Gli strumenti spettrofotometrici per il campionamento di piccoli volumi sono utilizzati nei laboratori di biologia molecolare, bio-chimici e bio-medici per una vasta gamma di applicazioni. Gli spettrofotometri sono progettati per eseguire differenti tipi di analisi su piccoli volumi di campioni. Tra gli esempi la misura delle concentrazioni di proteine e di acido nucleico oppure la misura delle caratteristiche di assorbimento e trasmissione. Una società specializzata nel settore è Implen: i nanofotometri della società sono utilizzati per la misura di concentrazioni e il controllo della qualità di acidi nucleici e proteine in fase di ricerca e produzione. Il NanoPhotometer di Implen consente agli utilizzatori di lavorare con campioni di differenti dimensioni, in funzione della particolare applicazione considerata. Il campione da analizzare può essere posto direttamente sul piedestallo per microvolumi utilizzando una pipetta o, in alternativa, può essere misurato in una porta per cuvetta a temperature controllata. Un vortexer (agitatore) integrato è utilizzato per miscelare i campioni al fine di ottenere misure esatte. I risultati della relativa procedura spettrofotometrica vengono quindi automaticamente analizzati e visualizzati graficamente su un touchscreen. Tramite hotspot Wi-Fi è possibili collegare Pc e smartphone, mentre per Pc che operano in ambiente Windows sono disponibili connessioni Usb, Wlan o Ethernet. Attraverso una porta Hdmi è possibile collegare uno schermo esterno di maggiori dimensioni, mentre lo scambio dei dati può avvenire anche attraverso una porta Usb. Il sistema, con sistema operativo Linux, è equipaggiato con un processore i.MX6 di Nxp basato su architettura Arm operante a 1 GHz che garantisce l’esecuzione in tempi rapidi delle operazioni di misura dei campioni, elaborazione dei dati e visualizzazione.
Computer-on-module: la soluzione migliore
Heitec ha realizzato una soluzione logica embedded su misura per le esigenze di Implen. Allo scopo ha utilizzato un modulo Com in formato Qseven come core di elaborazione embedded di tipo “application-ready” e ha quindi sviluppato attorno ad esso la scheda carrier corredata delle funzionalità specifiche di un analizzatore spettroscopico. Una combinazione come quella appena descritta permette agli sviluppatori di abbinare la libertà, in fase di progetto, tipica di una soluzione personalizzata alla possibilità di utilizzare una scheda completa e certificata: essi inoltre possono sfruttare l’ecosistema che supporta lo standard Qseven per il modulo custom finito. Tutto ciò comporta un notevole vantaggio: i moduli custom e i relativi ecosistemi garantiscono agli sviluppatori una maggiore compatibilità delle applicazioni rispetto a qualsiasi altra piattaforma di valutazione standard per progetti basati su Arm, dove il supporto frequentemente si limita a consentire agli sviluppatori di copiare i layout delle schede esistenti. Tutto il resto lo devono sviluppare per contro proprio. La possibilità di utilizzare una scheda carrier garantire agli sviluppatori una maggiore flessibilità, poiché la sua progettazione è meno complessa rispetto a quella di una scheda “full custom”. Si tratta di effettuare l’instradamento delle interconnessioni del sistema e implementare i controllori aggiuntivi richiesti. Senza dimenticare che, con un unico progetto di scheda, è possibile realizzare sistemi scalabili aggiornabili in modo semplice con i processori delle più recenti generazioni. Grazie alla standardizzazione, inoltre, non si creano legami esclusivi con un particolare produttore.
Personalizzazione: uno sguardo in profondità
Nella scelta dei componenti e dell’elettronica per la scheda carrier, fattori come compattezza, costo competitivo ed efficienza energetica rivestono un ruolo importante, così come alcuni aspetti di natura tecnica come la gestione della dissipazione del calore e della batteria. Oltre a tutte le funzioni standard, come l’interfaccia del controllore del touchscreen, l’interfaccia Lvds per il pannello Tft, l’hub Usb e l’integrazione di un codec audio esterno per rendere disponibile un’interfaccia audio, in questo progetto sono state implementate le seguenti funzionalità.
- Controllo della carica della batteria per consentire l’uso in mobilità senza connessione all’alimentazione. Per questo motivo è stato installato un pacco batteria 4S3P che consente al dispositivo di funzionare per un’intera giornata lavorativa senza doverlo collegare all’alimentazione di rete e di gestire i picchi di consumi di potenza quando si acquisiscono le misure.
- Controllo in stand-by e on/off di tipo graduale (soft) mediante un Fpga a basso consumo. A differenza dei processori in architettura x86, i processori della serie i.MX6 non prevedono la modalità “deep-sleep”. L’Fpga replica l’interfaccia Acpi (Advanced configuration and power interface) standard nell’architettura x86, e interrompe il flusso di corrente verso il processore, incrementando notevolmente la disponibilità di un sistema non connesso. Grazie alla modalità di avvio rapido, il processore può essere operativo e in grado di eseguire tutte le applicazioni nel giro di alcuni millisecondi.
- Controllo del motore integrato per il vortexer, che prevede anche un circuito “snubber” (soppressore) per evitare vibrazioni indesiderate del sistema, un elemento chiave per la misura delle caratteristiche di assorbimento e di trasmissione dei campioni.
- Riscaldamento controllato della pellicola e implementazione di un ponte di misura specifico verso la porta della cuvetta per assicurare misure molto precise della temperatura dei campioni, un elemento essenziale per poter eseguire analisi accurate.
Il problema degli ingombri
Poiché non vi era spazio sufficiente (200 x 200 x 120 mm) nel sistema per integrare tutte le funzioni richieste, i progettisti di Heitec hanno lavorato in sinergia con i membri del team di progettazione meccanica di Implen e utilizzato la simulazione termica per ottimizzare il raffreddamento. La scheda finale ha una configurazione a forma di L con il modulo QSeven montato sull’estremità superiore. Il dissipatore di calore, che si accoppia al modulo, è a contatto con la piastra metallica inferiore dell’alloggiamento attraverso un materiale di riempimento termicamente conduttivo, mentre la parte restante dell’alloggiamento è realizzata per la maggior parte in plastica. L’ulteriore scambiatore di calore previsto per il circuito di controllo del carica batteria assicura un’efficiente gestione termica di questo “punto caldo”. Heitec si è assunta l’incarico della gestione completa della supply-chain relativa a questo progetto, della produzione, così come dell’omologazione e delle relative certificazioni. In questo modo il cliente ha potuto ottenere da un unico fornitore assemblaggi elettronici (ovvero le schede equipaggiate) compatti ed esenti da oneri di manutenzione dotati delle funzionalità richieste. Anche se Heitec non doveva garantire il rispetto di standard relativi allo sviluppo e alla produzione di dispositivi medicali mediante la tracciabilità dei lotti, Implen era al corrente del fatto che la società è abituata a operare seguendo gli elevati livelli qualitativi previsti dagli standard in vigore nel settore medicale.
Abbinare il software con un hardware dedicato
La necessaria personalizzazione di Linux embedded è stata realizzata da Implen in quanto la società dispone di risorse interne qualificate per lo sviluppo software in ambiente Linux, Android, iOS e anche Windows. Sia gli sviluppatori di Heitec, che hanno fornito la componentistica logica e l’interfaccia specifica sia quelli di Implen, che si sono occupati dell’interazione tra le applicazioni e l’hardware, hanno riconosciuto l’efficienza del supporto personalizzato in fase di integrazione offerto da congatec, l’azienda che ha fornito il modulo in formato QSeven. Grazie a questo servizio i clienti hanno a disposizione un unico contatto dedicato e non devono più contattare un servizio di assistenza telefonico impersonale, restare in linea e confrontarsi con persone di volta in volta diverse, ma hanno a disposizione una risorsa dedicata. Questo servizio di assistenza per i clienti fornito da congatec, tra i più importanti produttori di moduli Com a livello mondiale, permette ai clienti di avere sempre a disposizione un supporto tecnico dedicato durante la giornata lavorativa. “Poter lavorare con moduli per i quali il fornitore mette a disposizione una piattaforma completa con tutti i necessari driver specificati dai vari standard è un’esperienza senza dubbio unica”, ha affermato Wolfgang Christl, Project Manager della divisione Electronic System Design di Heitec. “Il fatto che lo standard QSeven sia ora in grado di supportare anche la tecnologia Arm è estremamente importante: per questi processori di regola sono disponibili solamente sistemi di valuazione e di test. Anche se è possibile copiare i layout, non si tratta di un componente completamente certificato”. “Oltre che maturo, l’intero package di componenti software per il modulo conga-QMX6 è completo e conveniente”, ha spiegato Johannes Bauer, responsabile per lo sviluppo software di Implen. “Solo raramente abbiamo avuto bisogno del supporto per l’integrazione personalizzato offerto da congatec ma, forse proprio per questo, abbiamo apprezzato la professionalità e la competenza della persona che ci è stata assegnata. Egli conosceva in dettaglio il nostro progetto e non era solo un esperto di Linux e di Arm, ma anche di Fpga, che replica le funzioni Acpi e rappresenta un elemento importante nel caso il prodotto debba essere utilizzato quando non è connesso all’alimentazione di rete. Solo un’unica volta ho dovuto chiedere alcuni chiarimenti e in quell’occasione ho ottenuto una risposta tempestiva e competente, che rappresenta un reale vantaggio rispetto ai tradizionali servizi basati sull’assistenza clienti telefonica anonima e impersonale”.
Moduli in formato Qseven basati su Arm
I moduli Com conga-QMX6 in formato Qseven, corredati da Bsp completi e per i quali è previsto il supporto personalizzato in fase di integrazione sono equipaggiati con processori della serie i.MX6 di Nxp con core Arm Cortex A9 e dotati di interfaccia grafica HD in grado di supportare visualizzazioni 3D. Questo modulo QSeven è offerto con 4 versioni di processore, da i.MX6 Solo Arm Cortex A9 a i.MX6 Quad Arm Cortex A9. La scalabilità e la disponibilità a lungo termine rende i processori della famiglia i.MX6 la scelta ideale per il progetto di sistemi basati sull’architettura Arm.
