PC/104 WCIĄŻ POPULARNY

Standard PC/104 zdefiniowany został w 1992 roku i określa parametry elektryczne oraz mechaniczne stosowanych modułów. Z punktu widzenia interfejsu standard PC/104 stanowi zmodyfikowaną magistralę ISA o zredukowanym poborze mocy. Nazwa standardu pochodzi od liczby styków na złączu modułu.

Wszystkie moduły mają ściśle określone gabaryty (90×96 mm), łączy się je w samo nośną "konstrukcję kanapkową", która charakteryzuje się dużą wytrzymałością mechaniczną. Dzięki temu oraz wykorzystaniu złączy o długich stykach i zastosowaniu tulei spinających moduły wyeliminowano potrzebę stosowania dodatkowych konstrukcji przytrzymujących jednostkę procesorową i karty rozszerzeń.

W 1996 roku powstała kolejna wersja PC/104 nazwana PC/104+ wyposażona w dwie magistrale – ISA i PCI (33/66 MHz). Zastosowanie PCI, która zapewnia dużo większą przepustowość, pozwoliło na tworzenie urządzeń o zwiększonych wymaganiach w zakresie transmisji danych, takich jak na przykład karty akwizycji obrazów, które są wykorzystywane w robotyce czy medycynie.

Oprócz standardu magistrali, PC/104 określa również maksymalną moc pobieraną przez każdy z modułów interfejsowych. Moc ta w przypadku modułu interfejsowego została określona jako 2W, natomiast dostępne moduły procesorowe pobierają moc nieprzekraczającą 7,5W. Jest to możliwe do uzyskania dzięki zastosowaniu energooszczędnych procesorów zgodnych z architekturą IA32.

Moduły procesorowe PC/104 są często wyposażone w interfejs Compact Flash, który pozwala wyeliminować mechaniczny dysk twardy i zastąpić go dyskiem typu Flash (dysk krzemowy). Dzięki temu system staje się znacznie bardziej odporny na wibracje, jednocześnie zmniejsza się pobór mocy ze źródła zasilania.

Warto zwrócić także uwagę na warunki środowiskowe, jakim musi sprostać system wbudowany. Często zachodzi konieczność zapewnienia poprawnej pracy w rozszerzonym zakresie temperatur – niektórzy producenci oferują moduły zdolne do pracy w zakresie temperatur od –40°C do +120°C. Moduły PC/104 dzięki niewielkim gabarytom, odpornej mechanicznie konstrukcji i zredukowanemu poborowi mocy znajdują zastosowanie w wielu systemach wbudowanych – zarówno przenośnych, jak i stacjonarnych.

KOMPUTERY "CIASTECZKOWE"

Komputery "ciasteczkowe" (Biscuit PC) uzupełniają opisane dotąd rozwiązania PC/104 (patrz ramka). Cechują się one nieco większymi rozmiarami, co w pewnych zastosowaniach jest zaletą, gdyż na płytce umieszczone są standardowe złącza interfejsowe, takie jak VGA, Ethernet i interfejs komunikacyjny. Płytki występują przede wszystkim w dwóch rozmiarach: 145×102mm (format dysku 3,5") i 203×146mm (format napędu 5,25").

Mniejsze płytki (3,5") są uzupełnieniem modułów PC/104, natomiast te o formacie 5,25" można określić mianem multimedialnych, gdyż często wyposażone są w układ audio (np. AC-97), kartę grafiki ze sterowaniem LCD i wyjściem telewizyjnym, a niekiedy także w układ grabbera wideo. Dzięki temu dobrze nadają się do zastosowań we wszelkich aplikacjach multimedialnych.

TECHNOLOGIA SOM

Fot.3. Płyta 3,5

Pomimo dużego wyboru gotowych platform sprzętowych dla systemów wbudowanych zdarzają się przypadki, w których nie można dobrać gotowego i spełniającego określone wymagania projektowe rozwiązania. Konstruowanie płyty głównej od podstaw jest uzasadnione tylko w przypadku produkcji wielkoseryjnej.

Gdy mamy do czynienia z produkcją małoseryjną, z pomocą przychodzi technologia SOM (System On Module). Przy jej opracowywaniu wykorzystano spostrzeżenie, że przy tworzeniu platform sprzętowych do zastosowań wbudowanych często wykorzystuje się te same rozwiązania układowe, jeśli chodzi o stosowane procesory i układy sterujące.

Różne jest natomiast otoczenie interfejsowe, różny rozkład złączy i wyprowadzeń na płycie. Mając to na uwadze, zaprojektowano moduły zawierające procesor, układ sterujący i niektóre interfejsy. Moduł taki ma standaryzowane złącze krawędziowe 144-stykowe (SODIMM) lub złącza typu "Heros" i jest dostosowany do wmontowania w płytę bazową, którą projektuje się od podstaw do konkretnej aplikacji. Ocenia się, że wykorzystanie gotowego, miniaturowego modułu pozwala skrócić czas projektowania i testowania systemu o 80%.

OPROGRAMOWANIE DLA SYSTEMÓW WBUDOWANYCH

Oprogramowanie dla systemów wbudowanych jest realizowane w oparciu o specjalne systemy operacyjne. Ze względu na dziedziny zastosowań (przemysł, telekomunikacja, medycyna) musi cechować je wysoka jakość i stabilność. Specyfika zastosowań narzuca także wiele ograniczeń związanych z mocą obliczeniową stosowanych procesorów i rozmiarem kodu wynikowego, co przekłada się na efektywność implementacji. Oprogramowanie dla systemów wbudowanych nie może być projektowane w oderwaniu od stosowanych rozwiązań sprzętowych.

W większości przypadków podstawą do tworzenia aplikacji wbudowanych są systemy operacyjne czasu rzeczywistego (RTOS – Real Time Operating Systems). Główną cechą różniącą je od systemów operacyjnych ogólnego przeznaczenia jest determinizm czasu reakcji na zachodzące zdarzenia zewnętrzne.

System gwarantuje,że aplikacje działające pod jego kontrolą otrzymają odpowiednią informację i zareagują na zachodzące zdarzenia zewnętrzne w bardzo krótkim czasie, nie dłuższym niż pewna wartość podana jako parametr systemu. Cecha ta jest niezwykle istotna w przypadku systemów sterowania stosowanych na przykład w robotyce, w których przekroczenie limitu czasowego może być katastrofalne w skutkach – na przykład robot może zbyt późno zareagować na informację o pojawiającej się przeszkodzie.

Wiele systemów operacyjnych czasu rzeczywistego nie zawiera mechanizmów pozwalających na ochronę zasobów i separację zadań, znanych z systemów ogólnego przeznaczenia, takich jak np. UNIX. Jest to spowodowane tym, że w wielu przypadkach aplikacja wbudowana jest stosunkowo prosta i składa się z kilku procesów, o ściśle określonej funkcjonalności, a stosowanie zaawansowanych procesorów wyposażonych w sprzętowe mechanizmy ochrony nie ma uzasadnienia ekonomicznego.

Fot.4. CX9010 (po lewej) to komputer wbudowany firmy Beckhoff z procesorem Intel 533MHz, wewnętrzną pamięcią Flash 32MB oraz RAM 128MB, wykorzystujący jako system operacyjny Windows CE. Z kolei CX1010 (po prawej) zawiera 256MB pamięci RAM, procesor taktowany zegarem 500MHz i wykorzystuje system Windows XP Embedded lub Windows CE.

Ze względu na obszar zastosowań i wykorzystywanie systemu operacyjnego wyłącznie jako podstawy dla działania aplikacji wbudowanej RTOS są mniejsze i lepiej przetestowane od systemów ogólnego przeznaczenia. Nierzadko są też dużo bardziej wydajne. Jest to spowodowane tym, że są projektowane od podstaw, przez małe grupy osób.

Brak związków z innymi projektami sprawia, że zawierają szereg nowatorskich rozwiązań. Ponadto z systemem jest dostarczany zestaw narzędzi uruchomieniowych, pozwalających na wygodne tworzenie i testowanie aplikacji wbudowanych. Należy wreszcie dodać, że wybór systemu operacyjnego, podobnie jak wybór platformy sprzętowej, podyktowany jest głównie poziomem skomplikowania, przeznaczeniem systemu i jego ceną.

Systemy wbudowane - alfabet automatyka Systemy wbudowane to obszerna grupa produktów obejmująca zarówno urządzenia przenośne, elektronikę konsumencką, jak też komputery do zastosowań przemysłowych. W ostatnim z przypadków wyróżnić można kilkanaście typów urządzeń, które w swojej codziennej pracy spotkać może automatyk oraz inżynier zajmujący się projektowaniem systemów wbudowanych. Przedstawiamy przegląd wybranych produktów na przykładach rozwiązań m.in. firm Advantech oraz iEi Technology (dostępne w Polsce m.in. w ofercie firm CSI, Elmark Automatyka, Guru Control Systems oraz JM elektronik). Komputery wbudowane Komputery wbudowane (embedded) przeznaczone są do wykorzystania w większych systemach i urządzeniach. W przemyśle funkcjonuje też określenia Single Board Computer (SBC) – komputery jednopłytkowe oraz Biscuit PC. Produkty tego typu oferowane są zazwyczaj w postaci nieobudowanej płytki komputerowej i cechują się niewielkimi wymiarami, w większości brakiem wentylatorów, szeroką gamą interfejsów we/wy oraz możliwością pracy w rozszerzonym zakresie temperatur. SOM/COM Standardy SOM (System-on-Module) i COM (Computer-on-Module) określają najmniejsze z komputerów wbudowanych, które zawierają procesor, zintegrowaną pamięć i kilka interfejsów komunikacyjnych. Moduły SOM bazują często na standardzie ETX, na rynku dostępne są również moduły z procesorami RISC. Do poprawnej pracy całego zestawu konieczna jest płyta bazowa, którą projektuje odbiorca SOM, zazwyczaj przy wsparciu producenta konkretnego rozwiązania. Istnieje też często możliwość zakupu zestawu startowego z referencyjną płytą bazową dostarczoną przez producenta i kompletem oprogramowania testującego oraz wspierającego projektowanie. Axiomtek www.axiomtek.pl B&R Automatyka Przemysłowa B+R Industrie Elektronik www.br-automation.com Beckhoff Automation Beckhoff Automation GmbH www.beckhoff.pl CSI Computer System for Industry Advantech, Aaeon, Diamond Systems, GE Fanuc Intelligent Platforms, Protech, inne www.csi.net.pl Elatek-Poland Avalue, Azure, Contec, Fastwel www.elatecworld.com Elmark Automatyka Advantech, Rockwell Automation, Moxa www.elmark.com.pl Guru Control Systems Adlink, Kintek, iEi Technology, ICPDAS, Axiomtek www.guru.com.pl Introl Allen Bradley, Nagasaki www.introl.pl JM elektronik iEi Technology www.jm.pl Kontron East Europe Kontron www.kontron.pl Microdis Electronic Aaeon, Nexcom www.microdis.net National Instruments Poland National Instruments www.ni.com/poland Quantum Digital-Logic, MPL, Decision, Protech, inne www.quantum.com.pl Sabur Asem, Esa www.sabur.com.pl SDS Lauer www.sds-automatyka.pl Siemens Siemens www.siemens.pl TechBase Artila, Icop, Jetway, ICPDAS, Topsccc, inne www.a2s.pl Tekniska Nematron www.tekniska.pl Tabela 2. Oferta krajowych dostawców komputerów przemysłowych (na podstawie raportu publikowanego w APA i danych firm)

Rafał Jurkiewicz, Zbigniew Piątek,

Paweł Pisarczyk, Michał Sadowski