Промышленные компьютеры FASTWEL – сила в развитии

Материал опубликован в СТА 1-2024

Основной специализацией Fastwel уже почти 30 лет является разработка и серийное производство одноплатных встраиваемых компьютеров для ответственных систем, работающих в жёстких (в частности, в индустриальных) условиях эксплуатации. Потребителями «одноплатников» являются разработчики прикладных систем, которые могут иметь вид того же отдельно стоящего ПК, а могут быть и неотделимой (читай – встроенной) частью чего-то большего – транспортного средства, токарного станка, конвейера и так далее. Однако далеко не всегда производитель прикладной системы обладает достаточными компетенциями, человеческими и производственными ресурсами для разработки, серийного производства и сопровождения в течение всего жизненного цикла высоконадёжных ПК, что открыло для Fastwel новую рыночную нишу корпусированных изделий. 

Ключевым требованием к ПК для ответственных систем управления является, очевидным образом, надёжность. Понятие это многогранное, включающее в себя массу аспектов.

1. Защита от чисто компьютерных сбоев. Например, обязательной частью ПК Fastwel является аппаратный сторожевой таймер (один или несколько), перезагружающий устройство при «зависании» программного обеспечения. Также важную роль играет дублирование микросхемы БИОС.
2. Отсутствие компонентов с низким MTBF – прежде всего вентиляторов.
3. Устойчивость к экстремальным температурам. Эти требования обеспечиваются как высокими характеристиками одноплатной «начинки» ПК Fastwel (диапазон рабочих температур от –40 до +85°C), так и тщательной разработкой системы охлаждения.
4. Устойчивость к механическим нагрузкам – ударам и вибрации – обеспечивается пайкой всех ключевых компонентов на печатную плату вместо установки их в розетки/сокеты и применением специальных кабельных разъёмов с фиксацией.
5. Устойчивость к влаге ПК Fastwel обеспечивается лакировкой всех электронных узлов, а при необходимости корпусированием со степенью защиты IP65 и выше.
6. Стойкость к агрессивным средам – применение крепежа из нержавеющей стали, гальваническое покрытие или специальная окраска механических деталей корпуса.
7. Безопасность по питанию – наличие заземления, встроенный гальванически развязанный источник питания.

Бо́льшая часть таких проектов поначалу носила заказной характер, но по мере погружения в рынок разработчики компании решились сформулировать общие требования к ПК и предложить заказчикам линейку готовых решений под широкий спектр прикладных задач.

Заказные компактные ПК Fastwel (серия МК3хх) предлагает на основе собственной линейки модулей форм-факторов семейства РС104, прежде всего – вычислителей. Платы напрямую соединяются друг с другом разъёмами ISA и PCI, образуя устойчивую к механическим воздействиям стековую конструкцию. 

Использование стековых форм-факторов для разработки заказных ПК очень удобно, поскольку нужная функциональность достигается подбором модулей собственной разработки или производства третьих компаний. При переходе от модели к модели зачастую требуется редизайн только одной детали корпуса – лицевой панели. Для корпусирования стека используется покупной корпус с длиной на нужное количество модулей. 

Теплоотвод осуществляется через боковые стенки корпуса, а вывод всех необходимых интерфейсов осуществляется на лицевую и/или заднюю панели. При применении герметизированных интерфейсных разъёмов конструкция получается пыле/влагозащищённой. 

Ограничением для стековых конструкций ПК являются количество модулей в стеке и зачастую сложная кабельная разводка, из-за чего ПК может оказаться нетехнологичным при серийном производстве. Впрочем, у Fastwel есть решение последнего вопроса в виде форм-фактора StackPC, который позволяет, в частности, большую часть межмодульных интерфейсов «спрятать» в шинные соединители. Узнать больше о форм-факторе StackPC и выпускаемых модулях можно на сайте компании https://www.fastwel.ru.

Компактный ПК для АСУ ТП

Показательным примером ПК на базе модулей РС/104 и РС/104-Plus является модульный компьютер MK306 (рис. 1), одно из исполнений которого было применено в проекте автоматизированного контроля состояния трубопроводов в составе шкафа телемеханики.

8 каналов изолированного аналогового ввода, 2 канала изолированного аналогового вывода и 3×24 линии дискретного ввода-вывода использовались для съёма данных с датчиков и управления исполнительными механизмами. К портам RS-232/422/485 подключались другие узлы шкафа, через порт USB – радиомодуль обмена данными с диспетчерским пунктом. 

В серийном исполнении МК306 также имеются два порта Ethernet и видеоинтерфейс для подключения монитора, который мог использоваться как для локальной отладки, так и для предоставления технологической информации  обслуживающему персоналу в рабочем режиме системы. Низкопотребляющая индустриальная «начинка» – вычислитель СРС306 на базе процессора VortexDX – не использует принудительного охлаждения и позволяет МК306 круглогодично эксплуатироваться в неотапливаемых шкафах.

Специально для применения в необслуживаемых пунктах телеметрии в состав МК306 был введён интеллектуальный источник питания PS351 с несколькими входами, в том числе от возобновляемых источников энергии (солнечной и ветровой). 

Из других функциональных возможностей PS351 следует отметить:

• возможность включения/отключения по календарному расписанию, по внешним событиям и т.д.;
• сторожевой таймер, отключающий/включающий питание компьютера;
• ведение журнала системных событий.

ПК со степенью пылевлагозащиты IP65

Как было указано выше, ПК МК306 предназначен для эксплуатации «в составе шкафа телемеханики», при этом подразумевается, что шкаф этот герметичный и обеспечивает защиту своего содержимого от пыли и влаги. 

К сожалению, далеко не во всех прикладных системах есть достаточно места для подобного рода конструкций, а управление требуется «здесь и сейчас». 

Для таких случаев в линейке ПК Fastwel есть изделие МК308 (рис. 2), предназначенное для использования в информационно-управляющих системах специализированных транспортных средств, в том числе на гусеничном ходу.

МК308 построен на базе двухъядерного процессора Intel Atom D510, производительности которого достаточно для решения сложных вычислительных и картографических задач. Наличие видеоинтерфейсов VGA и LVDS позволяет применять компьютер совместно с большим перечнем защищённых дисплеев и отображать видеоинформацию с высокой степенью детализации. Для хранения картографических данных предусмотрена возможность установки твердотельного накопителя Compact¬Flash. 

Ориентация транспортного средства на местности в МК308 обеспечивается модулем GPS/GLONASS. Компьютер легко встраивается в бортовую информационно-управляющую систему благодаря наличию двух каналов Gigabit Ethernet. 

Для контроля периферийных уст-ройств, таких как датчики состояния оборудования и приборы систем безопасности, служат интерфейсы RS-232/485/422 и CAN. Для подключения IBM РС совместимой периферии имеются три порта USB 2.0, а для удалённого обмена данными – модули GSM/GPRS и Wi-Fi. Модульная конструкция МК308 поддерживает установку до 7 модулей расширения PC/104-Plus. Компьютер имеет степень защиты корпуса IP65.

МК308, как и МК306, питается от сети постоянного тока с напряжением питания 10...36 В, надёжно работает в диапазоне температур от –40 до +70°С, устойчив к воздействию одиночных ударов до 100g и вибрации до 5g. 

МК150-01 ПК начального уровня для АСУ ТП

Впрочем, стековая конструкция для построения ПК вовсе не является единственным решением. При высокой функциональности базового компьютерного модуля ПК может быть построен на его базе и без использования модулей расширения. Хорошим примером такого подхода является ПК МК150-01, нацеленный в различных своих исполнениях на решение задач АСУ ТП и видеонаблюдения (рис. 3).

Как можно понять из названия, МК150-01 построен на вычислителе Fastwel формата MicroPC СРС150 (рис. 4) с процессором AMD Geode LX 800. 

Любопытно, что ножевой соединитель шины ISA модуля СРС150 в МК150-01 не используется вообще, что является практическим свидетельством того факта, что MicroPC – не только магистрально-модульные системы начального уровня, но и вполне самодостаточный форм-фактор одноплатных компьютеров. Едва ли не самой важной задачей разработчика МК150-01 была, помимо корпусирования, реализация вывода на переднюю панель ПК многочисленных интерфейсов вычислителя СРС150 с обеспечением высокой технологичности конструкции для массового производства и устойчивости к механическим воздействиям в процессе эксплуатации. 

Для этой цели были разработаны две переходные платы, которые и показаны на структурной схеме на рис. 5.

Варианты подключения периферийных устройств к МК150-01 представлены на рис. 6. На практике МК150-01 за последние 10 лет был востребован в двух «ипостасях» – как видеосервер (проект реализован в проекте системы видеонаблюдения в подмосковных электричках) и как управляющий компьютер для задач технологического управления в связке с системой распределённого ввода-вывода Fastwel I/O. Последний сценарий оказался очень востребованным в газодобывающей отрасли, разработчики которой ориентированы на написание собственного управляющего программного обепечения реального времени без использования готовых пакетов от мировых производителей. 

Реализация такого сценария возможна только на компьютере с открытой архитектурой, каким и является СРС/МК150-01.

МК150-02 – ПК эпохи импортозамещения

Однако жизнь не стоит на месте, и перед разработчиками постоянно встают новые задачи. В частности, перед Fastwel была поставлена задача импортозамещения ключевых компонентов вычислительной техники и, соответственно, доверенности аппаратных средств на их базе. Но, разумеется, при сохранении (или улучшении) всех функциональных возможностей ПК МК150-01. 

По состоянию на 2020 год выбор отечественных процессоров был небогат, и в этих условиях процессор Baikal-Т1 с архитектурой MIPS был выбран как наиболее приемлемый вариант. В силу ограниченности инженерных ресурсов было принято решение одновременно вести разработку как процессорной платы CPC313 в формате StackPC, так и ПК МК150-02 на её основе. Наименование нового ПК было выбрано именно таким, чтобы подчеркнуть стремление безболезненно заменить старые МК150-01 в системах заказчиков на новые, основанные на российском доверенном процессоре.

Компания Baikal Electronics объявила о выпуске микропроцессора Baikal-T1 в мае 2015 года. Он построен на базе двухпроцессорных суперскалярных 32-разрядных ядер архитектуры MIPS P5600 с низким энергопотреблением и компактными размерами. Функциональная схема микропроцессора Baikal-T1 представлена на рис. 7. При описании МК/СРС150-01 выше не указывались подробные характеристики процессора Geode LX, любители деталей могут найти их в открытой документации, но они не идут ни в какое сравнение с цифрами Baikal-Т1. 

Условные обозначения: P5600 Core – ядро процессора;
DDR3 PHY 32bit+ECC – 32-битовый интерфейс модуля памяти DDR3-1600 с 8-битовым кодом исправления ошибок;
SATA 6G 2 порта – двухпортовый контроллер SATA поколения 3.1;
1G Ethernet 2×MAC – 2 контроллера 1 Гбит/с Ethernet;
10G Ethernet – контроллер 10 Гбит/с Ethernet;
PCIe Gen3 4 линии – шина PCI Express третьего поколения, 4 тракта с пропускной способностью 8 Гбит/с каждый;
PMU – блок мониторинга производительности;
GPIO – контроллер ввода-вывода GPIO;
UART×2 – два последовательных порта;
SPI×3 – три контроллера Serial Peripheral Interface;
I²C×3 – три контроллера интерфейса I²C;
WDT – программируемый сторожевой таймер;
Таймер×3 – контроллер с тремя независимыми таймерами;
Boot Ctrl – контроллер загрузки.


Эти процессоры разделяет несколько поколений, и поэтому показатели «сменщика» достойны подробного перечисления: 

• рабочая частота 1,2 ГГц;
• три контроллера Ethernet, два из которых гигабитные и один 10-гигабитный,
• контроллер памяти DDR3-1600 поддерживает до 8 Гбайт с функцией контроля ошибок ECC;
• контроллер шины PCIe Gen3×4;
• контроллер SATA 3.0 (6 Гбит);
• USB 2.0.

Именно в силу столь впечатляющих характеристик и набора современных интерфейсов было принято решение разрабатывать модуль СРС313 (рис. 8) именно в формате StackPC, основным отличием которого от других стандартов семейства РС104 является поддержка PCI Express, USB и SATA вместо устаревших низкоскоростных ISA и IDE.  Как и все предшественники в линейке модулей Fastwel СРС3хх, модуль CPC313 разработан для эксплуатации в индустриальном диапазоне рабочих температур и имеет высокую стой-кость к механическим нагрузкам. Нетрудно понять, что поскольку новый базовый модуль – СРС313 – имел принципиально другой форм-фактор (StackPC вместо MicroPC), разработку МК150-02 (рис. 9, 10) пришлось начинать «с нуля». 





Новый ПК приобрёл другие размеры и совершенно новую внутреннюю структуру (рис. 11), притом что конечному заказчику не пришлось бы менять в прикладной системе практически ничего, так как удалось сохранить тот же набор интерфейсов для подключения интерфейсных кабелей внешних связей.

В этом месте вполне уместно вспомнить банальное (но при этом верное) утверждение про палку с двумя концами. Два поколения, разделившие СРС150 и СРС313, привели не только к росту производительности, но и, увы, к потере прямой поддержки интерфейсов, востребованных в системах АСУ ТП: последовательные порты, порты IO и всевозможные их клоны – для современной электроники это всё медленно, несовременно и просто недостойно включения в спецификацию в сколько-нибудь существенных количествах. Торжествует концепция «одного сплошного телевидения PCI Express», меняются с калейдоскопической быстротой только генерации этого замечательного интерфейса… 

Поэтому, чтобы обеспечить в МК150-02 реальные потребности реальных заказчиков, специалистам Fastwel пришлось разработать целую линейку переходных модулей NIM18xx для сопряжения PCIe с теми или иными «унаследованными» от МК150-01 интерфейсами. 

 В частности, в МК150-02 нашли применение:

• модуль KIC1800-03 с четырьмя кана-лами RS-485/RS-422;
• модуль KIC1800-04 с двумя каналами FBUS;
• модуль DIC1801 с 24 каналами дискретного IO.

Каждый модуль состоит из двух функциональных узлов: логического в формате miniPCIe, где происходит преобразование интерфейса процессорной платы PCIe в требуемый внешний интерфейс, и узла сопряжения, обеспечивающего физический уровень и подключение. Оба исполнения KIC1800 имеют аппаратно одинаковые логические узлы на базе ПЛИС, но с различными прошивками. Возможна разработка прошивок под нестандартные требования заказчика. Узлы сопряжения в случае необходимости могут быть оперативно переработаны для установки не в панель (как на МК150-02), а под другой форм-фактор, например, Евромеханика 3U.

Также в связи с отсутствием в современных платформах накопителей CompactFlash с шиной IDE был разработан модуль KIB1810 с поддержкой USB 2.0 и SD-карт на тот случай, если для прикладного программного обеспечения будет недостаточно напаянного
на СРС313 твердотельного диска объёмом 8 ГБ. В результате структурная схема МК150-02 приобрела следующий вид (рис. 11).

В настоящее время конструкторская документация на ПК МК150-02 имеет литеру О1, идёт процесс постановки в серийное производство, образцы проходят тестирование в ряде проектов.

МК912 и другие – ПК новых времён

Жизнь не стоит на месте, и целый ряд компаний решили вступить в схватку на рынке встраиваемых систем. Среди них приятно отметить отечественных производителей – компании АО «МЦСТ» (процессор Эльбрус 2С3), АО «Байкал Электроникс» (процессор Байкал-М) и АО НПЦ «ЭЛВИС» (процессоры СКИФ и ElIoT) а также американскую фирму AMD, выпустившую серию процессоров Ryzen Embedded. 

Сочетание привычных для AMD аргументов в виде производительности и прекрасной графики с низким энергопотреблением и широким набором интерфейсов дало свои плоды – конкуренция стала выше, разработчикам и клиентам стало интереснее. В частности, под брендом Fastwel выпущены в серийное производство платы СРВ910 (рис. 12) и СРВ911 на аппаратной платформе AMD Ryzen Embedded с процессорами V1404I и R1305G. Первый чип имеет четыре вычислительных ядра, графику Radeon Vega 8 и 16 ГБ ОЗУ, второй – два ядра, графику Radeon Vega 3 и 8 ГБ ОЗУ. Процессор и ОЗУ напаяны на печатную плату, благодаря чему модули выдерживают высокие механические нагрузки. 

Мощная графическая подсистема позволяет работать одновременно с четырьмя мониторами: 2×DisplayPort с разрешением до 4К и 2×LVDS с разре-шением до 1920×1200. В качестве системного диска может быть установлен твердотельный модуль М.2 NVMe либо подключён внешний диск по интерфейсу SATA III со скоростью обмена данными 6 Гбит/с. Модули СРВ910/911 име-ют «на борту» коммуникационные интерфейсы 2 Ether-net  2,5 GBase-T, 5×USB и 1×RS-232. Для расширения функциональности СРВ91х предусмотрены три слота для установки модулей MiniPCIe, два из которых поддерживают установку модемов GSM с установкой SIM-карт в отдельные слоты на тыльной стороне платы. 

Модули СРВ910 и CPB911 различаются типом установленных разъёмов. На CPB910 устанавливаются стандартные разъёмы для вывода на переднюю панель, а у СРВ911 все разъёмы штыревые/сокетные для нестандартной разводки кабелями внутри пользовательской системы. К слову, аналогичные модули разработаны на базе указанных выше отечественных процессоров, и каждый станет основой для ПК различного применения. Рассмотрим для примера ПК МК912 (рис. 13, 14), разрабатываемый на базе СРВ910.



ПК предназначен для монтажа на дин-рейку или панель. Оребрённые боковые панели предназначены для организации эффективного теплоотвода от процессорного модули и источника питания. Для всех исполнений предусмотрена возможность лакировки внутренней электроники, что позволит применять ПК в условиях повышенной влажности и/или резких смен температур.

Высокая производительность процессора поддержана оперативной памятью объёмом до 16 ГБ и твердотельным накопителем NVMe с адекватной скоростью обмена данными и объёмом до нескольких терабайт. 

ПК поддерживают скорость обмена в сети Ethernet до 2,5 Гбит/с и порты USB 3.0.

Благодаря наличию в СРВ910 трёх слотов miniPCIe новый ПК будет иметь несколько исполнений:

• 01 – сервер последовательных интер-фейсов – 2×RS-232 + 4×RS-422/485;
• 02 – сервер коммуникационный – Wi-Fi + NB-IoT модем;
• 03 – контроллер IO – 2×FBUS + 8×GiDI + + 8×GiDO.

ПК «сделай сам» на базе стандарта CPCI Serial 3U

Ну и в завершение невозможно не упомянуть и возможность для заказчика получить промышленный компьютер по старой доброй схеме 90-х годов – отвёрточной сборкой. Казалось бы, такой подход полностью противоречит задаче построения высоконадёжного устройства для ответственной прикладной системы, но современные технологи способны ещё и не такие чудеса.

В настоящий момент в продуктовой линейке Fastwel https://www.fastwel.ru/products/vstraivaemye-sistemy/compactpci/ присутствует полный джентльментский набор модулей, позволяющих собрать ПК практически под любую задачу.

• Вычислители на отечественных процессорах: СРС516 (Baikal-Т1), СРС524 (Эльбрус 2С3), СРС518А (Baikal-М)
• Вычислители архитектуры х86 – СРС520 (AMD), CPC522 (Intel Xeon)
• Графический ускоритель VIM556 
• Вычислитель на базе ПЛИС FPU502
• Универсальная плата IO DIC551 с на-бором мезонинов
• Платы-носители SSD и другие платы расширения
• Источник питания PS550 и объединительные панели

В связи с волной роста интереса ко всем вопросам, связанным с искусственным интеллектом, надо сказать дополнительные слова о графическом ускорителе VIM556, который, собственно, и является платформой для «жизнедеятельности» ИИ. Это изделие уже было известно заказчикам продукции Fastwel в исполнениях 01–04, однако сегодняшнее предложение (исполнения 05–06) отличаются от предшественников кардинально. В результате полной переработки конструкторской документации и применения более современных комплектующих производительность модуля увеличилась в 3,5 ра-за, появилась поддержка РCIe третьей генерации, программистам доступна совместимость с библиотеками DirectX 12, OpenGL 4.6, Vulkan 1.0 API, OpenCL 1.2, CUDA Toolkit 8.0, CUDA Compute 6.1 и многое другое. Так что теперь разработчик может не только «слепить» собственный ПК, но и практически вдохнуть в него душу (искусственную). Детальное сравнение исполнений представлено в таблице ниже, соотношение производительности на Вт неуклонно растёт и будет продолжать расти, что позволяет всё более эффективно использовать энергию, подводимую к вычислительной системе и реализовывать всё более изощрённые алгоритмы обработки. Производители графических процессоров не планируют останавливаться в развитии и уже сейчас на рынке появились такие архитектуры, как Ampere от NVidia, а следовательно, и новые исполнения VIM556 увидят свет в ближайшее время (таблица).


Для удобства заказчиков предлагается также предсобранный корпус ICC502 с установленным блоком/блоками питания. Установить нужные модули, закрутить крепёжные винты – и всё? Конечно, не совсем так. Стандарт CompactPCI Serial содержит большое количество нюансов, которые можно осилить либо самим по технической документации, либо поставив задачу специалистам Fastwel, которые не только подберут модули, решающие поставленную задачу, но и предоставят бесплатный комплект связующего программного обеспечения, позволяющий быстро «оживить» бездушное «железо». При необходимости функционал ПК можно расширить покупными модулями третьих фирм, но их интеграцию в систему уже придётся осуществлять своими силами.

Под серийные проекты возможна поставка предсобранных блоков по техническому заданию заказчика с проведением всех необходимых испытаний на воздействующие факторы.

Заключение

В нынешнее непростое время крайне важно сохранить и приумножить потенциал страны в высокотехнологичных секторах промышленности, в том числе в области обороноспособности. Предметом особой гордости Fastwel можно считать тот факт, что многие изделия под этой маркой были успешно разработаны в тесном контакте с Минпромторгом и Министерством обороны в рамках государственного заказа и Президентской программы импортозамещения. Жизнь не стоит на месте, и в самом ближайшем будущем потребителей продукции Fastwel ждёт немало новинок. ● 

© СТА-ПРЕСС, 2023