工控機(jī)的設(shè)計(jì)分析與選擇

1、工控機(jī)的設(shè)計(jì)分析(fnx)與選擇 對(duì)于家用電腦，是以時(shí)尚的外形、較高的顯卡性能、多媒體顯示性能、豐富的擴(kuò)展性能、多聲道聲卡等方面作為吸引消費(fèi)者的賣點(diǎn)，有些高檔家用電腦甚至配備遙控器，時(shí)尚的音響，儼然一個(gè)(y )家庭多媒體中心。 共六十五頁(yè) 對(duì)于商用客戶，則是通過(guò)穩(wěn)重的外觀、完備的售后服務(wù)、有限的擴(kuò)展性能、高速度的運(yùn)算速度等來(lái)吸引(xyn)商用客戶采購(gòu)。 共六十五頁(yè)工控電腦是完全不同的設(shè)計(jì)理念，工控電腦更多的是在惡劣的環(huán)境(hunjng)下使用，對(duì)產(chǎn)品的易維護(hù)性、散熱、防塵、產(chǎn)品周期、甚至尺寸方面都有著嚴(yán)格的要求。因此在設(shè)計(jì)和選擇工控機(jī)平臺(tái)的時(shí)候，考慮的更多的是機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后才是對(duì)性能等的考慮

2、。共六十五頁(yè)工控機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(shj)的理念 共六十五頁(yè)1、工控機(jī)的尺寸(ch cun)設(shè)計(jì) 工控機(jī)在很多情況下使用是應(yīng)用于某個(gè)系統(tǒng)之中，因此常常被放置在某個(gè)設(shè)備之中或上架。因此對(duì)尺寸有較嚴(yán)格的要求。根據(jù)用戶的使用情況，分為(fn wi)上架式和壁掛式兩種設(shè)計(jì)。 共六十五頁(yè)上架式(ji sh)： 如圖 IPC610就是(jish)標(biāo)準(zhǔn)的4U高度19英寸上架式機(jī)箱?？梢詰?yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)柜之中。 共六十五頁(yè)針對(duì)客戶的不同需求，會(huì)提供1U、2U、3U、4U、5U和7U高度的機(jī)箱。 一般來(lái)說(shuō)，在1U或2U的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上面。由于機(jī)箱體積有限，但CPU的功耗日益加大（最新的P4CPU功耗已超過(guò)(chogu)10

3、0W），因此內(nèi)部散熱風(fēng)流設(shè)計(jì)變成了廠商面臨的最大問(wèn)題。 對(duì)于1U工控機(jī)，多用于對(duì)體積要求較高的電信領(lǐng)域，大多配合上架使用 共六十五頁(yè) 對(duì)于4U，7U的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于機(jī)箱的體積變大，在狹小機(jī)箱中面臨散熱因素已不是(b shi)主要考慮因素。因此如何合理的利用機(jī)箱空間在有限的空間內(nèi)提供更多的驅(qū)動(dòng)器托架、如何提供多個(gè)擴(kuò)展卡槽位、如何支持雙CPU卡、如何抗振動(dòng)、如何易于維護(hù)等因素變成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要考慮因素了。 共六十五頁(yè)壁掛式： 由于某些設(shè)備制造商需要把控制中心（IPC）放置在其設(shè)備之中。因此(ync)對(duì)工控機(jī)的體積有較為嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的上架式19英寸機(jī)箱體積基本很難滿足要求，因此(ync)針對(duì)此種

4、客戶需求，推出了壁掛式的機(jī)箱。 共六十五頁(yè)應(yīng)用在某設(shè)備(shbi)內(nèi)部 共六十五頁(yè)2、工控機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)(jgu)設(shè)計(jì) 早在80年代初期，美國(guó)AD公司就推出了類似IPC的MAC-150工控機(jī)，隨后美國(guó)IBM公司在85年正式(zhngsh)推出工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)IBM7532。 共六十五頁(yè)IBM7532工業(yè)計(jì)算機(jī)特色 可以在差距很大的溫度和濕度條件下操作。具有防塵結(jié)構(gòu)和磁盤保護(hù)裝置。有極佳防震和防電擊的外殼。供電裝置受到避免外在噪聲和電壓頻率波動(dòng)的保護(hù)。配置安全鍵鎖。以防止不當(dāng)操作，和保障數(shù)據(jù)安全。備有系統(tǒng)(xtng)重置開(kāi)關(guān)，符合人體工學(xué)需求。附有19英寸頂架設(shè)計(jì)，易于和其它設(shè)備結(jié)合操作。共六十五頁(yè)

5、早期的工控機(jī)就是一個(gè)質(zhì)量更好的PC。但是隨著時(shí)間的推移(tuy)，工控機(jī)架構(gòu)有了本質(zhì)上的變化，根據(jù)用戶使用環(huán)境的變化，演變成了現(xiàn)在流行的底板加插卡的架構(gòu)。這種架構(gòu)主要有如下的優(yōu)點(diǎn)：維護(hù)時(shí)間減少：共六十五頁(yè) 隨著(su zhe)工控機(jī)被大量用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，基于母板的系統(tǒng)是不靈活的，為了修復(fù)或更新系統(tǒng)需要更換整個(gè)母板。更換母板需要在母板拿走之前把所有的插卡和電纜都拔掉。這就導(dǎo)致修復(fù)或更新時(shí)系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間增加，這在工控現(xiàn)場(chǎng)是不可接受的。 共六十五頁(yè) 引此工程師們想到另外(ln wi)一個(gè)方法，取消母板架構(gòu)，而把核心的CPU處理單元做在一張插卡上，其它的擴(kuò)展界面則做在底板上，底板是由一些連接器和無(wú)源器件組

6、成的。這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)更新和修復(fù)簡(jiǎn)單而且停機(jī)時(shí)間最少。這種設(shè)計(jì)理念影響了整個(gè)工控機(jī)的發(fā)展。共六十五頁(yè)共六十五頁(yè)極佳的擴(kuò)展性:PICMG1.0標(biāo)準(zhǔn)除了上文所闡述的系統(tǒng)更新和修復(fù)時(shí)間短的主要(zhyo)優(yōu)點(diǎn)外，還存在另外一個(gè)主要(zhyo)優(yōu)點(diǎn)：具有極佳的擴(kuò)展性。共六十五頁(yè) 傳統(tǒng)的商用母板上PCI、ISA數(shù)量固定，早期主板由于面積所顯，一般僅提供3個(gè)PCI，3個(gè)ISA槽，后來(lái)ISA在民用市場(chǎng)面臨淘汰，因此諸多商用主板廠商基于成本考量，取消(qxio)ISA槽，或僅提供一個(gè)ISA槽。因此對(duì)于工控用戶的多樣性，商規(guī)主板提供的槽數(shù)難免捉襟見(jiàn)肘。PICMG1.0無(wú)源底板標(biāo)準(zhǔn)最高可提供20槽，所提供的ISA

7、、PCI數(shù)量也可根據(jù)用戶需求隨意調(diào)整。共六十五頁(yè)優(yōu)秀的散熱特性(txng)此外采用PICMG1.0架構(gòu)也有助于整體系統(tǒng)的散熱， 共六十五頁(yè) 當(dāng)然，底板加插卡的物理架構(gòu)還有一些缺陷，例如，金手指處容易氧化，槽部位容易在振動(dòng)的情況下松動(dòng)，因此不太適應(yīng)那些具有腐蝕性和振動(dòng)性的環(huán)境下。對(duì)于這些(zhxi)情況，業(yè)界推出了基于PICMG2.0規(guī)范的CompactPCI技術(shù) 共六十五頁(yè) 共六十五頁(yè) 灰塵、散熱、靜電(jngdin)是造成計(jì)算機(jī)不穩(wěn)定的三大主要因素。 但商用PC機(jī)由于使用環(huán)境的不同，僅在散熱方面遵守AT、ATX、乃至最新的BTX架構(gòu)，而灰塵和靜電問(wèn)題在普通使用環(huán)境下并不突出，因此商用PC對(duì)此

8、考慮很少。 共六十五頁(yè) 工控機(jī)使用環(huán)境比較特殊，經(jīng)常在高溫、粉塵、供電條件不好的環(huán)境下運(yùn)行，并大多是在7X24小時(shí)環(huán)境下運(yùn)行。而由于架構(gòu)的不同，商用PC的機(jī)箱設(shè)計(jì)理念也不能直接照搬(zho bn)到工控機(jī)。因此在散熱、防塵方面工控機(jī)必須有自己的設(shè)計(jì)理念，散熱的好壞直接影響到工控機(jī)的穩(wěn)定性，下面我們重點(diǎn)來(lái)介紹一下工控機(jī)在散熱和防塵的特性。 共六十五頁(yè)3、工控機(jī)的散熱剖析(pux) 早期的CPU由于功耗問(wèn)題并不突出，因此工控機(jī)的散熱不是設(shè)計(jì)(shj)的主要考慮因素。但隨著人們對(duì)CPU性能需求的增加，處理器的功耗也日益增加。最新的IntelLGA775架構(gòu)的P4處理器最大功耗居然在100W以上。工控

9、機(jī)內(nèi)部的散熱問(wèn)題也變得日益嚴(yán)峻起來(lái)。 共六十五頁(yè)IPC610系列(xli)，F(xiàn)版機(jī)箱 共六十五頁(yè) 當(dāng)P4處理器進(jìn)入工控機(jī)市場(chǎng)后，其高發(fā)熱量使得各個(gè)工控廠商不得不重視工控機(jī)的散熱問(wèn)題。 為了提升散熱效果，加大機(jī)箱內(nèi)部風(fēng)流，采用雙風(fēng)扇的設(shè)計(jì)。并基于維護(hù)考慮，將雙風(fēng)扇采用模塊(m kui)式的設(shè)計(jì)理念，固定在一個(gè)抽取板上，從而容易更換。由于采用雙風(fēng)扇后，過(guò)濾網(wǎng)的面積加大，因此原有的側(cè)面抽取式過(guò)濾網(wǎng)更換方式無(wú)法適用，因此工程師們采用了濾網(wǎng)前置前開(kāi)口的方式便于抽取濾網(wǎng)。 共六十五頁(yè)610系列(xli)機(jī)箱IPC610H 共六十五頁(yè)對(duì)中低端市場(chǎng)的IPC610L，也在散熱風(fēng)扇和過(guò)濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)上有獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念

10、。采用前開(kāi)口的單風(fēng)扇設(shè)計(jì)，風(fēng)扇可前置(qin zh)打開(kāi)，濾網(wǎng)也易于抽取。 共六十五頁(yè)610系列(xli)機(jī)箱IPC610L 共六十五頁(yè)1U和2U的機(jī)箱內(nèi)部散熱設(shè)計(jì)。這類機(jī)器由于機(jī)箱體積限制，都采用蝶型背板的設(shè)計(jì)，并提供模塊化的設(shè)計(jì)便于用戶維護(hù)，但由于小風(fēng)扇的CFM都比較小，因此只能多采用多風(fēng)扇來(lái)增大(zn d)風(fēng)流。 共六十五頁(yè)1U的機(jī)箱散熱設(shè)計(jì)(shj)2U機(jī)箱和ACP1000設(shè)計(jì)理念基本相同 共六十五頁(yè)壁掛式機(jī)箱的散熱設(shè)計(jì)(shj) 壁掛式機(jī)箱要求機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊以便滿足各種不同(b tn)場(chǎng)合下的應(yīng)用，機(jī)箱內(nèi)部寸土寸金，每一個(gè)空間都需要合理的應(yīng)用。但小機(jī)箱內(nèi)部由于體積所限，采用的風(fēng)扇功率也

11、不能太大，因此小機(jī)箱的散熱更考察設(shè)計(jì)功底。 總體來(lái)說(shuō)，小機(jī)箱里面有兩個(gè)最重要的散熱對(duì)象：CPU和硬盤。 下面我們來(lái)看看壁掛式機(jī)箱IPC6806的在散熱方面的設(shè)計(jì)及其后繼版本的改進(jìn)： 共六十五頁(yè)IPC6806WH 共六十五頁(yè)改進(jìn)(gijn)版本IPC6806W 共六十五頁(yè)EMC設(shè)計(jì)(shj) 我們分別(fnbi)從工控機(jī)機(jī)箱的分類、工控機(jī)架構(gòu)、工控機(jī)的散熱設(shè)計(jì)等講述了工控機(jī)的設(shè)計(jì)理念。我們現(xiàn)在來(lái)講述工控機(jī)的EMC設(shè)計(jì)的思想。 共六十五頁(yè)當(dāng)我們使用電子設(shè)備的時(shí)候，就會(huì)形成電磁干擾。EMC（Electromagneticcompatibility電磁兼容性）現(xiàn)象在我們生活中隨處可見(jiàn)。例如我們?cè)诳措娨?/p>

12、的時(shí)候，如果手機(jī)放在電視機(jī)旁邊，在來(lái)電時(shí)手機(jī)信號(hào)會(huì)干擾電視信號(hào)形成雪花片。而隨著日常電子設(shè)備的廣泛使用，電子設(shè)備的EMC設(shè)計(jì)(shj)正變得日益重要起來(lái)。 共六十五頁(yè)世界大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都制定了EMC標(biāo)準(zhǔn)，銷往該國(guó)家或地區(qū)的電子產(chǎn)品必須要符合相應(yīng)的EMC標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)其認(rèn)證才可以(ky)。其中比較知名的認(rèn)證有共六十五頁(yè)美國(guó)(mi u)的FCC認(rèn)證日本的VCCI認(rèn)證歐盟的CE認(rèn)證中國(guó)的3C認(rèn)證等。共六十五頁(yè)無(wú)論工控機(jī)還是商用機(jī)，EMC設(shè)計(jì)中的最首先考慮的是板卡本身的EMI（電磁干擾）設(shè)計(jì) ?，F(xiàn)代工控板都采用6層板設(shè)計(jì)，并在PCB走線時(shí)嚴(yán)格遵循了時(shí)鐘線等長(zhǎng)的概念,采用減少電磁輻射（EMI）阻抗設(shè)計(jì)與串

13、音控制(kngzh),走線拓?fù)涞臎Q定都充分尊守了Intel的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。 共六十五頁(yè)但由于處理器的頻率的提升，單純依靠板卡本身在EMI方面的設(shè)計(jì)無(wú)法充分滿足(mnz)EMC認(rèn)證的要求。因此工控機(jī)機(jī)箱的EMC設(shè)計(jì)變得更為重要了。 共六十五頁(yè) 在解釋工控機(jī)機(jī)箱的EMC設(shè)計(jì)(shj)之前，我們先來(lái)看看商用PC機(jī)機(jī)箱的EMC設(shè)計(jì)(shj)，商用PC機(jī)由于應(yīng)用在家庭環(huán)境中，與人體接觸的時(shí)間更長(zhǎng)，因此對(duì)EMC設(shè)計(jì)(shj)的要求也十分嚴(yán)格。共六十五頁(yè) 雖大多數(shù)著名PC品牌由于行銷全球，也通過(guò)了各國(guó)的電磁兼容認(rèn)證(rnzhng)。但由于用途的不同，商用PC通過(guò)的EMC認(rèn)證(rnzhng)和工控機(jī)的EMC認(rèn)證(

14、rnzhng)側(cè)重點(diǎn)是不同的。商用PC的EMC認(rèn)證更偏向PC機(jī)本身對(duì)人體的輻射量的考慮，所以在用料和機(jī)箱設(shè)計(jì)上都基于這個(gè)方面考慮的。 共六十五頁(yè)工控機(jī)的應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，EMC認(rèn)證涉及(shj)的范圍也更為廣泛，除了考慮工控機(jī)的電磁輻射干擾外，防止外界的各種因素對(duì)工控機(jī)內(nèi)部設(shè)備造成的干擾也是一個(gè)EMC設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 共六十五頁(yè)商用PC的EMC設(shè)計(jì)(shj)是對(duì)內(nèi)的，而工控機(jī)的EMC設(shè)計(jì)(shj)則是雙向的。 共六十五頁(yè)1、散熱口的EMC設(shè)計(jì)(shj) 無(wú)論對(duì)內(nèi)還是對(duì)外，對(duì)付電磁輻射最好的方法就是用一個(gè)全密封的金屬盒子把電磁輻射體遮蔽(zhb)起來(lái)，而且屏蔽用的金屬層越厚越好。這樣無(wú)論對(duì)內(nèi)還是對(duì)外，

15、電磁屏蔽的效果都最好。 共六十五頁(yè)但是由于散熱、外接擴(kuò)展設(shè)備的因素。無(wú)論商用PC還是工控機(jī)，都無(wú)法做到嚴(yán)格密封的狀態(tài)(zhungti)。機(jī)箱關(guān)于防止電磁泄漏設(shè)計(jì)很重要的一點(diǎn)就是關(guān)于散熱和電磁泄漏之間的良好平衡性設(shè)計(jì)，既要充分散熱，也需要兼顧到電磁兼容方面的設(shè)計(jì)。 共六十五頁(yè)商用PC上所見(jiàn)到的，是上面(shng min)這樣的散熱孔徑，圓形而多孔。 共六十五頁(yè)實(shí)際上防止電磁泄漏的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)散熱孔徑的大小，以及形狀(xngzhun)是有諸多限制的，研究實(shí)驗(yàn)表明，方形孔徑要比圓形孔徑具有更出色的防止電磁泄漏效果。 共六十五頁(yè)工控機(jī)的散熱孔的設(shè)計(jì)(shj) 共六十五頁(yè)共六十五頁(yè)2、機(jī)箱接縫處的EMC設(shè)

16、計(jì)(shj) 根據(jù)理論，當(dāng)機(jī)箱上兩個(gè)接觸點(diǎn)之間的距離大于0.25x（波長(zhǎng)符號(hào)）時(shí)，兩點(diǎn)之間就會(huì)很容易(rngy)泄漏出有害的電磁輻射。因此在機(jī)箱接縫處的設(shè)計(jì)，也是考察EMC設(shè)計(jì)功底的一個(gè)重要指標(biāo)。 共六十五頁(yè)現(xiàn)在商用PC機(jī)的機(jī)箱鋼板(gngbn)厚度僅為0.6mm，鋼板(gngbn)的強(qiáng)度有限，難以保證機(jī)箱本身受力后不產(chǎn)生形變，并且由于現(xiàn)在商用PC基本多是立式機(jī)箱，因此側(cè)開(kāi)口的面板也難以保證接縫處的緊密結(jié)合，為了克服這些現(xiàn)象，一些高檔商用PC在機(jī)箱的接縫處留有EMI彈片設(shè)計(jì)。共六十五頁(yè)共六十五頁(yè)但工控機(jī)的使用環(huán)境復(fù)雜多變，某些環(huán)境是具有較強(qiáng)的振動(dòng)性的，采用EMI彈片設(shè)計(jì)容易在振動(dòng)的環(huán)境下失去彈

17、片的彈性。工控機(jī)采用的機(jī)箱材料為1.2mm的優(yōu)質(zhì)鋼板，本身具有優(yōu)秀的抗形變特性，由于工控機(jī)機(jī)箱多為臥式的，頂部鋼板自身的重量和鋼材特性已經(jīng)能夠保證機(jī)箱壁之間的嚴(yán)密接觸。優(yōu)秀的工控機(jī)機(jī)箱在不采用EMI彈片的時(shí)候也完全可以通過(guò)CE，F(xiàn)CC等EMC認(rèn)證。如果某些對(duì)電磁兼容極為嚴(yán)格的環(huán)境，例如軍工行業(yè)，我們會(huì)推薦(tujin)客戶在機(jī)箱接縫處使用更為可靠的金屬導(dǎo)電布。共六十五頁(yè)在板卡和機(jī)箱的接縫處，這個(gè)地方也是極其容易引起電磁泄漏的地方，商用PC由于擴(kuò)展卡較少，很少有品牌在這個(gè)地方采用EMI彈片設(shè)計(jì)。而工控機(jī)內(nèi)部會(huì)插入多塊板卡，板卡和機(jī)箱的接觸嚴(yán)密與否是電磁兼容是否優(yōu)秀(yuxi)的一個(gè)重要指標(biāo)，因此

18、做工優(yōu)良的工控機(jī)會(huì)采用EMI彈片確保板卡和機(jī)箱之間的接縫緊密可靠。共六十五頁(yè)共六十五頁(yè)3、機(jī)箱表面(biomin)的特殊設(shè)計(jì) 商用PC機(jī)箱材料多采用鍍鋅鋼板，并考慮吸收機(jī)箱內(nèi)輻射的有效性，在機(jī)箱內(nèi)部沒(méi)有進(jìn)行噴漆處理，因此機(jī)箱內(nèi)壁的鍍鋅鋼板是可以導(dǎo)電的，也更容易吸收電磁輻射(din c f sh)，這也使得商用PC機(jī)在靜電防護(hù)、電磁屏蔽方面有著先天的優(yōu)勢(shì)。商用PC的這種機(jī)箱在普通使用下沒(méi)有問(wèn)題，但是如果用于工控環(huán)境則是十分不合適的。 共六十五頁(yè)首先、工控機(jī)在某些時(shí)候(sh hou)要用在有強(qiáng)烈腐蝕性的環(huán)境下，例如海上的海鹽、高速公路上排出的汽車尾氣、化工廠的氣體都具有強(qiáng)烈的腐蝕性。因此機(jī)箱內(nèi)外表面都必須要做抗腐蝕處理。 共六十五頁(yè)其次、有時(shí)計(jì)算機(jī)會(huì)在振動(dòng)的環(huán)境下工作，在某些特殊的情況下，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)的某些電器元件接觸(jich)到機(jī)箱內(nèi)部表面，由于機(jī)箱內(nèi)壁導(dǎo)電，所以很容易造成短路，燒毀設(shè)備。共六十五頁(yè)而工控機(jī)在內(nèi)部的噴漆處理使得機(jī)箱內(nèi)壁不導(dǎo)電，可以杜絕這類現(xiàn)象的發(fā)生。但是正所謂成也蕭何、敗也蕭何，正是因?yàn)檫@些不導(dǎo)電的機(jī)箱內(nèi)壁對(duì)工控機(jī)的EMC設(shè)計(jì)(shj)有著更高的挑戰(zhàn)。工控機(jī)由于內(nèi)壁也進(jìn)行了烤漆處理，因此機(jī)箱表面不導(dǎo)電，無(wú)法象商用PC一樣形成等地體，因此只得在部分位置處留出沒(méi)有噴漆的接觸面，形成導(dǎo)電體，在整個(gè)機(jī)箱表面形成等勢(shì)體，處理工藝較為復(fù)雜。共