Systemy wbudowane spotykane są w bardzo wielu dziedzinach życia, a obszar ich zastosowań, wraz z postępem technologicznym, ulega ciągłemu poszerzaniu. Telefony komórkowe, kioski informacyjne, systemy nawigacji satelitarnej, urządzenia wykorzystywane w diagnostyce medycznej, rozwiązania dla telekomunikacji i teleinformatyki, systemy kontroli lotu, a także naturalnie roboty i maszyny przemysłowe oraz szereg układów sterowania w automatyce – to najbardziej reprezentatywne przykłady systemów wbudowanych.
Złożoność tego typu rozwiązań jest bardzo zróżnicowana – począwszy od prostych systemów powszechnego użytku bazujących na mikrokontrolerach małej mocy, a skończywszy na wieloprocesorowych, rozproszonych układach stosowanych w robotyce czy kolejnictwie. Podstawową cechą wyróżniającą systemy wbudowane na tle innych systemów komputerowych są, oprócz dedykowanego charakteru, jakość oprogramowania i stosowanych komponentów sprzętowych.
System wbudowany, ze względu na obszary zastosowań, musi być również w pełni przetestowany i stabilny – błędy w oprogramowaniu mogą być tutaj katastrofalne w skutkach. Artykuł ma na celu przybliżenie omawianej problematyki i stanowi przegląd dostępnych rozwiązań sprzętowych, systemów operacyjnych oraz omawia podstawowe problemy związane z projektowaniem rozwiązań wbudowanych.
PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW WBUDOWANYCH
Na projektowanie systemu wbudowanego składa się zarówno opracowywanie dedykowanej warstwy sprzętowej, jak i odpowiedniego oprogramowania. W tym ostatnim wydzielić można obszar systemowy i aplikacyjny.
Warstwa systemowa tworzy środowisko wykonania dla aplikacji wbudowanej i, w zależności od obszaru zastosowań, cechuje się różnym stopniem skomplikowania. W przypadku prostych systemów wbudowanych o zamkniętej, nieskalowalnej architekturze, warstwa systemowa nie jest ściśle wyodrębniona i nie zawiera mechanizmów wspierających tworzenie aplikacji.
Zaawansowane systemy, przeznaczone dla medycyny, lotnictwa, telekomunikacji czy robotyki realizowane są w oparciu o specjalne systemy operacyjne lub biblioteki, które zawierają mechanizmy i funkcje ułatwiające tworzenie aplikacji i testowanie systemu. Mimo to projektant musi rozszerzyć warstwę systemową o sterowniki dedykowanych urządzeń, wykonać odpowiednie testy i przygotować oprogramowanie aplikacyjne. Od funkcjonalności i użyteczności aplikacji zależy w dużej mierze powodzenie całego projektu.
Tworzenie systemu wbudowanego wymaga przeanalizowania wymagań, opracowania odpowiedniej architektury i jej przemyślanej dekompozycji. Każdy błąd czy zlekceważenie pewnych wymagań we wstępnych fazach projektu może prowadzić do niepowodzenia całego przedsięwzięcia. Złe decyzje projektowe pociągają za sobą często konieczność modyfikacji nie tylko oprogramowania, lecz także sprzętu.
W przypadku systemów do zastosowań krytycznych pojawia się też problem bezpieczeństwa, czyli głównie odporności systemu na awarie sprzętu, zaburzenia elektromagnetyczne oraz błędy implementacyjne. W przypadku, gdy projektowany system jest skomplikowany, na przykład system sterujący robotem w zakładzie produkcyjnym, projekt przeobraża się w skomplikowane przedsięwzięcie logistyczne, wymagające koordynacji prac kilku różnych zespołów inżynierów.
STOSOWANE PLATFORMY SPRZĘTOWE
Podstawowymi czynnikami wpływającymi na architekturę systemu wbudowanego są poziomy skomplikowania realizowanych przez niego funkcji i obszar zastosowań. Zupełnie inne wymagania stawiane są przed systemem kontroli lotu niż w przypadku urządzeń powszechnego użytku.
System kontroli lotu powinien cechować się dużą niezawodnością i odpornością na błędy, natomiast urządzenia powszechnego użytku powinny być tanie i charakteryzować się długą, bezawaryjną pracą. Ze względu na bardzo różnorodne wymagania i funkcje systemów wbudowanych nie jest możliwe zbudowanie jednej uniwersalnej platformy sprzętowej do wszystkich zastosowań.
Z punktu widzenia technicznego najlepszym rozwiązaniem jest zaprojektowanie dedykowanego sprzętu na potrzeby konkretnego zastosowania, jednak takie postępowanie nie ma uzasadnienia ekonomicznego przy produkcji małoseryjnej.
W takim wypadku lepiej zastosować gotowe platformy sprzętowe dla aplikacji wbudowanych, opierające się o ustalone standardy. Jednymi z najbardziej popularnych standardów są systemy typu: CompactPCI, PC/104 i SOM. Ważną grupę stanowią także miniaturowe i subminiaturowe rozwiązania potocznie zwane komputerami "ciasteczkowymi" (Biscuit PC). Każdy z powyższych standardów cechuje się innymi parametrami użytkowymi i obszarem zastosowań.
SYSTEMY COMPACTPCI
Rozwiązania CompactPCI znajdują zastosowanie w systemach sterowania i zaawansowanych urządzeniach telekomunikacyjnych, gdzie konieczne jest zapewnienie dużego stopnia niezawodności sprzętu, a niekiedy nawet wymiana jego komponentów w trakcie działania.
Systemy oparte o CompactPCI charakteryzują się budową modułową, dzięki czemu są skalowalne i mogą zostać dość łatwo rozszerzone o nową funkcjonalność. W przypadku urządzeń telekomunikacyjnych cecha ta nabiera istotnego znaczenia.
Pojedyncze urządzenie może zostać wyposażone w odpowiednie moduły dopasowane do konkretnej konfiguracji sieci telekomunikacyjnej. Dodatkowo w przypadku awarii pojedynczego modułu nie jest konieczna wymiana całego urządzenia, a uszkodzony element może zostać wymieniony w trakcie jego działania, co nie powoduje przerwy w dostarczaniu usług.
Należy podkreślić, że wymiana modułów w trakcie pracy, mimo odpowiedniej konstrukcji elektrycznej magistrali CompactPCI, jest możliwa wyłącznie wtedy, gdy wspiera ją odpowiednio zaprojektowane oprogramowanie urządzenia.
Historia standardu CompactPCI, zwanego dalej w skrócie CPCI, sięga 1994 roku, kiedy to został on zaprojektowany przez grupę producentów systemów automatyki i komputerów przemysłowych działających pod wspólnym szyldem organizacji PICMG (PC Industrial Computers Manufacturers Group).
Wśród członków tej organizacji są m.in. Intel, Hewlett-Packard, IBM, Motorola, Siemens, SUN. CPCI jako podstawową magistralę komunikacyjną wykorzystuje popularną magistralę PCI stosowaną w komputerach osobistych i stacjach roboczych.
Dzięki zastosowaniu PCI rozwiązania CPCI są tańsze od konkurencyjnych systemów opartych o magistralę VME, stosowanych od wielu lat w przemyśle. Najnowsza specyfikacja CPCI wykorzystuje 64-bitowy PCI-X, zapewniający transfer z szybkością powyżej 1Gbit/s i pozwala na wymianę kart bez wyłączania zasilania.
Grzegorz Kowalczyk
Z całą pewnością rośnie liczba aplikacji tworzonych na bazie tzw. komputerów kompaktowych, których moce obliczeniowe, liczba i rodzaj interfejsów oraz niezawodność spełniają zazwyczaj w zupełności wymogi projektantów różnych nowoczesnych systemów. Oczywiście jeśli chodzi o skalę projektów, to komputery do wbudowania (embedded) są wciąż niezaprzeczalnym liderem pod względem sprzedaży. Nie należy tu oczywiście pomijać komputerów panelowych czy stacji serwerowych rack 19".
Sprzęt jest oceniany jest przez pryzmat niezawodności i całkowitych kosztów posiadania, a nie tylko ceny zakupu. Dla klientów ważna jest też marka oraz długi cykl życia produktu na rynku.
W dość konserwatywnej grupie rozwiązań, jakimi są komputery przemysłowe, zauważalna staje się coraz doskonalsza miniaturyzacja. Nowoczesne, energooszczędne i wydajne wielordzeniowe procesory stosowane są obecnie powszechnie nie tylko w "pełnowymiarowych" komputerach przemysłowych typu PC, ale również w kompaktach czy płytach embedded.
Głównym formatem pozostają tzw. rozwiązania 3,5", czyli o wymiarach 146×102 mm. W bardziej skomplikowanych konstrukcjach korzysta się też często z PC/104. |
Od strony mechanicznej CPCI nawiązuje do standardu Eurokarty i VME. Poszczególne moduły w postaci kart o wymiarach zgodnych ze standardem Eurokarty i o wysokościach 3 lub 6U są wkładane do standaryzowanych kaset. Karty mogą być umieszczane poziomo lub pionowo w kasetach o różnej liczbie gniazd, różnych rozwiązaniach układów zasilania i chłodzenia, w tym redundancyjnych.
Kasety w formacie 19" mają po osiem złączy w jednym segmencie dla kart procesorowych, jednak poprzez dodanie dodatkowego mostka PCI-PCI można łatwo zwiększyć ich liczbę do 24. Charakteryzują się one różnymi gabarytami i wagą - wysokości od 1U (1 karta) do 12U.
Karty procesorowe stosowane w CompactPCI wyposażone są w procesory różnych producentów. Spotykane są procesory o modelach programowych typu RISC (np. ARM, Power PC, MIPS) oraz CISC (Intel IA32, Motorola 68K). Wybór procesora uzależniony jest przede wszystkim od specyfiki aplikacji wbudowanej oraz jej zapotrzebowania na moc obliczeniową.
Systemy CPCI są wydajne, elastyczne i niezawodne, jednak charakteryzują się wysoką ceną, znacznymi gabarytami i dużą wagą, co czyni je nieprzydatnymi w aplikacjach, gdzie istotne są małe rozmiary i niski koszt systemu.
KOMPUTERY PLATEROWE
Dla tańszych aplikacji wbudowanych właściwym rozwiązaniem są komputery wykorzystujące pasywne platery oraz karty procesorowe lub miniaturowe i subminiaturowe moduły w standardzie PC/104 i komputery "ciasteczkowe".
Rozwiązania wykorzystujące karty procesorowe zapewniają elastyczność, gdyż umożliwiają stosowanie wielu kart rozszerzeń pracujących w oparciu np. o magistralę PCI. Urządzenia te dostosowane są najczęściej do pracy w trudnych warunkach otoczenia, uwzględniając wibracje mechaniczne i różnego rodzaju zakłócenia elektromagnetyczne. Pozwalają one na zastosowanie standardowych rozwiązań wykorzystywanych w komputerach PC, a dzięki użyciu powszechnie dostępnych elementów ich serwis jest również ułatwiony.
Dzięki uznaniu standardu przez wielu producentów komputerów przemysłowych dostępna jest bardzo szeroka gama karta procesorowych, platerów i obudów. Daje to w efekcie rozwiązanie charakteryzujące się dużą elastycznością, a jednocześnie, dzięki zastosowaniu typowych rozwiązań układowych ze standardowych komputerów osobistych, możliwe jest wygodne tworzenie aplikacji.
Dostępne karty procesorowe wyposażone są w procesory o różnej mocy obliczeniowej – od procesorów czwartej generacji po najnowsze kilkurdzeniowe Pentium lub produkty innych firm, w szczególności procesory o niskim poborze mocy. Obecnie dostępne karty procesorowe wyposażone są zwykle w kilka interfejsów komunikacyjnych – co najmniej jeden interfejs sieci Ethernet (10/100 Mbps lub gigabitowy), szeregowy, USB, interfejsy dla pamięci masowych, SCSI i układy grafiki.
Obudowy komputerów platerowych występują w formie modułów 19" montowanych w stojaku, szafie lub przystosowanych do powieszenia na ścianie. Występują także jako moduły do wbudowania. Dzięki zastosowaniu wielosekcyjnych platerów możliwe jest zabudowanie do kilku jednostek procesorowych w jednej obudowie, które mogą pracować w układzie redundantnym lub niezależnie.
Niezwykła elastyczność tego rozwiązania powoduje, że komputery te znakomicie sprawdzają się w stacjonarnych systemach wbudowanych, gdzie nie ma ostrych wymagań co do gabarytów i pobieranej mocy, natomiast potrzebne są rozwiązania stosunkowo niedrogie, ale o dużych możliwościach obliczeniowych i łatwo serwisowalne. Ponieważ bardzo często istotnymi parametrami systemu wbudowanego są jednak małe gabaryty, waga i pobór mocy, zaprojektowano platformy sprzętowe w standardzie PC/104.
Krzysztof A. Kamiński,
Rozwój komputerów przemysłowych postępuje znacznie wolniej niż w przypadku komputerów powszechnego użytku, bo i czas życia tych pierwszych jest o wiele dłuższy. Obserwuje się postępującą ich miniaturyzację, większą wydajność przy zmniejszonym poborze energii i zmniejszoną emisję ciepła. Coraz lepsze konstrukcje obudów ze zintegrowanym radiatorem umożliwiają eliminację wentylatorów, a pamięci masowe w technologii Flash pozwalają pominąć stosowanie dysków mechanicznych. Komputery panelowe i embedded w podstawowej konfiguracji wyposażane są przez producentów już nie tylko w sieć bezprzewodową WiFi, ale także modem GSM. Producenci coraz powszechniej dostarczają komputery z wlutowanym procesorem i pamięcią, rezygnując z podstawek dla tych elementów. Coraz częstsze jest też dostarczanie komputerów z preinstalowanym przemysłowym systemem operacyjnym typu embedded.
Kompletne, obudowane kompaktowe komputery embedded stosowane są w krótkoseryjnych i jednostkowych konstrukcjach. Do konstrukcji rozwiązań produkowanych w wielkich seriach chętniej stosuje się same komputery jednopłytkowe ze względu na konieczność zmniejszenia kosztów. Do niedawna najważniejszym kryterium wyboru komputera przemysłowego była cena. Obecnie coraz częściej klienci zwracają uwagę na niezawodność, funkcjonalność, parametry techniczne i środow"> |
PCM-3372 firmy Advantech to moduł PC/104-Plus z procesorem VIA Eden V4, interfejsami VGA, LAN, USB, szeregowymi i wbudowaną podstawką pod Compact Flash (z tyłu płyty); cena – od około 1200zł |
SOM-5780 z Advantech zawiera procesor AMD LX800-500MHz, wbudowane interfejsy LAN, USB oraz kontroler grafiki; cena – od około 1000zł |
PC/104
Moduły PC/104 oraz PC/104-Plus (PC/104+) to kompaktowe komputery przemysłowe o wymiarach 90×96mm lub zmodyfikowanym 96×115mm. Pomimo że specyfikacja PC/104 ma już ponad 15 lat, cieszą się one dużą popularnością ze względu na możliwość łatwego rozszerzania funkcjonalności, niewielkie rozmiary oraz dostępność wielu produktów na rynku.
Płyty 3,5" i 5,25"
Komputery jednopłytkowe o wymiarach 3,5" i 5,25" stanowią platformy o wyższej mocy obliczeniowej niż PC/104, które mogą być stosowane w różnorodnych systemach wbudowanych. Bazują one najczęściej na procesorach Pentium (4, M) oraz Celeron M, coraz częściej również na Core 2 Duo.
Komputer jednopłytkowy 3,5" typu TF-GENE-8310 firmy Aaeon; urządzenie wyposażone jest w procesory Pentium M lub Celeron M, ma wbudowane interfejsy VGA, LVDS, 2×SATA, EIDE 2 porty szeregowe, 4×USB, czytnik CF i inne; cena – od 900zł (wersja z Celeron M) | NANO-7240 firmy IEI zawiera procesor bezwentylatorowy Intel Celeron 400MHz, zintegrowaną kartę graficzną, interfejs PC/104+ oraz złącza LAN, USB, szeregowe i inne; cena – około 900zł |
EPIC
EPIC (Embedded Platform for Industrial Computing) to standard przemysłowy dla niewielkich wymiarów płyt komputerowych embedded. Pod względem rozmiarów są one większe od PC/104 i mniejsze od EBX, i wynosi 115×165mm. Umożliwia to ich łatwą rozbudowę poprzez wykorzystanie m.in. różnych interfejsów I/O.
Płyty komputerowe i karty procesorowe
Komputery przemysłowe tworzone mogą być na bazie płyt głównych (motherboards) typu ATX oraz kart procesorowych łączonych z wykorzystaniem pasywnego platera typu PICMG (backplane). Oprócz wymienionych poniżej urządzeń firmy tworzą też standardy dla systemów pozwalających na stworzenie komputerów przemysłowych (obudowa, karty, itp.), czego przykładem jest DinoBlade firmy IEI.
Płyty główne
Przemysłowe płyty główne, podobnie jak ich popularne odpowiedniki na rynku komputerów osobistych, tworzą zazwyczaj kompletny system do utworzenia komputera przemysłowego. Oferowane są one oprócz standardu ATX, również w popularnych wykonaniach Mini ITX, Micro ATX oraz LPX.
Pełnowymiarowe karty procesorowe
Karty procesorowe pełnej długości oferowane są w standardzie PICMG 1.0 (złącza PCI oraz ISA) i PICMG 1.3 (SHB-Express). Produkty dostępne na rynku bazują w dużej części na procesorach Pentium (wersje 4, M, III), Core 2 Duo i Core 2 Quad oraz Xeon i zawierają do dwóch interfejsów LAN (często gigabitowe), wbudowaną kartę VGA i obsługują FSB nawet do 1333MHz.
IMBA-X9654-R10 z IEI to płyta główna w standardzie ATX do procesorów Intel LGA 775 (Core 2 Quad/Duo, Pentium), cechująca się FSB o częstotliwości 1066MHz, interfejsem PCIe ×16, złączem Gigabit Ethernet i SATA II; cena – 980zł | Karta procesorowa PCA-5124 to nowość firmy Advantech; wykorzystano w niej procesory Core 2 Duo/Core 2 Quad, chipset Intel Q35, karta zawiera m.in. dwa interfejsy Gigabit Ethernet i bazuje na magistrali PCIe ×16; cena – 1300zł |
Połówkowe karty procesorowe
Karty o zmniejszonych wymiarach w stosunku do poprzednio omawianych, bazują typowo na interfejsie PCI (na rynku dostępne są też te z ISA). Typowo cechują się mniejszą wydajnością i liczbą interfejsów niż pełnowymiarowe karty procesorowe, ale za to są tańsze i mają mniejsze wymiary.
Platery pasywne
Platery (backplanes) służą do tworzenia systemów komputerowych bazujących na kartach procesorowych. Pozwalają na łatwe połączenie kilku kart oraz późniejsze zmiany i rozbudowę systemu. Na rynku dostępne są platery m.in. w standardzie PCI Express, 64-bitowe PCI oraz rozwiązania jedno- i wielosegmentowe.
PCI-6886 produkcji Advantech zawiera procesor Intel Celeron M (w wersji bez cache L2), chipset 852GM+6300ESB i zintegrowaną dwukanałową kartę graficzną oraz interfejsy USB; cena – wersja podstawowa od 1000zł | PX-14S3-RS-R40 z IEI to popularny wśród polskich klientów plater PICMG typu mostek; zawiera 12 złączy PCI, dwa ISA; oferowany jest w cenie od 300zł |
Platformy 19" / CompactPCI
CompactPCI to standard wywodzący się z telekomunikacji, którego użycie dotyczy również komputerów przemysłowych. Zazwyczaj są to komputery w postaci kart procesorowych montowanych w obudowach 19" z platerami CompactPCI.
VME
Versa Module European (VME) to system magistralowy, w którym wykorzystywane są komputery i karty rozszerzeń. Jego zaletą jest możliwość wykorzystania kilku komputerów, które mogą komunikować się między sobą oraz korzystać wspólnie z zainstalowanych kart I/O. Wymogi mechaniczne i elektryczne stawiane komponentom VME od samego początku miały na celu wysoką odporność na warunki środowiskowe i dużą niezawodność.
Karta procesorowa 6U CompactPCI o dużej wydajności – CT11 firmy GE Fanuc Intelligent Platforms; przeznaczona jest do stosowania z procesorami Intel Core 2 Duo, zawiera do czterech interfejsów Gigabit Ethernet, PCIexpress, chipset Intel 945GM; cena – około 6000zł | Komputer VR9 firmy GE Fanuc Intelligent Platforms z pokryciem komformalnym, oparty na procesorze Pentium M; wszystkie elementy – procesor, pamięć itp. – są wlutowane na stałe; cena 20 tys. zł |
Komputery kompaktowe i inne produkty
Przemysłowy komputer kompaktowy to niewielkie urządzenie bazujące na jednym z wcześniej wymienionych standardów, które cechuje się zazwyczaj dużym stopniem ochrony obudowy i zwiększoną odpornością na drgania, co umożliwiać ma jego pracę w warunkach przemysłowych. W komputerach tego typu wykorzystuje się zazwyczaj jako radiator obudowę, mają one zewnętrzny zasilacz i wykorzystywane są, oprócz automatyki, także w układach diagnostycznych, kontroli dostępu, aplikacjach POS/POI, zastosowaniach mobilnych, Digital Signage i innych.
Komputery kompaktowe
Gotowe do użycia komputery przemysłowe stanowią popularny wśród polskich klientów produkt. Dostarczane są w formie obudowanej, mają zazwyczaj preinstalowany system operacyjny i mogą być uruchomione praktycznie zaraz po podłączeniu do systemu.
TF-AEC-6920 z Aaeon wyposażony jest w bezwentylatorowe procesory Core 2 Duo 1,6GHz lub Core 2 Duo 2,0GHz, 512MB RAM oraz złącze PCIe i PCI umożliwiające instalację pełnowymiarowych kart rozszerzeń; zawierają interfejsy: szeregowe, USB, podwójny Gigabit Ethernet oraz miejsce na wewnętrzny dysk twardy 2,5" SATA; średnia cena – 5000zł | PPC-5290GS/6614/ACE-4525AP/T-R firmy IEI – komputer panelowy z dotykowym ekranem TFT LCD o przekątej19", płytą główną POS- 6614 i zasilaczem ACE-4525AP; cena – od 4800zł |
Komputery panelowe
Stanowią połączenie komputerów przemysłowych i paneli operatorskich. Komputery tego typu zazwyczaj wyposażone są w ekran dotykowy i charakteryzują się względnie dużą mocą obliczeniową. Więcej informacji o tej grupie produktów znaleźć można m.in. w raporcie APA poświęconym komputerom panelowym (styczeń 2007) i w planowanej drugiej edycji raportu (luty 2009).
POS / IBX
Rozwiązania do tworzenia stanowisk POS (Point-of-Sale) oraz POI (Point-of-Information) to popularna grupa urządzeń pojawiających się w ofercie dostawców komputerów przemysłowych. Tworzone mogą być w oparciu o standardy IBX, Mini -ITX, EmbeddedATX i inne; często dostarczane są jako gotowe systemy (w obudowie, z dyskiem itp.).
IBX-700 produkowany przez IEI; wykorzystano w nim procesor Intel Celeron 1GHz, wbudowaną pamięć DDR2 1GB, interfejsy VGA, USB, szeregowe oraz napęd DVD i dysk twardy 2,5" | Obudowa desktop/naścienna IPC-5120 z Advantech przeznaczona jest do płyt głównych w standardzie MicroATX i umożliwia zainstalowanie do 4 kart połówkowych (montaż od frontu); cena – od 670zł |
Oferta uzupełniająca
Oprócz płyt, modułów komputerowych i gotowych urządzeń w obudowach, krajowi dostawcy komputerów przemysłowych oferują zazwyczaj elementy pozwalające na tworzenie przez klienta systemów komputerowych. Dotyczy to najczęściej sprzedaży obudów, zasilaczy, dysków twardych (w szczególności kart Compact Flash) oraz urządzeń do komunikacji z użytkownikiem – klawiatur, paneli itp. Rozszerzając asortyment kart procesorowych, oferują też często karty pomiarowe i akwizycji danych, służące do sterowania (np. silnikami) i inne.
TABELA 1. Dostawcy komputerów przemysłowych na rynku polskim (wykaz alfabetyczny) | ||
Nazwa firmy | Dystrybuowane marki produktów | www |
Astor | Wonderware | www.astor.com.pl |
AT Control System | KDT Systems, Maple Systems | www.atcontrol.pl |
Axiomtiskowe. Działania serwisowe mogą być bowiem znacznie kosztowniejsze niż zwiększony nakład inwestycyjny na podzespoły.
|
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
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%.
Marcin Herman
Wśród odbiorców popularne są komputery jednopłytkowe. Charakteryzują się one niskim poborem mocy i szerokim zakresem temperatur pracy. Pomimo niewielkiej wydajności znajdują zastosowanie w aplikacjach, gdzie kluczową cechą jest niezawodność. Dużym zainteresowaniem cieszą się również moduły SOM (System-On-Module). Klient może sam zaprojektować płytę bazową do modułu i dostosować ją do swoich potrzeb. W zależności od rodzaju urządzenia mogą być zastosowane różne płyty główne i jeden zunifikowany moduł SOM. Nie można oczywiście zapomnieć o komputerach typu Box PC. Klienci cenią je za niewielkie wymiary oraz wysoką wydajność. Bardzo dobrze sprawdzają się np. przy wyświetlaniu reklam wielkoformatowych.
Dla klientów w pierwszej kolejności ważna jest liczba interfejsów zewnętrznych oraz bezwentylatorowa obudowa, co przekłada się na wysoką niezawodność. Komputery często znajdują zastosowanie przy kontroli procesów produkcyjnych, dlatego przerwa w pracy jest praktycznie niedopuszczalna. Mnogość interfejsów daje użytkownikom spore możliwości. Oprócz portów szeregowych i Ethernetu klienci często korzystają z portów USB oraz czytników kart SD lub Compact Flash. Istotna jest również moc obliczeniowa oraz możliwość rozbudowy pamięci RAM. Najważniejsze jest jednak dla klienta, aby wybrany komputer sprawdził się jak najlepiej w danej aplikacji – wtedy kwestia jego ceny schodzi na dalszy plan. |
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 automatykaSystemy 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.
|
Rafał Jurkiewicz, Zbigniew Piątek,
Paweł Pisarczyk, Michał Sadowski