CPCI技術在高性能嵌入式系統(tǒng)的應用

1.引言

以標準的計算機技術為核心的嵌入式系統(tǒng)，由于可以與各種各樣的復雜的設備有機地結合在一起，非常靈活地實現(xiàn)各種監(jiān)測、控制和管理功能，已經成為工業(yè)控制領域廣為接受并得到大力發(fā)展的產品和技術方案。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)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(tǒng)作為新一代工業(yè)控制系統(tǒng)的核心技術。

由PICMG(PCI Industrial Computer ManuFacturesGroup)制訂并大力倡導的 Compact PCI(CPCI)技術，由于沿襲了PCI成熟的、高性價比的、廣泛而容易獲取的軟硬件資源，吸納和發(fā)展了VME的高可靠性的系統(tǒng)結構，從面世之初，它就成為新一代高可靠性系統(tǒng)的首選設計方案，在高性能計算機/服務器、工業(yè)控制與自動化系統(tǒng)、網絡與通信設備和航空航天和軍事應用領域都得到廣泛應用。

最近幾年，隨著國外著名計算機系統(tǒng)公司基于CPC的產品和方案的推廣以及PICMG/PRC對CPCI技術的宣傳，我國工業(yè)控制領域越來越多地把CPCI應用于高性能嵌入式系統(tǒng)之中。高可靠性嵌入式CPCI系統(tǒng)具有許多特點和要求，因此從設計到生產到應用服務都需要專業(yè)化的技術工藝和工程經驗，本文將從技術、產品和服務方面探討適合市場需要和產業(yè)發(fā)展的解決方案。

2.嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展

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)自動化系統(tǒng)的控制中心，它們都是嵌入式的計算機系統(tǒng)。根據它們所控制設備的特點，嵌入式計算機系統(tǒng)會采用多種設計方法。從簡單的單片機、單板機到復雜的多CPU、多總線冗余結構，都有可能成為嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。

隨著微電子技術和計算機軟硬件技術的發(fā)展，每一階段都有新的產品實現(xiàn)方式。CPU、存儲器、通信接口速度等的發(fā)展使嵌入式系統(tǒng)的性能得到極大的提高，功能日益豐富。高可靠性和高可用性成為設計和應用的首要考慮因素，并且也成為競爭對手之間互相較量的重點。

3.高可靠性嵌入式系統(tǒng)的特殊需求

應用高可靠性嵌入式系統(tǒng)的目的是確保系統(tǒng)性能的可靠實現(xiàn)，主要表現(xiàn)在：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(tǒng)管理機制；5標準而可靠的系統(tǒng)連接方式；6.易于維護的系統(tǒng)結構；7.良好的開放性和可擴展性；8.抗惡劣環(huán)境；9.冗錯性強。

高可靠性嵌入式系統(tǒng)一般采用高性能處理器，盡可能采用高的系統(tǒng)工作頻率和總線寬度，根據系統(tǒng)應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，一個或多個系統(tǒng)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(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)采用標準而可靠的系統(tǒng)連接方式、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(tǒng)的不可用時間。高可靠性嵌入式系統(tǒng)具有更強的抗惡劣環(huán)境工作能力，對高溫、高濕、震動、輻射;和腐蝕，都有良好的防護措施。

4.CPCI的技術特點與系統(tǒng)解決方案

ICPCI定義了33MHZ/32bit-66MHZ/64bit的總線結構，傳輸速度高達528Mbyte/s。一段CPCI總線可以連接1 個系統(tǒng)設備和7個外圍設備，還可以通過橋接電路進行擴展。每一次擴展都可以增加7個外圍設備。通過CPCI總線可以方便地實現(xiàn)外圍設備甚至系統(tǒng)設備的備份。CPCI系統(tǒng)針對傳統(tǒng)電信領域的應用擴展了CTBUS，針對網絡通信領域的應用擴展了PSB BUS，可以非常方便地與這兩個領域的設備結合，實現(xiàn)嵌入式的應用。CPCI系統(tǒng)支持冗余的電源供應方式，可以實現(xiàn) 1+1，N+l，N+N多種電源冗余結構。系統(tǒng)板卡及外部設備板卡采用統(tǒng)一的3U或6U標準歐式板卡結構，各種板卡之間通過專用的背板進行可靠的互連，且支持熱拔插。系統(tǒng)的擴充和維護可以通過直接增加或更換板卡實現(xiàn)，大大減少了系統(tǒng)維護時間，提高了系統(tǒng)可用性。板卡與背板之間選用高性能的2MM HARD METRIC連接器進行連接，在3U的板卡上定義了2個連接器，在6L的板卡上定義了5個連接器，引腳數量多達535個，還有多個引腳可進行專門用途的擴展或由使用者定義。

CPCI連接器采用針孔式連接方式，比PCI的邊沿式連接方式密度更高、連接更可靠，更容易實現(xiàn)熱拔插、EMC防護等功能，更容易適應振動、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還可以通過背板連接器的向后延長的引腳實現(xiàn)背后的I/O擴展。CPCI系統(tǒng)采用了標準的19英寸機箱結構，可以很容易地裝入標準的19機架，與相關設備有機地結合。每個 CPCI機箱都有相對獨立的電源供應和通風冷卻系統(tǒng)，并且有專用的系統(tǒng)監(jiān)控模塊對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行管理和監(jiān)控。CPCI機箱一般采用優(yōu)質鋁型材，保證了更精密的機械配合，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(tǒng)的特殊應用需求。CPCI機箱的導軌、面板和插卡把手的設計都充分考慮了熱拔插和FMC防護。

CPCI經過近10年的發(fā)展和PICMG成員的共同努力，已經成為高可靠性嵌入式系統(tǒng)的首選解決方案。

5.相關產品及應用

CPCI技術的提出已有近十年，但真正被廣泛采納和應用是在最近幾年。主要原因是與其相關的產品基礎直到最近幾年才基本建立完善。

除了基于傳統(tǒng)PCI的軟硬件內核之外，全新結構的CPCI板卡、CPCI連接器、CPCI背板、CPCI電源、CPCI機箱及其附件等產品集成在一起構成完整的高可靠性嵌入式CPCI系統(tǒng)。板卡是CPCI系統(tǒng)的核心產品，Motorola、Intel等早就有成熟的產品供應，IPC供應商如研華、凌華、研祥等也相繼推出自己的產品。CPCI背板是最為關鍵的部件，直接關系到系統(tǒng)性能的可靠實現(xiàn)。它不僅要求完全符合標準，而且還要求兼容性強，確保來自不同供應商的符合PICMG規(guī)范的板卡都能穩(wěn)定地運行在同一個系統(tǒng)中。它具有3U或6U的高度，2-21個插槽，可以方便地安裝在任何標準的歐式插箱。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背板設計要求非常高的專業(yè)化技術和豐富的工程經驗，許多參數都要使用專用的EDA工具進行反復的模擬和仿真。CPCI背板的生產裝配大多采用先進的壓接工藝，需要非常特殊的設備和工裝模具。由于CPCI背板實現(xiàn)的是高密度、高可靠性的電氣連接和非常精密的機械連接，出廠前都必須經過全面而嚴格的電學測試和光學測試，必要時還必須進行各種惡劣環(huán)境的模擬測試。CPCI背板大多適用于高性能計算機/服務器、工業(yè)控制與自動化系統(tǒng)、網絡與通信設備以及航空航天和軍事應用領域。背板、機箱、電源、風扇模塊以及系統(tǒng)監(jiān)控模塊有機組合在一起，就構成了 CPCI系統(tǒng)的基礎硬件平臺。在此硬件平臺的基礎上，系統(tǒng)設備廠商可以非常方便、快速地進行專有產品的設計，以相對低廉的成本提供高性能的系統(tǒng)產品。

以上產品基礎的建立和相關設計、生產和應用服務的技術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。

6．結論

綜合以上論述，高可靠性嵌入式系統(tǒng)的特殊應用需求決定了CPCI技術及相關產品成為它的首選方案。專業(yè)化的設計、生產和應用服務是高可靠性嵌入式CPCI系統(tǒng)產業(yè)化的必由之路。