IoT时代的单板计算机的需求及应用

单板计算机 (SBC) 为构建智能设备提供了一种便利的方式，这些智能设备适用于涵盖如工业、媒体、医疗健康和通讯等领域的众多应用。

开发工作集中在各种标准化外形尺寸上，如 Mini-ITX、EBX 和 PC/104，且利用硬件和软件开发方面的既有标准，将规模经济从桌面 PC 市场带入嵌入式领域。

第一代 PC/104 标准基于 PC ISA 总线基础制定，纳入了单个 104 引脚扩展连接器，允许开发人员通过堆叠多个电路板，在 ISA 总线上引入更多的功能，以构建可纳入所有特性的计算子系统，从而满足其特定需求。 90 mm x 96 mm PC/104 外形尺寸已得到广泛认可，且这种解决方案以其紧凑的外形、高性能和可快速定制的特性，得到了嵌入式设计师的青睐。

图 1：单板计算机中与 PCI Express 总线连接的 PC 资源。

由于桌面 PC 已快速发展，受到诸如互联网和桌面多媒体等催化剂的推动，处理器性能和功能集成已呈现迅速上升的趋势。 针对 PCI 更高性能、LPC（低引脚计数）总线和 PCI-Express 更少引脚的市场需求，总线标准也已得到相应发展（图 1）。 由于 SBC 行业一直追求让嵌入式开发人员从这些性能改进中受益，于是出现了新的电路板样式，成为对后续总线标准的支持标准。 典型例子包括带 PCI 总线和 ISA 连接器的 PC/104-Plus™（图 2a），以及支持 PCI 和 PCI Express 的 PCI/104-Express（图 2b）。

图 2a：PC/104-Plus 为 PC/104 外形尺寸内的高性能 PCI 总线提供支持。

图 2b：对 PCI Express 的完全支持已替代了后续 PC/104 标准中的 ISA 连接器。

在 PCI/104-Express 电路板上，PCI Express 替代了 ISA 总线。 PCI-Express 1 型连接器位于之前 ISA 连接器所在的位置。 支持这些标准的 SBC 已逐渐采用速度更快、功能更丰富的 PC 处理器，如 Intel® Celeron® 和 Atom® 系列。 处理器和总线改进的结合推动了 SBC 功能迅速向前发展。

对 SBC 的新需求

最近，物联网 (IoT) 应用的不断高涨已开始改变功率平衡。 新的 SBC 版本和更小的外形，如基于 ARM® 处理器和开源 Linux 分布的 Raspberry Pi 和 BeagleBoard SBC，正在进入市场，以满足低成本、低功耗和多 I/O 的需求。 这些类型的电路板较少针对高处理速度和数据传输速度，更多的是提供大量信道、中低带宽以及对多种标准的支持。

PC/104 系列等标准继续发展，以满足要求中等处理性能和 I/O 的 IoT 应用，如联网的工业控制设备、智能自动售货机或者智能交通基础设施。 特别值得一提的是，对 PCI Express 提供完全支持的格式允许用户为一个信道配置高达 16 条通道。 尽管这可确保支持高性能图形或数据密集型传输，但开发人员通常会使用该处理器资源达到任何图形和大量数据的需求。 PC/104 联盟发现，对 PCI Express 的完全支持通常未被使用。

这类使用方式的改变已推动最新标准 PCIe/104 OneBank® 的出现。 OneBank 移除了三分之二的 PCI Express 库，从而让标准的 156 引脚 PCI Express 连接器被左下方的 52 引脚连接器替代（对应 Bank One 的标准 PCIe/104 连接器）。 这样可通过传统 PCI/104-Express 和 PCIe/104 模块实现向后兼容，并且也可节省约 0.5 in2 的电路板空间。 另一方面，尽管 PCI Express 支持已降至四个 x1 通道，更快的 Gen 3 速度可为许多工业监测和控制应用提供大量带宽。

支持最新 OneBank 标准的 SBC 包括 SBC 的 Versalogic Bengal 系列，如 VL-EPME-30EAP，它可在电路板上提供本地 USB3.0、USB2.0、SPI、SATA 和双以太网连接。 此外，还有 18 个 3.3 V 数字 I/O。 提供单核、双核或四核 Intel Atom 处理器选择。 通过使用 OneBank 连接器堆叠额外的 PCIe/104 模块，主要连接可以按需扩展。 这些可以是现成模块，或者是为满足单独 I/O 需求而设计的定制电路板。 OneBank 连接器为开发人员扩展计算系统提供了多种高性价比选择，以满足其应用需求。 在工业或环境监测应用中，项目可能需要大量模拟 I/O。 另一方面，可能需要无线连接，或者当远程 IoT 设备安装在没有其他基础设施可用的位置时，需要蜂窝连接。

PC/104 标准的可堆叠性质允许在必要时添加多个电路板，以提供全部所需的连接。 根据 PC/104 联盟的信息，大多数 PC/104 项目使用一个或两个堆叠的电路板。 Bengal VL-EPME-30EAP SBC 采用 5 V 电源，空闲功耗仅为 5.5 W，最大动态功率为 7.5 W。

定制 SBC I/O 的另一种方式

若项目需要添加更多 I/O，采用能处理 I/O 而不增加处理器负载的定制堆叠模块将面临复杂的设计挑战。通过在电路板上集成 Rabbit RIO 智能 I/O 处理器，Digi International 利用 SBC 提供了一种替代方法，如 Rabbit BL4S110。 RIO IC 拥有八个独立的功能块，带有能配置为双向 I/O 或外设功能的四个输出，如 PWM 生成、基于边缘或级别的中断、信号捕捉/计数或者正交解码。 作为智能 I/O 子系统，这种设备允许开发人员为控制任务、数据处理和通信使用 SBC 的 40 MHz Rabbit 4000 处理器。

除了 Rabbit RIO 提供的资源，BL4S110 已在电路板上集成 XBee® ZigBee® PRO RF 模块以及 10Base-T 以太网，从而实现了 ZigBee-to-Ethernet 网关功能。 还有内置的 web 服务器，它能让网页使用 ZigBee AT 和 API 命令库控制启用 ZigBee 的网络。 此外，BL4S110 可提供 2 个 RS-232 串行端口，8 个模拟输入和 20 条数字 I/O 线路。 这些 I/O 和控制功能可在不增加扩展卡的情况下实施。 电路板基底面介于 PC/104 和 EBX 基底面之间，尺寸为 96 mm x 146 mm。

结论

PC 处理器性能和集成程度的提高，加上资源和功率受限型 IoT 端点对分布式智能不断增长的需求，催生了新一代的单板计算机。 熟悉 PC/104 的开发人员可以抓住这样的机遇，利用诸如 VersaLogic 的 Bengal PCIe/104 OneBank 系列电路板，继续加强在外形尺寸方面的投入。 Rabbit RIO 可配置智能 IC 为满足多 I/O 连接的应用需求提供了不同的方法。