COM高速可實現(xiàn)特定于應用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

軍事系統(tǒng)設計人員經(jīng)常難以找到能夠滿足關鍵應用要求的 COTS 技術。定制設計幾乎總是為創(chuàng)建優(yōu)化設計提供最佳機會，但上市時間和設計成本可能過高?；旌霞軜嬍褂糜嬎銠C模塊 （COM） 作為核心處理功能，而定制載板用于特定于應用的 I/O，可以提供兩全其美的優(yōu)勢。這種方法消除了與定制處理器設計相關的時間和風險，而不太復雜的載板提供了專用設計的優(yōu)勢。

在考慮新軍用系統(tǒng)的架構時，設計人員面臨著一個重要的決定：使用現(xiàn)成的COTS產(chǎn)品或創(chuàng)建或委托定制設計。使用標準產(chǎn)品可以顯著降低設計成本和開發(fā)時間，這種方法最近作為降低開發(fā)成本的一種方式而受到青睞。但是，找到現(xiàn)成的產(chǎn)品來滿足所有應用要求，特別是對于I/O，可能會有問題。COTS解決方案的另一個主要問題是大多數(shù)軍事系統(tǒng)在10年以上生命周期內(nèi)的系統(tǒng)壽命和設計控制。意外更改和產(chǎn)品過時的成本很容易超過使用現(xiàn)成部件集成系統(tǒng)所實現(xiàn)的原始節(jié)省。

另一方面，定制設計通常可以滿足技術規(guī)范并允許嚴格的設計控制，但可能無法靈活地適應和響應未來的應用需求。此外，如果不進行重新設計，自定義系統(tǒng)將無法利用處理器性能改進和擴展內(nèi)存選項，從而限制了對應用程序要求或未來操作系統(tǒng)的支持。實際上，設計將被凍結。

好消息是，這種困境可以在新產(chǎn)品設計中得到解決，這些應用需要在相對較小的空間內(nèi)實現(xiàn)長期可用性和大量I/O。答案是 COTS 和定制設計的結合，使用 COM Express 模塊和定制 I/O 載板。使用這種架構可以自由地完全匹配系統(tǒng)I/O和機械要求，同時為最有可能改變的核心處理功能提供簡單的升級路徑，從而延長系統(tǒng)的有用生命周期。

電腦上的模塊速度設計，增加多功能性

從歷史上看，設計包含特定應用 I/O 的定制單板計算機是大批量或極其特定于用戶的應用的常用解決方案。如今，現(xiàn)代處理器和高級芯片組需要具有豐富經(jīng)驗和最先進設備的設計人員來實施。計算機模塊概念通過將處理、內(nèi)存、視頻、以太網(wǎng)和 USB 功能組合在一個高度集成的小型模塊中，消除了定制電路板設計的“困難部分”。這些模塊不是獨立運行的，而是將處理器總線和高速 I/O 帶到接口連接器。模塊上的計算機安裝在提供特定于應用的 I/O 和外部連接器的載板上。

COM Express 是廣泛支持的模塊上計算機設計的實現(xiàn)，它基于最新的高速串行總線技術，并結合了 PCI Express、USB 2.0、串行 ATA、LVDS 和串行 DVO 接口。2.5 GHz PCI Express 2.0 總線與當今快速、低功耗的處理器相結合，為包括高速數(shù)據(jù)采集和圖像處理在內(nèi)的各種應用提供所需的帶寬。

COM Express 模塊體積小，適用于惡劣環(huán)境，簡化了與載板定義的機械外形尺寸的集成。用戶可以從處理器中進行選擇，從功能強大的英特爾酷睿2雙核到低功耗、低熱量的凌動設計。許多供應商都提供擴展溫度范圍（-40 °C 至 +85 °C）型號。

用于特定應用 I/O 的定制載板

使用現(xiàn)成的產(chǎn)品滿足技術規(guī)格可能是不可能的，或者可能導致不可接受的性能、尺寸、環(huán)境或成本限制。定制載板可以“定制”，以滿足COM Express模塊提供的核心功能之外的所有必需系統(tǒng)功能。載板可以設計為最適合應用的機械占位面積，并且通過配接連接器從COM Express板上引入接口I/O所需的總線信號。由于總線信號使用低壓差分信號，COM Express為設計人員提供了與傳統(tǒng)并行總線設計相比的許多優(yōu)勢，包括改進的抗噪性和更少的走線，從而簡化了信號路由。

常見的 I/O 載板功能包括串行、模擬和數(shù)字 I/O，所有這些功能都可以設計為完全符合要接口的信號的 I/O 計數(shù)、電壓范圍和連接器類型。當連接到傳統(tǒng) COTS 或無法輕易更改的專有設備時，這種靈活性尤其有用。

如果存在必要的技能組合并且他們選擇投資資源，公司可以在內(nèi)部進行定制載體設計。第三方載板提供商也可以卸載設計和制造。

優(yōu)化的設計滿足具有挑戰(zhàn)性的要求

對于如前所述設計，可以在1U外殼中實現(xiàn)大量I / O點，內(nèi)部備用電池和擴展溫度范圍內(nèi)的無風扇操作。首次讀取時，這些規(guī)格似乎不太可能適合目標環(huán)境中系統(tǒng)所需的 17“ （W） x 10.5” （D） x 1.75“ （H） 尺寸：

1.2 GHz 無風扇酷睿 2 雙核處理器

高達 8 GB 內(nèi)存

64 GB 薩塔固態(tài)硬盤

模擬視頻

2 個千兆以太網(wǎng)端口、4 個 RS-232/422/485 端口和 4 個 USB 2.0 端口

120 TTL數(shù)字輸入;96 個集電極開路輸出

32 個單端、12 位模擬輸入

由 24 或 48 VDC 供電，內(nèi)置 5 分鐘備用電池

-30 °C 至 +60 °C 工作溫度范圍

但是，使用滿足此應用程序的所有核心處理、內(nèi)存、視頻和磁盤接口要求的 COM Express 模塊可以確保成功。COM 高速模塊還提供所需的 USB 功能和其中一個以太網(wǎng)端口。其余的 I/O 和電源電路以及用于 COM Express 功能的連接器均在定制載波設計上實現(xiàn)。

為了獲得最大的靈活性，在載板上使用FPGA將處理器總線連接到I/O電路。某些為I/O提供服務的低級功能內(nèi)置于FPGA中，使用器件的17 Kb查找表和700 Kb嵌入式塊RAM從主機處理器卸載這些任務。例如，32個模擬輸入由FPGA連續(xù)輪詢，這些值保留在表中，以便在應用程序需要時易于訪問。未來的I/O要求也得到了簡化，因為FPGA可以很容易地修改以適應這些變化。COM Express 和定制載板的體系結構如圖 1 所示。

圖 1：COM Express 模塊提供核心處理功能，并安裝到特定于應用的載板上，該載板增加了 I/O、電源和所有連接器。

定制載板的另一個優(yōu)點是系統(tǒng)沒有布線。實施 COTS 技術通常需要某種類型的布線來定位機柜中的 I/O 連接器。電纜連接會產(chǎn)生潛在的故障點，特別是在高振動、高沖擊的環(huán)境中，如軍用車輛。定制載板可以設計成精確的機械尺寸，允許將I/O連接器直接焊接到PCB上，從而允許外部訪問，從而提高系統(tǒng)耐用性和MTBF。圖 2 顯示了目標系統(tǒng)，包括 COM Express 模塊、定制載板和 1U 機架安裝機箱。

圖 2：示例系統(tǒng)顯示了一臺 19“ 1U 機架式計算機，帶有 COM Express 模塊和定制載板。

為應用選擇正確的方法

具有定制載板架構的COM Express并不適合所有應用。盡管使用現(xiàn)成的 COM Express 模塊可加快開發(fā)時間，但完整的 COTS 解決方案仍然是配置系統(tǒng)的最快方法。但對于許多應用而言，設計靈活性、可靠性改進和設計控制優(yōu)勢使 COM Express 和定制載板成為絕佳選擇。

審核編輯：郭婷