在控制中应用嵌入式系统的一大优势就是能够满足各种形状系数。

ARM嵌入式处理器设计组的高级产品经理Haydn Povey指出：“随着控制算法呈现复杂化的趋势，相关人员正在将注意力从PLC逐渐转移到高端微控制器上。”

据Kontron的应用工程师David Pursley透露，一种希望摆脱传统控制技术的趋势也在工程界蔓延开来。他说：“最近两到三年中，工程经理们总是对我们提到，新近毕业的工程师对PC编程很熟悉，但对PLC编程却有些生疏。”

但是，基于PC的控制系统同样存在问题。

Povey说：“把传统PC用在控制方面会受到一系列问题的困扰。首先，传统PC在设计中往往要考虑成本的节约，从而无法提供最佳性能。其次，PC上的操作系统由于要兼顾各方面的用途，因而具有极大的开放性。然而，嵌入式平台却对专业性有一定程度的要求。”

单板计算机将构成计算电路所需要的全部基本组件(处理器、存储器、数据通信设备)集成到一块电路板上。

本文为你提供了第三种选择——在嵌入式控制系统中采用单板计算机(SBC)作为控制器。美国Advantech的嵌入式系统平台产品经理Eric Lai将SBC具有的优势列举如下：

■  更强大的处理能力。目前的SBC解决方案能够提供P4、双核甚至是四核的处理器；

■  扩展灵活。一款4U SBC系统能够提供多达20条的PCI插槽；

■  采购成本相对低廉。SBC是一种稳定的、经过现场验证的解决方案，拥有统一的平台以及一系列可供选择的标准操作系统。应用软件和硬件的选择余地也很大。

Wikipedia(维基百科)对SBC作了如下定义：“单板计算机是一种构建在单块电路板上的完整计算机。设计的核心是包含RAM的单个或双个处理器、I/O(输入输出)接口以及其他一些需要用到的特殊部件，所有部件被排列在单块电路板上，构成一种专用的计算机。”可以拿SBC与你书桌上的PC作一番比较。举例来说，在PC中随机存储器(RAM)芯片是固化在辅助电路板上的，我们称之为“内存条”。这些内存条安装在主板(母板)的接口上，与之形成一定的角度。采用这种安装方式的板卡通常被称作“背板”。而另一些必要元件可能被安排在与母板平行排列的“子板”上。

单板计算机将构成计算电路所需要的全部基本组件(处理器、存储器、数据通信设备)集成到一块电路板上。

有些SBC嵌入式系统也用到“背板”和“子板”。但它们与PC的不同之处在于，这些辅助板卡的作用虽然对系统整体功能而言是不可或缺的，但是对组成一台专用计算机而言并不是必要的。

这样的不同是否仅仅停留在理论上呢？其实，自从你着手设计一款嵌入式系统开始，答案就是否定的。如果你选择了SBC作为控制器，那么你就可以把精力集中到控制系统架构方面，而不是专用计算机设计方面。

Povey说：“相关人员可能是在对空间局限性、处理器性能、日后升级灵活性等问题作了综合考虑之后，才更倾向于采用基于SBC的系统解决方案。”

SBC能够带给这一行业的正是这些特点。

Kontron嵌入式模块分部的产品市场经理Christine Van De Graaf补充说：“SBC的使用期相对较长。你所预期的SBC工作周期为10年，至少也得是5年。然而，一般商用PC技术的存活期最长的也不过3年时间。”

我们可以通过两种方式构建一款基于SBC的控制器：自行创建(RYO)方式或是商品化的现货供应(COTS)方式。无论采用哪种方式，首先都要拟定一份技术要求列表。列表中要包含如下内容：

■  SBC安装位置的形状和尺寸；

■  重量限制；

■  能够提供给SBC的最大功率；

■  散热方面的限制(能否使用风扇？只能采用自然散热方式？还是只能通过外壳传导散热？)；

■  处理速度上的要求；

■  实时或延时响应方面的要求；

■  数据存储方面的要求；

■  对数字和模拟I/O(输入输出)通道的要求；

■  网络连接上的要求；

■  软件方面的要求；

■  其他一些应用上的特殊要求。

Purley说：“当你制定了要求列表后，你就可以把它分类到不同的形状系数，进而实施采购。”

安装附加的“子母卡”或“子板”可以扩充SBC的资源。

根据“不走回头路”的理论，RYO可能是最后的选择。如果你已经认定无法采用传统的PLC或PAC完成某项工作，那么基于PC的解决方案也就无法胜任了。下一步，你就要考虑COTS解决方案了。

Via Technologies嵌入式部件的倡导者Joseph Chung说：“在某个解决方案中，如果只需要用到少量的模块，而且又不需要高速采集数据，那么我可能会采 用一块COTS板卡。”

安装附加的“子母卡”或“子板”可以扩充SBC的资源。

单板计算机的外形尺寸很小，却具备强大的数据处理和通信(组网)能力。

COTS结构

COTS SBC由一片安装在印刷电路板上的微处理器或微型控制单元(MCU)以及一些外围设备组成。外围设备包括一些附加的芯片和元器件，例如时钟芯片、外部存储器、USB驱动芯片、用于无线通信的收发芯片、以太网芯片以及模拟信号输出芯片。

外围设备的数量和类型由处理器主芯片的集成度决定。有些微控制器将整个系统集成到MCU芯片内部，而其他一些SBC，例如四核微处理系统，则是将分散的处理器芯片整合起来，以较低的成本实现较高端的处理能力。这类设计中，外围设备被分散到电路板上其余的芯片中。由此可见，MCU与传统的微处理器之间存在一些区别。

MCU制造商Freescale Semiconductor(飞思卡尔半导体)产品市场经理Jennifer Woods说：“我们试图将大量的嵌入式控制功能集成在我们的芯片中，从而达到节省电路板空间、提高灵活性以及无限接近单芯片解决方案的目标。”

ARM设计组的Povey说：“随着高端、高性能的32位微型控制器平台问世，你的决策权将大大增加，而且仍然可以运行用高级语言编写的操作系统。”

对于一个深入了解COTS SBC的控制工程师而言，不必将处理器和外围设备划清界限。问题在于：“SBC作为一套完整的系统是否达到了要求。”

COTS SBC通常要满足某些工业标准，这些标准由工业协会或是专业组织掌管。例如由PC/104嵌入式协会掌管的PC/104规范以及由PCI 工业用计算机制造商组织(PICMG)负责维护的COM Express规范。这些标准(至少)规定了电路板的外形尺寸以及接插件引脚。实际应用中，电路板能否被放置到对应的位置要由它的外形尺寸决定。接插件引脚是否符合规范对接口的兼容性有重大影响。举例而言，如果你的应用中要用到许多模拟输入，那么你就需要足够的引脚来进行连接。

Van De Graaf指出：“符合PC/104规范的电路板不直接带有连接外部设备的接口。它们的部分引脚通过带状电缆扩展出外部接口，与各式各样的外部设备相连。如此一来，你就可以像拼装Lego(乐高)玩具一样，将外围电路板搭建到处理器板上。你还可以将搭好的电路板整合到一个金属盒中，组成整套的外部控制器。”

在某些空间十分有限的应用中，显然只有那些把尺寸规定得足够小的SBC标准才能适用。然而，SBC标准可以覆盖全部的主流解决方案。例如，VME标准规定了电路板的尺寸可以达到9U(15.75英寸)。(在网络上可以找到更多关于“Eurocard standards”(“欧洲板卡标准”)的信息。)

COTS解决方案可以是单纯的印刷电路板，也可以是紧凑型PCI模块。前者把提供外部支撑以及电路环境保护等问题抛给了系统整合人员，而后者拥有精心设计、符合标准的辅助支撑架，可以解决几乎所有的问题。

Kontron的Pursley回忆说：“在几位DARPA挑战赛入围选手眼中，可靠性是极为重要的，因此他们采用了紧凑型PCI。要知道，他们要处理的问题可比工厂地面环境之类的厉害得多，也复杂得多。众多工业自动化用户正决定采用紧凑型PCI或者VME，因为它们比传统的PLC更为耐用。”

还有一种方案是将SBC安装到各种外壳中(大部分是专门设计的)，实现不同程度的环境适应能力。例如，在对灰尘和液体较为敏感的应用场合，一些生产商会提供密封的扇形外壳，产生的热量可以通过外壳的传导被带走。更多情况下，SBC外壳带有隔栅或百叶窗，用来防止散落的液体、灰尘及其他物质侵入。其实，是否有必要采用防护或其他的措施，要视应用场合而定。

把SBC封装入外壳的一大好处就是，你只需要钻几个孔就可以把整个外壳安装到系统的某个位置。电源和信号量可以通过标准的接插件输入或输出。Chung说：“有时候，你只需要将某个SBC的外壳用螺丝固定在书桌下方就算是大功告成了。”

RYO方式

Chung说：“如果一些最终用户只需要1到2个组件，而另一些需要多达50甚至是100个的组件，那么你一定希望尽可能少地采用定制方式。一旦你着手为客户提供定制，复杂性便会大幅增加。”

定制就意味着你要采用RYO方式。相关工程师必须掌握一定的计算机工程知识。在Chung看来，如果你开发的商业化产品预期销售量大于500甚至1000套，而采用COTS方式又不太适合时，就可以采用RYO方式了。

若干年前，我所遇到的一个应用实例中，喷射引擎测试工程师要把一套完整的数据采集(DAQ)系统安装到一个轴承颈内。这套DAQ系统的电路部分包括了传感器、信号调节器、模——数转换器、无线数据通信器以及一个主机。工程师将整套DAQ系统构建在一块半月形定制 电路板上，然后把电路板安装到球型轴承的内部。显然，没有哪种COTS SBC适用于这样的空间结构。

如今，机械控制器的形式多种多样，已经形成了一整套广泛而又连续的系列。系列的一端是经过大幅优化的传统PLC和PAC，适合于传统应用场合；另一端则是SBC，包括标准的模块和完全自由的RYO定制解决方案。如果你想知道哪种方案是最佳选择，那么你应该先对使用需求作认真的评估，再将需求与选项作一番比较，才能得出最佳的选择。

翻译：翁思健