高可靠性嵌入式系統(tǒng)CPCI的技術(shù)特點(diǎn)與系統(tǒng)解決方案

　　一、引言

　　以標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的嵌入式系統(tǒng)，由于可以與各種各樣的復(fù)雜的設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起，非常靈活地實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)測(cè)、控制和管理功能，已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域廣為接受并得到大力發(fā)展的產(chǎn)品和技術(shù)方案。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)功能、性能和可靠性要求的不斷提高，高可靠性嵌入式系統(tǒng)作為新一代工業(yè)控制系統(tǒng)的核心技術(shù)和產(chǎn)品，正在被越來越多的客戶和供應(yīng)商所關(guān)注，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新方案層出不窮。

　　由PICMG(PCI Industrial Computer ManuFacturesGroup)制訂并大力倡導(dǎo)的 Compact PCI(CPCI)技術(shù)，由于沿襲了PCI成熟的、高性價(jià)比的、廣泛而容易獲取的軟硬件資源，并吸納和發(fā)展了VME的高可靠性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從面世的那天開始，就成為新一代高可靠性系統(tǒng)的首選設(shè)計(jì)方案，在高性能計(jì)算機(jī)/服務(wù)器、工業(yè)控制與自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備以及航空航天和軍事應(yīng)用領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。

　　最近幾年，隨著國(guó)外著名計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司基于CPC的產(chǎn)品和方案的推廣以及PICMG/PRC對(duì)CPCI技術(shù)的宣傳，我國(guó)的工業(yè)控制領(lǐng)域，特別是中高端的應(yīng)用，正在越來越多地把CPCI應(yīng)用于高性能嵌入式系統(tǒng)之中。

　　由于高可靠性嵌入式CPCI系統(tǒng)具有許多與眾不同的特點(diǎn)和要求，因此從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)到應(yīng)用服務(wù)都需要更為專業(yè)化的技術(shù)工藝和工程經(jīng)驗(yàn)，本文從技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)幾個(gè)方面探討適合市場(chǎng)需要和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的解決方案。

　　二、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展

　　在信息化的今天，計(jì)算機(jī)已經(jīng)不再是僅僅完成計(jì)算功能的設(shè)備，它已經(jīng)成為無所不能、無處不在、與人類生活密切相關(guān)的東西。小到各種家用電器和通信終端的控制電路，大到航空航天飛機(jī)和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的控制中心，它們都是嵌入式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　嵌入式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)它們所控制設(shè)備的特點(diǎn)，會(huì)采用各種各樣的設(shè)計(jì)方法。從簡(jiǎn)單的單片機(jī)、單板機(jī)到復(fù)雜的多CPU、多總線冗余結(jié)構(gòu)，都有可能成為嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

　　無論是簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)還是復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，隨著微電于技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，每一階段都有不同于已往的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方式。CPU從4位、 8位、16位、32位發(fā)展到64位，存儲(chǔ)器從幾百字節(jié)發(fā)展到幾百兆字節(jié)，通信接口的速度從幾百bPS發(fā)展到幾十GbPS，接口的數(shù)目也變得更多。這些都使嵌入式系統(tǒng)的性能得到了極大的提高，功能日益豐富。同時(shí)，高可靠性和高可用性在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程中正在占據(jù)越來越重要的地位，成為設(shè)計(jì)和應(yīng)用的首要考慮因素，并且也已經(jīng)成為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之間互相較量的重點(diǎn)。

　　三、高可靠性嵌入式系統(tǒng)的特殊需求

　　高可靠性嵌入式系統(tǒng)的特殊需求，概括地用一句話來表示就是確保系統(tǒng)性能的可靠實(shí)現(xiàn)。主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

　　(1) 足夠強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力

　　(2) 足夠高的數(shù)據(jù)傳輸速度

　　(3) 足夠多的外部連接接口

　　(4) 安全而高效的系統(tǒng)管理機(jī)制

　　(5) 標(biāo)準(zhǔn)而可靠的系統(tǒng)連接方式

　　(6) 易于維護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　(7) 良好的開放性和可擴(kuò)展性

　　(8) 抗惡劣環(huán)境

　　(9) 冗錯(cuò)性強(qiáng)

　　高可靠性嵌入式系統(tǒng)，一般都選用先進(jìn)的高性能的處理器，在可能的情況下，盡可能采用比較高的系統(tǒng)工作頻率和總線寬度，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用要求可以配置足夠多的可以由用戶自由定義的I/O接口，從而，使系統(tǒng)具有比較高的性能。一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)管理設(shè)備以及安全而高效的軟硬件管理體制可以保證高可靠性嵌入式系統(tǒng)性能的充分發(fā)揮和利用;在物理特征上，高可靠性嵌入式系統(tǒng)采用的是標(biāo)準(zhǔn)而可靠的系統(tǒng)連接方式，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和冗錯(cuò)性設(shè)計(jì)，支持熱拔插、熱切換，以盡可能地縮短系統(tǒng)的不可用時(shí)間。同時(shí)，高可靠性嵌入式系統(tǒng)相對(duì)于一般的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗惡劣環(huán)境工作能力，對(duì)高溫、高濕、震動(dòng)、輻射;和腐蝕，都有良好的防護(hù)措施。

　　四、CPCI的技術(shù)特點(diǎn)與系統(tǒng)解決方案

　　ICPCI定義了33MHZ/32bit-66MHZ/64bit的總線結(jié)構(gòu)，信號(hào)傳輸速度高達(dá)528Mbyte/s。適應(yīng)當(dāng)今市場(chǎng)上各種主流的高性能處理器。一段CPCI總線可以連接一個(gè)系統(tǒng)設(shè)備和7個(gè)外圍設(shè)備，如果需要，可以通過橋接電路進(jìn)行擴(kuò)展。每一次擴(kuò)展都可以增加7個(gè)外圍設(shè)備。如果需要，通過CPCI總線可以十分方便地實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的備份甚至系統(tǒng)設(shè)備的備份。同時(shí)，CPCI系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)電信領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)展了CTBUS，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)展了PSB BUS，使它可以非常方便地與這兩個(gè)領(lǐng)域的設(shè)備結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)嵌入式的應(yīng)用。CPCI系統(tǒng)支持冗余的電源供應(yīng)方式，可以實(shí)現(xiàn) 1+1，N+l，N+N多種電源冗余結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)板卡及外部設(shè)備板卡采用統(tǒng)一的3U或6U標(biāo)準(zhǔn)歐式板卡結(jié)構(gòu)，各種板卡之間通過專用的背板進(jìn)行可靠的互連，而且支持帶電熱拔插。當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)充和維護(hù)時(shí)，可以通過直接增加或更換板卡十分方便地完成，大大減少了系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的可用性。板卡與背板之間選用高性能的2MM HARD METRIC連接器進(jìn)行連接，在3U的板卡上定義了2個(gè)連接器，在6L的板卡上定義了5個(gè)連接器，引腳數(shù)量多達(dá)535個(gè)，除了被標(biāo)準(zhǔn)的CPCI信號(hào)使用之外，還有足夠多的引腳進(jìn)行專門用途的擴(kuò)展或者由使用者自己定義。

　　CPCI連接器采用針孔式連接方式，不僅比PCI的邊沿式連接方式密度更高、連接更可靠，而且更容易實(shí)現(xiàn)熱拔插、EMC防護(hù)等功能，更容易適應(yīng)振動(dòng)、灰塵、高濕度、腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境。這種標(biāo)準(zhǔn)的板卡結(jié)構(gòu)，不僅連接可靠，方便維護(hù)，而且還可以通過背板連接器的向后延長(zhǎng)的引腳實(shí)現(xiàn)背后的I/O擴(kuò)展，這對(duì)許多嵌入式系統(tǒng)十分重要。CPCI系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)的19機(jī)箱結(jié)構(gòu)，可以很容易地裝入任何標(biāo)準(zhǔn)的19機(jī)架，與其他相關(guān)設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起。每個(gè) CPCI機(jī)箱都有相對(duì)獨(dú)立的電源供應(yīng)和通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，并且有專用的系統(tǒng)監(jiān)控模塊對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行管理和監(jiān)控。

　　CPCI機(jī)箱一般采用優(yōu)質(zhì)鋁型材，相對(duì)其他材料不僅保證了更精密的機(jī)械配合，而且在單位重量、導(dǎo)熱性、EMC防護(hù)等方面更有優(yōu)勢(shì)，特別適合于嵌入式系統(tǒng)的特殊應(yīng)用需求。CPCI機(jī)箱的導(dǎo)軌、面板以及插卡把手的設(shè)計(jì)都對(duì)熱拔插和FMC防護(hù)給予了充分的考慮。

　　圖1 典型的CPCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖2 3U CPCI板卡及背板結(jié)構(gòu)

　　圖3 CPCI背板連接器熱拔插結(jié)構(gòu)及 REAR…結(jié)構(gòu)示圖

　　CPCI作為新一代工業(yè)計(jì)算機(jī)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過近10年的發(fā)展和遍布全球的PICMG成員的共同努力，已經(jīng)成為當(dāng)代高可靠性嵌入式系統(tǒng)的首選的解決方案。

　　五、相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用

　　一項(xiàng)好的技術(shù)，它的成功與否，不僅僅取決于它的設(shè)計(jì)思想是否先進(jìn)、是否完美，而是往往取決于它是否有良好的實(shí)現(xiàn)手段。

　　CPCI技術(shù)也不例外。從它的提出到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了近十年的時(shí)間，但真正被廣泛采納和應(yīng)用也僅僅是最近的幾年。主要原因就是，與其相關(guān)的產(chǎn)品基礎(chǔ)直到最近幾年才基本建立完善。

　　除了基于傳統(tǒng)PCI的軟硬件內(nèi)核之外，全新結(jié)構(gòu)的CPCI板卡、CPCI連接器、CPCI背板、CPCI電源、CPCI機(jī)箱及其附件，等等，這一系列的產(chǎn)品集成在一起才構(gòu)成完整的高可靠性嵌入式CPCI系統(tǒng)。

　　各種CPCI板卡是CPCI系統(tǒng)的核心產(chǎn)品，許多世界著名的公司如MOTOROLA、INTEL早就有成熟的產(chǎn)品供應(yīng)，中國(guó)大陸和***地區(qū)的許多著名的IPC供應(yīng)商如研華、凌華、研祥等也相繼推出自己的產(chǎn)品。

　　CPCI背板是CPCI系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件，直接關(guān)系到系統(tǒng)性能的可靠實(shí)現(xiàn)。它不僅要求完全符合標(biāo)準(zhǔn)，而且還要求兼容性強(qiáng)，確保來自不同供應(yīng)商的符合PICMG規(guī)范的板卡都能穩(wěn)定地運(yùn)行在同一個(gè)系統(tǒng)中。它具有3U或6U的高度，2-21個(gè)插槽，可以方便地安裝在任何標(biāo)準(zhǔn)的歐式插箱。為了保證高密度的布線要求和精確的阻抗匹配，CPCI背板的PCB一般都在10層以上。CPCI背板的設(shè)計(jì)要求具備非常高的專業(yè)化技術(shù)和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，許多參數(shù)都要使用專用的EDA工具進(jìn)行反復(fù)的模擬和仿真。CPCI背板的生產(chǎn)裝配大多采用先進(jìn)的壓接工藝，需要非常特殊的設(shè)備和工裝模具。由于CPCI背板實(shí)現(xiàn)的是高密度、高可靠性的電氣連接和非常精密的機(jī)械連接，所以，出廠前都必須經(jīng)過全面而嚴(yán)格的電學(xué)測(cè)試和光學(xué)測(cè)試，必要時(shí)還必須進(jìn)行各種惡劣環(huán)境的模擬測(cè)試。

　　CPCI背板的使用環(huán)境大多是高性能計(jì)算機(jī)/服務(wù)器、工業(yè)控制與自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備以及航空航天和軍事應(yīng)用領(lǐng)域，因此，要求應(yīng)用和服務(wù)人員必須具有非常強(qiáng)的相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)和系統(tǒng)知識(shí)。

　　CPCI背板、CPCI機(jī)箱、CPCI電源、CPCI風(fēng)扇模塊以及CPCI系統(tǒng)監(jiān)控模塊有機(jī)組合在一起，就構(gòu)成了CPCI系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件平臺(tái)。在此硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)備廠商可以非常方便、快速地進(jìn)行專有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，可以以相對(duì)低廉的成本提供高性能的系統(tǒng)產(chǎn)品。

　　以上產(chǎn)品基礎(chǔ)的建立和相關(guān)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用服務(wù)的技術(shù)保證為高可靠性的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展提供了必要而充分的條件。

　　圖4 CPCI背板及CPCI機(jī)箱

　　六、結(jié)論

　　綜合以上論述，不難看出，高可靠性嵌入式系統(tǒng)的特殊應(yīng)用需求決定了CPCI技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品必然成為它的首選方案。它的發(fā)展必須建立在完善的產(chǎn)品基礎(chǔ)之上。專業(yè)化的設(shè)計(jì)、專業(yè)化的生產(chǎn)和專業(yè)化的應(yīng)用服務(wù)是高可靠性嵌入式CPCI系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的必由之路。