CN211656673U - 一种工控机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种工控机，包括主控模块、电源模块、通信模块，所述主控模块通过通信模块连接至少一个外围设备接口，外围设备接口连接外围设备，多个外围设备之间通过通信模块通信，主控模块、通信模块和外围设备通过电源模块供电。本实用新型的工控机主控模块的插件能够根据应用需求进行自行设计，不用受制于选择功能、接口固定，且种类有限的成品工控机主板，使设计方案更加合理、优化。本实用新型采用CPCI标准电源插件，体积较小，能够大大节约了设备空间。

Description

一种工控机

技术领域

本实用新型属于工业控制领域，具体涉及一种工控机和工控机通信防护方法。

背景技术

工控机是一种采用计算机总线，实现资源扩展及控制的工业设备，主要应用于工业自动化控制系统。工控机平台一般采用高速总线连接不同的功能模块，实现外围资源扩展，不同的工控机内部总线架构也不相同，如支持PCI总线的CPCI工控机，支持PCI/PCIe混合总线的PXIe/CPCIe工控机等，不同的规范对板卡/模块间的通信接口定义、控制信号要求也不相同。

目前市面上的工控机产品大多存在一定的缺点，具体如下：

1）现有工控机一般都严格遵循各自的标准规范，以此来满足各插槽的通用性、兼容性，但也造成内部总线单一、接口扩展性差的局限性。

2）现有工控机均为系统主板/模块通过高速总线与各外设之间进行通信，而不能实现各外设之间直接互相通信。

3）现有工控机内部通过电缆将输入电源连接到电源插件，以及通过电缆将散热风扇连接到母板控制接口等，线缆连接不仅造成生产效率低，而且后期现场维护很不方便。

4）现有工控机散热风道设计不合理，有些风道入风口仅设计在机箱底部，当设备在机柜内上架安装时，入风口很容易受其他设备遮挡；有些风道入风口仅设计在机箱前端，风扇抽风量较小，造成内部散热无法满足。

5）现有工控机一般采用ATX电源供电，但ATX电源不仅体积大，占用空间，而且ATX电源输出电源需通过线缆连接到对应的连接器，安装、维护不便。

6）现有工控机采用ATX电源，为降低电源工作温度，电源自带散热风扇，风扇噪音较大，会造成系统整体噪音增大。

7）现有工控机主板性能配置一般为固定配置，当需求变化要求性能较高时，需要重新进行选型，当需求变化要求性能较低时，又会造成资源浪费。

8）现有工控机内部模块化设计率较低，大多关键芯片直接表贴在各自载板上，一旦发生故障芯片损坏时，维修不便，而且很可能造成整块板子报废。

实用新型内容

本实用新型提供一种工控机，以解决现有技术存在的问题。

本实用新型采用以下技术方案：

一种工控机，包括主控模块、电源模块、通信模块，所述主控模块通过通信模块连接至少一个外围设备接口，外围设备接口连接外围设备，多个外围设备之间通过通信模块通信，主控模块、通信模块和外围设备通过电源模块供电。

还包括箱体，箱体包括底板1和盖板3，底板1和盖板3的两侧设置侧板2，箱体的后部设置后板9，箱体内部具有母板7，母板7的一侧设置多个插槽，所述主控模块、电源模块、通信模块和外部设备均为插件形式且插接在母板的插槽中，插槽一侧的箱体下部设置风扇单元6，母板7另一侧还连接电源后插件10，所述母板7垂直安装在箱体内，将箱体分割为前后两个空间，母板7底部与底板1完全接触，母板7顶部与盖板3之间具有能够形成前后通风通道的间隙，形成前后通风通道。

所述通信模块包括以太网总线通信模块和PCI/PCIe总线通信模块，主控插件与外围设备之间通过以太网总线通信模块和PCI/PCIe总线通信模块进行通信，外围设备之间通过PCI/PCIe总线通信模块进行通信。

所述电源模块包括CPCI电源插件、+5VSB电源模块；所述+5VSB电源模块和CPCI电源插件均与外部电源连接，所述+5VSB电源模块用于将外部电源转换为+5VSB待机电源并输出。

所述+5VSB电源模块包括依次连接的过流保护电路、滤波电路、AC-DC电源模块，所述滤波电路包括共模电感，AC-DC电源模块输出+5VSB电源。

所述电源模块还包括控制电路，所述控制电路连接在CPCI电源插件和外部设备之间；所述控制电路包括输出EN#信号的低电平信号输出电路和输出INH#信号的输出电路，所述低电平信号输出电路包括第一电阻R1，所述第一电阻R1的一端接地，另一端输出INH#信号，所述输出电路包括MOS管U1，所述MOS管U1的栅极作为PS-ON信号输入，漏极通过第二电阻R2连接电源，源极接地。

所述母板上设置电源插槽、网络交换插槽、系统插槽和多个混合插槽，电源模块插接在电源插槽中，通信模块插接在网络交换插槽及混合插槽中，主控模块插接在系统插槽中，外部设备插接在混合插槽中，所述电源插槽连接外部AC220V输入，同时输出一组CPCI电源，所述CPCI电源为系统插槽、网络交换插槽和多个混合插槽供电。

所述系统插槽输出至少一路通信总线连接网络交换插槽，通过网络交换插槽与多个混合插槽进行网络通信；系统插槽输出至少一条PCIe总线连接PCIe交换机，通过PCIe交换机连接多个混合插槽的PCIe总线；系统插槽输出至少一条PCIe总线连接PCIe 转 PCI 桥接器，通过PCIe 转 PCI 桥接器连接多个混合插槽的CPCI总线。

所述主控模块包括印制板Ⅰ101、印制板Ⅱ108，所述印制板Ⅰ101和印制板Ⅱ108均固定在前面板110上，印制板Ⅰ101和印制板Ⅱ108之间通过固定螺柱106连接；印制板Ⅰ101上固定有处理器模块，印制板Ⅰ101通过母板连接器102连接母板，印制板Ⅰ101上连接有散热器104，印制板Ⅰ101和印制板Ⅱ108之间通过板对板线缆105通信连接；印制板Ⅱ108上固定有硬盘109，硬盘109通过板对板线缆105与处理器模块通信。

所述印制板Ⅱ108上固定有硬盘，所述硬盘108连接SATA中继器，SATA中继器通过板对板线缆105与处理器模块通信连接；所述印制板Ⅱ108上固定有至少一个网卡芯片，印制板Ⅰ101上的处理器模块通过PCIe总线连接网卡芯片，每个网卡芯片连接一个变压器，每个变压器连接前面板形成一个RJ45接口。

本实用新型的有益效果：

1）工控机通过一块标准的电源后插件，代替AC220V电源插座与母板之间的线缆，并可将输入电源接口保护电路设计到后插件上，就近保护，不仅仅省去了线缆设计，而且可以进行就近电源保护，设计更合理。

2）工控机平台设计下端、前端两处进风口，防止安装方式原因阻挡进风口；机箱内部通过母板印制板隔离，使风流只能通过前端插件部分由下向上吹入机箱内，带走各插件周围热量，然后再经过母板与上盖板之间缝隙到达机箱后端，通过后端散热孔将热风排出，达到系统散热目的。

3）采用CPCI标准电源插件，体积较小，能够大大节约了设备空间，克服现有技术中，常见ATX电源的尺寸一般较大、为方便电源模块的拆装，机箱内还需预留充足的安装空间和线扎布置空间的缺陷。

4） CPCI电源插件为热插拔设计，不仅省去了固定螺钉，且信号输出无需线扎，直接通过背板传递，需要维修或更换时，只需将插件从机箱中拔出即可，拆装相当方便；现有的ATX电源为线扎安装，拆卸不方便。

5） CPCI电源插件上装有散热片，可利用机箱内部的整机风扇进行散热，也可利用机箱壳体进行散热；由于没有另外添加风扇，所以相比ATX电源模块，噪音将大幅降低。

6）母板混合插槽兼容现有CPCI插槽，在不减少CPCI插槽数量的基础上，增加母板对PCIe高速总线板卡的兼容性。母板各个插槽既能兼容CPCI总线板卡，也能同时兼容PCIe总线板卡。

7）主控模块的插件能够根据应用需求进行自行设计，不用受制于选择功能、接口固定，且种类有限的成品工控机主板，使设计方案更加合理、优化。能够根据需求，选择不同的COMe模块、硬盘、内存等，搭配不同性能的工控机主板，省去了载板重新开发周期，并节省了成本。主控插件与母板接口兼容CPCIe标准规范，能够适用于所有CPCIe标准机箱，此外还具有部分自定义总线、控制信号，给用户设计提供更多选择，提高了主板兼容性。

8）主控插件大部分关键电路采用模块或接口板形式设计，若发生故障损坏时，可直接替换对应部分即可，无需更换整个插件，节省了成本。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的机箱结构示意图。

图2为本实用新型一个实施例的机箱内部结构示意图。

图3为本实用新型一个实施例的机箱后部结构示意图。

图4为本实用新型中电源插件PCB板结构图。

图5为本实用新型实施例的母板结构图。

图6为以太网通信模块的结构示意图。

图7为主控模块的结构图。

图8为主控模块的电路结构图。

图9为电源模块的结构示意图。

图10为+5VSB电源模块的结构示意图。

图11为电源模块的控制电路示意图。

图12为PCIe接口扩展示意图。

图13为PCIe转CPCI示意图。

图14为PCIe参考时钟分配示意图。

图15为 HCSL Clk转LVPECL Clk示意图。

图16为 PCI Clk分配示意图。

图17为图1母板的示意图。

图18为图1插槽导轨的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型提供一种工控机，所述的工控机包括主控模块、电源模块、通信模块，所述主控模块通过通信模块连接至少一个外部设备，多个外部设备之间通过通信模块通信，主控模块、通信模块和外部设备通过电源模块供电。

本实用新型的工控机可以是一个支持人机交互的标准插箱/机箱设备，设备由插件+母板组成，外部的人机交互设备、如显示器和键盘等通过连接在机箱上以进行人机交互；也可以是由多个模块/设备组成的工控系统，各模块/设备之间通过线缆实现相互通信。实际应用时，虽实现方式不同，但各部分实现原理及相互通信方式基本相同。本实用新型优选使用插箱结构，此时主控模块、电源模块、通信模块均为插件，即成为主控插件、电源插件、通信插件，其余母板上插接外围插件，外围插件的类型根据实际需要确认或者设计。

如图1所示，为本实用新型插件式结构的工控机的实施例，此时本实用新型的工控机包括机箱箱体，箱体具有底板1和盖板3，底板1和盖板3的两侧设置侧板2，两个侧板2的外侧部均设置法兰4，两个法兰4上分别固定把手5，箱体的后部设置后板9和电源后插件10。

箱体内部具有母板7，母板7一侧具有多个插槽，多个插槽通过板对板连接器连接电源插件和其他外围插件。底板1上固定有插槽导轨，每个插槽导轨对应母板7上的一个插槽上的母板连接器，当需要将插件插入到母板的插槽中时，插件沿插槽导轨运动插入到母板上的板对板连接器上。

在一个或者多个可行的实施例中，箱体内部还设置风扇单元6，风扇单元6水平安装在机箱底部，并通过板对板连接器13与母板连接，能够整体拔插操作。如图1所示，风扇单元6设置在插件导轨下部，对插件导轨上插接的插件进行散热。

风扇单元6包含多个散热风扇，如图2所示，风扇单元6包括单元支架，每个风扇均安装固定在单元支架上，每个风扇的控制信号线连接到板对板连接器13，然后再通过板对板连接器13连接到母板7；单元支架的前端设计进风孔8，当底部进风孔被堵时，可通过前端进风孔散热。风扇单元6作为一个整体能够整体拔插，当插入机箱时，可通过插槽导轨插入机箱，然后通过风扇单元两端固定螺钉锁紧；当拔出机箱维护时，可拧开固定螺钉后，直接整体拔出。风扇单元6内部风扇控制信号是否使能与槽位是否插入插件的检测信号有关，当风扇上端对应的插槽插入插件时，风扇控制信号使能，风扇开始工作，当插槽内插件拔出时，风扇控制信号禁止，风扇停止工作。

在一个或者多个可行的实施例中，如图3所示和图4所示，母板7另一侧通过板对板连接器14连接电源后插件10。电源后插件10为插拔式的电源结构，电源后插件10由插件面板15、PCB印制板16、板对板连接器17组成。其中插件面板上面安装AC220V输入电源三芯插座，PCB印制板为电路板。外部输入电源经过插座进入PCB印制板，PCB印制板内可以选择设置保护电路，保护电路可选择保险丝及安规电容，输入电源经过保护电路后再通过滤波电路进行滤波，滤波电路由AC220V共模电感组成。AC220V电源经过保护电路和滤波电路后引到板对板连接器，然后通过板对板连接器将供电电源提供给母板上的电源插件，实现了输入电源端的无线缆设计，方便安装、组装及后期维护。

在一个或者多个可行的实施例中，所述底板设计底部进风孔12，增大进风量，利于机箱内部散热。

在一个或者多个可行的实施例中，母板7垂直安装在箱体内部，内部空间被分割为前后两个部分，其中母板与底板1完全接触，前后两部分的低端通过母板印制板完全封堵；母板与盖板3具有一定距离，使前后两部分预留一定的通风空隙。风扇单元工作时，风扇通过进风孔8和进风孔12向上抽风，冷风右下向上经过各个插件，带走各插件散发热量变为热风，热风到达机箱顶部后通过机箱前后部分之间的通风空隙进入机箱后侧，然后通过后端出风孔11排出机箱。散热风道进风孔分别设计在底部和前端，一方面增加进风量，另一方面可防止进风孔全部被其他设备阻挡；出风孔设计在在后端，可防止机柜安装时出风孔被其他设备阻挡。散热风道灵活通过母板进行分割，使风向只能右下向上，保证最大风量通过各个插件，达到最好散热效果。

在一个或多个可行的实施例中，本实用新型的电源模块包括CPCI电源插件、+5VSB电源模块；所述+5VSB电源模块和CPCI电源插件均与外部电源连接，所述+5VSB电源模块用于将外部电源转换为+5V电源并输出。该电源模块能够使用CPCI电源插件代替现有技术中应用于机箱等场合的ATX电源，使其具有现有的ATX电源的功能和现有的CPCI电源的优点。

CPCI电源插件为根据CPCI规范设计出来的电源标准插件，能够在EN#信号和INH#信号的作用下，将外接电源转换为直流电源，例如可转换为+3.3V、+5V、±12V电源。CPCI规范规定了CPCI插件的外形结构、连接器类型以及引脚定义，统一了设计标准。CPCI的一个重要特性就是系统模块化，并且各插件支持热插拔，方便插件的移植与替换，可被直接用于与其他设计中。

在一个或多个可选的实施例中，CPCI电源插件可选用凌华科技公司的3U(8HP)CPCI标准电源插件，型号为cPS-H325/AC。

现有的ATX电源在应用时，具有同时输出一路+5VSB电源用作待机电源的功能，而现有的CPCI电源插件中不具有该信号输出，为了使本实用新型的电源模块具有该功能，需要添加+5VSB待机电源模块及控制电路，配合CPCI电源插件实现ATX电源的功能。本实用新型的电源模块包括三部分：CPCI电源插件、+5VSB电源模块和控制电路，+5VSB电源模块和控制电路部分可以是集成电路模块，也可以是单独的模块插件。+5VSB电源模块用于输出+5VSB的待机电源提供给控制电路等系统组件，以便控制电路能够在系统休眠状态下接收外部指令，并唤醒CPCI电源输出。

+5VSB电源模块和CPCI电源插件均与外部AC220V连接，+5VSB电源模块和CPCI电源插件可以是分开设置的两个模块，以避免对现有的CPCI电源插件做出大的改变，也可以设置为一个模块。CPCI电源插件将AC220V电源转换为+3.3V、+5V、±12V电源后，提供给机箱内的其它插件作为工作电源。

+5VSB电源模块包括AC-DC电源模块，AC-DC电源模块将220V转换为+5VSB电源后，作为待机电源供给控制电路、通信模块和主控模块的一部分。

+5VSB电源模块还包括过流保护电路和滤波电路，所述的过流保护电路和滤波电路选用现有设计中符合要求的电路或模块，例如可以串联保险丝作为过流保护电路，用LC电路或并联压敏电阻作为滤波电路；交流220V转直流5V模块可以是任意符合性能要求的AC-DC模块或芯片，例如广州金升阳的LHE10-20B05模块。

AC-DC电源模块将AC220V电源转换为+5VSB电源后，直接提供给控制电路，控制电路能够在系统休眠状态下接收外部设备指令信号，并唤醒CPCI电源输出。

现有的ATX电源在接入交流220V电源后会输出直流+5VSB待机电源，之后便可实时检测电源开关信号并开关电源。当主控插件输出的电源开关信号“PS-ON”有效时，ATX电源将输出直流+3.3V、+5V、±12V电源；当电源开关信号“PS-ON”变为无效时，ATX电源不再输出直流+3.3V、+5V、±12V电源。电源开关信号“PS-ON”为低电平有效。

而CPCI电源插件与ATX电源相比，一是CPCI电源不具备持续输出+5V待机电源的功能，因此本实用新型通过增加+5VSB电源模块提供5V的待机电源，具体如上所述；二是电源输出控制信号不同。若要实现CPCI电源插件代替ATX电源的功能，除需另外设计+5V待机电源电路外，还需设计控制电路，达到用ATX电源的“PS-ON”信号控制CPCI电源插件输出通断的功能。

现有的CPCI电源插件通过EN#和INH#两个信号组合的作用下控制输出的通断，组合逻辑关系如下表所示：

由上表可看出，让CPCI电源插件的EN#信号保持低电平，由ATX电源的“PS-ON”信号控制CPCI电源插件的INH#信号的高低，即可实现CPCI电源插件输出的通断，即用“PS-ON”信号控制CPCI电源插件的输出状态。

由于ATX电源的“PS-ON”信号低电平有效，可设计如图所示的控制电路，当然控制电路也可为其它等效电路。

在一个或多个可行的实施例中，如图所示，控制电路中输出EN#的电路包括第一电阻R1，第一电阻R1一端接地，另一端输出EN#信号。控制电路中输出INH#信号的电路包括MOS管U1，MOS管U1的栅极作为PS-ON信号输入，MOS管U1的漏极通过第二电阻R2连接电源，MOS管U1的源极接地。

输出EN#信号的电路接地，因此EN#信号始终为低电平；INH#信号在PS-ON的控制作用下状态发生改变。当“PS-ON”信号无效，即为高电平时，MOS管U1导通，INH#信号被下拉为低电平，对照表1可知，此时CPCI电源无输出；当“PS-ON”信号有效，即为低电平时，MOS管U1不导通，INH#信号被上拉为高电平，此时CPCI电源有输出。

在一个或多个可行的实施例中，上述的+5VSB电源模块可以设置在电源后插件处，外部的AC220V电源通过电源后插件上的插座进行供电，并通过电源后插件的板对板连接器将AC220V的电源传输给电源模块的CPCI电源插件，而+5VSB电源模块设置在电源后插件处直接通过电源后插件获取AC220V的电源后，将电源转换为+5V电源，然后将电源通过母板传输给主控模块和通信模块作为待机电源，同时为CPCI电源插件的控制电路提供5V电源。在电源后插件连接AC220V电源时，待机电源始终存在，此时当外部的人机交互装置、如按键发送信号时，信号通过通信模块传输给主控模块，主控模块接收到通信模块发送的信号后，发出PS-ON信号给控制电路，如果主控模块发送的“PS-ON”信号无效，即为高电平时，MOS管U1导通，INH#信号被下拉为低电平，对照表1可知，此时CPCI电源无输出；当“PS-ON”信号有效，即为低电平时，MOS管U1不导通，INH#信号被上拉为高电平，此时CPCI电源有输出。输出EN#信号的电路接地，因此EN#信号始终为低电平，此时可根据图1的逻辑对电源输出进行控制，即上述控制电路实现了PS-ON信号对电源输出的控制，结合CPCI电源插件和+5VSB电源模块，实现与ATX电源相同的功能。

在一种或多种可行的实施方式中，上述的通信模块包括以太网总线通信模块和PCI/PCIe总线通信模块。其中，太网总线通信模块插接在网络交换插槽中，而PCI/PCIe总线通信模块插入混合插槽，主控插件与外围设备之间通过以太网总线通信模块和PCI/PCIe总线通信模块进行通信，外围设备之间通过PCI/PCIe总线通信模块进行通信。通信总线做为整个平台的神经网络，不同的总线编织成不同的神经网，共同将机箱内各部分相互连接起来。主控模块可通过通信总线连接各外围模块，实现对外围模块的控制，以及接收外围模块回传的信息；各外围模块相互之间也可通过通信总线实现资源互通等。各外设模块相互之间也可通过通信总线实现资源互通等。平台内的通信总线根据通信速率不同，可分为高速总线、低速总线；根据总线功能不同，可分为内部总线、对外总线；根据接口类型不同，可分为以太网总线、PCIe总线、PCI总线、SMBus总线等。

其中，以太网总线通信模块包括以太网交换模块，以太网化模块的每路以太网交换接口均连接网络变压器，网络变压器通过ETH接口连接外部设备；所述插件板上还设置处理器，处理器与以太网交换模块通过串口连接，以太网交换模块上连接移位输出芯片，移位输出芯片上连接LED灯，LED灯用于指示每路以太网交换接口的工作状态。

太网总线通信模块还包括与处理器连接的温度芯片、运行记录芯片、电源监测芯片，交换机模块的处理器连接主控模块，且交换机模块的处理器通过1-wire总线连接设置在板卡上的温度芯片，通过I²C总线连接设置在板卡上的运行记录芯片和电源监测芯片。

上述以太网总线通信模块的处理器可以为CPU或其他控制中心，CPU控制器通过串口与以太网交换模块进行通讯，可以获取各个以太网接口的连接和通讯等工作状态，同时也可以通过串口对各个以太网接口进行配置和管理。处理器通过SMBUS总线连接主控模块，并通过SMBUS总线将监测信息传送出去，其中上位机等设备作为主机，处理器作为从机，CPU把板卡电压、电流、温度、运行记录、以太网接口状态等信息通过SMBUS总线实时发送给上位机，使上位机能实时掌握板卡的工作状态。

以太网交换模块可以扩展出多路千兆以太网接口，多路千兆以太网接口组成了一个以太网通讯网络，每路以太网接口均连接网络变压器，网络变压器通过ETH接口连接外部设备，各以太网设备通过交换插件连接在同一以太网网络中。在以太网通讯网络中，各以太网设备之间可以进行通讯和数据交互。各厂家交换模块不同，扩展的接口数量也不同，如三旺以太网交换模块IEM7128G可以扩展16路千兆以太网接口。

网络变压器包括千兆网络变压器，例如千兆单路网络变压器和千兆四路网络变压器，千兆单路网络变压器连接1路以太网接口，千兆四路网络变压器连接4路以太网接口，网络变压器能够实现以太网接口前后设备的电气隔离和保护功能，也可以增强以太网信号使传输距离更远。千兆单路网络变压器可以选择中山汉仁的HR682430E，千兆四路网络变压器可以选择中山汉仁的HR618801E。

指示灯模块包括移位芯片和与移位芯片连接的LED灯，以太网交换模块扩展的每路以太网接口均通过指示灯模块的一个指示灯进行指示，即插件板卡的以太网交换模块能够实时采集各路以太网接口的通信速率、通信状态，并通过指示灯芯片的指示灯的亮灭和闪烁表现出来。移位输出芯片能够依次输出各路以太网接口的接口状态给LED灯进行显示。移位输出芯片可以选择PHILIPS的74HC164。LED灯采用现有的LED灯。

以太网总线通信模块上设置有多个信息监测模块，该信息监测模块至少包括板载供电电源监测、板载温度、ID监测、板载运行记录监测和以太网接口状态监测，实现对插件的工作状况进行实时监测。供电电源监测通过电源监测芯片实现，通过电源监测芯片对板卡的工作电压、电流进行实时监测。监测电路由I²C总线实现，与I²C总线连接的电源监测芯片，可选择Linear公司具备I²C总线接口的LTC2945、LTC2991等，CPU可通过I²C总线读取板卡电压、电流，实时监控板卡工作功率。

板载温度、ID监测用于对板卡的电路板温度、硬件ID序列号进行实时监测。监测电路由1-wire总线实现，用于获取信息并通过1-wire总线传输给处理器的温度芯片，可选择MAXIM公司具备1-wire总线接口的MAX31826芯片。CPU处理器可通过1-wire总线读取板卡的温度、ID序列号，实时掌握板卡工作的环境温度。

以太网总线通信模块的运行记录监测主要指对板卡的工作运行时间和事件实时监测。监测电路由I²C总线实现，用于获取运行记录并通过I²C总线传输给处理器的运行记录芯片，可选择DS1683芯片，CPU可通过I²C总线读取板卡的运行记录，实时掌握板卡的总运行时间和事件等情况。CPU通过串口与以太网交换模块通信，获取各以太网接口的连接和通讯等工作状态和各以太网接口的实时工作状态。

PCI/PCIe总线通信模块提供PCIe总线、PCI总线作为为平台内的高速总线，实现主控模块与各PCI接口的外围模块之间的数据通信等。

PCIe总线为高速总线，实现主控模块接口扩展，及与各PCIe接口的外设模块之间的数据通信等。PCIe总线为高速点对点全双工差分总线，每个具备PCIe总线接口的外设可独享通道带宽。PCIe总线规范版本不同，总线带宽也不同，如PCIe1.0接口能够达到2.5GT/s总线带宽，PCIe2.0接口能够达到5GT/s总线带宽，PCIe3.0接口能够达到10GT/s总线带宽。若单条PCIe总线带宽仍无法满足，可组合成PCIe×2、PCIe×4，甚至更多，使总线带宽成倍提高。本实用新型的一些实施例中，主控模块与各外设之间分别采用独立的PCIe2.0×4总线进行通信，总线带宽向下兼容；若带宽不够，可通过PCIe Switch芯片重新扩展PCIe通道，增加每个外设模块的PCIe数量。

PCI总线为局部的并行总线，每组PCI总线最多支持7个外设，外设共享总线带宽。PCI总线可设计为32bit/64bit并行总线，总线为半双工模式。当时钟频率为33MHz时，32bit总线传输带宽最大可达133MB/s，64bit总线传输带宽最大可达264MB/s。当时钟频率为66MHz时，总线带宽翻倍。本实用新型的一些实施例中，主控模块采用一条PCIe3.0总线，经过PCIe to PCI Bridge芯片转换成一条PCI总线；因PCIe总线带宽远大于PCI总线，所以转换后带宽完全满足需求；每条PCI总线最多支持7个外设，若外设超过7个，可通过PCIe总线转换出另一条独立的PCI总线进行通信。PCI总线时钟频率、通道位宽可通过配置Bridge芯片进行选择。

SMBus总线为工控机内部的一条维护总线，主要负责系统、电源的管理、监测及参数配置等。机箱内的主控模块作为总线主机，各外围模块作为总线从机，各从机通过总线地址进行区分，主机分别访问各从机。SMBus总线为两线接口总线，包含一根时钟线、一根数据线，及一根可选的SMBus提醒线。虽然SMBus总线数据传输速率较低，仅为100kbps，但结构比较简洁、且造价低廉，工控平台中使用广泛。本实用新型的一些实施例中，SMBus总线外挂15个设备，其中1个电源模块，1个主控模块，13个外围模块，其他应用中可根据需求设计外挂设备数量。主控模块模块定时依次获取各外设的硬件参数、监测信息等，如外设地址、模块类型、模块温度及实时工作状态等；此外主控模块还通过SMBus总线发送配置信息，如配置外设工作模式、通信参数等。

在一种或多种可行的实施方式中，母板上设置电源插槽、网络交换插槽、系统插槽和多个混合插槽，电源模块插接在电源插槽中，通信模块插接在网络交换插槽中，主控模块插接在系统插槽中，外围设备插接在混合插槽中。电源插槽插入电源模块为整个工控机提供工作电源，网络交换插槽插入以通信模块为系统内部以太网通信提供交换电路，系统插槽插入主控插件为整个系统的控制核心，混合插槽可插入各种外围设备增加系统的功能扩展性。电源插槽连接外部AC220V作为输入，然后输出一组CPCI电源，CPCI电源为系统插槽、网络交换插槽、多个混合插槽、母板电路及风扇接口提供工作电源。CPCI电源包含：1路DC+12V电源、1路DC-12V电源、1路DC5V电源、1路DC3.3V电源及1路DC5Vaux待机电源。

所述系统插槽输出至少一路通信总线连接网络交换插槽，通过网络交换插槽与多个混合插槽进行网络通信；主控插件所在的主控插槽输出至少一条PCIe总线连接PCIe交换机，通过PCIe交换机连接多个混合插槽的PCIe总线；质控插槽输出至少一条PCIe总线连接PCIe 转 PCI 桥接器，通过PCIe 转 PCI 桥接器连接多个混合插槽的CPCI总线。

本实用新型的母板在各插槽保持CPCI总线接口不变的基础上，增加PCIe总线接口和千兆以太网总线接口，极大地提高了母板对于外部板卡的兼容性。

本实用新型的电源插槽包括两个：电源插槽Ⅰ和电源插槽Ⅱ，其中电源插槽Ⅰ为上述的输出一组CPCI电源的电源插槽，而电源插槽Ⅱ输出多路直流电源信号给混合插槽。电源插槽2输入外部AC220V电源，对内输出2路其他电源，作为预留的2路直流电源信号为多个混合插槽供电，预留的2路直流电源由实际需要配合混合插件进行设计。

主控插槽输出至少一路通信总线连接网络交换插槽，通过网络交换插槽与多个混合插槽进行网络通信；同时系统插槽输出至少一条PCIe总线连接PCIe交换机，通过PCIe交换机连接多个混合插槽的PCIe总线；系统插槽还输出至少一条PCIe总线连接PCIe 转 PCI桥接器，通过PCIe 转 PCI 桥接器连接多个混合插槽的CPCI总线。

主控插槽输出一路千兆以太网接口与母板连接，通过母板连接网络交换插槽，通过网络交换插槽与多个混合插槽进行网络通信。当然，该千兆以太网总线也可采用RS485、CAN等现有的通信代替，本实用新型并不对其进行限定。

混合插槽可设置12个，此时，系统插槽输出两条X8 PCIe总线，每条x8 PCIe总线连接一个PCIe交换机，每个PCIe交换机连接6个混合插槽的PCIe总线；而系统插槽输出两条×1 PCIe总线，每条PCIe总线连接一个PCIe 转 PCI 桥接器，每个PCIe 转 PCI 桥接器连6个混合插槽的CPCI总线。

上述的PCIe交换机可选择8 Port、32 lane PCIe Switch芯片，该芯片将每条x8PCIe总线转换为6条×4 PCIe总线，转换后的6条×4 PCIe总线分别连接1-6号混合插槽、7-12号混合插槽，实现系统插槽与各混合插槽之间的PCIe总线通信。

上述的PCIe 转 PCI 桥接器为PCIe to PCI Bridge芯片，该芯片将每条PCIe总线转换为1条CPCI总线，而转换后的2条CPCI总线分别连接1-6号、7-12号混合插槽，实现系统插槽与各混合插槽之间的CPCI总线通信。

而该实施方式中，网络交换插槽输出13路千兆以太网接口，其中1路与主控插槽连接，另外12路与12个混合插槽连接，实现母板内部各插槽之间的以太网通信。

同时该实施方式中，母板通过扩展芯片扩展出12个通用的混合插槽，实现了CPCI及PCIe系统的高密度集成，增加了外围板卡的使用数量，每个混合插槽均包含有1路以太网总线、1路PCIe总线和1路CPCI总线。

本实用新型的主控插槽上还连接有设置在母板上的多个风扇接口，可通过系统板自主温控调节风扇转速，增大整体散热效果。

下面对上述的扩展电路进行详细说明：

（1）PCIe扩展电路

该PCIe扩展电路为上述的PCIe交换机，在本实用新型中，可采用现有的交换机，例如IDT公司的Switch芯片89H32H8G2ZCBLGI，该芯片具有32 Lane、8 接口，能够输入1路×8PCIe接口，输出6路×4PCIe接口。如图2所示。

（2）PCI转换电路设计

该PCI转换电路设计为PCIe 转 PCI 桥接器，母板上12个混合插槽均支持与系统插槽的CPCI总线通信。因CPCI总线受限于带宽及走线长度等因素，33MHz CPCI每段最多支持7个外围插槽，所以需要设计2段CPCI总线分别连接1-6号插槽和7-12号插槽。

而为了实现上述的方案，在本实用新型中，本实用新型可选择现有可实现的芯片，例如可选择TI公司的Bridge芯片XIO2001IZGUR，如图3所示，在母板上设计CPCI转换电路，将系统插槽输出的2路×1PCIe总线分别通过PCIe to PCI Bridge芯片转换为2条CPCI总线。转换芯片选择TI公司的Bridge芯片XIO2001IZGUR。芯片PCIe端支持PCIe Gen1.0(每向250MB/s带宽)，PCI端支持32位（33MHz）带宽，能够允许连接高达6个PCI外设。

（3）PCIe参考时钟设计

外围插件要实现与系统插件正常通信，每个插槽需拥有一条独立的PCIe参考时钟。系统插件对外提供4条100MHz HCSL Clk参考时钟，通过母板提供给外围插槽使用。

因每一组PCIe需一条Clk， PCIe Switch进行扩展PCIe总线的同时，也会给扩展后的每组PCIe提供一条独立Clk，则卡槽1-12的PCIe参考时钟可通过PCIe Switch芯片提供。如图4所示，PCIe Switch输出的Clk为HCSL信号(差分电流信号)，需要进行交流耦合后变为LVPECL信号（低压正发射极耦合逻辑）提供给外围插槽使用。具体转换如下，HCSL信号需串接33Ω电阻，对地100Ω电阻，然后与插槽设备连接，如图5所示。

（4）CPCI参考时钟设计

各外围混合插槽虽共享PCI地址/数据总线，但需分别拥有一条独立的33MHz时钟线，与系统插槽进行CPCIPCI总线通信。PCIe to PCI Bridge芯片将PCIe总线转换为CPCIPCI总线的同时，输出6路独立的33MHz时钟信号，分别分配给1-6号和7-12号外围插槽。如图6所示。

在一种或多种可行的实施方式中，本实用新型的主控模块包括主板，主板包括印制板Ⅰ101、印制板Ⅱ108，印制板Ⅰ101和印制板Ⅱ108均固定在前面板110上，印制板Ⅰ101和印制板Ⅱ108之间通过固定螺柱106连接。其中，印制板Ⅰ101上固定有处理器模块，印制板Ⅰ101通过母板连接器102连接母板，印制板Ⅰ101上连接有散热10器4，印制板Ⅰ101和印制板Ⅱ108之间通过板对板高速线缆5通信连接；板对板高速线缆通过两个高速线缆插头107分别插接在印制板Ⅰ1和印制板Ⅱ108上。

印制板Ⅱ108上固定有硬盘109，硬盘109通过板对板线缆105与处理器模块通信。

主控插件包含插件面板-即前面板，前面板上设置有对外的接口，接口与内部的处理器模块连接，为节省开发难度及时间，核心控制部分的CPU处理器模块可选择现有的COMe模块。

本实用新型应用于工控机中能够完全兼容CPCIe系统，能够作为主板直接应用于CPCIe工控机中，主板设计为插件形式，为安装方便，工控机的主控插件根据机箱的尺寸设计，例如可设计为标准3U插件，插件的结构尺寸符合CPCIe标准规范，此外插件与母板接口兼容CPCIe规范中系统板接口定义。插件结构面板根据机箱的尺寸设计，例如为3U高度面板，用于固定印制板及对外接口连接器，面板下端包含一个助力蹑手，助力蹑手11为现有机箱插件板中的常见结构。

具体来说，CPU处理器模块可选择标准的COMe模块作为CPU处理器；COMe模块接口满足COMe协议规范，不同版本的协议规范对应的COMe模块接口信号定义不同，主要分为四种：Type2、Type10、Type6、Type7。相同接口定义的COMe模块又因为模块板载CPU性能、各接口性能不同，大致划分为高性能版本、低性能版本，或者高功耗版本、低功耗版本等。COMe模块又根据功能、尺寸不同，分为Mini型(84mm×55mm)、Compact型（95mm×95mm）、Basic型（125mm×95mm）。

COMe模块还具有模块散热器，模块散热器一般安装在COMe模块上部，散热器尺寸需根据所选COMe模块尺寸、COMe模块的主控芯片位置、整体功耗等因素进行设计，散热器风道需根据主控插件安装位置及整机风道等因素进行具体设计。

COMe模块的内存，COMe模块带有两个通用的SODIMM模块接口，用于插入SODIMM内存条，内存条插入后可通过两端卡扣固定，防止松动。不同的COMe模块支持内存大小不同，一般模块最大支持8GB内存，部分模块能够最大支持32GB内存，可根据实际需求选择。内存条接口设计方式，方便进行内存拆装、更换。

硬盘为工控机数据大容量存储设备，能够存储工控机接收数据，并能够提供工控机要发送的数据。硬盘8连接SATA中继器，SATA中继器通过板对板线缆5与处理器模块通信连接，硬板的接口兼容SATA2.0、SATA3.0，硬盘容量可根据工控机数据量大小进行选择。

主控插件功能复杂，外部模块、器件较多，但印制板尺寸受标准规范要求限制，插件整体设计为上下两层，所有模块、器件均固定在印制板Ⅰ101和印制板Ⅱ108上，如图所示。

第一层：第一层底板为印制板Ⅰ101，主要作为COMe模块的载板。COMe模块信号引到印制板Ⅰ101后，一部分从与母板连接器到母板，然后通过母板与机箱内的其他插件连接；一部分经过接口转换、扩展后，从前面板连接器引出，形成前面板上的接口，连接外部设备；另一部分通过板对板高速线缆引到印制板Ⅱ108上进行接口扩展使用。

第二层：第二层底板为印制板Ⅱ108，作为硬盘及一些前面板对外接口的载板。COMe模块的部分信号通过板对板高速线缆105引到印制板印制板Ⅱ108后，转换为与硬板连接的硬盘接口和一些对外的通信接口。

其中印制板Ⅰ101为COMe模块载板，印制板尺寸可设计为标准100mm×160mm，若COMe模块选择Basic型时，因模块尺寸较大，载板剩余空间较小；另外印制板Ⅰ1和印制板Ⅱ8间距可能较远，无法通过板对板连接器连接；可通过高密度高速线缆5实现两款印制板之间的信号传输，高密度线缆插头7和插座体积较小，能够满足空间要求。

其中印制板Ⅰ101与COMe模块之间的接口为标准接口，在模块尺寸、接口不变的情况下，可根据应用需求选择不同功能、性能的COMe模块来满足工控机不同需求，而不需要进行重新设计，不仅兼容性强，而且节省开发周期。

上述的印制板Ⅰ101为COMe模块、硬盘及接口电路等的底板。COMe模块通过连接器将信号引到印制板Ⅰ101，然后在印制板Ⅰ101对信号进行扩展、转换、处理等；硬盘插入到印制板Ⅱ8连接器，并通过螺钉水平固定在印制板Ⅱ108的硬盘支架上；全部接口电路均焊接在印制板Ⅰ1和印制板Ⅱ108上，印制板Ⅰ101和印制板Ⅱ108作为电子器件的载体。

主控插件的对外接口电路为工控机主控插件对外的人机交互接口电路，对外接口至少包含VGA、DP显示接口，USB3.0、千兆以太网、RS232/422/485通信接口、指示灯、复位按钮监控接口等。使用时可根据需求通过VGA或者DP接口连接显示器，通过USB3.0接口连接鼠标、键盘及存储设备等，通过以太网与外部设备网络交互，通过RS232/422/485接口进行数据收发，通过指示灯观察系统、硬盘等工作状况，通过复位按钮进行系统重启等。

具体接口如下所述：

（1）显示接口设计：主控插件对外包含2个视频输出接口，可根据需求进行选择。其中①DP接口采用COMe模块自带的DDI接口，若走线过长，干扰较大，可增加信号中继芯片提高信号完整性，若走线较短，可将DDI接口信号直接引到DP接口连接器。②VGA接口可采用COMe模块自带的VGA接口，但有些COMe模块未将VGA信号引出，此时也可采用COMe模块的DDI接口进行转换，此时通过DP转VGA转换器进行转换，转换器可以选择接口转换芯片，如CH7517。

（2）COM接口设计：COM接口为RS232、RS422、RS485共用接口，COM接口可通过拨码开关选择接口输出方式。COMe模块自带UART接口，UART接口通过多协议收发器转换为对应的通信接口，多协议收发器可通过引脚配置选择输出RS232/422/485格式。

（3）USB接口设计：COMe模块自带多路USB2.0、USB3.0接口，但受限于印制板1尺寸，只能通过高速线缆将信号引到印制板2进行设计。考虑到信号线较长时，存在干扰、衰减等问题，可增加信号中继提高信号完整性。USB接口种类、数量可根据实际需求进行设计。

（4）以太网接口设计：一般COMe模块自带1路以太网接口，可能不够用户使用，可通过COMe模块的PCIe总线转换为以太网接口。但受限于印制板1尺寸，只能通过高速线缆将信号引到印制板2进行设计。PCIe总线连接PCIe接口的网卡芯片，转换为以太网接口。以太网接口速率、数量可根据实际需求进行设计。

（5）硬盘电路设计：硬盘与COMe模块之间通过SATA接口连接；一般硬盘体积较大，但受限于印制板1尺寸，只能通过高速线缆将信号引到印制板2进行设计。考虑到信号线较长时，存在干扰、衰减等问题，可增加信号中继提高信号完整性。

（6）电池电路设计：一般选择3V纽扣电池给CPU控制器模块供电，用于保存系统时钟等信息。

（7）与母板接口设计：部分COMe模块信号需引到与母板接口连接器，然后通过母板与外设板卡通信。插件与母板接口兼容CPCIe标准规范要求，包含规范要求的电源信号、2链路/4链路PCIe信号、各辅助控制信号等；此外与母板接口还包含以太网、风扇控制等自定义信号，这样插件通用性更强。

（8）供电电源设计：主控插件的电源接口符合CPCIe标准规范，电源种类包含+3.3V、+5V、±12V、+5VSB(+5V待机电源)。其中+3.3V、+5V、±12V分别给印制板101、印制板108上电路供电，+5VSB给模块待机电路、网卡供电，用于远程唤醒、休眠使用。

（9）预留扩展接口设计：因COMe模块自带资源较多，可将暂时未用到的PCIe接口、SATA接口分别引出到指定连接器，作为预留接口。若需增加功能时，可设计较小的功能板通过板对板连接器连接预留接口，而无需对印制板101、印制板108进行重新设计，既节省成本，又缩短开发周期。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型揭露的范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种工控机，其特征在于：包括主控模块、电源模块、通信模块，所述主控模块通过通信模块连接至少一个外围设备接口，外围设备接口连接外围设备，多个外围设备之间通过通信模块通信，主控模块、通信模块和外围设备通过电源模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种工控机，其特征在于：还包括箱体，箱体包括底板和盖板，底板和盖板的两侧设置侧板，箱体的后部设置后板，箱体内部具有母板，母板的一侧设置多个插槽，所述主控模块、电源模块、通信模块和外部设备均为插件形式且插接在母板的插槽中，插槽一侧的箱体下部设置风扇单元，母板另一侧还连接电源后插件，所述母板垂直安装在箱体内，将箱体分割为前后两个空间，母板底部与底板完全接触，母板顶部与盖板之间具有能够形成前后通风通道的间隙，形成前后通风通道。

3.根据权利要求1所述的一种工控机，其特征在于：所述通信模块包括以太网总线通信模块和PCI/PCIe总线通信模块，主控插件与外围设备之间通过以太网总线通信模块和PCI/PCIe总线通信模块进行通信，外围设备之间通过PCI/PCIe总线通信模块进行通信。

4.根据权利要求1所述的一种工控机，其特征在于：所述电源模块包括CPCI电源插件、+5VSB电源模块；所述+5VSB电源模块和CPCI电源插件均与外部电源连接，所述+5VSB电源模块用于将外部电源转换为+5VSB待机电源并输出。

5.根据权利要求4所述的一种工控机，其特征在于：所述+5VSB电源模块包括依次连接的过流保护电路、滤波电路、AC-DC电源模块，所述滤波电路包括共模电感，AC-DC电源模块输出+5VSB电源。

6.根据权利要求4所述的一种工控机，其特征在于：所述电源模块还包括控制电路，所述控制电路连接在CPCI电源插件和外部设备之间；所述控制电路包括输出EN#信号的低电平信号输出电路和输出INH#信号的输出电路，所述低电平信号输出电路包括第一电阻（R1），所述第一电阻（R1）的一端接地，另一端输出INH#信号，所述输出电路包括MOS管（U1），所述MOS管（U1）的栅极作为PS-ON信号输入，漏极通过第二电阻（R2）连接电源，源极接地。

7.根据权利要求2所述的一种工控机，其特征在于：所述母板上设置电源插槽、网络交换插槽、系统插槽和多个混合插槽，电源模块插接在电源插槽中，通信模块插接在网络交换插槽及混合插槽中，主控模块插接在系统插槽中，外部设备插接在混合插槽中，所述电源插槽连接外部AC220V输入，同时输出一组CPCI电源，所述CPCI电源为系统插槽、网络交换插槽和多个混合插槽供电。

8.根据权利要求7所述的一种工控机，其特征在于：所述系统插槽输出至少一路通信总线连接网络交换插槽，通过网络交换插槽与多个混合插槽进行网络通信；系统插槽输出至少一条PCIe总线连接PCIe交换机，通过PCIe交换机连接多个混合插槽的PCIe总线；系统插槽输出至少一条PCIe总线连接PCIe 转 PCI 桥接器，通过PCIe 转 PCI 桥接器连接多个混合插槽的CPCI总线。

9.根据权利要求1所述的一种工控机，其特征在于：所述主控模块包括印制板Ⅰ（101）、印制板Ⅱ（108），所述印制板Ⅰ（101）和印制板Ⅱ（108）均固定在前面板（110）上，印制板Ⅰ（101）和印制板Ⅱ（108）之间通过固定螺柱（106）连接；印制板Ⅰ（101）上固定有处理器模块，印制板Ⅰ（101）通过母板连接器（102）连接母板，印制板Ⅰ（101）上连接有散热器（104），印制板Ⅰ（101）和印制板Ⅱ（108）之间通过板对板线缆（105）通信连接；印制板Ⅱ（108）上固定有硬盘（109），硬盘（109）通过板对板线缆（105）与处理器模块通信。

10.根据权利要求9所述的一种工控机，其特征在于：所述印制板Ⅱ（108）上固定有硬盘（109），所述硬盘（109）连接SATA中继器，SATA中继器通过板对板线缆（105）与处理器模块通信连接；所述印制板Ⅱ（108）上固定有至少一个网卡芯片，印制板Ⅰ（101）上的处理器模块通过PCIe总线连接网卡芯片，每个网卡芯片连接一个变压器，每个变压器连接前面板形成一个RJ45接口。

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