Стандарт ESMexpress: адаптация концепции COM для применения в промышленных условиях

Энтузиасты мира ПК нередко прибегают к «моддингу» (modding происходит от слова modify, англ. – модифицировать, изменять. – Прим. пер.) системного блока для улучшения охлаждения горячих компонентов системы. При этом кто-то ограничивается выпиливанием в корпусе отверстий для установки дополнительных вентиляторов, кто-то, вооружившись помпами, шлангами и водоблоками, сооружает систему водяного охлаждения, а наиболее продвинутые пользователи заходят ещё дальше – герметично закрывают корпус, удаляют из него все вентиляторы и заливают маслом. Под действием насоса масло циркулирует, обеспечивая весьма эффективное охлаждение системы. Такие оригинальные конструкторские идеи наверняка вызовут улыбку разработчиков встраиваемых компьютерных систем, подразумевающих прежде всего компактность конечного изделия.

Сталкиваясь с требованием рационального использования доступного, зачастую очень ограниченного пространства, разработчики встраиваемых систем вынуждены использовать компьютеры самых малых форм-факторов. При этом размеры конечных устройств продолжают уменьшаться, а ожидания от их возможностей и производительности всё возрастают. Более того, проникнув на рынки промышленных, мобильных и медицинских применений, встраиваемые компьютерные системы обязаны отвечать высочайшим требованиям областей, в которых приходится работать конечному устройству. Чаще всего эти требования связаны с обеспечением высокой производительности, низкого тепловыделения, необходимой надёжности и отказоустойчивости в широком диапазоне температур окружающей среды в условиях неблагоприятных механических и электромагнитных воздействий, а зачастую ещё и в необслуживаемом или дистанционно управляемом режиме.

В идеальном случае, обладая небольшими размерами и необходимой надёжностью, встраиваемая компьютерная система должна не только выполнять свои функции, но обладать ещё и достаточной гибкостью для возможной модернизации, когда потребуется улучшение характеристик вычислительного ядра, связанное, например, с наращиванием или варьированием функций конечного устройства. Очевидно, что при этом возникает проблема обеспечения совместимости компонентов системы в будущем. Казалось бы, удовлетворение всей совокупности перечисленных требований – задача не из простых, так много факторов необходимо учитывать. Однако технологии не стоят на месте, и на помощь разработчикам пришла концепция COM-модулей.

Компьютерные модули (называемые также «компьютер на модуле» – Computer-On-Module, COM или «система на модуле» – System-on-Module, SOM) пред­ставляют собой полнофункциональный компьютер, выполненный в виде мезонинной платы. В состав компьютерного модуля (КМ) входят центральный процессор, чипсет, BIOS, память, некоторый набор контроллеров периферии и разъёмы, через которые КМ подключается к другой плате, называемой платой-носителем. Все пользовательские интерфейсы и специализированная функциональность реализуются на плате-носителе, изготавливаемой согласно спецификации заказчика.

С момента появления концепции COM в начале 2000-х годов в полной мере оценить преимущества этой технологии успели разработчики и OEM-производители систем с менее жёсткими требованиями в отношении безопасности и условий эксплуатации. Так, КМ нашли успешное применение в торговом и рекламном оборудовании, информационных и торговых киосках, платёжных терминалах, игровых и развлекательных автоматах. Использование КМ даёт гибкость в выборе требуемой функциональности, позволяет снизить стоимость и сроки разработки конечного устройства, а значит, сократить время вывода изделия на рынок и приблизить момент, когда вложения в изделие начнут приносить прибыль.

Несмотря на попытки стандартизации, этими преимуществами нового «форм-фактора» долгое время не могли воспользоваться производители систем, ориентированных на работу в жёстких условиях эксплуатации. Например, в транспортной отрасли, которая включает в себя средства воздушного, водного, железнодорожного, автомобильного, городского электрического и промышленного транспорта, действуют строгие стандарты в отношении надёжности и отказоустойчивости электронного оборудования. Данные стандарты определяют жёсткие требования к применяемому оборудованию в отношении ударостойкости и виброустойчивости, диапазона рабочих температур, допустимой влажности, устойчивости к воздействию электромагнитных полей и других факторов. Это же касается компьютеров и средств человеко-машинного интерфейса на их основе, используемых в передвижных медицинских комплексах, грузовых автомобилях, тракторах, подъёмных кранах и строительной технике, системах дорожного мониторинга и видеонаблюдения.

Очевидно, что для оригинальной концепции COM, в основе которой лежит связка двух плат, подключаемых друг к другу через разъём, воздействие тряски, вибрации и ударов является весьма серьёзным испытанием. Можно даже сказать, что промышленные условия – это явно не та стезя, где оригинальная концепция COM может показать свои лучшие качества. Помимо механических нагрузок ситуация может усугубляться воздействием пыли, влаги, электромагнитных помех и наиболее типичной проблемой – необходимо­стью поддержания заданного теплового режима системы.

Большинство представленных сегодня на рынке КМ производятся согласно стандартам и спецификациям, в полной мере не учитывающим перечисленные требования, а также не всегда поддерживают самые современные интерфейсы. Так, стандарт COM Express (PICMG COM.0) как первая реализация КМ на основе шины PCI Express хотя и допускает использование в индустриальном диапазоне рабочих температур от –40 до +85°С, но не в полной мере учитывает требования по стойкости к ударам и вибрациям, а параметры, связанные с охлаждением и защитой от электромагнитных воздействий, и вовсе не затрагивает.

Для того чтобы адаптировать технологию COM к промышленным применениям, потребовался её существенный «моддинг», в результате которого появился стандарт ANSI/VITA 59, RSE Rug­ged System-On-Module Express (ратификация стандарта ANSI/VITA 59 ожидается в середине 2013 года. – Прим. пер.). Разработкой этого стандарта занимается ассоциация VITA при участии компаний MEN Mikro Elektronik, Curtiss-Wright, Pentair, Samtec и LiPPERT. Стандарт описывает требования к модулям класса «система на модуле» с поддержкой технологии PCI Express, предназначенным для работы в жёстких условиях эксплуатации.

С учётом рекомендаций этого стандарта спроектированы КМ типа ESMexpress, сочетающие практически все качества, необходимые для работы в условиях жёстких эксплуатационных воздействий и в необслуживаемом режиме. ESMexpress позволяет использовать экономические преимущества концепции COM в широком диапазоне областей, дополняя её такими характеристиками, как устойчивость к неблагоприятным температурным, ударным и вибрационным воздействиям, а также соответствием жёстким требованиям электромагнитной совместимости и приспособленностью к применению в безвентиляторных системах.

Для получения таких характеристик печатная плата размером 85´115 мм устанавливается в защитный алюминиевый корпус размером 95×125 мм, который изолирует электронные компоненты от окружающей среды. Это позволяет применять для охлаждения как технологии кондуктивного теплоотвода, так и естественную конвекцию, рассеивая до 35 Вт тепла. Диапазон рабочих температур модулей ESMexpress простирается от –55 до +125°С. Общее представление о конструкции этих модулей можно получить на рис. 1.

Механические особенности конструкции модулей ESMexpress вносят существенный вклад в тепловую производительность. Жёсткое винтовое со­единение обеспечивает хороший тепловой контакт между платой и теплоотводящими элементами. Края печатной платы передают тепло на рамку, а оттуда оно переносится на корпус. Самые горячие компоненты модуля соприкасаются непосредственно с крышкой корпуса. Если условия эксплуатации модуля требуют дополнительных мер по организации теплоотвода, то защитный корпус, закрывающий модуль, может быть оснащён радиатором или соединён тепловыми трубками с дополнительными элементами рассеивания тепла. При этом алюминиевый корпус (рис. 2) обеспе­чивает ещё и 100-процентную защиту от электромагнитных помех (соответственно требованиям европейского стандарта по устойчивости к помехам EN 55022), герметично изолируя электронные компоненты модуля со всех шести сторон.

Чтобы противостоять ударам и вибрации, все компоненты, включая процессор и память, напаяны на плату КМ, что позволяет выдерживать ударные нагрузки с ускорением 15g в течение 11 мс и сохранять работоспособность после воздействия синусоидальной вибрации 1g в диапазоне частот от 10 до 150 Гц (табл. 1). 

Винтовое крепление к плате-носителю при помощи 8 винтов и два надёжных 120-контактных разъёма обеспечивают жёсткую фиксацию соединения. Используемые высокоскоростные межплатные соединители фирмы Samtec удовлетворяют требованиям военных и железнодорожных применений, рассчитаны на эксплуатацию в температурном диапазоне от –55 до +125°C и поддерживают передачу высокоскоростных сигналов на частоте до 8 ГГц, достаточной для широкополосных соединений в приложениях с интенсивным обменом данными (рис. 3).

При эксплуатации в жёстких климатических условиях, воздействии влаги, пыли и значительных температурных колебаний для обеспечения дополнительной защиты модуля предусмотрено нанесение влагозащитного покрытия.

С точки зрения функциональности, концепция ESMexpress предполагает применение только современных по­следовательных интерфейсов и только тех из них, спецификации которых полностью открыты и поддерживаются раз­ными вендорами. Распиновка двух 120-контактных разъёмов чётко прописана в стандарте и не подразумевает вариаций, чтобы обеспечить 100-процентную совместимость и взаимозаменяемость модулей (рис. 4).

Технология PCI Express поддерживается в виде четырёх портов этого интерфейса (4 x1) и одного конфигурируемого порта (1 x16, 1 x8, 2 x4 или 2 x1) для подключения внешней высокопроизводительной графики. Если достаточно одной линии PCI Express, то один из двух 120-контактных разъёмов может не использоваться. В числе доступных интерфейсов ввода/вывода – три канала Gigabit Ethernet (возможно также и 10G Ethernet), 8 портов USB 2.0, 3 порта SATA, интерфейс SDVO, LVDS, HD Audio, а также вход питания номиналом 12 В и некоторые служебные интерфейсы.

Кроме того, возможности ввода/вы­вода КМ ESMexpress могут быть дополнены специализированными интерфейсами за счёт использования микросхем программируемой логики (ПЛИС/ FPGA) с интерфейсом PCI Express на плате-носителе. Используя законченные готовые блоки (IP-ядра, выполняющие необходимые функции), можно реализовать интерфейсы, необходимые в конкретном промышленном, медицинском, транспортном, оборонном или коммуникационном приложении. Возможности перепрограммирования ПЛИС позволяют разработчику производить значительные модификации устройства во время всего срока его службы без необходимости замены ком­понентов. Таким образом, зна­чи­тельно снижаются риски, связанные со снятием с производства электронных компонентов, поскольку программируемая логика ПЛИС позволяет сохранить IP (интеллектуальную собственность) и перенести её на новые ПЛИС-микросхемы с минимальными усилиями.

В дополнение к модулям ESMexpress с размерами 95×125 мм существует ещё более компактный формат защищённых КМ – ESMini с размерами 95×55 мм, который, хотя и не является частью стандарта ANSI/VITA 59, отвечает всем тем же требованиям по защите и охлаждению, что и «старший брат» (рис. 5).

В отличие от КМ других стандартов и спецификаций, ESMexpress и ESMini не ограничены поддержкой одной лишь x86-архитектуры и могут быть изготовлены на основе центральных процессоров как Intel, так и PowerPC. На рынке уже доступны КМ, удовлетворяющие требованиям как маломощных мобильных приложений, так и коммуникационных платформ класса Hi-End. Несмотря на установленное стандартом ограничение в 35 Вт рассеиваемой мощности, многие из современных про­­­цессоров, которыми оснащаются КМ ESM­express и ESMini, выделяют только часть этой мощности, нивелируя проблему охлаждения.

По размеру КМ стандарта ESMexpress соответствуют типоразмеру COM Express Basic (наиболее популярному варианту реализации стандарта COM Express) и имеют пять отверстий для винтов, определённых этим стандартом. Фирма MEN Mikro Elektronik предлагает плату-адаптер ESMexpress – COM Express, которая совмещает распиновку выводов и механику этих двух стандартов, например для тестирования модуля ESMexpress без полной разработки платы-носителя (рис. 6). Системы, построенные с использованием КМ COM Express, посредством такой платы-адаптера могут быть дополнены преимуществами стандарта ANSI/VITA 59.

Стандарт ANSI/VITA 59 дополняет технологию COM элементами повышения стойкости к неблагоприятным внеш­ним воздействиям, а также продуманной концепцией охлаждения. Появление модулей типа ESMexpress и ESMini открывает возможности для ши­рокого применения решений на основе КМ в электронной технике различного назначения, например на транспорте, в промышленности и везде, где есть высокие технологические требования и ограничения по доступному пространству. Подтверждением этого является то, что системы на основе модулей ESMexpress и ESMini довольно быстро нашли применение в бортовых системах малой и средней авиации, управляющих контроллерах горно-шахтной техники, локомотивных терминалах, регистраторах данных для грузовиков и автобусов, робототехнике, системах мобильной телеметрии для сельскохозяйственных машин. Небольшой размер и возможность работы в безвентиляторных системах позволяют размещать КМ в закрытых корпусах с высокой степенью защиты, взрыво- и огнезащитой, делая их пригодными для применения в экстремальных проектах. ● 

Автор – сотрудник MEN Mikro Elektronik
Перевод Алексея Гапоненко, сотрудника фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (812) 448-0444
E-mail: info@spb.prosoft.ru