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Systèmes embarqués pour analyseurs de laboratoire

Publié le 20 mars 2019 par Patrick RENARD
Source : Implen

Le recours aux systèmes COM (Computer On Modules) est de plus en plus fréquent pour concevoir la logique embarquée des appareils de laboratoire. Heitec a choisi le module NXP i.MX6 Qseven de Congatec dans la conception du dernier analyseur spectrophotométrique d’Implen.

Les laboratoires de biologie moléculaire, chimique et médicale utilisent des spectrophotomètres pour effectuer différents types d’analyse sur de tout petits échantillons. C'est le cas de la mesure de concentrations de protéines et d’acide nucléique ainsi que de l'analyse des caractéristiques d’absorption et de transmission. Spécialisée dans ce type d'instrument, la société Implen a développé sa gamme NanoPhotometer avec des analyseurs portables et connectés, dédiés aux micro-volumes.

Le NanoPhotometer permet aux utilisateurs de travailler avec différentes tailles d’échantillons, selon l’application. L’échantillon à analyser peut être placé soit directement sur la base de l'instrument à l’aide d’une pipette, soit dans une cuvette avec un emplacement dédié thermostaté à 37°C. Un agitateur-mélangeur à vortex est intégré à l'instrument. Les résultats de la procédure spectrophotométrique sont automatiquement analysés et graphiquement affichés sur un écran tactile. La connectivité passe par une interface WiFi et des ports USB, WLAN ou Ethernet pour une communication avec une tablette, un smartphone ou un PC Windows. Un grand écran externe peut être connecté en HDMI et il est également possible d’échanger des données via une clé USB.

La famille NanoPhotometer peut être utilisée dans les laboratoires biologiques, chimiques, médicaux et pharmaceutiques (crédit : Implen).

Basées sur Linux, les fonctions systèmes bénéficient d’un processeur ARM NXP i.MX6 cadencé à 1 GHz pour les mesures d’échantillons, le traitement et la visualisation rapides des données.

Computer-on-modules : une voie rapide de développement d'applications

La société de service allemande Heitec a intégré la logique embarquée qui convenait pour Implen. Elle a utilisé un module processeur Qseven comme cœur informatique embarqué applicatif, puis a développé la carte porteuse avec la fonctionnalité spécifique nécessaire à l’analyseur spectroscopique autour de ce module.

Le computer-on-module conga-QMX6 est soutenu par l’écosystème du standard Qseven (crédit : Congatec)

Une telle combinaison permet aux développeurs de concevoir une solution personnalisée en toute liberté avec le confort d’une carte certifiée et entièrement développée, tout en bénéficiant de l’écosystème complet du standard Qseven pour le module personnalisé final. C'est un avantage significatif en terme de mise à disposition des applications par rapport à n'importe quelle plates-formes d'évaluation standard pour les conceptions ARM, où le support est souvent limité à la possibilité de copier les schémas de circuits existants (les développeurs devant se charger de la conception).

L’approche carte porteuse apporte de la flexibilité aux développeurs car elle est moins difficile à concevoir qu’une carte entièrement personnalisée. En principe, il s’agit juste de router les interconnexions du système et de mettre en place les contrôleurs additionnels. En outre, les développeurs peuvent concevoir des systèmes évolutifs, facilement mis à niveau avec des processeurs plus récents. Et grâce à la standardisation, il n’y a aucun lien de dépendance à un fournisseur.

De nombreuses fonctions personnalisées

Le coût, la compacité, la gestion de la chaleur, l’efficacité énergétique et la gestion de la batterie ont joué chacun un rôle important dans le choix de l’électronique et des composants de la carte porteuse. En plus de toutes les fonctions standards, comme une interface de contrôle tactile, l’interface LVDS à l'écran TFT, le hub USB et l’intégration d’un codec externe pour fournir une interface audio, les fonctions spéciales suivantes ont été implémentées :

  • Contrôle de charge de la batterie pour un usage mobile. Une batterie 4S3P puissante a été installée, ce qui permet à l’appareil de fonctionner sans raccordement au secteur pendant une journée entière et de gérer les pics de consommation.
  • Mode d’attente et marche/arrêt progressifs avec un FPGA basse consommation car, contrairement aux processeurs x86, l’i.MX6 ne possède pas de fonction de veille profonde. Le FPGA reproduit la configuration avancée et l’interface de puissance (ACPI), compatible x86, et coupe tout courant vers le processeur, ce qui augmente la disponibilité d’un système non connecté en la faisant passer de quelques jours à plusieurs semaines. Grâce à un démarrage rapide, le processeur peut atteindre sa pleine capacité d’exploitation des applications en quelques millisecondes.
  • Contrôle du moteur intégré pour l’agitateur-mélangeur à vortex, intégrant un circuit "amortisseur" pour éviter des vibrations indésirables du système, ce qui est indispensable pour mesurer les caractéristiques d'absorption et de transmission des échantillons.
  • Chauffage contrôlé du film et pont de mesure spécial vers le port cuvette, qui assurent une mesure de la température des échantillons fiable, indispensable pour une analyse précise.

Comme l’espace dans l'appareil est restreint (200x200x120 mm), les développeurs de Heitec ont dû travailler en étroite collaboration avec l’équipe de conception mécanique d’Implen et utiliser la simulation thermique pour optimiser le refroidissement. Le dissipateur thermique associé au module Qseven entre en contact avec la plaque de fond métallique du boîtier par le biais d’un remplisseur, tandis que le reste du boîtier est principalement en plastique. Un dissipateur thermique supplémentaire au sein du contrôle de charge de la batterie assure une gestion efficace de cette zone sensible.

De la production à la certification

Heitec s’est occupée de toute la gestion de la chaîne logistique du projet, de l'ensemble de la production ainsi que du test et de la certification. Ainsi, le client dispose d’assemblages électroniques compacts et sans maintenance (cartes équipées) avec une fonctionnalité complète provenant d’une source unique.

Heitec n’avait pas, pour ce projet, à respecter les normes concernant le développement et la production de dispositifs médicaux, avec une traçabilité des lots. Mais il était rassurant pour Implen de savoir que la société est formée à travailler en conformité avec les directives et normes médicales. De même, Implen peut toujours être assuré qu’il sera très facile à Heitec de mettre en œuvre l’interface Ethernet dans le système en accord avec la norme EN 60601-1, au cas où une application IoT (Internet-of-Things) médicale le nécessiterait.

Associer logiciel et matériel dédié

La personnalisation de Linux embarqué requise pour cette application a été réalisée par Implen en interne car la société dispose de développeurs logiciels expérimentés pour Linux, Android, iOS ainsi que Windows. Les développeurs de Heitec, en charge de l’interface spécifique et de la logique, tout comme les ingénieurs d’Implen, responsables de l’interaction entre l’application et le matériel, ont eu l'occasion d'apprécier le support d’intégration personnalisé que propose Congatec, fournisseur des modules Qseven. Avec ce service, les clients sont assurés d’avoir un interlocuteur dédié chez Congatec et de ne pas devoir attendre de manière anonyme dans la file d’attente d’un centre de support technique pour se trouver à chaque fois face à un contact différent.

Wolfgang Christi, Project Manager Electronic System Design chez Heitec (crédit : Heitec).

« C’est une expérience tout à fait différente que de travailler avec des modules pour lesquels le fournisseur propose une plate-forme complète avec tous les pilotes nécessaires, conformes aux standards. Cela facilite grandement la conception personnalisée, en accélérant la mise des produits sur le marché et en diminuant les coûts d’ingénierie »,  explique Wolfgang Christl, Project Manager Electronic System Design chez Heitec. « Il est vraiment appréciable que le Qseven accueille désormais le processeur ARM, alors que seuls les systèmes de test et d’évaluation étaient disponibles auparavant. »

« L’ensemble des composants logiciels pour le conga-QMX6 est très abouti, complet et accessible », souligne Johannes Bauer, responsable du développement logiciel chez Implen. « Nous avons rarement eu besoin de recourir au support d’intégration personnel proposé par Congatec. Mais nous avons pu expérimenter la qualité de service de la personne qui nous a aidés. Nous nous sommes sentis soutenus. »

Composition des modules ARM Qseven

Les modules applicatifs Qseven conga-QMX6 avec un BSP (Board Support Package) sont équipés d’un processeur de la famille ARM i.MX6 Cortex A9 de NXP (ex-Freescale) qui peut être modulé de 1 à 4 cœurs ARM et fournit une interface graphique 3D HD. Ce module Qseven est disponible sous la forme de 4 variantes de processeur, du Freescale i.MX6 Solo ARM Cortex A9 à 1,0 GHz et 512 Ko de cache au Quad ARM Cortex A9 à 1,2 GHz et 1 Mo de cache. L’évolutivité et la disponibilité à long terme d’au moins 10 ans font de ces processeurs de la gamme i.MX6 le choix idéal pour la conception de systèmes ARM. Dans l’avenir, la gamme de modules sera également disponible avec le successeur du i.MX6 pour que les développeurs puissent s’appuyer sur une plus grande gamme de performances et allonger la disponibilité.

Malgré la faible consommation d’énergie, le cœur graphique qui a été intégré dans le i.MX6 est très puissant et offre une unité de processeur vidéo (VPU), des traitements graphiques 2D et 3D (GPU 2D/3D), quatre shaders avec jusqu’à 200 MT/s (millions de triangles/seconde) et un double flux de 1080p/720p.

Une interface graphique double HDMI v1.4 est disponible, avec le second port HDMI partagé avec une interface LVDS. Le LVDS est également implémenté en double canal 18/24 bits avec une résolution jusqu’à 1920x1200pixels (WUXGA). Un emplacement MicroSD peut être utilisé pour du stockage de masse à bas coût, avec en option l’ajout de 16 gigaoctets sous la forme d’un disque dur électronique soudé (eMMC) pour les applications robustes.

Un choix d’interfaces est disponible, comprenant 1x PCI Express 2.0, 2x SATA 2.0, 6x USB 2.0, Gigabit Ethernet, 1x SDIO, Bus CAN, Son I2S et LPC. Le module conga-QMX6 est équipé d’un chargeur d’amorçage U-Boot et possède d’autres fonctions comme Multi Watchdog Timer, Bus CAN et I²C, ce qui rend l’application plus rapide et plus fiable même lorsque le système est en mode veille.


www.congatec.com

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