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嵌入式工业PC的硬件设计考虑

admin 2019-3-5 09:06 238人围观 嵌入式相关

来源于微信公众号:运控伺服


概括地讲,嵌入式工业PC设计主要有两种体系结构,即封闭式和开放式体系结构。封闭式体系结构的产品不依赖于某种总线标准,为某种特定任务而专门设计,专用性较强,一般称这种产品的嵌入方式为芯片级嵌入。开放式体系结构的设计立足于某种公开了的工业总线标准。依靠这种开放和标准,众多计算机厂商设计出各具特色、种类繁多、可供用户灵活选择的模板级产品,如CPU板、系统支持板、人机接口板、信号调理板、模拟量I/O板和数字量 I/O板等。因为有了标准,所以不同的用户可以根据任务的实际情况选择一定数量的功能模板,以最快的速度组合成相应的应用系统,从而大大缩短了开发周期,减小了开发费用。由于总线标准,使产品的升级和维护变得简单、方便。这种嵌入方式称为板级嵌入,嵌入式工业系统采用最多的就是这种嵌入方式。



除开放和标准以外,工业控制计算机不仅需要像平台PC机一样的速度和性能(如成熟的操作员界面、复杂的控制算法和最快的处理器),而且要求具有以下特性:

•坚固性。工业控制机必须工作在高温、高尘环境,并能承受强烈冲击和震动,因此需要供电电源稳定可靠、制冷性能良好和插卡的固定能力。

•可靠性。MTBF(两次故障之间的平均时间)指数大于1万小时,这要靠保守的电路和散热设计、固态非转动的盘驱动器和仔细的电缆连接来保证。



•低的MTTR(平均故障修复时间)指数。由于工业控制机普遍采用去掉有源电路的无源后背板或主板,功能分散到其它插板上,因此插板一旦出现故障,可以很快完成更换。

•模块化。控制设备的工控机需要两个以上的串口和一个以上的并口、模拟和数字I/ O、运动控制、PLC互连能力、显示等等。一般工控机要有12个或更多的总线插槽用于I/O扩展。



•标准化。凡是成功的计算机平台都基于某种标准,所有的工业用户正逐渐从专用结构转移到基于标准的架构,因为标准架构的产品容易从多个不同的供应商那里得到。

•实时性。工控机要具有时间和事件驱动能力,能对生产过程工况变化实时地进行监测和控制,当过程参数偏离设定值甚至出现故障时,能迅速做出相应的处理。

•前面板I/O。工业用户喜欢像PLC产品那样简便的前面板端子连接方式。一般平台计算机用电缆从后面跟外部连接,这在桌面上看起来还好,但大多数工业用户的要求却相反。



一个成功的嵌入式工业PC模板硬件设计还应考虑以下方面:

•兼容性。嵌入式工业PC模板设计要做到和PC、MS-DOS完全兼容,充分利用商用PC所积累的软、硬件资源。



•克服总线数据宽度和速度瓶颈,产品升级。标准工业总线一方面使系统开放,另一方面也阻碍了处理器性能的发挥。为此,一种办法是采用高性能总线,但这无疑会大幅度增加设计费用和产品成本。比较好的办法是采用All in one和I/O总线设计方案,既可提高性能又可保持向下兼容。专家认为,一般工业过程为慢过程,对I/O的访问速度要求并不高,8/ 16位数据宽度、8MHz的频率足够了。但随着数据采集量增加,控制策略和控制算法更加优化和复杂,对计算机的处理能力、存储器访问速度和实时响应能力的要求越来越高、越来越严格。所以,将局部高速总线和慢速系统总线相结合设计,即把对速度要求高的CPU、存储器、看家狗、硬盘和需要高速访问的I/O接口等做在一块All in one模板上,把相对慢速的I/ O部分放在总线上,是一种合理、现实的方案。



•采用基于Flash存储器的新型存储器子系统。伴随着PC机架构渗透到嵌入式应用领域 ,一种与传统存储器子系统完全不同的新型存储器系统结构正在产生。新型存储器子系统以 Flash存储器为核心,配有少量RAM(SRAM或DRAM),突破了传统的磁盘(软、硬盘)、ROM和大量 RAM三级存储器结构,具有系统小、功耗低、重量轻、坚固和可靠性高等特点,更能满足各种苛刻的嵌入式应用要求。Flash存储器以其高密度、高速度、不挥发、电可改写和高可靠等优点,为实现工业控制系统软件全固化运行的理想提供了保障。



•系统故障监测和自动恢复。如今,看家狗电路已成为嵌入式工业PC设计不可缺少的一部分。它能在系统出现故障时迅速报警,并在无人干预的情况下,使系统自动恢复运行。



•采用PC兼容的、高集成度的嵌入式微处理器。过去,嵌入式设计往往采用NEC公司的 V系列处理器和80C186E系列作CPU。随着高性能、高集成度、低电压工作和带有电源管理单元的嵌入式微处理器的推出(如Intel的386EX、AMD的Am386EM和即将推出的奔腾级P55C、P 54C多媒体芯片等),给设计人员提供了更大的发挥空间。


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