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    车载加固机技术特点与应用

    2008-01-18

    1 综述

    电子技术和信息技术的发展,不仅使计算机内在的数据处理能力日新月异,同时也使计算机的外部形式与应用形态产生了极大改变。计算机的应用需求,根据不同的应用环境,逐渐从静态的家庭与办公领域,拓展到动态的有多种结构形式的机动环境中,从而产生了能够抵御恶劣环境的新的计算机门类。加固型计算机——从应用形态上,有一体式、嵌入式、便携式、手持式等;从使用功能上,可以是台式、机架、平板、移动等;从加固的深度上,有初级加固型、加固型、全加固型等结构形式;从应用功能上,可以是个人机动背负、车载、机载、舰载等。其中尤以车载加固机的应用,无论在品种、数量与使用的技术上更为普及。

    1.1 应用

    车载加固机目前广泛应用于国防、交通、新闻、地质、医疗、采矿、消防、救援等领域。车载加固机应该是诸多特殊用途的特种计算机的一个独立门类,随着计算机应用需求的不断普及,车载加固机势必会有更加广阔的应用市场。在医疗与救援中,急救处理车、紧急救援车,消防指挥车;在传媒与新闻行业,采访车、转播车、信号发射车;在地勘与采矿领域,勘测车、采集车等等;在国防与军事领域中车载加固机应用更为普及,无论是指挥、通信、监控、导航、火控、勤务等等,无论何种车载系统都要以车载加固机为核心。

    车载加固机不同于在一部移动车辆中通过一部便携计算机外加一部手机所实现的简单的通信连接,车载加固机的功能是作为一套完整的车载系统的核心,是车内的一切电子设备的中枢平台,实现数据采集、数据处理、数据通信、系统监控、导航定位、过程控制、故障诊断等复杂操作。

    作为信息链中居于中枢地位的计算机系统,在进入二十世纪九十年代后,伴随着电子和信息技术的进步得到了长足的发展和运用。欧美技术发达国家的一些厂商无论在加固计算机的技术理念还是在产品的架构体系、质量保证体系都有了比较清晰的技术规范和专业化的研发规模,并源源不断的运用到机动装备中去。在车载、舰载、机载领域,诸如美国的SBS公司、Z Microsystems公司、SECS公司,德国的Kontron公司;在移动加固领域,如Fieldworks公司、ACME、GETAC等。这些公司针对不同的应用场合,大都形成了独具特色的产品体系和质量体系,诸如常态加固级、欧标加固级、美军标加固级等,用来满足不同场合和环境条件的军事应用需求。

    我国台湾地区,以研华、艾讯、凌华、威达等厂商为代表,在工业级计算机领域,特别是工业级CPCI总线技术、ETX总线技术和STX总线技术方面的研发能力和产品规模都达到了相当的程度,并进入高速发展的阶段。这些高新技术性能与传统工控机产品和技术的结合,也为车载加固计算机提供了良好的产品和技术基础。

    国内车载加固机技术应用较之于国外水平相对滞后,无论是技术和工艺水平以及产品化程度,还是规范化和研发的能力和规模,都还存在较大的差距。随着国家对国防工业重视程度的提高和资金投入支持的加大,新的技术成就的日新月异,以及企业对新技术和新工艺积极的跟踪、吸收、消化,这种差距正在呈现逐步缩小的趋势。一些军工企业和民营高科技企业加大投入,运用最新的电子和信息技术成就,基于各自的目标市场,研发和生产不同层次和不同目标需求的加固型计算机产品、周边设备和系统。军工企业由于其先天的资源优势,在车载加固计算机的研发和生产上捷足先登,已形成一定的产业优势,诸如中国电子科技集团公司15所,中船舶重工集团707、709、719所,中国航天科工集团8357所,湘计海盾,浪潮超越、以及其它军工院所等,都针对各自的对口市场和应用目标形成了相关的加固计算机部件、产品和系统。民营高科技企业也涌现出艾雷斯科技、盛博科技、新松佳和、同普中视等,借鉴和吸收国外的先进技术成就,投入有效资源从事车载加固计算机的研发和生产。在可以预见的将来,国内车载加固计算机定会形成产业化的垂直市场并进一步缩短与欧美发达国家的差距。

    1.2 概念

    对于车载加固机而言,虽然看上去只是应用场所的改变,但对于计算机的要求却有了本质的变化,在家庭与办公中,使用环境应满足计算机的要求,而在野外机动使用中,计算机要满足使用环境的要求。

    为实现这种变化,车载加固机采取了各种相应的技术处理措施,提出了更高的技术要求。一方面是车载加固机的外部,体现出比普通计算机要高得多的结构的密封性和坚固性,使其具有防尘、防潮、防盐雾和抗振动、抗冲击、抗电磁干扰等特性,另一方面是对内在部件鲁棒性提出的更高要求,如部件的耐热、抗疲劳,抗电磁浪涌冲击以及电源波动适应性等。

    1.3 规范

    军事电子和信息技术应用的快速变革,极大的提高了武器平台、战地指挥平台和中央指挥平台的效能,特别是基于数据链交互的信息指挥平台,更加体现了现代战争的高技术特色。从某种意义上讲,数字化信息技术的运用已把传统意义上的战争疆域概念限定在极度狭窄的时域空间,导致了现代军事学说的划时代变革——从基于武器平台的兵种机动合成作战到基于信息平台的快速、精确打击,使机动化战术失去了战术存在的基础。通过伊拉克战争中美军陆军悖于常规的大纵深快速挺进更加佐证了数字化信息指挥平台的特殊重要性。信息化数据平台的无缝链接,已把现代军事学说提高到一个跨时代的崭新阶段。

    车载加固机在军事与国防中应用最为广泛,军事电子和信息技术由于其特殊的应用属性,在现代战争的武器控制平台、战地指挥平台和中央指挥信息链交互平台中处于愈发重要的地位。军事用途的计算机系统由于其中枢神经地位,必须保障其更可靠、更安全的运行机制,才能保证计算机的各种敏感部件在恶劣环境下正常工作而不受影响。因此,军事用途的计算机系统必须按照完全能够经受苛刻环境考验的要求进行设计、制造,或基于最优化的计算平台选择实施可靠性、安全性为目的的加固技术措施。由于前种方式的时效性和成本性等要素的先天缺陷,采用优选计算机平台进行加固的计算机是当前世界军事用途计算机的主流形式。

    正是因为军用计算机的重要性,国家为此制定了国家军用标准GJB322A-98《军用计算机通用规范》。从而摆脱了早期生产的车载加固机并没有统一的技术依据的无序状态。《军用计算机通用规范》颁布之后,车载加固机有了明确的分类、具体的要求和可评价体系。

    在GJB322A-98中,军用计算机从性能上分为:服务器、工作站、个人计算机、嵌入式计算机和其他。而从类型上分为:普通型、初级加固型、加固型、全加固型,车载加固机在应用时即可单机独立,亦可以多级级联或并行使用。

    GJB322A-98对车载环境规定

    1.3.1.2:车载环境

    a.有空调,载体静止环境;

    b.无空调,载体静止环境;

    c.无空调,载体移动环境。

    GJB322A-98对军用计算机类型规定:

    1.3.2.2 a.a类:初级加固型适合于车载有空调。

    1.3.2.3 a.a类:加固型适合于车载无空调。

    1.3.2.4 b.b类:全加固型适合于车载无空调移动环境。

    GJB322A-98中,军用计算机从性能特性上分为

    a.服务器:包括中心级服务器、部门级服务器、工作组级服务器;

    b.工作站;

    c.个人计算机;

    d.嵌入式计算机;

    e.其他。

    在GJB322A-98中,通过一系列相关标准的引用对车载加固机在技术特点、环境要求、质量保证、检验方法、交装贮运等方面做出了详尽的规定。

    GJB322A-98《军用计算机通用规范》不仅作为军用计算机的通用规范,同时亦应成为车载加固机业界的行业标准。

    2 技术特征

    2.1性能特性

    车载加固机通常是由处理系统、显示器、电源、机箱等部件组成,与通用计算机大体相同,但是部件的具体形态与结构有较大差异。。

    车载加固机的实现目前主要有如下几种方式:

    1、把优选的计算组合平台封装到特制的加固机箱内;

    2、基于优化平台内核的自定义扩展功能重设计的单板计算机加固;

    3、基于板级和部件级加固的系统级加固。

    2.1.1 需求特点

    车载加固型计算机一般工作在沙尘飞扬、颠簸振动、高温严寒、强电磁干扰等恶劣的野外环境,而且使用频繁,甚至全天运行,通过油机或电池供电。因此较之于通用计算机有下述区别。

    2.1.2 内部配置

    车载加固计算机在配置上的第一要务是核心处理系统的选择。区别于通用计算机,其最大的特点是首先要在保证可靠性和安全性的前提下对计算性能进行选择。因此,不同于通用计算机和传统工控机对CPU速度性能的刻意追求,而是在着意于满足计算性能的基础上对计算平台的电气和物理性能的稳固性的要求,同时兼顾对其它系统部件(诸如载板、存储、显示及其它I/O部件等)的性能经常性特殊的要求。

    2.1.3 结构形式

    车载加固机机型分类:台式、机柜式、独立一体式、便携式。

    机型图片见附录。

    结构形式的重要性在于根据使用环境决定装载空间、安装方式和电缆连接要求。现在越来越多的车载加固机采用开放的体系结构,使之能够在配件的性能和加固特性上具有更多的选择,顺应主流的通用的计算平台。

    2.1.4 外部连接

    车载加固机需要通过连接器接驳外部装置,越来越多样化的外部装置需要通过接口适配器连接,而每增加一个接口连接器就是对车载加固机在可靠性与电磁兼容能力的一项考验。有些专用车辆或平台可为车载加固机提供独特接口,但普通平台没有这种能力,因此要求车载加固机增强和扩充配接连接器的能力,从而通过标准总线接口交换数据。

    2.2 技术特点

    2.2.1核心技术

    以往车载加固机,通常选用传统商用或传统工控机CPU板卡和其它组件封装在加固机箱中,构成车载加固机系统。由于传统商用或传统工控机CPU卡无论在电气性能和机械性能的稳固性方面,都存在先天性的不足,使得基于此类平台的车载加固计算机的可靠性和可用性难尽人意。进入2000年后,一些基于标准的高性能工业级计算机总线技术开始应用于车载加固计算机领域,使其可靠性和可用性大幅度提高。这些新的高性能的核心技术包括:CPCI总线技术、嵌入式计算机ETX总线技术和STX总线技术等,为车载加固机提供了更加稳固的计算平台选择。

    目前最普遍使用的车载加固计算机技术平台为:CPCI、VME、ETX、STX、PCI04等。以下择要介绍三种应用较为普及且具有良好技术前景的技术平台。

    2.2.2 CPCI计算技术平台

    CPCI是Compact PCI的简称,是一种基于标准PCI总线的小巧紧凑而又坚固可靠的高性能总线技术。它将VME密集坚固的封装和极佳的冷却效能与通用廉价、技术发展迅速的PC资源高度融合,定义了更加坚固耐用的PCI版本。在电气、逻辑和软件方面,它与PCI标准完全兼容。使用标准的Eurocard外型插卡,安装于固定支架上。

    2.2.2.1 CPCI规格

    ·               业界标准PCI芯片组,以低价格提供高性能

    ·               单总线8个槽,可通过PCI桥扩展

    ·               欧式插卡结构

    ·               高密度气密2mm针孔接头

    ·               前面板安装和拆卸

    ·               板卡垂直安装利于冷却

    ·               强抗冲击和振动特性

    2.2.2.2 CPCI的结构

    CPCI板遵从Eurocard工业标准,定义了3U(100mm×160mm)和6U(233.35mm×160mm)两种板尺寸,其具体形状如图所示。3U高度是满足64位CPCI总线要求的最小尺寸;6U的尺寸是为了满足信号线外扩的需要以及板上器件空间外扩的需要。CPCI背板连接器共有5个插座,J1~J5。规范只定义了J1和J2的信号线管脚,3U的CPCI板包括了J1和J2的插座,J3~J5插座包含在6U的Compact PCI板上,J3~J5的信号定义保留。

    CPCI系统由一个或一个以上的CPCI段组成,每一个段包括1块系统板(System Slot)和7块外围板(Peripheral Slot),板与板中心的间距为20.32mm。系统板为所有在段内的板提供仲裁、时钟分配和复位功能。系统板负责执行系统的初始化,管理每一个本地板的IDSEL信号。在物理上,系统板可以插在背板上的任何位置。为了简化问题,规范规定最左边的槽位为系统板的插槽(从背板前面看)。

    2.2.2.3 CPCI的三大关键技术

    Ÿ                       PCI局部总线

    标准的Eurocard尺寸(根据IEEE 1101.1机械标准)

    HD(高密度)2mm引脚与插座连接器(IEC认可,Bellcore)

    PCI是一种独立于处理器的数据总线,不但性能良好而且价格便宜。PCI局部总线定义两种数据宽度:32位和64位,总线速度可达66MHZ,理论数据处理能力:32位为264MB/S,64位为528MB/S。大多数计算机和操作系统都支持PCI。因为有大量支持PCI的产品,使得PCI产品既便宜又容易买到。拥有这些优势,PCI总线非常适合在高速计算和高速数据通讯领域中应用。

    ·   欧式插卡机械结构

    欧式插卡机械结构是一种由VMEbus推广的工业级封装标准。有两种欧式插卡规格:3U和6U。3U CPCI卡尺寸为160mmx100mm,6U卡为160mmx233.35mm.。CPCI卡的前面板符合IEEE 1101.1和IEEE 1101.10标准,并且可以包含可选的EMC密封圈以降低电磁干扰。典型情况下前面板包含I/O接口,LED指示灯和开关。CPCI也支持IEEE 1101.11的后面板I/O。由于其易于维护的特性,后面板I/O在电信设备上用的非常普遍。由于所有的连线都连接在后部转接板上,前面的CPCI插卡没有任何连线,因此可以在更换板卡时无需重新连线。

    ·   针孔连接器

    CPCI使用符合IEC-1076国际标准高密度气密式针孔连接器,其2mm的金属针脚具有低感抗和阻抗,从而减少了高速PCI总线引起的信号反射,使CPCI系统在单总线段即可达到8个槽,CPCI定义了5种接口:J1到J5。3U CPCI板卡只有J1和J2两个接口,6U板J1到J5都包括。J1和J2在3U和6U CPCI板卡上的定义是一样的,因此3U和6U CPCI板卡在电气上是可以互换的。

    2.2.2.4 CPCI与传统商用/工业PC的比较优势

    采用CPCI架构的计算平台,相对于商业PC和传统的工业PC架构来讲,更能适应相对作业环境较为恶劣的环境(诸如温度、冲击、振动、灰尘、电磁干扰、射频干扰等),从而保证系统在恶劣条件下的稳定运行。

    CPCI基于PICMG2.0规范。CPCI的电气特性与PCI总线相同,因此用户的软件和普通PC兼容,现有的PCI外围卡也可以很容易移植到CPCI平台。PCI使用2mm高密度针孔总线连接器,和使用金手指连接器的PCI卡相比,具有连接可靠、完全气密的特点,板卡的抗振性和抗腐蚀性大大提高。此外,CPCI板卡采用经过20余年现场使用考验的欧规卡结构。欧规卡采用垂直安装、前抽取结构,提高了板卡的散热性、抗振性和易维护性。

    CPCI虽然与标准PCI属同一标准,二者还是有很大的不同。与传统商用PC和工控机相比,CPCI具有如下优点:

    1、系统抗振性强

    CPCI板卡上下有导轨固定,板卡的前端通过气密性的针孔连接器和背板相连,每个接头具有10kg的结合力。板卡可以通过面板螺丝固定在机箱上。CPCI板卡的前后上下都被固定,因此系统抗振性大大提高。

    2、支持带电拔插

    CPCI的背板使用长中短插针结构,其中Power和Ground针脚最长,可以保证板卡安全的带电插入拔出。此外板选信号IDSEL,BD_SEL#针脚最短,系统借由此信号可以得知板卡是在插入过程或是拔出过程。另外,CPCI制定了热插拔的硬件过程和软件管理接口,保证了板卡热插拔过程的有效性。

    3、支持后走线,便于方便配线

    CPCI的板卡的信号线不用从板卡前面板引出,可以通过背板将信号线用转接板从后端引出。当更换板卡时,不需要更换信号线,这样减少了更换板卡的工作量并减少因更换信号线而引起的出错概率。此外信号线从后端引出,设备前端也会比较美观。

    4、板卡垂直安装,有利于散热

    CPCI板卡采用欧规卡结构,板卡垂直安装,系统的散热气流从下而上吹,符合空气对流原理,散热效果好。

    5、CPCI板卡具有更好的电气特性

    CPCI背板插针和接头全部镀金,并严格定义了信号线的最长长度,PCB板的阻抗、去偶电容、PCI上拉电阻阻值等电气参数,因此CPCI的电气特性要优于普通PCI工控机。

    6、防腐和电磁屏蔽性好

    CPCI使用2mm气密性针孔总线连接器,盐雾、酸雾和带电粉尘不能腐蚀总线。同时,CPCI的全铝合金机箱外壳和板卡的U型弹簧片能给系统提供良好的电磁屏蔽保护。

    7、抗静电好

    CPCI板卡下端具有3段静电导出条,可以静电导出到大地。另外CPCI规定系统的逻辑地和机箱地隔离,保持系统不受外界干扰。基于PICMG1.0的工控机无法做到机箱地和逻辑地隔离。

    8、机箱深度浅,便于机柜安装

    CPCI的机箱深度只有258mm,大大短于普通工控机的机箱深度400~450mm,给机柜安装留下了更大空间,便于用户安装其它配线设备。

    2.2.2.5 CPCI面临的挑战和未来技术选择的迁移

    目前,CPCI产品设计者总能在工业标准定义的规范下所提供的功率与空间范畴内,实现产品使用者对效能表现的期望以及满足周边装置的需求。随着整个产业界开始准备下一代的x86处理器与技术,这些挑战也变得更加难以克服。这些挑战包括卡板的大小、可供应的功率,以及散热问题等。目前的单槽CPCI处理器卡板采用1.7GHz的Mobile Pentium 4微处理器,最典型的是产生30Watts的功率消耗,这些卡板在大部分的CPCI系统中所能提供的每槽50Watss功率的条件下是没有问题的,当设计者开始将目标放在3GHz Pentium 4微处理器,消耗80Watts的功率时,在散热的处理上和空间限制上的挑战就变得比较严重了。要解决这些挑战,设计者所要了解的不仅是在PICMG2.0中所定义的CPCI详细规范,还包括了内存空间限制、板卡尺寸大小限制、散热技术设计等的种种假设。对CPCI卡板的产品使用者而言,也必须对下一代x86处理器会对平台的使用带来何种关连性的影响要有一个系统性的概念。基于此,在当前x86处理器技术不断高速发展的情况下,用户对抗恶劣工作环境的高性能计算平台的选择,特别是期望产品有相对稳定的生命周期的情况下,倾向从嵌入式及其相关技术产品——诸如ETX(STX)或有长周期支持的产品线进行选择。这些产品并不像桌上型计算机或服务器的处理器那样前端,生命周期是用年而不是用月来计算。此外,该类产业也藉由mobile processor的使用而取得一些优势,其处理器在电源供应的需求上和嵌入式以及电信领域的应用非常类似,同时,产品功能的定义和集成度具有更高的灵活性。

    2.2.3 ETX计算技术平台

    ETX(Embeded Technology eXtended),是嵌入式工业标准总线技术。基于ETX技术的核心模块,涵盖了高性能x86系列的CPU、芯片组、南北桥、显示芯片、网络芯片、音频控制器、Super I/O控制器等,是高度集成化的All-in–one PC基核。背面的4×100pin总线引脚定义了PC的标准接口信号以及PCI和ISA信号等。应用时在基板上设计对应的4×100pin插座,扩展的I/O功能可通过总线上的PCI或ISA实现。ETX产品具有较长的生命周期。

    不同档次的CPU提供不同的性能。只需使用4个100-Pin的高密度的连接器就可以把集成在ETX模块上的所有PC功能引到定制的包含用户额外功能的Baseboard(背板)上,ETX模块与Baseboard合二为一,共同构成所需功能的板卡。基于ETX模块的产品很容易升级,在Baseboard不变的前提下,只需插上新一代ETX模块即可。

    ETX可安装在以下规范的板子上

    ATX、PICMG、CPCI、ISA、PCI、PC-104、PISA、VME与其它。

    2.2.3.1 ETX目标应用

    当通用CPU板卡的功能、I/O接口、尺寸大小、连接器位置等不能满足应用需求时,或者期望产品自身保持相当的生命周期,开放式标准的ETX是最佳选择。ETX是针对各类专业应用的嵌入式PC主板,主要面向专用计算机系统的设计者和使用者。基于ETX设计,可根据实际需要自定义板卡的形状、功能、尺寸、接插件位置和类型等,并能直接集成扩展的I/O功能。从而增加了主板的集成度,同时也缩短了开发周期并简化了整个生产过程。

    ETX应用系统都需要用户自己设计底板,在底板上设计四个ETX插座(X1-X4),以ETX为核心,在周边设计I/O和PCI/ISA相关接口电路,PCB设计4层或4层以上,电源最好设计为单独的内电层。

    2.2.3.2 ETX总线接口

    ETX接口由PCI、ISA总线及许多I/O口组成,它是通过四个100pin的连接器来实现的

    ETX连接器X1:PCI总线、USB、声卡

    ETX连接器X2:ISA总线

    ETX连接器X3:VGA、LCD(LVDS)、COM1/2、IrDA、键盘/鼠标

    ETX连接器X4:EIDE(×2)、以太网、特性信号

    2.2.3.3 ETX模块包含的芯片和信号

    Ÿ                       表贴CPU

    Ÿ                       系统逻辑/套片

    Ÿ                       系统存储器

    Ÿ                       PCI & ISA BUS

    Ÿ                       图形适配器

    Ÿ         VGA 图形接口

    Ÿ                       LCD 接口

    Ÿ                       USB masters

    Ÿ                       2个E-IDE通道1个用于板内Flash Disk,另1个由ETX接口引出

    Ÿ         SUPER I/O 控制器:串行接口(TTL电平),IR通讯口,双向并行口,键盘/PS-2鼠标口,软盘控制器

    Ÿ         10/100MB LAN通过ETX接口引到Baseboard上的隔离变压器上

    Ÿ         IDE Flash Disk

    Ÿ         其他附加信号

    2.2.3.4 ETX Baseboard

    Baseboard也称为载板或背板,是ETX模块的I/O出口(通过ETX接口)。Baseboard可以提供标准的转换并输出PC I/O信号,如COM口TTL电平至RS-232/422/485转换,AC-link至AC'97语音转换(经过AC'97 CODEC),Ethernet信号数字至模拟转换,输出并口信号,IrDA、Floppy、USB、IDE、LCD、CRT信号等等,ETX还提供数个PCI master和完整的ISA信号,这使得未来的设计者能够通过标准的PC总线接口配备特殊的功能。另外,还可输出第二个IDE,以及其它的TTL LCD信号,可以向Baseboard引出2组FPC接口,以更好地满足应用需要。

    Baseboard的设计成本相对不高,Baseboard上可提供额外的功能并可把连接器准确地安放在所需的位置。

    2.2.3.5 ETX 插头高度配置

    为了将ETX模块恰当地安装在Baseboard上,要给两块板子之间的元器件留有足够的空间,ETX模块有两种不同的配置:Type I /Type II:

    Ÿ                       Type I.

    ETX模块使用4.6mm高的插头,为两板之间的元器件留出4.5m空间。

    Ÿ         Type II.

    ETX模块使用6.6mm高的插头,这种配置为Baseboard板上的元器件到ETX 板之间留有2mm 以上的空间。

    ETX接口由2对200-Pin连接器组成:ETX模块一侧有2个插头,分别命名为P1和P2,Baseboard一侧有2个插座,分别命名为J1和J2。

    2.2.3.6 ETX基本开发步骤
    1、确认系统的主要功能和达到的性能,初步选择配置一种ETX
    2、选择外围设备和接口芯片;
    3、在台式机上开发应用;
    4、评估系统的能力和达到的指标;
    5、反复修改配置和程序;
    6、确认ETX配置和外围电路;
    7、进行步骤3、4、5、6的同时进行PCB的设计、加工;
    8、安装ETX,程序下载到ETX系统;
    9、现场调试,修改程序。

    2.2.4 STX计算技术平台

    STX(Smart Technology eXtended)在电气性能方面与ETX处于同一档次,但有较之于更好的机械特性,更小的结构尺寸,更多的附加信号,支持PC104+,是快速开发高集成度、高性能All-in-one单板专用计算机系统的理想选择。

    STX允许独立于频繁更换部件的PC机的特殊应用并保证用户解决方案的长期性。在持久的解决方案中由于使用最合适的SoM's模块,STX通常承诺最好的CPU和图形性能而不改变用户的基板设计。

     

    SoM(System-on-a-Modules)是一个高度集成了PC系统的All-in-One模块,以STX为基础的STX模块,其集成了所有通用PC的功能。是用户快速、高性价比的单板机设计的高阶基础。所有System-on-a-Modules包含:

    表贴PIII级以上处理器
    系统逻辑/芯片组
    系统内存
    PCI&ISA总线
    图形适配器
    VGA图形接口
    数字平台图形接口
    两个USB控制器
    两个E-IDE通道
       一个用于板内Flash盘
       另一个引到STX接口
    super I/O控制器带有
       2个串行UARTs作为TTL信号

    引到STX接口
       1个红外端口
       1个双向并行端口
       键盘&PS/2鼠标控制器
       软驱控制器
    集成AC'97声音系统的数字接口
    10/100Mbit快速以态网控制器,引到STX接口
    IDE Flash盘                                                        

     

        STX接口将内嵌式PC的传统PCB技术从保守的应用(如工业控制或多媒体系统)中分离出来。

     

     

    以下是基于低功耗PIII400-850 STX模块的相关特性描述

     

    特性:

    Intel低功耗Pentium III 850/700,650/500,400处理器
    Pro Savage Twister和Super South芯片组
    带有4M共享显存的AGP 4XSavage4图形加速器
    SO-DIMM插槽的PC133内存最高可达1.5GB
    集成了8-128M Flash盘
    集成了SoundBlaster Pro硬件
    板子尺寸:96X90mm

    引到STX接口的SoM接口:

    TFT显示和CRT监控器
    音频输入,音频输出
    两个USB
    两个串口
    1个并口
    IDE和FDC
    键盘和鼠标
    10/100Mbit LAN
    PCI&ISA

     

     

    2.2.5.1 电路设计步骤

    1、基于应用确认系统主要功能和要达到的性能,并选择相应的STX模块;

    2、基于系统要求确认开发电路的主要功能、电气性能、接口数量和形式、结构形式、机械尺寸等参数;

    3、提出和论证解决方案;

    4、硬件设计和开发,同时在台式机上进行相应程序开发和测试

    5、评估系统的能力和达到的指标;

    6、PCB设计、审核、加工;

    7、样板生产。安装STX模块,并将程序下载到STX系统;

    8、EMI,温度实验,,振动测试;

    9、样板处理及稳定度测试;

    10、印刷电路修正及正式样板生产。

    2.2.5.2 电路功能、接口及机械结构说明

    1、电路功能;

    2、接口数量和形式;

    3、电气性能;

    4、机械结构。

    2.3 关键技术

    为适应在恶劣环境中工作,车载加固机必须在设计与制造过程中采用许多特殊的技术措施,以此保证使用要求。最为常用的技术措施有以下三项:

    1、抗强电磁干扰设计;

    2、抗恶劣环境能力设计;

    3、可靠性设计。

    2.3.1 电磁兼容性

    在GJB322A-98中规定了车载加固机的电磁兼容性要求,一般应符合GJB151A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》相应类别的有关规定。这表明车载加固机应在以下方面达到GJB151A-97的相关要求,并且按照GJB152A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》所规定的测量方法通过测试。

    1、RE102 电场辐射发射试验;

    2、CE102 电源线传导发射试验;

    3、RS103 电场辐射敏感度试验;

    4、CS101 电源线传导发射敏感度试验;

    5、CS114 电缆束注入传导敏感度试验;

    6、CS115 电缆束注入脉冲激励传导敏感度试验;

    7、CS116 电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度试验;

    8、ESD   静电放电试验。

    为达到GJB151A-97的相关要求,通常车载加固机必须采取多种技术措施。

    2.3.1.1 屏蔽措施

    不同类型的车载加固机所采用的屏蔽措施各不相同,当采用全封闭整体焊接,热传导设计的机箱时,屏蔽措施仅仅限于机箱结合部位,而对于采用风冷的非封闭机箱,电磁屏蔽的处理就将复杂很多。

    通常电磁屏蔽的基本措施为:

    1、机箱结合缝隙:选用铍铜合金簧片或导电泡棉;

    2、风冷通道:选用蜂巢式屏蔽通风波导网;

    3、显示屏正面:选用高目防数信息泄漏电磁屏蔽玻璃(两层干法玻璃夹层中镶嵌250目金属电磁屏蔽网);

    4、连接端口:选用军用航空插座,带屏蔽层导线并在导线两端增加磁环;

    5、电源:引线输入端增加低通滤波器,尽可能缩短入线长度并接地;

    6、对非金属外壳应在内壁涂覆性能良好的导电涂层。

    2.3.1.2 屏蔽方法

    1、电磁屏蔽的方法较为复杂,往往会因为部件变化、结构外形与材料变化或电磁材料的变化使整机的电磁兼容性能产生波动,因此稳定的生产工艺与质量检验决定了整机的电磁兼容指标。

    2、对测试的频段进行具有针对性的有效屏蔽是提高整机电磁兼容指标的良好方法。对于频段的高低两端的屏蔽可以适当放松,而针对含有有效信息的频段采用卓有功效的屏蔽。

    2.3.2 环境适应性

    2.3.2.1 部件处理

    直接选择电磁兼容性符合要求的显示器、硬盘、光驱、键盘、鼠标等产品是最理想的方法,但是由于此类产品价格甚高,一般价格是同类商用产品的十数倍或数十倍,很多时候出于产品成本的考虑,往往需要制造者自己完成部件的抗恶劣环境加工,使部件达到预期要求。

    通常的抗恶劣环境加工包括:提高环境适应能力,提高抗冲击振动能力,提高电磁屏蔽能力。

    抗恶劣环境加工的方法一般为:

    1、选择经过质量认证的部件产品;

    2、进行测试、筛选与老化;

    3、进行多方面抗恶劣环境处理。

    2.3.2.2 结构设计

    2.3.2.2.1 机箱

    车载加固机要承受载体行进带来的振动和颠簸所造成的扭力与冲击,而保证整机的正常完好,同时应能够满足GJB322A-98规定的相应要求。通常全加固型车载加固机采用导冷技术与全封闭机箱,而初级加固型车载加固机多采用风冷机箱。

    整体焊接或铸造的封闭机箱坚固、密封性好;一般无风道设计,通过箱体散热,箱体材料多为铝或其它质量较轻合金材料,使用时可安装于19″标准机柜或直接固定于车壁,适用于履带式或重型车辆。

    非封闭型机箱通过风机冷却,由此带来了电磁屏蔽与三防处理问题,且因风机为机械部件,需要维护保养。但由于造价较低,应用广泛,一般普通车辆装载的车载加固机多为此类机箱。

    在非封闭型机箱类型中的双层机箱是一种有创意的设计,该机箱分为内外两层,外机箱箱壁上安装航空连接器、电源与显示器等外部设备并通过减振器支撑内机箱,而内机箱中安装CPU、硬盘等核心部件。内外机箱的结合,既提高了电磁屏蔽的性能,又起到了与外界隔离的作用;既降低了外部环境对加固机的影响,又保持较低的机箱造价。

    2.3.2.2.2 减振

    车载加固机为满足GJB322A-98中3.9.4~3.9.8规定的要求必须采取减振措施缓冲。常用的减振的方式为:

    材  质

    减 震 器

    作用部位

    金 属 簧

    拉簧

    三维减振弹簧

    无谐振峰避振器

    机  箱

    橡   胶

    胶圈

    胶柱

    胶球

    机箱

    部件

    工程塑料

    衬垫

    垫圈

    部  件

     

    一些车载加固机使用多重减振技术,如控制台式车载加固机构架底部与腰部使用减振器减振,内层机箱与控制台结构使用橡胶圈减振,而对硬盘使用空心橡胶柱减振。

    2.3.3 稳定性

    为使车载加固机能够稳定工作,除了在可靠性与安全性应满足GJB322A-98规定的相应要求,还需要针对其在车辆上工作的特点,加以注意。

    2.3.3.1 电源

    大多数车载加固机对电源均有一些独特的处理方式。

    2.3.3.1.1 供电方式

    车载加固机因其工作环境的特点,一般不使用交流供电方式,而是使用直流27V。直流供电,无论是借助汽车电瓶或是便携发电机供电都很方便。

    因此,大多数车载加固机的产品型谱上大都标明电源输入为:AC110V/ AC220V 50Hz/DC27V。在进行产品生产时,根据用户要求配备直流或交流电源模块。

    2.3.3.1.2 三地分离

    很多车载加固机以三地分离方式进行设计与生产。在加固机内部将直流地(GND)、交流零线(Null)、机壳(Ground)严格区分开,统称三地。产品交付用户后,在安装或连接整车系统时,最终按照用户的要求接地。机壳地或搭铁或由整车系统接大地,随系统要求而定。在直流供电的系统中,交流零线对应于直流27V“-”端,其余关系不变。

    2.3.3.2 冗余设计

    车载加固机应进行冗余设计,以提高系统运行的可靠性。车载加固机冗余设计的难点在于结构,如何在封闭性良好的加固机上灵活地更换冗余部件是设计关键。目前,冗余硬盘、冗余电源与可热插拔风扇都已应用车载加固机中,相信这将使车载加固机的可靠性有所提高。

    2.3.3.3 固态盘

    对于要求在载体移动环境中工作(动中通)的车载加固机,要使用固态盘,根据操作系统的不同,固态盘的容量应大于2GB,方可满足GJB322A-98附录中规定的通用操作系统要求。

    3 应用特点

    车载加固机的应用应以务实为第一,以下是几条应用与选型的基本原则:

    1、应用方向选择:过程控制还是数据处理,并非指标越高越好;

    2、环境条件选择:温度与湿度的应用指标,并非指标越宽越好;

    3、电磁屏蔽选择:电磁辐射与敏感度指标,并非指标越严越好;

    4、走出应用误区:盲目追求高性能带来的稳定性与可靠性的下降。

    3.1 设计原则

    3.1.1 加固计算机系统规划原则

    车载加固计算机系统的使用属性,决定了系统必须具备抗恶劣工作环境和抵御强电磁干扰的优异性能。因此,需要遵循如下原则:

    1、计算机系统网络化架构;

    2、计算平台标准化、通用化、模块化、一体化、小型化、灵活化;

    3、部件选择保证较高电气和机械性能的同时,保证较高计算性能;

    4、通过自定义设计用板载连线取代外部连线,用航空插座取代通用插座;

    5、部件和系统机箱多重加固。

    同时由于车载加固机系统属于专用信息系统,需要额外的自定义扩展功能和特殊的接驳形式,通用的商用计算机和传统工控机板卡及其部件由于其固有的通用功能且电气和机械性能难以满足系统构成要求,因此应该选择基于标准的更高性能的工业级计算平台内核与部件,在较高的电气和机械性能的基础上,通过高度模块化的板级集成来达到高可靠性、高可用性和自定义扩展功能的实现,实现标准化、通用化、模块化、一体化、小型化的高度融合。

    3.1.2 平台的构成及部件选择优化

    1、加固型服务器

    选用CPCI总线结构平台作为服务器计算平台架构。选用3U/6U PIII级CPU板,加固型TFT、EL、AM型平板宽温显示器,加固型防水鼠标键盘,3U/6U CPCI加固机箱。

    2、加固型工作站

    选择ETX总线结构PIII级核心计算模块作为加固工作站的计算平台,加固型TFT、EL、AM型平板宽温显示器,加固型防水鼠标键盘,上架式硬盘加固。其它部件进行系统级机箱内加固。

    3、加固型便携式移动工作站

    选择STX总线结构PIII级核心计算模块作为加固工作站的计算平台,加固型TFT、EL、AM型平板宽温显示器,内嵌式加固型防水鼠标键盘,其它部件进行系统级机箱内加固。

    3.1.3 板级重设计和加固机箱重设计

    加固型工作站和便携移动工作站,出于自定义扩展功能、接口形式、接驳连线方式及高集成化带来小型化考虑,选择俄ETX与STX高性能计算模块作为计算平台内核,需要通过背板设计构成系统平台。通过优化的设计,实现完善的自定义功能和接口形式的定义,形成工作站的主机板。

    虽然车载加固机选用优于商用通用计算机及传统工控机性能的部件已具有良好的电气和机械特性,并且经过基于核心计算模块的自定义板级设计保证了小型化高集成度的特性,但不能取代系统对加固型机箱的需要,以实现系统组成匹配的高可靠性和高可用性,因此加固型机箱设计是不可或缺的一个环节。

    3.2 成本分析

    车载加固机的产品价格远高于同等技术指标的计算机,而同为加固机,初级加固型、加固型、全加固型三种类型的价格由也有很大差异,因此在选用产品时必须要考虑机器的成本,必须在初级加固型、加固型、全加固型三种做出抉择。

    造成车载加固机高价位的原因是其高昂的测试成本,生产成本,维护成本。

    加固型、全加固型其环境适应性非常宽泛,因此诸如显示器、硬盘等部件需要专门订制,价格自然不菲;即使是初级加固型产品也需要花费大量的测试费用从民用或工业用产品中筛选、老化出合乎要求的产品部件,从而实现车载加固机的产品品质。

    由于车载加固机的使用条件苛刻,经常会在温度、湿度、冲击、振动的方面不经意间突破环境指标的极限,因此维修成本较高。用户在使用时如能定期维护将有助于降低维护成本,延长机器的使用寿命。

    合理选用总线型核心部件产品,有利于系统的更新与升级,延长产品的生命周期,能够更有效的保护系统资源。

    4 结束语

    随着计算机应用的不断普及,车载加固机会有良好的发展前景,特别是初级机固型加固机,因其价格的低廉,应用将更加广泛。嵌入式技术是未来车载加固机的方向,今后车载加固机会更多采用嵌入式技术,缩小加固机体积,逐渐降低产品成本,在计算机应用领域占有更多的份额。




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