Шасси промышленных компьютеров с шиной CompactPCI

Введение

Формат CompactPCI появился в результате попытки адаптировать конструкцию компьютера с системной шиной PCI к тяжёлым условиям эксплуатации в промышленности, на транспорте, в военной технике. В серии спецификаций, разработанных в этой связи консорциумом PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group), в качестве основной цели изменения конструкции было названо улучшение её механических характеристик.

Для решения поставленной задачи был применён подход, основанный на максимальном использовании широко распространённых и хорошо зарекомендовавших себя технических решений. В результате удалось улучшить не только механические показатели компьютеров, но и надёжность, ремонтопригодность и помехоустойчивость.

Стандарты

Основные положения, касающиеся конструкции CompactPCI-компьютера, содержатся в следующих спецификациях:

• PICMG 2.0 R2.1, определяющей форм-фактор и тип соединителей;

• PICMG 2.10, определяющей конструкцию ключей, обеспечивающих безопасное подключение заменяемых элементов системы;

• PICMG 2.11, содержащей требования к конструкции источников питания.

Поскольку основная идея CompactPCI состоит в заимствовании уже известных и доказавших свою эффективность решений (форм-фактор был «обкатан» в системах VME, соединитель использовался фирмой Siemens для телекоммуникационных приложений и т.д.), упомянутые здесь спецификации PICMG практически не содержат детального описания элементов конструкции. Вместо этого приводятся ссылки на другие стандарты:

• IEC 61076-4-101, определяющий параметры соединителя и правила его установки на печатную плату;

• IEEE 1101.1, IEEE 1101.10, IEEE 1101.11, содержащие описание конструкции основных составных частей.

Эта информация содержится также в другой — «конкурирующей» — группе стандартов: IEC 60297-3-101, IEC 60297-3-102, IEC 60297-3-103. Для нас данный источник является предпочтительным, так как имеется аутентичный перевод стандартов IEC на русский язык, выполненный в 2006 году комиссией экспертов МЭК/ТК480. На основании перевода были утверждены и введены в действие российские аналоги упомянутых стандартов: ГОСТ Р МЭК 60297-3-101-2006, ГОСТ Р МЭК 60297-3-102-2006 и ГОСТ Р МЭК 60297-3-103-2006.

С текстами стандартов можно ознакомиться на сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии http://protect.gost.ru.

Конструкция

На рисунках 1-4 показаны основные элементы компьютера, соответствующего требованиям перечисленных документов. Коротко эти требования можно сформулировать так.

• Корпус компьютера должен иметь исполнение rackmount, то есть содержать элементы (фланцы) для крепления в шкафу или стойке.
  
  

  Условные обозначения: 1 — фланец; 2, 6 — вставные блоки; 3 — направляющая; 4 — источник питания; 5 — объединительная плата; 7 — элементы системы электромагнитного экранирования (показаны только уплотнительные прокладки лицевых панелей).
  
  

• Компьютер должен иметь модульную конструкцию. Каждый модуль должен быть выполнен в виде открытого или закрытого вставного блока с металлической лицевой панелью, обеспечивающей его заземление, электромагнитное экранирование и надёжную механическую фиксацию. Ширина лицевой панели должна быть кратна 4HP (1HP = 5,08 мм). Высота модуля должна равняться 3U или 6U (1U = 44,45 мм). При этом высота печатной платы, размещаемой в блоке, должна равняться 100 мм или 233 мм соответственно.

• Вставные блоки должны вдвигаться в корпус по направляющим. Направляющие должны быть оборудованы кодирующими штифтами (рис. 2), исключающими неправильную установку блоков. Каждая направляющая должна иметь гнездо, в которое должен входить заземляющий штифт-ловитель, соединённый с лицевой панелью блока. Гнездо должно иметь надёжное электрическое соединение с корпусом компьютера (сопротивление не должно превышать 100 мОм).
  
  

  Условные обозначения: 1 — лицевая панель; 2 — уплотнительная прокладка; 3 — рукоятка (экстрактор-инжектор); 4 — заземляющий ловитель; 5 — гнездо для ловителя; 6 — контактная пружина для отвода статического заряда; 7 — направляющая; 8 — кодирующие штифты; 9 — нижний выступ.
  
  

• Источники питания, так же как и остальные модули, должны быть выполнены в виде вставных блоков, однако печатная плата источника должна располагаться относительно передней панели на 1/2HP (2,54 мм) правее, чем у обычного модуля. В связи с этим для фиксации источников следует использовать специальные направляющие со смещённой дорожкой (рис. 3). Эти направляющие должны иметь зелёный цвет.
  
  

• На лицевых панелях должны быть закреплены рукоятки (экстракторы-инжекторы), предназначенные для извлечения и установки модулей. Нижние выступы рукояток (рис. 2) должны входить в соответствующие прямоугольные отверстия в корпусе компьютера.

• Компьютер должен содержать расположенную вертикально пассивную объединительную плату с унифицированными соединителями IEC 61076-4-101 для подключения модулей. Соединители должны располагаться параллельно с шагом 4HP. Объединительная плата может состоять из нескольких сегментов – отдельных плат, соединенных мостами PCI-PCI. На одном сегменте может размещаться до 8 соединителей. При необходимости модули должны подключаться не только к фронтальной, но и к тыльной стороне объединительной платы. Для этого должны использоваться соединители с удлинёнными контактами, проходящими сквозь объединительную плату. Модули, подключаемые с фронтальной и с задней стороны объединительной платы, должны содержать печатные платы длиной 160 и 80 мм соответственно (рис. 4).
  
  

  Условные обозначения: 1 — печатная плата модуля, вставляемого с фронтальной стороны корпуса; 2 — печатная плата модуля, вставляемого с задней стороны корпуса; 3 — соединитель; 4 — ответная часть соединителя; 5 — оболочка проходной части соединителя; 6 — объединительная плата; 7 — лицевая панель модуля; 8 — уплотнительная прокладка.
  
  

• Соединители объединительной платы должны содержать кодирующие ключи, позволяющие гарантировать, что каждый модуль будет установлен только в слот с соответствующим уровнем питающего напряжения.

• Конструкция компьютера должна допускать возможность «горячей» замены модулей. Для этого в процессе замены должна обеспечиваться определённая последовательность соединения и разъединения контактов соединителя, а также должны вырабатываться специальные предупредительные сигналы для процессорного модуля и для обслуживающего персонала. Для выполнения этих функций используются контакты соединителей IEC 61076-4-101, имеющие разную длину (самые длинные – выводы питания), и микропереключатели, встраиваемые в рукоятки-экстракторы.

• Необходимо обеспечить эффективное электромагнитное экранирование компьютера и защиту его элементов от электростатических разрядов. С этой целью все внешние панели корпуса должны быть соединены между собой и с контуром защитного заземления. Зазоры между панелями должны уплотняться при помощи прокладок из проводящего электричество материала (рис. 1 и 2). Для отвода электростатического заряда с лицевых панелей вставных модулей должны использоваться соединённые с ними металлизированные дорожки, расположенные на печатных платах. При установке модуля в корпус компьютера дорожки должны замыкаться со специальными контактными пружинами, расположенными на направляющих (рис. 4). Контактные пружины должны быть соединены с корпусом компьютера.

«Классические» шасси

Наиболее распространённой формой комплектования промышленного компьютера является заказ готового шасси с последующей установкой в него легко заменяемых модулей. Обычно в состав шасси входят:

• экранированный несущий корпус;

• элементы системы питания;

• объединительная плата;

• элементы системы вентиляции.

Простейший вариант «классического» шасси показан на рис. 5.

С точки зрения обеспечения отвода тепла и по механическим характеристикам эта конструкция является оптимальной. При определённом подборе источника питания и процессорного модуля, например, CPC502 (Fastwel) с источником P4180 (11098-087 Schroff), такая система может работать при естественном конвективном охлаждении. Если требуется принудительное охлаждение, его легко обеспечить, добавив 19-дюймовый вентиляторный блок необходимой мощности.

Ещё один пример показан на рис. 6. Это (6+4)U отказоустойчивое шасси с объединительной платой PSB (Packet Switched Backplane, PICMG 2.16), дублированными источниками питания и системой принудительной вентиляции.

Основной недостаток «классических» шасси – неоптимальное использование объёма, занимаемого в стойке: высота шасси определяется габаритами печатных плат (3U или 6U) и не зависит от их количества в системе.

Отклонения от стандартов

На практике не все требования спецификаций PICMG строго выполняются: некоторые отклонения от «классического» варианта фактически сами стали стандартом. Один из таких примеров – шасси формата pizza box, в котором модули располагаются горизонтально друг над другом. На рис. 7 показан один из вариантов такого шасси.

Условные обозначения:
1 — экранированный корпус; 2 — сетевой фильтр; 3 — отсек источника питания; 4 — фронтальный отсек для сменных модулей; 5 — вентиляторный блок; 6 — объединительная плата; 7 — задний отсек для сменных модулей.

Основное достоинство этого корпуса очевидно: поскольку его высота может не превышать 1U, обеспечивается оптимальное использование внутреннего пространства шкафа, в котором он располагается.

Недостатком конструкции можно считать обязательное наличие вентиляторов для охлаждения модулей. Вентиляторы производят шум, который нежелателен в некоторых приложениях, и имеют небольшой (в сравнении с электронными компонентами) срок службы.

Чтобы компенсировать последний недостаток, вентиляторные блоки делают съёмными, допускающими «горячую» замену (рис. 8). Предпочтение стоит отдать вентиляторам, работающим на нагнетание, – они дольше служат, так как находятся в более благоприятных температурных условиях. Кроме того, при работе вентиляторов на всасывание внутри корпуса компьютера создается пониженное давление воздуха, из-за чего через щели и неплотности в него проникает большое количество пыли.

Ещё один распространённый тип «нестандартного» конструктива для компьютера CompactPCI – настольный приборный корпус.

Поскольку шасси на базе такого корпуса не предназначено для встраивания в стандартную стойку, его габариты зависят только от объёма оборудования, которое в нём требуется разместить. Например, шасси, показанное на рис. 9, может иметь ширину 42HP, 63HP или 84HP.

Условия для отвода тепла в таком корпусе не намного хуже, чем в «классическом». Поток охлаждающего воздуха поступает через отверстия в нижней части передней панели и выходит из корпуса через отверстия в верхней части задней панели. Если естественного конвективного охлаждения оказывается недостаточно, на задней стенке может быть смонтирован вентиляторный блок.

Другой пример «нарушения стандарта» – использование источников питания форм-фактора ATX (рис. 10).

Такие источники существенно (иногда в несколько раз) дешевле, чем выполненные в виде вставного блока, однако имеют худшие показатели надёжности и снижают ремонтопригодность компьютера. Кроме того, имеется ряд отличий, влияющих на качество функционирования системы.

1. В источниках ATX (рис. 10) общий провод (common, logic ground) соединён с корпусом (frame ground). В соответствии со спецификациями PICMG это допускается (даже предусматривается возможность размещения соответствующего коммутационного элемента на соединительной плате), однако помехоустойчивость системы при таком варианте заземления снижается. Кроме того, часто, например, в медицинской или стационарной железнодорожной аппаратуре, такое «объединение земель» запрещено.

2. Служебные сигналы, которыми источник ATX обменивается с процессором, несколько отличаются, от рекомендованных PICMG. Источник CompactPCI должен формировать:
   • FAL#-сигнал, предупреждающий процессор о предстоящем отключении питания;
   • DEG#-сигнал, предупреждающий процессор о снижении мощности источника в связи с перегревом.

У ATX-источника сигнал DEG# отсутствует, а в качестве сигнала FAL# используется PG (power good).

Заключение

Наличие общепринятых стандартов обеспечивает взаимную совместимость деталей, приобретаемых у разных изготовителей. Однако самостоятельно заниматься подбором комплектующих для шасси CompactPCI компьютера и его сборкой имеет смысл только в тех случаях, когда к конструкции предъявляются какие-то особые требования. Решение задачи можно упростить, воспользовавшись «заготовками», одна из которых показана на рис. 11. 

Впрочем, даже это вряд ли поможет легко миновать все «подводные камни» при конструировании и сборке. Наиболее рациональным, с точки зрения экономии времени и средств, остаётся приобретение собранного и всесторонне протестированного изготовителем шасси. Разумеется, при этом лучше ориентироваться на продукцию лидеров — членов консорциума PICMG: Schroff, Rittal, Advantech, ELMA. Более подробную информацию можно получить на www.prosoft.ru или в офисах фирмы ПРОСОФТ. ● 

Автор — сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (812) 448-0444
E-mail: bel@spb.prosoft.ru