作者：貿(mào)澤電子 Mark Patrick

　　產(chǎn)品上市時(shí)間是許多com/tags/工業(yè)自動(dòng)化" target="_blank">工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的關(guān)鍵考慮因素。但對(duì)于一些具體應(yīng)用，其中最為復(fù)雜的部分越來(lái)越多地是通過(guò)軟件而不是通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法允許使用商用“普通”硬件計(jì)算平臺(tái)，其中有許多種不同類型可供選擇。然而，系統(tǒng)架構(gòu)師面對(duì)的則是一組令人眼花繚亂的多種外形尺寸。每種外形尺寸都會(huì)基于一系列明確定義的主板和模塊標(biāo)準(zhǔn)，可提供設(shè)計(jì)靈活性、有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格和二次采購(gòu)源等便利。本文將討論一些可用于整合到工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)中的最流行外形尺寸。

　　工業(yè)領(lǐng)域商用計(jì)算硬件

　　從高層次上看，工業(yè)流程自動(dòng)化涉及來(lái)自各種傳感器的輸入監(jiān)控、接收到的數(shù)據(jù)處理以及根據(jù)預(yù)定義的工作流程采取相應(yīng)行動(dòng)。傳感器可能包括限制開(kāi)關(guān)、溫度、壓力和運(yùn)動(dòng)測(cè)量等，控制指令則通過(guò)繼電器、泵和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等致動(dòng)器執(zhí)行。

　　各個(gè)單獨(dú)控制區(qū)形成工業(yè)過(guò)程的彼此獨(dú)立部分，每個(gè)部分都配備有專用過(guò)程控制器。數(shù)百個(gè)通常由單板工業(yè) PC構(gòu)成的過(guò)程控制器可以部署在一個(gè)大型制造現(xiàn)場(chǎng)，雖然工業(yè) PC 本質(zhì)上與臺(tái)式機(jī)具有相同的功能，但或許也存在一些顯著差異。它們通常會(huì)在更廣泛的工作溫度范圍內(nèi)可靠地運(yùn)行，支持工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和外圍接口，并適應(yīng)更廣泛的操作系統(tǒng)。并非所有單板計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)模塊都適用于需要 -40 ～ +85°C 工業(yè)級(jí)溫度范圍的應(yīng)用，某些電路板只符合 0  ～ +60°C 的商業(yè)溫度范圍。

　　工業(yè)市場(chǎng)并不是唯一需要通用計(jì)算資源的領(lǐng)域，石油/天然氣、電信、航空和國(guó)防等領(lǐng)域也有類似要求。對(duì)于系統(tǒng)構(gòu)建者來(lái)說(shuō)，通過(guò)考慮來(lái)自不同制造商且符合一組機(jī)械和功能標(biāo)準(zhǔn)的各種計(jì)算機(jī)板和模塊可以降低開(kāi)發(fā)復(fù)雜性。

　　外形尺寸規(guī)格

　　一套開(kāi)放的外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在得到開(kāi)發(fā)以滿足市場(chǎng)需求。這些為單板工業(yè) PC 和模塊計(jì)算機(jī) （COM） 制造商提供了在一些特定市場(chǎng)的關(guān)注焦點(diǎn)，而開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)能夠?yàn)橄到y(tǒng)構(gòu)建者提供二次采購(gòu)源和供應(yīng)連續(xù)性的信心，無(wú)需重新設(shè)計(jì)他們的系統(tǒng)。

　　外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)能夠確定主板的物理和機(jī)械布局，一般其規(guī)格包括電源要求、安裝孔位置、尺寸和端口布局。許多臺(tái)式 PC 主板外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)可以追溯到 80 年代初和 IBM PC 的出現(xiàn)，并在之后得以不斷發(fā)展。

　　PCI 工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商集團(tuán) （PICMG） 成立于 1994 年，擁有 140 多個(gè)成員組織，并領(lǐng)導(dǎo)了幾個(gè)重要的單板計(jì)算機(jī)和模塊標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)。這些標(biāo)準(zhǔn)都是開(kāi)放、免版稅，并且不需要許可證。PICMG 標(biāo)準(zhǔn)包括：

　　Advanced TCA（高級(jí) TCA）

　　MicroTCA

　　COM Express.

　　COM Express: COM Express 規(guī)范涵蓋一系列小外形尺寸（SFF） 和 COM型單板電腦。COM 通常設(shè)計(jì)為適合基板（母板）配電以及所有 I/O 的需求，這種方法能夠提供一種快速方便的電路板更換方法。圖 1 示出了規(guī)范演變的時(shí)間線和各種外形尺寸。

　　圖 1：COM Express 規(guī)范演變。（來(lái)源：PICMG）

　　COM Express 規(guī)范也在不斷發(fā)展，以整合最新的處理器技術(shù)、存儲(chǔ)方法、視頻接口和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。例如，COM Express Rev 3 規(guī)范在板上最多可容納四個(gè) 10 Gigabit 以太網(wǎng)接口。類型聲明（type declaration）規(guī)定了連接器（一個(gè)或兩個(gè)）及其在每個(gè)規(guī)范中的引腳使用。

　　凌華科技（ADLINK） Express-CFR 是符合 PICMG COM R3.0 Type 6 規(guī)范單板計(jì)算機(jī)的一個(gè)很好例子。

　　圖 2 說(shuō)明了電路板的功能以及網(wǎng)絡(luò)、電源、存儲(chǔ)和相關(guān)外圍接口的連接器分配。

　　圖 2：凌華科技 Express-CFR 板符合 PICMG COM.0 Rev 3.0 Type 6 規(guī)范。（來(lái)源：凌華科技）

　　ETX 外形尺寸（嵌入式擴(kuò)展）的創(chuàng)始者ETX 工業(yè)集團(tuán)協(xié)會(huì)與 PCIMG 合作，實(shí)現(xiàn)了 ETX Rev 3 格式與 COM Express 規(guī)范的兼容。 ETX 格式至今仍然是一種流行的緊湊型單板計(jì)算機(jī)尺寸。例如ADLINK ETX-BT搭載 Intel Atom E3800 SoC，可容納高達(dá) 8GB 的 DDR3 RAM。

　　COM-HPC：COM-Express 規(guī)范將兩個(gè)連接器限制為 440 針。然而，對(duì)于帶寬為 16Gbps 的 PCI Gen 4等新的高速接口，其帶寬是 PCI Gen 3 的兩倍，要求 PICMG 開(kāi)發(fā)新的規(guī)范 COM-HPC。該規(guī)范定義了三種模塊類型：具有固定輸入電壓的客戶端模塊、具有寬輸入電壓范圍的客戶端模塊和具有固定輸入電壓的服務(wù)器模塊。

　　五種 COM-HPC 板的外形尺寸已經(jīng)得到確定：最小的是尺寸 A，大小為 95 mm x 120 mm，最大的是尺寸 E，推薦用于服務(wù)器，大小為 200 毫米 x 160 毫米。

　　AdvancedTCA（ATCA）： ATCA 是另一種在電信行業(yè)被廣泛采用的 PICMG 規(guī)范，電信行業(yè)對(duì)高強(qiáng)度處理器資源、密集 IO 分布和高網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求很高。許多軍事會(huì)應(yīng)用使用 ATCA 加固版本。

　　除了 PICMG，PC/104 聯(lián)盟還建立了三種不同的外形尺寸。該聯(lián)盟因此得名的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是 PC/104 外形尺寸，其名稱來(lái)源于 104 針 PCI 連接器，而該聯(lián)盟的其他外形尺寸包括 EPIC 和 EBX。

　　PC/104：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 90mm x 96mm 的電路板尺寸及其機(jī)械設(shè)計(jì)以適合牢固的應(yīng)用。該格式允許為需要大量 I/O 功能的應(yīng)用疊放多個(gè)板。 PC/104 單板計(jì)算機(jī)的一個(gè)示例是 ADLINK CM1-86DX3 ，參見(jiàn)圖 3。

　　PC 和制造商衍生的外形尺寸

　　許多工業(yè)單板計(jì)算機(jī)繼續(xù)采用英特爾和威盛（VIA）等臺(tái)式 PC 處理器供應(yīng)商建立的 PC 外形尺寸。示例包括 mini-ITX、Pico-ITX 和 nano-ITX。其他嵌入式系統(tǒng)制造商創(chuàng)建了 UTX 等格式，然后被不同的供應(yīng)商采用。 MI/O 是制造商研華（Advantech）開(kāi)發(fā)的另一個(gè)外形尺寸示例。

　　圖 4：Mini-ITX 外形尺寸與 Nano-ITX、Pico-ITX 和 mobile-ITX 規(guī)格的比較。（來(lái)源：VIA）

　　Mini-ITX：mini-ITX 規(guī)范定義了 170毫米 x 170毫米的電路板尺寸，參見(jiàn)圖 4。它最初由威盛開(kāi)發(fā)，其中一個(gè)例子是研華 AIMB-233，這款功能齊全的主板具有 Intel i7、i5、i3 或 Celeron 內(nèi)核，可容納高達(dá) 64 GB DDR4 2,400 MHz SDRAM，并具有兩個(gè) M.2 存儲(chǔ)插槽。

　　MI/O：該標(biāo)準(zhǔn)由研華開(kāi)發(fā)，具有兩種形式；緊湊（Compact）和超緊湊（Ultra）。 Compact 規(guī)范定義了比 COM-Express稍大的單板計(jì)算機(jī)，尺寸為 146mm x 102mm。 Ultra與 Pico-ITX 板尺寸相同，大小為 100mm x 72mm。

　　MI/O Ultra 板的一個(gè)示例是 研華 MIO-5272，請(qǐng)參見(jiàn)圖 5。

　　圖 5：采用MI/O Ultra 外形尺寸的研華 MIO-5273 單板計(jì)算機(jī)。（來(lái)源：研華）

　　MIO-5272 可用于 Intel i7、Intel i5、Intel i3 和 Celeron 變體。為了支持額外的外圍功能，研華設(shè)計(jì)了一種擴(kuò)展板格式MIOe，這是一種統(tǒng)一的擴(kuò)展接口連接器，可為所有 MI/O 尺寸板提供電源、USB 3.0、SMBus、顯示端口和 PCIe 連接。

　　UTX：這種單板計(jì)算機(jī) UTX 外形尺寸為 112毫米 x 137毫米，其示例包括 研華 AIMB-U233，這是一款基于 Intel 第 8 代的主板，具有全面的存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和圖形功能。電路板需要一個(gè) 12VDC 電源來(lái)供電，峰值負(fù)載時(shí)最大功率為 23W。

　　在上市時(shí)間壓力很大，不允許采用系統(tǒng)構(gòu)建方法時(shí)，另一種可用方法是使用現(xiàn)成系統(tǒng)，例如研華 ROScube-I 系列。這款堅(jiān)固耐用的嵌入式實(shí)時(shí)控制器非常適合機(jī)器人應(yīng)用，能夠提供 GPU 和 VPU 擴(kuò)展卡，可用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

　　適于工業(yè)應(yīng)用的單板計(jì)算機(jī)模塊

　　為工業(yè)應(yīng)用選擇工業(yè)計(jì)算機(jī)或 COM 可節(jié)省大量開(kāi)發(fā)時(shí)間和不可收回的工程成本。將電路板安裝到空間有限的控制機(jī)柜或外殼中需要了解其外形尺寸。我們已經(jīng)在這篇簡(jiǎn)短的文章中介紹了選擇過(guò)程中可能遇到的常見(jiàn)外形尺寸。