高可性嵌入式CPII系統的產(chǎn)業(yè)化解決方案

一、引言

以標準的計算機技術(shù)為核心的嵌入式系統，由于可以與各種各樣的復雜的設備有機地結合在一起，非常靈活地實(shí)現各種監測、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(zhù)工業(yè)控制系統對功能、性能和可靠性要求的不斷提高，高可靠性嵌入式系統作為新一代工業(yè)控制系統的核心技術(shù)和產(chǎn)品，正在被越來(lái)越多的客戶(hù)和供應商所關(guān)注，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新方案層出不窮。

由PICMG（PCI InduSTrial Computer ManuFacturesGroup）制訂并大力倡導的 Compact PCI（CPCI）技術(shù)，由于沿襲了PCI成熟的、高性?xún)r(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的高可靠性的系統結構，從面世的那天開(kāi)始，就成為新一代高可靠性系統的首選設計方案，在高性能計算機／服務(wù)器、工業(yè)控制與自動(dòng)化系統、網(wǎng)絡(luò )與通信設備以及航空航天和軍事應用領(lǐng)域都得到廣泛的應用。

最近幾年，隨著(zhù)國外著(zhù)名計算機系統公司基于CPC的產(chǎn)品和方案的推廣以及PICMG／PRC對CPCI技術(shù)的宣傳，我國的工業(yè)控制領(lǐng)域，特別是中高端的應用，正在越來(lái)越多地把CPCI應用于高性能嵌入式系統之中。

由于高可靠性嵌入式CPCI系統具有許多與眾不同的特點(diǎn)和要求，因此從設計到生產(chǎn)到應用服務(wù)都需要更為專(zhuān)業(yè)化的技術(shù)工藝和工程經(jīng)驗，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、嵌入式系統的發(fā)展

在信息化的今天，計算機已經(jīng)不再是僅僅完成計算功能的設備，它已經(jīng)成為無(wú)所不能、無(wú)處不在、與人類(lèi)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，大到航空航天飛機和工業(yè)自動(dòng)化系統的控制中心，它們都是嵌入式的計算機系統。

嵌入式的計算機系統，根據它們所控制設備的特點(diǎn)，會(huì )采用各種各樣的設計方法。從簡(jiǎn)單的單片機、單板機到復雜的多CPU、多總線(xiàn)冗余結構，都有可能成為嵌入式系統的實(shí)現方案。

無(wú)論是簡(jiǎn)單的嵌入式系統還是復雜的嵌入式系統，隨著(zhù)微電于技術(shù)和計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，每一階段都有不同于已往的產(chǎn)品實(shí)現方式。CPU從4位、 8位、16位、32位發(fā)展到64位，存儲器從幾百字節發(fā)展到幾百兆字節，通信接口的速度從幾百bPS發(fā)展到幾十GbPS，接口的數目也變得更多。這些都使嵌入式系統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的發(fā)展歷程中正在占據越來(lái)越重要的地位，成為設計和應用的首要考慮因素，并且也已經(jīng)成為競爭對手之間互相較量的重點(diǎn)。

三、高可靠性嵌入式系統的特殊需求

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

（1） 足夠強的數據處理能力

（2） 足夠高的數據傳輸速度

（3） 足夠多的外部連接接口

（4） 安全而高效的系統管理機制

（5） 標準而可靠的系統連接方式

（6） 易于維護的系統結構

（7） 良好的開(kāi)放性和可擴展性

（8） 抗惡劣環(huán)境

（9） 冗錯性強

高可靠性嵌入式系統，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工作頻率和總線(xiàn)寬度，根據系統應用要求可以配置足夠多的可以由用戶(hù)自由定義的I／O接口，從而，使系統具有比較高的性能。一個(gè)或多個(gè)系統管理設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采用的是標準而可靠的系統連接方式，采用模塊化結構設計和冗錯性設計，支持熱拔插、熱切換，以盡可能地縮短系統的不可用時(shí)間。同時(shí)，高可靠性嵌入式系統相對于一般的系統具有更強的抗惡劣環(huán)境工作能力，對高溫、高濕、震動(dòng)、輻射；和腐蝕，都有良好的防護措施。

四、CPCI的技術(shù)特點(diǎn)與系統解決方案

ICPCI定義了33MHZ／32bit－66MHZ／64bit的總線(xiàn)結構，信號傳輸速度高達528Mbyte/s。適應當今市場(chǎng)上各種主流的高性能處理器。一段CPCI總線(xiàn)可以連接一個(gè)系統設備和7個(gè)外圍設備，如果需要，可以通過(guò)橋接電路進(jìn)行擴展。每一次擴展都可以增加7個(gè)外圍設備。如果需要，通過(guò)CPCI總線(xiàn)可以十分方便地實(shí)現外圍設備的備份甚至系統設備的備份。同時(shí)，CPCI系統針對傳統電信領(lǐng)域的應用擴展了CTBUS，針對網(wǎng)絡(luò )通信領(lǐng)域的應用擴展了PSB BUS，使它可以非常方便地與這兩個(gè)領(lǐng)域的設備結合在一起，實(shí)現嵌入式的應用。CPCI系統支持冗余的電源供應方式，可以實(shí)現 1＋1，N＋l，N＋N多種電源冗余結構。系統板卡及外部設備板卡采用統一的3U或6U標準歐式板卡結構，各種板卡之間通過(guò)專(zhuān)用的背板進(jìn)行可靠的互連，而且支持帶電熱拔插。當進(jìn)行系統擴充和維護時(shí)，可以通過(guò)直接增加或更換板卡十分方便地完成，大大減少了系統維護時(shí)間，提高了系統的可用性。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，引腳數量多達535個(gè)，除了被標準的CPCI信號使用之外，還有足夠多的引腳進(jìn)行專(zhuān)門(mén)用途的擴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)現熱拔插、EMC防護等功能，更容易適應振動(dòng)、灰塵、高濕度、腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境。這種標準的板卡結構，不僅連接可靠，方便維護，而且還可以通過(guò)背板連接器的向后延長(cháng)的引腳實(shí)現背后的I／O擴展，這對許多嵌入式系統十分重要。CPCI系統采用了標準的19機箱結構，可以很容易地裝入任何標準的19機架，與其他相關(guān)設備有機地結合在一起。每個(gè) CPCI機箱都有相對獨立的電源供應和通風(fēng)冷卻系統，并且有專(zhuān)用的系統監控模塊對系統工作狀態(tài)進(jìn)行管理和監控。

CPCI機箱一般采用優(yōu)質(zhì)鋁型材，相對其他材料不僅保證了更精密的機械配合，而且在單位重量、導熱性、EMC防護等方面更有優(yōu)勢，特別適合于嵌入式系統的特殊應用需求。CPCI機箱的導軌、面板以及插卡把手的設計都對熱拔插和FMC防護給予了充分的考慮。

圖1 典型的CPCI系統結構