工控機(jī)設(shè)計分析與選擇

1、工業(yè)控制計算機(jī)工業(yè)控制計算機(jī)一、前言 對于家用電腦，是以時尚的外形、較高的顯卡性能、多媒體顯示性能、豐富的擴(kuò)展性能、多聲道聲卡等方面作為吸引消費者的賣點，有些高檔家用電腦甚至配備遙控器，時尚的音響，儼然一個家庭多媒體中心。 對于商用客戶，則是通過穩(wěn)重的外觀、完備的售后服務(wù)、有限的擴(kuò)展性能、高速度的運算速度等來吸引商用客戶采購。 一、前言工控電腦是完全不同的設(shè)計理念，工控電腦更多的是在惡劣的環(huán)境下使用，對產(chǎn)品的易維護(hù)性、散熱、防塵、產(chǎn)品周期、甚至尺寸方面都有著嚴(yán)格的要求。因此在設(shè)計和選擇工控機(jī)平臺的時候，考慮的更多的是機(jī)構(gòu)的設(shè)計，然后才是對性能等的考慮。工控機(jī)機(jī)箱機(jī)箱CPU卡卡無源底板無源底板工

2、業(yè)電源工業(yè)電源其他配件其他配件二、工控機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計的理念 工控機(jī)尺寸設(shè)計工控機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)設(shè)計工控機(jī)散熱剖析工控機(jī)EMC設(shè)計1、工控機(jī)的尺寸設(shè)計 工控機(jī)在很多情況下使用是應(yīng)用于某個系統(tǒng)之中，因此常常被放置在某個設(shè)備之中或上架。因此對尺寸有較嚴(yán)格的要求。根據(jù)用戶的使用情況，分為上架式和壁掛式兩種設(shè)計。 1、工控機(jī)的尺寸設(shè)計針對客戶的不同需求，會提供1U、2U、3U、4U、5U和7U高度的機(jī)箱。 一般來說，在1U或2U的機(jī)構(gòu)設(shè)計上面。由于機(jī)箱體積有限，但CPU的功耗日益加大，因此內(nèi)部散熱風(fēng)流設(shè)計變成了廠商面臨的最大問題。 對于4U，7U的機(jī)構(gòu)設(shè)計，由于機(jī)箱的體積變大，因此如何合理的利用機(jī)箱空間在有限的空

3、間內(nèi)提供更多的驅(qū)動器托架、如何提供多個擴(kuò)展卡槽位、如何支持雙CPU卡、如何抗振動、如何易于維護(hù)等因素變成機(jī)構(gòu)設(shè)計的主要考慮因素了。 1、工控機(jī)的尺寸設(shè)計 由于某些設(shè)備制造商需要把控制中心（IPC）放置在其設(shè)備之中。因此對工控機(jī)的體積有較為嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的上架式19英寸機(jī)箱體積基本很難滿足要求，因此針對此種客戶需求，推出了壁掛式的機(jī)箱。 2.工控機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)設(shè)計 易維護(hù)性極佳的擴(kuò)展性優(yōu)秀的散熱特性2、工控機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)設(shè)計 易維護(hù)性： 隨著工控機(jī)被大量用于工業(yè)現(xiàn)場，基于母板的系統(tǒng)是不靈活的，為了修復(fù)或更新系統(tǒng)需要更換整個母板。更換母板需要在母板拿走之前把所有的插卡和電纜都拔掉。這就導(dǎo)致修復(fù)或更新時系

4、統(tǒng)停機(jī)時間增加，這在工控現(xiàn)場是不可接受的。 因此工程師們想到另外一個方法，取消母板架構(gòu)，而把核心的CPU處理單元做在一張插卡上，其它的擴(kuò)展界面則做在底板上，底板是由一些連接器和無源器件組成的。這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)更新和修復(fù)簡單而且停機(jī)時間最少。這種設(shè)計理念影響了整個工控機(jī)的發(fā)展。 2、工控機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)設(shè)計 極佳的擴(kuò)展性: 傳統(tǒng)的商用母板上PCI、ISA數(shù)量固定，早期主板由于面積所顯，一般僅提供3個PCI，3個ISA槽，后來ISA在民用市場面臨淘汰，因此諸多商用主板廠商基于成本考量，取消ISA槽，或僅提供一個ISA槽。因此對于工控用戶的多樣性，商規(guī)主板提供的槽數(shù)難免捉襟見肘。PICMG1.0無源底板標(biāo)

5、準(zhǔn)最高可提供20槽，所提供的ISA、PCI數(shù)量也可根據(jù)用戶需求隨意調(diào)整。2、工控機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)設(shè)計 優(yōu)秀的散熱特性 3、工控機(jī)散熱剖析 灰塵、散熱、靜電是造成計算機(jī)不穩(wěn)定的三大主要因素。 商用PC機(jī)由于使用環(huán)境的不同，僅在散熱方面遵守AT、ATX、乃至最新的BTX架構(gòu)，而灰塵和靜電問題在普通使用環(huán)境下并不突出，因此商用PC對此考慮很少。 工控機(jī)使用環(huán)境比較特殊，經(jīng)常在高溫、粉塵、供電條件不好的環(huán)境下運行，并大多是在7X24小時環(huán)境下運行。而由于架構(gòu)的不同，商用PC的機(jī)箱設(shè)計理念也不能直接照搬到工控機(jī)。因此在散熱、防塵方面工控機(jī)必須有自己的設(shè)計理念，散熱的好壞直接影響到工控機(jī)的穩(wěn)定性，下面我們重點來

6、介紹一下工控機(jī)在散熱和防塵的特性。 3、工控機(jī)散熱剖析 早期的CPU由于功耗問題并不突出，因此工控機(jī)的散熱不是設(shè)計的主要考慮因素。但隨著人們對CPU性能需求的增加，處理器的功耗也日益增加。Intel LGA775架構(gòu)的P4處理器最大功耗居然在100W以上。工控機(jī)內(nèi)部的散熱問題也變得日益嚴(yán)峻起來。 3、工控機(jī)散熱剖析為了提升散熱效果，加大機(jī)箱內(nèi)部風(fēng)流，采用雙風(fēng)扇的設(shè)計。并基于維護(hù)考慮，將雙風(fēng)扇采用模塊式的設(shè)計理念，固定在一個抽取板上，從而容易更換。由于采用雙風(fēng)扇后，過濾網(wǎng)的面積加大，因此原有的側(cè)面抽取式過濾網(wǎng)更換方式無法適用，因此工程師們采用了濾網(wǎng)前置前開口的方式便于抽取濾網(wǎng)。 3、工控機(jī)散熱剖

7、析 1U和2U的機(jī)箱由于體積限制，都采用蝶型背板的設(shè)計，并提供模塊化的設(shè)計便于用戶維護(hù)，但由于小風(fēng)扇的CFM都比較小，因此只能多采用多風(fēng)扇來增大風(fēng)流。 3、工控機(jī)散熱剖析 壁掛式機(jī)箱要求機(jī)構(gòu)設(shè)計緊湊以便滿足各種不同場合下的應(yīng)用，機(jī)箱內(nèi)部寸土寸金，每一個空間都需要合理的應(yīng)用。但小機(jī)箱內(nèi)部由于體積所限，采用的風(fēng)扇功率也不能太大，因此小機(jī)箱的散熱更考察設(shè)計功底。 總體來說，小機(jī)箱里面有兩個最重要的散熱對象：CPU和硬盤。 下面我們來看看壁掛式機(jī)箱IPC6806的在散熱方面的設(shè)計及其后繼版本的改進(jìn)： IPC6806WH 改進(jìn)版本IPC6806W 4、EMC設(shè)計散熱口的EMC設(shè)計機(jī)箱接縫處的EMC設(shè)計機(jī)

8、箱表明的特殊設(shè)計 4、EMC設(shè)計 當(dāng)我們使用電子設(shè)備的時候，就會形成電磁干擾。EMC（Electromagnetic compatibility電磁兼容性）現(xiàn)象在我們生活中隨處可見。例如我們在看電視的時候，如果手機(jī)放在電視機(jī)旁邊，在來電時手機(jī)信號會干擾電視信號形成雪花片。而隨著日常電子設(shè)備的廣泛使用，電子設(shè)備的EMC設(shè)計正變得日益重要起來。美國的FCC認(rèn)證日本的VCCI認(rèn)證歐盟的CE認(rèn)證中國的3C認(rèn)證 無論工控機(jī)還是商用機(jī)，EMC設(shè)計中的最首先考慮的是板卡本身的EMI（電磁干擾）設(shè)計 。 現(xiàn)代工控板都采用6層板設(shè)計，并在PCB走線時嚴(yán)格遵循了時鐘線等長的概念, 采用減少電磁輻射（EMI）阻抗設(shè)

9、計與串音控制 , 走線拓?fù)涞臎Q定都充分尊守了Intel 的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。 但由于處理器的頻率的提升，單純依靠板卡本身在EMI方面的設(shè)計無法充分滿足EMC認(rèn)證的要求。因此工控機(jī)機(jī)箱的EMC設(shè)計變得更為重要了。 4、EMC設(shè)計4、EMC設(shè)計 由于用途的不同，商用PC通過的EMC認(rèn)證和工控機(jī)的EMC認(rèn)證側(cè)重點是不同的。 商用PC的EMC認(rèn)證更偏向PC機(jī)本身對人體的輻射量的考慮，所以在用料和機(jī)箱設(shè)計上都基于這個方面考慮的。 工控機(jī)的應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，EMC認(rèn)證涉及的范圍也更為廣泛，除了考慮工控機(jī)的電磁輻射干擾外，防止外界的各種因素對工控機(jī)內(nèi)部設(shè)備造成的干擾也是一個EMC設(shè)計要點。 商用PC的EMC設(shè)計是對

10、內(nèi)的，工控EMC設(shè)計是雙向的4、EMC設(shè)計散熱口的EMC設(shè)計 無論對內(nèi)還是對外，對付電磁輻射最好的方法就是用一個全密封的金屬盒子把電磁輻射體遮蔽起來，而且屏蔽用的金屬層越厚越好。 但是由于散熱、外接擴(kuò)展設(shè)備的因素。無論商用PC還是工控機(jī)，都無法做到嚴(yán)格密封的狀態(tài)。機(jī)箱關(guān)于防止電磁泄漏設(shè)計很重要的一點就是關(guān)于散熱和電磁泄漏之間的良好平衡性設(shè)計，既要充分散熱，也需要兼顧到電磁兼容方面的設(shè)計。 商用PC上所見到的，是上面這樣的散熱孔徑，圓形而多孔。 實際上防止電磁泄漏的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對散熱孔徑的大小，以及形狀是有諸多限制的，研究實驗表明，方形孔徑要比圓形孔徑具有更出色的防止電磁泄漏效果。4、EMC設(shè)計機(jī)箱

11、接縫處的EMC設(shè)計 根據(jù)理論，當(dāng)機(jī)箱上兩個接觸點之間的距離大于0.25x（波長符號）時，兩點之間就會很容易泄漏出有害的電磁輻射。因此在機(jī)箱接縫處的設(shè)計，也是考察EMC設(shè)計功底的一個重要指標(biāo)。 現(xiàn)在商用PC機(jī)的機(jī)箱鋼板厚度僅為0.6mm，鋼板的強(qiáng)度有限，難以保證機(jī)箱本身受力后不產(chǎn)生形變，并且由于現(xiàn)在商用PC基本多是立式機(jī)箱，因此側(cè)開口的面板也難以保證接縫處的緊密結(jié)合，為了克服這些現(xiàn)象，一些高檔商用PC在機(jī)箱的接縫處留有EMI彈片設(shè)計。 但工控機(jī)的使用環(huán)境復(fù)雜多變，某些環(huán)境是具有較強(qiáng)的振動性的，采用EMI彈片設(shè)計容易在振動的環(huán)境下失去彈片的彈性。 工控機(jī)采用的機(jī)箱材料為1.2mm的優(yōu)質(zhì)鋼板，本身具

12、有優(yōu)秀的抗形變特性，由于工控機(jī)機(jī)箱多為臥式的，頂部鋼板自身的重量和鋼材特性已經(jīng)能夠保證機(jī)箱壁之間的嚴(yán)密接觸。優(yōu)秀的工控機(jī)機(jī)箱在不采用EMI彈片的時候也完全可以通過CE，F(xiàn)CC等EMC認(rèn)證。4、EMC設(shè)計4、EMC設(shè)計 在板卡和機(jī)箱的接縫處，這個地方也是極其容易引起電磁泄漏的地方，商用PC由于擴(kuò)展卡較少，很少有品牌在這個地方采用EMI彈片設(shè)計。而工控機(jī)內(nèi)部會插入多塊板卡，板卡和機(jī)箱的接觸嚴(yán)密與否是電磁兼容是否優(yōu)秀的一個重要指標(biāo)，因此做工優(yōu)良的工控機(jī)會采用EMI彈片確保板卡和機(jī)箱之間的接縫緊密可靠。4、EMC設(shè)計 機(jī)箱表面的特殊設(shè)計 商用PC機(jī)箱材料多采用鍍鋅鋼板，并考慮吸收機(jī)箱內(nèi)輻射的有效性，在

13、機(jī)箱內(nèi)部沒有進(jìn)行噴漆處理，因此機(jī)箱內(nèi)壁的鍍鋅鋼板是可以導(dǎo)電的，也更容易吸收電磁輻射，這也使得商用PC機(jī)在靜電防護(hù)、電磁屏蔽方面有著先天的優(yōu)勢。商用PC的這種機(jī)箱在普通使用下沒有問題，但是如果用于工控環(huán)境則是十分不合適的。 4、EMC設(shè)計 首先、工控機(jī)在某些時候要用在有強(qiáng)烈腐蝕性的環(huán)境下，例如海上的海鹽、高速公路上排出的汽車尾氣、化工廠的氣體都具有強(qiáng)烈的腐蝕性。因此機(jī)箱內(nèi)外表面都必須要做抗腐蝕處理。 其次、有時計算機(jī)會在振動的環(huán)境下工作，在某些特殊的情況下，振動會導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)的某些電器元件接觸到機(jī)箱內(nèi)部表面，由于機(jī)箱內(nèi)壁導(dǎo)電，所以很容易造成短路，燒毀設(shè)備。 4、EMC設(shè)計 而工控機(jī)在內(nèi)部的噴漆處理

14、使得機(jī)箱內(nèi)壁不導(dǎo)電，可以杜絕這類現(xiàn)象的發(fā)生。但是正所謂成也蕭何、敗也蕭何，正是因為這些不導(dǎo)電的機(jī)箱內(nèi)壁對工控機(jī)的EMC設(shè)計有著更高的挑戰(zhàn)。工控機(jī)由于內(nèi)壁也進(jìn)行了烤漆處理，因此機(jī)箱表面不導(dǎo)電，無法象商用PC一樣形成等地體，因此只得在部分位置處留出沒有噴漆的接觸面，形成導(dǎo)電體，在整個機(jī)箱表面形成等勢體，處理工藝較為復(fù)雜。三、CPU1.發(fā)展歷史 運算核心和控制核心 P P PD 酷睿 酷睿2 2.性能指標(biāo)主頻：主頻也叫時鐘頻率，單位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用來表示CPU的運算、處理數(shù)據(jù)的速度。CPU的主頻=外頻倍頻系數(shù)。 主頻和實際的運算速度存在一定的關(guān)系，但并不是一個簡單的線性關(guān)系.外

15、頻：外頻是CPU的基準(zhǔn)頻率，單位是MHz。CPU的外頻決定著整塊主板的運行速度。在臺式機(jī)中，所說的超頻，都是超CPU的外頻。前端總線(FSB)頻率：前端總線(FSB)頻率(即總線頻率)是直接影響CPU與內(nèi)存直接數(shù)據(jù)交換速度。有一條公式可以計算，即數(shù)據(jù)帶寬=(總線頻率數(shù)據(jù)位寬)/8。外頻與前端總線(FSB)頻率的區(qū)別：前端總線的速度指的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋忸l是CPU與主板之間同步運行的速度。也就是說，100MHz外頻特指數(shù)字脈沖信號在每秒鐘震蕩一億次；而100MHz前端總線指的是每秒鐘CPU可接受的數(shù)據(jù)傳輸量是100MHz64bit8bit/Byte=800MB/s。2.性能指標(biāo)CPU的位和字長：位：在數(shù)字電路和電腦技術(shù)中采用二進(jìn)制，代碼只有“0”和“1”，其中無論是 “0”或是“1”在CPU中都是 一“位”。字長：電腦技術(shù)中對CPU在單位時間內(nèi)(同一時間)能一次處理的二進(jìn)