工控機芯片選型淺析

工控機即工業(yè)控制計算機，俗稱工業(yè)電腦，英文全稱Industrial Personal Computer，簡稱IPC。工控機顧名思義是專門為工業(yè)應用場景提供的計算機，本質(zhì)也是一臺電腦，只不過有著自有的設(shè)計技術(shù)與標準，IPC需要有較強的抗干擾能力，還能經(jīng)受得住振動、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(圖源：英康仕)

工控機按應用場景可分為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)場總線系統(tǒng))及CNC(數(shù)控系統(tǒng))五種。

工控機按機箱高度可分為1U，2U，3U，4U，5U，6U，7U，8U等類別，一個1U的高度是44.5mm，其他高度依次類推;上架式寬度也是有固定標準的，箱體統(tǒng)一寬度為430mm，帶把手寬度為482mm，稱之為上架式19英寸機箱。

工控機按安裝方式還可分為臥式、壁掛式和嵌入式工控機。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。

工控機硬件構(gòu)成與個人電腦區(qū)別不大，都是由主板、CPU、內(nèi)存、硬盤、顯卡、聲卡、電源、散熱風扇、接口和連接器、紐扣電池和阻容感組成。應用于不同場景的IPC接口類型也不同，常見的接口類型有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、工控機主板(圖源：固耐普)

研發(fā)和設(shè)計一款工控機，工控主板是核心，基于實際應用場景和客戶的碎片化需求，每個工控機制造商也都賣工控核心板，更方便客戶定制。工程師研發(fā)一款工控機，工控主板的設(shè)計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。簡單來講工控主板的元器件需要適應寬溫環(huán)境，就得選擇-40℃-85℃工業(yè)級物料，CPU原廠英特爾、AMD、威盛、龍芯中科、飛騰、兆芯等都有推出相應的工業(yè)級芯片，還有固態(tài)電容器、封閉電感和電阻等，均需選用工業(yè)級，耐高溫、抗潮濕等特殊應用場景元器件的濕敏等級需要注意，或者專門為防水設(shè)計，才能有效保證在惡劣環(huán)境下(壽命期內(nèi)永久開機、氣候惡劣、潮濕、振動、多塵、輻射、高溫等等)正常工作。工控主板針對的是工業(yè)市場，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做CE、EMC、FCC、QA realbility、CCC、震動、跌落、防水防潮、老化等工業(yè)級測試認證，這也會拉長了設(shè)計周期及拉高了研發(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，對其品質(zhì)、性能及壽命要求也遠高于消費類電子產(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，因為大電解電容成本低、容值大一個可以頂多個貼片或坦電容。從性質(zhì)來說，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，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，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，這也是導致工控主板比商用主板成本價格高的原因之一。隨著國產(chǎn)固態(tài)電容器廠家越來越多，固態(tài)電容器的價格的下降，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，一般的PCB線路板分有四層，最上和最下的兩層是信號層，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，其設(shè)計是為了加強主板的抗電磁干擾、電磁兼容能力，增強主板的穩(wěn)定性等等。工控主板由于其針對的是工業(yè)市場，對抗電磁波干擾能力要求較高，需要通過EMI、EMC等測試和認證。這需要從兩個方面考慮，一是從主板的線路布局設(shè)計上考慮，二是從機箱選料和結(jié)構(gòu)、電源、接地情況上進行考慮。

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小時無間斷工作，遇到宕機在所難免。因此工控主板需加強遇到死機等異常情況的考慮，專門設(shè)計電源保護、看門狗電路、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。

碎片化的工控機市場，也讓工控機芯片的毛利率比商業(yè)級高很多。除了英特爾、AMD、威盛、龍芯中科、飛騰、兆芯、蘇州國芯、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、意法半導體、微芯、瑞芯微、全志、極海、中穎、中控微、先楫半導體、晶華微、芯旺等MCU廠商，德州儀器、亞德諾、恩智浦、進芯、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、復旦微、紫光國微、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、科美存儲、宇瞻、勁永、創(chuàng)見、研華、宜鼎、建興儲存、威剛、佰維、金泰克、元存、至譽、FORESEE、嘉合勁威、深圳云存、大普微、十銓、玖合等工業(yè)級內(nèi)存或硬盤廠商。

至于被動元件和外圍器件，還是記住第一要素也選工業(yè)級(-40℃-85℃)。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數(shù)年已積累了豐富的工業(yè)芯片的優(yōu)勢貨源。我們聚焦服務元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，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，為電子產(chǎn)業(yè)供需略盡綿薄之力。

審核編輯黃宇