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技術文章-通過系統封裝技術增強系統功能

2019-01-30來源: EEWORLD 關鍵字:封裝

嵌入式系統的復雜度及其具備的功能正在進入一個新階段。即使是對于大多數人認為相對簡單的系統,也需要更復雜的控制來保持其在市場中的地位。開發團隊在選擇硬件平臺時需要考慮采用的標準,上述復雜性則對此產生了連鎖反應。

 

我們可以在許多領域看到這種效果,這里僅以一個安全系統為例。表面上看,兩個電子門鎖可能看起來同樣簡單,但是它們所包含的功能卻有很大差異。傳統的設計采用一個相對簡單的微控制器(MCU),并與外圍設備接口,用于讀取電子鑰匙卡(采用磁條或通過NFC原理)。這種類型的系統將被那些更先進和更加智能化的設計所取代,未來的設計將具有更多的功能,包括基于人臉、指紋或語音的識別技術,甚至是利用這些生物特征的可能組合。

 

對于智能門鎖,其核心功能和邏輯保持不變,即只有在鑰匙(以任何形式)出現時才能打開門,但其設計所需的復雜程度要高得多。而且必須指出的是,設計仍然需要考慮成本和功率的限制。這種更高級的鎖可能需要從攝像頭獲取輸入信息,甚至可能還需要麥克風和指紋讀取器,具體取決于使用多少生物特征識別選項。高性能數字信號處理(DSP)用來處理來自這些設備的輸入數據,并可以智能地處理每個數據流。

 

在軟件級別,現在已有大量的資源來幫助實現這種設計,許多設計師使用高性能ARM內核來處理高級軟件。執行人臉和指紋識別的圖像處理和機器學習程序庫可用于各種平臺,其中包括基于德州儀器Sitara系列的DSP內核以及ARM內核。 OpenCV圖像處理程序庫即是一個例子。Debian等Linux版本則可為開發和運行時間執行提供了一個方便的環境,能夠訪問多種編程語言(從Python到C++)。

 

雖然C和C++是嵌入式系統中使用的傳統程序語言,但Python卻能夠提供許多顯著的優勢。例如,Numpy程序庫擁有廣泛的函數組合,支持與復雜機器學習應用相關的多維矩陣和數組所需的復雜數學運算。因此,能夠為軟件原型設計提供一個更簡單的流程。然而,對于從門鎖到工業電機控制器等所有嵌入式應用,滿足實時要求的能力至關重要。

 

傳統上,為MCU設計的操作系統已針對軟件實時功能進行了優化,但是大多數Linux版版卻不是這樣。 Linux有其實時性,但通常無法訪問軟件工程師想要使用的程序庫,而這卻是多核方案的有用之處。例如,Sitara系列不僅提供能夠運行確定性算法的DSP,還包括了高速可編程實時單元(PRU),能夠獨立地于主要面向Linux的ARM處理器內核而運行。

 

選擇適當的硬件也有助于控制目標設計的能效。以門鎖為例,一種可能的情形是,即使門前沒有人,處理器也會持續處理其輸入,對于需要全天候運行的設備,這種方案無疑非常耗電。相反,如果增加一個接近傳感器,則可以提醒核心處理器應該檢查附近范圍內是否有人,并相應地激活攝像頭。

 

開發人員可能希望嘗試不同的選項。一種方案是簡單的接近傳感器,只能確定是否存在足夠高度的物體。另一種方案是采用熱電傳感器,接近的人會發出紅外輻射,熱電傳感器接收到這種輻射后將產生電壓。開發人員針對這些開發所需要的是一個原型設計環境,能夠支持輕松地切換I/O。

 

Beagleboard和Beaglebone 都是非常受歡迎的原型設計平臺,其中Beaglebone特別適用于空間受限的應用,例如需要嵌入到門內或門框架的鎖等等。通過附加的Click板,可以直接為執行器安裝不同的傳感器和控制器,包括熱電傳感器和麥克風等各種器件。

 

相較于采用較簡單MCU器件用戶可用的選擇,進行更高性能嵌入式系統硬件設計時遇到的問題傳統上則更加困難。雖然這些器件本身可以適應Beaglebone主板的尺寸要求,但設計高性能多核處理器要比傳統處理器困難得多。如果市場上有現成的主板,并帶有所需的SoC,對于初始原型設計應該沒有問題,但如果系統設計是針對制造而進行優化,則是一個至關重要的考慮因素。

 

通常情況下,MCU僅有非常簡單的電源要求,只需一個電源輸入軌即可。但對于高性能微處理器和SoC,通常需要多個電源軌。這些電源軌通常需要靈活可變,以支持SoC所需的不同低功耗模式。在電源軌電壓設定后,即使在高電流負載下也不能出現任何偏差。此外,SoC在啟動時通常會有嚴格的電源排序要求。

 

在考慮如何將SoC連接到存儲器時,設計人員也面臨著類似的復雜性。基于傳統MCU的應用在數據存儲方面通常是獨立的,相比之下,智能系統則需要訪問更多的內存資源,圖像和視頻緩沖可以輕松占據許多兆字節的數據存儲容量。諸如深度神經網絡(DNN)等機器學習算法,依賴于系統處理數百萬個參數的能力,并需要長期占用大量的存儲。

 

系統所需的存儲器不僅要容量大,而且也需采用諸如DDR3之類的協議來實現高速運行。 SoC和DDR3存儲器之間的信號傳輸非常復雜且耗時,總線上的信號總是具有非常嚴格的時序約束,這要求信號路由長度要相等。較短的直接路徑必須要包括一些蛇形繞線布局,以使它們的路徑長度與較長的跡線相等。這就是系統級封裝(SIP)能夠發揮效力之所在。

 

與許多原型設計平臺的系統級模塊(SOM)相比,SIP更容易在生產環境中集成。 SOM是一塊印制電路板(PCB),需要安裝到主電路板上,并通過一個特殊連接器來實現所有定制I/O,這增加了系統的尺寸和成本。另一方面,SIP更像是一個標準的單片IC,可以像其他IC一樣與所有其他I/O器件一起焊接到定制PCB。

 

 

圖1:Octavo OSD335x SIP的功能框圖。

 

Octavo Systems的OSD335x 系列 SIP產品包含有強大智能系統核心所需的一切,也秉承了傳統MCU設計的簡易性。這些SIP基于德州儀器的Sitara系列SoC,可為工程師提供1GHz ARM Cortex-A8處理器、兩個PRU、DDR3內存和一個電源管理IC(PMIC),能夠確保它們始終以最高效率運行。OSD335x封裝內的PMIC可應對所有不同的電壓軌和電源排序,因此就像傳統的MCU一樣,只需連接一個電源輸入。

 

圖2:Octavo Systems的OSD335x。

 

此外,SIP PMIC中的電源控制電路也負責為并非始終連接到主電源的系統進行電池管理。對于需要通過AC適配器等各種電源供電的系統,OSD335x PMIC可自動處理電源多路復用和電源之間的切換。對于電池供電系統的另一個好處是,通過微型封裝實現的集成有助于減少SoC和DDR存儲器之間數據傳輸所消耗的能量。

 

現實世界要求系統具備更多的智能,并要融入不斷發展的物聯網(IoT)世界,Octavo SIP解決方案是一個非常高效的處理平臺,既提供了傳統MCU的簡易性,同時又具有更強大的功能。該公司開發的核心SIP技術有助于創建多種變體,確保工程師能夠得到針對其應用而調整的版本,并且以一個非常小的封裝滿足許多智能物聯網設備的空間受限要求。對于原型設計,OSD335x已內置針對物聯網應用的Beaglebone Black Wireless等平臺,可輕松地將SIP從開發移植到生產。憑借Sitara SoC提供的豐富軟件支持,這種解決方案一定能夠使未來的開發項目更容易地實現。



關鍵字:封裝

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