Guide till inbyggda datorer
Några av er är kanske inte så bekanta med inbyggda datorsystem (embedded computers) men vill veta vad området handlar om och hur inbyggda datorsystem kan stödja era produkter och er verksamhet. Denna text är för er. Ingen förkunskap krävs för att förstå innehållet. Ni behöver inte känna till alla uttryck och begrepp inom området. Den är till för alla att förstå.
Frågor om inbyggda datorer?
En guide till inbyggda datorer
Ordet inbyggd i inbyggda datorer syftar på att datorn är en del av en produkt som använder datorn som en del av produkten. Det finns till exempel en dator i en modern bil, faktiskt finns det flera datorer. En används för att styra förbränningen i motorn och en används för att övervaka och styra temperatur och fläktar. De är alla inbyggda datorer.
Inbyggda datorprodukter i Hectronics produktkatalog inkluderar produktkategorier som kompletta inbyggda system i kapslingar, datorkort och moduler, industriella displayer, minnes- och lagringsprodukter.
Ett annat uttryck för att beskriva ungefär samma sak är industriell dator. Inbyggda datorer för industriellt bruk skiljer sig från persondatorer, som man till exempel hittar på ett kontor, i viktiga aspekter som livslängd, in- och utgångsgränssnitt (I/O), temperaturområdet inom vilket den är konstruerad att fungera och de miljömässiga utmaningar som den kan hantera.
Persondatorer har en typisk produktlivscykel på mindre än ett år. Så mindre än ett år senare ersätts produkten av en ny modell, och under sin livscykel genomgår den normalt också flera revisionsändringar. Industriella datorer har vanligtvis en produktlivscykel på fem till sju år från introduktionen på marknaden. Revisionsändringar hanteras och dokumenteras på ett formaliserat sätt. Ändringar kommuniceras lätt av leverantören till kunder som använder de inbyggda datorerna.
Verksamhet i krävande miljöer
Den förlängda livslängden hos den inbyggda datorn är avgörande för företag som integrerar den i sina produkter. Eftersom datorn är en tätt integrerad del av produkt, system, tjänst och i vissa fall hela affärsverksamheten, är det inte acceptabelt att behöva ersätta den efter bara omkring ett år.
Inbyggda datorer behöver ofta ett bredare utbud av I/O (in- och utsignaler) än kommersiella moderkort (som finns i persondatorer). Vanligtvis finns det också krav på äldre I/O för inbyggda datorer. Det innebär att äldre versioner av I/O måste inkluderas för integration i industriella produkter där befintlig funktionalitet endast är tillgänglig via äldre I/O. Mycket ofta en gränssnitt för en TFT-skärm, där till exempel LVDS används, krävs i den inbyggda datorn. Detta är en funktion som vanligtvis inte finns på kommersiella moderkort.
En persondator eller bärbar dator är konstruerad för användning i temperaturer från +5°C till +45°C. Standardtemperaturområdet för ett industriellt moderkort eller en inbyggd dator är från 0°C till 60°C. Dessutom ökar temperaturkraven när den inbyggda datorn är avsedd för användning i lastbilar, båtar eller utomhus där temperaturen förväntas vara både varmare och kallare från tid till annan. Det så kallade industriella temperaturområdet indikerar att den inbyggda datorn kommer att fungera alldeles utmärkt från -40°C till +85°C. Det är med få undantag det bredaste temperaturområdet som en industriell dator kan förväntas fungera inom.
Definitionerna, etiketterna och fraserna som används för att ange driftstemperaturen för inbyggda datorer varierar i vår bransch. Hectronic tillämpar följande definitioner för etiketterna "Extended" och "Industrial" driftstemperaturområden på våra produktsidor.
Den normala inomhusmiljön, ett bostadshus eller ett kontor, är inte särskilt krävande för en persondator. Ett tåg, en bil eller en lastbil presenterar mer utmanande miljöer. Den inbyggda datorn krävs för att tåla exempelvis vibrationer, stötar, fukt och damm utan att fungera felaktigt eller gå sönder. Ett ord som ofta används för att betona den inbyggda datorns goda egenskaper när det gäller att motstå utmanande miljöaspekter är "rugged" eller "ruggedized".
Passiv kylning av den inbyggda datorn är den föredragna kylmetoden för industrikunden. En kylfläkt undviks vanligtvis om möjligt. Anledningarna är att fläkten kan gå sönder, är bullrig och är beroende av luftflöde som för in damm och smuts i kapslingen. Industrikundens krav på passiv kylning främjar utveckling av lågeffektprocessorer och lösningar samt mekanisk och termisk design som skiljer sig från vad som finns i persondatorer. En annan trend är att industrikunden kräver allt mindre inbyggda datorer.
Processorer i inbyggda datorer
Samma typ av processorer som utvecklats för persondatorer används även i inbyggda system. Processorer sträcker sig i den lägre änden från ARM-processorer körs på batteri upp till high-end X86-processorer, vilket ger prestanda jämförbar med bärbara datorer och servrar för inbyggda applikationer.
Nyutvecklade processorer lanseras initialt med målet att rikta sig mot persondatorer och bärbara datorer. Utvalda processorer inkluderas i leverantörens "embedded roadmap", vilket innebär att de har långsiktig tillgänglighet. Leverantörer av X86-processorer har på senare tid börjat utveckla separata processorplattformar (CPU och chipset) som riktar sig mot konsument- respektive inbyggda applikationer.
Ibland introduceras processorplattformen för inbyggda applikationer i ett senare skede med alternativ för drift i ett industriellt temperaturområde. Tidigare var de flesta X86-processorer inte tillgängliga specificerade för ett industriellt temperaturområde, och det är ofta också fallet idag. Därför behöver kort- och systemtillverkaren optimera designen och utföra temperaturtestning för att kunna erbjuda inbyggda datorer specificerade för ett utökat eller industriellt temperaturområde.
Standard- eller kundanpassade inbyggda datorer
Företag som använder inbäddade datorer i sina produkter har ett strategiskt val att göra när de ska bestämma vilken typ av inbäddad dator de ska använda. Det är ett val mellan att använda en standardprodukt, en delvis kundanpassad inbäddad dator eller en helt kundanpassad inbäddad dator.
En inbyggd dator i form av en standardprodukt utvecklas för att användas av mer än en av våra kunder. En term som ofta används för standardprodukten inbyggd dator är COTS, Commercial-Off-The-Shelf. Standardprodukten har fördelen att den är tillgänglig för integration direkt, utan fördröjning. Det finns ett stort urval av standardprodukter att välja mellan. Vid begränsade volymer är den inbyggda standarddatorn ofta det mer kostnadseffektiva alternativet. Produktens livslängd är ofta upp till sju år.
Inbäddade datorer i produktkategorin standard finns tillgängliga i separata kategorier. Bilden visar tre kategoriexempel: den fläktlösa Industridator, datorplattan och Panel-PC.
En nackdel med att välja en standardprodukt är att det kan vara svårt att hitta en produkt som passar perfekt till de krav som ställs. När standardprodukten inte längre finns tillgänglig kan det bli problem att hitta en matchande ersättare. Produkten som datorn är inbäddad i kan behöva designas om för att den nya inbäddade datorn ska fungera.
Halvskräddarsydd – kombinerar standard och specialtillverkat
Det andra alternativet är att använda en delvis skräddarsydd inbyggd dator. Den är vanligtvis uppbyggd av två kort, det så kallade COM och bärarkortet. COM, Modul, är ett kort som består av datorns centrala komponenter som processor, styrkrets och minne. COM:en är monterad på ett bärarkort som utvecklats specifikt för att uppfylla kraven från kundens produkt.
Ett annat uttryck för att använda en COM på ett grundkort är att tillämpa den semi-anpassade strategin. Strategin kombinerar fördelarna med standardprodukten med kravet på att realisera en lösning som är unik för produkten. Standardprodukten COM är tillgänglig direkt och erbjuder kärnan i den inbyggda datorn utan komplicerad utveckling. Grundkortet å andra sidan är skräddarsytt och erbjuder möjligheter till anpassning av storlek, funktionalitet och kommunikationsgränssnitt för att matcha dina krav. Ett anpassat grundkort erbjuder också möjligheten att integrera hårdvara som är unik för kundens applikation. Därmed integreras hela produkten på de två korten. En komplex lösning som byggts av flera delsystem eller kort undviks.
Strategin för semi-anpassning är att använda en standardprodukt, COM (den blå mindre kortet), Computer-on-module och montera den på ett bärarkort (det gröna större kortet) som är specialgjort.
En nackdel med att välja den semi-anpassade strategin är att höljet måste utvecklas, vilket medför utmaningar i att leda bort värme från heta komponenter och certifiering, till exempel enligt EMC-direktivet. Det semi-anpassade alternativet är att föredra när de årliga volymerna är lite högre.
Det tredje och sista alternativet är att satsa på en inbäddad dator som är helt skräddarsydd. På Hectronic brukar vi kalla det för full custom-strategin. Alla delar av den inbäddade datorn utvecklas för maximal anpassning till kraven och för att produkten ska bli helt unik. Fördelen är att du kan påverka alla aspekter av den inbyggda datorn och få ett unikt kort eller system som är optimerat för applikationen. Det finns fortfarande möjlighet att återanvända leverantörens processorplattform (COM-modulen i den semi-custom designen). Det krävs såklart en något större årlig produktionsvolym för att motivera den kostnad som utvecklingen genererar.
Hectronics produkter och tjänster
Utöver ovanstående alternativ erbjuder Hectronic även stöd från utveckling av BSP, Board Support Package. BSP är en samling lågnivåprogramvara som behövs för att operativsystemet ska fungera på den inbyggda datorn. Hectronic hanterar produktionen av standardprodukterna som utvecklats av oss och de helt anpassade datorkorten och systemen som är designade specifikt för enskilda kunder.
Ansvaret för produktionen inkluderar att hålla koll på tillgängligheten av komponenter, att vid behov ersätta komponenter som inte längre finns tillgängliga och att verifiera att den inbyggda datorn fungerar precis som tidigare. Vi kallar detta underhåll.
Slutligen, från tid till annan, når inbyggda datorer slutet av sin livslängd och behöver bytas ut. Vi har stor erfarenhet av att utveckla en ersättning. Och vi kan lyckas med det och ändå hålla utbytet av inbyggd dator i produkten så enkelt som möjligt.
Förhoppningsvis har vi lyckats introducera dig till vår värld av inbyggda datorer. Du är alltid välkommen att kontakta oss för att diskutera hur ditt företag, dina produkter och din verksamhet kan dra nytta av att ha inbyggda datorer från Hectronic inbyggda i din produkt.