坚固设计始于明智选择

April 13, 2017 Majeed Ahmad

极端温度、 强烈震动、 危险化学品。

这些只是恶劣环境带来的部分挑战。 要构建能够应对这些情形的设备,工程师需要为其组件、机箱和软件做出正确的设计决策。 以下介绍了如何完成此项工作。

坚固设计的标准

不同的人对坚固设计有不同的理解。 对于物流系统,这意味着处理轰鸣声持续不断的汽车。 对于电网,这意味着应对恶劣的天气。

虽然每种应用情形都是独一无二的,但其要求通常涉及温度、冲击、震动、灰尘和湿气。 主要问题包括:

1. 温度

恶劣环境往往指极端温度 — 极热、极冷或两者兼而有之。 因此,坚固设计中的所有组件都必须专门指定,以承受相关的温度范围。

温度也是主板级和系统级的重要考虑因素。 例如,在热频谱的高端和低端,保持信号完整性变得相当棘手。 因此,坚固设计需要在标准商用速度的基础上提供一些额外余量。

2. 灰尘和湿气

灰尘、湿气和其他环境危害也很常见。 在有些情况下,这些问题可以通过特殊主板涂层等技术得到解决。

而在有些情况下,这些危害需要密封式无风扇设计。 但这么做往往会带来与散热相关的次生问题。

3. 散热

保持坚固设备散热良好是一大难题,尤其是在炎热环境中运行的无风扇设计。 解决这一难题的方法有很多,例如整个机箱作为散热器的翅片式外壳。不过,一个显而易见的出发点是选择功耗较低的组件。

很多时候,工业处理器运行得比较慢,因此不会释放太多的热量。 内存也是如此。 工业版处理器通常运行较慢,因此可以在较宽的温度范围内可靠地运行。 但是这些运行较慢的部件也会导致难以实现性能目标。

4. 冲击和震动

不夸张地说,冲击和震动可能会导致系统散架。 为了避免机械故障,工程师必须考虑从组件如何安装到主板到外部 I/O 如何连接至机箱的所有环节。

主板设计是一个尤其重要的因素。 PCB 最多可以有 32 层。 需要制定具体的设计规则,以确保高速信号在各种温度范围和各种震动模式下都能适应并正常工作。 例如,有很多人探索将设备放置在 PCB 上,以及实际层的堆叠。

对于像新一代以太网和即将推出的 PCI Express 第 4 代这样的高速信号,这些挑战只会增加,不会减少。 这些更高的速率向工业主板能承受的温度范围和震动模式提出了更大的挑战。

定义成功

那么,成功的坚固设计是什么样的呢?使用寿命长当然很重要。 坚固设备通常可以使用很多年,有时甚至是几十年。 “客户需要知道设备预计可用多长时间,”Curtiss-Wright Defense Solutions 高级产品经理 Marc Couture 说。

平均故障间隔时间 (MTBF) 也很关键。 “几乎在每一个项目中,都有人向我们询问产品的 MTBF,”Couture 补充说。

另一个重要的考虑因素是,工业组件的成本要高于类似的商用组件。 “我们用来增强工业模块的金属、模块的外壳、热导管,这些都会影响成本。”Couture 说道。

选择坚固主板

在设计之初选择一款坚固主板会使这一切变得更加容易。 Curtiss-Wright CHAMP-XD2 就是一个不错的选择,它是一个 VPX 模块,具有前所未有的 DSP 性能,适用于坚固的嵌入式计算环境。

首先,CHAMP-XD2 设计采用双英特尔® 至强® D 处理器(图 1)。 与典型的服务器级处理器(热设计功耗 (TDP) 为 50 至 120 瓦)不同,至强 D 处理器的 TDP 范围为 19 至 65 瓦。 这种低额定功耗使芯片可用于无风扇应用情形。

图 1. CHAMP-XD2 主板使用两个扩展温度英特尔® 至强® D 处理器,每个处理器有 8 至 16 个内核。 (来源:
Curtiss-Wright)

与数据中心规范不同,英特尔至强 D 处理器额定的工作环境条件为 40°至 85°摄氏度。 Couture 指出这“使设计人员能够确保即便在最热的板卡边缘也不会触发限制。”

这种虽不精美但适用的设计被延用到模块的其余部分。 从内存一直到二极管、连接器、弹射手柄等一切设计 都需承受严苛条件。

接下来,Curtiss-Wright 采用了与模块冷却方法一致的金属框架。 这是您在想要去除多少热量与想要模块有多轻之间的权衡取舍;很多时候,这是在铜和铝之间的取舍,”Couture 说。

但有时不仅仅是让薄的承料板或冷板与热组件结合, Curtiss-Wright 还使用热导管等配套技术促进高效的热传递。 “这既关乎可以释放多少热量,又关乎用多快的速度散发热量,”Couture 补充说。

加固机箱

机箱级别需要与板卡级别相同的加固工作。 最佳实践包括金属外壳能使模块尽可能多地散发出热量,并经受住震动。

针对酷热环境,则有传导性冷却板卡,它使用热交换器实现最大限度的散热。 侧壁越冷,处理器冷却就越容易,处理器也就能更耐用。

值得一提的是,VPX 模块通过坚固的连接器插入底板(图 2)。 这些连接器将模块牢固地固定在位,使其与底板完美结合。 在某些情况下,使用隔离机制确保模块不会首当其冲地成为震动的破坏对象。

图 2.
坚固连接器应对极端热环境和振动。 (来源:
Curtiss-Wright)

软件很重要

Couture 补充说,软件也起着至关重要的作用,可能会使任务运行温度比预计所需温度高很多:“英特尔至强 D 具有架构设计良好的处理器和编码良好的软件,完成同样的工作,其运行功耗要低 5 到 10 瓦。”

这就是 Curtiss-Wright 的 OpenHPEC 开发工具的作用所在,它能帮助优化数据流,并判断 CPU 周期是否花费在不必要的地方。 CHAMP-XD2 坚固模块还由一套固件、操作系统、通信 API 和信号处理库提供支持。

使牢固设计变得更容易

应对恶劣环境中的种种极端情况决非易事,但是预先做出一些明智的架构决策可以将事情化繁为简。 选择正确的处理器、正确的主板和正确的机箱就是一个很好的开始。

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