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工控主板集成和CPU对比

来源:杭州东田工控  日期:2019-05-13

    主板用料与设计

    商用主板由于其更新换代的速度比较快,且对产品的稳定性及使用环境的要求比较低,故此追求的是产品的时效性,以及本身产品的市场定位,对元器件选择要求上一般只需满足系统运行2到3年的使用寿命即可(3年之后大部分已经更新换代了),元器件的用料上使用普通级别的就可以了。例如电容,商用主板都是大量使用普通的电解电容,一是出于商用市场产品的使用考虑,二是为降低主板的成本考虑。

    工控主板选料会选用经过长时间,高要求验证元器件,用以保证产品在恶劣条件下高可靠性要求。例如工控主板的元器件需要适应宽温环境(-20℃~60℃),保证在恶劣环境下(寿命期内永久开机、气候恶劣、潮湿、振动、多尘、辐射、高温等等)正常工作;主板元器件需要耐高温、抗潮湿等等。

    工控主板采用的是高质量的贴片式的电解、钽、陶瓷电容,即使使用的电解电容,对其品质、性能及寿命要求也远高于商用产品。商用主板基本都是大量采用针脚式的大电解电容,因为大电解电容成本低、容值大一个可以顶多个贴片或坦电容。从性质来说,电解电容稳定性不及钽电容、陶瓷电容高,寿命不及它们长,耐高温程度不及它们好。贴片式电容比针脚式电容更加稳定。从价格上,钽电容比普通的电解电容要贵,且由于钽电容的电容量较小,使用在主板上时,需要使用更多数量的电容,单单钽电容的成本就是电解电容的几十倍,这也是导致工控主板比商用主板成本价格高的原因之一。

    商用主板采用的是4层PCB设计,一般的PCB线路板分有四层,最上和最下的两层是信号层,中间两层是接地层和电源层,将接地和电源层放在中间。工业主板采用的是6层以上PCB线路板设计,其设计是为了加强主板的抗电磁干扰、电磁兼容能力,增强主板的稳定性等等。

    CPU的差异:

    几年前,商用主板的CPU与工控主板的CPU之间的差异不明显,导致部分追求利润最大化的商家用商用主板的CPU充当工控主板CPU,赚取更多的利润。但是在2009年Intel成立专门为工控领域服务的嵌入式部门,商用CPU与工控CPU的差异则越来越大。主要体现在下面几个方面。

    1)CPU的功耗和制程

    工控主板一般选用的是低功耗的CPU,以便适应工控行业恶劣的环境应用。在AtomN270CPU之前,Intel并没有专门的嵌入式部门,只把工控领域作为普通的CPU应用行业。自2009年Intel正式成立嵌入式部门,相继发布AtomN230、N270、N280等低功耗CPU用来区分商用CPU和工控CPU。在今后,Intel将为工控行业应用研发更低功耗和制程,将南北桥部分功能整合在处理器上的CPU,以满足工控行业的使用要求。

    2)CPU的线路设计

    由于工控主板需要适应宽温、宽压的工业应用环境,工控主板对电压的适应范围比商用主板更宽,工控主板的电压范围一般在9—20V之间。对于CPU的线路布局和设计,要求更加精密。

    3)抗电磁波干扰能力不同

    由于普通商用主板的市场定位和良好的使用环境,其产品一般只会做商用级的电磁兼容测试,抗电磁波干扰能力较低。

    工控主板由于其针对的是工业市场,对抗电磁波干扰能力要求较高,需要通过EMI、EMC等测试和认证。这需要从两个方面考虑,一是从主板的线路布局设计上考虑,二是从机箱选料和结构、电源、接地情况上进行考虑。

    排产流程与检测流程

    工控主板很多时候是根据某种应用开发出来的,可能只适应某种应用,所以它的使用量是很有限的,而商用主板是面对全民的,所以它一次性的投产可以非常大。由于产量的原因,工业主板会比商用主板的排产费用分摊高出很多。这也是造成工业主板与商用主板成本差异的一个方面。

    一些大厂家对商用主板的测试是通过T3三道测试工序:ICT、FUNTION、MANU。绝大多数的厂家对商用主板只通过T1一道测试工序:ICT。甚至一些厂家为了节省成本连T1都没有做,就直接将主板做销售,将T级测试放到了用户的身上,所以这类型的主板返修率特高(通常这些小厂的产品的服务态度非常好,有坏即换,给用户很大的错觉)。

    ICT就是线路测试,是否有开路,短路,这个时候不加任何外设(CPU,DIMM(内存)等治具),目的就是避免到后面funtion的时候烧坏治具。FUNTION主要就是功能测试,会加上CPU,DIMM等外设做一次开机测试,这里会发现所有的问题,基本funtion通过就OK了。MANU就是实测了,所有的外设全部接上,开机测试,检测兼容性等等。

    工控主板出产前是要严格通过多道测试工序一般T5~T7,除ICT、FUNTION、MANU外还要做的测试,如温度、振动、安全性等测试,确保每片主板的质量。

    由于普通商业级主板的市场定位,其产品一般只会做电子产品需要的CCC认证,长城认证,民用级的电磁兼容认证工业级主板由于其针对的是工业市场,所以出于可靠度的需求,在每一款主板在上市前都会做CEEMC,FCC,QArealbility,CCC,震动,落下,等工业级要求测试认证。

    尺寸规格

    商用主板目前主要采用ATX架构;

    工控主板为了适应多种应用环境,采用集成度高,体积小,多种尺寸规格的主板,包括3寸板、5寸板、ATX、Micro-ATX、LPX、半长卡、全长卡等各种规格。这里有一点需要注意,由于工控主板价格较高,部分商家用商用主板的材料做成工控主板的规格,以赚取更大的利润空间。

    工作温度与散热方式

    商用主板基本只能在5℃~38℃之间的环境温度中使用,对机构的散热要求低,讲究外观够炫够酷。

    工控主板可以在-20℃~60℃之间的环境中稳定、无故障的工作,甚至某些工业主板采用特殊的宽温设计,温度范围可达-20度~70度。这对机构的散热方案,散热效率都是一个严峻的考验。在工控主板机构的散热设计上,必须使用的特殊散热设计,甚至还采用全铝制的机构外壳,而且对CPU、南北桥和硬盘等发热大户,进行特殊处理,保证工控主板和整机的正常运行。

    很多工控机由于在恶劣的应用环境下使用,空气中的尘埃和盐分,都会对主板造成腐蚀,影响主板的正常使用,因此很多工控机有必要采用无风扇的机箱结构,防止恶劣环境对系统造成伤害。但是全密封无风扇的结构,因为热源的互相干扰,对主板的性能和稳定性的要求比较高,对机构的散热方式和散热效能的要求很高,务必要将积热有效散发出去。

    管理性

    商用主板只提供简单的远程管理,例如通过连接网络,使用第3方的软件,如REALVNC,PCANYWHARE等实现。

    工控主板除了可以提供类似的远程连接管理外,还可以实现远程无人值守的自动开关机功能。通过内嵌的IPMB,SMNP-1000模块,可以实现系统实时运行信息的管理、记录、发送功能。

    客制化

    商用主板一但生产出来就无法再针对市场需求更改,完全无用户化的设计,用户只能选择通用型的主板。

    在工控领域,很多工控主板可以灵活的满足一些客户后续的特殊需求而实现用户的定制化,更好、更完美配合客户的使用需求环境。

    存储界面

    商用主板只提供常见的存储界面IDE和SATA;工控主板可以提供IDE、SATA、CF卡等多样化的存储界面。

    保护功能

    商用主板没有提供的任何的保护功能;工控主板通过特殊设计,在遇到死机等异常情况,可以实现看门狗自动重新启动、防浪涌冲击等功能,全力的保证系统在恶劣环境的高稳定性的要求。

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