscreens stehen über einen zweiten Steckverbinder alle gängigen Steuersignale zur Verfügung.

Viele Hersteller stellen zudem unterschiedliche Anforderungen an die Kamera-Schnittstelle (Camera Serial Interface, CSI), zudem können sich die Verfügbarkeiten von Kameramodulen sehr schnell ändern. Je nach Anforderung lassen sich die Kameras über ein einfach umzusetzendes Adapterboard anbinden. Die Signale der CSI-Schnittstelle liegen deshalb auf einem High-Speed-Steckverbinder. Hiermit sind die CSI-Schnittstellen ohne direkte Mainboard-Änderungen und ohne Einschränkungen nutzbar. Bei der CSI-Schnittstelle wird am Steckverbinder standardmäßig ein I²C-Bus, vier GPIO-Signale (Reset, Power-Enable, Trigger, Sync) sowie ein Master-Clock-Ausgang zugewiesen.

Auf dem SBC MBa93xxLA wurden zudem zwei CAN-Interfaces (CAN0 und CAN1) nach dem ISO-11898-Standard realisiert – die Signale stehen auf jeweils einer dreipoligen, industrietauglichen Buchse bereit. Hierbei sind die Schnittstellen mit einer Isolationsspannung von 1 kV galvanisch getrennt, untereinander sind die beiden CAN-Schnittstellen nicht isoliert.

Die von der CPU verfügbaren USB-2.0-Schnittstellen sind auf dem SBC je einmal über einen USB-Hub realisiert, um die Verfügbarkeit von mehreren USB-2.0-Host-Schnittstellen zu ermöglichen sowie diese als USB-C-Schnittstelle zu nutzen. Außerdem wurde eine USB-1-Schnittstelle über einen USB 2.0 Hub realisiert, um für die auf dem SBC umgesetzten Funktionen ausreichend USB-Schnittstellen zur Verfügung zu stellen – diese lassen sich zudem alle als USB 2.0 Host verwenden. Die zweite USB-Schnittstelle des Lötmoduls wurde auf dem SBC als USB-C-2.0-Buchse bereitgestellt, die für den Serial-Download-Modus des Moduls nutzbar ist.

Weiterhin enthält die auf dem SBC realisierte I/O-Erweiterung jeweils vier digitale 24-V-Ein- und Ausgänge, die sich mit jeweils 0,5 A (Ausgänge) belasten lassen – die Einspeisung von 24 V erfolgt extern. Für die Ein- und Ausgänge wurde das GPIO-Interface des analogen Frontends verwendet. Als Analog-Erweiterung wurde auf dem MBa93xxLA weiterhin ein programmierbares Frontend von NXP, das NAFE13388, vorgesehen, das über SPI an die CPU angebunden ist. Hierüber erhält der Anwender eine große Flexibilität und kann je nach Anforderung Strom- oder Spannungsmessungen durchführen.

Das Lötmodul besitzt ferner zwei RGMII-Schnittstellen (1x Gigabit Ethernet, 1x Quality of Service). Auf dem SBC sind beide Schnittstellen angeschlossen, die PHY unterstützen zudem IEEE 802.3 10BASE-Te, 100BASE-TX und 1000BASE-T. Der zweite Ethernet-Port unterstützt TSN, das bei zeitsynchronisierten Anwendungen seinen Einsatz findet. Weiterhin wurde die auf dem SBC realisierte RS485-Schnittstelle als halbduplex umgesetzt und nicht galvanisch getrennt – das RTS-Signal der UART-Schnittstelle wird zur automatischen Richtungsumschaltung verwendet. Außerdem ist auf dem MBa93xxLA ein WLAN-Modul verfügbar. Es unterstützt IEEE 802.11 ac/a/b/g/n und bietet eine Dual-Band RF-Schnittstelle (2,4/5 GHz).

Für IoT-Applikationen geeignet

Immer mehr Applikationen im Bereich des IoT fordern eine kabellose Mobilfunkverbindung, um unabhängig von vorhandenen Netzwerken zu sein. Diese Funktion ermöglicht es, Daten sicher zu übertragen, auch von schwer zugänglichen Orten ohne technisch ausgebaute Infrastruktur. Hierbei hängt die Bandbreite im Wesentlichen vom Einsatzort und den Anforderungen an die Datenkommunikation ab. Das Modul BG95 von Quectel bietet hierfür eine breite Unterstützung, angefangen von Narrowband bis hin zu LTE.

Für die neuen Module steht als Betriebssystem Linux im Vordergrund: TQ plant zweimal im Jahr, basierend auf der neusten Kernelrevision, ein aktuelles Yocto BSP an den Start zu bringen. Weiterhin bietet TQ für die Module einen umfassenden Service im Bereich der Softwareentwicklung an. Beide Module eignen sich besonders für Applikationen in den Bereichen Industrie, Energietechnik oder Robotik. Auch moderne Medizin-, Messtechnik- oder Automatisierungslösungen profitieren von den vielen Features der neuen TQ-Module. (ts)