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工业电脑应用渐趋多元 嵌入式电脑模组助攻SI争取商机
[作者 王明德]   2020年12月28日 星期一 浏览人次: [10337]

工业电脑的应用越来越多元,嵌入式电脑模组可兼顾设计时程与成本的特色,将广为系统整合厂商青睐,由于此类模组具有一定的技术深度,系统整合厂商在导入前可善用工业电脑业者的咨询服务,让产品设计最佳化。


工业电脑的应用场域多元,其产品特色是少量多样,需要一定程度的客制化设计,不过为顾及上市时程与成本,业者大多会选择模组化方式,以组装方式完成产品设计,嵌入式电脑模组(COM)就是其中的重要类别。


嵌入式电脑模组的规格由PICMG协会主导,并制定出COM Express规范,并持续推出各种介面标准,主要定义尺寸规格、电压输入、I/O介面等规格。 COM Express的尺寸可分为基本型、紧凑型与迷你型,使用者可依照本身应用需求选择,例如迷你型就可应用于空间狭小或需要携带移动的可持式装置中,透过其小型轻量设计,给整体设备内部保留更多的设计空间。


弹性设计解决时程与成本问题

嵌入式电脑模组的概念是在单一电路板上嵌入处理器和记忆体,再透过成排连接器连接载板,载板则有电源与输出入埠。此类架构的最大好处是具备弹性与开发速度,由于工业电脑会因用产业与场域有不同的I/O需求,但如果整体板卡重新开发设计,会耗费大量时间与资源。



图1 : 物联网的应用越来越多元,嵌入式电脑模组的弹性与快速开发特色,将可满足市场需求。(source:IoT Business News)
图1 : 物联网的应用越来越多元,嵌入式电脑模组的弹性与快速开发特色,将可满足市场需求。(source:IoT Business News)

嵌入式电脑模组的做法则是将处理器、记忆体另设计为嵌入式电脑模组,工程师只需专心设计载板,完成后在选择合适规格的嵌入式电脑模组,组装后即可出货,另外,工业电脑厂商或系统整合业者若需升级产品,也不必重新设计电路板,只需更动COM模组,就可将CPU升级至下一代。


除了避免旷日废时的整体电路板设计外,嵌入式电脑模组的另一个优势是解决备料问题。零组件因迭代而停产,往往系统厂商的最大困扰,尤其部分特殊领域的系统使用寿命,常常高达10年,但一般晶片供应商对嵌入式的供货保证无法满足此需求,随着使用时间越久,电路板上相关零件停产的比例就越高,若要为板上所有组件都进行备料,将造成厂商巨大的成本压力,嵌入式电脑模组即可解决此问题。


透过此类架构,系统整合厂商只须选择合适的板卡尺寸与样式,即便模组选用不同的处理器或晶片组,也不会影响载板,不必因晶片厂商停止供货,而为产品改版,借此降低备料成本。



图2 : COM Express的尺寸可分为基本型、紧凑型与迷你型,迷你型就可应用於空间狭小或需要携带移动的可持式装置中。(source:Maven)
图2 : COM Express的尺寸可分为基本型、紧凑型与迷你型,迷你型就可应用於空间狭小或需要携带移动的可持式装置中。(source:Maven)

至于嵌入式电脑模组的缺点则是相容性。虽然PICMG协会已制定出COM Express规范,厂商也依标准设计模组与载板,但在实际组装时,仍会出现无法运作的情况,要解决此一问题,目前的做法都是由工程师持续测试讯号,找出设计缺陷。


不过,这种方式需要耗费大量资源与工作人员的往返时间,因此后来有业者开发出主动服务模式,从板卡设计的前、中、后三个阶段着手。在设计前期先提供完整资讯,让客户知道每一模组特性,打样前再检视客户载板上的电源、硬碟或USB等元件与I/O功的线路设计,样本完成后,由工程师与客户共同检验开机状况,借此确保产品的可行性。


另外,工业电脑厂商现在也可提供已通过验证且经常性使用的设计,让系统整合厂商应用在载板上,例如事先备妥常用且已验证完成的的电源设计,在设计时直接套用,免去线路除错的困扰,并缩短设计时程,其他像是散热、机构设计等,也都可沿用此方式。


智慧化软体强化管理效益

在软体方面,现在厂商已推出智慧化管理软体,这类软体式是依据嵌入式应用程式编程介面所设计的API,因此在COM Express Mini的应用上效果相当明显,例如将温度、电源、看门狗等驱动程式与API都先行备妥,未来板卡更动设计或晶片组迭代时,系统整合商仍可以原有程式而无需改写得状态下,使用该类型软体取得板卡上的相关资讯与应用。


智慧化管理软体可为系统整合业者带来四大优势,包括简化系统升级、提升系统稳定性、安全性更有保障、配置设计容易,在简化系统升级方面,由于API规格统一,当系统升级更换板卡时,并不需要重新设定原有功能即可运作,在系统整合时,由于各种核心都已内建,只要从中彼此串连即可,大幅缩短了系统整合的设计时间。


在系统稳定性部分,嵌在板卡上的管理软体,不会因作业系统当机而停摆,此外也可设置远端救援系统,当位于远端的系统当机或出现异常讯号时,此系统会自动诊断硬体设备,并发出相关报告的电子邮件通知远方的管理者,这时管理者可藉由相关报告了解现场状况,在决定是否要重新启动系统。


一般板卡过热时,整体系统仍然会停摆,针对此疑虑,一般的硬体设计都是风扇解决过热问题,这时可利用软体智慧控制风扇。


相较于一般风扇只要系统启动就会开始运转,直到系统停机,用软体搭配感测器的做法,则会侦测系统内部温度,当温度达到预设值时才会开始运转,温度降回到设定值即径行停止,借此兼顾稳定性与节能考量。


安全性部分,则可把所有的功能资料加密于晶片上。以往的系统,解密都于BIOS进行,在此系统中,则可设计双重防护,相较于纪录在作业系统上的做法,其破解难度更高,在对安全要求更高的产业如金融、医疗等,其资安等级可再次提升。


善用IPC专业让产品最佳化

随着智慧化趋势的加快,工业电脑的应用越来越多元,嵌入式电脑模组可兼顾设计时程与成本的特色,将广为系统整合厂商青睐,目前各工业电脑业者的产品布局也非常完整,再加上长时间的业务推广,各业者都已累积丰富的专业经验,由于此类模组具有一定的技术深度,系统整合厂商在导入前可善用工业电脑业者的咨询服务,让产品设计最佳化。


**刊头图(source:Diamond Systems)


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