AUTOMATYKA I MECHATRONIKA
Rodzaje komputerów przemysłowych (2)
W poprzednim numerze Elektroniki Praktycznej dokonaliśmy obszernego przeglądu komputerów jednopłytkowych, konkurencyjnych w stosunku do Raspberry PI. Nasze zestawienie obejmowało produkty nierzadko wyposażone w ponadgigahercowe, wielordzeniowe procesory i kilka gigabajtów pamięci RAM. Mogłoby się wydawać, że komputery te mają wystarczającą wydajność by sprawdzić się nie tylko w projektach amatorskich i typowo konsumenckich, ale także w przemyśle. Niestety, nie jest to prawdą, gdyż do realnych zastosowań przemysłowych zupełnie się one nie nadają. W tym artykule tłumaczymy, dlaczego tak jest oraz pokazujemy rodzaje komputerów stosowanych w przemyśle.
Komputery jednopłytkowe, choć mogą sta- formatów ze standardami pojawiającymi się kart PCI czy PCI express, dlatego producenci nowić optymalny wybór, w niektórych apli- wśród konsumenckich PeCetów. Dla więk- chętnie tworzą nowe projekty w oparciu kacjach wydają się być w pewnym stopniu szych maszyn, wymagających wielu kart o również 20-letni microATX. ograniczone. Dotyczy to sytuacji, gdy wiel- rozszerzeń, optymalnym wyborem będzie 244 mm×244 mm to wciąż dosyć dużo, kość urządzenia nie ma takiego znacze- zapewne wciąż bardzo popularny for- jak na obecne czasy, dlatego popularność nia, jak możliwość jego modernizacji. Jeśli mat ATX o wymiarach 305 mm×244 mm. na rynku przemysłowych płyt głównych w danej aplikacji panują trudne warunki Ciekawostką jest fakt, że jest to standard zdobył opracowany przez firmę VIA format przemysłowe, a jednocześnie użytkow- opracowany przez Intela już 20 lat temu. mini-ITX o wymiarach 170 mm×170 mm. nik spodziewa się, że z czasem wymagania W wypadku gdyby i ten rozmiar był zbyt Można nawet zaryzykować stwierdzenie, odnośnie mocy obliczeniowej systemu będą mały, można sięgnąć po EATX (305×330 że większość nowych konstrukcji tego typu rosły i konieczna będzie rozbudowa, zamiast mm), przy czym przemysłowe płyty w tym ma właśnie format mini-ITX, w którym po SBC można sięgnąć po przemysłową formacie produkowane są tylko przez nie- wciąż znaleźć można jedno gniazdo roz- płytę główną. które korporacje. Znacznie większy jest szerzeń, dwa gniazd pamięci RAM i wiele wybór płyt microATX (244 mm×244 mm), innych złączy. Przemysłowe płyty które stanowią nierzadko dobry kompromis Dwa lata po wprowadzeniu mini-ITX, główne pomiędzy liczbą gniazd rozszerzeń i roz- w 2003 roku VIA zaprezentowała standard Tu wybór jest o tyle łatwy, że wiele osób miarem. W praktyce rzadko który kompu- nano-ITX o wymiarach 120 mm×120 mm, będzie kojarzyło nazwy poszczególnych ter wymaga więcej niż jednej lub dwóch czyli wielkości pudełka na płytę
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 73 AUTOMATYKA I MECHATRONIKA
Moduły procesorowe Chcąc zbudować miniaturowe urządze- nie przemysłowe i dysponując projektan- tami płytek drukowanych, zamiast się- gać po komputery jednopłytkowe lub płyty główne, można zainteresować się kompu- terami modułowymi, a dokładniej – modu- łami procesorowymi. Zazwyczaj kryją się one pod skrótem „COM” co oznacza: Computer-On-Module. Idea komputera modułowego sprowadza Fotografia 18. Format płyt mobile-ITX się do słusznego założenia, że projektowa- Fotografia 20. Moduł procesorowy nie i produkcja obwodów z wykorzystaniem w formacie XTX kompaktową. Format ten w rzeczywistości nowoczesnych mikroprocesorów jest skom- obejmuje częściej komputery jednopłytkowe plikowana i kosztowna. Wymaga zaawan- jest faktycznie ograniczona, można sko- niż płyty główne, gdyż najczęściej produkty sowanej wiedzy, drogiego oprogramowa- rzystać z kwadratowych modułów COM nano-ITX oferowane są ze zintegrowanym nia i kosztownego wykonania. Nowoczesne Express Compact (95 mm×95 mm), a nawet procesorem, a czasem i pamięcią RAM. procesory komunikują się z pamięcią z uży- z COM Express Mini, którego wymiary to 55 Dodatkowe gniazda rozszerzeń, takie jak np. ciem bardzo wielu linii sygnałowych i szyb- mm×84 mm. Zestaw wyprowadzeń jest SO-DIMM czy mini PCI Express montowane kiego taktowania, co stawia duże rygory luźno związany z rozmiarem i określany są od spodu płytki. odnośnie sposobu prowadzenia ścieżek jest za pomocą Typu modułu. Typ 1 i typ Podobnie ma się sytuacja z płytami na PCB. Ponadto w gruncie rzeczy, komuni- 10 mają złącza jednostronne, z czego typ w formacie pico-ITX. Mają one wymiary kacja pomiędzy procesorem a pamięcią prze- 10 ma porty COM i USB 3.0 kosztem mniej- 100 mm×72 mm i zintegrowane procesory. biega najczęściej w identyczny sposób, więc szej liczby linii PCI Express i SATA. Typy Producenci ponadto nierzadko rezygnują nie ma potrzeby by każdy producent musiał 2, 3, 4, 5 i 6 mają złącza dwustronne o róż- z montażu pełnych gniazd wyprowadzeń od nowa wykonywać takie projekty. Zamiast nych zestawach wyprowadzeń. Najnowsza i pozwalają integratorom na samodzielne tego może skorzystać z modułu procesoro- wersja standardów COM Express pochodzi dobieranie, które złącza będą wyprowa- wego, a do niego zaprojektować względnie z 2012 roku. Warto dodać, że dawniej karty dzone, poprzez wykorzystanie uniwersal- prostą płytę bazową. Ta najczęściej wystar- COM Express Basic były znane pod nazwą nych gniazd na PCB. czy że jest dwustronna (nie wymaga dodat- ETXexpress, COM Express Compact jako Wraz z pico-ITX, w 2007 roku VIA opra- kowych warstw), a do tego to właśnie od jej microETXexpress, a COM Express Mini jako cowała standard mobile-ITX o wymiarach kształtu i wyprowadzonych interfejsów nanoETXexpress. 75 mm×45 mm, a w 2012 roku neo-ITX, ale zależy czy będzie ona pasowała do projektu Na przestrzeni lat na rynku pojawił się jak dotąd komputery przemysłowe w tych całego urządzenia. także bardzo mały standard CoreExpress standardach nie pojawiły się na rynku. Pierwsze moduły procesorowe w forma- o wymiarach 58 mm×65 mm, ale opraco- Popularności w przemyśle (a w praktyce cie ETX (Embedded Technology Extended) wała go niezbyt licząca się na rynku firma także i na rynku konsumenckim) nie zdobył zaprojektowała firma JUMPtec w 2000 roku, LiPPERT Embedded Computers. Kilka lat standard BTX ani jego pochodne. Znaleźć która dwa lata później połączyła się z Kon- temu została wchłonięta przez Adlinka, można za to komputery przemysłowe w nie- tronem i funkcjonuje obecnie pod tą drugą a standard CoreExpress praktycznie zanikł typowym formacie UTX (88 mm×108 mm), nazwą. Kontron to producent sprzętu i moduły tego typu nie są już polecane a więc nieco większe niż pico-ITX. typowo przemysłowego, co tym bardziej do nowych konstrukcji. Dobierając przemysłową płytę główną podkreśla przeznaczenie modułów pro- Zupełnie inny los spotkał standard Qse- warto jeszcze zwrócić uwagę na jeden aspekt cesorowych. Moduły ETX mają wymiary ven, opracowany podobnie jak CoreExpress – na jej wysokość. W zależności od zastoso- 95 mm×125 mm i na przestrzeni lat mocno w okolicach 2010 roku. Dzięki wspar- wanych złączy oraz dostępności kart rozsze- ewoluowały – standard ETX 3.0 przewidy- ciu dosyć dużego konsorcjum, w którego rzeń, cały komputer przemysłowy będzie wał wymiar 95×114 mm. Obecnie jednak skład wchodzi wiele dużych producen- miał inną wysokość. Jeśli tworzona maszyna nie tworzy się w oparciu o nie nowych kon- tów komputerów przemysłowych na rynku powinna być jak najmniejsza „wzwyż”, strukcji (zawierają magistralę ISA), ale nie- cały czas pojawia się dużo modułów tego warto poszukać modeli opisanych hasłami którzy producenci wciąż mają w swoich typu. Ich zaletą są przede wszystkim bar- „low profile” lub „thin” oraz niskoprofilo- ofertach stare modele. Nieco łatwiej znaleźć dzo małe wymiary (70 mm×70 mm) oraz wych kart rozszerzeń. nowsze modele wykonane w bliźniaczym fakt, że moduły te mogą zawierać nie tylko formacie XTX o wymiarach 95 mm×114, które już nie wspierają magistrali ISA, ale za to obsługują PCI-Express i SATA. Dużą popularnością cieszą się za to moduły COM Express. Format ten został opracowany w 2005 roku przez konsorcjum PICMG i obejmuje cały szereg odmian. Róż- nią się one zarówno rozmiarami, jak i zesta- wem sygnałów wyprowadzonych na złą- czu krawędziowym modułu. Największe są moduły COM Express Extended – mają wymiary 110 mm×155 mm. Standardem Fotografia 19. Moduł procesorowy są moduły COM Express Basic o wymiarach Fotografia 21. Moduł Procesorowy w formacie ETX 3.0 95 mm×125 mm. Jeśli dostępna przestrzeń w formacie COM Express Basic
74 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Rodzaje komputerów przemysłowych
Fotografia 25. Moduł procesorowy Fotografia 29. Komputer typu Box-PC w formacie Qseven2 do montażu na szynie
Fotografia 22. Moduł procesorowy w formacie COM Express Compact
Fotografia 30. Komputer przemysłowy typu Fotografia 26. Moduł procesorowy Box-PC w formacie SMARC integratora jest użycie gotowego komputera wraz z obudową, dopasowaną do przewidy- wanych warunków pracy. Wtedy to warto przejrzeć oferty komputerów typu Box-PC. Są to najczęściej komputery jednopłytkowe Fotografia 23. Moduł procesorowy lub przemysłowe płyty główne z proceso- w formacie COM Express Mini rem i pamięcią, szczelnie zamknięte w dopa- sowanej do nich obudowie. Ich parametry procesory x86, ale też z rdzeniami ARM. Fotografia 27. Płyta bazowa wraz będą różniły się w zależności od przewidzia- Standard został opracowany tak, by pozbyć z modułem procesorowym nego zastosowania. Nie ma w tym zakresie się zaszłości historycznych – nie obsługuje szeroko rozpowszechnionych standardów. ani magistrali ISA, ani PCI ani nawet RS-232 Ponieważ rozwijanie projektów w oparciu Niektórzy producenci stosują wspólne lub czy EIDE. o moduły procesorowe jest trudniejsze i bar- kompatybilne obudowy dla wielu oferowa- Nieco nowszy jest standard SMARC dziej pracochłonne, niż przy użyciu kom- nych przez siebie modeli. Większość z tych (Smart Mobility ARChitecture), opracowany puterów jednopłytkowych lub przemysło- komputerów jest przystosowana do zasilania przez konsorcjum SGET. Definiuje on dwa wych płyt głównych, producenci oferują też sieciowego i montażu na ścianie, na półce rozmiary płytek: SMARC full o wymiarach po maksymalnie kilka płyt bazowych, a cza- lub po prostu do postawienia. Dostępne 82 mm×80 mm i SMARC short (82 mm×50 sem nawet kart rozszerzeń, które można są też nieduże modele na szynę DIN, zasi- mm). Tak jak Qseven, pozbawiono go zaszło- wykorzystać z modułami. Pozwala to praco- lane napięciem stałym. ści historycznych. Bazuje przede wszystkim wać nad oprogramowaniem i innymi kom- na układach ARM. ponentami urządzenia w trakcie, gdy doce- Komputery panelowe Warto też wspomnieć o modułach ESM lowe PCB płyty bazowej jest projektowane. Jako specyficzną odmianą komputerów typu (Embedded System Module), które stoso- Box-PC można zakwalifikować komputery wano głównie w telekomunikacji i wraz Komputery typu Box-PC panelowe, które zintegrowane są z wyświe- z elementami zestawów PCI-104 lub na kar- W wielu aplikacjach zaliczanych do kate- tlaczami. To często korzystne rozwiąza- tach procesorowych. Często były wypo- gorii przemysłowych, takich jak np. sys- nie w aplikacjach, w których fundusze sażane w układy FPGA. Ich wymiary temy informacji wizualnej, komputer wraz i dostępna przestrzeń nie pozwalają na uży- to 149 mm×71 mm. z wyświetlaczem stanowią kompletne urzą- cie oddzielnego komputera i wyświetlacza. dzenie podłączane do sieci i prądu. Oznacza Zintegrowanie dwóch urządzeń w jednej to, że najwygodniejszym rozwiązaniem dla obudowie sprawia gwarantuje, że będą one
Fotografia 24. Moduł procesorowy Fotografia 31. Komputer panelowy w formacie CoreExpress Fotografia 28. Komputery typu Box-PC z rozpoznawaniem gestów
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 75 AUTOMATYKA I MECHATRONIKA ze sobą poprawnie współpracować. Kompu- Karty komputerowe tery panelowe są najczęściej przystosowane W niektórych aplikacjach, np. w zaawanso- do montażu właśnie w zabudowie panelo- wanych systemach pomiarowych i w auto- wej, a do tego cechują się najczęściej wyso- matyce wymagającej szybkiego przetwarza- kim stopniem ochronności od frontu. Panele nia danych w środowisku przemysłowym, najczęściej wyposażane są w ekrany doty- a także w wojsku, popularnością cieszą się kowe – dawniej rezystancyjne, a teraz coraz komputery oparte o karty procesorowe, częściej pojemnościowe. Wielu producen- umieszczane w obudowach z płytą bazową. tów tego typu komputerów oferuje swo- Istnieje szereg standardów tego typu kart, bodny wybór zainstalowanego interfejsu opracowanych pod kątem różnych zastoso- dotykowego. wań i opartych o różniące się między sobą Fotografia 33. Przemysłowy rackowy serwer interfejsy komunikacyjne. Większość z aktu- Komputery do szaf dyskowy o wysokości 4U alnie produkowanych systemów kart kom- rackowych puterowych jest zestandaryzowana przez W dużych zakładach przemysłowych, Typowe aplikacje organizację PICMG, czyli PCI Industrial a szczególnie tam gdzie konieczne jest szyb- Poszczególne z rodzajów komputerów prze- Computer Manufacturers Group. Organi- kie przetwarzanie niemałych ilości danych, mysłowych lepiej sprawdzają się w kon- zacja ta przyjęła dosyć niewdzięczny spo- popularnością cieszą się komputery przy- kretnych aplikacjach. Przykładowo kom- sób oznaczania kolejnych standardów, przez stosowane do 19-calowych szaf rackowych. putery modułowe stanowią bardzo dobry co osobie próbującej dopiero zorientować W praktyce wszystkie komputery rackowe wybór tam, gdzie konieczne jest wprowadze- się w tym, co obejmuje który standard może produkowane są praktycznie tylko i wyłącz- nie zaawansowanych możliwości oblicze- nie być łatwo połapać się w tym wszystkim. nie z przeznaczeniem do zastosowań profe- niowych do maszyny o ograniczonej dostęp- W ogólności, nazwy standardów zaczynają sjonalnych, a ich przemysłowe wersje różnią nej przestrzeni. Można je też używać w apli- się od przedrostka PICMG i dwóch liczb, się tylko nieznacznie odpornością. W prak- kacjach przenośnych. Komputery jednopłyt- oddzielonych od siebie kropką. Pierwsza tyce bywa też tak, że przemysłowy charak- kowe także dobrze sprawdzają się w maszy- liczba oznacza rodzaj (kategorię) produktów ter danej grupy komputerów przemysłowych nach i bywają stosowane np. w pojazdach. obejmowanych standardem, a druga kon- wynika z faktu, że są one produkowane W logistyce, motoryzacji i na kolei częściej kretną jego odmianę. Przykładowo wszystkie przez firmę, która w komputerach przemy- jednak można spotkać komputery typu Box- standardy rozpoczynające się od PICMG2. słowych się specjalizuje. -PC, które zapewniają odpowiednią odporność dotyczą formatu Compact-PCI, a wszystkie Komputery do szaf rackowych produ- na trudne warunki środowiskowego – ich obu- od PICMG3. formatu AdvancedTCA. kowane są w obudowach o zestandaryzo- dowa dobrze chroni elektronikę od wszyst- Większość z produkowanych kart kompu- wanych wymiarach. Szerokość całej szafy kiego, co dzieje się w pojeździe. Komputery terowych jest też powiązana ze standardem to zawsze 19”, czyli 483 mm. Szerokość te są też popularne w wojsku, a szczególnie szaf rackowych, mimo że nie są one przezna- instalowanych w niej komputerów to 17,75” ich najbardziej odporne wersje. W automa- czone do montażu w takich szafach. Karty czyli 450 mm. Głębokość komputerów bywa tyce, do realizacji systemów HMI dużą popu- komputerowe montowane są w specjal- różna, a ich wysokość jest ściśle zestanda- larnością cieszą się komputery panelowe, choć nych obudowach, najczęściej przygotowa- ryzowana i liczona w jednostkach „U”. Naj- niektórzy twierdzą, że korzystniej jest mieć nych do pracy w trudnych warunkach śro- mniejsze są komputery o wysokości 1 U, panel oddzielny od komputera, gdyż w razie dowiskowych. Obudowy te zawierają płytę czyli 1,75”. Jak łatwo się domyślić, kompu- awarii ekranu, produkcja nie zostanie wstrzy- bazową z magistralą, umożliwiającą komu- tery o wysokości 2 U mają 3,5”, 3 U mają mana. Komputery panelowe są też popularne nikację pomiędzy kartami. Sposób montażu 5,25”, a 4 U odpowiada wysokości 7”. w medycynie, o ile tylko spełniają odpowied- kart zależy od standardu i zazwyczaj opiera Komputery tego typu pozwalają na mak- nie normy. W przeciwnym wypadku wbudo- się o wykorzystanie złączy krawędzio- symalne wykorzystanie przestrzeni, jeśli wywane są przemysłowe płyty główne, kom- wych lub o wielopinowe gniazda. To drugie potrzebne jest zapewnienie dużej wydajno- putery jednopłytkowe lub moduły proceso- ści przetwarzania danych, szybkiej trans- rowe, a proces certyfikacji przeprowadzany misji sieciowej i obszernej przestrzeni dys- jest łącznie dla całości. W systemach informa- kowej. Warto przy tym dodać, że szafy rac- cyjnych i w reklamie również dominują kom- kowe przeznaczone do przemysłu są czę- putery typu Box-PC. Natomiast komputery sto wykonywane w inny sposób niż te kla- w obudowach rackowych stosowane są w cen- syczne, by ochronić zainstalowane w nich trach przetwarzania danych i w archiwach, komputery przed trudnymi warunkami np. do przechowywania historycznych para- środowiskowymi. metrów przebiegu procesów.
Fotografia 35. System pomiarowy zbudowany w oparciu o karty procesorowe VXI
Fotografia 34. Komputer wbudowany Fotografia 32. Przemysłowy komputer w wyświetlacz do aplikacji typu „digital rackowy o wysokości 1 U signage” Fotografia 36. Przyrząd złożony z karty PXI
76 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Rodzaje komputerów przemysłowych
eXtensions for Instrumentation). Inną plat- formą, powstałą w oparciu o VME jest VPX (VME PCI eXtensions), która dostosowuje pierwotny standard do nowszych interfej- sów, jakie pojawiły się na rynku. Wspomniana wcześniej organizacja PCIMG nie zajmowała się zbytnio standar- dem VME i zamiast tego, w połowie lat 90. opracowała własny, nowy standard, bazu- jący na najnowocześniejszych w tamtych Fotografia 38. Karta komputerowa Fotografia 37. Karta komputerowa czasach rozwiązaniach, przeniesionych w standardzie CompactPCI w standardzie VME na przemysłowy grunt. Standard nazwano mianem Compact-PCI (cPCI) i stopniowo w praktyce sprawdza się także w nowocze- rozwiązanie pozwala na gęstsze upakowanie go rozwijano. I on bazuje na kartach w roz- snych aplikacjach wojskowych. sygnałów na karcie, ale też zwiększa ryzyko miarze 3U lub 6U, a od czasu wprowadzenia Karty AdvancedTCA mają długość uszkodzenia (ugięcia) pinów na płycie bazo- zyskał bardzo duża popularność. Powstało 280 mm i wysokość aż 322 mm oraz muszą wej. Wielkość kart jest dokładnie zestanda- nawet rozszerzenie PICMG2.2 do obsługi się mieścić w szerokości 30,48 mm. Ich spe- ryzowana i najczęściej wywodzi się z bar- sygnałów VME64. Aktualnie dostępne karty cyfikacja wymaga, by na froncie i -na dol dzo już starego standardu Eurocard. Został są oferowane z procesorami x86 lub RISCo- nej krawędzi były pokryte metalem, co ma on niegdyś opracowany, by móc tworzyć wymi. Dostępny wybór kart jest bardzo zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne modułowe komputery dowolnej wielkości, duży. Karty oprócz różnić w rozmiarze pod oraz zwiększyć ich odporność. Wsunię- bazujące na wcześniej wspomnianych… sza- względem wysokości (3U lub 6U) mogą też cie i wysunięcie karty jest automatycznie fach 19-calowych. Z założenia karty monto- być różnej szerokości – wielokrotności karty wykrywane przez elektronikę obudowy, wane są pionowo, obok siebie, w odpowied- pojedynczego modułu. Wtedy zajmują naj- co ułatwia wymianę modułów w trakcie nio przystosowanych obudowach mocowa- częściej więcej niż jedno gniazdo na tylnej pracy urządzenia. W standardowej 19-calo- nych w szafie rackowej. W aktualnych - roz płycie bazowej. wej szafie rackowej mieści się 14 kart tego wiązaniach obudowy te mają wymiary 3U Oprócz kart procesorowych, oferowane typu, przy czym ze względu na dużą wyso- lub 6U, gdzie 1U to 1,75” (44,45 mm), tak są też karty z nośnikami i interfejsami kość kart, zajmują one ponad 7U. W prak- samo jak w przypadku rackowych serwe- – zarówno szeregowymi, portami równole- tyce jednak obudowy AdvancedTCA są jesz- rów komputerowych. Ponieważ karta musi głymi, interfejsami sieciowymi, jak i bloki cze wyższe, ze względu na dodatkowe kom- zmieścić się w takiej obudowie, jej wyso- wejść i wyjść analogowych. W formie kart ponenty, umieszczane pod i nad kartami. kość jest zawsze nieco mniejsza niż 3U lub cPCI dostępne są również gotowe swit- System chłodzenia oraz elementy diagno- 6U. Bywają też rozwiązania umożliwiające che ethernetowe i moduły specjalizowane. styczne powodują, że typowa obudowa montaż dwóch kart 3U nad sobą, w obudo- Celem zwiększenia kompatybilności opra- AdvancedTCA montowana do szaf racko- wach o wysokości 6U, co jest dopuszczalne cowywanych kart przygotowano też uniwer- wych ma 12U lub 13U wysokości. Tak wyso- dzięki temu, że suma wysokości dwóch kart salny standard PMC, który pozwala korzy- kie karty są łatwiejsze w chłodzeniu niż 3U jest mniejsza niż wysokość jednej karty stać z tych samych modułów np. w systemie karty niższe, montowane w oddzielnych 6U. Oprócz wsunięcia karty są też często opartym o VME, jak i Compact-PCI. Wystar- obudowach. Przepływ powietrza od dołu unieruchamiane mechanicznie, np. poprzez czy tylko użyć karty – przejściówki, które do góry, wzdłuż całych kart, znacząco uła- zatrzask lub śrubę na panelu czołowym również powszechnie dostępne są u produ- twia odbieranie ciepła. karty. Cała obudowa najczęściej może być centów kart w poszczególnych standardach. Standard AdvancedTCA obejmuje następnie umieszczona w obudowie 19-calo- Na podstawie Compact-PCI powstało zaawansowany sposób komunikacji. Karty wej, choć w praktyce nierzadko urządze- kilka nieco innych standardów, takich jak wymieniają dane między sobą bezpośred- nia tego typu są stawiane samodzielnie, np. Compact-PCI Serial (oznaczenie PICMG nio oraz mogą komunikować się z innymi na biurku, a bywa też, że mają rączkę do ich CPCI-S.0), w którym do komunikacji pomię- przenoszenia. dzy kartami wykorzystano interfejsy sze- Kluczowe różnice pomiędzy poszczegól- regowe oraz nowszy Compact-PCI Express nymi standardami dotyczą wyprowadzo- (PICMG EXP.0), w którym użyto magistrali nych sygnałów, co jednocześnie świadczy PCI Express. Bardzo dużą popularność o ich nowoczesności, dostępnej szybkości zyskał standard instrumentów pomiaro- pracy, o możliwościach zastosowań oraz wych PXI (i jego rozszerzenie w postaci PXI o przeznaczeniu. Express). Nazwa pochodzi od PCI eXten- Pierwszym z popularnych, komplet- sions for Instrumentation i jest to obecnie Fotografia 39. Karta komputerowa nych standardów kart komputerowych był najbardziej popularne rozwiązanie, wyko- w standardzie AdvancedTCA VME (Versa Module Europa), który opierał rzystywane w trakcie tworzenia moduło- się na procesorach Motoroli i początkowo wych systemów pomiarowych. korzystał z 16-bitowej magistrali. Standard Ostatnim, a zarazem dosyć nowoczesnym ten stopniowo ewoluował, a jego najnow- standardem kart, przeznaczonym do bardzo szym rozszerzeniem jest VME64, w którym wymagających aplikacji jest AdvancedTCA wykorzystywane są 64-bitowe karty z pro- (Advanced Telecommunications Compu- cesorami Intela lub PowerPC, mające wyso- ting Architecture – ATCA). Został on opra- kość 6U. cowany przez organizację PICMG, a jego Na podstawie standardu VME powstał odmiany są oznaczane jako PICMG3.X. również opracowany pod kątem instru- ATCA zaprojektowano z myślą o szyb- Fotografia 40. Obudowa MicroTCA mentów pomiarowych standard VXI (VME kich systemach telekomunikacyjnych, ale z modułami AMC
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 77 AUTOMATYKA I MECHATRONIKA systemami łącznie za pomocą trzech grup interfejsów. Połączenia zostały zaprojek- towane tak, by łatwo można było zreali- zować łączność redundantną, bazującą na Ethernecie (10BASE-T, 100BASE-TX lub 1000BASE-T). Wykorzystywane mogą być też interfejsy światłowodowe, Ethernet 10-gigabitowy a nawet 40-gigabitowy, magi- strala PCI Express i kilka innych standar- dów, opisanych w ramach kolejnych odmian PICMG3.x. Standard AdvancedTCA pozwala na budowę maszyn o bardzo dużej mocy obliczeniowej, typowej dla superkompute- rów. Jednakże przestrzeń zajmowana przez Fotografia 41. Moduł procesorowy AMC karty tego typu w szafach rackowych jest Fotografia 42. Obudowa na karty dosyć duża i na potrzeby nieco mniej wyma- Najbardziej popularnym standardem jest spełniająca wymagania aplikacji gających aplikacji, PICMG przygotowało PMC – PCI Mezzanine Card. Pod wzglę- wojskowych mniejszą wersję ATCA – MicroTCA (µTCA). dem elektrycznym spełnia ona wymogania MicroTCA jest tańsze we wdrożeniu interfejsu PCI, ale pod względem mecha- obudowy, jak i systemy chłodzenia. Ważne niż AdvancedTCA i oryginalnie powstało nicznym pasuje do kart CMC. PMC zakłada są też zasilacze, które dostarczane są w wer- z myślą o mniejszych systemach telekomu- możliwość użycia do czterech 64-pinowych sjach o bardzo różnej mocy. Są to bardzo nikacyjnych, ale z czasem zyskało popular- konektorów na kartę, z czego pierwsze dwa ważne elementy całych zestawów, gdyż ność także w systemach mobilnych, woj- służą realizacji 32-bitowego interfejsu PCI, ze względu na konieczność zapewnienia skowych, telemetrii, awionice i aplikacjach trzeci 64-bitowemu PCI, a czwarty dowol- dużej niezawodności, standardem jest korzy- akwizycji danych. Podstawowa specyfika- nym innym sygnałom. W efekcie, stan- stanie z redundantnych źródeł zasilania. cja MTCA.0 obejmuje płytę bazową, sposób dard PMC pozwala na tworzenie tak jakby Karty komputerowe, dzięki możliwo- montażu kart, chłodzenie, zasilanie i zarzą- małych rozmiarów kart PCI. ści gęstego upakowania swobodnie dobiera- dzanie kartami. Kolejne odmiany – MTCA.1, Standard PMC ma swoje odmiany, takie nego zestawu komponentów, świetnie nadają MTCA.2, MTCA.3 i MTCA.4 definiują jak PMC-X, PPMC, CCPMC, XMC i FMC. się do tworzenia bardzo wydajnych syste- wymagania stawiane kartom stosowanym W ofertach producentów spotkać można mów przetwarzania danych. W odróżnie- właśnie w wojsku, aeronautyce i wszystkich często moduły tych dwóch ostatnich rodza- niu od komputerów PC i serwerów produ- tych aplikacjach, w których panują trudne jów. XMC mają piąte złącze, które pozwala kowanych w obudowach rackowych, sys- warunki środowiskowe. Karty stosowane na przesyłanie sygnałów szybkich interfej- temy kartowe są lepszym rozwiązaniem, gdy w MTCA są natomiast kompatybilne z ATCA sów szeregowych, takich jak PCI Express konieczne jest wykonanie nietypowej insta- – wykorzystuje się bowiem moduły AMC. albo Serial RapidIO. Natomiast moduły FMC lacji, w której poszczególne elementy pełnią (FPGA Mezzanine Card) zawierają wejścia swoje specyficzne role, a do tego muszą być Moduły PMC, AMC, XNC i wyjścia do układów FPGA umieszczonych łatwe w wymianie. Znacznie wygodniej jest i FMC na innych kartach. w razie awarii wymienić jedną kartę, którą Mnogość jednocześnie funkcjonujących Rosnącą popularnością cieszą się moduły wysuwa się od frontu obudowy, niż wymon- standardów kart, różniących się zastoso- AMC (Advanced Mezzanine Card, Advan- towywać cały serwer. Ponadto, wielkość poje- wanymi złączami, wymiarami i sygnałami, cedMC), które choć niekompatybilne dynczej karty jest mniejsza całego serwera sprawia że producentom trudno jest tworzyć ze standardem PMC, są podstawą systemu w obudowie 1U, co pozwala na lepsze wyko- oddzielne moduły dla każdego standardu, kart MicroTCA, gdzie są wpinane bez kart rzystanie dostępnej przestrzeni, a jednocze- poddawać je bardzo wymagającym testom pośredniczących, ale można ich używać śnie zoptymalizować chłodzenie. Co wię- i utrzymywać odpowiednie stany magazy- również jako moduły w AdvancedTCA. cej, zastosowane interfejsy na płytach bazo- nowe. Z tego względu popularność zyskały Moduły AMC mają wysokość do 23,25 mm. wych tych kart są zoptymalizowany do bar- karty pośrednie, określane mianem Carrier Rozszerzenia standardu w postaci PICMG dzo szybkiej wymiany informacji z wielu jed- Board, stanowiące obudowę dla uniwersal- AMC.1, AMC.2, AMC.3 i AMC.4 wprowa- nostek procesorowych, co ułatwia tworze- nych modułów. Karty tego typu ma w swo- dzają obsługę m.in. PCI Express, gigabito- nie superkomputerów i maszyn o ogromnym jej ofercie bardzo wielu dostawców. Różnią wego Ethernetu i szeregowego interfejsu potencjale przetwarzania danych. się od siebie rodzajem modułów, które mogą RapidIO. Pojedynczy moduł ma standar- Marcin Karbowniczek, EP mieścić, sposobem realizacji chłodzenia dowo 170 wyprowadzeń, ale dostępne są też i oczywiście dopasowaniem do konkretnego moduły mniejsze, 85-pinowe lub podwójne, standardu obudowy. W kartach tych można 340-pinowe. Karty te mogą być wymieniane wkładać np. dyski twarde albo uniwersalne w trakcie pracy urządzenia. moduły procesorowe i wsuwać je do obu- dów poszczególnych standardów. Niewielka Dostępne komponenty złożoność kart typu Carrier Board ułatwia Przeglądając ofertę dostawców komputerów ich projektowanie i testowanie, a uniwer- przemysłowych, w zakresie kart kompute- salne moduły procesorowe czy z interfej- rowych omówionych typów znaleźć można sami, są projektowane i testowane oddziel- nie tylko same karty, moduły, obudowy nie, co znacząco zmniejsza sumaryczny z płytami bazowymi i karty pośredniczące koszt opracowania wszystkich odmian pro- (Carrier Boards). Niektórzy producenci ofe- Fotografia 43. Obudowa systemu VME duktów dla różnych standardów. rują także samodzielne płyty bazowe bez o wysokości 8U
78 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016