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TECHNOLOGIE

Depuis leur introduction en 1991, les systèmes basés sur le standard PC/104 ontété largement adoptés pour maintes applica-tions dans les transports, le contrôle de process industriel, et les systèmes de défense. Le contrôle de drones, de systèmes de navigation embarqués, les com-municateurs personnels, les cartes addition-nelles pour les systèmes spécifiques clients,constituent de façon non exhaustive lesapplications PC/104 les plus populaires.Beaucoup d’architectes systèmes choisissentce format du fait de ses avantages en termesde légèreté, de compacité (les cartes mesu-rent 90 x 96 mm ), facilité de développementet d’évolution, et fiabilité mécanique à la fois des connecteurs et des systèmes complets.Ayant été une technologie d’avant-garde par lepassé, les standards PC/104 connaissent aujourd’-hui un regain d’intérêt dû aux cartes hautementintégrées proposées par les fabricants PC/104 et lesinitiatives qui apportent un nouveau niveau deperformance dans le monde du PC/104. Afin d’at-teindre la meilleure fiabilité, flexibilité et lesmeilleures performances d’un système, tout enassurant une disponibilité rapide sur le marché, lesdéveloppeurs peuvent utiliser un grand nombre decartes du commerce auprès de nombreux fabricantsdans le monde entier. Le consortium des fabricantsde cartes PC/104, établi depuis 14 ans, réunit plusde 50 sociétés actives, spécialisées dans le dévelop-pement de différents produits pour le standardPC/104.La demande des clients pour la fonctionnalité et lafiabilité des systèmes PC/104 requiert très souventdes efforts supplémentaires des développeurs decartes ainsi que des solutions d’ingénierie spéci-fiques pour leur réalisation. Dans cet article,l’auteur présente les principales solutions pourapporter plus de puissance de calcul, améliorer lafiabilité, étendre la gamme de température d’utili-sation et par conséquent la plage d’applications.

Températures extrêmes et performances de traitementBien des applications demandent une opérabilitédu système PC/104 dans une plage de températurequi dépasse souvent la plage de température defonctionnement préconisée par les fabricants descomposants. Afin d’augmenter la fiabilité et d’élar-gir la gamme de température, on peut choisir uneversion plus robuste de certains composants ; parexemple, utiliser des condensateurs au tantale plu-tôt que des électrolytiques. Cependant, lorsqu’ondéveloppe une carte pour des conditions sévères,les points critiques sont l’analyse des effets ther-miques, et la construction de la carte de façon àconserver sa fonctionnalité dans les pires condi-tions, et finalement, tester le produit de façonintensive et complète dans la plage de températurede fonctionnement au niveau de la phase d’inspec-tion en sortie de fabrication.

Du fait de la petite taille des cartes et loin desconditions de dissipation thermiques idéalesrégnant dans un boîtier fermé, une attention parti-culière doit être portée à la stabilité thermique et aufonctionnement non seulement aux températuresambiantes basses mais aussi aux températures éle-vées. Le refroidissement par flux d’air forcé n’estpas toujours acceptable dans ces systèmes car lacompacité atténue l’efficacité du refroidissementpar air, et la faible durée de vie des ventilateurs estinférieure à celle des composants qu’ils refroidis-sent. Par exemple le MTBF d’un ventilateurtypique ne dépasse pas 20 000 heures, bien qu’unecarte processeur PC/104 doive avoir un MTBFexcédant 100 000 heures.Dans leur effort pour s’accommoder d’une faiblecapacité de dissipation de chaleur, de nombreuxfabricants de cartes utilisent des microprocesseurs àfaible émission de chaleur tels que les Pentium IIIfonctionnant à 300 à 600 MHz avec une consomma-tion réduite. Cependant, ces processeurs se retro-uvent avec des performances modestes comparées enregard de ce qui est demandé pour les applicationsmodernes. De plus, Intel a annoncé récemment la finde vie des processeurs Pentium III ultra low voltage.Il devient donc risqué de compter sur les stocks desfournisseurs. Il est plus raisonnable d’utiliser des ver-sions basse tension de la famille de processeurs IntelPentium M. Ces CPU sont fabriquées en utilisant unetechnologie spéciale et en ayant un rapport fréquenced’horloge sur puissance à dissiper double de celle deleurs congénères. Même si les développeurs choisissent un proces-seur à faible dissipation pour leur application, ilsdoivent de toute façon résoudre l’aspect dissipationthermique du CPU et des circuits compagnons. Iln’y a que quelques marques au monde qui propo-sent des cartes processeur PC/104 Plus dotées deCPU à 1GHz et au delà. Ils emploient des solutionstelles que des caloducs, des ventilateurs plats etautres. Ainsi Fastwel propose une solution derefroidissement par conduction efficace pour sescartes processeurs (http://www.fastwel.com/pro-ducts/pc104/cpumodules/327125.html ). Selon unepratique courante employée par les fabricants deprocesseurs PC/104, le CPU est placé sur le mêmecôté que les connecteurs PCI et ISA. Cette solutionempêche une dissipation efficace du CPU. Fastwelprocède différemment pour ses cartes processeursPC/104 Plus. Ces dernières sont conçues pour êtretout en haut ou tout en bas de la pile de cartesPC/104 et le CPU lui-même est placé à l’opposé duconnecteur PC/104 Plus. De cette façon la tâche dedissipation thermique est grandement simplifiée,puisque on sera capable ensuite de communiquer lachaleur du CPU et du jeu de circuits vers uneplaque conductrice sur le boîtier de l’équipement.Dans un tel cas, la surface d’échange sera bien pIusgrande et la résistance thermique globale bien plusfaible que sur des cartes qui emploient des caloducsle long de la carte pour acheminer la chaleur versles côtés du boîtier PC/104. Le pont thermiqueentre le CPU et le châssis du système sera suffi-samment faible pour permettre au châssis PC/104entier d’agir comme un immense radiateur.(Figure 1).

Cette solution offre des avan-tages de taille, poids,

prix réduits et d’unemeilleure cohéren-ce système globa-le. Par ailleurs,

elle permet d’utili-ser des processeurs

Pentium M hautes per-formances (avec des vites-

ses d’horloge jusqu’à 2GHzet un bus FSB à 533MHz) pour les applications lesplus exigeantes en traitement. Pour des applicationsqui demandent des taux de transfert élevés entre leCPU, la mémoire et les entrées/sorties, la limitationdu bus système peut être cruciale. Dans certainscas, le passage d’un bus système de 400 à 533 MHzaméliore les performances générales de 30 %.

Selon les données d'Electronics TrendPublications, le marché mondial des cartesPC/104 s'élève à environ 170 millions de dollars par an. Les statistiques indiquent queles cartes PC/104 sont souvent utilisées dans les systèmes industriels (50 %) et militai-res (20 %). Sur un plan fonctionnel, on distin-gue deux segments de cartes PC/104 avec desvolumes de ventes égaux : les cartes CPU (ouprocesseurs) et les cartes d'entrées/sorties.

Chocs, vibrations et résistance aux environnements sévèresLes systèmes utilisés dans les environnementsindustriels ou les transports sont bien souvent sou-mis à des vibrations permanentes. Dans ces appli-cations, l’architecture PC/104 elle-même est untrès bon choix de par ses connectiques fiables, sonfaible encombrement et son poids réduit.Cependant, pour bien des applications, la fiabilitédevra être encore accrue. Le moyen le plus évidentd’y arriver sera de souder les composants normale-ment montés sur connecteurs. L’utilisation de CPUsoudées est chose banale, tandis que celle deDRAM impliquera un routage de câblage parallèle,et conduira à des couches de circuit imprimé sup-plémentaires. De plus pour 1 Go de capacité, l’uti-lisation de circuits de DRAM soudés représentera15 % de la surface utile de la carte PC/104 Plus.En résumé, la soudure des composants va rendreplus compliquée la conception et la fabrication, maisla résistance aux chocs et vibration en sera ample-ment améliorée. Par exemple, les CPC1600 deFastwel résistent à des niveaux de vibration jusqu’à5 g dans une gamme de 10 à 500 Hz, là où cartesdotées de mémoire SO-DIMM ne tiendront qu’à 2 g.Autre avantage des composants soudés : l’efficacitédu vernissage anti-humidité des cartes augmentelorsque les composants sont soudés, réduisant lerisque de court-circuit causé non seulement par lacondensation, mais aussi par les brumes salines etparticules métalliques ou la corrosion.

Interfaces d’expansion et entrées/sortiesde donnéesLes premières versions de cartes PC104 étaient n’é-taient équipées que de connecteurs ISA pour l’ex-pansion de modules de complément. A l’époque le

Cartes PC/104 : nouveaux défis,

Figure 1

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avril-mai 2008 Page 25

TECHNOLOGIE

nombre « 104 » correspondait aunombre de contacts entre les modulesconnectés.En 1997 le consortium PC/104 aapprouvé la nouvelle spécificationPC/104-Plus en introduisant unconnecteur additionnel de 120 brochespour des modules d’extension PCI.Contrairement au connecteur standardPCI à 124 broches, le bus PCI duPC/104-Plus, ne supporte pas lestransferts 64-bit. Les systèmes compa-tibles PC/104-Plus sont conçus pouraccueillir jusqu’à quatre modulesd’extension par le biais de ce bus. Labande passante maximale théoriquedu PCI dans une architecture PC/104-plus s’élève à 132 Mo/s, mais en réali-té elle ne dépassera pas 55Mo/S. Les ressources principales utilisant lePCI dans le segment PC/104 sont: lescartes d’extension avec contrôleursEthernet, modules de capture, cartesde traitement de signal, pour toutesapplications nécessitant un taux detransfert de données élevé avec laCPU. Cependant pour bien des appli-cations actuelles, la bande passante dubus PCI 32 bit n’est pas suffisante. Parexemple, certaines cartes graphiquesdemandent 500 Mo/S et parfois davan-tage. Le codage vidéo et l’enregistre-ment demandent plus de débit. Uncanal de compression MPEG-2 vidéoutilisant le composant PhilipsSemiconductors SAA6752 nécessiteenviron 8 Mo/s. De fait, 5 canauxvideo utiliseront toute la capacité dubus PCI. Autre exemple : le bus PCI32 bit ne fournit pas une bande passan-te suffisante pour implémenter à pleinecharge une interface Gigabit Ethernet.Les applications les plus gourman-des en bande passante peuvent êtreréalisées grâce au bus PCI Express.Etant un bus série, le PCI Expresstravaille à 2,5 GHz et peut apporterjusqu’à 2.5 Gbit/s en un canal x1

avec la possibilité de combiner lescanaux en configurations telles quex4, x8 et x16.Le bus PCI Express est maintenantpromu activement par de nombreu-ses marques sous l’égide d’Intel entant que bus universel interconnec-tant des composants sur une mêmecarte ou des modules au sein d’unsystème. Du fait de sa flexibilité etde sa géométrie variable, il cor-respond aux besoins des dévelop-peurs pour la prochaine décennie. Encomplément de son débit élevé, lePCI Express apporte d’autres avan-tages: temps de latence réduits,protocole de transfert de données enrafales amélioré, et option « qualitéde service » pour fixer différentespriorités de traitement pour lesensembles de données. Au niveau physique, un canal PCIExpress est basé sur deux paires designaux LVDS à 2,5 GHz. Ce choixapporte un avantage considérabledans le contexte de recherche en gainde place du format PC/104. Moins deroutage, signifie moins de couchesde circuit imprimé et plus de placepour d’autres composants ou interfa-ces sur la carte. C’est la raison pourlaquelle les fabricants de silicium etles développeurs de systèmes embar-qués vont migrer vers la technologiePCI Express, même pour des appli-cations qui ne nécessitent pas unetelle bande passante de bus. En résu-mé, le PCI Express simplifie lecâblage et fait gagner de la place surles cartes. En retour, cela permet soitde réduire les couts, soit d’ajouterdes fonctionnalités. C’est pourquoil’utilisation des canaux PCI-Expressdisponibles à partir du composantICH (South bridge) de la carteFastwel CPC1600 permettent de pro-poser deux ports Gigabit Ethernet àpleine vitesse. (figure 2)

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Figure 2 : Rapport de capacité de transport par contact pour différentesinterfaces.

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Le PCI Express peut apporter un gain non seule-ment pour les communications internes d’unemême carte, mais aussi pour les communications decarte à carte. Par exemple, la plupart des cartes deserveurs Intel modernes n’ont plus d’emplacementPCI. La plupart des cartes d’extension fonctionnenten interface PCI Express. D’un point de vue géné-ral, la migration du PCI vers le PCI Express ressem-ble à la suite logique du passage des interfacesparallèles aux interfaces série dans l’industrie tellesque l’USB remplaçant LPT, et le SATA prenant lepas sur l’EIDELe consortium PICMG développant des standardspour systèmes embarqués à bus passif a récemmentannoncé plusieurs spécifications dans lesquelles lebus PCI est remplacé par un bus série ou un autre,tel que le PCI Express, Infiniband, RapidIO, ouautre. Par conséquent, l’apparition d’une interfacesérie à haute vitesse comme media d’échange dedonnées au sein du monde du PC/104 semble natu-rel, et son arrivée n’est qu’une question de temps.Le plus proche « voisin » du standard PC/104 est lestandard EPIC (ces calculateurs mono-cartes fabri-qués selon le standard EPIC peuvent accueillir des

modules PC/104 grâce aux mêmes interfaces ISA etPCI), qui a récemment reçu sa première pré-spéci-fication EPIC-Express. (plus d’informations surEPIC-Express est disponible sur www.epic-express.org). Dans cette version de la spécificationEPIC-Express, le bus PCI est remplacé par un PCIExpress avec quatre (un rang de connecteursà 10 Gb/s) ou 12 (3 rangs de connecteurs) canauxPCI-Express (figure 3).

Cette évolution estlogique, car le busPCI utilisé pour leséchanges de donnéesest remplacé par unbus plus rapide (PCI-Express), alors que lebus basse vitesseISA, est traditionnel-lement utilisé pourles tâches simplesd’entrées/sorties oude signalisation. Cette idée a inspiré Fastwel pourdévelopper la CPC1700, la première carte PC/104 àbus PCI Express. En fait, il s’agit de la modificationde la carte processeur PC/104-Plus CPC1600 deFastwel, pour laquelle le connecteur PCI est rem-placé par un PCI-Express à quatre canaux qui peutêtre configuré en quatre fois x1 ou une fois x4 (figure 4).Les cartes EPIC-Express et PC/104 Express deFastwel sont à la fois compatibles avec la majori-té des cartes applicatives ISA développées par lessociétés membres du consortium PC/104 et parune myriade d’autres concepteurs qui réalisentleurs propres cartes spécifiques utilisant ce busISA. Ainsi les développeurs de systèmes embar-qués peuvent désormais utiliser de nouvelles car-tes compactes dotées de processeurs à hautes per-formances et des bus d’échange de données sérierapides. Traitement vidéo pour applications desécurité (flux descendant, codage, paquetage etstockage), capture et traitement d’images pourles systèmes de surveillance, acquisition decibles et poursuite en application de défense, fontpartie des applications ciblées par les cartesCPC1600/1700 et autres cartes fabriquées selonle standard EPIC Express.Tous ces produits ouv-rent de nouveaux horizons dans le développe-ment de solutions modernes hautes performancespour la robotique, la sécurité, les transports, l’a-vionique et les systèmes de défense.

Alexander Buravlev,Directeur des ventes Fastwel Ltd

Fastwel est distribué en France par Neomore

Tél 01 30 64 15 81

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Figure 3

Figure 4

Le montage d’amplificateurs de pression dans les installations hydrauliques : une solution souvent négligée !

Dans les systèmes hydrauliques, il est souventnécessaire de pouvoir utiliser des pressions de ser-vice plus importantes que la source dont on dispose.Par exemple la haute pression peut être nécessairepour assurer la qualité du serrage, notamment surles centres d’usinage mais aussi pour des fonctionsde puissance comme sur les presses d’emboutissa-ge, de plasturgie, de sertissage ou bien sur desmoyens de levage. Dans tous ces cas, le multiplica-teur de pression permet d’obtenir un système fonc-tionnant parfaitement avec un rendement élevé. Parailleurs, l’utilisation decette solution laisse auconcepteur davantage deliberté d’action poursélectionner la pression deservice. La charge hydrau-lique devient plus stablependant la totalité du cyclede la machine, et l’amplificateur se met uniquementen charge au moment précis où la haute pression estrequise. Le reste du temps, il est passif, sa consom-mation interne est nulle et il n’a donc aucune inci-dence sur le rendement du système. Représentéeen France par Römheld, la société MiniBoosters’est spécialisée sur ce type d’équipements et adéveloppé une gamme complète d’’amplificateursde pression hydraulique.

Un principe de fonctionnement brevetéBasés sur un système breveté, tous les amplificateursde pression MiniBooster sont du type oscillant. Dèsqu’ils sont alimentés en huile, ils amènent automati-quement le fluide à la pression finale. Lorsque celle-ci est atteinte, l’amplificateur de pression s’arrête etse remet en marche uniquement pour maintenir cettepression, par exemple pour compenser l’effet d’uneutilisation ou d’une fuite éventuelle.

Utilisation de l’amplificateur de pression Dans le principe, un amplificateur de pression peutêtre utilisé partout où il est nécessaire de disposerd’une pression supérieure à la pression habituelle àun moment donné. Un domaine qui convient particu-lièrement bien à l’utilisation de cet équipement estcelui des installations existantes, sur lesquelles onsouhaite obtenir une pression plus élevée que celleofferte par la conception d’origine. Les aménage-ments traditionnellement apportés à ce type d’instal-lation, qui visent à augmenter leur puissance pourobtenir une pression plus élevée, sont en général trèscoûteux et difficiles à réaliser. La solution proposéepar MiniBooster permet d’augmenter la pression deservice d’un système existant en y intégrant tout sim-plement l’amplificateur, à condition toutefois dedisposer du débit volumétrique nécessaire.Les MiniBooster sont disponibles avec 11 coeffi-cients d’amplification différents. Grâce à leurconception compacte, ils peuvent être installés àl’endroit précis où la haute pression est nécessaire.

Römheld FranceTél. 01 69 11 81 60 INFO Y4645

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