IoT時代的單板計算機的需求及應用

單板計算機 (SBC) 為構建智能設備提供了一種便利的方式，這些智能設備適用于涵蓋如工業(yè)、媒體、醫(yī)療健康和通訊等領域的眾多應用。

開發(fā)工作集中在各種標準化外形尺寸上，如 Mini-ITX、EBX 和 PC/104，且利用硬件和軟件開發(fā)方面的既有標準，將規(guī)模經(jīng)濟從桌面 PC 市場帶入嵌入式領域。

第一代 PC/104 標準基于 PC ISA 總線基礎制定，納入了單個 104 引腳擴展連接器，允許開發(fā)人員通過堆疊多個電路板，在 ISA 總線上引入更多的功能，以構建可納入所有特性的計算子系統(tǒng)，從而滿足其特定需求。 90 mm x 96 mm PC/104 外形尺寸已得到廣泛認可，且這種解決方案以其緊湊的外形、高性能和可快速定制的特性，得到了嵌入式設計師的青睞。

圖 1：單板計算機中與 PCI Express 總線連接的 PC 資源。

由于桌面 PC 已快速發(fā)展，受到諸如互聯(lián)網(wǎng)和桌面多媒體等催化劑的推動，處理器性能和功能集成已呈現(xiàn)迅速上升的趨勢。 針對 PCI 更高性能、LPC（低引腳計數(shù)）總線和 PCI-Express 更少引腳的市場需求，總線標準也已得到相應發(fā)展（圖 1）。 由于 SBC 行業(yè)一直追求讓嵌入式開發(fā)人員從這些性能改進中受益，于是出現(xiàn)了新的電路板樣式，成為對后續(xù)總線標準的支持標準。 典型例子包括帶 PCI 總線和 ISA 連接器的 PC/104-Plus?（圖 2a），以及支持 PCI 和 PCI Express 的 PCI/104-Express（圖 2b）。

圖 2a：PC/104-Plus 為 PC/104 外形尺寸內(nèi)的高性能 PCI 總線提供支持。

圖 2b：對 PCI Express 的完全支持已替代了后續(xù) PC/104 標準中的 ISA 連接器。

在 PCI/104-Express 電路板上，PCI Express 替代了 ISA 總線。 PCI-Express 1 型連接器位于之前 ISA 連接器所在的位置。 支持這些標準的 SBC 已逐漸采用速度更快、功能更豐富的 PC 處理器，如 Intel? Celeron? 和 Atom? 系列。 處理器和總線改進的結合推動了 SBC 功能迅速向前發(fā)展。

對 SBC 的新需求

最近，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應用的不斷高漲已開始改變功率平衡。 新的 SBC 版本和更小的外形，如基于 ARM? 處理器和開源 Linux 分布的 Raspberry Pi 和 BeagleBoard SBC，正在進入市場，以滿足低成本、低功耗和多 I/O 的需求。 這些類型的電路板較少針對高處理速度和數(shù)據(jù)傳輸速度，更多的是提供大量信道、中低帶寬以及對多種標準的支持。

PC/104 系列等標準繼續(xù)發(fā)展，以滿足要求中等處理性能和 I/O 的 IoT 應用，如聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)控制設備、智能自動售貨機或者智能交通基礎設施。 特別值得一提的是，對 PCI Express 提供完全支持的格式允許用戶為一個信道配置高達 16 條通道。 盡管這可確保支持高性能圖形或數(shù)據(jù)密集型傳輸，但開發(fā)人員通常會使用該處理器資源達到任何圖形和大量數(shù)據(jù)的需求。 PC/104 聯(lián)盟發(fā)現(xiàn)，對 PCI Express 的完全支持通常未被使用。

這類使用方式的改變已推動最新標準 PCIe/104 OneBank? 的出現(xiàn)。 OneBank 移除了三分之二的 PCI Express 庫，從而讓標準的 156 引腳 PCI Express 連接器被左下方的 52 引腳連接器替代（對應 Bank One 的標準 PCIe/104 連接器）。 這樣可通過傳統(tǒng) PCI/104-Express 和 PCIe/104 模塊實現(xiàn)向后兼容，并且也可節(jié)省約 0.5 in2 的電路板空間。 另一方面，盡管 PCI Express 支持已降至四個 x1 通道，更快的 Gen 3 速度可為許多工業(yè)監(jiān)測和控制應用提供大量帶寬。

支持最新 OneBank 標準的 SBC 包括 SBC 的 Versalogic Bengal 系列，如 VL-EPME-30EAP，它可在電路板上提供本地 USB3.0、USB2.0、SPI、SATA 和雙以太網(wǎng)連接。 此外，還有 18 個 3.3 V 數(shù)字 I/O。 提供單核、雙核或四核 Intel Atom 處理器選擇。 通過使用 OneBank 連接器堆疊額外的 PCIe/104 模塊，主要連接可以按需擴展。 這些可以是現(xiàn)成模塊，或者是為滿足單獨 I/O 需求而設計的定制電路板。 OneBank 連接器為開發(fā)人員擴展計算系統(tǒng)提供了多種高性價比選擇，以滿足其應用需求。 在工業(yè)或環(huán)境監(jiān)測應用中，項目可能需要大量模擬 I/O。 另一方面，可能需要無線連接，或者當遠程 IoT 設備安裝在沒有其他基礎設施可用的位置時，需要蜂窩連接。

PC/104 標準的可堆疊性質(zhì)允許在必要時添加多個電路板，以提供全部所需的連接。 根據(jù) PC/104 聯(lián)盟的信息，大多數(shù) PC/104 項目使用一個或兩個堆疊的電路板。 Bengal VL-EPME-30EAP SBC 采用 5 V 電源，空閑功耗僅為 5.5 W，最大動態(tài)功率為 7.5 W。

定制 SBC I/O 的另一種方式

若項目需要添加更多 I/O，采用能處理 I/O 而不增加處理器負載的定制堆疊模塊將面臨復雜的設計挑戰(zhàn)。通過在電路板上集成 Rabbit RIO 智能 I/O 處理器，Digi International 利用 SBC 提供了一種替代方法，如 Rabbit BL4S110。 RIO IC 擁有八個獨立的功能塊，帶有能配置為雙向 I/O 或外設功能的四個輸出，如 PWM 生成、基于邊緣或級別的中斷、信號捕捉/計數(shù)或者正交解碼。 作為智能 I/O 子系統(tǒng)，這種設備允許開發(fā)人員為控制任務、數(shù)據(jù)處理和通信使用 SBC 的 40 MHz Rabbit 4000 處理器。

除了 Rabbit RIO 提供的資源，BL4S110 已在電路板上集成 XBee? ZigBee? PRO RF 模塊以及 10Base-T 以太網(wǎng)，從而實現(xiàn)了 ZigBee-to-Ethernet 網(wǎng)關功能。 還有內(nèi)置的 web 服務器，它能讓網(wǎng)頁使用 ZigBee AT 和 API 命令庫控制啟用 ZigBee 的網(wǎng)絡。 此外，BL4S110 可提供 2 個 RS-232 串行端口，8 個模擬輸入和 20 條數(shù)字 I/O 線路。 這些 I/O 和控制功能可在不增加擴展卡的情況下實施。 電路板基底面介于 PC/104 和 EBX 基底面之間，尺寸為 96 mm x 146 mm。

結論

PC 處理器性能和集成程度的提高，加上資源和功率受限型 IoT 端點對分布式智能不斷增長的需求，催生了新一代的單板計算機。 熟悉 PC/104 的開發(fā)人員可以抓住這樣的機遇，利用諸如 VersaLogic 的 Bengal PCIe/104 OneBank 系列電路板，繼續(xù)加強在外形尺寸方面的投入。 Rabbit RIO 可配置智能 IC 為滿足多 I/O 連接的應用需求提供了不同的方法。