板卡结构

板卡设计技术[作者：Frank J. Bartos]

在关于工业板卡、单板计算机（SBCs）以及嵌入式控制的文章中经常提到一个术语“标准结构”，其具体意思是指相关产品的形状及物理尺寸。然而在实际应用中，精确的术语往往晦涩难懂。因此，其他一些可互换使用的概念也被用来描述板卡产品的标准结构，包括：结构，总线，占用面积，版式，模块，平台，协议，规格，标准等。

一般来说，工业板卡标准结构中的长度与宽度之比相对较小。专家表示，正方形的外形有助于减少板卡的震动与颤动，且这种外形安装比较牢固。当产品超过规定面积时，选择不同的外观尺寸会带来其他特定的属性。一定的标准结构限定了板卡可用空间内的基本安装情况与功能。与板卡标准结构相关的典型部分包括机械布置，连接器，输入/输出（I/O）区域等。而嵌入式控制在板卡标准结构中的空间，供电，可靠性等方面有特殊的考虑。

不管你如何称呼它们，标准结构的应用简化了开发人员的工作。同时这也为机械制造商及其客户对于通用尺寸与规格的产品的长期可获得性提供了一定的保证。

雨伞模拟法

标准结构的分类方法之一是将电脑板卡标准用一个伞面型视图表示。板卡标准的各个要素，如机械尺寸、I/O性能、与其它板卡的扩展接口，安装以及一定的电气参数等，则由伞面上的扇形表示。这一分类方法是由WinSystems公司的副经理Robert Burckle提出的。“那么，扇形的面积就表示标准结构各要素”Burckle说，“一些规范相比而言更为详细，因为它们描述了供电、I/O接口、扩展连接器的安装位置，以及禁止使用区域和其他一些机械问题。”

连接器，I/O端口甚至安装孔都经常作为标准结构的一部分来考虑。“对这些标准结构要素的规定可以统一不同厂家生产的板卡产品，以便减少这些产品在配接电缆、选择外壳或与其他系统集成时所可能遇到的困难。”Burckle同时表示，“但是，…标准结构‟的概念并不包括电气特性，操作部分，处理器及其他可能应用到的芯片。”

通用工业计算机用板卡标准具有特殊的功能，Burckle解释说：“举个例子来说，VME和CompactPCI可扩展为总线或母板系统；PC/104、EPIC及EBX具有自存储的I/O模块，那么就没有必要安装在支架或母板上。”

嵌入式系统供应商Kontron北美公司的产品经理Derrick Lavado也同意嵌入式及工业用板卡标准结构的通用属性应包括I/O端口的位置、扩展口、元器件高度，以及安装孔的位置。“对于一个系统工程师来说，这些属性是必需充分考虑到的，这能帮助系统工程师将产品设计为用户更为熟悉的结构，以减少产品投入市场的周期。同时，在技术革新的过程中，这一做法为产品的升级提供了一个途径。”

Lavado认为除物理尺寸外，I/O端口是标准结构中最重要的属性之一。举例来说，对于PC/104、EBX及其他标准结构，其标准互连端口（LAN，并行接口，USB，PS/2等）的安装位置已经确定。I/O接口位于预先设定的特别位置，以便在此基础上进一步实现其他功能。他同时还提到了与一些标准结构有关的元器件高度限制问题。比如PC/104，它采用的是可堆叠式的扩展理念。因为I/O模块往往处于所有堆叠模块的最顶层，而最底层则是CPU模块，所以每个堆叠模块之间的最小间隙必须得到保证；同时，这样做也可以解决整个系统的散热问题。

普及=使用寿命

“最普及的标准结构往往具有以下特征：在一个狭小的范围内集成了高性能的CPU/芯片集，”Lava do继续说到。在他看来，PC/104就属于这类产品。“PC/104模块与紧凑型外壳一起应用时，其安装方式非常灵活。所有的I/O端口都从板上通过电缆引出，使得远程I/O的位置能够按照设计要求灵活改变。”今天，典型的PC/104模块均集成了号称性能强大，功耗很低的CPU与处理器（比如Intel Pentium M和Celeron M）。

图1：EPIC 的尺寸介于PC/104 的堆栈格式和EBX 的SBC 格式之间。

在美国国家仪器有限公司，标准结构指的是物理尺寸以及板卡的基本特征。但是，NI仪器控制部门的硬件产品策略经理Tim Fountain建议将一些其他因素如安装导轨，连接器等添加到这一范畴以内。为了使连接更为方便快捷，界面连接设备的安装位置是非常重要的。

NI对于板卡产品在系统应用中的长期可获得性以及可靠的技术支持非常重视，并以此为基础将板卡的全面结构、标准与其标准结构紧密地结合起来。Todd Walter，工业测量及控制部门的团队经理表示：“我们倾向于使用详细明确的制板标准，这些标准能够在最大程度上支持产品开发，并且能够详细说明产品的标准结构。”工业系统要求板卡具有较长的生命周期，且相关配件必须在较长时间内都能买得到。此外，Walter还解释说，NI从一个更高的、平台水平的角度来考虑标准结构，他们所采用的标准结构可以满足顾客的不同要求，如：散热性能，低功耗，防震动，多资源性等。

NI公司的工作涉及到多种标准结构，包括CompactPCI，PCI Express及其他PCI类型等。如PXI型，就是NI公司开发的专门用于仪表的PCI扩展接口。NI公司为这一类型PXI板的测试和测量应用提供了定时，触发，同步等信号功能。

与NI公司相同，WinSystems也强调了标准及产品长期可获得性的重要性。最关键的一点是产品设计必须基于经过认可的标准，并且与多家基本供应商合作，以保证供应的长期性。“10到15年的使用周期在工业产品及系统中并不少见。”Burckle说到。基于标准的标准结构同时还意味着元器件互操作性的增加，以及对软件工具的更有效的应用。

尺寸，应用问题

VITA（VMEbus International Trade Organization）公司的执行董事，Ray Alderman先生认为产品的应用情况决定了其板卡标准结构的选择。VITA是一个非赢利供应商/用户组织，其宗旨在于促进VMEbus相关标准与开放式处理技术的发展。

板卡的尺寸决定了可以安装在上面的连接设备的数量。如果外形尺寸非常小，那么就限制了I/O点可能的数量。但是，在简单的工业应用中，比如喷射塑模法的控制器，较小的外观尺寸就能满足其功能要求，应为这种控制器所需要的I/O点相对较少，Alderman解释道。随着应用越来越趋向于事件驱动，伴随着对高端应用成熟界面的需求，所需要的I/O 点的数量也相应增加，比如机器视觉或动作控制等。较大的外形尺寸可以在其空间内容纳以上需求，并能满足特殊应用的要求。