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低功耗与无风扇电脑是嵌入式系统的最佳应用
日期:2010-8-10  编辑:hotou

                                         低功耗与无风扇电脑是嵌入式系统的最佳应用
 
关键字:嵌入式系统 低功耗 无风扇 全密封 工控机 工控电脑 INTEL ATOM 户外多尘 潮湿 高温 恶劣环境 特种环境
 
一.INTEL年度IDF会议的影响
INTEL一年一度的IDF会议已经于4月结束。今年INTEL的年度IDF会议是围绕嵌入式系统技术的会议。嵌入式系统技术是现今IT行业中发展最快、应用最广的技术之一,特别是在中国,嵌入式系统技术的推广应用对传统产业改造,产品的更新换代和附加值的提升具有更加重要的意义。嵌入式系统技术的发展,将有助于加速中国自主知识产权产品的创新和研制工作,是实现从"中国制造"向"中国创造"转变的有力途径之一。有研究显示,2007年中国嵌入式系统产业已经呈现快速增长态势,规模达到2250.8亿元,同比增长32.3%。我国嵌入式系统的应用也日益增长,在汽车、通信、网络、安防、工控、自动化、交通、航空航天、移动医疗和消费电子等领域尤其突显。
 
二.嵌入式系统的特殊应用环境与ATOM产品的面世
2.1.嵌入式系统特殊的应用环境
嵌入式系统技术是将先进的电脑技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物,是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统往往是在特种的、恶劣的环境下应用,如上述的多个应用领域。这种环境不要求电脑有强大的运算能力,却对电脑系统的运行稳定性有较高的要求。
例如户外POS机、车载、数字标牌等应用,都处于特殊的应用环境,这些应用对电脑的运算能力要求不高,但有较高的稳定性要求。如户外POS机应用,一般情况下没有客户反映终端问题,专业人员不可能每天频繁对机器做检测(这涉及到维护成本的问题,这里不详细讨论),户外POS机对稳定性的要求显而易见。而且涉及到另一个问题,是否使用带风扇的电脑。户外多尘潮湿的使用环境,无可避免风扇带来的积尘问题,需要派专业人员定时进行维护,这同样涉及到维护成本的问题。在嵌入式系统的特种环境应用中,利用被动散热的方式,实现无风扇电脑应用是现时最合理使用方式。

            
2.2.Intel推出ATOM系列,满足嵌入式系统的特殊环境应用
基于嵌入式系统对功能、性能、稳定性、功耗、应用环境、成本、形态等方面不断提出更高的发展需求,促使各种新的嵌入式产品、技术、设计思路等不断涌现。其中,利用嵌入式系统技术,形成无风扇、低功耗、全密封的电脑系列产品,成为嵌入式系统技术的一个非常重要的发展分支。
同时,由于嵌入式系统对功能、性能、稳定性、功耗、应用环境、成本、形态等方面的严酷要求,嵌入式系统在应用上,需要做到无风扇、低功耗、全密封,这样嵌入式系统的使用才有真正的意义。
Intel针对嵌入式系统特殊的环境应用,推出嵌入式ATOM系列产品,以满足嵌入式系统特殊的环境应用的要求,同时实现无风扇低功耗电脑的应用。
 
三.低功耗与无风扇电脑是嵌入式系统的最佳应用
3.1.如何把ATOM系列产品低功耗的特性运用于嵌入式系统
    很多朋友认为,嵌入式系统的意义,仅在于其体积小,而往往忽略电脑产品的功耗和发热量,试问一台需要在全密封外壳内运行的电脑(例如数字标牌、户外POS机),功耗过高,发热量必然增加,是否能保证长时间正常稳定运行,甚至是不间断运行,相信没人能保证。我们也不可能为了保证这些高功耗电脑的应用,而为其创造良好的使用环境(例如加装空调),但恰恰这些嵌入式的应用,功耗成为实际应用上的其中一大难题。为此,嵌入式系统就是要做到低功耗,才有意义。
自从ATOM面世以来,由于商用市场用户对功耗几乎没有要求,着重关心的是高性能的电脑产品,致使ATOM在商用市场上屡屡遭到打击。而在嵌入式领域的应用上,ATOM的面世却成为这一领域的新一代领航者。尤其是ATOM N270配搭945GSE+ICH7 的组合,更是将嵌入式的低功耗特性,发挥到极致。
很多朋友对ATOM N270的性能不感冒(N270是单核双线程的CPU),单单比较CPU,N270的功耗优势也只有几瓦。但是,当ATOM N270配搭945GSE+ICH7 芯片组时(总功耗仅10.5W),优势较之ATOM家族里,可称得上是数一数二。从嵌入式系统的应用来看,要实现嵌入式系统的应用,需要采用低功耗的CPU和芯片组的配搭,使用ATOM N270配搭945GSE+ICH7 芯片组的组合,是实现嵌入式低功耗的理想选择之一。
3.2.结合低功耗特性,实现无风扇电脑
既然嵌入式系统可以通过ATOM N270配搭945GSE+ICH7 芯片组,把功耗控制在11W附近,实现无风扇的应用成为可能。何谓无风扇的应用?无风扇的应用就是整台电脑不带任何风扇,以被动散热的方式实现散热。无风扇电脑的使用,可实现高级别的防尘应用和尽可能降低除尘维护成本。无风扇的应用在工控领域已经被使用多年,而且得到广泛的认可,现时随着嵌入式系统被更广泛认识和认同,无风扇的应用也将逐步被更多人认识。
3.3.电脑要做到无风扇,必须是低功耗,才能符合嵌入式系统的应用要求。
可以带风扇的电脑产品,对功耗高低是没有要求的,这是由于带风扇的电脑产品使用主动散热的方式,把电脑内CPU、北桥、硬盘等等的热量强行抽出机箱之外。但是电脑要做到无风扇,对功耗的要求则非常严格。功耗过高,电脑产品的热量无法排出机箱之外,热量在机箱内形成积热现象,严重影响电脑产品的运行,死机、宕机等情况时常出现。电脑要做到无风扇,最恰当是选用低功耗的CPU和芯片组,而且性能不能过低,才能符合嵌入式系统的应用要求。
3.4.无风扇电脑在嵌入式系统应用上的好处
由于嵌入式系统的应用环境比商用市场要严酷得多,商用市场带风扇的电脑产品,在嵌入式系统的使用上,往往遇到很多问题。例如在恶劣的多尘环境下应用,带风扇的电脑产品由于风扇的作用,将更多的灰尘带到机箱内,每隔三个月,需要派专业人员对电脑进行清尘处理。无风扇的电脑从根本上解决风扇卷入灰尘的问题,也无需进行清尘处理,节省人工成本。
无风扇电脑产品优势在嵌入式系统的应用上尤为突出。经过测试,无风扇电脑产品在恶劣的高温环境、全密封环境、多尘潮湿环境下,都可以保证长时间不间断运行。
 
四.电脑要发挥无风扇特性,还需要做到全密封结构
    既然电脑能做到无风扇,那全密封也成为可能,正正是无风扇全密封的设计,电脑的防尘等级也能达到较高水平。
4.1.如何发挥无风扇特性
上面我们说过,选择低功耗的CPU和芯片组,可以做到无风扇的电脑。既然免去风扇,实现全密封的电脑则成为可能。电脑做到全密封的结构,必须满足2个条件:一是无风扇设计,二是低功耗的主板。由于风扇转动会卷入灰尘和沙粒,因此电脑要做到全密封,必须是无风扇的。正是由于电脑要做到全密封结构,需要使用无风扇的电脑,而正如上述所言,要实现无风扇的电脑,必须选用低功耗的CPU和芯片组的主板,才能实现真正的无风扇电脑。
现时市面上的无风扇电脑,主要有2种。一种是主板无风扇,机箱外壳多孔的,一种是主板无风扇,整机全密封无风扇的。
1.主板无风扇,机箱外壳多孔型
该种电脑把散热片装在CPU、北桥上进行散热。此散热方式是先把CPU、北桥热量积聚在机箱内部,透过机箱通风孔排出热量,为加快散热,利用电源风扇帮助气流流动,这种所谓的无风扇做法,机箱内部会产生积热,降低散热效能。在温度高的环境下,机箱的通风孔较难实现通风,只能依靠风扇进行抽风散热。由于电源风扇的效能有限,该种电脑容易由于工作温度过高而死机;在多尘潮湿恶劣环境下,由于风扇不停的转动,卷入更多的灰尘、水分,灰尘、水分容易附在主板上,逐渐腐蚀主板上的元器件。一段时间后,导致主板出现莫名其妙的故障,影响电脑的正常使用。

主板无风扇,机箱外壳多孔型电脑
 
2. 主板无风扇,机箱全密封型
这类无风扇电脑使用低功耗主板,例如ATOM系列主板,整机(包括内存和硬盘等)功耗20W附近,名副其实的超低功耗整机。机箱使用全铝制结构,机箱内部采用特殊设计处理,把CPU、北桥等散热大户的热量迅速有效的传导到机箱表面,热量不在机箱内过多积聚,利用机箱外空气的对流作用,把机箱表面的热量带走。这类做法很多人认为散热设计不及使用风扇的设计有效,但是已有的很多测试证明,这类的无风扇设计,较之带风扇的产品,无论是散热效果还是导热效果,都要优胜。
由于这类低功耗主板本身的功耗低,而且采用特殊的结构设计,把主板的热量很好的传导到铝制机箱外壳上,这为实现机箱的全密封设计提供了条件。经过测试、实验和市场的检验,功耗在20W附件的ATOM系列整机,已经实现了机箱全密封的设计。经过多次不同环境的测试,这样的机构可以在-20℃ 60℃全密封宽温环境下,长时间不间断正常稳定运行。

主板无风扇,机箱全密封型
 
4.2.全密封的好处
嵌入式系统的应用领域多种多样,特别是在户外多尘、潮湿、高温等恶劣环境下应用,受到灰尘的影响是比较严重的。电脑吸入的灰尘附在电脑内部配件的元器件上,一段时间后,腐蚀元器件,造成电脑寿命的缩短,死机、宕机的情况时常发生。
在嵌入式系统的使用上,较理想的选择是选用全密封的工控机,这是由嵌入式系统的使用环境决定的。嵌入式系统的使用,无可避免会遇到多尘、高温、潮湿的恶劣环境,全密封结构的工控电脑,可以有效的防尘防水,而且很多都能达到IP40的级别。
 
五.嵌入式系统的临界值
每款电子产品都有其自身的性能临界值,即使是现时最高速的CPU,也有其性能的临界值。对于嵌入式系统来说更是如此。嵌入式系统是功能和性能的最佳平衡点,性能可以满足功能的应用,已经符合嵌入式系统的应用,过高性能的电子产品,只会造成功能应用的浪费,同时也增加电子产品的成本。
我们建议,嵌入式系统的用户在选择电子产品时,对自身的应用做好压力测试,对应用的电子产品做好临界值的预估,才能达到嵌入式系统应用的最大化,成本的最优化,达到嵌入式系统功能和性能的最佳平衡点。

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