DISEÑO Y FABRICACIÓN NACIONAL DE UN
MOTHERBOARD PARA MÓDULOS QSEVEN

Alamon, Diego1; Brengi, Diego1; Noelia Scotti1; Ignacio Zaradnik2
1
INTI Centro de Micro y Nanoelectrónica del Bicentenario, 2 Electrocomponentes S.A.
dalamon@inti.gob.ar


Introducción

El concepto de “System on Module” (en
adelante, SoM - Figura 2) consiste en una
computadora modular de formato muy
compacto que brinda la mayoría de los
periféricos de la actualidad en un solo conector.
Dicho conector y su disposición de pines están
sujetos a diversos estándares para que los
SoM sean intercambiables y a su vez permitir
una rápida actualización a tecnologías más
modernas. En este caso el elegido es Qseven.

El circuito impreso en donde se conecta el SoM
permitiendo exportar sus periféricos a los
conectores para su utilización en el mundo real
se denomina Carrier (Figura 1) y cumple una
función similar al Motherboard de una
computadora tradicional de escritorio.

Desde el Centro de Micro y Nanoelectrónica del
Bicentenario (CMNB), bajo requerimiento de la
empresa Electrocomponentes S.A., se diseñó
una placa Carrier capaz de exportar en su
totalidad la funcionalidad de los SoM de la firma
Congatec disponibles en su catálogo de
productos.

Objetivo

La empresa Electrocomponentes S.A., para
facilitar la incursión de sus clientes en esta
tecnología, tiene la intención de brindar un
diseño de referencia el cual pueda ser
modificado de acuerdo a las necesidades de
cada desarrollo.

El diseño de la Carrier está basado en
herramientas libres (open-source) facilitando el
cumplimiento de esta necesidad ya que el
mismo puede ser modificado evitando una
inversión en software.

Descripción

Hardware
Existe gran diversidad de procesadores
disponibles en los SoM con formato Qseven. El
elegido para las pruebas es el QMX6 de
Congatec que cuenta con un procesador i.MX6
de Freescale con 4 cores del tipo Cortex A9 y
1GB de memoria RAM. También existen
variantes con arquitectura x64 como el Intel
Atom, entre otros.
Todos los periféricos del SoM están disponibles
en la placa Carrier. En la tabla 1 podemos
apreciar el listado.



















Campos de aplicación
• Automatización industrial
• Kioscos electrónicos
• Puntos de venta
• Interfaces industriales y agro
• Entretenimiento



Figura 1: Vista 3D de la placa Carrier

Figura 2: SoM del fabricante Congatec

Hardware
Periférico Descripción
Micro USB USB 2.0 OTG (Host/Device)
USB tipo A 2 puertos Host USB 2.0
PCI Express Conector Mini-PCIe 1x con USB
SATA 1 puerto SATA 2.0
SDIO 1 puerto para memorias SD/MMC
RS-232 1 conector DB9 con interfaz RS-232
CAN 1 conector para CAN (incluye transceiver)
Audio Codec de audio I2S con amplificador. Entrada, salida de línea y micrófono.
HDMI 1 puerto HDMI 1.4
LVDS 1 puerto Dual Link
Expansión
8 pines GPIO
1 SPI
2 PWM
1 I2C
Tabla 1: Características del hardware.

Software utilizado para el diseño
Debido a las características de hardware
abierto que propone el proyecto, el diseño del
circuito impreso se realizó con Kicad, un
software libre con licencia GPL (General Public
License). Este software posee herramientas
para el diseño de esquemático, el ruteo del
circuito impreso, calculadora de líneas de
transmisión y visor 3D del diseño.

Diseño del circuito impreso
Se completaron las siguientes tareas:
• Cálculo de la fuente de alimentación.
• Diseño del circuito esquemático.
• Definición del stack-up y las reglas de
diseño.
• Cálculos de impedancia de los pares
diferenciales.
• Ruteo del circuito impreso.

Características del circuito impreso
El circuito impreso fue diseñado teniendo en
cuenta que se debe poder fabricar en el país.
La tabla 2 enumera algunas de estas
características:

PCB 4 capas
Cantidad de capas 4 (2 para señal y 2 para GND/PWR)
Tamaño 165 x 115 mm
Material Standard Tg FR4
Mínimo espaciado 6 mils (0,15 mm)
Menor ancho de
pista 6 mils (0,15 mm)
Agujero de vía 16 mils (0,4 mm)
Corona de vía 28 mils (0,71 mm)
Tabla 2: Características del circuito impreso.

Debido a que en este diseño hay líneas de alta
velocidad (Figura 3), también es necesario que
el fabricante cumpla los requisitos para
controlar la impedancia requerida en cada
línea. A continuación, se detalla este proceso.



Impedancia controlada
Los circuitos digitales modernos poseen
señales de alta velocidad y flancos menores al
nanosegundo. Esto requiere tener
consideraciones adicionales en las pistas de
cobre que interconectan los componentes más
veloces de un circuito impreso, considerando a
las mismas como líneas de transmisión con
una impedancia característica que debe
mantenerse en todo el recorrido de la señal.
Estos cuidados son necesarios para evitar la
degradación de las señales.
La técnica que considera estos aspectos de
diseño se conoce como “Impedancia
Controlada” e involucra el diseño del stack-up
(como se acomodan los layers, espesor del
dieléctrico, espesor del cobre, etc.), el cálculo
de anchos de pistas y los mecanismos de
verificación posteriores a la fabricación,
realizados por el usuario final o por el propio
fabricante de PCBs.

Resultados
Al momento de la elaboración del presente
trabajo se están ensamblando 5 prototipos. El
siguiente paso es realizar las mediciones de las
fuentes y el desarrollo del BSP (board support
package) que consiste en una distribución de
GNU/Linux con todos los periféricos
configurados para facilitar esta tarea a los
clientes.

Conclusiones
Gracias a la experiencia adquirida en trabajos
previos se logró cumplir los objetivos del
trabajo, esperando en los próximos meses
concluir la transferencia a la industria ya que
luego de un período pactado con el cliente el
diseño pasará a tener una licencia de hardware
libre.

Figura 3: Lineas de alta velocidad