主题：【原创】话说军规 / 工规与商规电脑的差异 -- 四月一日

【原创】话说军规 / 工规与商规电脑的差异

军规与工规电脑使用的料件与商用不同, 基本的差别在于对抗恶劣环境的部份, 主要的为宽温湿度, 防尘, 防水, 防盐雾, 防撞击与震动, 以及特殊需求的如重工规格的防高突波脉冲, 防雷击, 防 EMI 干扰, 防火等等, 还有就是高标准的 reliability / redundancy 要求. 这里先谈谈环境规格.

工作环境温度 (Operating Temperature)

一般商用机元件的工作温度为 0 ~ 70 度 C, 工规宽温为 -20 ~ 85 度 C, 军规依情况等于或高于工规. 由于 IC 本身的限制, 若要求系统能在更严苛的环境温度下工作, 一般是采取系统调适的解决方法, 比如说环境过冷时, 系统启动后先运行增温线圈, 再经过导热板或系统内空气传送到需要较高温度才能启动的组件, 待系统内部增温到零度以上再行触发主板启动.

防尘 (dirt / dust proof / resistant)

防尘处理用于工规是指用于工厂环境或户外应用, 也就是非 PC 指定的室内 (home and office / with air condition) 的 "舒适环境". 这个部份广的来说是在进风孔添加 air filter, 细的来说就要看所处环境的粉尘颗粒与系统内部的粉尘容许度 (dust tolerance) 和系统所需要的进风量 (一般与散热有关) 来设计. Air filter 可用如冷气机滤网, 泡棉, 不织布等材料, 若合并考虑抗盐雾或特殊环境 (如矿坑或火山口内的腐蚀性或易爆性气体) 会有所不同.

防水 (water proof / resistant)

一般常见的防水规范是 IP54 / IP65 / IP67 等, 细的还很多. 较简易的防水规范是防泼水 (splash), 也就是可以防止系统局部的泼水或溅水, 如下雨或打翻果汁等, 这个规格在较高档的商用笔记本即可达到要求. 简易的处理方法是在系统曝露在外的 device 进行设计, 如 NB 的 Keyboard, LCD 接缝与 button 做处理. 工厂或户外环境使用的 Workstation / Panel PC 一般是以 Touch Panel 或 全防护型的 Matrix Keyboard 来达成. 较为严苛的防水设计要计入耐水压值, 这个就不能以简单的方法达成 (用硅胶或橡胶垫圈抗不住 200M 的水压). 高耐压值的防水系统使用的机壳无法以拼装的方式达成, 必须使用如铝铸模一体成型的方式. 另外全防水设计要求机器能直接浸在水中运行, 这和半防水或局部防水又有不同. 由于 IC 的限制, 较高效能的 CPU 几乎不可能在没有透过空气散热的环境下工作, 所以一般使用 486 以下或是 PowerPC 等 RISC 做为运算核心. 防水的另一样特殊的部份在于 external connector 和 cable linkage. 一般使用圆形旋入式接头, 如附图.

防盐雾 / 腐蚀性化合物

用于船舶, 海岸, 海上钻油平台或观测站等的设备需要具备防盐雾的功能. 如果运算要求不高, 处理方式与防水类似. 若是系统需求较高, 如 586 以上必须开孔散热的就很麻烦, 要使用风扇的更是麻烦. 一般的克服方法是进风口加上过滤器以排除对系统有害的物质. 也有在主机外再包覆一台具备隔离效果甚至内部衡温的机箱 (车载式) 或护套 (便携式), 以达到所需要的要求. 军规的由于士兵的体能较佳, 也有放在如拉杆箱的防护内的. (士兵搬台三十公斤的机箱应该不成问题, 但让行业应用的工程师这么干就很难了.)

防震动 / 冲击 (Vibration / Shock Proof)

这个在 system configuration 必须考虑的. 由于工规或军用的应用方式较为特殊, 比如单兵背了台电脑在肩上做卧倒的冲击 (1.5 M / 1 ~ 1.5G / Operating), 或是装在军车上的电脑必须能在石子路上以高速跑, 若是一般的家用 PC 一定会给震散了, 更别说要保持工作状态, 特别是脆弱的组件如 HDD 之类的. 避震的方式很多, 依系统需求也有许多不同的解决方式. 如 HDD 避震架, Add-in Cards 压条, 基板悬吊式结构等等. 主板必须避免使用大颗的电解电容, 小型系统或 device 甚至有完成组装后打入硅胶固定的方式. (这个方法几乎可以达到完全避震, 缺点是无法维修.)

防雷击, 防高 EMI 与防火

特殊应用的电脑必须符合特殊规格, 如不受雷击干扰而能正常工作. 简单的系统设计是在透过 RS422/485 连结的 port 端加防护. 工规 / 军规的 EMI 环境要求与商用 / 家用的也不相同, 如进入高 EMI 环境工作的便携式笔记本或工作站不能一进去就不能开机. 防火应用亦同. 如果是属于简单数据的, 使用 programmable 单片机即可, 且单片机的抗环境能力高于 PC 组件甚多.

关于前面帖子谈到的产品涉及国内某公司的不便多说, 呵呵, 拿工规 / 军规的项目经费去开发出个不军不商的产品的例子多了去了. 基本上以 PC-based 的组件可以达到的严格军规的系统规格上限在 Intel Pentium 166 / 430TX / PIIX4E 的组合以内, 再往上因为 IC 本身达不到要求, 必须以系统设计来克服商用组件的不足之处, 或是只能适应部份工规 / 军规要求. 即便是工规也有许多不同应用与级别的规范, 如简单的 EIA RS310C 或是更高的规格. OS 一般不会使用 "开机就要等半天 + 非法关机就会挂" 的 M$ Windows.

附图: 防水 external connector / cable linkage

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【补充】关于工商混用的电脑系统设计, 兼回晨枫兄与林小筑兄

上次记得晨枫兄提了一段, 到现在才补上包子, 甚歉.

关于林小筑兄所说的火星用电脑的问题, 基本上属于巨系统, 系统与次系统间环环相扣的设计问题. 记得哈伯天文望远镜用的是 Intel 80286, 不是什么超高档货, 但一样可以用到哈伯除役. 关键在于如果电脑系统外部的巨系统拥有可循环或长效型能源产生机, 能够长期保持电脑所在的环境类似室内环境 (一般标准是 25 度 C), 那么设计关键就不在电脑系统本身, 而是巨系统的内部环境上. 也就是说, 把次系统不易克服的问题, 丢给巨系统去做克服, 这个 solution 可能比专注于开发一个难得一踏胡涂的子系统还来得经济实惠. 不过次系统本身还是有它该注意的地方, 如飞机或潜舰由于是电脑与人员共存, 能让人生存的环境温湿度对电脑来说没什么大问题, 关键不在宽温工作, 要注意的是其它方面, 如潜舰用电脑不能因为挨上一颗鱼雷的震动就挂了, 空中预警机用电脑也不能因为气流巅一下或是旁边落下一道雷就不工作. 推而广之, 就涉于晨枫兄提到的工商混用的问题了. (你们两个是约好的吗? 呵呵.)

工商混用是个现实问题, 因为纯工规组件实在很难取得, 而且在巨系统 / 系统 / 子系统一环扣一环的情况下也非必要, 比如说在宽温工作上, 即便使用商用机芯片, 如果系统本身能够恒温或调适温度, 如前面说的环境过冷时的增温, 或环境过热时先行制冷再开机, 那么也不一定有必要要求所有的组件都使用工规的. 以实例来说, CPU, 主芯片等的在 Intel Pentium 133 还有工规的, 以后就没有了. Flash 有工规的, 但 EDO 以后的 SDRAM 就只有商规. HDD 根本就没有工规, 代用品 Flash Disk 高容量的十分昂贵 (不过也有人用), 也有效能限制 (以前最高是 PIO Mode 4, 后来有模拟 UltraDMA 或 SCSI 的.) 其它零件 R, C, L 等的工规不难做到, 主要限制还是在 IC, 特别是一些 I/F 的如 SIO, Ethernet, Audio 这些, 市面上只找得到商规的. 对于 IC 的限制一般还是追随现有的为主, 要重新开发相同功能的 IC, 即使是给了大笔的 NRE, 一般厂商还是不肯干. (有实例是给了 NRE, 开了 Mask, 投一次 wafer 后封装完就结案, 再也没单了.) 对于整系统方案的选择来说, 针对所使用的 IC 都来搞这么一趟所需要的投资金额, 还不如好好花精神研究系统克服方案来得好, 适用到其它应用的泛用性也高.

工业环境或户外用电脑与用于室内用好好的摆在桌上的商用电脑相比, 即使温度是可控的, 避震性还是一个关键. 如对于车载式系统来说, 最好 CPU, DRAM 等的都应该是贴片处理, 用插槽扣住多少会有震脱的风险, 特别是车载系统必需面对路面颠簸所产生的高频震动. 另外车体曝晒在太阳下的车内温度相当高, 停在雪地的温度又相当低, 即使 Operating Temperature 可以比照商规的 0 ~ 70 度 C, 可 Storage Temperature 必须是高于商规的 -20 ~ 85 度 C 而达工规的 -45 ~ 100 度 C.

至于 OS 就有趣了. 仪器设备类泛用的 OS 是如 VxWorks, QNX 之类的 OS, DOS 也很常用, 但 Windows 就不怎么理想了, Embedded NT 有人用, 但 M$ 停产了. 现在的 XP Embedded 容量太大, 这对于使用 flash 为存放 OS / Drive / AP 做为稳定考虑的工业电脑来说是个负担.

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