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嵌入式|防务应用对可快速交付和部署的系统需求的增长推动预集成嵌入式系统的发展

    防务应用对于具有更多“完成性”系统需求的不断增长,推动了系统供应商在嵌入式系统上的不断发展,具有更多功能的预集成的嵌入式系统成为新的趋势。


    目前,无论是通用计算系统、C4ISR系统还是以数据存储为中心的系统,终端用户和防务领域的主体越来越多地希望降低供应链的供应商层级,以提供具有高技术成熟度(TRL)的完整子系统。对于那些试图满足国防工业对快速交货和近部署准备运行要求的供应商来说,既是机遇也是挑战。系统供应商面临的困境是如何在一个缺乏广泛接受的行业标准的市场上,在正确的时间下准备好正确的产品。


    嵌入式系统转向更小型化

    多年来,嵌入式系统供应商一直在开发3U和6U插槽卡系统,它们或者位于高度为1.75英寸的“U”增量定义的19英寸宽的底盘中,或者是任何一种ATR盒尺寸。这些标准化尺寸允许最终用户定义和供应商构建符合标准中的指令的系统,从而消除物理尺寸的问题。与19英寸机箱的外部连接通常采用具有预定义连接器的离散单用途电缆。19英寸和ATR底盘的安装也由标准定义。


    移向小型(SFF)系统由两个因素驱动:更高级别的芯片集成,允许在更小的封装中增加功能;并且需要将更多的整体功能集成到高性能、更小和更轻的防务产品中。然而,对于许多应用来说,小型化需求已经减少甚至消除了对这些较大底盘的需求。新一代预集成系统涉及小型(SFF)CPU板,例如COM Express,PCI/104和3U插槽卡,其中,这些系统的外部尺寸和连接要求取决于应用程序的具体情况 而与19英寸和ATR底盘不同,开放行业标准并不多。


    ATR和19英寸系统主要针对特定要求而开发,然后作为定义的系统出售给某个项目。在这种情况下,系统开发往往是供应商和客户之间的共同努力。这些拼图的整合是基于插槽卡的系统的核心。直到最近,防务应用对具有高TRL、商用现货、预先集成的SFF系统的需求并不真正存在,但对预集成嵌入式系统却感性缺。以模块化和可扩展的系统设计形式的智能系统设计可以帮助弥补供应商需求与客户期望之间的差距。


    模块化和可扩展性的需求

    系统设计的构建块方法可以帮助减少预期的差距,并适用于机械和电气设计。关于每个设计方面的可扩展性是缩短交货时间并在所需时间内交付系统的关键。关于力学方面,底盘设计可缩放,以满足特定的空间要求,可以简化设计工作。尽管现在供应商引入了预先定义的系统,但客户往往开始对某一特定系统感兴趣。


    当系统尺寸不能满足需求时,挤压箱设计将加速这种挑战。坚固、轻便的挤压铝侧板可以切割成长条,并提供底盘高度、宽度和深度的无限变化。具有或不具有散热片的挤出型材选项允许快速适应变化以满足热需求。根据变化的大小,可能需要增量热分析来微调新尺寸。具有久经考验的底盘设计能力的综合系统供应商可以快速支持这种端到端的任务。


    灵活的I/O和连接

    任何应用的关键是驱动I/O连接器类型和布局的外部连接要求。通常需要MIL-STD-38999,Mighty Mouse,M12或分立连接器样式的各种形状和尺寸。虽然大多数防务系统需要MIL-STD 38999连接器,但是即使在该子集中也存在数百种变体,并且I/O位置可以是特定的——例如是前置还是后置。


    信号突围需求也会导致连接器尺寸的变化,正如引脚数驱动每个连接器的大小一样。供应商可以为给定的一组脱离箱子的I/O集合维持一个通用面板设计库。这些I/O面板设计可以快速被替代、混合和匹配,以满足特定要求。即使在现有设计不合适的情况下,也可以通过库存轻松制作定制解决方案。


    拼图的组装

    大多数预先集成的SFF任务计算机的核心是CPU模块,它通常是COM Express(10型或6型)或PCI / 104板。两种形式因素及其各自的衍生工具都是基于COTS的,由PICMG标准组织定义。两者都建立了性能跟踪记录,并得到提供可用的坚固版本的全球供应商的支持。


    COM Express CPU模块需要用于I/O突围的载板,通常由最终用户或集成商提供。相比之下,PCI / 104 CPU模块用于可堆叠架构,旨在直接连接到其他模块,并设计有各种各样的I/O突围选项。使用现有的COTS外形尺寸板实现了I/O集的模块化。XMC和PMC夹层模块在3U和6U Eurocard世界已经建立起来,实现了模块化,可扩展,易于更换和低成本的升级方式来升级系统I/O,同时保留对更昂贵的主机卡(通常为SBC)的投资。


    两种夹层类型越来越多地用于SWAP航空电子和地面移动应用中使用的SFF系统。此外,MiniPCIe和mSATA模块还提供信用卡大小的I/O选项,用于将典型I/O信号类型转换为PCIe,从而利用CPU上PCIe上逐步增加的可用端口。这些模块支持以太网、音频、视频、CANbus、WiFi、数字和模拟,SATA和USB以及LTE(4G)和衍生产品等多种移动服务标准以及额外的板载存储。


    关键载体卡

    CPU选择,以及广泛的I/O选项,为各种预集成系统提供了各种配件。然而,在系统中将这些离散件组合在一起的胶状物是最重要的载体卡。


    COM Express载体卡通常提供支持CPU本机的I/O所必需的连接器和头。在许多情况下,它们几乎不比CPU模块本身大。随着这个标准进入国防市场,供应商开发了载卡,其中包含夹层网站,设计用于支持多个XMC / PMC,以及多个miniPCIe和mSATA模块以及CPU模块站点。


    可靠的载波设计至关重要,特别是在高速和密集信号很常见的情况下。8Gbps的PCIe Gen 3信号需要熟练的电路板设计人员和最新的信号完整性分析工具,以确保每一块数据完好无损。进一步来说,运营商设计可以支持COM Express和PCI/104卡,以利用可用的最佳选项,而不考虑板卡形式。 最后但并非最不重要的是,电源选项的模块化能够实现功率级别,以及电源滤波和调节的多种选择。许多防务应用需要MIL-STD 1275和704能力的电源,因此在模块化方面是一个有价值的选择。


    可重新配置

    很明显,基于模块化设计的预集成系统可以解决许多预售需求,但另一个优点可以解决可能出现的售后问题。根据定义,预集成系统是模块化和可配置的,并且在系统部署后固有地实现高效重新配置。当任务的演进需要CPU升级或新的I/O方法,以及COTS模块达到使用寿命时,这将变得有用。然后,项目可以通过仅替换已过时的计算和I/O模块来保留大部分的设备投资,同时保留剩余的系统,包括承载卡、连接器、I/O卡的平衡、电源和底盘力学。


    预集成系统的电气和机械设计中的模块化和可扩展性使基线设计能够快速适应,以满足最终应用的特定计算级别、I/O和机械要求。这种方法可以减少部署在关键防务项目中的时间,并可实现部署后的高效系统升级。


    有针对性的系统设计和经验丰富的团队关注新出现的防务要求,有经验的嵌入式系统供应商可以满足日益增长的预集成系统的需求,从而缩短交货时间期望。这种功能可以让精准和最终用户在集中精力进行更高级别的系统集成时实现成本节约。


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