COM高速可实现特定于应用的数据采集系统

　　军事系统设计人员经常难以找到能够满足关键应用要求的 COTS 技术。定制设计几乎总是为创建优化设计提供最佳机会，但上市时间和设计成本可能过高。混合架构使用计算机模块 （COM） 作为核心处理功能，而定制载板用于特定于应用的 I/O，可以提供两全其美的优势。这种方法消除了与定制处理器设计相关的时间和风险，而不太复杂的载板提供了专用设计的优势。

　　在考虑新军用系统的架构时，设计人员面临着一个重要的决定：使用现成的COTS产品或创建或委托定制设计。使用标准产品可以显著降低设计成本和开发时间，这种方法最近作为降低开发成本的一种方式而受到青睐。但是，找到现成的产品来满足所有应用要求，特别是对于I/O，可能会有问题。COTS解决方案的另一个主要问题是大多数军事系统在10年以上生命周期内的系统寿命和设计控制。意外更改和产品过时的成本很容易超过使用现成部件集成系统所实现的原始节省。

　　另一方面，定制设计通常可以满足技术规范并允许严格的设计控制，但可能无法灵活地适应和响应未来的应用需求。此外，如果不进行重新设计，自定义系统将无法利用处理器性能改进和扩展内存选项，从而限制了对应用程序要求或未来操作系统的支持。实际上，设计将被冻结。

　　好消息是，这种困境可以在新产品设计中得到解决，这些应用需要在相对较小的空间内实现长期可用性和大量I/O。答案是 COTS 和定制设计的结合，使用 COM Express 模块和定制 I/O 载板。使用这种架构可以自由地完全匹配系统I/O和机械要求，同时为最有可能改变的核心处理功能提供简单的升级路径，从而延长系统的有用生命周期。

　　电脑上的模块速度设计，增加多功能性

　　从历史上看，设计包含特定应用 I/O 的定制单板计算机是大批量或极其特定于用户的应用的常用解决方案。如今，现代处理器和高级芯片组需要具有丰富经验和最先进设备的设计人员来实施。计算机模块概念通过将处理、内存、视频、以太网和 USB 功能组合在一个高度集成的小型模块中，消除了定制电路板设计的“困难部分”。这些模块不是独立运行的，而是将处理器总线和高速 I/O 带到接口连接器。模块上的计算机安装在提供特定于应用的 I/O 和外部连接器的载板上。

　　COM Express 是广泛支持的模块上计算机设计的实现，它基于最新的高速串行总线技术，并结合了 PCI Express、USB 2.0、串行 ATA、LVDS 和串行 DVO 接口。2.5 GHz PCI Express 2.0 总线与当今快速、低功耗的处理器相结合，为包括高速数据采集和图像处理在内的各种应用提供所需的带宽。

　　COM Express 模块体积小，适用于恶劣环境，简化了与载板定义的机械外形尺寸的集成。用户可以从处理器中进行选择，从功能强大的英特尔酷睿2双核到低功耗、低热量的凌动设计。许多供应商都提供扩展温度范围（-40 °C 至 +85 °C）型号。

　　用于特定应用 I/O 的定制载板

　　使用现成的产品满足技术规格可能是不可能的，或者可能导致不可接受的性能、尺寸、环境或成本限制。定制载板可以“定制”，以满足COM Express模块提供的核心功能之外的所有必需系统功能。载板可以设计为最适合应用的机械占位面积，并且通过配接连接器从COM Express板上引入接口I/O所需的总线信号。由于总线信号使用低压差分信号，COM Express为设计人员提供了与传统并行总线设计相比的许多优势，包括改进的抗噪性和更少的走线，从而简化了信号路由。

　　常见的 I/O 载板功能包括串行、模拟和数字 I/O，所有这些功能都可以设计为完全符合要接口的信号的 I/O 计数、电压范围和连接器类型。当连接到传统 COTS 或无法轻易更改的专有设备时，这种灵活性尤其有用。

　　如果存在必要的技能组合并且他们选择投资资源，公司可以在内部进行定制载体设计。第三方载板提供商也可以卸载设计和制造。

　　优化的设计满足具有挑战性的要求

　　对于如前所述设计，可以在1U外壳中实现大量I / O点，内部备用电池和扩展温度范围内的无风扇操作。首次读取时，这些规格似乎不太可能适合目标环境中系统所需的 17“ （W） x 10.5” （D） x 1.75“ （H） 尺寸：

　　1.2 GHz 无风扇酷睿 2 双核处理器

　　高达 8 GB 内存

　　64 GB 萨塔固态硬盘

　　模拟视频

　　2 个千兆以太网端口、4 个 RS-232/422/485 端口和 4 个 USB 2.0 端口

　　120 TTL数字输入;96 个集电极开路输出

　　32 个单端、12 位模拟输入

　　由 24 或 48 VDC 供电，内置 5 分钟备用电池

　　-30 °C 至 +60 °C 工作温度范围

　　但是，使用满足此应用程序的所有核心处理、内存、视频和磁盘接口要求的 COM Express 模块可以确保成功。COM 高速模块还提供所需的 USB 功能和其中一个以太网端口。其余的 I/O 和电源电路以及用于 COM Express 功能的连接器均在定制载波设计上实现。

　　为了获得最大的灵活性，在载板上使用FPGA将处理器总线连接到I/O电路。某些为I/O提供服务的低级功能内置于FPGA中，使用器件的17 Kb查找表和700 Kb嵌入式块RAM从主机处理器卸载这些任务。例如，32个模拟输入由FPGA连续轮询，这些值保留在表中，以便在应用程序需要时易于访问。未来的I/O要求也得到了简化，因为FPGA可以很容易地修改以适应这些变化。COM Express 和定制载板的体系结构如图 1 所示。

　　图 1：COM Express 模块提供核心处理功能，并安装到特定于应用的载板上，该载板增加了 I/O、电源和所有连接器。

　　

　　定制载板的另一个优点是系统没有布线。实施 COTS 技术通常需要某种类型的布线来定位机柜中的 I/O 连接器。电缆连接会产生潜在的故障点，特别是在高振动、高冲击的环境中，如军用车辆。定制载板可以设计成精确的机械尺寸，允许将I/O连接器直接焊接到PCB上，从而允许外部访问，从而提高系统耐用性和MTBF。图 2 显示了目标系统，包括 COM Express 模块、定制载板和 1U 机架安装机箱。

　　图 2：示例系统显示了一台 19“ 1U 机架式计算机，带有 COM Express 模块和定制载板。

　　

　　为应用选择正确的方法

　　具有定制载板架构的COM Express并不适合所有应用。尽管使用现成的 COM Express 模块可加快开发时间，但完整的 COTS 解决方案仍然是配置系统的最快方法。但对于许多应用而言，设计灵活性、可靠性改进和设计控制优势使 COM Express 和定制载板成为绝佳选择。

　　审核编辑：郭婷