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板卡設計技術 [作者： Frank J. Bartos]

　　在關于工業(yè)板卡、單板計算機（SBCs）以及嵌入式控制的文章中經常提到一個術語“標準結構”，其具體意思是指相關產品的形狀及物理尺寸。然而在實際應用中，精確的術語往往晦澀難懂。因此，其他一些可互換使用的概念也被用來描述板卡產品的標準結構，包括：結構，總線，占用面積，版式，模塊，平臺，協議，規(guī)格，標準等。
　　一般來說，工業(yè)板卡標準結構中的長度與寬度之比相對較小。專家表示，正方形的外形有助于減少板卡的震動與顫動，且這種外形安裝比較牢固。當產品超過規(guī)定面積時，選擇不同的外觀尺寸會帶來其他特定的屬性。一定的標準結構限定了板卡可用空間內的基本安裝情況與功能。與板卡標準結構相關的典型部分包括機械布置，連接器，輸入/輸出（I/O）區(qū)域等。而嵌入式控制在板卡標準結構中的空間，供電，可靠性等方面有特殊的考慮。
　　不管你如何稱呼它們，標準結構的應用簡化了開發(fā)人員的工作。同時這也為機械制造商及其客戶對于通用尺寸與規(guī)格的產品的長期可獲得性提供了一定的保證。
　　雨傘模擬法
　　標準結構的分類方法之一是將電腦板卡標準用一個傘面型視圖表示。板卡標準的各個要素，如機械尺寸、I/O性能、與其它板卡的擴展接口，安裝以及一定的電氣參數等，則由傘面上的扇形表示。這一分類方法是由WinSystems公司的副經理Robert Burckle提出的。“那么，扇形的面積就表示標準結構各要素”Burckle說，“一些規(guī)范相比而言更為詳細，因為它們描述了供電、I/O接口、擴展連接器的安裝位置，以及禁止使用區(qū)域和其他一些機械問題。”
　　連接器，I/O端口甚至安裝孔都經常作為標準結構的一部分來考慮。“對這些標準結構要素的規(guī)定可以統一不同廠家生產的板卡產品，以便減少這些產品在配接電纜、選擇外殼或與其他系統集成時所可能遇到的困難。”Burckle同時表示，“但是，‘標準結構’的概念并不包括電氣特性，操作部分，處理器及其他可能應用到的芯片。”
　　通用工業(yè)計算機用板卡標準具有特殊的功能，Burckle解釋說：“舉個例子來說，VME和CompactPCI可擴展為總線或母板系統；PC/104、EPIC及EBX具有自存儲的I/O模塊，那么就沒有必要安裝在支架或母板上。”
　　嵌入式系統供應商Kontron北美公司的產品經理Derrick Lavado也同意嵌入式及工業(yè)用板卡標準結構的通用屬性應包括I/O端口的位置、擴展口、元器件高度，以及安裝孔的位置。“對于一個系統工程師來說，這些屬性是必需充分考慮到的，這能幫助系統工程師將產品設計為用戶更為熟悉的結構，以減少產品投入市場的周期。同時，在技術革新的過程中，這一做法為產品的升級提供了一個途徑。”
　　Lavado認為除物理尺寸外，I/O端口是標準結構中最重要的屬性之一。舉例來說，對于PC/104、EBX及其他標準結構，其標準互連端口（LAN，并行接口，USB，PS/2等）的安裝位置已經確定。I/O接口位于預先設定的特別位置，以便在此基礎上進一步實現其他功能。他同時還提到了與一些標準結構有關的元器件高度限制問題。比如PC/104，它采用的是可堆疊式的擴展理念。因為I/O模塊往往處于所有堆疊模塊的最頂層，而最底層則是CPU模塊，所以每個堆疊模塊之間的最小間隙必須得到保證；同時，這樣做也可以解決整個系統的散熱問題。
　　普及=使用壽命
　　“最普及的標準結構往往具有以下特征：在一個狹小的范圍內集成了高性能的CPU/芯片集，”Lavado繼續(xù)說到。在他看來，PC/104就屬于這類產品。“PC/104模塊與緊湊型外殼一起應用時，其安裝方式非常靈活。所有的I/O端口都從板上通過電纜引出，使得遠程I/O的位置能夠按照設計要求靈活改變。”今天，典型的PC/104模塊均集成了號稱性能強大，功耗很低的CPU與處理器（比如Intel Pentium M和Celeron M）。

圖1：EPIC 的尺寸介于PC/104 的堆棧格式和EBX 的SBC 格式之間。
　　在美國國家儀器有限公司，標準結構指的是物理尺寸以及板卡的基本特征。但是，NI儀器控制部門的硬件產品策略經理Tim Fountain建議將一些其他因素如安裝導軌，連接器等添加到這一范疇以內。為了使連接更為方便快捷，界面連接設備的安裝位置是非常重要的。
　　NI對于板卡產品在系統應用中的長期可獲得性以及可靠的技術支持非常重視，并以此為基礎將板卡的全面結構、標準與其標準結構緊密地結合起來。Todd Walter，工業(yè)測量及控制部門的團隊經理表示：“我們傾向于使用詳細明確的制板標準，這些標準能夠在最大程度上支持產品開發(fā)，并且能夠詳細說明產品的標準結構。”工業(yè)系統要求板卡具有較長的生命周期，且相關配件必須在較長時間內都能買得到。此外，Walter還解釋說，NI從一個更高的、平臺水平的角度來考慮標準結構，他們所采用的標準結構可以滿足顧客的不同要求，如：散熱性能，低功耗，防震動，多資源性等。
　　NI公司的工作涉及到多種標準結構，包括CompactPCI，PCI Express及其他PCI類型等。如PXI型，就是NI公司開發(fā)的專門用于儀表的PCI擴展接口。NI公司為這一類型PXI板的測試和測量應用提供了定時，觸發(fā)，同步等信號功能。
　　與NI公司相同，WinSystems也強調了標準及產品長期可獲得性的重要性。最關鍵的一點是產品設計必須基于經過認可的標準，并且與多家基本供應商合作，以保證供應的長期性。“10到15年的使用周期在工業(yè)產品及系統中并不少見。”Burckle說到。基于標準的標準結構同時還意味著元器件互操作性的增加，以及對軟件工具的更有效的應用。
　　尺寸，應用問題
　　VITA（VMEbus International Trade Organization）公司的執(zhí)行董事，Ray Alderman先生認為產品的應用情況決定了其板卡標準結構的選擇。VITA是一個非贏利供應商/用戶組織，其宗旨在于促進VMEbus相關標準與開放式處理技術的發(fā)展。
　　板卡的尺寸決定了可以安裝在上面的連接設備的數量。如果外形尺寸非常小，那么就限制了I/O點可能的數量。但是，在簡單的工業(yè)應用中，比如噴射塑模法的控制器，較小的外觀尺寸就能滿足其功能要求，應為這種控制器所需要的I/O點相對較少，Alderman解釋道。隨著應用越來越趨向于事件驅動，伴隨著對高端應用成熟界面的需求，所需要的I/O點的數量也相應增加，比如機器視覺或動作控制等。較大的外形尺寸可以在其空間內容納以上需求，并能滿足特殊應用的要求。
　　在現在的工業(yè)應用中，涉及到了多種標準結構；此外，隨著時間的過去，更多的標準結構會被開發(fā)出來。以下介紹幾個在工業(yè)或嵌入式控制應用中經常涉及到的標準結構，它們都是由某一協會或組織提出的。
　　CompactPCI
　　這是一個基于標準PCI（Peripheral Component Interconnect）規(guī)范的工業(yè)總線標準；歐洲標準卡包裝，分為兩種基本尺寸：3U（100x160mm），這種尺寸具有一個220針的連接器；6U（233x160mm）型則最多可以擴展至3個2mm針孔連接器。CompactPCI板卡安裝在底盤的前部，這樣的結構使得I/O點可以從前面或后面兩個方向引出。板卡為垂直安裝方式，散熱性良好；防震動等性能也比較優(yōu)秀。
　　CompactPCI被設計為在嚴酷的環(huán)境中使用——工業(yè)自動化，實時機器控制/數據采集，儀表，以及軍用系統等等。CompactPCI由國際工業(yè)計算機制造者聯合會（PICMG）提出。這一協會擁有超過350家工業(yè)計算機產品供應商，這點確保了客戶能夠長期得到生產商的技術支持。
　　EBX
　　Embedded Board, eXpandable（EBX）是一種5.75"x8.0"（146x203mm）的嵌入式板卡，這種標準結構足夠容納下一臺單板計算機（SBC）及其操作系統。同時，EBX板卡又能被輕松的安裝到嵌入式應用系統狹小的內部空間中。一般來說，EBX板卡容納了CPU，存儲器，海量存儲界面，顯示控制器，并行/串行接口，以及其他嵌入式SBC所要求的系統組成部分。該標準結構還利用工業(yè)標準模塊為用戶提供了多種系統擴展方式，支持可疊加的PC/104，PC/104-Plus，及PCI-104規(guī)范。這使得EBX具有數量眾多的標準擴展接口。該板卡還預留了I/O端口區(qū)域，并精確的規(guī)定了連接器與安裝孔的位置。為了標準化各種接口和元器件的布置，整個EBX板卡被分為10個區(qū)域。每個區(qū)域（A到J）對應的元器件最大允許高度從0.5"到1.5"不等。區(qū)域劃分作為一個指南，可以使不同供應商的產品和包裝之間的互用性更強。EBX標準由PC/104嵌入式聯盟負責開發(fā)，2.0版是其最新版本。
　　EPIC
　　工業(yè)計算機嵌入式平臺（EPIC）被設計為應用于如下情況：EBX的標準結構大于需求的尺寸，而PC/104的標準結構又太小，不能滿足I/O接口數量及電纜的要求（具體參照尺寸對照表）。這種規(guī)格的主要特點是為工業(yè)及其他復雜應用中所需要的速度更快的處理器和數量更多的I/O接口提供了更多的空間。EPIC可以容納下更大的處理器及其散熱片，并且能夠將本來需要多個PC/104模塊才能實現的功能集成在一個單板計算機上。EPIC標準格式對主板及擴展板上的擴展插槽（針對“104”規(guī)格），總線連接設備及安裝孔位置進行了詳細說明。為了標準化各種接口和元器件的布置，該標準結構同樣將板卡上的空間分為幾個不同的區(qū)域（具體參照區(qū)域空間表）。除“高空間占用CPU及供電區(qū)域”外，其他區(qū)域都對所能安裝的元器件的最大高度作了規(guī)定。而“高空間占用CPU及供電區(qū)域”內主要安裝處理器及其散熱風扇或散熱片，還有就是供電單元及供電接口。EPIC還對3個I/O端口的區(qū)域進行了定義，這3個區(qū)域主要功能是安裝“104擴展板”與EPIC模塊之間可能使用的匹配連接器和電纜的接口。EPIC標準同樣由PC/104嵌入式聯盟負責開發(fā)，其最新版本為2.0.5。超過20家生產商在從事EPIC板卡的生產工作，而且這個數字還在不斷的增加。
　　PC/104
　　PC/104的定義為“嵌入了PC物理及電子接口標準的小型標準結構”。根據PC/104聯盟的說法，開發(fā)PC/104是為了解決用戶的以下要求：即如何在有限的空間內將微型計算機嵌入到產品及系統的控制中去。開發(fā)該標準結構還有一個目的，那就是使得板卡的生產簡單化，避免因定制產品而產生的額外費用。PC/104通過可堆疊模塊來實現與PC總線在結構、硬件、軟件上的兼容性。這些板卡模塊共有2種類型，分別為 8-bit和16-bit，分別對應于PC和PC/AT總線。PC/104進一步指定了兩種總線選擇以減輕狹小的嵌入空間的約束。根據總線連接接口是否貫穿模塊，這兩種總線分別被定義為“堆疊貫穿”和“非堆疊貫穿”。一個堆疊中可以同時存在8位模塊和16位模塊。
　　據說大約有160家跨國公司生產基于PC/104標準的產品。最新版本為2.5。
　　PXI
　　PXI是一種模塊化的測量及自動控制儀器平臺，其應用場合大多要求粗糙的工業(yè)標準結構。據PXI系統聯盟（PXISA）介紹，PXI將CompactPCI的標準PC技術與集成定時觸發(fā)性能結合起來，其性能比舊結構的產品提高了10倍。PXISA主要從事PXI標準的開發(fā)與推廣工作。美國國家儀表有限公司對CompactPCI技術進行擴展，開發(fā)出了PXI標準，所以PXI的標準結構與CompactPCI的標準結構是一致的。

圖2：EPIC 提供三個I/O 區(qū)域（1A、1B，2 和3）來連接不同用途的I/O 設備。PC/104的擴展模塊提供了I/O 的更多選擇。
VME
　　作為一個擁有20年以上歷史的標準，VME——嵌入式電腦的開放性工業(yè)標準結構在應用中依然占有主導地位，這一優(yōu)勢在軍事及國防應用方面特別突出。（VME是“VersaModule Europa”的縮寫，雖然對這一技術存在多種稱呼。）　　VME最早由VITA發(fā)起，它建立了8位、16位及32位并行總線計算機的框架結構，使得單處理器或多處理器系統的實現成為可能。VME的機械構造主要基于IEC60297標準及IEEE1101.1標準，也被稱之為歐洲標準卡結構。VME板卡有兩種標準化了的型式：單倍高度（3U），主要用于空間限制及震動環(huán)境中；兩倍高度（6U），采用這一規(guī)格，當板卡空間有空余時，允許安裝更多的元器件。
　　Eurocard連接
　　實際上，許多流行的工業(yè)標準結構，如CompactPCI,、PXI、VME等，其物理結構都是由Eurocard衍變而來。歐洲標準卡（Eurocard）機械標準（IEEE1101.10）為板卡及配線架的模塊尺寸作了全面的規(guī)定；但是在所有的規(guī)定尺寸中，僅有相少量以產品
的方式實現。
　　可能最知名的是3U與6U板卡尺寸，這里的U是指面板高度尺寸。1U等于1.75櫻?4.45mm）。板卡高度較橋架高度要小，這樣可以為板卡導軌和面板留出空間。實際上3U板卡的高度是100mm，而6U板卡的高度則為233.35mm。
　　模塊化歐洲標準卡的深度從100mm開始，每個規(guī)定深度之間的差為60mm。
　　板卡產品有很多的標準規(guī)格，但是在實際工業(yè)應用中僅有少量能夠成為穩(wěn)定的通用結構。所以，要想得到用戶與市場的認可，是要經過時間的考驗的。而產品長期可用性的名譽也是要通過時間來驗證的。

經營許可證編號：粵B2-20130035

粵公網安備 :44030502000203號

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