ПРЕСС-ЦЕНТР

Модуль Kontron PCIe/104 с процессором Intel Atom E6x5C: вариации на тему мобильной ультразвуковой платформы

Современная электроника, 4/2011

Андрес Каммерманн (Германия)

С выходом в свет Kontron Microspace® MSMST стал доступен первый встроенный одноплатный компьютер PCIe/104, оснащённый процессором Intel Atom серии E600 и ПЛИС (FPGA) на одном кристалле. Это решение будет представлять большой интерес для разработчиков, например, ультразвукового оборудования, поскольку теперь они смогут использовать высокоинтегрированную платформу в качестве стандартного

COTS-изделия под специальные технические требования заказчика.

Ультразвук, или эхография, используется в медицинской аппаратуре для лечения почек или желчных камней, для удаления зубного камня и как метод визуализации при установлении диагноза, поскольку ультразвук способен исследовать все органы, которые содержат воду и кровь в большом количестве. Традиционно ультразвуковые преобразователи используются для экзогенных целей, однако доступно оборудование и для ультразвуковой эндоскопии (эндоэхографии). Оно используется, например, для скрининга (вывода изображения на экран) яичников, простаты, сердца и желудка. Кроме этого, ультразвуковое оборудование используется в микроскопах медицинских лабораторий.

Процент использования «нетрадиционных» ультразвуковых приложений растёт, подтверждением этому является местное обезболивание при помощи ультразвука. Ультразвуковое оборудование становится всё более мобильным, благодаря чему его удобно использовать для обследования пациентов как в медицинских учреждениях, так и службами спасателей и скорой помощи. Качество методов обследования также постоянно повышается. Пять лет назад трёхмерный ультразвук был новинкой. Сегодня он является повседневной практикой. Технологии и характеристики совершенствуются с каждым днём, и именно в этих условиях требуется инновационная электроника.

Обработка сигналов при помощи ПЛИС

Важной предпосылкой для внедрения инноваций является рост вычисли- тельной мощности. Например, для измерения скорости потока крови от сигналов 64 датчиков с разрядностью 12 бит и частотой выборки 25 нс в сочетании с эффектом Допплера, потребуется выполнить до 10 млрд. операций в секунду (MOPS) [1]. ПЛИС обеспечивают хорошую технологическую базу для первичной обработки исходных данных от ультразвуковых датчиков. Во-первых, за счёт непосредственной реализации необходимых алгоритмов существенно возрастает вычислительная мощность. Во-вторых, – и это также представляет интерес для производителей ультразвукового оборудования, – благодаря гарантированному длительному жизненному циклу всего решения по сравнению с аппаратным решением, реализованным на микросхемах с заданной логикой. Так, по сравнению с ЦПОС, ПЛИС имеют гибко программируемую логику, т.е. разработчики обладают большей свободой при реализации интерфейсов и функций в соответствии с их требованиями. Кроме того, ПЛИС позволяет настраивать процесс обработки исходных данных в зависимости от типа подключаемого датчика. Благодаря такой гибкой настройке каналов ввода-вывода, OEM-производители медицинского оборудования могут эффективно разрабатывать целевые приложения в точном соответствии с предъявляемыми требованиями. Значительно снижаются риски, связанные со снятием с производства электронных компонентов, поскольку программируемая логика позволяет сохранить IP (интеллектуальную собственность) и перенести её на новые ПЛИС микросхемы с минимальными усилиями.

Все вышеперечисленные преимущества стали причиной резкого роста популярности ПЛИС в ультразвуковом оборудовании. Тем не менее, использование только быстродействующих ПЛИС не позволяет создавать перспективную медицинскую технику. Другим важным аспектом является x86-архитектура, необходимая для визуализации, взаимодействия с пользователем и – в зависимости от оборудования – дальнейшей диагностики с помощью компьютера. И именно в этом состояла реальная дилемма OEM-производите- лей: до сих пор не существовало стандартной платформы с ПЛИС и х86- процессором на одном кристалле в качестве COTS-изделия или комплекта разработчика. Следовательно, всегда требовалось заказное проектирование. Эта ситуация в корне изменилась с появлением новых решений на ПЛИС. Например, в виде одноплатного компьютера PCIe/104 с интегрированным процессором Intel Atom и ПЛИС Altera (FPGA) (см. рис. 1).

Встроенный одноплатный компьютер PCIe/104 MICROSPACE® MSMST компании Kontron
Рис. 1. Встроенный одноплатный компьютер PCIe/104 MICROSPACE® MSMST компании Kontron

COTS-продукты и комплекты разработчика

Одноплатный компьютер Kontron MSMST PCIe/104 можно рассматривать как новый важный этап этой интеграции, так как он является единственным в мире доступным решением с высокоинтегрированным модулем ЦПУ и ПЛИС. Симбиоз обеих технологий в компактной одноплатной COTS-платформе с длительным жизненным цик- лом упростит процесс проектирования приложений, минимизирует риски и затраты на разработку, а также снизит общую стоимость владения (TCO) конечного изделия.

Благодаря интегрированной ПЛИС Altera Arria II GX, встроенный одноплатный компьютер PCIe/104 Microspace® MSMST обладает гибкой системой ввода/вывода. Гибкий ввод-вывод на основе ПЛИС позволяет реализовывать интерфейсы, необходимые в конкретном промышленном, медицинском, транспортном, энергетическом, оборонном или коммуникационном приложении. OEM-производителю потребуются только IP-ядра и мезонины HSMC (High-Speed Mezzanine Card) с соответствующими физическими портами. Необходимые IP-ядра доступны для шины CAN, последовательных интерфейсов (SPI Master/UART), шин PCI-Express, I2C и GPIO. Для реализации других интерфейсов Kontron предлагает услуги по программированию FPGA-матриц. Чрезвычайно гибкий ввод-вывод на основе вентильной логики в комбинации с экосистемой IP-ядер, процессорной архитектурой x86 и мезонинами HSMC делает продукт Kontron Microspace MSMST формата PCIe/104 идеальным одноплатным компьютером для создания специализированных RISC-платформ.

Одноплатный компьютер Microspace MSMST оснащается различными процессорами серии Intel Atom E600C с тактовыми частотами до 1,3 ГГц и памятью DRAM объёмом до 2 Гб. Все компоненты процессорного модуля рассчитаны на температуры от –40 до +85°C, поэтому он способен работать в расширенном температурном диапазоне. Интегрированное графическое ядро Intel Graphics Media Accelerator (Intel GMA 600) использует до 128 Мб памяти и обеспечивает работу интерфейсов LVDS (18/24 бит) и SDVO. Видеосигналы выводятся на опциональные платы с портами VGA и DVI, а опциональный выход SPDIF, два аналоговых стереовыхода и микрофонный вход обеспечивают доступ к функциям High-Definition Audio. Для подключения накопителей предусмотрены два интерфейса Serial ATA 300. Кроме того, в наличии два порта USB 2.0 и опционально – порт Gigabit Ethernet. Поддержка пользовательских расширений ввода-вывода обеспечивается шиной PCI Express (разъем PCIe/104) и коннектором HSMC. Модуль TPM (Trusted Platform Module) обеспечивает повышенную безопасность и надёжность посредством аппаратного шифрования всех передаваемых данных. Одноплатный компьютер Microspace MSMST работает под управлением ОС Windows, Linux и VxWorks. По желанию клиента может быть реализована поддержка других ОСРВ.

Компания Kontron предлагает программное обеспечение для операционных систем Windows, Linux, VxWorks и других (по запросу). Предсерийные прототипы доступны немедленно; производство начинается во втором квартале 2011 г. Комплект разработчика Kontron COM Express FPGA Starterkit с ПЛИС Altera Cyclone IV GX позволяет сразу же приступить к созданию специализированных приложений на основе программируемой вентильной логики, что снижает затраты на исследования и разработку и позволяет OEM-производителям быстрее выводить на рынок конечные прикладные системы. Все входящие в стартовый комплект (см. рис. 2) компоненты приводятся в рабочее состояние за считаные минуты, после чего пользователь может сразу же приступать к программированию платформы, состоящей из компьютера-на-модуле и мезонинов HSMC (High Speed Mezzanine Card) с нужными физическими интерфейсами. OEM-производители могут использовать стартовый комплект для разработки уникальных одноплатных компьютеров или специализированных плат-носителей под масштабируемые x86-совместимые COM-модули с вводом-выводом на основе FPGA-матриц Altera Cyclone IV GX. Холдинг Kontron может предложить весь цикл разработки и производства, в том числе помощь в получении отраслевых сертификатов, таких как ITAR и ISO 13485, необходимых для работы на рынке медицинского оборудования. При проектировании портов ввода-вывода под заказ, оба решения Kontron (MSMST PCIe/104 и комплект разработчика) оснащены разъёмами HSMC для установки высокоскоростных мезонин- ных карт, которые физически реализуют требуемые интерфейсы (см. рис. 3). Если HSMC-карты поставляются, например, напрямую фирмой Altera, они комплектуются соответствующими IP-ядрами. Следовательно, оценка приложения может начаться сразу после нескольких лёгких этапов инсталляции. После успешной оценки, по желанию заказчика, компания Kontron может взять на себя дальнейшую разработку и серийное производство заказной платформы. Это означает, что данная платформа может быть сконфигурирована намного быстрее, удобнее и более гибко. OEM-производителю необходимы лишь IP-ядра и мезонинные карты HSMC для реализации интерфейсов. Для расширения номенклатуры интерфейсов ввода-вывода компания Kontron предлагает услуги по программированию ПЛИС. Гибкость в сочетании с новой экосистемой x86/FPGA, IP-ядрами и высокоскоростными мезонинными картами HSMC делают платформы ПЛИС компании Kontron прекрасным решением для ультразвуковых платформ.

Стартовый набор Kontron COM Express™ FPGA является идеальной платформой для разработки проектов х86 на основе ПЛИС
Рис. 2. Стартовый набор Kontron COM Express™ FPGA является идеальной платформой для разработки проектов х86 на основе ПЛИС

Высокоскоростные мезонинные платы (HSMC) физически реализуют интерфейсы, которые определяются ПЛИС
Рис. 3. Высокоскоростные мезонинные платы (HSMC) физически реализуют интерфейсы, которые определяются ПЛИС

OEM-производители медицинского оборудования, самостоятельно разрабатывающие аппаратные платформы, задают себе справедливый вопрос: являются ли оправданными затраты на их разработку и производство при условии, что на рынке доступны готовые COTS-компоненты и решения? Альтернативный вариант предполагает передачу разработок аппаратных платформ на аутсорсинг надёжным компаниям, в то время как OEM-производители сконцентрируются на разработке приложений со специализированными IP-ядрами ПЛИС и прикладного ПО для конечного заказчика. В результате OEM приумножит свой инновационный потенциал, сократит цикл разработки и повысит качество своей продукции. В перспективе, чем больше будет появляться x86/ПЛИС-платформ, тем отчетливее мы будем наблюдать тенденцию к спросу на решения «под ключ» в экосистеме ПЛИС. Следовательно, есть ещё один вопрос, который определённо требует тщательной и взвешенной оценки со стороны OEM: станет ли интегрированная x86/ПЛИС-платформа правильным выбором для OEM-производителей?

Литература

1. http://www.elektronikpraxis.vogel.de/embedded-computing/articles/146346/?icmp=aut-artikel-artikel-45 .