除了易于使用之外，像 Arduino 和 Raspberry Pi 這樣的快速原型制作平臺的最大優點是它們的成本極低。除非你是專業工程師。

所謂的“創客板”最初是為大型 STEM 教育環境設計的，因此必須盡可能便宜。結果，它們集成了許多不適合商業部署的電子元件。換句話說，它們很便宜。

盡管出于顯而易見的原因，快速原型設計的概念對工業設計師很有吸引力，但 Arduino 和 Raspberry Pi 級設備通常無法為將在其成品中使用的電子硬件提供足夠的模擬。這些開發人員需要更多的工業級原型設計平臺，這些平臺仍然允許他們快速完成設計迭代。

為什么不使用計算機模塊 （COM）？

為什么不使用 COM 進行工業原型設計？

COM 架構在 2000 年代末和 2010 年代初在工業、商業、醫療和運輸行業中流行起來，作為延長電子系統部署壽命的一種方式。他們通過兩板架構實現了這一點：

首先，包含系統可能需要的所有 I/O 和接口的特定應用載板將被設計成一臺機器。

然后，在載體頂部插入一個計算模塊，以提供最終應用程序使用的處理、內存和 I/O 控制器。

為確保設計相隔數年或可能數十年的電路板之間的兼容性，開放 COM 標準指定了在模塊和載體之間傳輸信號的連接器。迄今為止，這些行業標準中最成功的是 PICMG 的 COM Express、Qseven 和SGET SMARC。

這種架構的好處是它可以防止硬件過時。例如，如果一臺機器需要運行比最初設計的更強大、更復雜的軟件堆棧，工程師可以簡單地將現有的計算模塊換成具有更高計算機和內存性能的計算模塊。承運人保持不變，系統中的其他一切也一樣。

例如，像LEC-PX30之類的 SMARC 模塊本身就是為滿足苛刻的平均故障間隔時間 （MTBF）、長生命周期和工業嵌入式應用程序的嚴格修訂控制而設計的。

因此，如果您可以使用 COM 將部署的系統從 A 點帶到 B 點，為什么不使用 COM 將設計從原型設計到生產？嗯，COM 傳統上并沒有被用作原型平臺，因為：

為了優化設計的性能、尺寸和成本，系統集成商或最終用戶通常會設計自己的特定應用載板。這可能很耗時。

從一個目標優化軟件到下一個目標可能是勞動密集型的，因此專業開發人員通常希望在實施生產質量軟件之前確定最終硬件。

工業級 COM 只是比業余愛好者的替代品更昂貴，但它們通常不提供與創客板相同的即插即用功能。

快速原型板和工業級 COM 之間的中間地帶是什么？

工業 Raspberry Pi或“I-Pi。

工業 Pi 的構建塊

凌華科技最近推出了工業物聯網原型平臺I-Pi，讓專業工程師可以使用基于 COM 的平臺快速驗證他們的設計。

該套件由上述LEC-PX30 SMARC 模塊組成；簡化的現成 SMARC 載板；以及類似于 Raspberry Pi 生態系統中使用的硬件連接頂部 （HAT），可將 DSI 信號轉換為 HDMI（圖 3）。HAT 通過 40 針擴展接頭插入 I-Pi 載體，而 LEC-PX30 模塊通過 SMARC 2.1 MXM 3.0 連接器連接到 I-Pi 載體

圖 3. SMARC 2.1 規范中使用的 MXM 3.0 連接器在 SMARC 計算模塊和載板之間傳輸大量信號，最終有助于簡化整個系統設計

如圖 3 所示，MXM 連接器在 I-Pi 載體和模塊之間承載各種信號，連接兩個 10/100 Mbps LAN、四個 USB 2.0 端口和一個 USB 2.0 OTG 端口、四通道 MIPI DSI、兩個通道 MIPI CSI，以及 CAN、SPI、UART 和 I2C 等串行接口。但設置的真正美妙之處在于，實際 I-PI 基板上唯一的高速信號是 PCI Express 和 HDMI。

當然，在原型設計階段完成后，這些信號可以在優化的特定應用載板上進行更改。但是將更復雜的走線限制為僅 PCI Express 和 HDMI 會降低 I-Pi 的復雜性并增加工程師的易用性。事實上，每個模塊都包含 PCI 去耦電容和鎖，因此工程師在更改硬件配置時所要做的就是確保處理器板和載卡之間的走線對齊。

這使得在原型制作過程中將具有一組接口和性能的 SMARC 模塊換成另一組接口和性能變得輕而易舉。

例如，LEC-PX30 基于Rockchip PX30片上系統，包括四核 Arm Cortex-A35 CPU 和安全擴展（圖 4）。該板還配備了 2 GB 內存和 Microchip 的 ATT ECC608A 加密認證芯片。但是，I-Pi 載體支持具有與頂級英特爾 Apollo Lake 處理器一樣先進的處理器的 SMARC 模塊。

圖 4. Rockchip PX30 SoC 包含一個四核 Arm Cortex-A35 CPU 和 Mali G31 GPU，以及用于通用工業應用的大量多媒體、安全和連接模塊

這將我們帶到了軟件上。在大多數情況下，在不同的計算模塊之間進行轉換，更不用說具有不同處理器架構的計算模塊，比如基于 Arm 的 Rockchip PX30 和基于 x86 的 Intel Atom 處理器，意味著原型設計過程要從頭開始。然而，鑒于 I-Pi 平臺廣泛的硬件靈活性，凌華科技通過為其所有 SMARC 模塊配備MRAA 功能來解決這個問題（圖 5）。

圖 5. MRAA 硬件抽象層 （HAL） 是一個集成了 Java、JavaScript 和 Python 的 C/C++ 庫，允許用戶輕松地將軟件從一個硬件平臺移植到另一個硬件平臺，例如不同的 SMARC 計算模塊（來源：Eclipse UPM ）。

MRAA 是最初由英特爾開發的開源硬件抽象層 （HAL）。它是一個包含 Java/JavaScript 和 Python 集成的 C/C++ 驅動程序和 API 庫，允許開發人員無縫集成新的硬件組件，而無需修改任何代碼。因此，工程師可以簡單地用一個 SMARC 模塊替換另一個，即使一個支持瑞芯微 PX30 而另一個托管 NXP i.MX8M SoC；他們可以添加他們需要的任何傳感器 HAT；他們甚至可以將 Raspberry Pi 或 Arduino 環境中的軟件移植到他們的 I-Pi COM，而無需對其進行重新加工。

MRAA 可以通過 Github 下載，也可以通過 MRAA 擴展的有用包和模塊折疊到 Eclipse IDE 中。它可以使用英特爾 Apollo Lake 平臺和 Docker 容器等模擬平臺以及標準和嵌入式 Linux 發行版在 Windows 環境中運行。

I-Pi 本身支持Android、Ubuntu、Debian和Yocto。

圖 6.所有凌華科技 SMARC 模塊都集成了 MRAA 硬件抽象層 （HAL），以實現從一個目標到另一個目標的無縫軟件可移植性，即使該代碼是在 Arduino 或 Raspberry Pi 編程環境中開發的

與 I-Pi 平臺兼容的其他開源軟件組件包括凌華科技 Vortex 數據分發服務 （DDS） 網絡中間件的一部分，這是一個發布/訂閱軟件框架，允許物聯網工程師以安全、可擴展、容錯的方式連接他們的設備和確定性的方式。

圖 7. ADLINK Vortex 數據分發服務 （DDS） 中間件是一種網絡抽象軟件，它以發布/訂閱格式可靠、確定和安全地傳輸消息

以 Pi 級風險加速工業原型制作

從硬件和軟件的角度來看，I-Pi 的模塊化方法使其盡可能接近 Arduino 或 Raspberry Pi 的開箱即用用戶體驗。那就只剩下成本問題了。

如前所述，工業級組件本質上比用于制造板的技術更昂貴。畢竟，I-Pi COM 支持高達 -20oC 至 +85oC 的工作溫度范圍，以及符合 IEC 60068-2-27/64 和 MIL-STD-202 F 的沖擊和振動容限。對于接近生產的客戶，凌華科技還將 USB 和 PCI 開關集成到他們的 SMARC 模塊中，這提高了這些模塊的價格。而且，當然，您必須考慮到 I-Pi 實際上是三個工業板封裝在一個套件中。

盡管如此，該套件的零售價僅為 125 美元，或包括藍牙/Wi-Fi 加密狗的 136 美元。為此，您將獲得 I-Pi 載板、LEC-PX30 SMARC 模塊、DSI 轉 HDMI HAT、32 GB SD 卡、Micro USB 電纜和電源適配器。散熱器/散熱器也可提供，起價約為 15 美元。

對于為可商業部署的產品尋找快速原型解決方案的專業工程師來說，這一點也不差。

因此，現在有一個面向專業工程師的原型設計解決方案，可以實現快速的硬件和軟件設計迭代，使用可商業部署的技術，并且可以通過 FIRST Robotics 團隊成員的每月津貼購買。

審核編輯：郭婷