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嵌入式技術  

ANSI/VITA推動模組化電腦向關鍵任務應用擴展

上網時間: 2012年04月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ANSI  VITA  ESMexpress  模組化電腦  模組化系統 

作者:Susanne Bornschlegl

MEN Mikro Elektronik公司

就在嵌入式系統設計師致力於滿足小型行動或關鍵任務對電腦高要求的同時,一種ANSI/VITA標準,可將模組化電腦(COM)的堅固性能提升到全新水準。在PC領域,通常會用“機殼改裝”來改善電腦的熱性能。你可以買一塊主機板,將其完全浸入冷卻油中,然後再用泵來使液體循環。這種誇張的想法會讓嵌入式系統設計師莞爾一笑,但它並不能解決任何設計問題。

考量到可用空間需求,設計師需要更小的外形設計,並因此承受壓力,以期在更小的空間內置入更多功能。但這似乎還不夠,嵌入式電腦目前正不斷朝許多極端應用市場擴展,包括醫療和工業,特別是在行動應用領域。

除了更小的外形和強韌性,任何系統都需要特定功能。理想情況下是能為技術升級留下足夠的靈活性,這也能提升元件相容性的優勢。然而,也因為嵌入式設計牽涉到如此多的細節,聽起來仿佛嵌入式設計成本很快就會激增,而模組化電腦正是因此應運而生。

模組化電腦(COM)或“模組化系統(SOM)”,意指在一個插入夾層卡上,包含了一台完整電腦。載板(carrier board)定製了系統:它是針對每一種應用定製的,包括特定的I/O。

自模組化電腦概念導入以來,嵌入式系統設計師已經從該技術獲得了許多好處。更換相容模組變得更容易;適配和功能增強了設計靈活性;擴展了應用通用性;降低了開發成本;加快上市速度。

但是,儘管業界不斷致力於標準化,但必須在惡劣環境正常運作的系統,仍無法輕易享有這些好處。行動和安全關鍵應用也面臨相同的限制,但一旦發生故障,它們的成本將更高昂。

就所需的堅固耐用和製造規格來說,包括汽車和飛機在內的交通運輸產業本身都有嚴格標準。而用於從醫學工程、到商用車輛和船舶等各式行動應用,本質上都必須是強健的。越來越多的起重機、工程機械、卡車和拖拉機,都配有小型、堅固耐用的人機介面。

醫學工程包括諸如用於成像、監測、麻醉或治療患者的行動或可攜式系統等安全關鍵系統。室外電腦則包括用於電信通訊、交通監控、油井平台的視訊監控應用。

電子系統設計要考慮許多環境方面的因素。電腦會受到強衝擊和振動。對使用多塊PCB和板對板連接的模組化電腦來說,這是個嚴重問題。其它因素還包括灰塵或潮濕(例如戶外應用)的影響,但EMC和“壓軸”的發熱仍是最典型的問題。

發熱元件必須要散熱,以防止系統過熱。元件越來越多、元件密集程度日益增加,加上越來越複雜的嵌入式系統,都意味著要必須將系統內部的熱發散出去。對半導體來說,有一個最高結溫,超過該溫度,半導體就停止工作。

對流冷卻是冷卻板元件最簡單的方法,它引導氣流流經待冷卻的表面。機械設置很簡單,但流動空氣可能把雜質和水分帶進設備,因而可能帶來損壞。需要複雜的過濾設備以減少這種風險,而冷卻風扇自身的壽命有限,因而需要保養維護。

傳導冷卻最佳化了熱接觸,它使熱量從發熱源導散至主機殼外殼。合適的材料將從電子元件到主機殼外殼的熱轉移的熱阻減至最小。主機殼內的板卡需要放置在合適位置,導熱散熱塊的體積要足夠大,以保證最佳熱傳導效果。

以關鍵應用設計為主的系統設計師,可能會以傳導冷卻為原則建構散熱方案,因為它更可運算且可靠。壞消息是:傳導冷卻所依賴的方法需要在進行PCB設計開始就予以實施,包括定製的鋁元件或在PCB內部增加額外的銅層來導熱。

不過,要實現堅固耐用的設計也非常簡單:選擇合適的焊接元件和連接器可承受震動和顛簸,對PCB進行塗覆保護,則可將灰塵、潮濕和腐蝕性物質拒之“板”外。另外,溫度處理是門科學,是模組化電腦概念面臨的最大挑戰之一。顯然,具有精心設計冷卻概念的標準化模組電腦減輕了設計師需處理的大部份散熱工作,同時也降低了設計成本。

市場上的大部份現有模組化電腦概念都不是標準的,它們不夠堅固耐用或落後於介面技術。COM Express(PICMG COM.0),作為第一個基於PCI Express的模組化電腦標準,其規定的工作溫度範圍為-40℃至+85℃,但在細節上有缺陷:沒充分考慮衝擊和振動問題;而散熱和EMC仍是相當複雜的問題。

ESMexpress是模組化電腦概念的更新近版本,它基於支援ESMexpress的概念,就堅固耐用性來說,它可達到更高水準。目前有一個工作委員會正研究制訂其規格,該委員會由系統供應商、航空電子設備製造商和其他的強化電子可靠性專家組成,VITA將遵循ANSI要求,依據官方指定的ANSI/VITA 59、RSE Rugged System-On-Module Express準則對該規格進行標準化。

由於ESMexpress解決了機械穩定性、實現了堅固耐用的實體性能及採用積極的無風扇冷卻等措施,因而使模組化電腦成為可滿足更廣泛領域應用的一種穩定、具成本效益的方案。為實現這一目標,85mm×115mm的PCB會與一個95mm×125mm的鋁制框架裝配在一起,該組件最後是完全密閉的。

它允許傳導和對流冷卻,支援最高35W功耗。ESMexpress可以實現-55℃到+125℃的性能,而不是被限制在-40℃至+85℃的工作範圍。(圖1)


圖1:ESMexpress的ANSI/VITA 59框架和傳導冷卻蓋結構。


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