3. Встраиваемые компьютеры
Сегодня архитектура PC широко вторгается на рынок недорогих систем управления низового звена автоматики. Характерной особенностью систем автоматизации нижнего уровня является то, что такие системы устанавливаются непосредственно в промышленное или бортовое оборудование. При этом РС являются неотъемлемой частью какого либо прибора, станка или агрегата, поэтому их называют встраиваемыми (embedded). Т. к. они располагаются на самом объекте управления, то часто должны работать в необорудованных и не отапливаемых помещениях, а то и просто на улице. Особенности такого применения накладывают ряд специфических требований. Наряду с ужесточением требований по вибростойкости, ударопрочности, рабочему диапазону температур добавляются такие, как малые габариты и низкий уровень потребляемой мощности. Кроме того, могут предъявляться достаточно экзотические требования по взрывобезопасности, радиационной стойкости, стойкости к химически агрессивным средам или сильным электромагнитным полям. С функциональной точки зрения в них мы можем увидеть вещи, не характерные для компьютеров, например " сторожевой таймер" или хранение параметров SETUP в энергонезависимой памяти. Часто операционная система загружается из ПЗУ, а в качестве накопителей используются электронные диски, в том числе на базе флэш-памяти. Разработчики встраиваемых систем, желающие использовать архитектуру PC, стоят перед выбором: либо разрабатывать систему " с нуля", используя тот или иной набор микросхем, либо применять в качестве основы готовые изделия специализированных компаний. Можно констатировать, что второй подход все чаще берет верх, и тому есть много причин.
Во-первых, разработка вычислительной системы, например класса 386, 486 или выше, является дорогим удовольствием. Необходим штат высококвалифицированных схемотехников и программистов. Высокие тактовые частоты используемых микропроцессоров требуют особо тщательного проектирования печатных плат, а современная элементная база даже для изготовления прототипа требует высококлаcсного технологического оборудования, обеспечивающего монтаж на поверхность. Например, современный корпус микросхемы на 100 выводов имеет ширину вывода 0, 3 мм и расстояние 0, 5 мм между выводами. Распаять качественно вручную подобные изделия без применения специального оборудования практически невозможно. Хотя кажется, что устройство, разработанное с учетом конкретных нужд и не включающее в себя ничего лишнего, обойдется вам дешевле, чем универсальные, а значит, избыточные изделия специализированных компаний, это впечатление может оказаться обманчивым, так как существует множество скрытых затрат, таких как организация и поддержка разработки и производства, входной и выходной контроль, испытания и тестирование, отладка программного обеспечения, гарантийные обязательства и т. п. Кроме того, изготовители стандартных модулей закупают комплектующие большими партиями по более дешевым ценам. Вот почему самостоятельная разработка может быть экономически выгодна только при достаточно большой тиражности изделия. Во вторых, в условиях жесткой конкуренции очень важно минимизировать время от идеи до готового изделия. Поэтому многие, даже крупные компании предпочитают сосредоточить свои ресурсы на том, что они умеют делать лучше других – производить технологическое оборудование, а не изобретать колесо, особенно, если стоимость системы управления составляет лишь малую долю от стоимости всего изделия (станка, линии и т. п. )
В третьих, время жизни наборов микросхем, используемых в PC, часто не превышает и одного года. Не исключена ситуация, когда, закончив разработку, вы неожиданно обнаружите, что микросхемы, использованные в проекте, уже сняты с производства. Время же жизненного цикла систем автоматизации достигает 10 лет. В этой ситуации фирмы, специализирующиеся на изготовлении стандартных модулей, как правило, заключают специальные соглашения с ведущими изготовителями компонентов, по условиям которых они заблаговременно получают информацию как о планах снятия каких либо компонентов с производства, так и о планах выпуска новых. Это позволяет таким фирмам закупить необходимое количество " критических" компонентов для обеспечения необходимого жизненного цикла своей продукции. Кроме того, они способны обеспечить полную совместимость снизу вверх последующих поколений своих изделий. И, наконец, в четвертых, при приемлемом тираже вашей продукции специализированные фирмы могут внести необходимые изменения в свои стандартные изделия, чтобы те удовлетворяли вашим требованиям. Процесс разработки и отладки системы при использовании готовых модулей ввода/вывода и языков высокого уровня по времени сводится к минимуму. Одним из достоинств использования встраиваемых компьютеров является использование хорошо известного программного обеспечения. Фактически во время разработки пользователь может использовать типовую операционную систему обычного PC-компьютера, а также широко известные языки высокого уровня (СИ, Форт, Паскаль, Бейсик и т. д. ). После завершения процесса разработки и отладки готовая программа записывается в ПЗУ, которое установлено на плате компьютера. После включения питания, стартовый загрузчик процессора перекачивает ядро операционной системы и разработанную программу из ПЗУ в ОЗУ и устройство управления готово к работе. В России широко известны такие производители встраиваемых PC, как Advantach, Octagon Systems, Fastwel, Ampro, PEP, Radisys и другие. Условно встраиваемые компьютеры можно разделить на две группы. К первой относятся компьютеры, собираемые из нескольких плат, объединяемых системной шиной, а ко второй – одноплатные компьютеры, где все необходимые функции интегрированы на одной плате небольшого размера. Использование подхода с системной шиной позволяет создавать функционально более мощные системы управления, обладающие гибкостью в плане переконфигурации и настройки на конкретное приложение. Компьютеры на одной плате (Single Board Computer – SBC), не имея средств поддержки общей системной шины, могут оказаться более дешевым решением в тех случаях, когда особая гибкость не нужна. Тем не менее, одноплатные компьютеры, как правило, снабжаются шиной расширения, или, как ее иногда называют, мезонинной шиной (mezzanine bus), для подключения при необходимости дополнительных плат, выполняющих какие либо специфические функции, требуемые в конкретных приложениях.
Неадекватный выбор вычислительного ядра для встраиваемой системы может привести к увеличению времени создания конечной системы, дополнительным финансовым затратам или даже поставить под угрозу проект в целом. При этом приходится выбирать из нескольких конструктивных решений, не говоря об учете большого числа технических факторах, от стоимости до устойчивости к внешним воздействиям. Это требует хорошей ориентации в современных тенденциях развития рынка SBC и определения основных критериев выбора изделий для конкретного приложения.
Р и с. 1. 6. Распространенные конструктивные стандарты (форм-факторы) для одноплатных встраиваемых компьютеров. Термин «встраиваемые системы» подразумевает, прежде всего, компактность конечного изделия. С этой точки зрения одной из важных характеристик SBC становится соответствующий конструктивный стандарт. Конкретный конструктивный стандарт рождался изначально в «недрах» той или иной фирмы-производителя, поэтому нужно иметь в виду, что во многом форм-фактор оказался неизбежно связанным с той общей концепцией, которой придерживался производитель при разработке своей серии устройств. К наиболее распространенным конструктивным стандартам (форм-факторам) для одноплатных встраиваемых компьютеров в настоящее время можно отнести такие как РС/104, MicroPC, ЕВХ, 3, 5" и 5, 25" (рис. 1. 6).
РС/104 – один из наиболее компактных форм-факторов. Линейные размеры стандартной платы всего 90 x 96 мм (рис. 1. 7).
Р и с. 1. 7. Внешний вид процессорной платы стандарта РС/104
На рис. 1. 8 представлены конструктивные унифицированные элементы рассматриваемого стандарта. Название стандарта расшифровывается очень просто: первая его часть подчеркивает IBM PC совместимость, а вторая соответствует количеству контактов шины. Системы этого стандарта отличаются простой конструкцией и достаточно высокой степенью устойчивости к внешним воздействиям. Поэтому особенно популярны устройства РС/104 в авиации, военных приложениях и на транспорте. Второй принципиальный фактор, обеспечивший РС/104 широкое распространение, – это совместимость с технологией обычных офисных компьютеров (IBM PC) как на аппаратном, так и на программном уровне; шины, используемые устройствами стандарта РС/104, электрически и логически в основном аналогичны стандартам ISA и PCI.
Р и с. 1. 8. Стандартизированные элементы форм-фактора РС/104.
В данном стандарте выпускаются, конечно, не только платы процессорных модулей, но и дополнительные функциональные модули расширения. Платы объединяются по принципу этажерки с шагом 15 мм. Крепление элементов этажерки осуществляется четырьмя угловыми монтажными стойками (рис. 1. 9).
Р и с. 1. 9. Соединение нескольких плат стандарта РС/104.
Для того чтобы показать, что не смотря на малые габариты это серьезные средства автоматизации, в качестве примера остановимся на нескольких изделиях этого стандарта: · Prometheus фирмы Diamond Systems – рабочий диапазон температур – -40... +85°С, процессор производительностью DX4 100 МГц, Ethernet 10/100 Мбит/с. Отличается высокой степенью функциональной интеграции и программной поддержкой ОС Linux; · Серия Cool RoadRunner III фирмы Lippert – процессор Intel ULV Celeron 400/650 МГц или Pentium-M 800/933 МГц, Ethernet 10/100 Мбит/с, видеосистема SXGA, поддержка LVDS, ТВ-выход, PC/104+. Рекомендуется для задач, где требуется высокая производительность и развитый интерфейс оператора; · Серия Cool SpaceRunner фирмы Lippert – рабочий диапазон температур – - 40... +85°С, процессор Geode 300 МГц, Ethernet 10/100 Мбит/с, все компоненты напаяны на плату. Плата для эксплуатации в условиях повышенных механических нагрузок; · РСМ-3350 фирмы Advantech – экономичная модель на процессоре Geode 300 МГц, Ethernet 10/100 Мбит/с, видеоинтерфейс с ЭЛТ- и ЖК-дисплеями. Решение для большинства встраиваемых систем с небольшим бюджетом, стандартным набором функций и нормальными условиями эксплуатации; · CPU686EC-104 фирмы Fastwel – рабочий диапазон температур – -40... +85°С, процессор Geode 300 МГц, Ethernet 10/100 Мбит/с, два канала промышленной сети стандарта CAN, видеоинтерфейс с ЭЛТ- и ЖК-дисплеями.
Р и с. 1. 10. Промышленный компьютер на платах форм-фактора РС/104.
Для создания законченного решения, кроме вычислительного ядра, необходим конструктив, соответствующий выбранному форм-фактору. Благодаря компактным платам можно получить изделие с малыми габаритами и весом. Так, например, промышленный PC-компьютер на базе процессора класса PENTIUM-II при использовании плат рассматриваемого стандарта имеет габариты всего 132х126х55 мм (рис. 1. 10). В качестве примера решения конструктивных вопросов для РС/104 можно отметить серию защитных корпусов Can-Tainer/Pandora фирмы Diamond Systems (рис. 1 11). Р и с. 1. 11. Серия защитных корпусов Can-Tainer/Pandora фирмы Diamond Systems
Корпуса этой серии и торцевые крышки к ним изготовлены из алюминия толщиной 3 мм и снабжены двойной защитой от ударов и вибрации, что позволяет их использовать в самых неблагоприятных условиях эксплуатации. Платы РС/104 располагаются по вертикальной оси корпуса, опираясь на продольно расположенные с внутренней стороны корпуса четыре угловых резиновых рельса, гасящих высокочастотные вибрации. Сам корпус располагается на специальной базе с толстым резиновым демпфером, гасящим удары и низкочастотные вибрационные воздействия. Каждый корпус снабжается комплектом торцевых крышек с прокладками, обеспечивающими полную пылевлагонепроницаемость. Выпускаются с применением плат данного форм-фактора промышленные компьютеры и для специальных тяжелых условий эксплуатации. В качестве примера можно привести компьютер РС7 Rugged. Он разработан и производится компанией «SBS Technologies». Представляет собой конструктивно-законченное изделие, предназначенное для использования в системах различного назначения на тяжелых машинах, кораблях, буровых установках, открытых производственных площадках и других объектах, где высок уровень запыленности, влажности, наведенных электромагнитных полей, а также тяжелые температурные условия. Данное изделие является примером того, как адаптация к тяжелым условиям эксплуатации превращает компьютер во что-то совершенно не похожее на своих офисных собратьев (рис. 1. 12).
Р и с. 1. 12. Внешний вид РС7 Rugged
Благодаря специальному корпусу его конструкция соответствует современным требованиям пыле- и влагозащиты в соответствии с IP65 и NEMA. Для подключения питания и необходимых интерфейсов на корпусе установлены герметичные разъемы с резьбовой фиксацией. Специальные заглушки наворачиваются на незадействованные разъемы и предохраняют открытые контакты от загрязнения и влаги. Все разъемные соединения имеют защиту в соответствии с IP67, которая допускает временное погружение PC7 Rugged в воду. Вместе с тем по своим характеристикам это самый настоящий и серьезный компьютер. PC7 Rugged комплектуется процессором Intel® Celeron® 566 MГц или Pentium® III 700 MГц. На этих тактовых частотах процессор выделяет значительное количество тепла. При условии полной герметичности корпуса решением проблемы теплоотвода является кондуктивное охлаждение процессора, реализованное с использованием специальных теплостоковых пластин, передающих тепло от процессора на корпус. PC7 Ruggedустойчиво работает при температурах окружающей среды от -40оС до +50оС. Для питания PC7 Ruggedнеобходимо внешнее нестабилизированное питание от 10В до 30В постоянного тока. В его состав включены следующие интерфейсы: · СОМ1/2 (RS-232/422) и СOM3/4 (RS-232/422/485, оптоизолированные); · Fast Ethernet; · два порта USB; · «полевая» шина CAN2. 0; · LCD/VGA; · клавиатура/мышь; · Watchdog; · два двунаправленных параллельных LPT-порта; · 5 оптоизолированных линий дискретного ввода/вывода; · локальная шина расширения РС/104+ (для внутренней установки плат формата РС104+). PC7 Rugged - это компьютер, который полностью совместим с широко применяемыми стандартными компьютерами. PC7 Rugged работает со всеми РС-совместимыми операционными системами: QNX, Linux, MS-DOS, Windows 2000/XP, Embedded NT, VxWorks. Программисты могут разрабатывать и отлаживать программы для PC7 Rugged на обычных офисных компьютерах. MicroPC – форм-фактор, предложенный в 1990 году фирмой Octagon Systems. Платы имеют размер 114x124 мм и ножевой разъём, идентичный 8-разрядной шине ISA. На рис. 1. 13 представлены конструктивные унифицированные элементы рассматриваемого стандарта. Он, безусловно, един и для плат CPU и для плат расширения.
Р и с. 1. 13. Конструктивные стандартизированные элементы форм-фактора MicroPC Форм-фактор MicroPC изначально создавался для систем, работающих в жёстких условиях эксплуатации – в индустриальном температурном диапазоне –40... +85°С и при высоком уровне механических воздействий (ускорение 5g при вибрации и 20g при ударе). Отсюда целый ряд особенностей, позволивших изделиям этой серии занять существенную долю рынка в промышленной автоматизации, на транспорте, в авиации и во многих других областях. Для автономного использования процессорных плат MicroPC в них предусмотрены монтажные отверстия в углах печатной платы и клемма для подвода внешнего питания. В системах, содержащих до 3 плат MicroPC, можно обойтись без монтажного каркаса. Роль системной шины в этом случае выполняет гибкий плоский кабель с наколотыми разъёмами. Помимо компактности, такая конструкция имеет важное преимущество при отладке и испытаниях – при включённом питании можно получить свободный доступ к находящимся на платах компонентам. Виды таких конструктивов показаны на рис. На рис. 1. 14а показан вариант монтажа с объединением модулей при помощи плоского шлейфа в этажерку, на рис. 1. 14 б монтаж при помощи плоского кабеля с расположением модулей на общей горизонтальной поверхности, на рис. 1. 14 в – мезонинное расположение дополнительных блоков.
а б
в
Р и с. 1. 14. Варианты конструктивного объединения модулей стандарта MicroPC Объединяться в единое целое несколько плат могут и с помощью пассивной объединительной панели (рис. 1. 15).
Р и с. 1. 15. Монтаж плат с помощью пассивной объединительной панели.
При количестве плат более трех при этом используются монтажные каркасы. Стандартные монтажные каркасы серии MicroPC поддерживают до 8 плат. Ограничение количества гнезд расширения связано со значительным изменением волнового сопротивления пассивной объединительной панели при низких температурах. При эксплуатации системы в нормальных климатических условиях количество гнезд расширения может достигать 12. Пример такого каркаса показан на рис. 1. 16.
Р и с. 1. 16. Монтажный каркас для нескольких плат. Платы вставляются в монтажный каркас с пассивной объединительной панелью и закрепляются специальными планками. Такая 4-х точечная схема крепления (рис. 1. 17) хорошо зарекомендовала себя в системах на базе шин Multibus и VME.
Р и с. 1. 17. 4-х точечная схема крепления плат в монтажном каркасе.
Платы MicroPC полностью совместимы по физическим и электрическим параметрам с шиной ISA. Это позволяет разработчикам отлаживать программное обеспечение на обычном настольном ПК. Сегодня уже не так просто найти обычный компьютер с материнской платой, поддерживающей шину ISA, однако в случае необходимости можно использовать промышленный ПК. 3, 5" – форм-фактор, соответствующий размеру стандартного 3, 5-дюймового дискового накопителя (148 x 95 мм). Как правило, платы этого стандарта могут наращиваться модулями РС/104. 5, 25 " – форм-фактор, соответствующий размеру стандартного 5-дюймового дискового накопителя (203 x 146 мм). Платы этого стандарта также могут наращиваться модулями РС/104. ЕВХ практически идентичен предыдущему форм-фактору (размеры модулей 203 x 146 мм), но имеет иное расположение крепёжных отверстий. Примеры изделий, выполненных в стандарте ЕВХ, 5, 25" и 3, 5" рассмотрим на основе серии Biscuit фирмы Advantech. В отличие от процессорных модулей РС/104, выбор которых в большинстве случаев подразумевает применение модулей расширения и образование многослойной этажерки, серия SBC Biscuit фирмы Advantech являет собой классическое воплощение подхода «все в одном». Если необходимо действительно одноплатное решение, в прайс-листе фирмы Advantech всегда найдет модель, максимально точно и экономно укладывающуюся в спецификацию его приложения. По номенклатуре изделий стандартов 3, 5", 5, 25" и ЕВХ в сериях РСМ-95хх, РСМ-93хх, РСМ-58хх и РСМ-48хх насчитывается более 50 моделей. Большинство плат имеет несколько штатно выпускаемых модификаций. Применение современных наборов микросхем позволило производителю объединить на одной плате, помимо процессора и оперативной памяти, все стандартные интерфейсы, использующиеся в персональном компьютере: · контроллеры НГМД и НЖМД (IDE), · видеоинтерфейс, · сетевой интерфейс Ethernet, · аудиоинтерфейс, · интерфейс клавиатуры и мыши PS/2, · последовательные/параллельный/ инфракрасный порты, · порты USB, · розетки для установки твердотельного диска DiskOnChip или CompactFlash. Кроме того, на тех же самых платах Biscuit разработчики встраиваемой системы найдут и такие более специфические атрибуты, как · поддержка плоских панелей TFT, · ТВ-вход и ТВ-выход, · LVDS, · порт цифрового ввода/вывода. Можно выделить несколько основных групп SBC фирмы Advantech, выполненных в форм-факторе 3, 5". Прежде всего, это наиболее экономичные (стоимостью до $300) платы РСМ-4823/4825 с предустановленным процессором 486 DX4 100 МГц или DX5 133 МГц. Несмотря на то что процессоры 486 уже давно стали архаикой для офисных систем, их мощности вполне достаточно для широкого спектра задач, характерных для встраиваемых систем. В линейке Biscuit 5, 25" следует отметить несколько моделей. Например, это плата РСМ-9550, созданная на базе встроенного процессора с низким энергопотреблением Intel Pentium MMX 166/266 МГц, с чипсетом Intel 430 ТХ. Помимо стандартных функций РСМ-9550 имеет интерфейсы видеовхода/видеовыхода (NTSC, PAL, S-video и композитный) и поддерживает технологию Dual Display под управлением ОС Windows 98/Me/2000. Благодаря этой технологии одна процессорная плата может поддерживать одновременно два TFT-дисплея и один дисплей на ЭЛТ (дублирует первый TFT-дисплей). На TFT-панели может выводиться разная информация с различным разрешением экрана. Сферой применения таких сложных конфигураций могут быть электронные киоски, торговые терминалы и иные приложения, требующие расширенного отображения данных. В качестве сетевого интерфейса можно использовать Ethernet 10/100 Мбит/с и связь через 4 СОМ-порта, один из которых может работать в режиме RS-422/485. Дополнительные функции могут быть добавлены посредством применения плат расширения РС/104 или PC/104+. Кроме рассмотренных, одним из наиболее широко распространяемых в Европе и, в частности, в России стал стандарт VMEbus (VersaBus Module Eurocard). В номенклатуру модулей VMEbus входят центральные процессоры, сетевые контроллеры, разные виды памяти, генераторы импульсов и функциональные генераторы, счетчики, таймеры, измерители электрических параметров, аналоговые и цифровые устройства ввода/вывода сигналов разных уровней, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Средства VMEbus поддерживают практически все распространенные программные продукты: операционные системы, языки программирования, базы данных, сетевые интерфейсы и т. д. При построении крупных бортовых систем часто используется конструкция в Евростандарте. Наиболее популярным конструктивом в Евростандарте в настоящее время является формат 3U (размер платы 100 х 160 мм). Используются платы двойной высоты 233 х 160 мм, для особо сложных систем используются платы – 367, 7 х 400 мм. Достоинством конструктивов в Евростандарте является наличие большого количества готовых стандартных корпусов, возможность использования разного типа шинных интерфейсов. Конструкция обеспечивает возможность быстрой замены модулей и плат. Недостатком является низкая плотность упаковки электроники. Современные электронные компоненты позволяют разместить на плате 100 х 160 мм целые системы, но при этом для установки выходных разъёмов в Евростандарте в формате 3U используется только одна сторона платы. Использование внутренних разъёмов и переходных кабелей позволяет располагать выходные разъёмы на лицевой панели конструктива, но при этом неэффективно используется внутренний объём, а также возникают трудности с обеспечением жёстких требований к механическим воздействиям. Примером использования конструктива в Евростандарте при построении процессорных плат промышленных компьютеров является модель MIC-3392, выпущенная компанией Advantech в формате CompactPCI 6U (рис. ). Плата построена на базе чипсета для мобильных приложений Intel 945GM и поддерживает двухъядерные процессоры Core 2 Duo, отличающиеся высокой производительностью при низком энергопотреблении (максимальная частота 2, 0 ГГц, системная шина – 667 МГц). На плате может быть установлено до 2 Гбайт оперативной памяти, объём которой можно удвоить с помощью разъёма S0DIMM. Модель MIC-3392 работает на шине PCI 64 бит/66 МГц и соответствует стандартам PICMG 2. 1 («горячая» замена), PICMG 2. 9 (удалённое управление по протоколу IPMI) и PICMG 2. 16 (поддержка кросс-панелей с коммутацией пакетов). К плате можно подключить 2 SATA-диска и CompactFlash-карту. MIC-3392 поддерживает модули тыльного ввода/вывода и имеет РМС-слот на передней панели. Там же расположены 2 интерфейса Gigabit Ethernet, 2 USB-порта, порт RS-232 и VGA-разъём.
Р и с. модель MIC-3392 компании Advantech в формате CompactPCI 6U. Еще одним распространенным конструктивным стандартом промышленных компьютеров является форм-фактор Mini-ITX, который отлично подходит для того, чтобы создать системы, отвечающие самым современным требованиям по производительности и функциональности. Размер Mini-ITX-платы 17 x 17 см. Примером таких устройств служит материнская плата фирмы iBASE MI900 (ее внешний вид представлен на рис. ). Плата MI910 построена на чипсете Intel GM965 и поддерживает мобильные процессоры Core 2 Duo с частотой до 2, 4 ГГц (Socket 478, системная шина 800 МГц). В 2 отсека для модулей памяти можно установить до 4 Гбайт ОЗУ. Среди встроенных контроллеров - видео (поддержка CRT и LVDS), аудио (8 каналов) и до двух сетевых стандарта Gigabit Ethernet. На плате расположены 2 порта SATA 300, порт двухканального контроллера IDE и коннектор для подключения дисковода. Кроме того, нашлось место для трёх слотов расширения (PCI, MiniPCI и PCI Express xl) и разъёма CompactFlash. Богат выбор интерфейсов для подключения периферии: до б USB 2. 0, 2 RS-232, 2 PS/2, IEEE 1394, IrDA и 4 канала Digital I/O.
Р и с. Материнская плата iBASE MI900 в формате Mini-ITX
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|