是选择工业 PC 还是模块计算机？这里给出流行外形尺寸指南

作者：贸泽电子 Mark Patrick

产品上市时间是许多工业自动化应用的关键考虑因素。但对于一些具体应用，其中最为复杂的部分越来越多地是通过软件而不是通过硬件来实现，这种方法允许使用商用“普通”硬件计算平台，其中有许多种不同类型可供选择。然而，系统架构师面对的则是一组令人眼花缭乱的多种外形尺寸。每种外形尺寸都会基于一系列明确定义的主板和模块标准，可提供设计灵活性、有竞争力的价格和二次采购源等便利。本文将讨论一些可用于整合到工业设备设计中的最流行外形尺寸。

工业领域商用计算硬件

从高层次上看，工业流程自动化涉及来自各种传感器的输入监控、接收到的数据处理以及根据预定义的工作流程采取相应行动。传感器可能包括限制开关、温度、压力和运动测量等，控制指令则通过继电器、泵和电机驱动器等致动器执行。

各个单独控制区形成工业过程的彼此独立部分，每个部分都配备有专用过程控制器。数百个通常由单板工业 PC构成的过程控制器可以部署在一个大型制造现场，虽然工业 PC 本质上与台式机具有相同的功能，但或许也存在一些显著差异。它们通常会在更广泛的工作温度范围内可靠地运行，支持工业网络协议和外围接口，并适应更广泛的操作系统。并非所有单板计算机或计算机模块都适用于需要 -40 ～ +85°C 工业级温度范围的应用，某些电路板只符合 0  ～ +60°C 的商业温度范围.

工业市场并不是唯一需要通用计算资源的领域，石油/天然气、电信、航空和国防等领域也有类似要求。对于系统构建者来说，通过考虑来自不同制造商且符合一组机械和功能标准的各种计算机板和模块可以降低开发复杂性。

外形尺寸规格

一套开放的外形尺寸标准已经在得到开发以满足市场需求。这些为单板工业 PC 和模块计算机 (COM) 制造商提供了在一些特定市场的关注焦点，而开放标准能够为系统构建者提供二次采购源和供应连续性的信心，无需重新设计他们的系统。

外形尺寸标准能够确定主板的物理和机械布局，一般其规格包括电源要求、安装孔位置、尺寸和端口布局。许多台式 PC 主板外形尺寸标准可以追溯到 80 年代初和 IBM PC 的出现，并在之后得以不断发展。

PCI 工业计算机制造商集团 (PICMG) 成立于 1994 年，拥有 140 多个成员组织，并领导了几个重要的单板计算机和模块标准的开发。这些标准都是开放、免版税，并且不需要许可证。PICMG 标准包括：

• Advanced TCA（高级 TCA）
• MicroTCA
• COM Express.

COM Express: COM Express 规范涵盖一系列小外形尺寸(SFF) 和 COM型单板电脑。COM 通常设计为适合基板（母板）配电以及所有 I/O 的需求，这种方法能够提供一种快速方便的电路板更换方法。图 1 示出了规范演变的时间线和各种外形尺寸。

图 1：COM Express 规范演变。（来源：PICMG）

COM Express 规范也在不断发展，以整合最新的处理器技术、存储方法、视频接口和网络标准。例如，COM Express Rev 3 规范在板上最多可容纳四个 10 Gigabit 以太网接口。类型声明（type declaration）规定了连接器（一个或两个）及其在每个规范中的引脚使用。

凌华科技（ADLINK） Express-CFR 是符合 PICMG COM R3.0 Type 6 规范单板计算机的一个很好例子。

图 2 说明了电路板的功能以及网络、电源、存储和相关外围接口的连接器分配。

图 2：凌华科技 Express-CFR 板符合 PICMG COM.0 Rev 3.0 Type 6 规范。（来源：凌华科技）

ETX 外形尺寸（嵌入式扩展）的创始者ETX 工业集团协会与 PCIMG 合作，实现了 ETX Rev 3 格式与 COM Express 规范的兼容。 ETX 格式至今仍然是一种流行的紧凑型单板计算机尺寸。例如ADLINK ETX-BT搭载 Intel Atom E3800 SoC，可容纳高达 8GB 的 DDR3 RAM。

COM-HPC：COM-Express 规范将两个连接器限制为 440 针。然而，对于带宽为 16Gbps 的 PCI Gen 4等新的高速接口，其带宽是 PCI Gen 3 的两倍，要求 PICMG 开发新的规范 COM-HPC。该规范定义了三种模块类型：具有固定输入电压的客户端模块、具有宽输入电压范围的客户端模块和具有固定输入电压的服务器模块。

五种 COM-HPC 板的外形尺寸已经得到确定：最小的是尺寸 A，大小为 95 mm x 120 mm，最大的是尺寸 E，推荐用于服务器，大小为 200 毫米 x 160 毫米。

AdvancedTCA（ATCA）: ATCA 是另一种在电信行业被广泛采用的 PICMG 规范，电信行业对高强度处理器资源、密集 IO 分布和高网络带宽的需求很高。许多军事会应用使用 ATCA 加固版本。

除了 PICMG，PC/104 联盟还建立了三种不同的外形尺寸。该联盟因此得名的第一个标准是 PC/104 外形尺寸，其名称来源于 104 针 PCI 连接器，而该联盟的其他外形尺寸包括 EPIC 和 EBX。

PC/104：该标准规定了 90mm x 96mm 的电路板尺寸及其机械设计以适合牢固的应用。该格式允许为需要大量 I/O 功能的应用叠放多个板。 PC/104 单板计算机的一个示例是 ADLINK CM1-86DX3 ，参见图 3。

PC 和制造商衍生的外形尺寸

许多工业单板计算机继续采用英特尔和威盛（VIA）等台式 PC 处理器供应商建立的 PC 外形尺寸。示例包括 mini-ITX、Pico-ITX 和 nano-ITX。其他嵌入式系统制造商创建了 UTX 等格式，然后被不同的供应商采用。 MI/O 是制造商研华（Advantech）开发的另一个外形尺寸示例。

图 4：Mini-ITX 外形尺寸与 Nano-ITX、Pico-ITX 和 mobile-ITX 规格的比较。（来源：VIA）

Mini-ITX：mini-ITX 规范定义了 170毫米 x 170毫米的电路板尺寸，参见图 4。它最初由威盛开发，其中一个例子是研华 AIMB-233，这款功能齐全的主板具有 Intel i7、i5、i3 或 Celeron 内核，可容纳高达 64 GB DDR4 2,400 MHz SDRAM，并具有两个 M.2 存储插槽。

MI/O：该标准由研华开发，具有两种形式；紧凑（Compact）和超紧凑（Ultra）。 Compact 规范定义了比 COM-Express稍大的单板计算机，尺寸为 146mm x 102mm。 Ultra与 Pico-ITX 板尺寸相同，大小为 100mm x 72mm。

MI/O Ultra 板的一个示例是 研华 MIO-5272，请参见图 5。

图 5：采用MI/O Ultra 外形尺寸的研华 MIO-5273 单板计算机。（来源：研华）

MIO-5272 可用于 Intel i7、Intel i5、Intel i3 和 Celeron 变体。为了支持额外的外围功能，研华设计了一种扩展板格式MIOe，这是一种统一的扩展接口连接器，可为所有 MI/O 尺寸板提供电源、USB 3.0、SMBus、显示端口和 PCIe 连接。

UTX：这种单板计算机 UTX 外形尺寸为 112毫米 x 137毫米，其示例包括 研华 AIMB-U233，这是一款基于 Intel 第 8 代的主板，具有全面的存储、网络和图形功能。电路板需要一个 12VDC 电源来供电，峰值负载时最大功率为 23W。

在上市时间压力很大，不允许采用系统构建方法时，另一种可用方法是使用现成系统，例如研华 ROScube-I 系列。这款坚固耐用的嵌入式实时控制器非常适合机器人应用，能够提供 GPU 和 VPU 扩展卡，可用于神经网络算法。

适于工业应用的单板计算机模块

为工业应用选择工业计算机或 COM 可节省大量开发时间和不可收回的工程成本。将电路板安装到空间有限的控制机柜或外壳中需要了解其外形尺寸。我们已经在这篇简短的文章中介绍了选择过程中可能遇到的常见外形尺寸。