在關于工業(yè)板卡、單板計算機(SBCs)以及嵌入式控制的文章中經(jīng)常提到一個術語“標準結構”,其具體意思是指相關產(chǎn)品的形狀及物理尺寸。然而在實際應用中,精確的術語往往晦澀難懂。因此,其他一些可互換使用的概念也被用來描述板卡產(chǎn)品的標準結構,包括:結構,總線,占用面積,版式,模塊,平臺,協(xié)議,規(guī)格,標準等。
一般來說,工業(yè)板卡標準結構中的長度與寬度之比相對較小。專家表示,正方形的外形有助于減少板卡的震動與顫動,且這種外形安裝比較牢固。當產(chǎn)品超過規(guī)定面積時,選擇不同的外觀尺寸會帶來其他特定的屬性。一定的標準結構限定了板卡可用空間內(nèi)的基本安裝情況與功能。與板卡標準結構相關的典型部分包括機械布置,連接器,輸入/輸出(I/O)區(qū)域等。而嵌入式控制在板卡標準結構中的空間,供電,可靠性等方面有特殊的考慮。
不管你如何稱呼它們,標準結構的應用簡化了開發(fā)人員的工作。同時這也為機械制造商及其客戶對于通用尺寸與規(guī)格的產(chǎn)品的長期可獲得性提供了一定的保證。
雨傘模擬法
標準結構的分類方法之一是將電腦板卡標準用一個傘面型視圖表示。板卡標準的各個要素,如機械尺寸、I/O性能、與其它板卡的擴展接口,安裝以及一定的電氣參數(shù)等,則由傘面上的扇形表示。這一分類方法是由WinSystems公司的副經(jīng)理Robert Burckle提出的?!澳敲?,扇形的面積就表示標準結構各要素”Burckle說,“一些規(guī)范相比而言更為詳細,因為它們描述了供電、I/O接口、擴展連接器的安裝位置,以及禁止使用區(qū)域和其他一些機械問題?!?
連接器,I/O端口甚至安裝孔都經(jīng)常作為標準結構的一部分來考慮?!皩@些標準結構要素的規(guī)定可以統(tǒng)一不同廠家生產(chǎn)的板卡產(chǎn)品,以便減少這些產(chǎn)品在配接電纜、選擇外殼或與其他系統(tǒng)集成時所可能遇到的困難?!盉urckle同時表示,“但是,‘標準結構’的概念并不包括電氣特性,操作部分,處理器及其他可能應用到的芯片?!?
通用工業(yè)計算機用板卡標準具有特殊的功能,Burckle解釋說:“舉個例子來說,VME和CompactPCI可擴展為總線或母板系統(tǒng);PC/104、EPIC及EBX具有自存儲的I/O模塊,那么就沒有必要安裝在支架或母板上。”
嵌入式系統(tǒng)供應商Kontron北美公司的產(chǎn)品經(jīng)理Derrick Lavado也同意嵌入式及工業(yè)用板卡標準結構的通用屬性應包括I/O端口的位置、擴展口、元器件高度,以及安裝孔的位置?!皩τ谝粋€系統(tǒng)工程師來說,這些屬性是必需充分考慮到的,這能幫助系統(tǒng)工程師將產(chǎn)品設計為用戶更為熟悉的結構,以減少產(chǎn)品投入市場的周期。同時,在技術革新的過程中,這一做法為產(chǎn)品的升級提供了一個途徑。”
Lavado認為除物理尺寸外,I/O端口是標準結構中最重要的屬性之一。舉例來說,對于PC/104、EBX及其他標準結構,其標準互連端口(LAN,并行接口,USB,PS/2等)的安裝位置已經(jīng)確定。I/O接口位于預先設定的特別位置,以便在此基礎上進一步實現(xiàn)其他功能。他同時還提到了與一些標準結構有關的元器件高度限制問題。比如PC/104,它采用的是可堆疊式的擴展理念。因為I/O模塊往往處于所有堆疊模塊的最頂層,而最底層則是CPU模塊,所以每個堆疊模塊之間的最小間隙必須得到保證;同時,這樣做也可以解決整個系統(tǒng)的散熱問題。
普及=使用壽命
“最普及的標準結構往往具有以下特征:在一個狹小的范圍內(nèi)集成了高性能的CPU/芯片集,”Lavado繼續(xù)說到。在他看來,PC/104就屬于這類產(chǎn)品。“PC/104模塊與緊湊型外殼一起應用時,其安裝方式非常靈活。所有的I/O端口都從板上通過電纜引出,使得遠程I/O的位置能夠按照設計要求靈活改變?!苯裉?,典型的PC/104模塊均集成了號稱性能強大,功耗很低的CPU與處理器(比如Intel Pentium M和Celeron M)。
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圖1:EPIC 的尺寸介于PC/104 的堆棧格式和EBX 的SBC 格式之間。[/align]
在美國國家儀器有限公司,標準結構指的是物理尺寸以及板卡的基本特征。但是,NI儀器控制部門的硬件產(chǎn)品策略經(jīng)理Tim Fountain建議將一些其他因素如安裝導軌,連接器等添加到這一范疇以內(nèi)。為了使連接更為方便快捷,界面連接設備的安裝位置是非常重要的。
NI對于板卡產(chǎn)品在系統(tǒng)應用中的長期可獲得性以及可靠的技術支持非常重視,并以此為基礎將板卡的全面結構、標準與其標準結構緊密地結合起來。Todd Walter,工業(yè)測量及控制部門的團隊經(jīng)理表示:“我們傾向于使用詳細明確的制板標準,這些標準能夠在最大程度上支持產(chǎn)品開發(fā),并且能夠詳細說明產(chǎn)品的標準結構?!惫I(yè)系統(tǒng)要求板卡具有較長的生命周期,且相關配件必須在較長時間內(nèi)都能買得到。此外,Walter還解釋說,NI從一個更高的、平臺水平的角度來考慮標準結構,他們所采用的標準結構可以滿足顧客的不同要求,如:散熱性能,低功耗,防震動,多資源性等。
NI公司的工作涉及到多種標準結構,包括CompactPCI,PCI Express及其他PCI類型等。如PXI型,就是NI公司開發(fā)的專門用于儀表的PCI擴展接口。NI公司為這一類型PXI板的測試和測量應用提供了定時,觸發(fā),同步等信號功能。
與NI公司相同,WinSystems也強調(diào)了標準及產(chǎn)品長期可獲得性的重要性。最關鍵的一點是產(chǎn)品設計必須基于經(jīng)過認可的標準,并且與多家基本供應商合作,以保證供應的長期性?!?0到15年的使用周期在工業(yè)產(chǎn)品及系統(tǒng)中并不少見?!盉urckle說到?;跇藴实臉藴式Y構同時還意味著元器件互操作性的增加,以及對軟件工具的更有效的應用。
尺寸,應用問題
VITA(VMEbus International Trade Organization)公司的執(zhí)行董事,Ray Alderman先生認為產(chǎn)品的應用情況決定了其板卡標準結構的選擇。VITA是一個非贏利供應商/用戶組織,其宗旨在于促進VMEbus相關標準與開放式處理技術的發(fā)展。
板卡的尺寸決定了可以安裝在上面的連接設備的數(shù)量。如果外形尺寸非常小,那么就限制了I/O點可能的數(shù)量。但是,在簡單的工業(yè)應用中,比如噴射塑模法的控制器,較小的外觀尺寸就能滿足其功能要求,應為這種控制器所需要的I/O點相對較少,Alderman解釋道。隨著應用越來越趨向于事件驅(qū)動,伴隨著對高端應用成熟界面的需求,所需要的I/O點的數(shù)量也相應增加,比如機器視覺或動作控制等。較大的外形尺寸可以在其空間內(nèi)容納以上需求,并能滿足特殊應用的要求。
在現(xiàn)在的工業(yè)應用中,涉及到了多種標準結構;此外,隨著時間的過去,更多的標準結構會被開發(fā)出來。以下介紹幾個在工業(yè)或嵌入式控制應用中經(jīng)常涉及到的標準結構,它們都是由某一協(xié)會或組織提出的。
CompactPCI
這是一個基于標準PCI(Peripheral Component Interconnect)規(guī)范的工業(yè)總線標準;歐洲標準卡包裝,分為兩種基本尺寸:3U(100x160mm),這種尺寸具有一個220針的連接器;6U(233x160mm)型則最多可以擴展至3個2mm針孔連接器。CompactPCI板卡安裝在底盤的前部,這樣的結構使得I/O點可以從前面或后面兩個方向引出。板卡為垂直安裝方式,散熱性良好;防震動等性能也比較優(yōu)秀。
CompactPCI被設計為在嚴酷的環(huán)境中使用——工業(yè)自動化,實時機器控制/數(shù)據(jù)采集,儀表,以及軍用系統(tǒng)等等。CompactPCI由國際工業(yè)計算機制造者聯(lián)合會(PICMG)提出。這一協(xié)會擁有超過350家工業(yè)計算機產(chǎn)品供應商,這點確保了客戶能夠長期得到生產(chǎn)商的技術支持。
EBX
Embedded Board, eXpandable(EBX)是一種5.75"x8.0"(146x203mm)的嵌入式板卡,這種標準結構足夠容納下一臺單板計算機(SBC)及其操作系統(tǒng)。同時,EBX板卡又能被輕松的安裝到嵌入式應用系統(tǒng)狹小的內(nèi)部空間中。一般來說,EBX板卡容納了CPU,存儲器,海量存儲界面,顯示控制器,并行/串行接口,以及其他嵌入式SBC所要求的系統(tǒng)組成部分。該標準結構還利用工業(yè)標準模塊為用戶提供了多種系統(tǒng)擴展方式,支持可疊加的PC/104,PC/104-Plus,及PCI-104規(guī)范。這使得EBX具有數(shù)量眾多的標準擴展接口。該板卡還預留了I/O端口區(qū)域,并精確的規(guī)定了連接器與安裝孔的位置。為了標準化各種接口和元器件的布置,整個EBX板卡被分為10個區(qū)域。每個區(qū)域(A到J)對應的元器件最大允許高度從0.5"到1.5"不等。區(qū)域劃分作為一個指南,可以使不同供應商的產(chǎn)品和包裝之間的互用性更強。EBX標準由PC/104嵌入式聯(lián)盟負責開發(fā),2.0版是其最新版本。
EPIC
工業(yè)計算機嵌入式平臺(EPIC)被設計為應用于如下情況:EBX的標準結構大于需求的尺寸,而PC/104的標準結構又太小,不能滿足I/O接口數(shù)量及電纜的要求(具體參照尺寸對照表)。這種規(guī)格的主要特點是為工業(yè)及其他復雜應用中所需要的速度更快的處理器和數(shù)量更多的I/O接口提供了更多的空間。EPIC可以容納下更大的處理器及其散熱片,并且能夠?qū)⒈緛硇枰鄠€PC/104模塊才能實現(xiàn)的功能集成在一個單板計算機上。EPIC標準格式對主板及擴展板上的擴展插槽(針對“104”規(guī)格),總線連接設備及安裝孔位置進行了詳細說明。為了標準化各種接口和元器件的布置,該標準結構同樣將板卡上的空間分為幾個不同的區(qū)域(具體參照區(qū)域空間表)。除“高空間占用CPU及供電區(qū)域”外,其他區(qū)域都對所能安裝的元器件的最大高度作了規(guī)定。而“高空間占用CPU及供電區(qū)域”內(nèi)主要安裝處理器及其散熱風扇或散熱片,還有就是供電單元及供電接口。EPIC還對3個I/O端口的區(qū)域進行了定義,這3個區(qū)域主要功能是安裝“104擴展板”與EPIC模塊之間可能使用的匹配連接器和電纜的接口。EPIC標準同樣由PC/104嵌入式聯(lián)盟負責開發(fā),其最新版本為2.0.5。超過20家生產(chǎn)商在從事EPIC板卡的生產(chǎn)工作,而且這個數(shù)字還在不斷的增加。
PC/104
PC/104的定義為“嵌入了PC物理及電子接口標準的小型標準結構”。根據(jù)PC/104聯(lián)盟的說法,開發(fā)PC/104是為了解決用戶的以下要求:即如何在有限的空間內(nèi)將微型計算機嵌入到產(chǎn)品及系統(tǒng)的控制中去。開發(fā)該標準結構還有一個目的,那就是使得板卡的生產(chǎn)簡單化,避免因定制產(chǎn)品而產(chǎn)生的額外費用。PC/104通過可堆疊模塊來實現(xiàn)與PC總線在結構、硬件、軟件上的兼容性。這些板卡模塊共有2種類型,分別為 8-bit和16-bit,分別對應于PC和PC/AT總線。PC/104進一步指定了兩種總線選擇以減輕狹小的嵌入空間的約束。根據(jù)總線連接接口是否貫穿模塊,這兩種總線分別被定義為“堆疊貫穿”和“非堆疊貫穿”。一個堆疊中可以同時存在8位模塊和16位模塊。
據(jù)說大約有160家跨國公司生產(chǎn)基于PC/104標準的產(chǎn)品。最新版本為2.5。
PXI
PXI是一種模塊化的測量及自動控制儀器平臺,其應用場合大多要求粗糙的工業(yè)標準結構。據(jù)PXI系統(tǒng)聯(lián)盟(PXISA)介紹,PXI將CompactPCI的標準PC技術與集成定時觸發(fā)性能結合起來,其性能比舊結構的產(chǎn)品提高了10倍。PXISA主要從事PXI標準的開發(fā)與推廣工作。美國國家儀表有限公司對CompactPCI技術進行擴展,開發(fā)出了PXI標準,所以PXI的標準結構與CompactPCI的標準結構是一致的。
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圖2:EPIC 提供三個I/O 區(qū)域(1A、1B,2 和3)來連接不同用途的I/O 設備。
PC/104的擴展模塊提供了I/O 的更多選擇。[/align]
VME
作為一個擁有20年以上歷史的標準,VME——嵌入式電腦的開放性工業(yè)標準結構在應用中依然占有主導地位,這一優(yōu)勢在軍事及國防應用方面特別突出。(VME是“VersaModule Europa”的縮寫,雖然對這一技術存在多種稱呼。)
VME最早由VITA發(fā)起,它建立了8位、16位及32位并行總線計算機的框架結構,使得單處理器或多處理器系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能。VME的機械構造主要基于IEC60297標準及IEEE1101.1標準,也被稱之為歐洲標準卡結構。VME板卡有兩種標準化了的型式:單倍高度(3U),主要用于空間限制及震動環(huán)境中;兩倍高度(6U),采用這一規(guī)格,當板卡空間有空余時,允許安裝更多的元器件。
Eurocard連接
實際上,許多流行的工業(yè)標準結構,如CompactPCI,、PXI、VME等,其物理結構都是由Eurocard衍變而來。歐洲標準卡(Eurocard)機械標準(IEEE1101.10)為板卡及配線架的模塊尺寸作了全面的規(guī)定;但是在所有的規(guī)定尺寸中,僅有相少量以產(chǎn)品
的方式實現(xiàn)。
可能最知名的是3U與6U板卡尺寸,這里的U是指面板高度尺寸。1U等于1.75櫻?4.45mm)。板卡高度較橋架高度要小,這樣可以為板卡導軌和面板留出空間。實際上3U板卡的高度是100mm,而6U板卡的高度則為233.35mm。
模塊化歐洲標準卡的深度從100mm開始,每個規(guī)定深度之間的差為60mm。
板卡產(chǎn)品有很多的標準規(guī)格,但是在實際工業(yè)應用中僅有少量能夠成為穩(wěn)定的通用結構。所以,要想得到用戶與市場的認可,是要經(jīng)過時間的考驗的。而產(chǎn)品長期可用性的名譽也是要通過時間來驗證的。