Производственная и пожарная автоматика / Shishov - Tekhnologii promishlennoy avtomatizatsii 2007

На рис. 1.5. показан пример такого компьютера фирмы Getac, который может работать как в условиях пыльной бури, так и в условиях морского шторма. Несмотря на внешнее сходство с обыкновенным ноутбуком, он имеет ряд уникальных характеристик, таких как пыле и водонепроницаемый металлический корпус, вибро- и ударопрочность в соответствии с военными стандартами, рабочий диапазон температур от -20 °С до +50 °С и т. п.

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

9

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.)

Втретьих, 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.

ВРоссии 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

10

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 формфактор оказался неизбежно связанным с той общей концепцией, которой придерживался производитель при разработке своей серии устройств. К наиболее

11

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.

12

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-

15

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 Rugged устойчиво работает при температурах окружающей среды от -40оС до +50оС. Для питания PC7 Rugged необходимо внешнее нестабилизированное питание от 10В до 30В постоянного тока.

16

Вего 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

17

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

18