Встраиваемые системы Perfectron стандартов PCIe/104 и StackPC

Введение

Компания Perfectron специализируется на производстве сверхнадёжных и мощных промышленных компьютеров высшего класса. Команда разработчиков благодаря многолетнему опыту работы смогла создать нестандартные решения и преодолеть барьер существующих форм-факторов и методов проектирования. Компания посвятила себя производству высококлассных материнских плат и безвентиляторных систем в защищённом корпусе, которые способны работать в жёстких условиях с риском влияния экстремальных температур, а также интенсивного ударного воздействия и вибрации. Продукты Perfectron находят широкое применение на различных вертикальных рынках, таких как системы промышленной автоматизации, транспортная отрасль, оборонная промышленность и многие другие. Команда разработчиков компании Perfectron всегда уделяет внимание деталям, имеет множество инновационных идей и стремится создавать передовые продукты с отличными эксплуатационными характеристиками и высокой надёжностью.

Встраиваемые системы

Существует множество стандартов и форм-факторов встраиваемых систем, позволяющих быстро и эффективно создавать решения самых различных приложений практически во всех областях промышленности, систем безопасности, транспорта, телекоммуникаций и др. Большинство промышленных компьютерных встраиваемых систем используют в своей основе модульный принцип построения. Такая особенность позволяет быстро создавать готовые приложения. При этом можно использовать даже продукцию, выпускаемую другими производителями, что позволяет в итоге предоставить клиенту изделие, полностью соответствующее его задаче и не имеющее излишних функций, за которые ему пришлось бы платить. Если же заказчику встраиваемой системы необходимо заложить потенциал существенного расширения функций, то опять же благодаря модульности можно реализовать и такую возможность. Основой любой встраиваемой системы служит, как правило, процессорная плата (CPU Module или Host Module), то есть плата, на которой установлено ЦПУ. Такие модули могут быть двух типов – общего назначения или промышленного. Модули промышленного назначения, как правило, выполняются в стандартном форм-факторе и ориентированы на эксплуатацию в жёстких условиях. Чтобы обеспечить бесперебойную работу системы при экстремальных температурах (от –40 до +85°C), разработчики используют специализированную компонентную базу. В связи с тем, что встраиваемые процессорные модули зачастую предназначены для установки внутри более сложного устройства, при их разработке ключевую роль играют следующие факторы: низкое энергопотребление и малый размер, а также стойкость к механическим и другим негативным воздействиям. Существуют два основных типа расширяемых систем: магистрально-модульные с применением объединительных плат и стековые, в которых модули соединяются непосредственно друг с другом. Далее пойдёт речь об относительно новом стандарте проектирования и разработки стековых систем – StackPC [1], который разработан российской компанией FASTWEL и основан на стандартах консорциума PC/104.

Процессорный модуль OXY5535B

Начнём обзор линейки плат StackPC от Perfectron c процессорного модуля OXY5535B, который служит основой для построения стековой встраиваемой системы. Основным конкурентным преимуществом разъёма StackPC является реализация в одном разъёме расширения для стековой системы наиболее востребованных низкоскоростных интерфейсов, таких как USB, COM, CAN, SPI, LPC, наряду с высокоскоростными SATA, Gigabit Ethernet и PCI Express x1, x4. Данная комбинация позволяет минимизировать число проводных соединений в корпусе стековой системы, обеспечивая повышенную гибкость при проектировании и производстве. Проектирование встраиваемых систем на модулях StackPC значительно проще, так как требования к разработке таких систем остаются неизменными – они должны быть легко масштабируемыми и компактными. Этот подход не требует установки высокоскоростных и низкоскоростных коммутаторов. Концепция StackPC подразумевает под собой рост стека только в одном направлении – вверх. Это позволило сделать процессорные и периферийные модули технологичнее и, самое главное, проще по сравнению с PC/104e. Также это значительно упрощает испытания модулей и их эксплуатацию. Единый подход к обеспечению питания стека и выходным сигналам коммуникационных модулей направлен на увеличение совместимости с продуктами различных поставщиков.

В модели OXY5535B применяются сразу два эффективных метода отвода тепла – кондуктивный и конвективный, что позволяет использовать всю систему в расширенном диапазоне рабочих температур. В конструкции с кондуктивным теплопереносом применяется алюминиевый лист, непосредственно соприкасающийся с процессором и чипсетом и отводящий тепло на корпус системы. Более подробно особенности систем с кондуктивным охлаждением рассматривались в журнале «СТА» ранее [2], поэтому здесь подробно описывать их не будем. В конвективных тепловых конструкциях используется поток воздуха, направляемый на поверхность радиатора с рёбрами, который устанавливается на процессор и чипсет. Для создания потока воздуха может применяться вентилятор соответствующей производительности, установленный на радиаторе. Также на радиатор можно направить воздух, циркулирующий внутри корпуса. При построении стековой системы для эффективного переноса тепла на корпус системы и его рассеивания в окружающей атмосфере применяется материал высокой плотности. На каждом уровне системы устанавливаются медные фрезерованные теплоотводящие пластины в соответствии с расположением компонентов на плате. Тепло отводится к краям пластин, где они крепятся на шасси при помощи клиновых зажимов Wedge-Lok от компании CALMARK, образующих вместе с корпусом единую теплоотводящую систему.

Процессорный модуль может поставляться с процессором Intel Core i7 3-го поколения, что позволяет получать внушительную производительность для такого рода систем. Плата OXY5535B (рис. 1) предназначена в первую очередь для построения встраиваемых систем, применяемых на транспорте, поэтому в базовой комплектации присутствует напаянная NAND флэш-память объёмом 32 Гбайт типа MLC, что существенно повышает защищённость платы от различных ударных воздействий и вибраций.

Оперативная память также защищена от вредных воздействий – на плате используется память типа XR-DIMM DDR3 объёмом до 8 Гбайт с функцией ECC (Error-Correcting Code Memory – память с коррекцией ошибок, рис. 2).

Электропитание платы осуществляется с помощью напряжения 12 В постоянного тока. Плата обладает широкими коммуникационными возможностями, например, на ней присутствуют 4 порта USB 2.0 и 4 COM-порта, 2 из которых могут быть RS-422 или RS-485. С подробными техническими характеристиками процессорного модуля OXY5535B можно ознакомиться в таблице 1.
Далее рассмотрим дополнительные периферийные модули StackPC, предлагаемые компанией Perfectron.

Графические модули SK210 и SK220

Графические периферийные модули расширения StackPC у компании Perfectron представлены двумя моделями – SK210 и относительно новой SK220. Основным их отличием является то, что SK210 – это готовый графический модуль, а SK220 – только плата-носитель для видеокарты стандарта MXM (мобильный модуль на шине PCI Express – Mobile PCI Express Module). Стандарт разработан компанией NVIDIA и несколькими производителями мобильных компьютеров. Цель заключалась в создании общепромышленного стандарта на разъём, который бы позволил легко устанавливать и заменять графический сопроцессор в мобильном компьютере (например в ноутбуке) без необходимости приобретения новой системы целиком или обращения в специализированный сервисный центр производителя компьютера.

В состав модуля SK210 (рис. 3) входит мобильная видеокарта NVIDIA GeForce GT 730M, построенная на архитектуре Kepler и выпущенная компанией NVIDIA в начале 2013 года.

Она основана на GeForce GT 645M, но работает с более высокой тактовой частотой и имеет меньшее энергопотребление. Это довольно производительная видеокарта среднего класса с поддержкой DirectX 11.1 и с памятью стандарта DDR3. Видеокарта GT 730M оснащена видеопроцессором PureVideo HD пятого поколения. Он необходим для аппаратного декодирования HD-видео и поддерживает такие стандарты сжатия, как MPEG-1/2, MPEG-4 ASP, H.264 и VC1/WMV9 с воспроизведением видео в разрешении 4К, и VC1 и MPEG-4 в разрешении 1080р. Также доступна функция параллельной расшифровки одновременно двух потоков и функция кодирования видео. SK210 поддерживает одновременную работу четырёх мониторов и передачу HD-аудиокодеков в потоковом режиме через порт HDMI. Технические характеристики периферийного модуля SK210 представлены в таблице 2.

SK220 представляет собой плату-носитель для установки видеокарты формата MXM и разработана для того, чтобы обеспечивать доступ к 6 независимым мониторам с помощью этого интерфейса. Плата рассчитана на работу в расширенном диапазоне температур от –40 до +85°C. Модуль SK220 (рис. 4) оснащён шестью портами miniDP и одним VGA (2×5 штырьков), которые могут поддерживать большинство карт формата MXM от NVIDIA и AMD.

SK220 обладают гибкостью коммутации сигналов между FPE-разъёмом (PCIe x16) и StackPC (PCIe x1, x4) с помощью микропереключателя, что делает использование подобного модуля с MXM-видеокартой лучшим решением для многих графических приложений, например, для диспетчерской, полевого штабного помещения или других схожих задач. Периферийный модуль SK220 поддерживает работу MXM-видеокарт типов A и B.

Модули ввода-вывода

У Perfectron также имеются и несколько модулей для расширения функций стековой системы на тот случай, если заказчику будет недостаточно портов ввода-вывода, расположенных на процессорном модуле-носителе. Периферийный модуль SK303 является своеобразным переходником от StackPC к шине PCI (рис. 5).

Благодаря специализированной компонентной базе, которая используется при производстве модуля SK303, он может работать в расширенном диапазоне температур от –40 до +85°C. Модуль SK303 оснащён четырьмя изолированными COM- портами, которые могут быть настроены как RS-232, RS-422 или RS-485 и с питанием 5 или 12 В.

Ещё одним модулем расширения формата StackPC от Perfectron является SK509 (рис. 6).

Как и все модули линейки, он готов к работе при экстремальных температурах от –40 до +85°C. Он предназначен для установки в качестве самого верхнего модуля стековой системы, так как имеет довольно высокое тепловыделение. Периферийный модуль оснащён четырьмя защищёнными портами USB 2.0, которые могут серьёзно расширить функциональность стековой системы. Помимо USB-портов на модуле присутствуют 4 COM-порта, 3 из которых – это порты RS-232 с питанием 5 или 12 В, а ещё один настраивается как RS-232, RS-422 или RS-485. Серьёзным дополнением также служат и 2 слота расширения формата miniPCIe, которые расположены на тыльной стороне модуля. Для этого стандарта разъёма выпускается много периферийных устройств: карты Wi-Fi, GSM-модемы, приёмники GPS\GLONASS, твердотельные накопители и многие другие устройства, которые могут существенно расширить функции всей встраиваемой системы в целом. Особенно эффективным является применение такого модуля расширения во встраиваемых системах для транспорта, где, например, 4G-модем может служить для передачи информации, а геотрекинг осуществляется с помощью модуля GPS. SK509 также подходит и для инженеров, которые могут тестировать оборудование, используя только одну систему, благодаря внушительному количеству различных разъёмов. Характеристики модуля перечислены в таблице 3.

Модули расширения

Продолжая начатую тему, хотелось бы рассказать ещё о двух модулях в линейке StackPC от Perfectron – SK401 и SK506, которые ориентированы на серьёзное расширение функций всей встраиваемой системы. Модуль SK401 (рис. 7) может превратить уже собранную стековую систему в полноценный видеорегистратор для транспорта, оснащённый внушительным набором слотов расширения для установки туда твердотельных накопителей.

Плата-носитель рассчитана на установку либо двух модулей стандарта mSATA, либо одного накопителя mSATA и одного SSD-накопителя форм-фактора 2,5ʺ. Сигнал интерфейса mSATA передаётся посредством разъёма PCIe-104, однако плата также снабжена и разъёмом интерфейса PCI-104, обеспечивающим более широкие возможности расширения и создания стековой системы. Модуль для накопителей оснащён стандартными разъёмами mSATA и способен заменить любые другие устройства для хранения данных стандарта mSATA. Для расширения объёма накопителей и увеличения производительности системы возможна комбинация с модулями SSD mSATA. Модель SK401 обеспечивает питание для SSD-накопителя форм-фактора 2,5ʺ, что позволяет пользователям легко выполнять сборку встраиваемой системы. SK401 может выступать не только в роли независимого носителя для mSATA SSD-накопителей, но и в качестве самостоятельного решения для хранения данных. При использовании твердотельных накопителей, рассчитанных на экстремальный диапазон рабочих температур, весь модуль также готов корректно работать при температурах от –40 до +85°C.

SK506 представляет собой периферийный модуль форм-фактора PCIe/104 (StackPC-FPE), предназначенный для добавления к двум имеющимся портам Gigabit Ethernet стековой системы четырёх дополнительных портов (рис. 8).

Плата оснащена Ethernet-контроллером Intel i350-AM4 и поддерживает четыре порта Gigabit Ether-net при помощи шинной структуры PCIe-104, а исходные два порта Ethernet поддерживаются хост-платой. На данный момент для работы с модулем расширения SK506 компания Perfectron выпускает модель OXY5535B, процессорную или хост-плату формата PCIe/104 (StackPC) на базе процессора Intel Ivy Bridge Core i7. Для обеспечения соответствия различным системным требованиям выпускаются два типа интерфейса: с разъёмом RJ-45 и штырьковым разъёмом конфигурации 5×2.

Модуль блока питания

Завершим обзор линейки StackPC от Perfectron периферийным модулем SK704. Он преобразует входное напряжение от 9 до 36 В постоянного тока в напряжение +3,3 В, +5 В, +5 В в режиме ожидания и +12 В постоянного тока на выходе. Модуль питания обеспечивает максимальную выходную мощность в 105 Вт и снабжён стековой шинной структурой PCIe/104. Модуль спроектирован при участии компании Linear Tech с применением высокопроизводительных интегральных микросхем, что обуславливает его высокую мощность. Тщательно рассчитанное расположение контроллеров позволяет модулю работать в жёстких условиях окружающей среды при температуре от –40 до +85°C. Так как генерируемое тепло скапливается в нижней части модуля, то его можно легко направить на алюминиевый радиатор или шасси для дальнейшего рассеивания. Кроме этого, такая конструкция упрощает пользователям создание безвентиляторной системы. Благодаря своей высокой эффективности и возможностям модуль SK704 может использоваться для критически важных задач в тяжёлых условиях эксплуатации, например, в военной технике, на транспортных средствах и в различных отраслях промышленности. Спецификация модуля SK704 приведена в таблице 4.

Заключение

В заключение статьи хотелось бы отметить, что решения, аналогичные описанным, далеко не единственные на рынке, но при этом Perfectron обеспечивает высокое качество и является абсолютно клиентоориентированной компанией: она готова рассматривать любые предложения по кастомизации своей продукции или даже возможность разработки некоторых новых решений для своих клиентов. При этом стоимость разработки у компании Perfectron оказывается зачастую существенно ниже, нежели у более известных тайваньских компаний. Компанией разработаны и успешно протестированы уже несколько корпусных встраиваемых систем, построенных на основе технологии StackPC (рис. 9), что доказывает высокую популярность стекового метода построения встраиваемых систем во всём мире.

Литература

1. А. Сорокин. Форм-фактор StackPC – новый подход к разработке встраиваемых модулей и систем // Современная электроника. – 2013. – № 4.
2. А. Медведев. Особенности построения бортовых систем с кондуктивным охлаждением // Современные технологии автоматизации. – 2015. – № 3.

Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru