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工業電腦應用漸趨多元 嵌入式電腦模組助攻SI爭取商機
[作者 王明德]   2020年12月28日 星期一 瀏覽人次: [1206]

工業電腦的應用越來越多元,嵌入式電腦模組可兼顧設計時程與成本的特色,將廣為系統整合廠商青睞,由於此類模組具有一定的技術深度,系統整合廠商在導入前可善用工業電腦業者的諮詢服務,讓產品設計最佳化。


工業電腦的應用場域多元,其產品特色是少量多樣,需要一定程度的客製化設計,不過為顧及上市時程與成本,業者大多會選擇模組化方式,以組裝方式完成產品設計,嵌入式電腦模組(COM)就是其中的重要類別。


嵌入式電腦模組的規格由PICMG協會主導,並制定出COM Express規範,並持續推出各種介面標準,主要定義尺寸規格、電壓輸入、I/O介面等規格。COM Express的尺寸可分為基本型、緊湊型與迷你型,使用者可依照本身應用需求選擇,例如迷你型就可應用於空間狹小或需要攜帶移動的可持式裝置中,透過其小型輕量設計,給整體設備內部保留更多的設計空間。


彈性設計解決時程與成本問題

嵌入式電腦模組的概念是在單一電路板上嵌入處理器和記憶體,再透過成排連接器連接載板,載板則有電源與輸出入埠。此類架構的最大好處是具備彈性與開發速度,由於工業電腦會因用產業與場域有不同的I/O需求,但如果整體板卡重新開發設計,會耗費大量時間與資源。



圖1 : 物聯網的應用越來越多元,嵌入式電腦模組的彈性與快速開發特色,將可滿足市場需求。(source:IoT Business News)
圖1 : 物聯網的應用越來越多元,嵌入式電腦模組的彈性與快速開發特色,將可滿足市場需求。(source:IoT Business News)

嵌入式電腦模組的做法則是將處理器、記憶體另設計為嵌入式電腦模組,工程師只需專心設計載板,完成後在選擇合適規格的嵌入式電腦模組,組裝後即可出貨,另外,工業電腦廠商或系統整合業者若需升級產品,也不必重新設計電路板,只需更動COM模組,就可將CPU升級至下一代。


除了避免曠日廢時的整體電路板設計外,嵌入式電腦模組的另一個優勢是解決備料問題。零組件因迭代而停產,往往系統廠商的最大困擾,尤其部分特殊領域的系統使用壽命,常常高達10年,但一般晶片供應商對嵌入式的供貨保證無法滿足此需求,隨著使用時間越久,電路板上相關零件停產的比例就越高,若要為板上所有組件都進行備料,將造成廠商巨大的成本壓力,嵌入式電腦模組即可解決此問題。


透過此類架構,系統整合廠商只須選擇合適的板卡尺寸與樣式,即便模組選用不同的處理器或晶片組,也不會影響載板,不必因晶片廠商停止供貨,而為產品改版,藉此降低備料成本。



圖2 : COM Express的尺寸可分為基本型、緊湊型與迷你型,迷你型就可應用於空間狹小或需要攜帶移動的可持式裝置中。(source:Maven)
圖2 : COM Express的尺寸可分為基本型、緊湊型與迷你型,迷你型就可應用於空間狹小或需要攜帶移動的可持式裝置中。(source:Maven)

至於嵌入式電腦模組的缺點則是相容性。雖然PICMG協會已制定出COM Express規範,廠商也依標準設計模組與載板,但在實際組裝時,仍會出現無法運作的情況,要解決此一問題,目前的做法都是由工程師持續測試訊號,找出設計缺陷。


不過,這種方式需要耗費大量資源與工作人員的往返時間,因此後來有業者開發出主動服務模式,從板卡設計的前、中、後三個階段著手。在設計前期先提供完整資訊,讓客戶知道每一模組特性,打樣前再檢視客戶載板上的電源、硬碟或USB等元件與I/O功的線路設計,樣本完成後,由工程師與客戶共同檢驗開機狀況,藉此確保產品的可行性。


另外,工業電腦廠商現在也可提供已通過驗證且經常性使用的設計,讓系統整合廠商應用在載板上,例如事先備妥常用且已驗證完成的的電源設計,在設計時直接套用,免去線路除錯的困擾,並縮短設計時程,其他像是散熱、機構設計等,也都可沿用此方式。


智慧化軟體強化管理效益

在軟體方面,現在廠商已推出智慧化管理軟體,這類軟體式是依據嵌入式應用程式編程介面所設計的API,因此在COM Express Mini的應用上效果相當明顯,例如將溫度、電源、看門狗等驅動程式與API都先行備妥,未來板卡更動設計或晶片組迭代時,系統整合商仍可以原有程式而無需改寫得狀態下,使用該類型軟體取得板卡上的相關資訊與應用。


智慧化管理軟體可為系統整合業者帶來四大優勢,包括簡化系統升級、提升系統穩定性、安全性更有保障、配置設計容易,在簡化系統升級方面,由於API規格統一,當系統升級更換板卡時,並不需要重新設定原有功能即可運作,在系統整合時,由於各種核心都已內建,只要從中彼此串連即可,大幅縮短了系統整合的設計時間。


在系統穩定性部分,嵌在板卡上的管理軟體,不會因作業系統當機而停擺,此外也可設置遠端救援系統,當位於遠端的系統當機或出現異常訊號時,此系統會自動診斷硬體設備,並發出相關報告的電子郵件通知遠方的管理者,這時管理者可藉由相關報告瞭解現場狀況,在決定是否要重新啟動系統。


一般板卡過熱時,整體系統仍然會停擺,針對此疑慮,一般的硬體設計都是風扇解決過熱問題,這時可利用軟體智慧控制風扇。


相較於一般風扇只要系統啟動就會開始運轉,直到系統停機,用軟體搭配感測器的做法,則會偵測系統內部溫度,當溫度達到預設值時才會開始運轉,溫度降回到設定值即逕行停止,藉此兼顧穩定性與節能考量。


安全性部分,則可把所有的功能資料加密於晶片上。以往的系統,解密都於BIOS進行,在此系統中,則可設計雙重防護,相較於紀錄在作業系統上的做法,其破解難度更高,在對安全要求更高的產業如金融、醫療等,其資安等級可再次提升。


善用IPC專業讓產品最佳化

隨著智慧化趨勢的加快,工業電腦的應用越來越多元,嵌入式電腦模組可兼顧設計時程與成本的特色,將廣為系統整合廠商青睞,目前各工業電腦業者的產品布局也非常完整,再加上長時間的業務推廣,各業者都已累積豐富的專業經驗,由於此類模組具有一定的技術深度,系統整合廠商在導入前可善用工業電腦業者的諮詢服務,讓產品設計最佳化。


**刊頭圖(source:Diamond Systems)


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