Högintegrerade och strömsnåla processorer har gjort det möjligt att ta fram mycket kompakta datormoduler. Patrik Björklund och Magnus Fritzson från Hectronic AB tittar här närmare på den allt intressantare Qseven-standarden.

2010 och 2011 är åren när Qseven har etablerat sig på allvar, framförallt i Europa, men på senare tid även i Asien och USA. Datormoduler i formfaktorn sitter i en mängd produkter som bussdatorer, medicintekniska produkter och HMI:er. Fler och fler inbyggnadsföretag ansluter sig till konsortiet, som står bakom standarden, och erbjuder egna Qseven-moduler.
Anledningen till populariteten är en kombination av liten storlek (70×70 mm) och låg bygghöjd, låg tillverkningskostnad och tillgång till moderna och snabba gränssnitt som till exempel PCI Express, SATA, Gbit Ethernet och USB 2.0. Den senaste tidens tillskott av Qseven-moduler med kraftfulla ARM-processorer och AMDs G-serie tillför ytterligare alternativ och möjligheter.

COM-modul plus bärarkort
Men låt oss ta historien från början, från allra första början. För ungefär tio år sedan började X86-processorer bli så avancerade att poängen med att driva den komplicerade utvecklingen av hårdvara själv blev alltmer tveksam, även för OEM kunder med större volymer. Användningen av färdigutvecklade standarddatorkort (COTS, Computer Off the Shelf) var ett alternativ. Att mycket av det som gjorde företagets produkter unika i funktioner och gränssnitt återfanns hårdvaran talade emot standardalternativet.
Så föddes idén om uppdelning av hårdvaran i en färdigutvecklad datormodul monterad på ett skräddarsytt bärarkort. Datormodulen innehåller väsentligen CPU, chipset och minne och används i produkter från flera företag. Hårdvaran som helhet blir unik genom att produktanpassa bärarkortet som datormodulen sitter monterad på.
Eftersom en datormodul skulle sitta på flera olika bärarkort i olika slutprodukter från en mängd företag behövdes standardisering. ETX och COM Express är ett par exempel på standarder som definierar datormodulens egenskaper som storlek, hålbild och kontakter för montering på bärarkortet, minimal och maximal uppsättning gränssnitt, pin-out, effektförbrukning och kylning av komponenterna.
Dessa standardiserade datormoduler, COM moduler, som de också kallas, har förstås ett innehåll som i mångt och mycket styrs av egenskaperna hos de processorer och chipset som finns och används. Därför var det inte så konstigt att där fanns en öppning för ytterligare en ny formfaktor, med nya egenskaper, när lågeffektprocessorn Intel Atom släpptes 2008. Hyggliga prestanda, men framförallt låg strömförbrukning och kompakta mått gav möjligheter till nya användningsområden. Handhållna och batteridrivna inbyggnadsdatorprodukter kunde plötsligt baseras på X86-processorer.

Qseven med MXM-kontakt
Qseven-standarden lanserades också den 2008 som ett svar på behovet av en kompakt och kostnadseffektiv modulstandard innehållande de senaste snabba gränssnitten. En nyckel till att hålla nere kostnader utan att tumma på tålighet och kvalitet var användningen av en MXM II-kontakt för att ansluta modulen till bärarkortet.
MXM-kontakter användes ursprungligen för anslutning av grafikmoduler i högpresterande notebook-datorer. Produktionsvolymerna var, och är, höga och datormodulen klarar sig utan egen kontakt så kostnaden hålls låg. Datormodulen har guldpläterade ”fingrar” tryckta direkt på kortets ena sida som tjänar som hankontakt för bärarkortets MXM II-kontakt.

Fig 1. Det kompakta formatet hos Qseven möjliggjorde en tvåkortslösning, med datormodul och bärarkort, som direkt ersatte den 3,5 tums enkortsdator som inte längre fanns att köpa. På bärarkortet till vänster sitter den vita MXM-kontakten för Qseven-modulen. Controllern för Firewire-kommunikation, VT6330 från VIA Technologies, ses till vänster om MXM II-kontakten. Controllern SMSC3112 för Super I/O ansluten till LPC-bussen tillförde serieportar. Ethernet och USB 2.0 drogs direkt ut från Hectronics Qseven-modul H6049 (bilden till höger) till kontakter på bärarkortet.

MXM-kontakten har visat sig hålla måttet även i besvärliga miljöer med fukt, vibrationer och temperaturväxlingar. Qseven-moduler används redan idag i system inom transportnäringen och obemannade fordon. MXM-don finns som är specificerade för de hårda kraven inom bilindustrin. Ett exempel som vittnar om tåligheten är när SJ använder en Qseven-modul i ett system för infotainment i den typiskt krävande miljön på tåg. Det exemplet beskrivs senare i texten. Först tittar vi närmare på vilka fördelar som följer med kompakta fysiska mått.

70×70 mm
En Qseven-modul är 70×70 mm. Den begränsade ytan till trots ryms fullmatade X86-plattformar med upp till åtta DDRII/DDRIII minneskretsar, Flash SSD och kontrollkretsar för Ethernet. Modulen bygger inte mer än 14,2 mm på höjden inklusive den heatspreader som också är en del av standarden. Litenheten visade sig avgörande i följande applikationsexempel från en av Hectronics kunder.
Kundens existerande produkt baserades på en enkortsdator i formatet 3,5 tum kopplat till ett antal undersystem med kablage. Operativsystemet var Linux och den äldre X86-processorn Pentium III användes. Ett par industriella kameror fanns anslutna med kommunikationsgränssnittet Firewire.
Enkortsdatorn gick inte längre att köpa och en ersättare behövdes. Kravet på den var identisk placering av kontakter och tillgång till Firewire. Existerande 3,5 tums enkortsdatorer på marknaden uppfyllde varken det ena eller det andra kravet. Hela tiden fanns hotet om omfattande, kostsam och tidskrävande omkonstruktion av systemets mekanik och elektronik, något som behövde undvikas, om inte till varje pris, så i alla fall helst.

Fig 2. Blockschema för tåginfotaimentsystemet.
• Återutsändning av fem FM radiokanaler
• FM-kanal för sändning/mottagning för övervakning av kvalitet hos RF signal
• Strömmande ljud genom LAN
• Två analoga ingångar för ljud i stereo

Det lutade åt alternativet med en datormodul på ett bärarkort. Bärarkortet skulle enkelt kunna anpassas genom att göra det i ett format identiskt med en 3,5 tums enkortsdator och att placera kontakter och skruvhål på rätt ställen. Återstod bara att välja formfaktor för datormodulen, ett beslut som påverkade vilka gränssnitt och controllerkretsar som kunde användas.

Behövde inte gamla gränssnitt
COM Express, ETX och Qseven utvärderades. ETX har numera blivit en standard som används framförallt när tillgången till äldre gränssnitt som till exempel PCI eller ISA-buss är avgörande. Kunden behövde snarare moderna interface med så lång livslängd som möjligt, inte minst för att försäkra sig om framtida tillgång till kretsar för Firewire. PCI Express är ett exempel på ett gränssnitt som passade, men som inte finns på ETX-moduler. ETX-modulen klarade heller inte av kraven på liten formfaktor.
Qseven och COM Express erbjuder båda PCI Express. Det som till slut avgjorde valet var att Qseven-modulerna är tillräckligt kompakta och inte minst låga för att tillsammans med ett skräddarsytt bärarkort få plats och mekaniskt koppla till den existerande kyllösningen i chassit. En krets för Firewire på bärarkortet anslöts till PCI Express. Se fig 1.
Styckekostnaden för denna tvåkortslösning låg i samma härad som priset för den enkortsdator som skulle ersättas. En av anledningarna till det är förstås att MXM-kontaktdonet mellan modul och bärarkort är relativt billig. Hectronics Qseven-modul var kostnadseffektiv, bland annat för att den innehöll det mesta av de funktioner och gränssnitt som behövdes. Bärarkortet kunde därmed göras enkelt och till ett lägre styckepris. Men den största vinsten låg förstås i att ha funnit en ersättare som var tillräckligt liten för att passa i existerande utrymme och därmed slippa göra om hela systemet.

CAN som tillval
Standarden Qseven har funnits i några år nu. Många av de Qseven-moduler som finns på marknaden idag stöder version 1.11 av standarden. Version 1.2, som är den senaste, släpptes i augusti 2010. Version 1.2 har kompletterats med gränssnitt för kontroll och kommunikation som SPI, vid sidan av SMBus och I2C som fanns sedan tidigare. CAN har tillkommit på grund av intresset för formfaktorn i fordonstillämpningar. CAN finns i standarden men är inte vanlig bland X86-plattformar. Utan stödet i plattformen behövs externa kretsar integreras på modulen för tillgång till CAN. Processorerna Intel Atom E6xx med chipsetet EG20 är en av plattformarna som stöder CAN.
Det är vanligt att realisera äldre interface som serieportar, PS2 och parallellport på bärarkortet. Kontrollkretsar av typen Super I/O kan anslutas till LPC-bussen (Low Pin Count Bus som är att likna vid en 8 bitars seriell ersättare till ISA-bussen). Standarden Qseven specificerar ett minimum av interface tillsammans med tillvalsmöjligheter upp till vad som är en maximal uppsättning. SDIO och CAN är exempel på gränssnitt som är tillval och som inte finns i minimi-konfigurationen.

PCI Express och USB
PCI Express är obligatoriskt. Fyra portar är maximum och en port minimum. USB är också ett måste, med mellan fyra och åtta portar. SATA är inte nödvändigt, men vanligen förekommande på framförallt nyare moduler. Standarden tillåter från noll till två portar. För ARM-processorer specificerades i revision 1.2 en mindre omfattande minimal specifikation av gränssnitt, där till exempel kravet på PCI Express uteslutits. Display-gränssnitten LVDS, SDVO, DisplayPort och HDMI har alla funnits med från första version av standarden. Det är dock först på senare tid som Qseven-moduler lanserats med processorer som också stödjer DisplayPort och HDMI.
Qseven-moduler matas med enkel 5 V DC kraft. Maximal TDP (Thermal Design Power) är 12 W. Siktet är inställt på handhållna, mobila produkter eller andra produkter som skall vara passivt kylda i små fläktlösa chassin. Maximal TDP för COM Express är 120 W eller 188 W, beroende på typ av pin-out och revision av standarden. I praktiken är de flesta COM Express-moduler på 15 W till 50 W.

Fig 3. Hårdvaran i infotainmentsystemet består av ett bärarkort med ljudkretsar, en FPGA, RTX-modul för sändning och mottagning av FM-signaler och Qseven-modulen H6049 från Hectronic baserad på processorn Intel Atom.

Qseven-standarden har visat sig få bredare användning än bara små bärbara, batteridrivna produkter. Utmärkande krav från applikationer där valet till slut fallit på Qseven har varit kompakta mått, kostnadseffektivitet, låg effekt och passiv kylning.

Medicinteknik
En av Hectronics kunder från det medicintekniska området har en produkt som är ett bra exempel. Den är varken batteridriven eller bärbar, men Qseven-modulens egenskaper ger ändå uppenbara fördelar. X86-prestanda behövs för att övervaka vitala kroppsfunktioner med sensorer och att presentera mätvärden i form av grafer på en 14 tums skärm med touch-funktion. Fläktkylning med luftöppningar i chassit medges inte på grund av IP-klassningen på produkten. Systemet baseras på Hectronics H6049 Qseven-modul med processorn Intel Atom Z510/Z530. Effekten är tillräckligt låg för att producerad värme skulle kunna fördelas ut över en stor yta på chassit och därmed hålla temperaturen nere utan fläkt.
Till de förväntade användningsområdena hör det vi ser i form av Qseven i handhållna mätinstrument, industriella tablet-datorer och bärbar medicinsk utrustning. Mindre förväntat är kanske att runt om i Europa har formfaktorn fått relativt stor spridning inom industriautomation, fordonsdatorer, medicintekniska HMI:er, och styrsystem för obemannade fordon.

Qseven i tåg
SJ använder Hectronics Qseven-modul H6049 tillsammans med radiomoduler och FPGA i ett infotainmentsystem ombord på det senaste tåget X55. Målet för SJ var bland annat att minska underhållskostnaden som uppkom med den existerande lösningen med anslutningar till infotainment vid varje säte och att allmänt skapa en bättre upplevelse av tågresan.
Utmaningen att ge passagerarna tillgång till FM-radio ombord på tågen innefattade det faktum att tågens fönster och väggar dämpar radiosignaler med 60-70 dB och att bästa radiostationens frekvens hela tiden växlar när tåget rör sig med 200 km/h. Andra utmaningar innefattade vibrationer, fukt och elektriska störningar från släpskor och ledningar, krav bland annat från standarden EN 50155 för elektronik i tåg.
Utvecklingsprojektet balanserade tekniska krav och kostnadskrav genom en kombination av egenutvecklade delar och färdiga komponenter och moduler. En av de färdiga modulerna var H6049-modulen i formfaktorn Qseven. Se blockschemat i fig 2.
12 W maximal TDP begränsar förstås de prestanda som kan förväntas från Qseven-moduler. Hectronic är, med nyss släppta H6059, en av några få tillverkare som erbjuder moduler baserade på AMDs G-serie processorer, eller APU:er som man har valt att kalla dem. Modulerna är de mest högpresterande i formfaktorn som finns att tillgå just nu. AMD kallar processortypen för APU (Accelerated Processing Unit) för att betona poängen med att använda en kombination av en X86-CPU med låg effekt och en avancerad grafikprocessor i en och samma krets.

Fig 4. Hectronic H6059 är en datormodul i formfaktorn Qseven med nya lågeffektprocessorerna T40E och T40R från AMDs G-serie, med dual respektive single core x86 samt en Radeon 6250 GPU. Modulen har till exempel fyra PCI Express-portar, åtta USB 2.0, två SATA-portar, LVDS och de nya digitala gränssnitten för skärmar, DVI, HDMI och DisplayPort.

Grafikprocessorn Radeon 6250 är integrerad med CPUn för att erbjuda till exempel bästa tänkbara 2D/3D- och videoacceleration. Ett annat intressant användningsområde för AMDs APU är generell databearbetning med stöd av AMD Open CL. Fördelen med grafikprocessor och CPU på samma chip, jämfört med att använda en separat grafikprocessor, är att begränsningen hos minnesbussen undviks.
En kompakt modul i denna prestandaklass lämpar sig för applikationer som till exempel avancerad bildhantering och seende system och integrerade digitalsignage-lösningar. Ytterligare användningsområden som kan dra nytta av grafikprestanda är kraftfulla navigations- och radarsystem till sjöss såsom ECDIS (Electronic Chart Display and Information System).

ARM-processorer allt vanligare
Komplexitet och prestanda hos ARM-processorer har närmat sig och nått upp till X86-processorer i de lägre prestandasegmenten. Ofta är arbetet med mjukvara mer omfattande för ARM än för X86. Då kommer de färdiga BSPs (Board Support Packages) som vanligtvis erbjuds för datormoduler väl till pass i ARM-baserade utvecklingsprojekt. Samma utmaningar syns för hårdvaruutveckling med ARM som för X86-processorer, med snabba minnen och gränssnitt. För X86 gjorde det att strategin att dela upp hårdvaran i en datormodul och ett bärarkort såg dagens ljus för ungefär tio år sedan.
Därför är det inte förvånande att vi på marknaden nu ser allt fler moduler i formfaktorn Qseven baserade på ARM-processorer som till exempel Cortex A8 och dubbelkärniga Cortex A9 som i Nvidia Tegra 2. De kommande IMX-processorerna från Freescale förväntas också återfinnas på en eller annan Qseven-modul. Dessa nya och kraftfulla ARM-processorer kan erbjuda stöd för snabba PC-gränssnitt som PCI Express, SATA och Gbit Ethernet. I praktiken har Qseven blivit den första formfaktorn som på allvar standardiserar datormoduler med ARM-processorer.
Hectronic kommer att introducera ARM-Qseven-produkter under 2012. Andra medlemmar i Qseven-konsortiet har också aviserat lanseringar av liknande produkter.
Patrik Björklund, sälj- och marknadschef och Magnus Fritzson, marknadskommunikatör, Hectronic AB

Filed under: Kortsystem