板卡设计技术 [作者： Frank J. Bartos]
  在关于工业板卡、单板计算机（SBCs）以及嵌入式控制的文章中经常提到一个术语“标准结构”，其具体意思是指相关产品的形状及物理尺寸。然而在实际应用中，精确的术语往往晦涩难懂。因此，其他一些可互换使用的概念也被用来描述板卡产品的标准结构，包括：结构，总线，占用面积，版式，模块，平台，协议，规格，标准等。
  一般来说，工业板卡标准结构中的长度与宽度之比相对较小。专家表示，正方形的外形有助于减少板卡的震动与颤动，且这种外形安装比较牢固。当产品超过规定面积时，选择不同的外观尺寸会带来其他特定的属性。一定的标准结构限定了板卡可用空间内的基本安装情况与功能。与板卡标准结构相关的典型部分包括机械布置，连接器，输入/输出（I/O）区域等。而嵌入式控制在板卡标准结构中的空间，供电，可靠性等方面有特殊的考虑。
  不管你如何称呼它们，标准结构的应用简化了开发人员的工作。同时这也为机械制造商及其客户对于通用尺寸与规格的产品的长期可获得性提供了一定的保证。
  雨伞模拟法
  标准结构的分类方法之一是将电脑板卡标准用一个伞面型视图表示。板卡标准的各个要素，如机械尺寸、I/O性能、与其它板卡的扩展接口，安装以及一定的电气参数等，则由伞面上的扇形表示。这一分类方法是由WinSystems公司的副经理Robert Burckle提出的。“那么，扇形的面积就表示标准结构各要素”Burckle说，“一些规范相比而言更为详细，因为它们描述了供电、I/O接口、扩展连接器的安装位置，以及禁止使用区域和其他一些机械问题。”
  连接器，I/O端口甚至安装孔都经常作为标准结构的一部分来考虑。“对这些标准结构要素的规定可以统一不同厂家生产的板卡产品，以便减少这些产品在配接电缆、选择外壳或与其他系统集成时所可能遇到的困难。”Burckle同时表示，“但是，‘标准结构’的概念并不包括电气特性，操作部分，处理器及其他可能应用到的芯片。”
  通用工业计算机用板卡标准具有特殊的功能，Burckle解释说：“举个例子来说，VME和CompactPCI可扩展为总线或母板系统；PC/104、EPIC及EBX具有自存储的I/O模块，那么就没有必要安装在支架或母板上。”
  嵌入式系统供应商Kontron北美公司的产品经理Derrick Lavado也同意嵌入式及工业用板卡标准结构的通用属性应包括I/O端口的位置、扩展口、元器件高度，以及安装孔的位置。“对于一个系统工程师来说，这些属性是必需充分考虑到的，这能帮助系统工程师将产品设计为用户更为熟悉的结构，以减少产品投入市场的周期。同时，在技术革新的过程中，这一做法为产品的升级提供了一个途径。”
  Lavado认为除物理尺寸外，I/O端口是标准结构中最重要的属性之一。举例来说，对于PC/104、EBX及其他标准结构，其标准互连端口（LAN，并行接口，USB，PS/2等）的安装位置已经确定。I/O接口位于预先设定的特别位置，以便在此基础上进一步实现其他功能。他同时还提到了与一些标准结构有关的元器件高度限制问题。比如PC/104，它采用的是可堆叠式的扩展理念。因为I/O模块往往处于所有堆叠模块的最顶层，而最底层则是CPU模块，所以每个堆叠模块之间的最小间隙必须得到保证；同时，这样做也可以解决整个系统的散热问题。
  普及=使用寿命
  “最普及的标准结构往往具有以下特征：在一个狭小的范围内集成了高性能的CPU/芯片集，”Lavado继续说到。在他看来，PC/104就属于这类产品。“PC/104模块与紧凑型外壳一起应用时，其安装方式非常灵活。所有的I/O端口都从板上通过电缆引出，使得远程I/O的位置能够按照设计要求灵活改变。”今天，典型的PC/104模块均集成了号称性能强大，功耗很低的CPU与处理器（比如Intel Pentium M和Celeron M）。
图1：EPIC 的尺寸介于PC/104 的堆栈格式和EBX 的SBC 格式之间。
  在美国国家仪器有限公司，标准结构指的是物理尺寸以及板卡的基本特征。但是，NI仪器控制部门的硬件产品策略经理Tim Fountain建议将一些其他因素如安装导轨，连接器等添加到这一范畴以内。为了使连接更为方便快捷，界面连接设备的安装位置是非常重要的。
  NI对于板卡产品在系统应用中的长期可获得性以及可靠的技术支持非常重视，并以此为基础将板卡的全面结构、标准与其标准结构紧密地结合起来。Todd Walter，工业测量及控制部门的团队经理表示：“我们倾向于使用详细明确的制板标准，这些标准能够在最大程度上支持产品开发，并且能够详细说明产品的标准结构。”工业系统要求板卡具有较长的生命周期，且相关配件必须在较长时间内都能买得到。此外，Walter还解释说，NI从一个更高的、平台水平的角度来考虑标准结构，他们所采用的标准结构可以满足顾客的不同要求，如：散热性能，低功耗，防震动，多资源性等。
  NI公司的工作涉及到多种标准结构，包括CompactPCI，PCI Express及其他PCI类型等。如PXI型，就是NI公司开发的专门用于仪表的PCI扩展接口。NI公司为这一类型PXI板的测试和测量应用提供了定时，触发，同步等信号功能。
  与NI公司相同，WinSystems也强调了标准及产品长期可获得性的重要性。最关键的一点是产品设计必须基于经过认可的标准，并且与多家基本供应商合作，以保证供应的长期性。“10到15年的使用周期在工业产品及系统中并不少见。”Burckle说到。基于标准的标准结构同时还意味着元器件互操作性的增加，以及对软件工具的更有效的应用。
  尺寸，应用问题
  VITA（VMEbus International Trade Organization）公司的执行董事，Ray Alderman先生认为产品的应用情况决定了其板卡标准结构的选择。VITA是一个非赢利供应商/用户组织，其宗旨在于促进VMEbus相关标准与开放式处理技术的发展。
  板卡的尺寸决定了可以安装在上面的连接设备的数量。如果外形尺寸非常小，那么就限制了I/O点可能的数量。但是，在简单的工业应用中，比如喷射塑模法的控制器，较小的外观尺寸就能满足其功能要求，应为这种控制器所需要的I/O点相对较少，Alderman解释道。随着应用越来越趋向于事件驱动，伴随着对高端应用成熟界面的需求，所需要的I/O点的数量也相应增加，比如机器视觉或动作控制等。较大的外形尺寸可以在其空间内容纳以上需求，并能满足特殊应用的要求。
  在现在的工业应用中，涉及到了多种标准结构；此外，随着时间的过去，更多的标准结构会被开发出来。以下介绍几个在工业或嵌入式控制应用中经常涉及到的标准结构，它们都是由某一协会或组织提出的。
  CompactPCI
  这是一个基于标准PCI（Peripheral Component Interconnect）规范的工业总线标准；欧洲标准卡包装，分为两种基本尺寸：3U（100x160mm），这种尺寸具有一个220针的连接器；6U（233x160mm）型则最多可以扩展至3个2mm针孔连接器。CompactPCI板卡安装在底盘的前部，这样的结构使得I/O点可以从前面或后面两个方向引出。板卡为垂直安装方式，散热性良好；防震动等性能也比较优秀。
  CompactPCI被设计为在严酷的环境中使用——工业自动化，实时机器控制/数据采集，仪表，以及军用系统等等。CompactPCI由国际工业计算机制造者联合会（PICMG）提出。这一协会拥有超过350家工业计算机产品供应商，这点确保了客户能够长期得到生产商的技术支持。
  EBX
  Embedded Board, eXpandable（EBX）是一种5.75"x8.0"（146x203mm）的嵌入式板卡，这种标准结构足够容纳下一台单板计算机（SBC）及其操作系统。同时，EBX板卡又能被轻松的安装到嵌入式应用系统狭小的内部空间中。一般来说，EBX板卡容纳了CPU，存储器，海量存储界面，显示控制器，并行/串行接口，以及其他嵌入式SBC所要求的系统组成部分。该标准结构还利用工业标准模块为用户提供了多种系统扩展方式，支持可叠加的PC/104，PC/104-Plus，及PCI-104规范。这使得EBX具有数量众多的标准扩展接口。该板卡还预留了I/O端口区域，并精确的规定了连接器与安装孔的位置。为了标准化各种接口和元器件的布置，整个EBX板卡被分为10个区域。每个区域（A到J）对应的元器件最大允许高度从0.5"到1.5"不等。区域划分作为一个指南，可以使不同供应商的产品和包装之间的互用性更强。EBX标准由PC/104嵌入式联盟负责开发，2.0版是其最新版本。
  EPIC
  工业计算机嵌入式平台（EPIC）被设计为应用于如下情况：EBX的标准结构大于需求的尺寸，而PC/104的标准结构又太小，不能满足I/O接口数量及电缆的要求（具体参照尺寸对照表）。这种规格的主要特点是为工业及其他复杂应用中所需要的速度更快的处理器和数量更多的I/O接口提供了更多的空间。EPIC可以容纳下更大的处理器及其散热片，并且能够将本来需要多个PC/104模块才能实现的功能集成在一个单板计算机上。EPIC标准格式对主板及扩展板上的扩展插槽（针对“104”规格），总线连接设备及安装孔位置进行了详细说明。为了标准化各种接口和元器件的布置，该标准结构同样将板卡上的空间分为几个不同的区域（具体参照区域空间表）。除“高空间占用CPU及供电区域”外，其他区域都对所能安装的元器件的最大高度作了规定。而“高空间占用CPU及供电区域”内主要安装处理器及其散热风扇或散热片，还有就是供电单元及供电接口。EPIC还对3个I/O端口的区域进行了定义，这3个区域主要功能是安装“104扩展板”与EPIC模块之间可能使用的匹配连接器和电缆的接口。EPIC标准同样由PC/104嵌入式联盟负责开发，其最新版本为2.0.5。超过20家生产商在从事EPIC板卡的生产工作，而且这个数字还在不断的增加。
嵌入式系统是什么意思  PC/104
  PC/104的定义为“嵌入了PC物理及电子接口标准的小型标准结构”。根据PC/104联盟的说法，开发PC/104是为了解决用户的以下要求：即如何在有限的空间内将微型计算机嵌入到产品及系统的控制中去。开发该标准结构还有一个目的，那就是使得板卡的生产简单化，避免因定制产品而产生的额外费用。PC/104通过可堆叠模块来实现与PC总线在结构、硬件、软件上的兼容性。这些板卡模块共有2种类型，分别为 8-bit和16-bit，分别对应于PC和PC/AT总线。PC/104进一步指定了两种总线选择以减轻狭小的嵌入空间的约束。根据总线连接接口是否贯穿模块，这两种总线分别被定义为“堆叠贯穿”和“非堆叠贯穿”。一个堆叠中可以同时存在8位模块和16位模块。
  据说大约有160家跨国公司生产基于PC/104标准的产品。最新版本为2.5。
  PXI
  PXI是一种模块化的测量及自动控制仪器平台，其应用场合大多要求粗糙的工业标准结构。据PXI系统联盟（PXISA）介绍，PXI将CompactPCI的标准PC技术与集成定时触发性能结合起来，其性能比旧结构的产品提高了10倍。PXISA主要从事PXI标准的开发与推广工作。美国国家仪表有限公司对CompactPCI技术进行扩展，开发出了PXI标准，所以PXI的标准结构与CompactPCI的标准结构是一致的。
图2：EPIC 提供三个I/O 区域（1A、1B，2 和3）来连接不同用途的I/O 设备。PC/104的扩展模块提供了I/O 的更多选择。
VME
  作为一个拥有20年以上历史的标准，VME——嵌入式电脑的开放性工业标准结构在应用中依然占有主导地位，这一优势在军事及国防应用方面特别突出。（VME是“VersaModule Europa”的缩写，虽然对这一技术存在多种称呼。）  VME最早由VITA发起，它建立了8位、16位及32位并行总线计算机的框架结构，使得单处理器或多处理器系统的实现成为可能。VME的机械构造主要基于IEC60297标准及IEEE1101.1标准，也被称之为欧洲标准卡结构。VME板卡有两种标准化了的型式：单倍高度（3U），主要用于空间限制及震动环境中；两倍高度（6U），采用这一规格，当板卡空间有空余时，允许安装更多的元器件。
  Eurocard连接
  实际上，许多流行的工业标准结构，如CompactPCI,、PXI、VME等，其物理结构都是由Eurocard衍变而来。欧洲标准卡（Eurocard）机械标准（IEEE1101.10）为板卡及配线架的模块尺寸作了全面的规定；但是在所有的规定尺寸中，仅有相少量以产品
的方式实现。
  可能最知名的是3U与6U板卡尺寸，这里的U是指面板高度尺寸。1U等于1.75樱?4.45mm）。板卡高度较桥架高度要小，这样可以为板卡导轨和面板留出空间。实际上3U板卡的高度是100mm，而6U板卡的高度则为233.35mm。
  模块化欧洲标准卡的深度从100mm开始，每个规定深度之间的差为60mm。
  板卡产品有很多的标准规格，但是在实际工业应用中仅有少量能够成为稳定的通用结构。所以，要想得到用户与市场的认可，是要经过时间的考验的。而产品长期可用性的名誉也是要通过时间来验证的。

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