CPCI技术在高性能嵌入式系统的应用

    1.引言

以标准的计算机技术为核心的嵌入式系统，由于可以与各种各样的复杂的设备有机地结合在一起，非常灵活地实现各种监测、控制和管理功能，已经成为工业控制领域广为接受并得到大力发展的产品和技术方案。随着工业控制系统对功能、性能和可靠性要求的不断提高，高可靠性嵌入式系统作为新一代工业控制系统的核心技术。

由PICMG(PCI Industrial Computer ManuFacturesGroup)制订并大力倡导的 Compact PCI(CPCI)技术，由于沿袭了PCI成熟的、高性价比的、广泛而容易获取的软硬件资源，吸纳和发展了VME的高可靠性的系统结构，从面世之初，它就成为新一代高可靠性系统的首选设计方案，在高性能计算机/服务器、工业控制与自动化系统、网络与通信设备和航空航天和军事应用领域都得到广泛应用。

最近几年，随着国外着名计算机系统公司基于CPC的产品和方案的推广以及PICMG/PRC对CPCI技术的宣传，我国工业控制领域越来越多地把CPCI应用于高性能嵌入式系统之中。高可靠性嵌入式CPCI系统具有许多特点和要求，因此从设计到生产到应用服务都需要专业化的技术工艺和工程经验，本文将从技术、产品和服务方面探讨适合市场需要和产业发展的解决方案。

2.嵌入式系统的发展

小到各种家用电器和通信终端的控制电路，大到航空航天飞机和工业自动化系统的控制中心，它们都是嵌入式的计算机系统。根据它们所控制设备的特点，嵌入式计算机系统会采用多种设计方法。从简单的单片机、单板机到复杂的多CPU、多总线冗余结构，都有可能成为嵌入式系统的实现方案。

随着微电子技术和计算机软硬件技术的发展，每一阶段都有新的产品实现方式。CPU、存储器、通信接口速度等的发展使嵌入式系统的性能得到极大的提高，功能日益丰富。高可靠性和高可用性成为设计和应用的首要考虑因素，并且也成为竞争对手之间互相较量的重点。

3.高可靠性嵌入式系统的特殊需求

应用高可靠性嵌入式系统的目的是确保系统性能的可靠实现，主要表现在：1.足够强的数据处理能力；2.足够高的数据传输速度；3.足够多的外部连接接口；4.安全而高效的系统管理机制；5标准而可靠的系统连接方式；6.易于维护的系统结构；7.良好的开放性和可扩展性；8.抗恶劣环境；9.冗错性强。

高可靠性嵌入式系统一般采用高性能处理器，尽可能采用高的系统工作频率和总线宽度，根据系统应用要求可以配置足够多的可以由用户自由定义的 I/O接口，一个或多个系统管理设备以及安全而高效的软硬件管理体制可以保证高可靠性嵌入式系统性能的充分发挥和利用。在物理特征上，高可靠性嵌入式系统采用标准而可靠的系统连接方式、模块化结构设计和冗错性设计，支持热拔插、热切换，以尽可能地缩短系统的不可用时间。高可靠性嵌入式系统具有更强的抗恶劣环境工作能力，对高温、高湿、震动、辐射;和腐蚀，都有良好的防护措施。

4.CPCI的技术特点与系统解决方案

ICPCI定义了33MHZ/32bit-66MHZ/64bit的总线结构，传输速度高达528Mbyte/s。一段CPCI总线可以连接1 个系统设备和7个外围设备，还可以通过桥接电路进行扩展。每一次扩展都可以增加7个外围设备。通过CPCI总线可以方便地实现外围设备甚至系统设备的备份。CPCI系统针对传统电信领域的应用扩展了CTBUS，针对网络通信领域的应用扩展了PSB BUS，可以非常方便地与这两个领域的设备结合，实现嵌入式的应用。CPCI系统支持冗余的电源供应方式，可以实现 1+1，N+l，N+N多种电源冗余结构。系统板卡及外部设备板卡采用统一的3U或6U标准欧式板卡结构，各种板卡之间通过专用的背板进行可靠的互连，且支持热拔插。系统的扩充和维护可以通过直接增加或更换板卡实现，大大减少了系统维护时间，提高了系统可用性。板卡与背板之间选用高性能的2MM HARD METRIC连接器进行连接，在3U的板卡上定义了2个连接器，在6L的板卡上定义了5个连接器，引脚数量多达535个，还有多个引脚可进行专门用途的扩展或由使用者定义。

CPCI连接器采用针孔式连接方式，比PCI的边沿式连接方式密度更高、连接更可靠，更容易实现热拔插、EMC防护等功能，更容易适应振动、灰尘、高湿度、腐蚀性气体等恶劣环境。这种标准的板卡结构还可以通过背板连接器的向后延长的引脚实现背后的I/O扩展。CPCI系统采用了标准的19英寸机箱结构，可以很容易地装入标准的19机架，与相关设备有机地结合。每个 CPCI机箱都有相对独立的电源供应和通风冷却系统，并且有专用的系统监控模块对系统工作状态进行管理和监控。CPCI机箱一般采用优质铝型材，保证了更精密的机械配合，在单位重量、导热性、EMC防护等方面更有优势，特别适合于嵌入式系统的特殊应用需求。CPCI机箱的导轨、面板和插卡把手的设计都充分考虑了热拔插和FMC防护。

CPCI经过近10年的发展和PICMG成员的共同努力，已经成为高可靠性嵌入式系统的首选解决方案。

5.相关产品及应用

CPCI技术的提出已有近十年，但真正被广泛采纳和应用是在最近几年。主要原因是与其相关的产品基础直到最近几年才基本建立完善。

除了基于传统PCI的软硬件内核之外，全新结构的CPCI板卡、CPCI连接器、CPCI背板、CPCI电源、CPCI机箱及其附件等产品集成在一起构成完整的高可靠性嵌入式CPCI系统。板卡是CPCI系统的核心产品，Motorola、Intel等早就有成熟的产品供应，IPC供应商如研华、凌华、研祥等也相继推出自己的产品。CPCI背板是最为关键的部件，直接关系到系统性能的可靠实现。它不仅要求完全符合标准，而且还要求兼容性强，确保来自不同供应商的符合PICMG规范的板卡都能稳定地运行在同一个系统中。它具有3U或6U的高度，2-21个插槽，可以方便地安装在任何标准的欧式插箱。为了保证高密度的布线要求和精确的阻抗匹配，CPCI背板的PCB一般都在10层以上。CPCI背板设计要求非常高的专业化技术和丰富的工程经验，许多参数都要使用专用的EDA工具进行反复的模拟和仿真。CPCI背板的生产装配大多采用先进的压接工艺，需要非常特殊的设备和工装模具。由于CPCI背板实现的是高密度、高可靠性的电气连接和非常精密的机械连接，出厂前都必须经过全面而严格的电学测试和光学测试，必要时还必须进行各种恶劣环境的模拟测试。CPCI背板大多适用于高性能计算机/服务器、工业控制与自动化系统、网络与通信设备以及航空航天和军事应用领域。背板、机箱、电源、风扇模块以及系统监控模块有机组合在一起，就构成了 CPCI系统的基础硬件平台。在此硬件平台的基础上，系统设备厂商可以非常方便、快速地进行专有产品的设计，以相对低廉的成本提供高性能的系统产品。

以上产品基础的建立和相关设计、生产和应用服务的技术保证为高可靠性的嵌入式系统的发展提供了必要而充分的条件。

6．结论

综合以上论述，高可靠性嵌入式系统的特殊应用需求决定了CPCI技术及相关产品成为它的首选方案。专业化的设计、生产和应用服务是高可靠性嵌入式CPCI系统产业化的必由之路。