作者：貿(mào)澤電子 Mark Patrick
產(chǎn)品上市時間是許多com/tags/工業(yè)自動化" target="_blank">工業(yè)自動化應(yīng)用的關(guān)鍵考慮因素。但對于一些具體應(yīng)用，其中最為復(fù)雜的部分越來越多地是通過軟件而不是通過硬件來實現(xiàn)，這種方法允許使用商用“普通”硬件計算平臺，其中有許多種不同類型可供選擇。然而，系統(tǒng)架構(gòu)師面對的則是一組令人眼花繚亂的多種外形尺寸。每種外形尺寸都會基于一系列明確定義的主板和模塊標(biāo)準(zhǔn)，可提供設(shè)計靈活性、有競爭力的價格和二次采購源等便利。本文將討論一些可用于整合到工業(yè)設(shè)備設(shè)計中的最流行外形尺寸。
工業(yè)領(lǐng)域商用計算硬件
從高層次上看，工業(yè)流程自動化涉及來自各種傳感器的輸入監(jiān)控、接收到的數(shù)據(jù)處理以及根據(jù)預(yù)定義的工作流程采取相應(yīng)行動。傳感器可能包括限制開關(guān)、溫度、壓力和運動測量等，控制指令則通過繼電器、泵和電機驅(qū)動器等致動器執(zhí)行。
各個單獨控制區(qū)形成工業(yè)過程的彼此獨立部分，每個部分都配備有專用過程控制器。數(shù)百個通常由單板工業(yè) PC構(gòu)成的過程控制器可以部署在一個大型制造現(xiàn)場，雖然工業(yè) PC 本質(zhì)上與臺式機具有相同的功能，但或許也存在一些顯著差異。它們通常會在更廣泛的工作溫度范圍內(nèi)可靠地運行，支持工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和外圍接口，并適應(yīng)更廣泛的操作系統(tǒng)。并非所有單板計算機或計算機模塊都適用于需要 -40 ～ +85°C 工業(yè)級溫度范圍的應(yīng)用，某些電路板只符合 0 ～ +60°C 的商業(yè)溫度范圍。
工業(yè)市場并不是唯一需要通用計算資源的領(lǐng)域，石油/天然氣、電信、航空和國防等領(lǐng)域也有類似要求。對于系統(tǒng)構(gòu)建者來說，通過考慮來自不同制造商且符合一組機械和功能標(biāo)準(zhǔn)的各種計算機板和模塊可以降低開發(fā)復(fù)雜性。
外形尺寸規(guī)格
一套開放的外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在得到開發(fā)以滿足市場需求。這些為單板工業(yè) PC 和模塊計算機 （COM） 制造商提供了在一些特定市場的關(guān)注焦點，而開放標(biāo)準(zhǔn)能夠為系統(tǒng)構(gòu)建者提供二次采購源和供應(yīng)連續(xù)性的信心，無需重新設(shè)計他們的系統(tǒng)。
外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)能夠確定主板的物理和機械布局，一般其規(guī)格包括電源要求、安裝孔位置、尺寸和端口布局。許多臺式 PC 主板外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)可以追溯到 80 年代初和 IBM PC 的出現(xiàn)，并在之后得以不斷發(fā)展。
PCI 工業(yè)計算機制造商集團 （PICMG） 成立于 1994 年，擁有 140 多個成員組織，并領(lǐng)導(dǎo)了幾個重要的單板計算機和模塊標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)。這些標(biāo)準(zhǔn)都是開放、免版稅，并且不需要許可證。PICMG 標(biāo)準(zhǔn)包括：
Advanced TCA（高級 TCA）
MicroTCA
COM Express.
COM Express: COM Express 規(guī)范涵蓋一系列小外形尺寸（SFF） 和 COM型單板電腦。COM 通常設(shè)計為適合基板（母板）配電以及所有 I/O 的需求，這種方法能夠提供一種快速方便的電路板更換方法。圖 1 示出了規(guī)范演變的時間線和各種外形尺寸。
圖 1：COM Express 規(guī)范演變。（來源：PICMG）
COM Express 規(guī)范也在不斷發(fā)展，以整合最新的處理器技術(shù)、存儲方法、視頻接口和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。例如，COM Express Rev 3 規(guī)范在板上最多可容納四個 10 Gigabit 以太網(wǎng)接口。類型聲明（type declaration）規(guī)定了連接器（一個或兩個）及其在每個規(guī)范中的引腳使用。
凌華科技（ADLINK） Express-CFR 是符合 PICMG COM R3.0 Type 6 規(guī)范單板計算機的一個很好例子。
圖 2 說明了電路板的功能以及網(wǎng)絡(luò)、電源、存儲和相關(guān)外圍接口的連接器分配。
圖 2：凌華科技 Express-CFR 板符合 PICMG COM.0 Rev 3.0 Type 6 規(guī)范。（來源：凌華科技）
ETX 外形尺寸（嵌入式擴展）的創(chuàng)始者ETX 工業(yè)集團協(xié)會與 PCIMG 合作，實現(xiàn)了 ETX Rev 3 格式與 COM Express 規(guī)范的兼容。 ETX 格式至今仍然是一種流行的緊湊型單板計算機尺寸。例如ADLINK ETX-BT搭載 Intel Atom E3800 SoC，可容納高達 8GB 的 DDR3 RAM。
COM-HPC：COM-Express 規(guī)范將兩個連接器限制為 440 針。然而，對于帶寬為 16Gbps 的 PCI Gen 4等新的高速接口，其帶寬是 PCI Gen 3 的兩倍，要求 PICMG 開發(fā)新的規(guī)范 COM-HPC。該規(guī)范定義了三種模塊類型：具有固定輸入電壓的客戶端模塊、具有寬輸入電壓范圍的客戶端模塊和具有固定輸入電壓的服務(wù)器模塊。
五種 COM-HPC 板的外形尺寸已經(jīng)得到確定：最小的是尺寸 A，大小為 95 mm x 120 mm，最大的是尺寸 E，推薦用于服務(wù)器，大小為 200 毫米 x 160 毫米。
AdvancedTCA（ATCA）： ATCA 是另一種在電信行業(yè)被廣泛采用的 PICMG 規(guī)范，電信行業(yè)對高強度處理器資源、密集 IO 分布和高網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求很高。許多軍事會應(yīng)用使用 ATCA 加固版本。
除了 PICMG，PC/104 聯(lián)盟還建立了三種不同的外形尺寸。該聯(lián)盟因此得名的第一個標(biāo)準(zhǔn)是 PC/104 外形尺寸，其名稱來源于 104 針 PCI 連接器，而該聯(lián)盟的其他外形尺寸包括 EPIC 和 EBX。
PC/104：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 90mm x 96mm 的電路板尺寸及其機械設(shè)計以適合牢固的應(yīng)用。該格式允許為需要大量 I/O 功能的應(yīng)用疊放多個板。 PC/104 單板計算機的一個示例是 ADLINK CM1-86DX3 ，參見圖 3。
PC 和制造商衍生的外形尺寸
許多工業(yè)單板計算機繼續(xù)采用英特爾和威盛（VIA）等臺式 PC 處理器供應(yīng)商建立的 PC 外形尺寸。示例包括 mini-ITX、Pico-ITX 和 nano-ITX。其他嵌入式系統(tǒng)制造商創(chuàng)建了 UTX 等格式，然后被不同的供應(yīng)商采用。 MI/O 是制造商研華（Advantech）開發(fā)的另一個外形尺寸示例。
圖 4：Mini-ITX 外形尺寸與 Nano-ITX、Pico-ITX 和 mobile-ITX 規(guī)格的比較。（來源：VIA）
Mini-ITX：mini-ITX 規(guī)范定義了 170毫米 x 170毫米的電路板尺寸，參見圖 4。它最初由威盛開發(fā)，其中一個例子是研華 AIMB-233，這款功能齊全的主板具有 Intel i7、i5、i3 或 Celeron 內(nèi)核，可容納高達 64 GB DDR4 2,400 MHz SDRAM，并具有兩個 M.2 存儲插槽。
MI/O：該標(biāo)準(zhǔn)由研華開發(fā)，具有兩種形式；緊湊（Compact）和超緊湊（Ultra）。 Compact 規(guī)范定義了比 COM-Express稍大的單板計算機，尺寸為 146mm x 102mm。 Ultra與 Pico-ITX 板尺寸相同，大小為 100mm x 72mm。
MI/O Ultra 板的一個示例是 研華 MIO-5272，請參見圖 5。
圖 5：采用MI/O Ultra 外形尺寸的研華 MIO-5273 單板計算機。（來源：研華）
MIO-5272 可用于 Intel i7、Intel i5、Intel i3 和 Celeron 變體。為了支持額外的外圍功能，研華設(shè)計了一種擴展板格式MIOe，這是一種統(tǒng)一的擴展接口連接器，可為所有 MI/O 尺寸板提供電源、USB 3.0、SMBus、顯示端口和 PCIe 連接。
UTX：這種單板計算機 UTX 外形尺寸為 112毫米 x 137毫米，其示例包括 研華 AIMB-U233，這是一款基于 Intel 第 8 代的主板，具有全面的存儲、網(wǎng)絡(luò)和圖形功能。電路板需要一個 12VDC 電源來供電，峰值負(fù)載時最大功率為 23W。
在上市時間壓力很大，不允許采用系統(tǒng)構(gòu)建方法時，另一種可用方法是使用現(xiàn)成系統(tǒng)，例如研華 ROScube-I 系列。這款堅固耐用的嵌入式實時控制器非常適合機器人應(yīng)用，能夠提供 GPU 和 VPU 擴展卡，可用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。
適于工業(yè)應(yīng)用的單板計算機模塊
為工業(yè)應(yīng)用選擇工業(yè)計算機或 COM 可節(jié)省大量開發(fā)時間和不可收回的工程成本。將電路板安裝到空間有限的控制機柜或外殼中需要了解其外形尺寸。我們已經(jīng)在這篇簡短的文章中介紹了選擇過程中可能遇到的常見外形尺寸。
