物联网和边缘部署的5大嵌入式工控机设计要求

2020-04-24 17:56:37 嵌入式开发中心 137

与面向消费者的传统台式计算机不同,嵌入式计算机和边缘计算机是专为特定的软件控制的应用程序而构建的,用于业务运营。特别是在专注于工业自动化和制造的市场中,对具有工业功能的嵌入式计算机的需求非常高。在当今许多物联网(IoT)和边缘部署中,强大的计算,存储和连接平台的框架中,许多嵌入式计算机都扮演着重要角色。由于对更快,更好的计算的需求为更高的自动化奠定了基础,因此需要专用的计算机硬件来确保关键任务的可靠性和实时处理。以下是嵌入式计算机中最流行的硬件设计功能。 

嵌入式计算机的要求清单:

无风扇静音设计,提高可靠性

单件,无电缆并经过验证可承受冲击和振动

适用于恶劣环境的扩展工作温度范围

宽电压电源保护

模块化和可扩展的I / O选项专为工作负载整合而设计

 

 1.无风扇静音设计,提高可靠性

计算机中最常见的故障点之一是风扇故障吗?风扇在计算机的热力学中起主要作用,因为它们可以将热量从关键组件中散发出去。例如,在命令具有风扇和散热器设计以冷却整个系统后执行命令的多核处理器。但是一旦风扇停止工作,组件可能会过热,最终导致系统故障并危及应用程序。尽管风扇是防止组件过热的常见解决方案,但主要的缺点是其在嵌入式设计中的长期可靠性。使用风扇需要通风孔以使外部空气流通,但也增加了灰尘和碎屑导致颗粒堵塞的风险。随着时间的推移,这些微粒自然会从通风孔中滑出,并可能堵塞内部冷却风扇,使其失效。而且,一旦风扇开始出现故障,诸如处理器之类的关键组件就会过热并可能被损坏。这就是为什么大多数嵌入式计算机背后的基本设计原理都利用了无风扇和静音设计的原因。无风扇嵌入式计算设计的好处在于,它具有经验证的承受恶劣环境和恶劣环境的能力。通过简单地从整体热设计中移除旋转风扇,实际上可以提高可靠性并消除风扇引起的最常见故障点。这就是为什么大多数嵌入式计算机背后的基本设计原理都利用了无风扇和静音设计的原因。

无风扇嵌入式计算机的设计完全不同,因为它们采用了被动冷却技术和强大的机械工程技术。被动冷却方法通过机械设计和散热片技术实现了高水平的自然空气常规性和耐热性。例如,嵌入式计算机工程师利用铝制散热片机箱作为散热器,将热量从诸如处理器之类的关键组件散发出去,而无需旋转风扇。此外,在设计中还利用了铜质热管将大量热量从计算机系统中转移出去。尤其是随着处理器和其他计算机组件性能的提高,无风扇嵌入式计算机需要能够支持更高的散热设计包(TDP),以确保远程和移动应用中的工业可靠性。嵌入式计算机无风扇设计的另一个好处是它的静音运行,消除了在需要低声学的应用中风扇产生的噪声污染。

2.单件,无电缆并经过验证可承受冲击和振动

大多数通用计算机都设计为可在办公室和家庭等受控环境中运行。但是,对于嵌入式计算机,抵御许多环境挑战的能力也是可靠性的关键因素。例如,许多用于车载应用的移动物联网和远程边缘部署利用无风扇嵌入式计算机来抵抗冲击和振动。诸如冲击和振动之类的环境因素可能对通用计算机造成极大损害,从而导致故障甚至对整体功能造成有害损害。遭受冲击和振动的一些主要症状是电缆拔出,内部组件从插座上移位,甚至对组件本身造成物理损坏。

抗冲击和振动是大多数嵌入式计算机通过强大的工程设计和广泛的设计验证测试所支持的一项关键设计功能。高水平的冲击和振动对于嵌入式计算机至关重要例如,大多数嵌入式计算机都遵循此标准,可承受高达50G的冲击等级,半正弦,11ms的振动等级和高达5 Grms的振动等级,5-500 Hz0.5小时/ 为了满足冲击和振动标准,这里有工程师为嵌入式计算机使用的种常见设计技术:

一体式固态设计:最好的嵌入式计算机采用最少的机械接头和零件设计,通常采用包括主板和外部机箱在内的一体式设计。该功能对于承受冲击和振动等环境因素极为有利,因为它消除了不必要的螺钉和机械接头造成的关键故障点。

无电缆设计:最佳设计的嵌入式计算机的另一个关键与众不同的功能是提供无电缆设计的能力。整个架构和设计可以放在一起,无需使用电缆或连接母板。通过从设计中拔出电缆,可以确保所有组件都直接正确地放置在主板上,并消除了常见的故障点。电缆的设计在存在冲击和振动的应用中尤为重要,因为电缆的连接不牢固,也会引起问题。 


3.恶劣环境下的扩展工作温度范围

使嵌入式计算机受益的另一个设计原则是能够在恶劣和极端环境中通常遇到的扩展温度范围内运行。结合无风扇被动冷却和工业级机械设计,嵌入式计算机是其耐环境性和长期可靠性的理想解决方案。在工厂自动化,车载和公共交通,室外信息亭,航空电子设备和军事应用中,这些类型的计算机已被选择并部署在最苛刻的应用中。嵌入式工程师还遵循MIL-STD-810G标准,以定制设备的工业设计以承受扩展的温度范围。例如,某些最佳的嵌入式计算机支持的工作温度低至40°C,最高可达70°C  

 

4.宽电压电源保护

   与为受控环境设计的通用计算机不同,嵌入式计算机设计考虑了电源输入和电压调节。集成电源保护提供了一层额外的安全保护,可保护电子组件免受突然的电压变化以及在移动和恶劣环境中经常面临的其他严重灾难情况的影响。嵌入式计算机需要承受较宽的输入电压,以应对波动的电网,该电网的峰值电压会升高到可能对计算机造成伤害的危险水平。例如,某些最佳的嵌入式计算机支持9VDC50VDC的宽电压输入。嵌入式计算机还具有通过重新路由电路以稳定电子器件来防止过压,过流和反极性的功能。

 

5.专为工作负载整合而设计的模块化和可扩展I / O选项

   随着物联网和边缘计算技术的进步,对制造和自动化等行业提出了更高的要求,在信息技术(IT)和运营技术(OT)效率方面,数据及其价值仍将发生重大变化。数据数字化的这种转变塑造了竞争格局,使公司能够压缩技术和运营工作量以实现可扩展性。

   嵌入式计算机在本地或边缘级别的工作负载整合和融合中扮演着重要角色。换句话说,嵌入式计算系统现在需要能够管理各种数据输入,这些数据来回传输有价值的信息以进行实时决策。因此,嵌入式计算机需要支持各种旧式和新式输入输出(I / O)端口,以实现更可靠的计算操作。一些最佳的嵌入式计算机设计支持具有I / O端口种类的多种传统和现代外围设备。在准备工业4.0时,许多使用传统机械的制造商可以利用边缘计算技术来收集数据分析和洞察力,以制定战略决策。通过为系统集成商提供扩展选项,坚固的边缘计算机提供了一个灵活的平台,用于集成各种传感器和执行器,以应对不断增长的IoT环境。一些最受欢迎的I / O和高速外围设备包括:USB,串行端口,Lan / PoEGPIO和独立的显示端口。

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