研华工控机——基础教程

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研华工控机基础教程研华工控机基础教程((完整版完整版)) 第一部分第一部分 引言引言 工业控制计算机,中文简称工控机,英文简称 IPC(Industry Personal Computer),在工业自 动化背景下应运而生。伴随着 PC 产业的发展,得到了长足的发展。尽管 IPC 在架构上也是基于 X86 为主, 在用户使用端和 PC 电脑产业相同, 但与个人 PC 电脑产业的发展却完全是不同的道路。 个人 PC 通常分为家用电脑和商用电脑两大类。对于家用电脑,是以时尚的外形、较高的显卡性 能、多媒体显示性能、丰富的扩展性能、多声道声卡等方面作为吸引消费者的卖点,有些高档家 用电脑甚至配备遥控器,时尚的音响,俨然一个家庭多媒体中心。对于商用客户,则是通过稳重 的外观、完备的售后服务、有限的扩展性能、高速度的运算速度等来吸引商用客户采购。 工控电脑是完全不同的设计理念,工控电脑更多的是在恶劣的环境下使用,对产品的易维护性、 散热、 防尘、 产品周期、 甚至尺寸方面都有着严格的要求。 因此在设计和选择工控机平台的时候, 考虑的更多的是机构的设计,然后才是对性能等的考虑。 第二部分第二部分 正文正文 一一、、工控机的设计分析与选择工控机的设计分析与选择。。 1、工控机的尺寸设计 工控机在很多情况下使用是应用于某个系统之中,因此常常被放置在某个设备之中或上架。 因此对尺寸有较严格的要求。根据用户的使用情况,分为上架式和壁挂式两种设计。 上架式:现在市场上最为常见的研华工控机 IPC-610 就是标准的 4U 高度 19 英寸上架式机 箱。可以应用在标准的机柜之中。如图 1 所示: IPC-610H 针对客户的不同需求,我们会提供 1U、2U、3U、4U、5U 和 7U 高度的机箱。 一般来说,在 1U 或 2U 的机构设计上面。由于机箱体积有限,但 CPU 的功耗日益加大(最新 的 P4CPU 功耗已超过 100W),因此内部散热风流设计变成了厂商面临的最大问题。而机构散热 设计的功力在很大程度上反映了 一个厂商的技术实力。 (关于机构散热的设计我们 会在后期的文章中讨论)。 对于 1U 工控机,多用于对体积要求较高的电信领域,大多配合上架使用,工控机厂商通过 PICMG1.0 架构的 CPU 卡的体积优势,配合 1U 高度的蝶型底板,可支持最高 2 个 PCI 全长卡。从 而满足某些要在 1U 机箱中集成某些特殊规格卡的用户需求。 对于 4U,7U 的机构设计,由于机箱的体积变大,在狭小机箱中面临散热因素已不是主要考 虑因素。 因此如何合理的利用机箱空间在有限的空间内提供更多的驱动器托架、 如何提供多个扩 展卡槽位、如何支持双 CPU 卡、如何抗振动、如何易于维护等因素变成机构设计的主要考虑因素 了(这些我们也会在后继的文章中同读者一起来探讨) 壁挂式: 此外,由于某些设备制造商需要把控制中心(IPC)放置在其设备之中。因此对工控机的体 积有较为严格的要求。传统的上架式 19 英寸机箱体积基本很难满足要求,因此针对此种客户需 求,推出了壁挂式的机箱。例如研华的 IPC-6606/6608 壁挂机箱系列。这类机箱由于体积小, 并且应用环境在某设备内部, 因此设计理念也重在散热和扩展性能上。 下图是 IPC-6806 应用在 某测试平台的机柜内部状态。 IPC-6806 应用在某设备内部 这次我们简单讨论了工控机的尺寸上面的设计 ,工控机根据应用需求整体上可以分为两大 类上架式工控机和壁挂式工控机,后面我们将会从机构设计的散热、抗振、防尘、易于维护、防 EMC 等角度慢慢来和大家一起探讨工控机的独特特性。 二二、、工控机的架构分析工控机的架构分析。。 早期的工控机就是一个质量更好的 PC。但是随着时间的推移,工控机架构有了本质上的变 化,根据用户使用环境的变化,演变成了现在流行的底板加插卡的架构。这种架构主要有如下的 优点: 维护时间减少维护时间减少:: 随着工控机被大量用于工业现场, 基于母板的系统是不灵活的, 为了修复或更新系统需要更 换整个母板。 更换母板需要在母板拿走之前把所有的插卡和电缆都拔掉。 这就导致修复或更新时 系统停机时间增加,这在工控现场是不可接受的。 因此工程师们想到另外一个方法, 取消母板架构, 而把核心的 CPU 处理单元做在一张插卡上, 其它的扩展界面则做在底板上, 底板是由一些连接器和无源器件组成的。 这种结构使得系统更新 和修复简单而且停机时间最少。 这种设计理念影响了整个工控机的发展。 现在我们 ECG 事业群的 PC104 总线技术的嵌入式小板也和这种理念有异曲同工之妙。 研华第一款 BP 架构的产品出现在 1991 年,早期由于没有 PCI 总线,该款产品是基于 ISA 总线的。后来 PCI 总线技术成为 PC 技术的主流时,1994 年,PICMG 组织及时在无源底板结构中 导入了 PCI 技术,制定了基于 ISA/PCI 技术的 PICMG1.0 标准。 PICMG1.0 标准 极佳的扩展性极佳的扩展性 PICMG1.0 标准除了上文所阐述的系统更新和修复时间短的主要优点外,还存在另外一个主 要优点:具有极佳的扩展性。 工业现场使用工控机做控制核心,会接上多种扩展卡,扩展卡以早期的 ISA 卡、主流 PCI 卡为主,比如我们研华 IAG 部门的多种采集卡和测量卡。而视用户需求,所使用的 ISA、PCI 槽 也不同。举例来说,某些传统的数控机床厂家,为保障其早期在 ISA 技术上的投资,会采用传统 的 ISA 控制卡为主。 而一些从事视频监控的厂家, 由于 ISA 带宽根本无法满足苛刻的视频带宽需 要,必然要采用 PCI 视频捕捉卡,但是也许会同时选择几个 ISA 界面的 IO 卡配合摄像头云台使 用。因此用户对 ISA 和 PCI 插槽的需求多种多样。 传统的商用母板上 PCI、ISA 数量固定,早期主板由于面积所显,一般仅提供 3 个 PCI,3 个 ISA 槽,后来 ISA 在民用市场面临淘汰,因此诸多商用主板厂商基于成本考量,取消 ISA 槽, 或仅提供一个 ISA 槽。 因此对于工控用户的多样性, 商规主板提供的槽数难免捉襟见肘。 PICMG1.0 无源底板标准最高可提供 20 槽,所提供的 ISA、PCI 数量也可根据用户需求随意调整。 优秀的散热特性优秀的散热特性 此外采用 PICMG1.0 架构也有助于整体系统的散热,系统的风流图如下: 4U 上架机箱的散热设计 商用 PC 的散热风道设计 当然,底板加插卡的物理架构还有一些缺陷,例如,金手指处容易氧化,槽部位容易在振动 的情况下松动,因此不太适应那些具有腐蚀性和振动性的环境下。对于这些情况,业界推出了基 于 PICMG2.0 规范的 CompactPCI 技术,但由于价格、开发难度等因素,CompactPCI 在一段时期 内较难进入主流市场。 因此研华针对这种情况推出的工业母板系列作为补充 (后文会来探讨工业 母板的市场)。 三三、、工控机的散热分析工控机的散热分析。。 据统计,灰尘、散热、静电是造成计算机不稳定的三大主要因素。但商用 PC 机由于使用环 境的不同,仅在散热方面遵
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