Промышленные компьютеры. эволюция встраиваемых систем, характеристики, технические требования.

Определение встроенной и мобильной систем. Области применения и примеры использования.

Встроенная система (ВС) – это система, являющаяся частью технологического процесса, имеющая собственное управляющее вычислительное ядро (микропроцессор), обладающая минимальными массогабаритными и энергетическими характеристиками, с максимальным количеством внешних интерфейсов и предназначенная для решениястрого определенного круга задач, и ничего лишнего (и программного и аппаратного) в таком изделии быть не должно.

Под внешними интерфейсами будем понимать совокупность программно-аппаратных средств, обеспечивающих обмен данными между вычислительным ядром и периферийным оборудованием, подключаемым к ВС (например, для ПК такими внешними интерфейсами являются USB, LPT, RS-232, Bluetooth и т.п.)

Мобильной системой, называется система, удовлетворяющее данному выше определению, в состав которой АРМ входит в качестве компонента, не имеющего жесткозакрепленного местоположения. При изменении его местоположения все характеристики и назначение системы, как функциональной части технологического процесса, сохраняются.

Для современных производств (особенно отечественных) необходим мощный и недорогой, неприхотливый и универсальный, компактный, но с полным набором модулей ввода/вывода компьютер. Такой компьютер может непосредственно располагаться на объекте, содержать операторскую панель для контроля и корректировки процесса, при необходимости иметь возможность подключения в локальную сеть предприятия либо глобальную сеть.

Промышленные компьютеры. Эволюция встраиваемых систем, характеристики, технические требования.

1-ый этап. На первом этапе ВС представляла собой набор программируемых цифровых микросхем, устанавливаемых на одной печатной плате и имеющих раз и навсегда жестко заданный алгоритм своего функционирования.

В дальнейшем эта плата устанавливалась, например, в станок с ЧПУ, к плате м.б. подключены датчики выходных сигналов, внешние исполнительные устройства и т.д.

Основным недостатком в таком подходе к построению ВС являлся большой размер и сложность перепрограммирования, т.е. изменение функциональности (например, для увеличения числа входных/выходных портов). А в ряде случаев и невозможность такого программирования без физического изменения аппаратных ресурсов.

2-ой этап. Началом этого этапа явились успехи миниатюризации в электронике, которые позволили интегрировать вычислительное ядро с периферийными микросхемами в виде одной микросхемы — однокристального микроконтроллера.

При этом автоматически устранялся недостаток, указанный выше, т.к. расширение функциональности уже было заложено в структуру чипа в виде программно подключаемых модулей.

3-ий этап. Расширение функциональности – расширение сетевых функций, добавление интерфейсов связи с ПК, увеличение числа портов ввода-вывода и т.д. Все это привело к созданию промышленных контроллеров, на которых уже четко разделялись функции вычислительного ядра и интерфейсов ввода-вывода.

Все это размещалось, как правило, в герметической коробке с прорезями для подключения проводов и имело связь с ПК.

4-ый этап. Основанием для дальнейшего развития ВС явился главный недостаток контроллеров предыдущих этапов – необходимость их низкоуровневого программирования на ассемблере того микропроцессора, который был установлен производителем контроллера

Выходом в данной ситуации явилось использование микропроцессоров фирмы Intel семейства х86, работающих под управлением MS-DOS, зашитой в микросхеме BIOS.

Такие контроллеры стали называться PC-совместимыми и в настоящее время являются вершиной развития ВС.

Характеристики встраиваемых систем.Технические требования

Особую нишу на рынке встраиваемых систем занимают BC для жёстких условий эксплуатации, под которыми обычно понимают «индустриальный» диапазон температур (-40…+85°С) и сильные механические воздействия (удары и вибрации до нескольких g).

1. Минимизация стоимости электронных компонентов ВС.

Многие из встраиваемых систем изготавливаются миллионными тиражами, поэтому для них особенно актуальна задача минимизации стоимости электронных компонентов, входящих в систему. Это достигается использованием специальных микропроцессоров, отличающихся упрощенной архитектурой, малой производительностью и стоимостью по сравнению с процессорами общего назначения, такими как Intel, Pentium.

2. Размер. Размер играет важную роль практически во всех случаях, но критичен в основном для мобильных применений, особенно в авионике. Определяется форм-фактором и количеством плат расширения.

3. Потребление минимума энергии. Энергопотребление тесно связано с допустимым верхним пределом диапазона рабочих температур. Для жёстких условий эксплуатации важным фактором является возможность автоматического понижения тактовой частоты процессора при возникновении опасности перегрева.

4. Повышенная устойчивость к воздействиям внешней среды. Устойчивость к механическим воздействиям – важнейшее требование при эксплуатации изделия в промышленности и на транспорте. Преимущество по этой позиции получают системы, имеющие максимальное количество компонентов, напаянных на плату, и минимальное количество соединительных разъёмов, чувствительных к ударам или вибрации.

Энергозависимая память вместо жесткого диска. Даже при наличии небольших вибраций желательно применять только твердотельную память (флэш-память) вместо стандартных механических жёстких дисков.

С вибрациями и ударами борются, применяя прочные корпуса, закрепляя платы расширения дополнительными амортизирующими скобами и размещая дисковые накопители на специальной виброударостойкой подвеске.

5. Модульность и исключительные возможности расширения.

ВС снабжается многочисленными расширениями – для получения и обработки сигналов от различных датчиков, сигнальных процессоров и управления множеством исполнительных устройств;

Привычной глазу «материнской» платы здесь, как правило, нет. Процессорная плата наравне с периферийными вставляется в пассивную объединительную кроссплату с большим числом слотов расширения. Такая модульная конструкция облегчает техническое обслуживание и позволяет быстро заменять модули в случае их выхода из строя.

6. Возможность эксплуатации в широком температурном диапазоне.

Допустимый нижний предел наиболее актуален для устройств, работающих на улице или в помещениях с неустойчивым энергоснабжением. Впрочем, всегда можно рассмотреть вариант с резервным источником питания и нагревателем, управляемым от простейшего термостата.

7. Устойчивость к электромагнитным помехам.

Эта характеристика очень актуальна при эксплуатации устройств вблизи генераторов, моторов и иных источников сильных электромагнитных полей и электростатических разрядов. Также важно подбирать адекватный источник питания, не дающий сильных переходных выбросов при включении и отключении; в противном случае он может стать причиной нестабильного запуска системы.

8. Надёжность, ремонтопригодность и среднее время безотказной работы. Требование безостановочной работы в течение долгих лет (время наработки на отказ более 200 000 часов для Simmens, 20 000 часов для Advantech).

9. Гибкость — возможность наращивания и варьирования функций конечной системы путем комплексирования BC с платами расширения чрезвычайно важна в системах с широким спектром задач. Чем шире выбор серийно выпускаемых плат расширения, тем больше возможностей у системного интегратора создать на базе одного BC целую гамму систем для конечных пользователей. В условиях современного постоянно меняющегося рынка гибкость является одним из основных критериев выбора BC, поскольку дает возможность быстрой адаптации к новым требованиям пользователей.

Промышленные компьютеры. эволюция встраиваемых систем, характеристики, технические требования.

Статьи к прочтению:

Промышленные компьютеры Pro-face

Похожие статьи: