Systemy wbudowane i komputery przemysłowe

Architektura systemu wbudowanego zależy od funkcjonalności urządzenia, którego jest on częścią, stopnia jej złożoności oraz zakresu jego zastosowania - od niektórych urządzeń oczekuje się dużej niezawodności, w przypadku innych priorytetem jest zaś cena i żywotność. Najlepiej zatem byłoby zaprojektować część sprzętową od zera, kompleksowo.

Niestety nie zawsze się to opłaca, przykładowo w produkcji krótkoseryjnej albo nie jest możliwe z innych powodów, na przykład krótkiego terminu realizacji zamówienia na dane urządzenie. Trzeba wtedy sięgnąć po dostępne na rynku, gotowe, standaryzowane platformy sprzętowe. Zapewnia to oszczędność czasu, który zajęłoby przygotowanie projektu i jego przetestowanie, jak i innych zasobów przedsiębiorstwa. Przykładem produktów, z których w takich wypadkach chętnie korzystają producenci maszyn przemysłowych, są komputery jednopłytkowe (Single Board Computer, SBC).

MODUŁY PC/104 SĄ NADAL POPULARNE

Komputery jednopłytkowe mają postać niewielkiej, nieobudowanej płytki elektronicznej. Są one dostępne w różnych formatach. Jednymi z popularniejszych w przemyśle są wciąż, pomimo ponad 20-letniej obecności na rynku, moduły PC/104. Do ich zalet zalicza się: niewielkie rozmiary, łatwą obsługę i dużą elastyczność konfiguracji. Równocześnie charakteryzuje je funkcjonalność zbliżona do tej zapewnianej przez standardowe komputery przemysłowe.

Płytki typu PC/104 mają ściśle określone rozmiary, które wynoszą 90×96 mm. Z ich nazwy wynika z kolei liczba styków na złączu. Pojedyncze moduły łączy się ze sobą, tworząc samonośną, bardzo wytrzymałą konstrukcję "kanapkową", bez konieczności stosowania dodatkowych rozwiązań do podtrzymywania jednostki procesorowej oraz kart rozszerzeń.

Zestandaryzowano również maksymalną moc pobieraną przez każdy z modułów. Wynosi ona 2 W w przypadku tych interfejsowych oraz 7,5 W dla modułów procesorowych.

KOMPUTERY JEDNOPŁYTKOWE - PRZEGLĄD FORMATÓW

Kilka lat po wprowadzeniu standardu PC/104 opracowano jego kolejną wersję - PC/104+. Moduły tego typu są dodatkowo wyposażone w magistralę PCI. Zapewnia ona większą przepustowość, co pozwala na ich wykorzystywanie do budowy urządzeń wymagających szybkiego przetwarzania dużych ilości danych, m.in. pomiarowych i tych z funkcją rejestracji obrazów. Przykładem są roboty przemysłowe współpracujące z systemami wizyjnymi.

Do grupy komputerów jednopłytkowych zalicza się również płytki o wymiarach 3,5" oraz 5,25". Kolejne przykłady to płyty w standardach EBX (Embedded Board eXpandable), które są jednymi z większych SBC (203×146 mm) i EPIC (Embedded Platform for Industrial Computing).

Te ostatnie pod względem wymiarów stanowią rozwiązanie pośrednie między modułami PC/104 a EBX. Są prawie dwukrotnie większe (165×115 mm) niż te pierwsze, a przy tym nieco mniejsze od płytek drugiego typu.

MODUŁY SOM/COM, NOWOŚCI NA RYNKU SBC

Alternatywą dla wymienionych typów komputerów jednopłytkowych, wtedy gdy nie opłaca się projektować urządzenia w całości od podstaw, ale równocześnie wymaga ono indywidualnych rozwiązań, są moduły SoM (System on Module) i CoM (Computer on Module). Zawierają one komponenty, które stanowią bazę dla większości platform sprzętowych systemów wbudowanych, czyli procesor, zintegrowaną pamięć i wybrane interfejsy komunikacyjne. Moduły SOM / COM wmontowuje się w płyty bazowe, które są projektowane już pod kątem wymogów konkretnego urządzenia. Systemy wbudowane tworzone są też na bazie płyt głównych typu ATX oraz kart procesorowych, które łączy się z wykorzystaniem pasywnego platera (backplane).

Technologia komputerów jednopłytkowych jest wciąż rozwijana - m.in. na rynek wprowadzane są płytki w nowych formatach. W ostatnim czasie takimi przykładami są moduły 2,5", pico-ITX oraz nano-ITX. Pozostałe nowości na rynku SBC są z kolei najczęściej efektem postępu w elektronice, głównie rozwoju technologii procesorów, chipsetów, pamięci oraz interfejsów komunikacyjnych. Na przykład wraz z wprowadzeniem do sprzedaży przez firmę Intel procesorów z rodziny Atom, których zaletą jest ograniczony pobór mocy oraz zredukowana emisja ciepła, można było całkiem zrezygnować z chłodzenia wymuszonego.

WYDAJNOŚĆ OBLICZENIOWA NIE JEST JUŻ NAJWAŻNIEJSZA

Energooszczędność, obok takich cech jak: liczba oraz różnorodność interfejsów komunikacyjnych, dostępność kart rozszerzeń, wsparcie dla obsługi popularnych wyświetlaczy z panelem dotykowym, pomoc techniczna ze strony producenta, okres dostępności na rynku, wymiary i stopień integracji, to najważniejsze kwestie, na które zwracają uwagę kupujący komputery jednopłytkowe. Wydajność obliczeniowa, dawniej będąca priorytetem, dzięki rozwojowi elektroniki straciła obecnie na znaczeniu - w większości SBC jest bowiem na tyle duża, że spełnia wymagania najbardziej złożonych aplikacji.

W ramce przedstawiamy przykłady komputerów jednopłytkowych różnych typów z oferty wybranych polskich dostawców. Projektując system wbudowany, dobrać należy również odpowiednie oprogramowanie. Można w nim wyróżnić część systemową oraz aplikacyjną. Ta pierwsza stanowi środowisko wykonania dla drugiej.

SPECYFIKA I KLASYFIKACJA SYSTEMÓW RTOS

Podstawą systemów wbudowanych w przemyśle są najczęściej systemy operacyjne czasu rzeczywistego (Real Time Operating Systems, RTOS). Ich cechą charakterystyczną jest to, że gwarantują determinizm czasowy reakcji. To oznacza, że aplikacje, których działanie kontrolują, zrealizują swoje funkcje w odpowiedzi na zdarzenie zewnętrzne w krótkim, skończonym czasie. Taka możliwość jest szczególnie pożądana w automatyce, w systemach sterowania.

Dostępne są systemy RTOS różnego typu. Przykładem są te sterowane czasem oraz sterowane zdarzeniami. W pierwszych elementy aplikacji są uruchamiane w momencie nadejścia przerwania zegarowego. Dzięki temu nie występują w nich przeciążenia wywołane przez nagromadzenie się zdarzeń zewnętrznych. Systemy RTOS drugiego rodzaju reagują natomiast asynchronicznie na przerwania sprzętowe. Jeśli uruchomionych jest jednocześnie wiele programów, łatwo w ich przypadku o przeciążenie.

ARCHITEKTURY SYSTEMÓW

Wyróżnia się też systemy czasu rzeczywistego z własnym zestawem funkcji systemowych oraz te, które korzystają z bibliotek standaryzowanych. Ze względu na model licencjonowania dzieli się je na te niekomercyjne z otwartym kodem źródłowym, komercyjne i z licencją hybrydową, która jest połączeniem dwóch pierwszych. Systemy RTOS klasyfikuje się również ze względu na architekturę jądra.

To ostatnie może mieć na przykład formę modułu wykonawczego czasu rzeczywistego, w którym wszystkie elementy systemu operacyjnego i aplikacje użytkownika znajdują się w jednej przestrzeni adresowej. Innym rozwiązaniem jest jądro monolityczne.

W jego przypadku większość elementów systemu oraz sterowniki znajdują się w jednej przestrzeni adresowej, a inne pozostają oddzielone od głównego jądra i działają jako serwery w swojej przestrzeni adresowej. W przypadku mikrojądra wszystkie elementy systemu oraz aplikacje znajdują się poza obszarem jądra.

PRZYKŁADY SYSTEMÓW RTOS

Przykładem popularnego w przemyśle systemu czasu rzeczywistego, który ze względu na architekturę jądra można zaliczyć do pierwszej grupy, jest VxWorks. Systemem RTOS opartym na mikrojądrze jest z kolei system QNX. Dzięki wdrożeniu w nim tego rozwiązania do jego zalet zalicza się stabilność, niezawodność, skalowalność i łatwość dostosowania się do specyficznych potrzeb użytkowników. Największą wadą systemów z mikrojądrem są problemy z wydajnością w przypadku realizacji bardziej złożonych operacji. Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej procesorów ta ostatnia kwestia coraz bardziej traci jednak na znaczeniu.

Przykładem systemu z jądrem monolitycznym jest z kolei RT-Linux. Jego największe wady w związku z tym to duże rozmiary i zapotrzebowanie na pamięć. Jest on także mało skalowalny i trudno go dostosować do specyficznych potrzeb konkretnego zastosowania. W ramce przedstawiono inne cechy systemów czasu rzeczywistego, na które warto zwrócić uwagę przy wyborze konkretnego oprogramowania.

JAK SIĘ ZWIĘKSZA ODPORNOŚĆ IPC NA TRUDNE WARUNKI?

Alternatywą dla nieobudowanych płytek SBC są komputery przemysłowe (Industrial PC, IPC). Są to konstrukcje zakryte, zwykle wyposażone w zewnętrzny zasilacz, w których wdrożono specjalne rozwiązania zwiększające ich odporność na trudne warunki pracy. Ich odmianą są komputery panelowe. Urządzenia te stanowią połączenie tych pierwszych oraz paneli operatorskich, są zatem wyposażone w ekran dotykowy.

Podstawowym środkiem ochrony IPC jest obudowa. Zabezpiecza ona wnętrze komputera przed przedostawaniem się tam m.in. pyłów, brudu oraz wilgoci. Odporność na te czynniki uzyskuje się przede wszystkim przez dobór odpowiedniego typu uszczelnień, ich materiału i materiału obudowy. Charakteryzuje ją stopień IP (patrz ramka).

Przed wnikaniem ciał obcych chronią uszczelki w postaci pasków, te wycięte w kształcie obrysu złączanych elementów albo wylewane w formie zastygającej pianki. Pierwsze są zazwyczaj tanie, ale niestety na złączach, w rogach, szybko się niszczą.

MATERIAŁY USZCZELEK I OBUDÓW IPC

Zaletą uszczelek wylewanych jest ciągłość na całym obwodzie oraz bardzo dobra przyczepność do podłoża. Są także tanie. Te wycinane są natomiast zwykle nieco droższe. Uszczelki wykonuje się najczęściej z TPE, czyli elastomerów (kauczuków) termoplastycznych, PUR (poliuretanu), EPDM (terpolimeru etylenowo-propylenowo-dienowego), neoprenu i silikonu. Ten ostatni ma najszerszy zakres temperatur pracy (-60°C do +170°C). Jest on także, podobnie jak EPDM, wytrzymały na rozciąganie. Zaletą poliuretanów jest z kolei łatwość wytwarzania uszczelek o nieregularnych kształtach.

Stopień ochrony zależy również od materiału obudowy. Powinien się on charakteryzować m.in. odpowiednio szerokim zakresem temperatur pracy, odpornością na korozję i różne substancje chemiczne oraz uderzenia. Metale, z których najczęściej wykonuje się osłony IPC, to: stal, stal nierdzewna oraz aluminium.

ZALETY KONSTRUKCJI BEZWENTYLATOROWYCH

Przykładowe komputery SBC, urządzenia kompaktowe i panelowe

Stal i aluminium są najtańsze. Zaletą obudów z tego drugiego jest lekkość, dobrze też rozprasza ono ciepło. Najodporniejsza na uderzenia jest stal, zaś najmniej wytrzymałe aluminium. Zaletą stali nierdzewnej jest z kolei odporność na korozję.

Ponadto, aby zapobiec przedostawaniu się pyłów, brudu i wilgoci do wnętrza obudowy, w IPC wentylatory zastępuje się chłodzeniem pasywnym. Brak tych urządzeń ma dodatkową zaletę - system odprowadzania ciepła nie ulegnie uszkodzeniu pod wpływem drgań i wibracji, na które komputer, na przykład wbudowany w maszynę, jest stale narażony. Wytrzymałość na drgania innych elementów uzyskuje się, zabezpieczając ich części ruchome specjalnymi wkładkami tłumiącymi wibracje.

Aby w takich warunkach uniknąć problemów z zapisem i odczytem informacji z dysków twardych, te magnetyczne w komputerach przemysłowych zastępuje się półprzewodnikowymi nośnikami danych - dyskami SSD i kartami pamięci Flash. Nie są to jednak "zwyczajne" nośniki przeznaczone dla elektroniki użytkowej, które są projektowane pod kątem jak najniższej ceny za jednostkę pamięci.

PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE DLA PRZEMYSŁU

Te instalowane w IPC charakteryzuje większa niezawodność, trwałość i wytrzymałość na trudne warunki środowiskowe. To ostatnie uzyskuje się, umieszczając je w specjalnie wzmacnianych, metalowych obudowach, zapewniających pyłoszczelność oraz wodoszczelność. Dodatkowym zabezpieczeniem jest hermetyzacja - układy elektroniczne pamięci przed zamknięciem w zewnętrznej obudowie zalewa się na przykład żywicą.

Są to często nośniki typu SLC (Single Level Cell), w których w komórce pamięci zapisywany jest jeden bit danych. W przeciwieństwie do pamięci typu MLC (Multi Level Cell), popularnych w elektronice konsumenckiej, w których w jednej komórce zapisuje się od 2 do 8 bitów informacji, SLC mają dłuższą żywotność. Rzadziej też występują w nich błędy danych. W kontrolerach pamięci półprzewodnikowych dla przemysłu implementuje się ponadto funkcje detekcji oraz korekcji błędów, mechanizmy zarządzania uszkodzonymi blokami, monitorowania stopnia zużycia, funkcje odzyskiwania danych oraz detekcji braku zasilania.

JAK WYDŁUŻYĆ ŻYWOTNOŚĆ PAMIĘCI FLASH?

W pamięciach Flash wprowadza się także mechanizm optymalizacji użycia pamięci wear leveling, który polega na równomiernym rozmieszczaniu danych w jej poszczególnych blokach. Dzięki niemu nie zachodzi zbyt częste zapisywanie i czyszczenie tych samych miejsc, niepożądane w związku z ograniczoną liczbą cykli programowania i kasowania.

Wyróżnia się wear leveling dynamiczny i statyczny. Pierwszy, wykorzystywany w zarządzaniu zapisem danych często aktualizowanych, polega na zapisywaniu nowych informacji do wolnych bloków pamięci dotychczas najrzadziej używanych. Statyczny wear leveling obejmuje wszystkie dane. W tej metodzie najpierw wyszukuje się najmniej zużyte bloki pamięci.

Gdy są puste, zapisuje się w nich nowe informacje. Jeżeli nie, dane statyczne są z nich kopiowane do bardziej zużytych miejsc w pamięci. Statyczny wear leveling jest techniką efektywniejszą. Ponieważ jednak wymaga przenoszenia danych, równocześnie jest też bardziej skomplikowany niż metoda dynamiczna.

ODPORNOŚĆ NA TEMPERATURĘ I JAKOŚĆ UŻYTKOWANIA IPC

Tematy numerów - grudzień 2015 i pierwsza połowa 2016 roku

Komputery przemysłowe są też narażone na skrajne temperatury, wysokie, na przykład w hutnictwie albo bardzo niskie, m.in. w przemyśle spożywczym, przykładowo w chłodniach. Aby IPC mogły w takich warunkach działać, wewnątrz ich obudów montuje się grzałki zapobiegające zamarzaniu oraz stosuje się rozbudowane systemy odprowadzające ciepło wykorzystujące radiatory oraz instalacje chłodzenia cieczą. Przed wpływem zaburzeń elektromagnetycznych emitowanych przez maszyny lub inne urządzenia w sąsiedztwie komputery przemysłowe zabezpiecza się, montując w obudowie ekran.

W trudnych warunkach przemysłowych należy też zadbać o jakość użytkowania IPC. Dotyczy to zwłaszcza komputerów panelowych z wyświetlaczami. Żeby poprawić ich czytelność w różnych warunkach oświetleniowych, ekrany pokrywa się powłoką antyodblaskową, a ich podświetlenie reguluje automatycznie, zależnie od wyniku pomiaru natężenia światła przez czujnik instalowany w panelu. Ponadto ekrany powleka się powłokami zapobiegającymi ich zaparowaniu.

W ramce przedstawiamy przykłady IPC różnych typów z oferty wybranych polskich dostawców.

Monika Jaworowska