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                       一、引言
 
    以標準的計算機技術為核心的嵌入式系統，由于可以與各種各樣的復雜的設備有機地結合在一起，非常靈活地實現各種監測、控制和管理功能，已經成為工業控制領域廣為接受并得到大力發展的產品和技術方案。隨著工業控制系統對功能、性能和可靠性要求的不斷提高，高可靠性嵌入式系統作為新一代工業控制系統的核心技術和產品，正在被越來越多的客戶和供應商所關注，新技術、新產品、新方案層出不窮。
 
    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，并吸納和發展了VME的高可靠性的系統結構，從面世的那天開始，就成為新一代高可靠性系統的首選設計方案，在高性能計算機／服務器、工業控制與自動化系統、網絡與通信設備以及航空航天和軍事應用領域都得到廣泛的應用。
 
    最近幾年，隨著國外著名計算機系統公司基于CPC的產品和方案的推廣以及PICMG／PRC對CPCI技術的宣傳，我國的工業控制領域，特別是中高端的應用，正在越來越多地把CPCI應用于高性能嵌入式系統之中。
 
    由于高可靠性嵌入式CPCI系統具有許多與眾不同的特點和要求，因此從設計到生產到應用服務都需要更為專業化的技術工藝和工程經驗，本文從技術、產品和服務幾個方面探討適合市場需要和產業發展的解決方案。
 
    二、嵌入式系統的發展
 
    在信息化的今天，計算機已經不再是僅僅完成計算功能的設備，它已經成為無所不能、無處不在、與人類生活密切相關的東西。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自動化系統的控制中心，它們都是嵌入式的計算機系統。
 
    嵌入式的計算機系統，根據它們所控制設備的特點，會采用各種各樣的設計方法。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的實現方案。
 
    無論是簡單的嵌入式系統還是復雜的嵌入式系統，隨著微電于技術和計算機軟硬件技術的發展，每一階段都有不同于已往的產品實現方式。CPU從4位、 8位、16位、32位發展到64位，存儲器從幾百字節發展到幾百兆字節，通信接口的速度從幾百bPS發展到幾十GbPS，接口的數目也變得更多。這些都使嵌入式系統的性能得到了極大的提高，功能日益豐富。同時，高可靠性和高可用性在嵌入式系統的發展歷程中正在占據越來越重要的地位，成為設計和應用的首要考慮因素，并且也已經成為競爭對手之間互相較量的重點。
 
    三、高可靠性嵌入式系統的特殊需求
 
    高可靠性嵌入式系統的特殊需求，概括地用一句話來表示就是確保系統性能的可靠實現。主要表現在如下幾個方面：
    （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） 安全而高效的系統管理機制
    （5） 標準而可靠的系統連接方式
    （6） 易于維護的系統結構
    （7） 良好的開放性和可擴展性
    （8） 抗惡劣環境
    （9） 冗錯性強
 
    高可靠性嵌入式系統，一般都選用先進的高性能的處理器，在可能的情況下，盡可能采用比較高的系統工作頻率和總線寬度，根據系統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，從而，使系統具有比較高的性能。一個或多個系統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性能的充分發揮和利用；在物理特征上，高可靠性嵌入式系統采用的是標準而可靠的系統連接方式，采用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的不可用時間。同時，高可靠性嵌入式系統相對于一般的系統具有更強的抗惡劣環境工作能力，對高溫、高濕、震動、輻射；和腐蝕，都有良好的防護措施。
 
    四、CPCI的技術特點與系統解決方案
 
    ICPCI定義了33MHZ／32bit－66MHZ／64bit的總線結構，信號傳輸速度高達528Mbyte/s。適應當今市場上各種主流的高性能處理器。一段CPCI總線可以連接一個系統設備和7個外圍設備，如果需要，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。如果需要，通過CPCI總線可以十分方便地實現外圍設備的備份甚至系統設備的備份。同時，CPCI系統針對傳統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，使它可以非常方便地與這兩個領域的設備結合在一起，實現嵌入式的應用。CPCI系統支持冗余的電源供應方式，可以實現 1＋1，N＋l，N＋N多種電源冗余結構。系統板卡及外部設備板卡采用統一的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，而且支持帶電熱拔插。當進行系統擴充和維護時，可以通過直接增加或更換板卡十分方便地完成，大大減少了系統維護時間，提高了系統的可用性。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，除了被標準的CPCI信號使用之外，還有足夠多的引腳進行專門用途的擴展或者由使用者自己定義。
 
    CPCI連接器采用針孔式連接方式，不僅比PCI的邊沿式連接方式密度更高、連接更可靠，而且更容易實現熱拔插、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境。這種標準的板卡結構，不僅連接可靠，方便維護，而且還可以通過背板連接器的向后延長的引腳實現背后的I／O擴展，這對許多嵌入式系統十分重要。CPCI系統采用了標準的19機箱結構，可以很容易地裝入任何標準的19機架，與其他相關設備有機地結合在一起。每個 CPCI機箱都有相對獨立的電源供應和通風冷卻系統，并且有專用的系統監控模塊對系統工作狀態進行管理和監控。
 
    CPCI機箱一般采用優質鋁型材，相對其他材料不僅保證了更精密的機械配合，而且在單位重量、導熱性、EMC防護等方面更有優勢，特別適合于嵌入式系統的特殊應用需求。CPCI機箱的導軌、面板以及插卡把手的設計都對熱拔插和FMC防護給予了充分的考慮。
 

圖1 典型的CPCI系統結構

 

圖2 3U CPCI板卡及背板結構

 

圖3 CPCI背板連接器熱拔插結構及 REAR…結構示圖

 

    CPCI作為新一代工業計算機的技術標準，經過近10年的發展和遍布全球的PICMG成員的共同努力，已經成為當代高可靠性嵌入式系統的首選的解決方案。
 
    五、相關產品及應用
 
    一項好的技術，它的成功與否，不僅僅取決于它的設計思想是否先進、是否完美，而是往往取決于它是否有良好的實現手段。
 
    CPCI技術也不例外。從它的提出到現在已經經歷了近十年的時間，但真正被廣泛采納和應用也僅僅是最近的幾年。主要原因就是，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，等等，這一系列的產品集成在一起才構成完整的高可靠性嵌入式CPCI系統。
 
    各種CPCI板卡是CPCI系統的核心產品，許多世界著名的公司如MOTOROLA、INTEL早就有成熟的產品供應，中國大陸和臺灣地區的許多著名的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CPCI系統中最為關鍵的部件，直接關系到系統性能的可靠實現。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規范的板卡都能穩定地運行在同一個系統中。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背板的設計要求具備非常高的專業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背板實現的是高密度、高可靠性的電氣連接和非常精密的機械連接，所以，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境的模擬測試。
 
    CPCI背板的使用環境大多是高性能計算機／服務器、工業控制與自動化系統、網絡與通信設備以及航空航天和軍事應用領域，因此，要求應用和服務人員必須具有非常強的相關領域的專業知識和系統知識。
 
    CPCI背板、CPCI機箱、CPCI電源、CPCI風扇模塊以及CPCI系統監控模塊有機組合在一起，就構成了CPCI系統的基礎硬件平臺。在此硬件平臺的基礎上，系統設備廠商可以非常方便、快速地進行專有產品的設計，可以以相對低廉的成本提供高性能的系統產品。
 
    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的發展提供了必要而充分的條件。
 

圖4 CPCI背板及CPCI機箱

 

    六、結論
 
    綜合以上論述，不難看出，高可靠性嵌入式系統的特殊應用需求決定了CPCI技術及相關產品必然成為它的首選方案。它的發展必須建立在完善的產品基礎之上。專業化的設計、專業化的生產和專業化的應用服務是高可靠性嵌入式CPCI系統產業化的必由之路。