wersja mobilna | kontakt z nami

Rodzaje komputerów przemysłowych. cz. 2

Numer: Kwiecień/2016

W poprzednim numerze Elektroniki Praktycznej dokonaliśmy obszernego przeglądu komputerów jednopłytkowych, konkurencyjnych w stosunku do Raspberry PI. Nasze zestawienie obejmowało produkty nierzadko wyposażone w ponadgigahercowe, wielordzeniowe procesory i kilka gigabajtów pamięci RAM. Mogłoby się wydawać, że komputery te mają wystarczającą wydajność by sprawdzić się nie tylko w projektach amatorskich i typowo konsumenckich, ale także w przemyśle. Niestety, nie jest to prawdą, gdyż do realnych zastosowań przemysłowych zupełnie się one nie nadają. W tym artykule tłumaczymy, dlaczego tak jest oraz pokazujemy rodzaje komputerów stosowanych w przemyśle.

Pobierz PDF

Fotografia 18. Format płyt mobile-ITX

Komputery jednopłytkowe, choć mogą stanowić optymalny wybór, w niektórych aplikacjach wydają się być w pewnym stopniu ograniczone. Dotyczy to sytuacji, gdy wielkość urządzenia nie ma takiego znaczenia, jak możliwość jego modernizacji.

Jeśli w danej aplikacji panują trudne warunki przemysłowe, a jednocześnie użytkownik spodziewa się, że z czasem wymagania odnośnie mocy obliczeniowej systemu będą rosły i konieczna będzie rozbudowa, zamiast po SBC można sięgnąć po przemysłową płytę główną.

Przemysłowe płyty główne

Tu wybór jest o tyle łatwy, że wiele osób będzie kojarzyło nazwy poszczególnych formatów ze standardami pojawiającymi się wśród konsumenckich PeCetów. Dla większych maszyn, wymagających wielu kart rozszerzeń, optymalnym wyborem będzie zapewne wciąż bardzo popularny format ATX o wymiarach 305 mm×244 mm.

Fotografia 19. Moduł procesorowy w formacie ETX 3.0

Ciekawostką jest fakt, że jest to standard opracowany przez Intela już 20 lat temu. W wypadku gdyby i ten rozmiar był zbyt mały, można sięgnąć po EATX (305×330 mm), przy czym przemysłowe płyty w tym formacie produkowane są tylko przez niektóre korporacje.

Znacznie większy jest wybór płyt microATX (244 mm×244 mm), które stanowią nierzadko dobry kompromis pomiędzy liczbą gniazd rozszerzeń i rozmiarem. W praktyce rzadko który komputer wymaga więcej niż jednej lub dwóch kart PCI czy PCI express, dlatego producenci chętnie tworzą nowe projekty w oparciu o również 20-letni microATX.

244 mm×244 mm to wciąż dosyć dużo, jak na obecne czasy, dlatego popularność na rynku przemysłowych płyt głównych zdobył opracowany przez firmę VIA format mini-ITX o wymiarach 170 mm×170 mm. Można nawet zaryzykować stwierdzenie, że większość nowych konstrukcji tego typu ma właśnie format mini-ITX, w którym wciąż znaleźć można jedno gniazdo rozszerzeń, dwa gniazd pamięci RAM i wiele innych złączy.

Fotografia 20. Moduł procesorowy w formacie XTX

Dwa lata po wprowadzeniu mini-ITX, w 2003 roku VIA zaprezentowała standard nano-ITX o wymiarach 120 mm×120 mm, czyli wielkości pudełka na płytę kompaktową. Format ten w rzeczywistości obejmuje częściej komputery jednopłytkowe niż płyty główne, gdyż najczęściej produkty nano-ITX oferowane są ze zintegrowanym procesorem, a czasem i pamięcią RAM. Dodatkowe gniazda rozszerzeń, takie jak np. SO-DIMM czy mini PCI Express montowane są od spodu płytki.

Podobnie ma się sytuacja z płytami w formacie pico-ITX. Mają one wymiary 100 mm×72 mm i zintegrowane procesory. Producenci ponadto nierzadko rezygnują z montażu pełnych gniazd wyprowadzeń i pozwalają integratorom na samodzielne dobieranie, które złącza będą wyprowadzone, poprzez wykorzystanie uniwersalnych gniazd na PCB.

Wraz z pico-ITX, w 2007 roku VIA opracowała standard mobile-ITX o wymiarach 75 mm×45 mm, a w 2012 roku neo-ITX, ale jak dotąd komputery przemysłowe w tych standardach nie pojawiły się na rynku. Popularności w przemyśle (a w praktyce także i na rynku konsumenckim) nie zdobył standard BTX ani jego pochodne. Znaleźć można za to komputery przemysłowe w nietypowym formacie UTX (88 mm×108 mm), a więc nieco większe niż pico-ITX.

Dobierając przemysłową płytę główną warto jeszcze zwrócić uwagę na jeden aspekt - na jej wysokość. W zależności od zastosowanych złączy oraz dostępności kart rozszerzeń, cały komputer przemysłowy będzie miał inną wysokość. Jeśli tworzona maszyna powinna być jak najmniejsza "wzwyż", warto poszukać modeli opisanych hasłami "low profile" lub "thin" oraz niskoprofilowych kart rozszerzeń.

Moduły procesorowe

Fotografia 21. Moduł Procesorowy w formacie COM Express Basic

Chcąc zbudować miniaturowe urządzenie przemysłowe i dysponując projektantami płytek drukowanych, zamiast sięgać po komputery jednopłytkowe lub płyty główne, można zainteresować się komputerami modułowymi, a dokładniej - modułami procesorowymi. Zazwyczaj kryją się one pod skrótem "COM" co oznacza: Computer-On-Module.

Idea komputera modułowego sprowadza się do słusznego założenia, że projektowanie i produkcja obwodów z wykorzystaniem nowoczesnych mikroprocesorów jest skomplikowana i kosztowna. Wymaga zaawansowanej wiedzy, drogiego oprogramowania i kosztownego wykonania.

Nowoczesne procesory komunikują się z pamięcią z użyciem bardzo wielu linii sygnałowych i szybkiego taktowania, co stawia duże rygory odnośnie sposobu prowadzenia ścieżek na PCB. Ponadto w gruncie rzeczy, komunikacja pomiędzy procesorem a pamięcią przebiega najczęściej w identyczny sposób, więc nie ma potrzeby by każdy producent musiał od nowa wykonywać takie projekty.

Fotografia 22. Moduł procesorowy w formacie COM Express Compact

Zamiast tego może skorzystać z modułu procesorowego, a do niego zaprojektować względnie prostą płytę bazową. Ta najczęściej wystarczy że jest dwustronna (nie wymaga dodatkowych warstw), a do tego to właśnie od jej kształtu i wyprowadzonych interfejsów zależy czy będzie ona pasowała do projektu całego urządzenia.

Pierwsze moduły procesorowe w formacie ETX (Embedded Technology Extended) zaprojektowała firma JUMPtec w 2000 roku, która dwa lata później połączyła się z Kontronem i funkcjonuje obecnie pod tą drugą nazwą. Kontron to producent sprzętu typowo przemysłowego, co tym bardziej podkreśla przeznaczenie modułów procesorowych.

Moduły ETX mają wymiary 95 mm×125 mm i na przestrzeni lat mocno ewoluowały - standard ETX 3.0 przewidywał wymiar 95×114 mm. Obecnie jednak nie tworzy się w oparciu o nie nowych konstrukcji (zawierają magistralę ISA), ale niektórzy producenci wciąż mają w swoich ofertach stare modele.

Nieco łatwiej znaleźć nowsze modele wykonane w bliźniaczym formacie XTX o wymiarach 95 mm×114, które już nie wspierają magistrali ISA, ale za to obsługują PCI-Express i SATA.

Fotografia 23. Moduł procesorowy w formacie COM Express Mini

Dużą popularnością cieszą się za to moduły COM Express. Format ten został opracowany w 2005 roku przez konsorcjum PICMG i obejmuje cały szereg odmian. Różnią się one zarówno rozmiarami, jak i zestawem sygnałów wyprowadzonych na złączu krawędziowym modułu.

Największe są moduły COM Express Extended - mają wymiary 110 mm×155 mm. Standardem są moduły COM Express Basic o wymiarach 95 mm×125 mm. Jeśli dostępna przestrzeń jest faktycznie ograniczona, można skorzystać z kwadratowych modułów COM Express Compact (95 mm×95 mm), a nawet z COM Express Mini, którego wymiary to 55 mm×84 mm.

Zestaw wyprowadzeń jest luźno związany z rozmiarem i określany jest za pomocą Typu modułu. Typ 1 i typ 10 mają złącza jednostronne, z czego typ 10 ma porty COM i USB 3.0 kosztem mniejszej liczby linii PCI Express i SATA.

Typy 2, 3, 4, 5 i 6 mają złącza dwustronne o różnych zestawach wyprowadzeń. Najnowsza wersja standardów COM Express pochodzi z 2012 roku.

Fotografia 24. Moduł procesorowy w formacie CoreExpress

Warto dodać, że dawniej karty COM Express Basic były znane pod nazwą ETXexpress, COM Express Compact jako microETXexpress, a COM Express Mini jako nanoETXexpress.

Na przestrzeni lat na rynku pojawił się także bardzo mały standard CoreExpress o wymiarach 58 mm×65 mm, ale opracowała go niezbyt licząca się na rynku firma LiPPERT Embedded Computers. Kilka lat temu została wchłonięta przez Adlinka, a standard CoreExpress praktycznie zanikł i moduły tego typu nie są już polecane do nowych konstrukcji.

Zupełnie inny los spotkał standard Qseven, opracowany podobnie jak CoreExpress w okolicach 2010 roku. Dzięki wsparciu dosyć dużego konsorcjum, w którego skład wchodzi wiele dużych producentów komputerów przemysłowych na rynku cały czas pojawia się dużo modułów tego typu.

Ich zaletą są przede wszystkim bardzo małe wymiary (70 mm×70 mm) oraz fakt, że moduły te mogą zawierać nie tylko procesory x86, ale też z rdzeniami ARM. Standard został opracowany tak, by pozbyć się zaszłości historycznych - nie obsługuje ani magistrali ISA, ani PCI ani nawet RS-232 czy EIDE.

Fotografia 25. Moduł procesorowy w formacie Qseven2

Nieco nowszy jest standard SMARC (Smart Mobility ARChitecture), opracowany przez konsorcjum SGET. Definiuje on dwa rozmiary płytek: SMARC full o wymiarach 82 mm×80 mm i SMARC short (82 mm×50 mm). Tak jak Qseven, pozbawiono go zaszłości historycznych. Bazuje przede wszystkim na układach ARM.

Warto też wspomnieć o modułach ESM (Embedded System Module), które stosowano głównie w telekomunikacji i wraz z elementami zestawów PCI-104 lub na kartach procesorowych. Często były wyposażane w układy FPGA. Ich wymiary to 149 mm×71 mm.

Ponieważ rozwijanie projektów w oparciu o moduły procesorowe jest trudniejsze i bardziej pracochłonne, niż przy użyciu komputerów jednopłytkowych lub przemysłowych płyt głównych, producenci oferują też po maksymalnie kilka płyt bazowych, a czasem nawet kart rozszerzeń, które można wykorzystać z modułami. Pozwala to pracować nad oprogramowaniem i innymi komponentami urządzenia w trakcie, gdy docelowe PCB płyty bazowej jest projektowane.

Komputery typu Box-PC

Fotografia 26. Moduł procesorowy w formacie SMARC

W wielu aplikacjach zaliczanych do kategorii przemysłowych, takich jak np. systemy informacji wizualnej, komputer wraz z wyświetlaczem stanowią kompletne urządzenie podłączane do sieci i prądu. Oznacza to, że najwygodniejszym rozwiązaniem dla integratora jest użycie gotowego komputera wraz z obudową, dopasowaną do przewidywanych warunków pracy.

Wtedy to warto przejrzeć oferty komputerów typu Box-PC. Są to najczęściej komputery jednopłytkowe lub przemysłowe płyty główne z procesorem i pamięcią, szczelnie zamknięte w dopasowanej do nich obudowie. Ich parametry będą różniły się w zależności od przewidzianego zastosowania.

Nie ma w tym zakresie szeroko rozpowszechnionych standardów. Niektórzy producenci stosują wspólne lub kompatybilne obudowy dla wielu oferowanych przez siebie modeli. Większość z tych komputerów jest przystosowana do zasilania sieciowego i montażu na ścianie, na półce lub po prostu do postawienia. Dostępne są też nieduże modele na szynę DIN, zasilane napięciem stałym.

Komputery panelowe

Fotografia 27. Płyta bazowa wraz z modułem procesorowym

Jako specyficzną odmianą komputerów typu Box-PC można zakwalifikować komputery panelowe, które zintegrowane są z wyświetlaczami.

To często korzystne rozwiązanie w aplikacjach, w których fundusze i dostępna przestrzeń nie pozwalają na użycie oddzielnego komputera i wyświetlacza.

Zintegrowanie dwóch urządzeń w jednej obudowie sprawia gwarantuje, że będą one ze sobą poprawnie współpracować. Komputery panelowe są najczęściej przystosowane do montażu właśnie w zabudowie panelowej, a do tego cechują się najczęściej wysokim stopniem ochronności od frontu.

Panele najczęściej wyposażane są w ekrany dotykowe - dawniej rezystancyjne, a teraz coraz częściej pojemnościowe. Wielu producentów tego typu komputerów oferuje swobodny wybór zainstalowanego interfejsu dotykowego.

Komputery do szaf rackowych

Fotografia 28. Komputery typu Box-PC

W dużych zakładach przemysłowych, a szczególnie tam gdzie konieczne jest szybkie przetwarzanie niemałych ilości danych, popularnością cieszą się komputery przystosowane do 19-calowych szaf rackowych.

W praktyce wszystkie komputery rackowe produkowane są praktycznie tylko i wyłącznie z przeznaczeniem do zastosowań profesjonalnych, a ich przemysłowe wersje różnią się tylko nieznacznie odpornością. W praktyce bywa też tak, że przemysłowy charakter danej grupy komputerów przemysłowych wynika z faktu, że są one produkowane przez firmę, która w komputerach przemysłowych się specjalizuje.

Komputery do szaf rackowych produkowane są w obudowach o zestandaryzowanych wymiarach. Szerokość całej szafy to zawsze 19", czyli 483 mm. Szerokość instalowanych w niej komputerów to 17,75" czyli 450 mm. Głębokość komputerów bywa różna, a ich wysokość jest ściśle zestandaryzowana i liczona w jednostkach "U". Najmniejsze są komputery o wysokości 1 U, czyli 1,75". Jak łatwo się domyślić, komputery o wysokości 2 U mają 3,5", 3 U mają 5,25", a 4 U odpowiada wysokości 7".

Komputery tego typu pozwalają na maksymalne wykorzystanie przestrzeni, jeśli potrzebne jest zapewnienie dużej wydajności przetwarzania danych, szybkiej transmisji sieciowej i obszernej przestrzeni dyskowej. Warto przy tym dodać, że szafy rackowe przeznaczone do przemysłu są często wykonywane w inny sposób niż te klasyczne, by ochronić zainstalowane w nich komputery przed trudnymi warunkami środowiskowymi.

Typowe aplikacje

Fotografia 29. Komputer typu Box-PC do montażu na szynie

Poszczególne z rodzajów komputerów przemysłowych lepiej sprawdzają się w konkretnych aplikacjach. Przykładowo komputery modułowe stanowią bardzo dobry wybór tam, gdzie konieczne jest wprowadzenie zaawansowanych możliwości obliczeniowych do maszyny o ograniczonej dostępnej przestrzeni.

Można je też używać w aplikacjach przenośnych. Komputery jednopłytkowe także dobrze sprawdzają się w maszynach i bywają stosowane np. w pojazdach.

W logistyce, motoryzacji i na kolei częściej jednak można spotkać komputery typu Box-PC, które zapewniają odpowiednią odporność na trudne warunki środowiskowego - ich obudowa dobrze chroni elektronikę od wszystkiego, co dzieje się w pojeździe.

Komputery te są też popularne w wojsku, a szczególnie ich najbardziej odporne wersje. W automatyce, do realizacji systemów HMI dużą popularnością cieszą się komputery panelowe, choć niektórzy twierdzą, że korzystniej jest mieć panel oddzielny od komputera, gdyż w razie awarii ekranu, produkcja nie zostanie wstrzymana.

Fotografia 30. Komputer przemysłowy typu Box-PC

Komputery panelowe są też popularne w medycynie, o ile tylko spełniają odpowiednie normy. W przeciwnym wypadku wbudowywane są przemysłowe płyty główne, komputery jednopłytkowe lub moduły procesorowe, a proces certyfikacji przeprowadzany jest łącznie dla całości.

W systemach informacyjnych i w reklamie również dominują komputery typu Box-PC. Natomiast komputery w obudowach rackowych stosowane są w centrach przetwarzania danych i w archiwach, np. do przechowywania historycznych parametrów przebiegu procesów.

Karty komputerowe

Fotografia 31. Komputer panelowy z rozpoznawaniem gestów

W niektórych aplikacjach, np. w zaawansowanych systemach pomiarowych i w automatyce wymagającej szybkiego przetwarzania danych w środowisku przemysłowym, a także w wojsku, popularnością cieszą się komputery oparte o karty procesorowe, umieszczane w obudowach z płytą bazową.

Istnieje szereg standardów tego typu kart, opracowanych pod kątem różnych zastosowań i opartych o różniące się między sobą interfejsy komunikacyjne. Większość z aktualnie produkowanych systemów kart komputerowych jest zestandaryzowana przez organizację PICMG, czyli PCI Industrial Computer Manufacturers Group.

Organizacja ta przyjęła dosyć niewdzięczny sposób oznaczania kolejnych standardów, przez co osobie próbującej dopiero zorientować się w tym, co obejmuje który standard może nie być łatwo połapać się w tym wszystkim. W ogólności, nazwy standardów zaczynają się od przedrostka PICMG i dwóch liczb, oddzielonych od siebie kropką.

Fotografia 32. Przemysłowy komputer rackowy o wysokości 1 U

Pierwsza liczba oznacza rodzaj (kategorię) produktów obejmowanych standardem, a druga konkretną jego odmianę. Przykładowo wszystkie standardy rozpoczynające się od PICMG2. dotyczą formatu Compact-PCI, a wszystkie od PICMG3. formatu AdvancedTCA.

Większość z produkowanych kart komputerowych jest też powiązana ze standardem szaf rackowych, mimo że nie są one przeznaczone do montażu w takich szafach. Karty komputerowe montowane są w specjalnych obudowach, najczęściej przygotowanych do pracy w trudnych warunkach środowiskowych.

Obudowy te zawierają płytę bazową z magistralą, umożliwiającą komunikację pomiędzy kartami. Sposób montażu kart zależy od standardu i zazwyczaj opiera się o wykorzystanie złączy krawędziowych lub o wielopinowe gniazda. To drugie rozwiązanie pozwala na gęstsze upakowanie sygnałów na karcie, ale też zwiększa ryzyko uszkodzenia (ugięcia) pinów na płycie bazowej.

Fotografia 33. Przemysłowy rackowy serwer dyskowy o wysokości 4U

Wielkość kart jest dokładnie zestandaryzowana i najczęściej wywodzi się z bardzo już starego standardu Eurocard. Został on niegdyś opracowany, by móc tworzyć modułowe komputery dowolnej wielkości, bazujące na wcześniej wspomnianych... szafach 19-calowych.

Z założenia karty montowane są pionowo, obok siebie, w odpowiednio przystosowanych obudowach mocowanych w szafie rackowej.

W aktualnych rozwiązaniach obudowy te mają wymiary 3U lub 6U, gdzie 1U to 1,75" (44,45 mm), tak samo jak w przypadku rackowych serwerów komputerowych.

Ponieważ karta musi zmieścić się w takiej obudowie, jej wysokość jest zawsze nieco mniejsza niż 3U lub 6U. Bywają też rozwiązania umożliwiające montaż dwóch kart 3U nad sobą, w obudowach o wysokości 6U, co jest dopuszczalne dzięki temu, że suma wysokości dwóch kart 3U jest mniejsza niż wysokość jednej karty 6U.

Fotografia 34. Komputer wbudowany w wyświetlacz do aplikacji typu "digital signage"

Oprócz wsunięcia karty są też często unieruchamiane mechanicznie, np. poprzez zatrzask lub śrubę na panelu czołowym karty. Cała obudowa najczęściej może być następnie umieszczona w obudowie 19-calowej, choć w praktyce nierzadko urządzenia tego typu są stawiane samodzielnie, np. na biurku, a bywa też, że mają rączkę do ich przenoszenia.

Kluczowe różnice pomiędzy poszczególnymi standardami dotyczą wyprowadzonych sygnałów, co jednocześnie świadczy o ich nowoczesności, dostępnej szybkości pracy, o możliwościach zastosowań oraz o przeznaczeniu.

Pierwszym z popularnych, kompletnych standardów kart komputerowych był VME (Versa Module Europa), który opierał się na procesorach Motoroli i początkowo korzystał z 16-bitowej magistrali. Standard ten stopniowo ewoluował, a jego najnowszym rozszerzeniem jest VME64, w którym wykorzystywane są 64-bitowe karty z procesorami Intela lub PowerPC, mające wysokość 6U.

Fotografia 35. System pomiarowy zbudowany w oparciu o karty procesorowe VXI

Na podstawie standardu VME powstał również opracowany pod kątem instrumentów pomiarowych standard VXI (VME eXtensions for Instrumentation). Inną platformą, powstałą w oparciu o VME jest VPX (VME PCI eXtensions), która dostosowuje pierwotny standard do nowszych interfejsów, jakie pojawiły się na rynku.

Wspomniana wcześniej organizacja PCIMG nie zajmowała się zbytnio standardem VME i zamiast tego, w połowie lat 90. opracowała własny, nowy standard, bazujący na najnowocześniejszych w tamtych czasach rozwiązaniach, przeniesionych na przemysłowy grunt.

Standard nazwano mianem Compact-PCI (cPCI) i stopniowo go rozwijano. I on bazuje na kartach w rozmiarze 3U lub 6U, a od czasu wprowadzenia zyskał bardzo duża popularność. Powstało nawet rozszerzenie PICMG2.2 do obsługi sygnałów VME64.

Aktualnie dostępne karty są oferowane z procesorami x86 lub RISCowymi. Dostępny wybór kart jest bardzo duży. Karty oprócz różnić w rozmiarze pod względem wysokości (3U lub 6U) mogą też być różnej szerokości - wielokrotności karty pojedynczego modułu. Wtedy zajmują najczęściej więcej niż jedno gniazdo na tylnej płycie bazowej.

Fotografia 36. Przyrząd złożony z karty PXI

Oprócz kart procesorowych, oferowane są też karty z nośnikami i interfejsami - zarówno szeregowymi, portami równoległymi, interfejsami sieciowymi, jak i bloki wejść i wyjść analogowych. W formie kart cPCI dostępne są również gotowe switche ethernetowe i moduły specjalizowane.

Celem zwiększenia kompatybilności opracowywanych kart przygotowano też uniwersalny standard PMC, który pozwala korzystać z tych samych modułów np. w systemie opartym o VME, jak i Compact-PCI. Wystarczy tylko użyć karty - przejściówki, które również powszechnie dostępne są u producentów kart w poszczególnych standardach.

Fotografia 37. Karta komputerowa w standardzie VME

Na podstawie Compact-PCI powstało kilka nieco innych standardów, takich jak Compact-PCI Serial (oznaczenie PICMG CPCI-S.0), w którym do komunikacji pomiędzy kartami wykorzystano interfejsy szeregowe oraz nowszy Compact-PCI Express (PICMG EXP.0), w którym użyto magistrali PCI Express.

Bardzo dużą popularność zyskał standard instrumentów pomiarowych PXI (i jego rozszerzenie w postaci PXI Express). Nazwa pochodzi od PCI eXtensions for Instrumentation i jest to obecnie najbardziej popularne rozwiązanie, wykorzystywane w trakcie tworzenia modułowych systemów pomiarowych.

Ostatnim, a zarazem dosyć nowoczesnym standardem kart, przeznaczonym do bardzo wymagających aplikacji jest AdvancedTCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture - ATCA).

Został on opracowany przez organizację PICMG, a jego odmiany są oznaczane jako PICMG3.X. ATCA zaprojektowano z myślą o szybkich systemach telekomunikacyjnych, ale w praktyce sprawdza się także w nowoczesnych aplikacjach wojskowych.

Fotografia 38. Karta komputerowa w standardzie CompactPCI

Karty AdvancedTCA mają długość 280 mm i wysokość aż 322 mm oraz muszą się mieścić w szerokości 30,48 mm. Ich specyfikacja wymaga, by na froncie i na dolnej krawędzi były pokryte metalem, co ma zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne oraz zwiększyć ich odporność.

Wsunięcie i wysunięcie karty jest automatycznie wykrywane przez elektronikę obudowy, co ułatwia wymianę modułów w trakcie pracy urządzenia. W standardowej 19-calowej szafie rackowej mieści się 14 kart tego typu, przy czym ze względu na dużą wysokość kart, zajmują one ponad 7U. W praktyce jednak obudowy AdvancedTCA są jeszcze wyższe, ze względu na dodatkowe komponenty, umieszczane pod i nad kartami.

System chłodzenia oraz elementy diagnostyczne powodują, że typowa obudowa AdvancedTCA montowana do szaf rackowych ma 12U lub 13U wysokości. Tak wysokie karty są łatwiejsze w chłodzeniu niż karty niższe, montowane w oddzielnych obudowach. Przepływ powietrza od dołu do góry, wzdłuż całych kart, znacząco ułatwia odbieranie ciepła.

Fotografia 39. Karta komputerowa w standardzie AdvancedTCA

Standard AdvancedTCA obejmuje zaawansowany sposób komunikacji. Karty wymieniają dane między sobą bezpośrednio oraz mogą komunikować się z innymi systemami łącznie za pomocą trzech grup interfejsów.

Połączenia zostały zaprojektowane tak, by łatwo można było zrealizować łączność redundantną, bazującą na Ethernecie (10BASE-T, 100BASE-TX lub 1000BASE-T). Wykorzystywane mogą być też interfejsy światłowodowe, Ethernet 10-gigabitowy a nawet 40-gigabitowy, magistrala PCI Express i kilka innych standardów, opisanych w ramach kolejnych odmian PICMG3.x.

Standard AdvancedTCA pozwala na budowę maszyn o bardzo dużej mocy obliczeniowej, typowej dla superkomputerów. Jednakże przestrzeń zajmowana przez karty tego typu w szafach rackowych jest dosyć duża i na potrzeby nieco mniej wymagających aplikacji, PICMG przygotowało mniejszą wersję ATCA - MicroTCA (µTCA).

Fotografia 40. Obudowa MicroTCA z modułami AMC

MicroTCA jest tańsze we wdrożeniu niż AdvancedTCA i oryginalnie powstało z myślą o mniejszych systemach telekomunikacyjnych, ale z czasem zyskało popularność także w systemach mobilnych, wojskowych, telemetrii, awionice i aplikacjach akwizycji danych.

Podstawowa specyfikacja MTCA.0 obejmuje płytę bazową, sposób montażu kart, chłodzenie, zasilanie i zarządzanie kartami. Kolejne odmiany - MTCA.1, MTCA.2, MTCA.3 i MTCA.4 definiują wymagania stawiane kartom stosowanym właśnie w wojsku, aeronautyce i wszystkich tych aplikacjach, w których panują trudne warunki środowiskowe. Karty stosowane w MTCA są natomiast kompatybilne z ATCA - wykorzystuje się bowiem moduły AMC.

Moduły PMC, AMC, XNC i FMC

Fotografia 41. Moduł procesorowy AMC

Mnogość jednocześnie funkcjonujących standardów kart, różniących się zastosowanymi złączami, wymiarami i sygnałami, sprawia że producentom trudno jest tworzyć oddzielne moduły dla każdego standardu, poddawać je bardzo wymagającym testom i utrzymywać odpowiednie stany magazynowe.

Z tego względu popularność zyskały karty pośrednie, określane mianem Carrier Board, stanowiące obudowę dla uniwersalnych modułów. Karty tego typu ma w swojej ofercie bardzo wielu dostawców. Różnią się od siebie rodzajem modułów, które mogą mieścić, sposobem realizacji chłodzenia i oczywiście dopasowaniem do konkretnego standardu obudowy.

W kartach tych można wkładać np. dyski twarde albo uniwersalne moduły procesorowe i wsuwać je do obudów poszczególnych standardów. Niewielka złożoność kart typu Carrier Board ułatwia ich projektowanie i testowanie, a uniwersalne moduły procesorowe czy z interfejsami, są projektowane i testowane oddzielnie, co znacząco zmniejsza sumaryczny koszt opracowania wszystkich odmian produktów dla różnych standardów.

Najbardziej popularnym standardem jest PMC - PCI Mezzanine Card. Pod względem elektrycznym spełnia ona wymogania interfejsu PCI, ale pod względem mechanicznym pasuje do kart CMC. PMC zakłada możliwość użycia do czterech 64-pinowych konektorów na kartę, z czego pierwsze dwa służą realizacji 32-bitowego interfejsu PCI, trzeci 64-bitowemu PCI, a czwarty dowolnym innym sygnałom. W efekcie, standard PMC pozwala na tworzenie tak jakby małych rozmiarów kart PCI.

Fotografia 42. Obudowa na karty spełniająca wymagania aplikacji wojskowych

Standard PMC ma swoje odmiany, takie jak PMC-X, PPMC, CCPMC, XMC i FMC. W ofertach producentów spotkać można często moduły tych dwóch ostatnich rodzajów. XMC mają piąte złącze, które pozwala na przesyłanie sygnałów szybkich interfejsów szeregowych, takich jak PCI Express albo Serial RapidIO. Natomiast moduły FMC (FPGA Mezzanine Card) zawierają wejścia i wyjścia do układów FPGA umieszczonych na innych kartach.

Rosnącą popularnością cieszą się moduły AMC (Advanced Mezzanine Card, AdvancedMC), które choć niekompatybilne ze standardem PMC, są podstawą systemu kart MicroTCA, gdzie są wpinane bez kart pośredniczących, ale można ich używać również jako moduły w AdvancedTCA.

Moduły AMC mają wysokość do 23,25 mm. Rozszerzenia standardu w postaci PICMG AMC.1, AMC.2, AMC.3 i AMC.4 wprowadzają obsługę m.in. PCI Express, gigabitowego Ethernetu i szeregowego interfejsu RapidIO.

Pojedynczy moduł ma standardowo 170 wyprowadzeń, ale dostępne są też moduły mniejsze, 85-pinowe lub podwójne, 340-pinowe. Karty te mogą być wymieniane w trakcie pracy urządzenia.

Dostępne komponenty

Fotografia 43. Obudowa systemu VME o wysokości 8U

Przeglądając ofertę dostawców komputerów przemysłowych, w zakresie kart komputerowych omówionych typów znaleźć można nie tylko same karty, moduły, obudowy z płytami bazowymi i karty pośredniczące (Carrier Boards). Niektórzy producenci oferują także samodzielne płyty bazowe bez obudowy, jak i systemy chłodzenia.

Ważne są też zasilacze, które dostarczane są w wersjach o bardzo różnej mocy. Są to bardzo ważne elementy całych zestawów, gdyż ze względu na konieczność zapewnienia dużej niezawodności, standardem jest korzystanie z redundantnych źródeł zasilania.

Karty komputerowe, dzięki możliwości gęstego upakowania swobodnie dobieranego zestawu komponentów, świetnie nadają się do tworzenia bardzo wydajnych systemów przetwarzania danych. W odróżnieniu od komputerów PC i serwerów produkowanych w obudowach rackowych, systemy kartowe są lepszym rozwiązaniem, gdy konieczne jest wykonanie nietypowej instalacji, w której poszczególne elementy pełnią swoje specyficzne role, a do tego muszą być łatwe w wymianie.

Znacznie wygodniej jest w razie awarii wymienić jedną kartę, którą wysuwa się od frontu obudowy, niż wymontowywać cały serwer. Ponadto, wielkość pojedynczej karty jest mniejsza całego serwera w obudowie 1U, co pozwala na lepsze wykorzystanie dostępnej przestrzeni, a jednocześnie zoptymalizować chłodzenie.

Co więcej, zastosowane interfejsy na płytach bazowych tych kart są zoptymalizowany do bardzo szybkiej wymiany informacji z wielu jednostek procesorowych, co ułatwia tworzenie superkomputerów i maszyn o ogromnym potencjale przetwarzania danych.

Marcin Karbowniczek, EP

Pozostałe artykuły

Technologie druku 3D

Numer: Kwiecień/2017

Drukowanie przestrzenne - nazwane potocznie drukiem 3D - wiąże się z tworzeniem obiektów wkraczających w trzeci wymiar. Oprócz długości i szerokości mamy także głębokość. Druk 3D to technologia przyrostowa oparta na podobnych zasadach działania, jak inne urządzenia CNC. Proces odbywa się poprzez nakładanie kolejnych warstw, jednej na drugą, aż do ukończenia całego obiektu.

Projekt maszyny do prostowania i cięcia drutu

Numer: Kwiecień/2017

Maszyna do prostowania i cięcia drutu jest powszechnie używana przy produkcji ogrodzeń panelowych. Drut zakupiony w szpulach jest rozwijany, prostowany i cięty na jednakowej długości fragmenty. Następnie odcinki te w dalszym procesie technologicznym są zgrzewane w gotowe panele. Od dokładności i powtarzalności produkcji zależy jakość gotowego wyrobu, dodatkowo maszyna musi pracować z odpowiednią wydajnością, aby zapewnić materiał ...

Przykładowa aplikacja LOGO! 8. Cyfrowy termometr z sygnalizacją przekroczenia progów

Numer: Kwiecień/2017

Produkowany przez firmę Siemens sterownik LOGO! 8 jest uniwersalny i może znaleźć zastosowanie w wielu aplikacjach. Jednym z elementów wyposażenia powiększającym jego funkcjonalność jest wbudowany przetwornik A/C. W artykule przedstawiamy aplikację ilustrującą użycie jednego kanału przetwornika A/C i kilku bloków analogowych w praktycznej aplikacji ? cyfrowego termometru z sygnalizacją przekroczenia zadanych progów temperatury.

Drukowanie kodów jedno i dwuwymiarowych za pomocą przemysłowych drukarek atramentowych EBS Ink-Jet

Numer: Kwiecień/2016

Przedmioty składowane w magazynie lub przemieszczające się na taśmie produkcyjnej mogą być w różny sposób identyfi kowane przez system zautomatyzowany, chociaż nie tylko. Jedną z najbardziej popularnych metod jest umieszczanie na nich lub ich opakowaniach znaczników - kodów jedno- lub dwuwymiarowych, które oprócz symbolu produktu mogą zawierać dodatkowe informacje. Do ich nadruku świetnie nadają się przemysłowe drukarki atramentowe ...

Programowanie paneli HMI (1)

Numer: Kwiecień/2016

Obecnie 99% nowych maszyn lub linii technologicznych zawiera rozwiązania do graficznej prezentacji informacji o procesie lub stanie maszyny. Tym rozwiązaniem jest wizualizacji nazywana również HMI (Human Machine Interface). Interfejs człowiek - maszyna reprezentuje interfejs pomiędzy użytkownikiem (operatorem) a procesem. Kontrola całego procesu odbywa się za pomocą sterownika PLC (Programming Logic Controller). Operator wykorzystuje ...

Mobilna
Elektronika
Praktyczna

Elektronika Praktyczna

Kwiecień 2017

PrenumerataePrenumerataKup w kiosku wysyłkowym

Elektronika Praktyczna Plus

lipiec - grudzień 2012

Kup w kiosku wysyłkowym