Jste zde

Základní typy jednodeskových počítačů - Embedded SBC

Antonín Vojáček, 21. Leden 2007 - 20:16
Jednodeskové počítače (SBC - Single Board Computers) patří mezi základní komponenty dnešní průmyslové automatizace. Vyrábí je mnoho firem po celém světě. Pro orientaci a zpětnou kompatibilitu v oblasti SBC existují zavedené typy a standardy, do kterých se rozdělují a podle kterých se vyrábějí. Následující článek se zaobírá stručným popisem jednotlivých základních typů a uvádí reálné příklady vyráběných SBC.

SBC (Single Board Computer), tedy jednodeskové počítače, jsou vestavné moduly určené k řízení výrobních systémů, robotů, automobilů, letecké techniky apod., zpracování signálů, realizaci HMI rozhraní, řízení datové komunikace. Obvykle používají moderní procesory známých výrobců, jako jsou Intel, AMD a VIA. Často nabízejí širokou paletu komunikačních a datových rozhraní. Pro práci s daty nabízejí sloty pro DDR SRAM paměti a Compact Flash (CF) nebo PCMCIA karty. Často se vyskytují IDE, EIDE nebo SATA konektory pro připojení harddisků a různých mechanik (CD nebo DVD mechaniky). Pro připojení klávesnic a myší jsou k dispozici USB porty a pro zobrazení informací pak VGA, DVI nebo LVDS, příp. TV výstup.

Pro snadnou instalaci jednodeskových počítačů SBC je v zavedeno a etablováno několik "pevných" standardů, které definují rozměry desek a jejich připevnění, resp. propojení k řízenému systému (zařízení). Celosvětově jsou běžné následující typy SBC:

Použití SBC

  • Řídící systémy, roboti
  • HMI, Informační zařízení
  • Zařízení pro zpracování informací a dat ze senzorů, bezdrátová komunikace
  • Ukládání a zálohování dat
  • Průmyslová datová komunikace, třídění, zpracování a zobrazení dat
  • Řízení robotů například v automobilovém průmyslu
  • Automatické měřící zařízení a systémy
  • Přenosné, bateriově napájené zařízení

3.5 Biscuit SBC

3.5 Biscuit SBC jsou malé jednodeskové počítače s rozměry desek 145mm x 102mm (5.7" x 4"), tedy odpovídá velikosti známé "malé" 3.5" disketě. Pro připojení, resp. vložení, do základní desky systému nebo k jiným zařízením slouží rozšiřující konektory. Tyto SBC mají obvykle většinu součástek umístěných na svrchní straně desky, přičemž na té spodní straně se často vyskytují již zmíněné rozšiřující připojovací sloty a konektory.

Na 3.5 Biscuit SBC je obvykle procesor CPU i ostatní integrované podpůrné obvody, jako je chipset, komunikační most (bridge), BIOS, Watchdog, řadiče sběrnic, pevně instalovány (zapájeny) a je tedy nutné vybírat SBC podle potřebné konfigurace obvykle uvedené v datasheetu. Někdy může být pro uživatele důležitá možnost dalšího rozšíření desky nebo přímé připojení do složitějšího systému. K tomu slouží rozšiřující porty, obvykle v provedení ISA nebo PCI vyvedené na konektor či konektory nebo jen na piny na desce. Také se vyskytují i individuální porty, obsahující souhrnně vyvedené I/O i řídící signály.

Blokové schéma 3.5 Biscuit SBC AR-B1652 firmy Acrosser


 

Příklad obrazovky BIOSu Phonix Award, který se často v těchto SBC využívá

Obvyklé provozní parametry jsou následující:

  • Pracovní teplotní rozsah: 0~60°C
  • Pracovní vlhkost: 0% ~ 90%
  • Napájení: +5V/do 2.5 A a +12V/ do 1 A
  • Zálohování: 3.0V Lithium baterií
  • Integrovaný BIOS: Award nebo AMI

3.5 Biscuit SBC jsou obvykle osazovány následujícími rozhraními:

  • E-IDE (Ultra DMA 33)
  • FDD
  • USB, příp. PS/2 (klávesnice/myš)
  • RS232C, RS-232C/485, příp. LPT
  • Víceúčelové digitální I/O (GPIO 8-bit digital I/O)
  • Irda
  • Ethernet 10/100Mbps Base-T (RJ45)
  • Audio AC97 Codec
  • LED indikace - obvykle Power, LAN, HDD, Watchdog

 

Příklad 1 - 3.5 Biscuit SBC AR-B1651 firmy Acrosser

Hlavní parametry:

  • CPU: VIA Samual II 800MHz s větrákem nebo Via Eden 600MHz bez větráku
  • Chipset: VIA PLE133T + VT82C686B
  • Paměť: SO-DIMM slot pro až 512MB SDRAM
  • Slot pro CF typ I (na spodní straně desky)
  • Konektory: EIDE, FDD, RS-232C/485, LPT, Audio AC97, USB 1.1, Ethernet Realtek RTL8100
  • Rozšiřující konektor: 16-bit PC/104 (104-pin)
  • Watchdog

 

Příklad 2 - 3.5 Biscuit SBC AR-B1650 firmy Acrosser

Hlavní parametry:

  • CPU: Intel Ultra Low Voltage Celeron 400MHz
  • Chipset: VIA Twister-T VT8606T + VIA VT 82686B
  • Paměť: 144Pin SO-DIMM až pro 512MB SDRAM
  • Slot pro CF typ II a PCMCIA (na svrchní straně desky - viz obrázek)
  • Konektory: RS-232C/485, Irda, PS/2, Audio VIA VT1612A AC97 Codec, USB 1.1, VGA 1920 x 1440 (CRT/LVDS), TV-Out NTSC / PAL, Ethernet Realtek RTL8100
  • Rozšiřující konektory: 16-bit PC/104 (104-pin) a konektory na zadní straně desky)
  • Watchdog

 

Signály čtyř rozšiřujících konektorů EXT1 až EXT4 počítače 3.5 Biscuit SBC AR-B1650 firmy Acrosser (pro zvětšení klikejte na obrázky)

PC/104 SBC

Jednodeskové počítače typu PC104 SBC sjednocuje přítomnost rozšiřujícího portu 32bit. PCI/104pin nebo 16bit. PC/104 (ISA). Desky nemusí mít nutně jednotnou velikost, ale obvyklé jsou malinké rozměry 90 mm x 96 mm (3.54" x 3.78") nebo 114mm x 95 mm (4.5" x 3.7"). Základní vlastností také bývá fyzická absence tradičních konektorů (např. 9pin CANNON pro RS232 nebo VGA konektor). Všechny porty jsou v provedení vývodů (pinů) na kraji desky plošných spojů. Tyto SBC, proti výše uvedeným 3.5" SBC, jsou tedy více vhodné pro zastavění do základní desky zařízení, kde se vyskytují i fyzické konektory.

Obvyklé provozní vlastnosti:

  • Provozní teplotní rozsah: 0~60°C
  • Provozní vlhkost: 5 až 90%
  • Napájení +5V / do 2 A a +12V/ do 1 A
  • Integrovaný BIOS: Award nebo AMI

K provozu SBC je nutné použít, podobně jako u klasických počítačů, nějaký operační software (OS). Zde se sice mohou využívat klasické OS jako Windows 9X/ME, Windows 2000, Windows XP, Linux, UNIX, ale ty potřebují harddisk, čemuž se často chceme vyhnout. Proto se často v automatických řídích systémech využívá OS, které lze spouštět a provozovat jen z paměti nebo Compact Flash (CF) karty. Jsou to buď OS používané v kapesních počítačích, např. WinCE 5.0, nebo OS přímo vyvinuté pro Embedded PC (vestavné počítače), např. WinCE.NET, Windows XP Embedded, Linux Embedded, QNX nebo jiné RTOS (Real-Time OS). U starších verzí SBC s procesory typu Intel 386 nebo 486 (viz níže příklad 2) se ještě užívají OS DOS nebo "textový" Linux.

Příklad namapování komponent SBC s OS Windows XP (pro zvětšení klikejte na obrázky)

Příklad 1 - PC/104 SBC AR-B1622 firmy Acrosser

Hlavní parametry:

  • CPU: AMD Geode LX 800, 500 MHz, 128 KB L2 cache
  • Chipset: AMD LX800 + CS5536
  • Paměť: 200-Pin SO-DIMM (na spodní straně desky) podporující DDR 200MHz SDRAM až 512MB
  • Konektory: E-IDE (UltraDMA 33), RS-232C, Irda, Audio AC97, USB 1.1, PS/2, Ethernet Realtek RTL8100BL, GPIO, AGP-VGA 64MB CRT 1600X1200/LCD 24bit.
  • Rozšiřující konektor: 32bit PCI/104 (104-pin)
  • Watchdog

 

Rozmístění jednotlivých prvků na desce PC/104 SBC AR-B1622 (pro zvětšení klikejte na obrázky)

Blokové schéma komunikace procesoru s mostem (South Bridge) a periferiemi SBC AR-B1622 (pro zvětšení klikejte na obrázky)

Příklad 2 - PC/104 SBC AR-B9612 firmy Acrosser

Hlavní parametry tohoto staršího, ale jednoduššího modelu:

  • CPU: 386SX 33MHz
  • Chipset: ALI M6117C AIF
  • Paměť: 2 MB DRAM přímo integrovaná na desce (zasunuté IO)
  • Konektory: PC/AT (Keyboard), RS232C/485
  • SSD rozhraní: patice pro až 1.5MB Flash & SRAM, DOC
  • Rozšiřující konektor: 16bit PC/104 (104-pin)
  • Watchdog, RTC
  • Spotřeba při 5V jen do 0.8 A

 

Embedded ATX, LPX a Mini ITX

Jednodeskové počítače typy ATX , LPX a Mini ITX jsou nevyšším typem SBC a již se prakticky nejvíce přibližují mainboardům "klasických" PC. Jsou sice již hodně výkonné, ale také již dosti velké (rozměry okolo 220 mm x 235 mm). Obsahují všechny běžné komponenty a periferie jako PC a využívají i obvykle stejných procesorů. CPU již není přímo integrován (zapájen) na desce, ale již se vkládá do patice, podobně jako u klasických PC. Dnes se ve většině využívají procesory Intel Pentium a AMD (např. Intel Core 2 Duo, Pentium/Celeron M, Pentium 4). Pro zvýšení odolnosti v průmyslovém prostředí jsou však často taktovány na nižší výkony, aby bylo možné použít i pasivná chladič místo větráku. Díky tomu mohou dlouhodobě a spolehlivě pracovat při teplotním rozsahu 0~60°C a vlhkosti 0% ~ 90%. Složitý počítač již však vyžaduje výkonnější napájení. Obvykle se již požaduje zdroj, např. +5V/ 7A a +12V/ do 1A. U nejnovějších typů Mini ITX může spotřeba být až 50 W.

Hlavním rozdílem proti "klasickým" PC motherboardům je přítomnost vyvedených obecných vstupů/výstupů - GPIO, programovatelného watchdogu (1~63 sekund) a přímo na desce umístěné sloty pro rozšiřující karty typu DiskOnChip (DOC), Compact Flash (CF) nebo PCMCIA.

Obvyklé rozhraní a konektory:

  • několik E-IDE (Ultra DMA 66/33), ATA, SATA
  • PS/2 (KB/Mouse)
  • několik RS232C/Touch Screen, RS-232C/IrDA, RS-232C/485, RS232C
  • LPT
  • IrDA
  • Ethernet - 10/100Mbps Base-T, RJ45
  • Audio AC97
  • několik USB portů
  • GPIO TTL vstupy/výstupy
  • DiskOnChip (DOC) slot podporující až 288MB flash paměti
  • Compact Flash nebo PCMCIA slot

Jako operační systémy (OS) se již výhradně využívají ty klasické, jako jsou OS Windows XP/XP Embedded nebo Linux s grafických rozhraním. K tomu již je ale nutné připojit k desce harddisk (EIDE nebo SATA rozhraní), který však již dost významně snižuje životnost a spolehlivost průmyslového systému.

Příklad 1 - AR-B1891 firmy Acrosser

Hlavní parametry:

  • CPU: Intel Pentium M/Celeron M (Socket 479, 400MHz Front-Side-Bus)
  • Chipset: Intel (855GME) + Intel (ICH4-M)
  • Paměť SDRAM: DDR 200/266/333 (PC1600/2100/2700), 2x 184-pin DIMM sloty, až 2.0 GB
  • Konektory: viz blokové schéma níže
  • Video/Grafika: dvoukanálové 24bit. LVDS rozhraní, VGA RGB výstup (DB15 konektor), DVI-D výstup
  • Rozšiřující konektory: 1x 32-bit/33 MHz PCI slot, 1x Mini-PCI slot
  • Watchdog, RTC

 

Popis desky (nahoře) a blokové schéma LPX počítače AR-B1891 firmy Acrosser

5.25 EBX SBC

Jednodeskové počítače 5.25 EBX SBC jsou tak napůl cesty mezi 3.5 Biscuit SBC a nejvyšším typem Mini ITX. Tyto SBC se opět vyznačují jednotným rozměrem 203 mm X 146 mm (8" x 5.75"), odpovídající velikosti 5.25" harddisku, CD-ROM mechaniky nebo již nepoužívaných 5.25" disketových mechanik. Jednotná typizovaná velikost usnadňuje návrh systému, do kterého má být SBC zabudován, případně lze bez problémů a úpravy vyměnit jeden počítač za jiný.

Příklad obvyklých periferií, portů a komponent na desce 5.25 EBX SBC - zde konkrétně AR-B1661 firmy Acrosser (pro zvětšení klikejte na obrázky)

Výbava je však již podobná jako u Embedded ATX a LPX (viz obrázek výše), přičemž procesor a podpůrné chipy mohou být jak napevno integrované na desce, tak i vložené do patic a je tedy umožněna jejich snadná výměna. Záleží zde konkrétně na desce a výrobci. Jako CPU se opět používají výrobky firem Intel a AMD, příp. VIA (např. Intel Celeron /Pentium III, VIA C3, Pentium/Celeron M, Intel Ultra Low Power Celeron, AMD Geode GX1 nebo Geode LX 800). Nízkopříkonové verze CPU Intel a hlavně CPU AMD Geode jsou výhodné pro velmi nízkou spotřebu (do 1 W) a možnost absence větráku. Tyto SBC se tak hodí pro náročnější aplikace vystavené větším teplotním výkyvům a prašnému prostředí.

Obvyklé provozní vlastnosti:

  • Provozní teplotní rozsah: 0~60°C
  • Provozní vlhkost: 0 až 90%
  • Napájení: +5V, +12V, -12V, 5V nebo 5V/8A a +12V/0.8 A
  • Integrovaný BIOS: Award nebo AMI

Jako OS se obvykle využívají Embedded OS, jako například Windows XP Embedded, Linux Embedded nebo RTOS QNX, které jsou vhodnější pro nepřetržitý dlouhodobý provoz, odolnější vůči tzv. "zamrznutí" a poskytují prostředky pro spolehlivé zpracování potřebných dat v reálném čase.

Příklad 1 - AR-B1760 firmy Acrosser

Hlavní parametry:

  • CPU: Intel Pentium M/Celeron M (Socket 479, 400MHz Front-Side-Bus)
  • Chipset: Intel (855GME) + Intel (ICH4-M)
  • Paměť SDRAM: DDR 200/266/333 (PC1600/2100/2700), 2x 184-pin DIMM sloty, až 2.0 GB
  • Konektory: viz blokové schéma níže
  • Video/Grafika: dvoukanálové 24bit. LVDS rozhraní, VGA RGB výstup (DB15 konektor), DVI-D výstup
  • Rozšiřující konektory: 1x 32-bit/33 MHz PCI slot, 1x Mini-PCI slot
  • Watchdog, RTC

 

EPIC SBC

EPIC patří mezi nejmodernější platformy. Spojuje v sobě modularitu platformy karet PC/104 a univerzálnost systémem běžná pro platformu EBX. Jednodeskové počítače EPIC se obvykle vyznačují nízkopříkonovým a však výkonným procesorem a všemi dnes obvyklými periferiemi pro vzájemnou komunikaci s ostatními PC a snímači, pro ovládání uživatelem, i rozhraními pro zobrazení dat na displej a jejich uložení na zálohovací a přenosná média. Zmínit lze například Ethernet, EIDE, LPT, USB, floppy, video rozhraní. Odolnost zase dokládá schopnost pracovat v rozsahu teplot 0 až 60°C (někdy dokonce -40°C až 85°C) nebo vydržet nárazový šok/vibrace až 40g/5g.

EPIC má definované kompaktní rozměry 115 mm x 165 mm, které jsou mezi velikostmi standardů PC/104 a EBX. Pro zpětnou kompatibilitu i možnost dalšího rozšíření, EPIC podporuje jak celosvětově velmi rozšířenou platformu PC/104 a PC/104-Plus (PCI), tak i nové vysokorychlostní propojovací standardy typu PCI Express nebo ExpressCard.

Obecně EPIC poskytují následující I/O:

  • Rozhraní E-IDE (Ultra DMA 33), příp. SATA
  • Sériové porty: několik RS-232 (DB9pin), RS-232/422/485, ser. rozhraní pro Touch Screen
  • Paralelní porty:LPT s podporou SPP/EPP/ECP
  • Víceúčelové vstupy/výstupy (GPIO): nezávislé TTL level I/O
  • Několik USB
  • Někdy i PS/2 (pro klávesnici a myš) nebo Irda
  • Audio AC97
  • Rozšiřující slot: PCI-104 nebo PC/104, u nejnovějších i PCI-Express
  • Často slot pro Compact Flash kartu
  • Grafika/Video: obvykle AGP rozhraní/VGA (DB15pin) nebo LVDS rozhraní

Jako CPU se dnes využívají nízkopříkonové verze Intel Pentium (Pentium M, Celeron M, ULV Celeron-M 600 MHz Zero Cache apod.) nebo nějaká verze AMD Geode. Některé vůbec nepotřebují větrák nebo jiné přídavné chlazení (např. ULV Celeron M a AMD Geode LX), čímž se dále snižuje náchylnost systému k poruchám. Také se vyskytují verze s paticemi pro CPU (obvykle pro CPU s větráky - např. Pentium M ) nebo již připájenými CPU na desce (obvykle odolnější CPU - např. ULV Celeron-M 600 MHz Zero Cache nebo AMD Geode LX 800/0.9W).

Příklad konfigurace periferií SBC v BIOSu

Jako operační systém lze využít téměř všechny dostupné verze OS Windows (XP, XP Embedded, WinCE, WinCE.NET), Linux (Linux, Linux Embedded), QNX a další RTOS. Výběr toho pravého se obvykle provádí dle bližších požadavku na řízený systém a spolehlivost. Například klasické Windows XP potřebují ke své funkci připojený harddisk (náchylný na otřesy, vibrace, teplotu a prach), Win XP Embedded lze provozovat z Compact Flash karty a WinCE přímo z RAM/ROM, čímž se systém stává odolnější.

Příklad 1 - AR-B1831 firmy Acrosser

Hlavní parametry:

  • CPU: Intel Pentium M/Celeron M (Socket 479, 400MHz Front-Side-Bus)
  • Chipset: Intel (855GME) + Intel (ICH4-M)
  • Paměť SDRAM: DDR 200/266/333 (PC1600/2100/2700), 2x 184-pin DIMM sloty, až 2.0 GB
  • Konektory: viz blokové schéma níže
  • Video/Grafika: dvoukanálové 24bit. LVDS rozhraní, VGA RGB výstup (DB15 konektor), DVI-D výstup
  • Rozšiřující konektory: 1x 32-bit/33 MHz PCI slot, 1x Mini-PCI slot
  • Watchdog, RTC

 

Uspořádání komponent a portů na horní a spodní straně desky SBC AR-B1831 firmy Acrosser

Závěr

Nabídka SBC se stále rozšiřuje a zvláště přibývají výrobci z Asie, jako je Taiwan, China, Malajsie, kde je levná výroba. V tomto přehledovém článku byly jako příklady uváděny zajímavé výrobky taiwanské firmy Acrosser. Více obrázků a informací, včetně podrobných datasheetů a manuálů lze nalézt na dobře udělaných anglicky mluvících stránkách firmy - www.acrosser.com/Application/ia.asp a www.acrosser.com/product/Embedded%20PC/index1.htm

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: