作者：貿(mào)澤電子 Mark Patrick

　　產(chǎn)品上市時間是許多com/tags/工業(yè)自動化" target="_blank">工業(yè)自動化應(yīng)用的關(guān)鍵考慮因素。但對于一些具體應(yīng)用，其中最為復(fù)雜的部分越來越多地是通過軟件而不是通過硬件來實現(xiàn)，這種方法允許使用商用“普通”硬件計算平臺，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。每種外形尺寸都會基于一系列明確定義的主板和模塊標準，可提供設(shè)計靈活性、有競爭力的價格和二次采購源等便利。本文將討論一些可用于整合到工業(yè)設(shè)備設(shè)計中的最流行外形尺寸。

　　工業(yè)領(lǐng)域商用計算硬件

　　從高層次上看，工業(yè)流程自動化涉及來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。傳感器可能包括限制開關(guān)、溫度、壓力和運動測量等，控制指令則通過繼電器、泵和電機驅(qū)動器等致動器執(zhí)行。

　　各個單獨控制區(qū)形成工業(yè)過程的彼此獨立部分，每個部分都配備有專用過程控制器。數(shù)百個通常由單板工業(yè) PC構(gòu)成的過程控制器可以部署在一個大型制造現(xiàn)場，雖然工業(yè) PC 本質(zhì)上與臺式機具有相同的功能，但或許也存在一些顯著差異。它們通常會在更廣泛的工作溫度范圍內(nèi)可靠地運行，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)。并非所有單板計算機或計算機模塊都適用于需要 -40 ～ +85°C 工業(yè)級溫度范圍的應(yīng)用，某些電路板只符合 0  ～ +60°C 的商業(yè)溫度范圍。

　　工業(yè)市場并不是唯一需要通用計算資源的領(lǐng)域，石油/天然氣、電信、航空和國防等領(lǐng)域也有類似要求。對于系統(tǒng)構(gòu)建者來說，通過考慮來自不同制造商且符合一組機械和功能標準的各種計算機板和模塊可以降低開發(fā)復(fù)雜性。

　　外形尺寸規(guī)格

　　一套開放的外形尺寸標準已經(jīng)在得到開發(fā)以滿足市場需求。這些為單板工業(yè) PC 和模塊計算機 （COM） 制造商提供了在一些特定市場的關(guān)注焦點，而開放標準能夠為系統(tǒng)構(gòu)建者提供二次采購源和供應(yīng)連續(xù)性的信心，無需重新設(shè)計他們的系統(tǒng)。

　　外形尺寸標準能夠確定主板的物理和機械布局，一般其規(guī)格包括電源要求、安裝孔位置、尺寸和端口布局。許多臺式 PC 主板外形尺寸標準可以追溯到 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)計算機制造商集團 （PICMG） 成立于 1994 年，擁有 140 多個成員組織，并領(lǐng)導(dǎo)了幾個重要的單板計算機和模塊標準的開發(fā)。這些標準都是開放、免版稅，并且不需要許可證。PICMG 標準包括：

　　Advanced TCA（高級 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)范演變的時間線和各種外形尺寸。

　　圖 1：COM Express 規(guī)范演變。（來源：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)、存儲方法、視頻接口和網(wǎng)絡(luò)標準。例如，COM Express Rev 3 規(guī)范在板上最多可容納四個 10 Gigabit 以太網(wǎng)接口。類型聲明（type declaration）規(guī)定了連接器（一個或兩個）及其在每個規(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)范單板計算機的一個很好例子。

　　圖 2 說明了電路板的功能以及網(wǎng)絡(luò)、電源、存儲和相關(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。（來源：凌華科技）

　　ETX 外形尺寸（嵌入式擴展）的創(chuàng)始者ETX 工業(yè)集團協(xié)會與 PCIMG 合作，實現(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算機尺寸。例如ADLINK ETX-BT搭載 Intel Atom E3800 SoC，可容納高達 8GB 的 DDR3 RAM。

　　COM-HPC：COM-Express 規(guī)范將兩個連接器限制為 440 針。然而，對于帶寬為 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)對高強度處理器資源、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標準是 PC/104 外形尺寸，其名稱來源于 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：該標準規(guī)定了 90mm x 96mm 的電路板尺寸及其機械設(shè)計以適合牢固的應(yīng)用。該格式允許為需要大量 I/O 功能的應(yīng)用疊放多個板。 PC/104 單板計算機的一個示例是 ADLINK CM1-86DX3 ，參見圖 3。

　　PC 和制造商衍生的外形尺寸

　　許多工業(yè)單板計算機繼續(xù)采用英特爾和威盛（VIA）等臺式 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）開發(fā)的另一個外形尺寸示例。

　　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，參見圖 4。它最初由威盛開發(fā)，其中一個例子是研華 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 64 GB DDR4 2,400 MHz SDRAM，并具有兩個 M.2 存儲插槽。

　　MI/O：該標準由研華開發(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稍大的單板計算機，尺寸為 146mm x 102mm。 Ultra與 Pico-ITX 板尺寸相同，大小為 100mm x 72mm。

　　MI/O Ultra 板的一個示例是 研華 MIO-5272，請參見圖 5。

　　圖 5：采用MI/O Ultra 外形尺寸的研華 MIO-5273 單板計算機。（來源：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)計了一種擴展板格式MIOe，這是一種統(tǒng)一的擴展接口連接器，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：這種單板計算機 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、網(wǎng)絡(luò)和圖形功能。電路板需要一個 12VDC 電源來供電，峰值負載時最大功率為 23W。

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

　　適于工業(yè)應(yīng)用的單板計算機模塊

　　為工業(yè)應(yīng)用選擇工業(yè)計算機或 COM 可節(jié)省大量開發(fā)時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柜或外殼中需要了解其外形尺寸。我們已經(jīng)在這篇簡短的文章中介紹了選擇過程中可能遇到的常見外形尺寸。