工控機(jī)即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，俗稱工業(yè)電腦，英文全稱Industrial Personal Computer，簡(jiǎn)稱IPC。工控機(jī)顧名思義是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景提供的計(jì)算機(jī)，本質(zhì)也是一臺(tái)電腦，只不過(guò)有著自有的設(shè)計(jì)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，IPC需要有較強(qiáng)的抗干擾能力，還能經(jīng)受得住振動(dòng)、灰塵、潮濕、電磁輻射等惡劣的室內(nèi)外工業(yè)環(huán)境。

圖1、工控機(jī)(圖源：英康仕)

工控機(jī)按應(yīng)用場(chǎng)景可分為IPC(PC總線工業(yè)電腦)、PLC(可編程控制系統(tǒng))、DCS(分散型控制系統(tǒng))、FCS(現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng))及CNC(數(shù)控系統(tǒng))五種。

工控機(jī)按機(jī)箱高度可分為1U，2U，3U，4U，5U，6U，7U，8U等類(lèi)別，一個(gè)1U的高度是44.5mm，其他高度依次類(lèi)推;上架式寬度也是有固定標(biāo)準(zhǔn)的，箱體統(tǒng)一寬度為430mm，帶把手寬度為482mm，稱之為上架式19英寸機(jī)箱。

工控機(jī)按安裝方式還可分為臥式、壁掛式和嵌入式工控機(jī)。按主控芯片架構(gòu)則可分為X86、ARM、RISC-V和龍架構(gòu)等工控機(jī)。

工控機(jī)硬件構(gòu)成與個(gè)人電腦區(qū)別不大，都是由主板、CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)、顯卡、聲卡、電源、散熱風(fēng)扇、接口和連接器、紐扣電池和阻容感組成。應(yīng)用于不同場(chǎng)景的IPC接口類(lèi)型也不同，常見(jiàn)的接口類(lèi)型有COM口、VGA接口、RS-232/485接口、LAN接口、CAN接口、USB接口、音頻接口、HDMI接口、Profinet接口、PCI/PCI-E接口、SATA接口等。

圖2、工控機(jī)主板(圖源：固耐普)

研發(fā)和設(shè)計(jì)一款工控機(jī)，工控主板是核心，基于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和客戶的碎片化需求，每個(gè)工控機(jī)制造商也都賣(mài)工控核心板，更方便客戶定制。工程師研發(fā)一款工控機(jī)，工控主板的設(shè)計(jì)以及器件選型尤為重要。

1、工控主板的元器件選型

工控主板研發(fā)階段的選型耗時(shí)更久，以保證產(chǎn)品能在惡劣條件下工作，元器件的高可靠性排在第一位。簡(jiǎn)單來(lái)講工控主板的元器件需要適應(yīng)寬溫環(huán)境，就得選擇-40℃-85℃工業(yè)級(jí)物料，CPU原廠英特爾、AMD、威盛、龍芯中科、飛騰、兆芯等都有推出相應(yīng)的工業(yè)級(jí)芯片，還有固態(tài)電容器、封閉電感和電阻等，均需選用工業(yè)級(jí)，耐高溫、抗潮濕等特殊應(yīng)用場(chǎng)景元器件的濕敏等級(jí)需要注意，或者專(zhuān)門(mén)為防水設(shè)計(jì)，才能有效保證在惡劣環(huán)境下(壽命期內(nèi)永久開(kāi)機(jī)、氣候惡劣、潮濕、振動(dòng)、多塵、輻射、高溫等等)正常工作。工控主板針對(duì)的是工業(yè)市場(chǎng)，因此出于可靠性穩(wěn)定性的要求，每一款主板在上市前都會(huì)做CE、EMC、FCC、QA realbility、CCC、震動(dòng)、跌落、防水防潮、老化等工業(yè)級(jí)測(cè)試認(rèn)證，這也會(huì)拉長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期及拉高了研發(fā)成本。

2、工控主板的電容選型

工控主板采用的是高質(zhì)量的貼片式的固態(tài)電容、鉭、陶瓷電容，即使使用的電解電容，對(duì)其品質(zhì)、性能及壽命要求也遠(yuǎn)高于消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品，現(xiàn)在的工控主板都基本上采用固態(tài)電容，特別中高端的工控主板。商用主板基本都是大量采用針腳式的大電解電容，因?yàn)榇箅娊怆娙莩杀镜?、容值大一個(gè)可以頂多個(gè)貼片或坦電容。從性質(zhì)來(lái)說(shuō)，電解電容穩(wěn)定性不及鉭電容、陶瓷電容高，壽命不及它們長(zhǎng)，耐高溫程度不及它們好。貼片式電容比針腳式電容更加穩(wěn)定。從價(jià)格上，鉭電容比普通的電解電容要貴，且由于鉭電容的電容量較小，使用在主板上時(shí)，需要使用更多數(shù)量的電容，單單鉭電容的成本就是電解電容的幾十倍，這也是導(dǎo)致工控主板比商用主板成本價(jià)格高的原因之一。隨著國(guó)產(chǎn)固態(tài)電容器廠家越來(lái)越多，固態(tài)電容器的價(jià)格的下降，現(xiàn)在的高檔次的商用主板都在使用固態(tài)電容器。

3、工控主板的PCB

商用主板采用的是4層PCB設(shè)計(jì)，一般的PCB線路板分有四層，最上和最下的兩層是信號(hào)層，中間兩層是接地層和電源層，將接地和電源層放在中間。工業(yè)主板采用的是6層以上PCB線路板設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)是為了加強(qiáng)主板的抗電磁干擾、電磁兼容能力，增強(qiáng)主板的穩(wěn)定性等等。工控主板由于其針對(duì)的是工業(yè)市場(chǎng)，對(duì)抗電磁波干擾能力要求較高，需要通過(guò)EMI、EMC等測(cè)試和認(rèn)證。這需要從兩個(gè)方面考慮，一是從主板的線路布局設(shè)計(jì)上考慮，二是從機(jī)箱選料和結(jié)構(gòu)、電源、接地情況上進(jìn)行考慮。

4、工控主板的壽命

與商用主板兩三年使用壽命不同，大多數(shù)的工控主板壽命要求在3年以上，部分高品質(zhì)的工控主板，使用壽命要求甚至達(dá)到5年以上。

5、工控主板的穩(wěn)定性

工控主板被要求7*24小時(shí)無(wú)間斷工作，遇到宕機(jī)在所難免。因此工控主板需加強(qiáng)遇到死機(jī)等異常情況的考慮，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)電源保護(hù)、看門(mén)狗電路、防浪涌沖擊等功能，全力的保證系統(tǒng)在惡劣環(huán)境的高穩(wěn)定性的要求。

碎片化的工控機(jī)市場(chǎng)，也讓工控機(jī)芯片的毛利率比商業(yè)級(jí)高很多。除了英特爾、AMD、威盛、龍芯中科、飛騰、兆芯、蘇州國(guó)芯、申威、中科海光、合芯科技、華為鯤鵬等CPU廠商，恩智浦、亞德諾、英飛凌、瑞薩、意法半導(dǎo)體、微芯、瑞芯微、全志、極海、中穎、中控微、先楫半導(dǎo)體、晶華微、芯旺等MCU廠商，德州儀器、亞德諾、恩智浦、進(jìn)芯、宏云、創(chuàng)成微、昊芯等DSP廠商;英特爾/阿爾特拉、AMD/賽靈思、萊迪思、微芯/美高森美、ACHRONIX、易靈思、安路、京微齊力、復(fù)旦微、紫光國(guó)微、智多晶、高云、紫光同創(chuàng)、億海微、遨格芯微、成都華微等FPGA廠商，三星、SK海力士、鎧俠、西部數(shù)據(jù)、世邁科技、美光、ALLIANCE、睿達(dá)、科美存儲(chǔ)、宇瞻、勁永、創(chuàng)見(jiàn)、研華、宜鼎、建興儲(chǔ)存、威剛、佰維、金泰克、元存、至譽(yù)、FORESEE、嘉合勁威、深圳云存、大普微、十銓、玖合等工業(yè)級(jí)內(nèi)存或硬盤(pán)廠商。

至于被動(dòng)元件和外圍器件，還是記住第一要素也選工業(yè)級(jí)(-40℃-85℃)。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺(tái)，過(guò)去數(shù)年已積累了豐富的工業(yè)芯片的優(yōu)勢(shì)貨源。我們聚焦服務(wù)元器件長(zhǎng)尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷(xiāo)商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購(gòu)，為電子產(chǎn)業(yè)供需略盡綿薄之力。

審核編輯黃宇