Ernest Godsley
Preşedintele firmei MEN Micro. Inc. USA
Nu cu prea mult timp în urmă, proiectanţii de sisteme industriale embedded aveau la dispoziţie relativ puţine alternative când era vorba de componente şi produse la nivel de placă. Ei nu puteau folosi imensa varietate de componente disponibile pentru pieţele de IT comercial şi de consum, deoarece respectivele subansambluri erau bune pentru birouri sau pentru acasă, nu pentru aplicaţii industriale. Pur şi simplu nu erau destul de sofisticate, de puternice sau de robuste! În consecinţă, plăcile pentru sistemele embedded trebuiau să fie special proiectate şi adeseori era nevoie să se folosească componente cu specificaţii militare pentru a putea atinge nivelele de fiabilitate şi robusteţe impuse. Toate astea însemnau în primul rând preţuri foarte ridicate!
În ultimii ani, situaţia s-a schimbat. Calculatoarele de birou şi sistemele open bus au realizat progrese importante în privinţa puterii de prelucrare şi a sofisticării. Mai mult, popularitatea crescândă a sistemelor mobile a grăbit punerea la punct a unei întregi game de componente robuste şi cu consum redus. Sistemele mobile includ nu numai laptop-urile şi notebook-urile, ci şi asistenţii personali digitali (PDA), agendele electronice, camerele video şi foto digitale şi terminalele de comunicaţii fără fir (noua generaţie de telefoane mobile).
Profitând de această “invazie” de componente noi, proiectanţii de sisteme industriale embedded pot acum să beneficieze de avantajele economice stabilite de producţia pe scară extrem de mare pentru piaţa comercială, şi pot utiliza aceleaşi componente comerciale şi în aplicaţiile industriale.
PC-ul devine tot mai mic
De mult timp, proiectanţii de sisteme embedded au încercat să folosească PC-urile în aplicaţii industriale. Sistemele PC erau prin natura lor ieftine, dispuneau de o gamă foarte variată de produse software, de periferice şi componente de I/O, iar numărul furnizorilor era practic nelimitat! De aceea, proiectanţii încercau să monteze PC-urile delicate în carcase sau dulapuri robuste, care să le protejeze în aplicaţiile industriale cu condiţii severe. Succesul acestui demers a fost însă limitat.
Pasul următor a fost să se amplaseze toate componentele necesare pentru un sistem PC pe o singură placă open bus, cu un factor de formă adecvat sistemelor embedded, cum ar fi VME cu înălţimea de 6U. Astfel, pe un şasiu industrial se puteau utiliza componentele hardware de PC, iar proiectantul avea la dispoziţie tot soft-ul elaborat pentru calculatoarele PC. Un lider mondial în acest domeniu este firma texană National Instruments, al cărei integrator de sistem pentru România este Imperial Electric SA. Din păcate, aceste sisteme erau nu numai performante, ci şi foarte costisitoare, deci nu sunt rentabile decât pentru sistemele militare şi pentru câteva aplicaţii industriale de vârf.
Între timp, componentele electronice pentru calculatoare şi telecomunicaţii continuau să devină tot mai mici şi mai dense. Următoarea etapă logică a fost amplasarea tuturor capacităţilor unui PC pe un singur cip. Unul din primele exemple în acest sens a fost lansat de firma ST Microelectronics, cu al său ST-PC. Thomson oferea prin ST-PC, pe o placă de dimensiuni reduse, toate funcţiile ce se găsesc în mod normal într-un computer monoplacă (SBC), inclusiv interfeţe seriale, paralelă, pentru harddisk, afişaj CRT sau LCD, şi tastatură şi mouse.
Conceptul de “un sistem întreg pe un cip” (SOC) este în mod cert avantajos pentru sistemele înglobate. Faţă de configuraţiile clasice de PC-uri discrete (cu o placă de bază şi mai multe plăci inserabile) are un preţ mai scăzut, consumă mai puţină energie, ocupă loc mai puţin şi este mai robust. În funcţie de producătorul de cipuri, disponibilitatea unora din SOC-uri este asigurată pe perioade de timp îndelungate.
Probleme de memorie
Memoriile semiconductoare oferă un alt exemplu de cum tehnologiile puse la punct iniţial pentru sistemele comerciale sau de consum au migrat către aplicaţiile embedded.
Încă de la început, pe când la noi erau vremurile lui M118, Independent-102 şi ECAROM, proiectanţii de sisteme industriale embedded configurau un sistem bazat pe fund de sertar pasiv cu cel puţin o placă ce conţinea numai dispozitive de memorie (RAM şi EPROM). Pe atunci gradul de integrare era mai scăzut, memoria unui calculator ocupa aşa de mult loc încât necesita o placă proprie … sau chiar mai multe pentru capacităţi mari! Pe măsură ce dimensiunile memoriilor au scăzut, proiectanţii de sisteme embedded au putut folosi socluri pentru cipurile de memorie, şi au putut pune cantităţi mari de memorie pe plăcile cu unitatea centrală. Totuşi, în cazul sistemelor industriale, era adeseori necesar să se recurgă la costisitoare memorii de calitate militară pentru a putea realiza un sistem cu gamă extinsă de temperaturi de funcţionare.
În ultimul timp, memoriile RAM realizate în conformitate cu cerinţele actuale ale pieţei comerciale au devenit tot mai mici şi mai dense. În acelaşi timp, au fost puse la punct pentru aplicaţii comerciale module de memorie ce aveau caracteristicile de performanţă necesare în sistemele industriale embedded. Unul din primele module de memorie ce a migrat spre domeniul industrial a fost SIMM-ul, ce se mai găseşte şi astăzi în unele calculatoare 486 sau chiar Pentium. Plăcuţa de memorie “single in line” este robustă şi poate fi fabricată pentru gama extinsă de temperatură. Modulele SIMM tipice au 30 sau 72 de terminale şi un timp de acces tipic de 60 nanosecunde, iar capacitatea a crescut în decursul anilor de la 256K la 32M!
În ultimii cinci ani, DIMM-urile (small outline dual in-line module) au înlocuit practic SIMM-urile. Acum DIMM-urile cu 72 sau 144 de pini sunt dominante în întreg domeniul PC-urilor comerciale, deşi iniţial au fost puse la punct pentru laptop-uri, datorită amprentei reduse şi înălţimii scăzute a componentelor. În plus, DIMM-urile contemporane beneficiază şi de progresele tehnologice în creşterea capacităţii şi scăderea timpilor de acces (modulele cele mai folosite sunt 64 si 128MB).
Proiectanţii de sisteme embedded au adoptat rapid şi această tehnologie, exploatând în folosul aplicaţiilor industriale economiile de scală stabilite în lumea PC-urilor. În afara reducerilor de preţuri şi a gamei extinse de temperatură a memoriilor DIMM, acestea sunt şi surprinzător de rezistente la şocuri şi vibraţii, datorită masei relativ mici a modulelor.
Memoria Flash
Pentru PC-urile embedded, memoria de masă a fost o problemă, dar şi aici componentele şi dispozitivele destinate iniţial produselor electronice comerciale şi de consum au făcut saltul în domeniul sistemelor industriale, unde oferă alternative eficiente. Una dintre aceste soluţii este memoria Flash (CompactFlah, FlashDisk, Disk On Chip, de la firme precum SanDisk sau M Systems).
Se ştie că memoriile magnetice clasice (harddiskurile) nu funcţionează bine în sistemele industriale sau mobile cu şocuri şi vibraţii puternice, variaţii mari de temperatură, etc. Unii producători de sisteme embedded au încercat să rezolve problema utilizând unităţi de disk obişnuite montate pe şasie sau în dulapuri care să amortizeze şocurile, dar aceasta era o variantă costisitoare şi nu totdeauna eficientă, chiar dacă se mai utilizează şi în prezent.
Pe de altă parte, unii producători de componente sau de periferice au introdus echivalentul în memorii semiconductoare al harddiskurilor, dar aceste “unităţi de disk solid-state” erau costisitoare şi ocupau la fel de mult spaţiu ca harddiskurile pe care le înlocuiau (pe atunci erau de 5,25 inci!)
După 1990 a avut loc şi o revoluţie tehnologică în acest sens. Au fost propuse diferite tipuri de dispozitive de mărimea unor cărţi de credit, cu memorii de tip RAM sau EEPROM de diferite capacităţi. Iar prin 1994, o dată cu apariţia pe piaţă a aparatelor foto digitale şi a PDA-urilor, memoria Compact Flash a fost introdusă ca o alternativă la dispozitivele magnetice rotative de stocare a datelor. Acum, Compact Flash a devenit un standard industrial; dispozitivele de acest tip pot stoca mai multe sute de Mocteţi de date. Un dispozitiv Compact Flash are o amprentă redusă, şi are volumul doar pe un sfert cât o cartelă PCMCIA. Când se utilizează tehnologia nevolatilă Flash, nu sunt necesare baterii sau alte surse de alimentare pentru memorarea datelor pe o durată oricât de mare. Iar cum dispozitivele Flash nu conţin piese în mişcare, ele sunt de 5-10 ori mai robuste decât unităţile de disk, şi oferă o fiabilitate corespunzător mai mare. Consumul de energie este mai mic decât la unităţile de harddisk miniatură, iar timpii de acces şi viteza de transfer sunt asemănători. Cel mai mare avantaj este însă că memoriile Compact Flash pot emula perfect harddiskurile, deci prezintă aceeaşi interfaţă IDE ca cea folosită pe PC-urile de birou echipate cu discuri magnetice. În consecinţă, un PC industrial embedded se poate conecta la CompactFlash exact ca şi cum ar fi harddiskul sistemului. Mai mult, compatibilitatea este deplină şi la nivel software, deci sistemele de operare, toate programele şi aplicaţiile unui PC industrial embedded pot folosi memoria CompactFlash exact ca şi cum ar fi harddiskul sistemului. Astfel, proiectantul poate folosi toate sistemele de operare, mediile de dezvoltare şi aplicaţiile disponibile pentru PC-urile obişnuite, doar că nu mai trebuie să-şi bată capul cu protejarea unităţii de disk la şocuri, vibraţii sau extreme de temperatură. Harddiskurile miniatură pentru notebookuri sunt robuste, dar dispozitivele CompactFlash sunt extrem de rezistente, acceptând în timpul lucrului şocuri de 2.000G!!! Aceasta este echivalentul căderii pe o suprafaţă de beton de la înălţimea de 3Km … Iar informaţiile sunt garantate pe termen lung: producătorii de CompactFlash garantează că dispozitivele pot fi folosite timp de mai bine de o sută de ani fără pierderi sau deteriorări ale datelor. Dacă la încheierea acestei perioade utilizatorul nu este mulţumit, poate solicita banii înapoi.
Evoluţia sistemelor embedded
Migrarea componentelor electronice comerciale sau chiar de consum către aplicaţiile industriale a modificat proiectarea PC-urilor embedded monoplacă. La începutul utilizării calculatoarelor PC în aplicaţiile industriale, ideea era de a se prelua PC-ul în ansamblul său, ceea ce însemna o evoluţie a anumitor standarde dezvoltate iniţial numai pentru PC-urile de birou. Astfel, standardul de magistrală PCI a fost modificat pentru sistemele embedded şi a devenit standardul CompactPCI (respectiv PXI la National Instruments).
Pe baza standardului CompactPCI furnizorii de plăci de bază specializaţi în sisteme embedded şi industriale s-au grăbit să proiecteze calculatoare monoplacă (SBC-uri) ce îndeplinesc sau chiar depăşesc multe din severele cerinţe pentru aplicaţiile industriale. Astfel, MEN Micro a pus la punct pe F3, un sistem PC complet, conform standardului CompactPCI, ce îndeplineşte pe deplin cerinţele operaţionale ale aplicaţiilor de control industrial şi instrumentaţie. F3 foloseşte numeroase componente care iniţial au fost proiectate pentru sistemele de uz comercial, cum ar fi un BIOS de la General Software, Inc., module de memorie SO/DIMM, memorie de masă cu CompactFlash cu interfaţă IDE, şi un PC “întreg sistemul pe un singur cip”, ST-PC, pentru a asigura funcţionalitate de calculator robust pentru aplicaţii industriale. Deoarece sistemul F3 este un PC (cu BIOS compatibil PC), pe el se pot rula toate programele scrise pentru calculatoare PC, inclusiv multe din pachetele software de timp real sau de instrumentaţie. F3 poate suporta o gamă de temperatură foarte extinsă, de la -45 la +85 grade Celsius, precum şi şocuri, vibraţii, contaminare chimică şi umiditate ridicată. Dacă este necesar, placa de cablaj poate fi tratată cu acoperiri conforme, pentru a rezista la cele mai dure condiţii de mediu ambiant.
Deoarece multe din plăcile CompactPCI, precum F3, sunt PC-uri complete sau chiar mai mult decât atât, ele oferă proiectantului de sisteme embedded o gamă largă de opţiuni de intrare/ ieşire. Acestea pot fi:
• Intrări şi ieşiri analogice şi numerice (I/O de proces);
• I/O de măsurători şi instrumentaţie;
• I/O pentru controlul mişcării (motion control);
• Interfeţe pentru FieldBus;
• Interfeţe de comunicaţii.
“Mai mult decât complete” se referă la faptul că F3 este un întreg PC pe o singură placă de cablaj, dar SBC-urile de la ICP Electronics, de exemplu, oferă şi funcţii suplimentare, întâlnite la PC-urile de birou foarte bine utilate:
• Interfaţă de reţea locală, Ethernet de 10/100Mbps;
• Diferite controlere SCSI performante (Wide, Fast, Ultra de 160 Mbs);
• 4 interfeţe EIDE, două UDMA 33 şi două Ultra-ATA 66;
• Sistem audio încorporat (Sound Blaster), cu intrări şi ieşiri de microfon, linie, difuzoare stereo, etc.;
• Acceleratoare grafice performante;
• Ieşiri video nu numai pentru CRT şi LCD, ci şi semnal TV;
• Posibilitatea lucrului cu mai multe procesoare (Dual Pentium);
• Intrări şi ieşiri numerice de uz general sau specializate;
• Funcţii de protecţie specifice calculatoarelor industriale (baterie cu litiu care garantează păstrarea datelor pe timp de minim zece ani, memorie nevolatilă pentru informaţiile critice, circuite watchdog timer soft şi hard, ş.a.m.d)
… Şi toate aceste funcţii sunt disponibile pe o placă de bază compactă, de dimensiuni reduse, mult mai mică decât motherboard-urile pentru PC-urile clasice. Sigurul lucru care nu este de loc mic la aceste computere monoplacă este preţul, foarte piperat!
Încorporarea unor plăci purtătoare cu module de I/O pe magistrala mezanin (cum ar fi PC/104) pe acelaşi şasiu poate extinde şi mai mult gama opţiunilor disponibile pentru cei care pun la punct sistemele embedded. Astfel, F3 poate fi configurat într-un şasiu CompactPCI cu cartele-suport pentru PC MIP sau M-Module, ce asigură capacităţi suplimentare de intrare şi ieşire. Opţiunile de I/O disponibile pe plăcile mezanin PC MIP şi M-Module sunt foarte extinse!
PC-ul industrial de bază
Cum am arătat, calculatoarele monoplacă conferă o gamă largă de capacităţi sistemelor embedded, dar multe sisteme de uz industrial nu au nevoie chiar de toate capabilităţile de uz general oferite de un sistem de tip open bus. Şi cum numeroase aplicaţii embedded sunt foarte sensibile la preţ, eliminarea interfeţei de magistrală şi a conectoarelor de magistrală (PCI, PICMAG, PCISA) dintr-un PC embedded vor contribui la reducerea apreciabilă a costului, deci îl vor face mult mai atractiv. Mai mulţi producători au urmat această linie de raţionament şi au introdus versiuni simplificate ale SBC-urilor, pentru aplicaţiile embedded.
Astfel, MEN Micro a anunţat pe F3 SBC, o nouă versiune a lui F3 CompactPCI, care nu are conectoarele pentru magistrala CompactPCI. În plus, F3 SBC nu are nici panoul frontal cu borne specific sistemului CompactPCI, iar firele se leagă la pinii de pe placa propriu-zisă pentru a asigura alimentarea. Versiunea fără magistrală a lui F3 este un bun exemplu de PC cu adevărat embedded, unde placa de PC este înglobată adânc într-un sistem şi nu are nevoie de intrări şi ieşiri ce pot fi extinse. De aceea nu are nevoie de conectori de magistrală! Iar cum placa, “înglobată” la propriu, va fi montată în interiorul echipamentului pe care-l controlează, nu are nevoie nici de panoul frontal.
În acelaşi timp, SBC-ul embedded F3 oferă un bun exemplu de utilizare a tehnologiilor comerciale care au migrat spre sistemele industriale embedded. Utilizează un microprocesor “întreg sistemul pe un cip” compatibil Intel, memorii DIMM şi Compact Flash, iar compatibilitatea deplină cu software-ul scris pentru PC-uri este asigurată de BIOS-ul embedded de la General Software.
Industrializarea comercialului sau comercializarea industrialului?
Poate că nu tehnologiile puse la punct pentru PC-urile comerciale au migrat spre zona aplicaţiilor industriale, ci mai curând aplicaţiile comerciale şi de consum devin din ce în ce mai “industrializate”. Tendinţa către sisteme mobile, de buzunar, pe piaţa aparatelor comerciale a pus un accent mai mare pe consumul redus de putere, dimensiuni mici ale componentelor şi carcaselor, robusteţe, rezistenţă sporită la şocuri şi vibraţii, gamă extinsă de temperatură de lucru – factori ce au fost dintotdeauna critici pentru aplicaţiile industriale. Astfel că, în vreme ce proiectanţii de sisteme embedded au profitat cu siguranţă de noile tehnologii puse la punct pentru produsele comerciale, se poate spune şi că sistemele comerciale şi de consum beneficiază de pe urma experienţei proiectanţilor de sisteme embedded.
Ing. Cristian Malide
e-mail: cmalide@fx.ro