克服极端环境的嵌入式系统元件解决方案
- DIGITIMES企画
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对于国防、航太设备、交通运输、户外应用、矿业开发、高温或化学性的工业╱工厂等行业，经常处于温度、湿度、压力极端变化，以即可能接触到腐蚀性化学物质的极端恶劣环境。长期经营嵌入式应用的研华科技，提出针对这类极端环境应用下的嵌入式系统元件的解决方案，从设计、用料到验证阶段，确保系统具备耐温、抗压、抗震、防水、抗腐蚀等能力……
研华(Advantech)嵌入式运算事业群协理苏高源提到，工业与自动化，以及云端与智能运算两大趋势，带动新一波嵌入式应用市场契机。面对非常广泛的温度的变化，对嵌入式装置温度的耐受度是很大的考量。同时也必须面对温室效应所造成的极端气候的环境，以及资源衰竭的挑战，像是过去挖煤矿的机器，平面挖完了朝向地底去挖，所面对的地热、环境压力也有所不同。
针对严苛环境设计的工控产品的设计特色为：1.对产品稳定性要求较高，要减少日后维修的成本。2.不一定要很高的运算能力。宽温╱军温的嵌入式装置仅执行单工的RTOS。3要求较长的保固与供货期间。对于像是军工、航太设备、交通运输、户外应用、矿业资源开发，高温或化学等具危险性的工厂工业控制等，都是处于极端环境的应用范畴；要克服极端环境，嵌入式系统必须具备耐温、抗压与抗震、可靠性，以及防水、抗腐蚀，这些要求都可以从设计、用料到验证来克服。
宽温的嵌入式解决方案
苏高源指出，宽温产品从一开始设计阶段，就需将把不符合工作温度的料件先标示出来，并评估可能造成的影响，以省下后续验证所花费的时间。产品设计上，则透过功能设计以及热源模拟与分析。尤其许多宽温产品内的某些料件还是商温规格，如何确保它在宽温环境下也能稳定的操作，研华在板子上设计了过热保护的机制，防止料件过热而当掉，以及低温启动─让料件快速达到工作温度而能正常运作。还有要考虑电源效率，处于没有插头的电力匮乏区域，让高能源效率的装置运作时间较为长久一点。
宽温产品验证上可分为开发阶段与出货阶段的验证。在开发阶段的工程样品╱系统，会送入chamber后开启电源进行全负载运行，然后进行瞬间反覆从高温到低温，再从低温到高温的冲击测试(Thermal Shock)；超过50小时的全负载烧机以及断电╱重新启动的Power Cycling测试。当进入量产制造阶段，也要做100%的测试，每一套系统要烧机、确认所有功能正常才能出货给客人。除了烧机测试之外，也可以进行加速老化的可靠度测试(Highly Accelerated Life Testing；HALT)，对产品进行加速老化的测试，并找出产品的弱点，选择适当的改良或补强措施，让产品的耐受性变得更好。
嵌入式产品与周边的防水╱抗腐蚀╱抗震方案
像船舶、化学工厂、户外大众交通运输(如火车)，以及在空气污染严重的工业国家地区，空气中有硫化物颗粒，容易造成嵌入式主机板腐蚀与损坏的问题。苏高源进一步介绍防水与抗腐蚀的应用，藉由在主机板的PCB表面，加上化学的防护涂布(Conformal Coating Service)，可以做到防潮、防尘、防腐蚀与抗摩擦的效用。涂布材料有Acrylic(丙烯酸树脂；AR)、Urethane(聚氨酯；UR)、有机矽(Silicone)与Epoxy(环氧树脂；ER)，针对修补性、防潮性、抗磨性、抗溶解性、机械张力与弹性，每个材料有其特性与最适用的地方。
防护涂布可分手工涂布与机器涂布。手工涂布用于小量试产，但缺点是无法图布均匀。研华提供机器自动化涂布服务，使用Acrylic resin 丙烯酸树脂或有机矽为涂布材料。遵循IPC-610D规范，最大涂布面积450mm x 450mm，涂布厚度从0.5？5mil，平均三分钟可以涂布一张主机板完成。提昇嵌入式系统防水、防湿、防盐雾、防摩擦、防金属颗粒与防病菌的能力。
要提昇系统抗震、抗板弯的能力，目前抗震设计方案有：1.在设计阶段尽量将CPU、存储器等芯片焊接在主机板上。2. Glued DRAM service(存储器模块两侧涂胶)，将存储器模块两边涂胶避免晃动与脱落。3.Locked Connector采用有固定卡榫的连接器╱插槽。4. Lockable flash(设计可固定或锁紧Flash储存模块)。
在抗震动测试部份则遵循IEC60068-2-64规范，最大振动加速力、频率可达到5G、5？500Hz；以及遵循IEC60068-2-29的撞击测试(最大撞击力道15G)。此外为了避免PCB板弯造成BGA芯片锡裂现象，亦可以藉由芯片四周胶封(Corner Bonding)，以及加厚PCB板厚的方式来解决。
苏高源指出研华也提供全系列工业用宽温的周边装置。有SQFlash储存模块系列(提供PATA/SATA/USB界面与三年保固)，SQRAM存储器模块系列(宽温、金手指30μm电镀处理、Fix Die芯片固定胶封，与Thermal Sensor温度传感器设计)，无线传输模块部份则提供宽温与七年保固，以及宽温高亮度的触控式屏幕等显示装备。像研华的强固式工控屏幕解决方案(Rugged Industrial Display Solutions)，工作温度-20？60℃的，日照下仍具备1,200nits 的易阅读性；屏幕通过IP54防水防尘规范，外附钢化玻璃，同时背光模块寿命长达五万小时。
ARM在低端嵌入式装置与智能节点的机会
目前像AMD、Freescale、TI、nVIDIA等硬件开发商，加入像是PCI Express、USB、SATA等标准化的产业规格；微软(Microsoft)、谷歌(Google)等推出Windows RT、Android等OS。工控同业如Kontron、congatec、MSC等正推广Q7、ULP等尺寸标准(Form Factor)。据ARM 2012年市调数据，2011年采ARM的移动设备达45亿美元，成长15%；嵌入式装置18亿美元，成长70%；企业应用达13亿美元，成长30%，家用装置有3亿美元，成长10%。
苏高源认为ARM RISC架构具备低功耗(<3W)、宽温(-40？105℃)、SOC设计以及快速开机的特色，原本应该比x86更受到客户青睐。目前ARM产品单价低，但整体开发成本(C1)却较x86高、信息取得成本(C2)也不像x86那样多元；ARM因为标准化程度不高且多属于专案设计性质，对客户有较高的道德风险(C3)，以及专属陷入成本(C4)。导致ARM在低端嵌入式应用的普及程度受到限制。(参考邱志圣教授撰写的「策略行销分析」一书)
在智能地球的概念理，导入云端运算架构的工控应用，最下游布建的传感器，将数据以无线或有线方式传送到以ARM为核心的智能节点，再往上连结到上一层的运算核心(X86核心)，最后再上传到云端服务器。智能节点的功能在于成为感知器连结云端的桥梁(IP化)，并提供云端底层智能运算的能力。分散云端架构中的运算负载，让云端运算更有效率。
强化ARM在嵌入式应用早期设计与导入的支持
苏高源分析，RISC客户分布成In House者、外包者、早期大众(实用主义者)、晚期大众(跟随主义者)、落伍者。前两者在意C1产品单价╱整体开发成本；早期大众(实用主义者)处于设计标准品阶段，受限于公司规模与开发能力，无法独力开发ARM为核心的方案，不得不改用x86解决方案。这类型客户，最在意前述的C3、C4、C2与C1等成本。晚期大众(跟随主义者)受市场潮流与RISC低单价因素，也会迫于其客户要求而选择ARM 方案，最在意的成本为C1、C4。落伍者特色是非因技术或市场因素而不导入ARM方案，如Intel的Partner。(参考邱志圣教授撰写的「策略行销分析」一书)
推动ARM标准化的可以解决道德风险成本(C3)与属陷入成本(C4)；更紧密的上下游连结解决信息取得成本(C2)，协同设计取代买卖的模式解决C2、C3、C4。
在Form Factor标准部份，2008年Congatec推出Qseven(Q7)，2008年研华推出RTX 1.0；2012年下半Kontron推ULP标准， 2013年研华针对强固式应用)推RTX 2.0。RTX 2.0采耐震设计，PCB厚度2mm可抗板弯、锡裂，采用类似ETX规格的B2B连接器，与多功能散热片(Multi-Function Heatsink)的散热设计，将比Q7、ULP等，提供更适合于强固型工控应用的领域。
最后苏高源提到ARM RISC架构则以协同设计的方式来取代传统买卖的模式。从U-Boot以及BSP/Driver初期开发阶段，由研华提供RD人力与设计支持；在产品销售到顾客端后，持续提供Design-In服务，协助帮助客户完成他们的专案，借此降低客户采用ARM核心产品的困难度。
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