高可性嵌入式CPII系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化解決方案

一、引言

以標準的計算機技術(shù)為核心的嵌入式系統(tǒng)，由于可以與各種各樣的復雜的設備有機地結(jié)合在一起，非常靈活地實現(xiàn)各種監(jiān)測、控制和管理功能，已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域廣為接受并得到大力發(fā)展的產(chǎn)品和技術(shù)方案。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)對功能、性能和可靠性要求的不斷提高，高可靠性嵌入式系統(tǒng)作為新一代工業(yè)控制系統(tǒng)的核心技術(shù)和產(chǎn)品，正在被越來越多的客戶和供應商所關(guān)注，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新方案層出不窮。

由PICMG（PCI InduSTrial Computer ManuFacturesGroup）制訂并大力倡導的 Compact PCI（CPCI）技術(shù)，由于沿襲了PCI成熟的、高性價比的、廣泛而容易獲取的軟硬件資源，并吸納和發(fā)展了VME的高可靠性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從面世的那天開始，就成為新一代高可靠性系統(tǒng)的首選設計方案，在高性能計算機／服務器、工業(yè)控制與自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡與通信設備以及航空航天和軍事應用領(lǐng)域都得到廣泛的應用。

最近幾年，隨著國外著名計算機系統(tǒng)公司基于CPC的產(chǎn)品和方案的推廣以及PICMG／PRC對CPCI技術(shù)的宣傳，我國的工業(yè)控制領(lǐng)域，特別是中高端的應用，正在越來越多地把CPCI應用于高性能嵌入式系統(tǒng)之中。

由于高可靠性嵌入式CPCI系統(tǒng)具有許多與眾不同的特點和要求，因此從設計到生產(chǎn)到應用服務都需要更為專業(yè)化的技術(shù)工藝和工程經(jīng)驗，本文從技術(shù)、產(chǎn)品和服務幾個方面探討適合市場需要和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的解決方案。

二、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展

在信息化的今天，計算機已經(jīng)不再是僅僅完成計算功能的設備，它已經(jīng)成為無所不能、無處不在、與人類生活密切相關(guān)的東西。小到各種家用電器和通信終端的控制電路，大到航空航天飛機和工業(yè)自動化系統(tǒng)的控制中心，它們都是嵌入式的計算機系統(tǒng)。

嵌入式的計算機系統(tǒng)，根據(jù)它們所控制設備的特點，會采用各種各樣的設計方法。從簡單的單片機、單板機到復雜的多CPU、多總線冗余結(jié)構(gòu)，都有可能成為嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。

無論是簡單的嵌入式系統(tǒng)還是復雜的嵌入式系統(tǒng)，隨著微電于技術(shù)和計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，每一階段都有不同于已往的產(chǎn)品實現(xiàn)方式。CPU從4位、 8位、16位、32位發(fā)展到64位，存儲器從幾百字節(jié)發(fā)展到幾百兆字節(jié)，通信接口的速度從幾百bPS發(fā)展到幾十GbPS，接口的數(shù)目也變得更多。這些都使嵌入式系統(tǒng)的性能得到了極大的提高，功能日益豐富。同時，高可靠性和高可用性在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程中正在占據(jù)越來越重要的地位，成為設計和應用的首要考慮因素，并且也已經(jīng)成為競爭對手之間互相較量的重點。

三、高可靠性嵌入式系統(tǒng)的特殊需求

高可靠性嵌入式系統(tǒng)的特殊需求，概括地用一句話來表示就是確保系統(tǒng)性能的可靠實現(xiàn)。主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

（1） 足夠強的數(shù)據(jù)處理能力

（2） 足夠高的數(shù)據(jù)傳輸速度

（3） 足夠多的外部連接接口

（4） 安全而高效的系統(tǒng)管理機制

（5） 標準而可靠的系統(tǒng)連接方式

（6） 易于維護的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（7） 良好的開放性和可擴展性

（8） 抗惡劣環(huán)境

（9） 冗錯性強

高可靠性嵌入式系統(tǒng)，一般都選用先進的高性能的處理器，在可能的情況下，盡可能采用比較高的系統(tǒng)工作頻率和總線寬度，根據(jù)系統(tǒng)應用要求可以配置足夠多的可以由用戶自由定義的I／O接口，從而，使系統(tǒng)具有比較高的性能。一個或多個系統(tǒng)管理設備以及安全而高效的軟硬件管理體制可以保證高可靠性嵌入式系統(tǒng)性能的充分發(fā)揮和利用；在物理特征上，高可靠性嵌入式系統(tǒng)采用的是標準而可靠的系統(tǒng)連接方式，采用模塊化結(jié)構(gòu)設計和冗錯性設計，支持熱拔插、熱切換，以盡可能地縮短系統(tǒng)的不可用時間。同時，高可靠性嵌入式系統(tǒng)相對于一般的系統(tǒng)具有更強的抗惡劣環(huán)境工作能力，對高溫、高濕、震動、輻射；和腐蝕，都有良好的防護措施。

四、CPCI的技術(shù)特點與系統(tǒng)解決方案

ICPCI定義了33MHZ／32bit－66MHZ／64bit的總線結(jié)構(gòu)，信號傳輸速度高達528Mbyte/s。適應當今市場上各種主流的高性能處理器。一段CPCI總線可以連接一個系統(tǒng)設備和7個外圍設備，如果需要，可以通過橋接電路進行擴展。每一次擴展都可以增加7個外圍設備。如果需要，通過CPCI總線可以十分方便地實現(xiàn)外圍設備的備份甚至系統(tǒng)設備的備份。同時，CPCI系統(tǒng)針對傳統(tǒng)電信領(lǐng)域的應用擴展了CTBUS，針對網(wǎng)絡通信領(lǐng)域的應用擴展了PSB BUS，使它可以非常方便地與這兩個領(lǐng)域的設備結(jié)合在一起，實現(xiàn)嵌入式的應用。CPCI系統(tǒng)支持冗余的電源供應方式，可以實現(xiàn) 1＋1，N＋l，N＋N多種電源冗余結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)板卡及外部設備板卡采用統(tǒng)一的3U或6U標準歐式板卡結(jié)構(gòu)，各種板卡之間通過專用的背板進行可靠的互連，而且支持帶電熱拔插。當進行系統(tǒng)擴充和維護時，可以通過直接增加或更換板卡十分方便地完成，大大減少了系統(tǒng)維護時間，提高了系統(tǒng)的可用性。板卡與背板之間選用高性能的2MM HARD METRIC連接器進行連接，在3U的板卡上定義了2個連接器，在6L的板卡上定義了5個連接器，引腳數(shù)量多達535個，除了被標準的CPCI信號使用之外，還有足夠多的引腳進行專門用途的擴展或者由使用者自己定義。

CPCI連接器采用針孔式連接方式，不僅比PCI的邊沿式連接方式密度更高、連接更可靠，而且更容易實現(xiàn)熱拔插、EMC防護等功能，更容易適應振動、灰塵、高濕度、腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境。這種標準的板卡結(jié)構(gòu)，不僅連接可靠，方便維護，而且還可以通過背板連接器的向后延長的引腳實現(xiàn)背后的I／O擴展，這對許多嵌入式系統(tǒng)十分重要。CPCI系統(tǒng)采用了標準的19機箱結(jié)構(gòu)，可以很容易地裝入任何標準的19機架，與其他相關(guān)設備有機地結(jié)合在一起。每個 CPCI機箱都有相對獨立的電源供應和通風冷卻系統(tǒng)，并且有專用的系統(tǒng)監(jiān)控模塊對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行管理和監(jiān)控。

CPCI機箱一般采用優(yōu)質(zhì)鋁型材，相對其他材料不僅保證了更精密的機械配合，而且在單位重量、導熱性、EMC防護等方面更有優(yōu)勢，特別適合于嵌入式系統(tǒng)的特殊應用需求。CPCI機箱的導軌、面板以及插卡把手的設計都對熱拔插和FMC防護給予了充分的考慮。

圖1 典型的CPCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[!--empirenews.page--]

圖2 3U CPCI板卡及背板結(jié)構(gòu)

圖3 CPCI背板連接器熱拔插結(jié)構(gòu)及 REAR…結(jié)構(gòu)示圖

CPCI作為新一代工業(yè)計算機的技術(shù)標準，經(jīng)過近10年的發(fā)展和遍布全球的PICMG成員的共同努力，已經(jīng)成為當代高可靠性嵌入式系統(tǒng)的首選的解決方案。

五、相關(guān)產(chǎn)品及應用

一項好的技術(shù)，它的成功與否，不僅僅取決于它的設計思想是否先進、是否完美，而是往往取決于它是否有良好的實現(xiàn)手段。

CPCI技術(shù)也不例外。從它的提出到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了近十年的時間，但真正被廣泛采納和應用也僅僅是最近的幾年。主要原因就是，與其相關(guān)的產(chǎn)品基礎直到最近幾年才基本建立完善。

除了基于傳統(tǒng)PCI的軟硬件內(nèi)核之外，全新結(jié)構(gòu)的CPCI板卡、CPCI連接器、CPCI背板、CPCI電源、CPCI機箱及其附件，等等，這一系列的產(chǎn)品集成在一起才構(gòu)成完整的高可靠性嵌入式CPCI系統(tǒng)。

各種CPCI板卡是CPCI系統(tǒng)的核心產(chǎn)品，許多世界著名的公司如MOTOROLA、INTEL早就有成熟的產(chǎn)品供應，中國大陸和臺灣地區(qū)的許多著名的IPC供應商如研華、凌華、研祥等也相繼推出自己的產(chǎn)品。

CPCI背板是CPCI系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件，直接關(guān)系到系統(tǒng)性能的可靠實現(xiàn)。它不僅要求完全符合標準，而且還要求兼容性強，確保來自不同供應商的符合PICMG規(guī)范的板卡都能穩(wěn)定地運行在同一個系統(tǒng)中。它具有3U或6U的高度，2－21個插槽，可以方便地安裝在任何標準的歐式插箱。為了保證高密度的布線要求和精確的阻抗匹配，CPCI背板的PCB一般都在10層以上。CPCI背板的設計要求具備非常高的專業(yè)化技術(shù)和豐富的工程經(jīng)驗，許多參數(shù)都要使用專用的EDA工具進行反復的模擬和仿真。CPCI背板的生產(chǎn)裝配大多采用先進的壓接工藝，需要非常特殊的設備和工裝模具。由于CPCI背板實現(xiàn)的是高密度、高可靠性的電氣連接和非常精密的機械連接，所以，出廠前都必須經(jīng)過全面而嚴格的電學測試和光學測試，必要時還必須進行各種惡劣環(huán)境的模擬測試。

CPCI背板的使用環(huán)境大多是高性能計算機／服務器、工業(yè)控制與自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡與通信設備以及航空航天和軍事應用領(lǐng)域，因此，要求應用和服務人員必須具有非常強的相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)知識和系統(tǒng)知識。

CPCI背板、CPCI機箱、CPCI電源、CPCI風扇模塊以及CPCI系統(tǒng)監(jiān)控模塊有機組合在一起，就構(gòu)成了CPCI系統(tǒng)的基礎硬件平臺。在此硬件平臺的基礎上，系統(tǒng)設備廠商可以非常方便、快速地進行專有產(chǎn)品的設計，可以以相對低廉的成本提供高性能的系統(tǒng)產(chǎn)品。

以上產(chǎn)品基礎的建立和相關(guān)設計、生產(chǎn)和應用服務的技術(shù)保證為高可靠性的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展提供了必要而充分的條件。

圖4 CPCI背板及CPCI機箱

六、結(jié)論

綜合以上論述，不難看出，高可靠性嵌入式系統(tǒng)的特殊應用需求決定了CPCI技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品必然成為它的首選方案。它的發(fā)展必須建立在完善的產(chǎn)品基礎之上。專業(yè)化的設計、專業(yè)化的生產(chǎn)和專業(yè)化的應用服務是高可靠性嵌入式CPCI系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的必由之路。