基于EVOC-EPI总线的工控机特性及可靠性分析
1. 引言
工业控制计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。传统意义上，将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制计算机，包括计算机和过程输入、输出通道两部分。但今天的工业控制计算机的内涵已经远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制。因此，工业控制计算机是“应用在国民经济发展和国防建设的各个领域、具有恶劣环境适应能力、能长期稳定工作的加固计算机”，简称“工控机”。
2.PICMG PIC/ISA总线IPC工控机的由来
中国工控机技术的发展经历了上世纪80年代的第一代STD总线工控机，90年代的第二代IPC工控机，IPC工控机是基于无源底板的系统的发展一直受到改善平均修复时间和提供系统升级的便利途径的愿望驱动下产生，因这种结构使得系统更新和修复简单而停机时间最少。还有一原因是伴随着PC产业的发展而得到了长足的发展，IPC工控机解决了低成本以及和PC软硬件兼容性问题;实践证明：可靠而廉价的工控机适合中国国情。
早在1994年，PICMG组织及时在无源底板结构中导入了PCI技术，制定了基于ISA/PCI技术的PICMG1.0标准。PICMG1.0标准架构下的系统主要有如下的优点：
1.系统更新和修复时间短;
2.具有极佳的扩展性;
3.有助于整体系统的散热特性;
但经过长时间的应用后发现底板加插卡的物理架构存在一些缺陷，例如，金手指处容易氧化，槽部位容易在振动的情况下松动，因此不太适应那些具有腐蚀性和振动性的环境下。同时由于计算机硬件平台技术的发展，需要对原有总线的功能进行丰富。对于这些情况，业界推出了基于PICMG2.0规范的CompactPCI技术，但由于价格、开发难度等因素，CompactPCI在一段时期内较难进入主流市场。因此研祥针对这种情况推出EVOC-EPI 1.0总线，从而延续了IPC工控机的生命力。
3. EVOC-EPI总线架构工控机
3.1 EVOC-EPI总线特性：
EVOC-EPI 1.0总线在电气信号特性上延续PICMG 1.0标准总线技术，在接插连接方式上采用2对120和90针或孔的欧洲卡式机械结构连接器，每对连接器都是由三排针或孔组成的，具有高气密性、防腐性，进一步提高了工控机可靠性，提升了系统抗振动和冲击能力，最大限度地避免了由于振动引起系统故障。
在功能上，从实现整机功能的系统级出发，对原有总线信号进行补充，使之在系统实现上更具灵活性和扩展性。
（图一）
3.2 传统 PICMG PIC/ISA总线金手指连接方式固有的缺陷：
1. 随着硬件平台性能的提升，功耗也随之不断增大。固定在CPU卡上散热系统的重量也不可避免的加大，造成CPU卡重心不稳，易引起CPU卡的印制板变形、断线、接触不良等问题，造成工作不稳定等;
2.传统的PICMG1.0规范中，CPU卡和底板之间的物理连接是采用金手指连接的方式，金手指与无源底板插槽之间的接触方式是两侧弹片的挤压，在振动和冲击过程中瞬间接触不良，引起系统死机。
3. CPU卡与底板插槽连接后，金手指表面50%以上裸露于空气中，在潮湿或腐蚀性气体环境中长期使用，容易氧化或腐蚀，造成系统接触不良。
4. PCIMG1.0规范的适用对象为采用AT电源的平台，随着市场需求的多样化,越来越多的厂商要求总线扩展支持AT/ATX的双电源模式。
5.PICMG1.0 规范所支持的PCI规范为2.0版，无法满足带唤醒功能的PCI扩展卡对系统平台的电源管理。另外，PICMG1.0不支持SMBUS总线，使总线在主板对各扩展子卡进行管理的通信方式上灵活性不足。
6. 做为一个整机系统，主板有多个监控信号需要与安装在机箱前面板或者后面板的板卡相连。符合传统PICMG1.0规范的整机系统，所采用线连的方式。
造成机箱内走线错综复杂，降低了整机的散热性能和装配性，从而对整机系统稳定性造成较大的影响。
（图二）
3.3 EVOC-EPI总线的优势
1. EVOC-EPI总线在结构上是CPU板和底板采用欧式连接器，每对连接器都是通过高密度和气密性针孔连接器互连，信号引脚成360°接触，从而提升了系统抗振动和冲击能力，最大限度地避免了由于振动引起系统故障;信号引脚接触为密闭性连接，有效地防止了粉尘、腐蚀性气体和潮湿空气的侵蚀，从而提升了系统长时间运行的可靠性。
（图三）
2. EVOC-EPI总线，可支持扩展子卡PME#电源管理功能、增加SMBus总线，使整机系统各板卡间的通信管理功能更加灵活便捷。
3.EVOC-EPI总线通过修改电源PIN脚的定义，支持总线接口直接对CPU卡进行供电。同时增加ATX的电源的PS_ON等控制信号。使总线能够支持AT/ATX电源模式。
4.EVOC-EPI总线增加了机箱面板按钮，指示灯，报警等系统监控信号，通过总线将这些信号在底板上进行灵活的扩展。根据不同整机的内部结构，修改底板监控信号接口的布局，保证机箱内部的低密度走线，优化了系统的散热性能。
5.EVOC-EPI总线在信号分布上优先考虑高速信号的走线。缩短了底板上PCI信号从总线扩展槽到子卡的走线长度，减少了传输线上分布电容对信号完整性带来的影响，PCI信号质量得到较大的改善，提高了系统的可靠性。（底板图四）
（底板图四）
4.EVOC-EPI总线架构工控机整体可靠性
EVOC-EPI总线架构工控机在继承了PICMG1.0标准架构易维护性、易扩展性的基础上，特别注重对整机系统可靠性、易维护性，总线扩展性的提升。从下图（图五）的研祥4U IPC工控机可以看出。在抗震方面， CPU板与底板采用欧式连接器进行连接，CPU板上还有两根防震压条，从而避免了因振动时CPU板与底板接触不良造成系统工作不稳定。同时整机前面板位置安装两个风扇，分别放置在主板前端和硬盘驱架前端。在前面板上安装温控模块，实时显示CPU和系统温度，还能设置温度超报警功能。同时由于机箱内的低密度走线，保证了散热风道的顺畅，从而保证系统优异的散热性和稳定性。在易维护性方面，由于CPU卡的监控信号通过扩展总线与底板上的接口排针连接，板上不需要预留与监控板连线的排针, 在更换CPU卡时更加便捷,节约了系统的维护时间。在总线功能性扩展方面，EVOC-EPI总线完全支持PME#电源管理、SMBus总线，方便系统对机箱内的板卡通过软件进行管理。EVOC-EPI总线从系统级对以往传统规范的工控机进行优化，使之在目前工控机所要求的整体可靠性及功能完整性的基础上，更加适应不断发展的计算机硬件平台技术的需要。
（整机图五）
5.结束
随着计算机技术的不断发展，人们对计算机技术在工业化生产过程中的应用既要求性能及稳定性越来越高，当前基于PICMG1.0标准架构下的IPC工控机，随着计算机性能不断提高以及在特殊环境下的应用已经是不堪重负了。研祥公司针对此类问题，不断的在自身的产品上做出创新地改进，在基于PICMG1.0标准架构上创造性的作出了EVOC-EPI 1.0总线标准。使之IPC工控机的生命力得以延续，让稳定可靠IPC工控机广泛应用于现代工业自动化领域，为实现国家信息化带动自动化的目标，作出应有贡献。
工业控制计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。传统意义上，将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制计算机，包括计算机和过程输入、输出通道两部分。但今天的工业控制计算机的内涵已经远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制。因此，工业控制计算机是“应用在国民经济发展和国防建设的各个领域、具有恶劣环境适应能力、能长期稳定工作的加固计算机”，简称“工控机”。
2.PICMG PIC/ISA总线IPC工控机的由来
中国工控机技术的发展经历了上世纪80年代的第一代STD总线工控机，90年代的第二代IPC工控机，IPC工控机是基于无源底板的系统的发展一直受到改善平均修复时间和提供系统升级的便利途径的愿望驱动下产生，因这种结构使得系统更新和修复简单而停机时间最少。还有一原因是伴随着PC产业的发展而得到了长足的发展，IPC工控机解决了低成本以及和PC软硬件兼容性问题;实践证明：可靠而廉价的工控机适合中国国情。
早在1994年，PICMG组织及时在无源底板结构中导入了PCI技术，制定了基于ISA/PCI技术的PICMG1.0标准。PICMG1.0标准架构下的系统主要有如下的优点：
1.系统更新和修复时间短;
2.具有极佳的扩展性;
3.有助于整体系统的散热特性;
但经过长时间的应用后发现底板加插卡的物理架构存在一些缺陷，例如，金手指处容易氧化，槽部位容易在振动的情况下松动，因此不太适应那些具有腐蚀性和振动性的环境下。同时由于计算机硬件平台技术的发展，需要对原有总线的功能进行丰富。对于这些情况，业界推出了基于PICMG2.0规范的CompactPCI技术，但由于价格、开发难度等因素，CompactPCI在一段时期内较难进入主流市场。因此研祥针对这种情况推出EVOC-EPI 1.0总线，从而延续了IPC工控机的生命力。
3. EVOC-EPI总线架构工控机
3.1 EVOC-EPI总线特性：
EVOC-EPI 1.0总线在电气信号特性上延续PICMG 1.0标准总线技术，在接插连接方式上采用2对120和90针或孔的欧洲卡式机械结构连接器，每对连接器都是由三排针或孔组成的，具有高气密性、防腐性，进一步提高了工控机可靠性，提升了系统抗振动和冲击能力，最大限度地避免了由于振动引起系统故障。
在功能上，从实现整机功能的系统级出发，对原有总线信号进行补充，使之在系统实现上更具灵活性和扩展性。
（图一）
3.2 传统 PICMG PIC/ISA总线金手指连接方式固有的缺陷：
1. 随着硬件平台性能的提升，功耗也随之不断增大。固定在CPU卡上散热系统的重量也不可避免的加大，造成CPU卡重心不稳，易引起CPU卡的印制板变形、断线、接触不良等问题，造成工作不稳定等;
2.传统的PICMG1.0规范中，CPU卡和底板之间的物理连接是采用金手指连接的方式，金手指与无源底板插槽之间的接触方式是两侧弹片的挤压，在振动和冲击过程中瞬间接触不良，引起系统死机。
3. CPU卡与底板插槽连接后，金手指表面50%以上裸露于空气中，在潮湿或腐蚀性气体环境中长期使用，容易氧化或腐蚀，造成系统接触不良。
4. PCIMG1.0规范的适用对象为采用AT电源的平台，随着市场需求的多样化,越来越多的厂商要求总线扩展支持AT/ATX的双电源模式。
5.PICMG1.0 规范所支持的PCI规范为2.0版，无法满足带唤醒功能的PCI扩展卡对系统平台的电源管理。另外，PICMG1.0不支持SMBUS总线，使总线在主板对各扩展子卡进行管理的通信方式上灵活性不足。
6. 做为一个整机系统，主板有多个监控信号需要与安装在机箱前面板或者后面板的板卡相连。符合传统PICMG1.0规范的整机系统，所采用线连的方式。
造成机箱内走线错综复杂，降低了整机的散热性能和装配性，从而对整机系统稳定性造成较大的影响。
（图二）
3.3 EVOC-EPI总线的优势
1. EVOC-EPI总线在结构上是CPU板和底板采用欧式连接器，每对连接器都是通过高密度和气密性针孔连接器互连，信号引脚成360°接触，从而提升了系统抗振动和冲击能力，最大限度地避免了由于振动引起系统故障;信号引脚接触为密闭性连接，有效地防止了粉尘、腐蚀性气体和潮湿空气的侵蚀，从而提升了系统长时间运行的可靠性。
（图三）
2. EVOC-EPI总线，可支持扩展子卡PME#电源管理功能、增加SMBus总线，使整机系统各板卡间的通信管理功能更加灵活便捷。
3.EVOC-EPI总线通过修改电源PIN脚的定义，支持总线接口直接对CPU卡进行供电。同时增加ATX的电源的PS_ON等控制信号。使总线能够支持AT/ATX电源模式。
4.EVOC-EPI总线增加了机箱面板按钮，指示灯，报警等系统监控信号，通过总线将这些信号在底板上进行灵活的扩展。根据不同整机的内部结构，修改底板监控信号接口的布局，保证机箱内部的低密度走线，优化了系统的散热性能。
5.EVOC-EPI总线在信号分布上优先考虑高速信号的走线。缩短了底板上PCI信号从总线扩展槽到子卡的走线长度，减少了传输线上分布电容对信号完整性带来的影响，PCI信号质量得到较大的改善，提高了系统的可靠性。（底板图四）
（底板图四）
4.EVOC-EPI总线架构工控机整体可靠性
EVOC-EPI总线架构工控机在继承了PICMG1.0标准架构易维护性、易扩展性的基础上，特别注重对整机系统可靠性、易维护性，总线扩展性的提升。从下图（图五）的研祥4U IPC工控机可以看出。在抗震方面， CPU板与底板采用欧式连接器进行连接，CPU板上还有两根防震压条，从而避免了因振动时CPU板与底板接触不良造成系统工作不稳定。同时整机前面板位置安装两个风扇，分别放置在主板前端和硬盘驱架前端。在前面板上安装温控模块，实时显示CPU和系统温度，还能设置温度超报警功能。同时由于机箱内的低密度走线，保证了散热风道的顺畅，从而保证系统优异的散热性和稳定性。在易维护性方面，由于CPU卡的监控信号通过扩展总线与底板上的接口排针连接，板上不需要预留与监控板连线的排针, 在更换CPU卡时更加便捷,节约了系统的维护时间。在总线功能性扩展方面，EVOC-EPI总线完全支持PME#电源管理、SMBus总线，方便系统对机箱内的板卡通过软件进行管理。EVOC-EPI总线从系统级对以往传统规范的工控机进行优化，使之在目前工控机所要求的整体可靠性及功能完整性的基础上，更加适应不断发展的计算机硬件平台技术的需要。
（整机图五）
5.结束
随着计算机技术的不断发展，人们对计算机技术在工业化生产过程中的应用既要求性能及稳定性越来越高，当前基于PICMG1.0标准架构下的IPC工控机，随着计算机性能不断提高以及在特殊环境下的应用已经是不堪重负了。研祥公司针对此类问题，不断的在自身的产品上做出创新地改进，在基于PICMG1.0标准架构上创造性的作出了EVOC-EPI 1.0总线标准。使之IPC工控机的生命力得以延续，让稳定可靠IPC工控机广泛应用于现代工业自动化领域，为实现国家信息化带动自动化的目标，作出应有贡献。
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