組み込みシステムプロジェクトのコントローラとしてのシングルボードコンピュータ

組み込みコンピューティングデバイスであれ、モバイルデバイスであれ、センサーネットワークの一部であれ、その他のシステムであれ、特定の要件を持っています。これには、処理能力、メモリ、無線および銅製の通信能力、データの送受信用のI/Oインターフェースが含まれます。組み込みシステムの開発者であれば、システムのプロトタイピングおよびフルスケール生産のためのプラットフォームを構築する必要があります。

既製の開発ボードを使用する領域では、単純なArduinoマイクロコントローラーボードのようなものについて話しているわけではありません。これらのボードは、より単純なコンピューティングやデータキャプチャタスクに使用できますが、極端な計算負荷を伴うアプリケーションに必要な処理能力を持っていません。代わりに、シングルボードコンピューターに近いものを使用することをお勧めします。これにより、一部のコストを節約し、ユーザーエクスペリエンス、ネットワーキング、および組み込みソフトウェアなど、他の重要な設計側面に集中できます。

ビルドするかしないか？

自分自身のボードを開発して製造することに魅力を感じるかもしれませんが、シングルボードコンピューターやその他の組み込みコントローラーの上にボードを設計するという方法もあります。組み込みコントローラーを構築するか購入するかは、あらゆる組み込みシステム設計者にとっての古典的なジレンマの一つです。自分自身のコントローラーボードを構築する道を選ぶことで、望ましいフォームファクター、統合レベル、およびコンポーネントのセットにボードをカスタマイズする機会を得ることができます。

対照的に、既製のボードを購入することで、自分自身の組み込みコントローラーを設計、プロトタイピング、テスト、製造する費用を省くことができます。市場に出ている既製のボードには、ボードに直接組み込まれた重要な機能が含まれており、すぐに使用できる完全機能のハードウェアプラットフォームを利用できます。その後、開発予算の大部分を消費する可能性のあるシステムのソフトウェア開発側に集中できます。

重要な組み込みコントローラーの性能指標

組み込みシステムの性能を測定する方法はいくつかあります。以下に最も重要なものを挙げます：

• オンボードメモリ：組み込みコントローラのメモリには、RAM、フラッシュ、EEPROM、さらにはソリッドステートメモリなど、いくつかの形態があります。もし、ボードが少量のメモリしか搭載されておらず、アプリケーションが計算集約型であることがわかっている場合は、SDカード拡張スロット付きの組み込みコントローラを選択すると良いでしょう。これにより、合理的な読み書き速度で数GB分のメモリをボードに追加できます。
• 処理能力：これは、FPGA、GPU、CPUなどの処理ユニットの速度を指します。多くの市販ボードは、合理的なコストでGHzの処理速度を提供しています。
• 接続性：これは、GPIO、USB、UART、イーサネット、その他の銅線上のプロトコルから成り立っています。システムが外部ディスプレイユニットとインターフェースする場合は、HDMIも必要になるかもしれません。これには、WiFi、Bluetooth、GPS、LoRa、その他のプロトコルのような無線機能も含まれます。
• 拡張性：これは、接続性とある程度関連しており、コントローラに望ましい機能を提供する他のモジュールを追加したい場合に関係します。システムを他のデバイスに接続する場合は、システム設計時にコネクタの互換性を確認してください。

高MHzからGHz速度で動作する組み込みシステムのプロセッサは、大量の電力を消費する可能性があり、バックアップ電源にアクセスできない場合にシステムがシャットダウンするリスクにさらされます。これも設計中に考慮すべきことであり、コントローラを必要な期間オンラインに保つために必要なバッテリーサイズを計算する必要があります。既製の組み込みコントローラやシングルボードコンピュータを使用する利点は、必要な電力調整回路が既に含まれており、電力消費についてのみ心配すれば良いことです。

Digi International CC-SBE-WMX-JN58

Digi InternationalのCC-SBE-WMX-JN58モジュールは、NXP Semiconductorの528 MHz CPUと256 MBのオンボードDDR3 RAMを搭載しています。このボードには、他のモジュールとのインターフェース用の多数のコネクタ、拡張ストレージ用のmicroSDスロット、USBおよびイーサネットポート、その他の接続オプション（ADC、GPIO、I2C、JTAG、PWM、SPI、UART）が含まれています。拡張可能なメモリと無線機能（WiFiおよびBluetooth 4.2）により、このコントローラは計算負荷が低くデータストレージの要求が高い組み込みアプリケーションに最適です。例としては、リモート画像キャプチャやリアルタイムセンサーモニタリングがあります。

Digi InternationalからのCC-SBE-WMX-JN58シングルボードコンピュータの写真。

BeagleBoard PocketBeagle-SC-569

PocketBeagle-SC-569モジュールは、小型組み込みコントローラーに最適です。このボードは1 GHz ARM^® Cortex-A8を搭載し、512 MB DDR3 RAMを備え、カスタマイズされたDebian GNUおよびNode.js上のCloud9 IDEとカスタムライブラリに対応しています。このボードはmicroSDカードで拡張可能です。このボードは前のボードよりも低価格ですが、統合された無線通信機能はありません。WiFi、セルラー、または他の通信プロトコルをサポートするシールドボード用の拡張コネクターを購入することができます。

PocketBeagle-SC-569のサイズ比較。BeagleBoardより。

Pi Supply PIS-0531

PIS-0531シングルボードコンピューターは、メーカーの夢に近いものですが、その性能は高速処理速度と高メモリを要求する集中的なコンピューティングアプリケーションにも望ましいものです。このボードは、クアッドコア1.8 GHz ARM^® Cortex-A17 CPU、2 GB LPDDR3メモリ、ギガビットLAN、Bluetooth 4.0、802.11 b/g/n Wi-Fi、および4つのUSB 2.0ポートを特長としています。また、28のGPIOピンを持つ40ピンヘッダーも含まれています。

Pi Supply PIS-0531シングルボードコンピューター。PIS-0531データシートより。

次の組み込みシステムプロジェクトのためのコンピューティングオプションは、ここで紹介したコンポーネントで終わりではありません。Octopartでは、次の組み込みシステムを構築するために必要なシングルボードコンピューターやその他のコンポーネントを幅広く提供しています。パーツセレクターガイドを使用して、次の製品に最適なオプションを決定してみてください。

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