eng
Выпуск #6/2016
А.Медведев
CompactPCI Serial – универсальный стандарт для построения бортовых компьютеров
CompactPCI Serial – универсальный стандарт для построения бортовых компьютеров
Просмотры: 2691
Рассмотрены компьютерные модули на базе стандарта CompactPCI Serial, а также принципы построения бортовых вычислительных комплексов с их использованием. Отмечены особенности и преимущества CompactPCI-модулей, предлагаемых компанией FASTWEL.
Теги: compactpci serial standard conduction cooling on-board computer бортовой компьютер кондуктивное охлаждение стандарт compactpci serial
В ычислительные системы, устанавливаемые на различных подвижных объектах, - это сложные и многофункциональные комплексы, предлагающие решения для широкого круга задач. В зависимости от типа объекта-носителя они могут помогать человеку-оператору и расширять его возможности: классический пример - бортовой комплекс авионики на пилотируемом самолете; либо служить основным, а иногда и единственным, центром управления самоходного аппарата-робота, например беспилотных летательных аппаратов, подводных необитаемых аппаратов, космических аппаратов и др. Центром таких систем управления является бортовой вычислительный комплекс - специализированный компьютер, оснащенный, как правило, операционной системой реального времени и подключенный при помощи периферийного оборудования к системам сбора информации и управления объектом-носителем[1]. Необходимость управления объектом в реальном времени в сочетании с резко возрастающими потоками обрабатываемой информации в таких приложениях, как анализ информации от радиолокационной станции, распознавание графических образов, шифрование /дешифрование потоковых данных, подразумевает высокие требования к быстродействию вычислительного комплекса. Это приводит к росту потребляемой им мощности и, соответственно, повышению требований к системам питания и охлаждения. В обычных условиях для решения такого класса задач используют встраиваемые компьютеры с магистрально-модульной архитектурой на базе современных высокоскоростных последовательных интерфейсов, таких как CompactPCI Serial, AdvancedTCA, MicroTCA, VPX и других, причем конструктивно эти компьютеры размещаются в различных стандартных 19-дюймовых конструктивах и охлаждаются при помощи мощных вентиляционных систем. Однако такие решения, как правило, непригодны для установки на борт подвижного объекта по многим причинам: ограничения по габаритам, потребляемой мощности, возможностям охлаждающей вентиляции (например, на борту необитаемого космического аппарата давление газа очень низкое и конвективного теплоотвода фактически нет). Дополнительная проблема - очень высокие требования по вибростойкости и ударопрочности оборудования, применяемого на подвижных объектах-носителях, которые в процессе движения могут подвергаться внешним воздействиям, при этом бортовой вычислительный комплекс должен сохранять работоспособность. Рациональное решение в подобной ситуации - применение вычислительных систем с кондуктивным охлаждением, обеспечивающим одновременное решение проблем устойчивости системы к механическим воздействиям и теплоотвода (рис.1). Тепло от нагретых электронных компонентов передается последовательно через несколько металлических теплопроводящих деталей на корпус шасси, с которого отводится воздухом, или на корпус носителя (например, в случае подводного аппарата). В настоящее время подспецификации для систем с кондуктивным охлаждением предусмотрены во многих основных стандартах, в частности, VPX (несколько подспецификаций), CompactPCI Serial (в базовой спецификации) и MicroTCA (MTCA.3). CompactPCI Serial С КОНДУКТИВНЫМ ТЕПЛООТВОДОМ Система отвода тепла - один из ключевых факторов надежности компьютера. Согласно упрощенной формуле срок эксплуатации компьютера уменьшается вдвое при увеличении температуры на каждые 10°C. Стандарт CompactPCI Serial определяет два типа охлаждения модулей: конвекционный (воздушный) и кондуктивный. Система на основе кондуктивного теплоотвода предназначена для установки модулей размером 122 Ч 162 мм (3U) с шагом 5HP. Габариты плат CompactPCI Serial с кондуктивным теплоотводом (рис.2) отличаются от плат с воздушным теплоотводом. Кондуктивные платы строятся на базе конвекционного модуля, заключенного в металлический кожух, что существенно снижает затраты производителей на создание такой платы и, как следствие, уменьшает ее себестоимость. В отличие от стандарта CompactPCI Serial для стандарта VPX производитель разрабатывает две версии печатных плат: одну для конвекционного исполнения, другую для кондуктивного - требование стандарта по габаритам. Согласно стандарту VPX размеры платы в кондуктивном исполнении должны быть такими же, как для версии с воздушным охлаждением, что создает определенные трудности как для разработчиков плат, так и для пользователей. Снижается гибкость VPX-системы, а зачастую отсутствует возможность замены плат с воздушным охлаждением на платы с кондуктивным теплоотводом. Благодаря возможности преобразования любой платы стандарта CompactPCI Serial с воздушным охлаждением в модуль с кондуктивным теплоотводом пользователи могут быстро разработать систему с кондуктивным отводом тепла. Применение плат CompactPCI Serial позволяет повторно использовать багаж навыков, знаний, отработанных алгоритмов при модернизации существующих или разработке новых систем. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ С КОНДУКТИВНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Для начала производится расчет тепловыделения системы и выбирается корпус, обеспечивающий отвод выделяемой тепловой энергии. Параллельно учитываются место установки корпуса, требования к механическим и климатическим воздействиям. Поскольку это сложная инженерная задача, то серийно выпускаемых корпусов для систем с кондуктивным охлаждением не существует. Вычислительный комплекс с кондуктивным охлаждением строится для конкретного заказчика и системы. Бортовой вычислительный комплекс с кондуктивным охлаждением состоит из нескольких компонентов: модульного шасси с кросс-платой, блока питания и вычислительных модулей в специальных теплоотводящих кожухах с системой теплоотвода (рис.3). Модули прочно фиксируются в шасси при помощи специальных распорных клиновых зажимов Wedge-Lock и Card-Lock. Таким образом тепло передается на кожух модуля, с которого благодаря большой площади контакта между ним и корпусом шасси в сочетании с высоким усилием прижатия клиновых зажимов легко отводится на корпус и затем во внешнюю среду. Модульная структура системы на базе платформенной концепции позволяет пользователю ее расширять и развивать. Системы могут различаться геометрическими размерами, электромагнитным экранированием, степенью защиты оболочки оборудования, вариантами теплоотвода. Шасси системы собирается из свинченных между собой фрезерованных алюминиевых деталей. Для изготовления деталей могут использоваться различные алюминиевые сплавы, соответствующие требованиям заказчика. Способ финишной обработки поверхностей также может различаться: черное анодирование (наиболее выгодное, с точки зрения теплоотвода), никелирование, желтое хроматирование и др. Корпус шасси снаружи может иметь оребрение для улучшения теплоотдачи, систему крепежных отверстий и фланцев для крепления аксессуаров, кронштейнов и дополнительных крышек. Передняя и задняя крышки обычно симметричны, могут быть разной глубины и дорабатываться в соответствии с требованиями заказчика - иметь отверстия для размещения внешних разъемов и переключателей. Конструкция шасси должна обеспечивать максимально эффективную контактную теплопередачу от нагретых активных компонентов на корпус шасси. Перед началом изготовления системы "в металле" проводится детальное компьютерное моделирование ее теплового режима (рис.4), по результатам которого проект дорабатывается и снова моделируется до получения необходимого результата. ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ СТАНДАРТА CompactPCI CompactPCI Serial - надежная и перспективная технология для широкого спектра применений. Вычислительные модули, выполненные согласно стандарту CompactPCI, хорошо зарекомендовали себя во многих приложениях, в том числе в робототехнике, бортовых системах, промышленной автоматизации, научных исследованиях, системах связи. Конструктив евромеханики, возможность кондуктивного съема тепла делают стандарт CompactPCI Serial идеальным для создания техники специального назначения. Показательный пример надежности систем, выполненных по стандарту CompactPCI, - система управления марсохода Opportunity (рис.5), который управляется двумя компьютерами на базе стандарта CompactPCI. На красную планету марсоход Opportunity был высажен 24 января 2004 года и до сих пор продолжает функционировать. Ядро системы управления - одноплатный компьютер RAD6000 (производитель BAE Systems), выполненный в формате СompactPCI 6U версии 2.0. Система управления обеспечивает решение комплекса задач на борту марсохода: • безопасное перемещение марсохода в автономном режиме; • управление манипулятором для установки сенсорных элементов измерительной аппаратуры в заданные положения; • управление приборами и сбор получаемых данных; • передача данных и прием команд из центра управления. CompactPCI Serial ОТ FASTWEL В линейку продукции FASTWEL входят CompactPCI-модули с воздушным и кондуктивным теплоотводом. Сегодня это семейство устройств высотой 3U. В качестве базовых конструкций используются отработанные и хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации CompactPCI-платы FASTWEL с воздушным охлаждением. Все модули рассчитаны на работу в расширенном диапазоне температур (-40…85°C). Особенности конструкции модулей с кондуктивным теплоотводом зачастую не позволяют оснастить переднюю панель полным набором разъемов, развитой индикацией и отсеками расширения. Как правило, все интерфейсы, необходимые для связи с периферией, реализованы через объединительную панель (кросс-плату) и расположены в зоне контактов тыльного ввода-вывода. Модуль процессора CPC510 (рис.6, см. таблицу) разработан для предоставления потребителям высокоинтегрированного решения в форм-факторе CompactPCI Serial 3U с целью использования в системах реального времени, контроля производства, высокоскоростного сбора и обработки данных. Основа модуля - процессор Ivy Bridge (два ядра) фирмы Intel. В модуле CPC510 применяются скоростные интерфейсы ввода-вывода (PCI Express, Gigabit Ethernet), поддерживаются современные технологии для работы с видео. Модульное построение изделия позволяет гибко настраивать систему для конкретных областей применения, оптимизируя соотношение "цена - качество". Стабильность работы модуля CPC510 позволяет использовать его во всех промышленных приложениях. Компоненты, на базе которых строится CPC510, тщательно отобраны по критериям применяемости во встраиваемых системах. Благодаря этому на базе модуля можно создавать системы с долгим жизненным циклом. Модуль имеет следующую структуру каналов ввода-вывода: • два Ethernet-контроллера 1 Гбит/с (выведены на переднюю панель); • 12 портов USB 2.0 с поддержкой скоростей HS, FS и LS (по два на передней панели и на мезонине, восемь на разъеме кросс-платы); • четыре порта USB 3.0 (выведены на разъем кросс-платы); • шесть портов SATA (четыре порта выведены на разъем кросс-платы, один на разъем мезонина, один переключаемый - кросс-плата / мезонин); • один DisplayPort выведен на плату MIC590 (на переднюю панель CPC510-02); • один LVDS выведен на плату MIC590; • два DisplayPort на передней панели; • HD Audio выведен на разъем мезонина; • LPC-шина выведена на разъем мезонина. В ближайшее время ожидается выпуск процессорного модуля CPC512 (в том числе версия с кондуктивным охлаждением), предназначенного для построения высокопроизводительных компьютерных систем, которые эксплуатируются в жестких условиях, требуют высокой надежности и гибкости в поддержке различных интерфейсов расширения. Модуль CPC512 похож на CPC510, но имеются некоторые отличия (см. таблицу): • вместо двух коммутаторов PCI-E Gen 2.0 на CPC512 установлен один коммутатор PCI-E Gen 3.0 с увеличенной скоростью передачи данных (до 8 Гбит/с) и с поддержкой режима DMA для значительного уменьшения загрузки центрального процессора при передаче данных. Использование нового коммутатора PCI-E Gen 3.0 добавило к сохраненной возможности работы портов PCI-E в режиме NT поддержку режима отказоустойчивости (режим для двух модулей CPC512) для двух портов Ч8, выведенных на кросс-плату; • два порта Ч4, выведенных на кросс-плату, поддерживают увеличенную скорость передачи данных (до 8 Гбит/с); • отказ от поддержки мезонинного модуля MIC590 позволил реализовать поддержку интерфейса PCI Express для всех слотов 8-слотовой кросс-платы. Таким образом, на кросс-плату дополнительно выведены четыре PCI Express-порта Ч1 Gen 2.0; • предусмотрена работа порта Gigabit Ethernet через кросс-плату с поддержкой функции Intel AMT (Advanced Management Technology - расширенная технология управления), которая, по сути, является усовершенствованным IPMI (Intelligent Platform Management Interface - интерфейс интеллектуального управления платформой). Таким образом можно удаленно контролировать работу процессорного модуля, изменять настройки BIOS, перезагружать или выключать систему, поддерживать функцию удаленного рабочего стола (Remote Desktop). ПРЕИМУЩЕСТВА РАБОТЫ С FASTWEL FASTWEL - один из самых высокотехнологичных производителей электроники в России. Сочетание инвестиций в освоение новейших технологий с использованием опыта и потенциала отечественных разработчиков и технологов позволяют FASTWEL успешно конкурировать с ведущими мировыми производителями электронного оборудования. Продукция FASTWEL разрабатывается российскими специалистами и серийно выпускается на собственных производственных мощностях, расположенных на территории Российской Федерации (в столице и Московской области), что отвечает объявленному руководством страны курсу на импортозамещение. Продукция FASTWEL находит применение в ответственных приложениях на транспорте, в телекоммуникациях, промышленности и многих других отраслях, где требуется надежное оборудование, способное работать в жестких условиях эксплуатации. Изделия FASTWEL учитывают специфику рынка России и стран СНГ как по набору поддерживаемых типов сигналов, так и по стойкости к неблагоприятным факторам внешней среды. Вся продукция производится по утвержденным техническим условиям в полном соответствии с требованиями ГОСТов и технических регламентов. При построении систем на базе процессорных плат FASTWEL заказчик всегда может обратиться за консультацией к разработчикам, которые помогут подобрать корпуса и системы на основе продукции компаний-партнеров (Schroff) либо собственных наработок и базовых корпусов для систем с кондуктивным теплоотводом (рис.7). Благодаря давним партнерским взаимоотношениям с ведущими компаниями, которые специализируются на разработке и производстве конструктивов, заказчики FASTWEL получают квалифицированную техническую поддержку из одних рук. Они могут рассчитывать на получение решений не только на уровне модуля, но и готовых систем, созданных с учетом индивидуальных требований и соответствующих самым строгим отраслевым стандартам. Все это делает применение CompactPCI-модулей FASTWEL еще более востребованным.
<reference>Гарсия В. Бортовые вычислительные комплексы с кондуктивным теплоотводом: пример конструктивной реализации на основе спецификации VPX REDI // Современные технологии автоматизации. 2013. № 1</reference>
<reference>Гарсия В. Бортовые вычислительные комплексы с кондуктивным теплоотводом: пример конструктивной реализации на основе спецификации VPX REDI // Современные технологии автоматизации. 2013. № 1</reference>
Отзывы читателей
