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Revolucionando la Industria: Descubre el Estándar OSM (Open Standard Module) para Módulos ARM

Introducción a los Módulos ARM

Qué son los módulos ARM

Los módulos ARM, o SOM ARM como se conoce por sus siglas en inglés (SOM: System On Modules), vienen desempeñado un papel fundamental en la industria tecnológica desde hace varias décadas debido a su eficiencia energética, rendimiento y versatilidad. Su procesamiento eficiente y un menor consumo de energía lo hace especialmente valioso en dispositivos portátiles y con batería, como teléfonos móviles.

SOM basado en la familia de procesadores i.MX 8

Además, los módulos ARM son altamente personalizables y se pueden adaptar a diferentes necesidades y aplicaciones. Los diseñadores de sistemas pueden utilizar los núcleos de procesador ARM como base y personalizarlos según los requisitos específicos de su producto. Esta flexibilidad ha impulsado la proliferación de dispositivos electrónicos en diversos campos, desde la automoción y la medicina hasta la domótica y la industria.

Soluciones propietarias y estándares

Los diseñadores de producto y los ingenieros de sistemas disponen de varias alternativas a la hora de seleccionar el módulo ARM más adecuado según la aplicación, tal como se describe en el artículo “SOM ARM: Guía Básica para Escoger el Mejor Procesador para tu Aplicación” publicado en nuestra web.

Existen las soluciones propietarias que cada fabricante decide hacer, y en la que se busca asegurar la máxima funcionalidad que los procesadores ARM ofrecen, dando la posibilidad de usar todos los periféricos disponibles en el procesador (I2C, SPI, CAN, GPIOs, etc.). Al ser soluciones propietarias, la compatibilidad entre diferentes fabricantes y la escalabilidad en procesadores no está asegurada.

El SGeT (Standarization Group for Embedded Technologies), una asociación internacional sin ánimo de lucro formada por empresas y organizaciones, colabora y desarrolla especificaciones independientes para la tecnología informática integrada. Estándares definidos por el SGeT, como SMARC (Smart MobilityARChitecture) y Qseven, ayudan a la escalabilidad de la tecnología y permiten la interoperabilidad entre los diferentes proveedores.

PCs embebidos factor de forma SMARC / Módulos PC embebidos Qseven / Módulos OSM

En diciembre de 2020, el SGeT lanzó el nuevo estándar Open Standard Module™. OSM se está abriendo paso en la industria con módulos informáticos integrados del tamaño de un sello de correos, sustituyendo en muchos casos a los módulos del tamaño de una tarjeta de crédito.

Open Standard Module™

Objetivo del estándar OSM

El nuevo estándar OSM (Open Standard Module™) ratificado por el SGeT define módulos que permiten la soldadura directa sin necesidad de conectores. También marca un hito en la miniaturización, reemplazando módulos del tamaño de una tarjeta de crédito por otros del tamaño de un sello postal, con un espacio máximo de 45 x 45 mm.

Tal como describe el SGeT en su página web:

«La idea de todos los Open Standard Modules™ es disponer de un nuevo estándar para módulos informáticos integrados de bajo costo y pequeño tamaño, preparado para el futuro y versátil, que combine las siguientes características clave:

  • Procesos automatizados de soldadura, montaje y pruebas.
  • Soldadura directa a PCB (sin conector), en diferentes formatos.
  • Interfaces predefinidas de software y hardware.
  • Open-source en software y hardware.

La especificación Open Standard Module™ permite desarrollar, producir y distribuir módulos integrados para las arquitecturas MCU32, ARM y x86 más populares. Para un número creciente de aplicaciones de IoT, este estándar ayuda a combinar las ventajas de la computación integrada modular con requisitos crecientes en cuanto a costos, espacio e interfaces.»

Por qué optar por OSM

Como todo estándar, OSM proporciona una base sólida para la interoperabilidad y la flexibilidad. Al adoptar el estándar, los fabricantes y los desarrolladores pueden diseñar y utilizar los módulos OSM de manera más eficiente y sin problemas de integración. Pero ¿qué lo hace especial? Una breve comparativa entre SMARC, Qseven y el estándar OSM nos puede ayudar a comprenderlo.

Vista frontal y posterior de un módulo OSM de tamaño S (pequeño)

  • OSM se promueve como un estándar abierto, tanto en software como en hardware, lo que significa que permite una mayor flexibilidad y personalización en comparación con otros estándares.
  • Los módulos con la nueva especificación OSM son significativamente más pequeños que los de la especificación SGeT anterior. El módulo OSM más grande, que mide 45×45 mm, es un 28 % más pequeño que Qseven (40×70 mm) y un 51 % más pequeño que SMARC (82×50 mm).
  •  Las especificaciones SGeT anteriores utilizan un conector específico para conectar el módulo a la placa base, mientras que OSM utiliza un paquete LGA (Land Grid Array) pre-estañado que se suelda directamente sin necesidad de conector.
  • En resumen, OSM es un estándar más reciente que ofrece una opción de módulo de sistema soldable directamente y una mayor flexibilidad en términos de tamaño y personalización. Todos los estándares tienen sus propias ventajas y pueden ser utilizados en diferentes aplicaciones según los requisitos del proyecto.

Dado que se pueden soldar directamente a la tarjeta portadora, sin necesidad de conectores, los módulos OSM son adecuados para productos propensos a las vibraciones y que requieren de un factor de forma compacto, como pueden ser aplicaciones para vehículos eléctricos. Los módulos OSM ofrecen a los diseñadores una solución con una combinación ideal de escalabilidad, factor de forma y costo.

Para un número cada vez mayor de aplicaciones de IoT, este estándar ayuda a combinar las ventajas de la informática integrada modular con los crecientes requisitos en cuanto a costos, espacio e interfaces. Las aplicaciones potenciales de un módulo OSM incluyen sistemas integrados, de IoT y de periferia conectada a IoT, que ejecutan sistemas operativos de código abierto en entornos industriales difíciles.

Arquitectura del Estándar OSM

El estándar OSM está disponible en cuatro tamaños diferentes, que abarcan el tamaño cero, el pequeño, el mediano y el grande, tamaño que varía en función de los contactos LGA disponibles. La denominación del módulo especifica su tamaño (OSM-0, OSM-S, OSM-M y OSM-L).

Tamaños de módulos OSM 

  • Tamaño 0 (cero): 30 mm x 15 mm con 188 contactos.
  • Tamaño S (pequeño): 30 mm x 30 mm con 332 contactos.
  • Tamaño M (mediano): 30 mm x 45 mm con 476 contactos.
  • Tamaño L (grande): 45 mm x 45 mm con 662 contactos.

El tipo y diseño de las interfaces disponibles en el módulo dependerá de su tamaño, tal como muestra, a modo orientativo, la siguiente tabla:

Tabla comparativa tamaño – interfaces

Como ya se ha comentado, los módulos OSM utilizan encapsulado LGA (Land Grid Array) simétrico para conectar el PCB del módulo al PCB de la placa base sin necesidad de conector. El fabricante puede decidir y especificar el uso de una de las tecnologías de contacto recomendadas (matrizFTGA, paquete ENIG-LGA o paquetes BGA).

Matriz FTGA / Paquete ENIG-LGA / Paquete BGA

OSM también permite dos alturas para adaptar el módulo a diferentes requisitos técnicos:

  • Altura estándar F: La altura de la placa de circuito impreso del módulo NO se extiende a través de un “espaciador de placa de circuito impreso” y debe soldarse directamente en la placa portadora.
  • Altura extendida E: La altura de la PCB del módulo se extiende a través de un “espaciador de PCB”. Dicho espaciador, que se encuentra pre-soldado en la parte inferior del módulo, aumenta la altura total.

Altura estándar F

Altura extendida E

Una de las claves del éxito del Open Standard Module™ es su amplia compatibilidad de software que va desde el gestor de arranque (bootloader), hasta los sistemas operativos y la compatibilidad con API, incluyendo la seguridad. Todos los módulos acordes con la especificación proporcionan, al menos, un entorno de software de código abierto que incluye Bootloader, Sistema Operativo, APIs y otros. Uno de los objetivos de la especificación OSM es ofrecer soluciones de software agradables para una amplia gama de aplicaciones.

 

Ejemplos de Módulos basados en OSM

A continuación podemos ver algunos ejemplos de módulos OSM de nuestras distribuidas Kontron y F&S. Desde estos enlaces puedes acceder al espacio correspondiente en la web.

OSM-S i.MX8M Plus (Kontron)

Open Standard Module™ (OSM) 2x GbE-LAN y funcionalidad TSN en 30 mm x 30 mm.

Procesador

  • NXP i.MX8M Plus, 4 x Arm® Cortex®-A53 @1.6 GHz
  • 1 x Arm® Cortex®-M7 @800 MHz

Memoria

  • 1 GB hasta 4 GB LPDDR4-RAM
  • 1GB hasta 4 GB eMMC
  •  Hasta 128 kb EEPROM

Interfaces de comunicación

  • Ethernet: 2x 1 Gbit/s IEEE 1588 (1x con TSN)
  • USB: 2x 3.0 OTG
  • I/O: 4x UART, 2x I²C, 2x SPI, 17x GPIO, 3x PWM, 1x PCIe, 1x SAI, 2x SDIO (1x 4-bit, 1x 8-bit)
  • CAN: 2 x CAN FD

Interfaces display / táctil

  • LCD: 1x MIPI DSI (4-lane), hasta 4K @30 fps
  • Cámara: 1 MIPI CSI (4-lane)

Factor de forma

  • 30 mm x 30 mm
  • OSM-Tamaño-S

 

OSM-S i.MX8M Mini (Kontron)

Open Standard Module™ (OSM) cuatro núcleos con 1,6 GHZ en 30 mm x 30 mm.

Procesador

  • NXP i.MX8M Mini, 4 x Arm® Cortex®-A53 @1.6 GHz
  • 1 x Arm® Cortex®-M4 @400 MHz

Memoria

  • 1 GB hasta 4 GB LPDDR4-RAM
  • 1 MB NOR-FLASH
  • 4 GB hasta 64 GB eMMC
  • 8 kB EEPROM (64 kb) bajo pedido

Interfaces de comunicación

  • Ethernet: 1x 1 Gbit/s (RG MII)
  • USB: 2x 2.0 OTG
  • I/O: 4x UART, 2x I²C, 2x SPI, 24x GPIO, 3x PWM, 1x PCIe, 1x SAI, 2x SDIO (1x 4-bit, 1x 8-bit)

Interfaces display / táctil

  • LCD: 1x MIPI DSI (4-lane), hasta 1920 x 1080 @60 fps
  • Cámara: 1 MIPI CSI (4-lane)

Factor de forma

  • 30 mm x 30 mm
  • OSM-Tamaño-S

 

FS 8MM OSM-SF (F&S)

Open Standard Module™ (OSM) uno a cuatro núcleos con 1,8 GHZ en 30 mm x 30 mm.

Procesador

  • NXP i.MX8M Mini, 4 x Arm® Cortex®-A53 @1.8 GHz
  •  1 x Arm® Cortex®-M4 @400 MHz

Memoria

  • Flash: 512MB SLC NAND
  • eMMC: 64GB eMMC
  • RAM: 4GB LPDDR4

Interfaces

  • SD-Card: 2x externos
  • Ethernet: 1x 100/1000 Mbit
  • USB Host: 1x 2.0
  • USB Device: 1x OTG 2.0
  • CAN (1x), UART (4x), I2C (4x), SPI (2x), Audio (I2S), Digital I/O (max. 32)
  • Touch Panel: analog resistive y PCAP Touch ext. vía I2C
  • Cámara analógico/digital: MIPI-CSI
  • Interfaces adicionales: PWM, Watchdog, SPDIF, ESAI, SAI, SSI
  • Display: MIPI-DSI ( 1x  4 Lanes)

Factor de forma

  • 30 mm x 30 mm
  •  OSM-Tamaño-S

Familia de procesadores I.MX8

Si quieres aprender un poco más acerca de la familia de procesadores I.MX8 de NXP, puedes darle un vistazo al post que dedicamos al respecto: Familia de Procesadores I.MX8 – Puntos a tener en cuenta donde hablamos de todas las variantes que existen en esta familia como la serie I.MX8, la serie I.MX8X y la serie i.MX8M y mencionamos tanto sus diferencias dependiendo de la aplicación como los puntos en común entre ellas.

Conclusiones

Aunque la industria ha utilizado durante mucho tiempo módulos con conectores, el sistema de módulo soldable OSM está ganando terreno rápidamente debido a las ventajas que ofrece:

  • OSM ofrece un nivel adicional de robustez a los productos que son susceptibles a las vibraciones y requieren un factor de forma compacto. La combinación del diseño LGA (Land Grid Array) y la tecnología de montaje en superficie (SMT) hace que el sistema soporte altas vibraciones.
  • La soldadura directa en la placa portadora, además de garantizar altos niveles de robustez, permiten el ensamblaje automatizado (con una reducción de costes de producción en serie) y la asignación única del módulo a la tarjeta portadora.
  • El uso de la tecnología LGA hace posible implementar muchas más interfaces en un espacio más pequeño, lo que es innovador en términos de miniaturización y aumento de la complejidad de requisitos.