Механические стандарты серии IEEE 1101.1 (Евроконструктив)
Стандарт IEEE 1101.1 (Mechanical Core Specifications for Microcomputers Using IEC 603-2 Connectors - Базовые механические спецификации для миникомпьютеров с разъёмами IEC 603-2) опирается на группу стандартов IEC 297 (Размеры механических компонентов для типоразмера 482.6 мм (19")). Данный стандарт определяет механические размеры для крейтов и соответствующих вставных блоков, используемых в приложениях VME и VME64.
Стандарт IEEE 1101.10 (Additional Mechanical Specifications for Minicomputers Using the IEEE 1101.1 Equipment Practice - Дополнительные механические спецификации для миникомпьютеров, удовлетворяющих стандарту IEEE 1101.1) специфицирует дополнительные размеры совместимых по электромагнитным параметрам крейтов и соответствующих вставных модулей. Стандарт определяет размеры ручек-фиксаторов для вставляемых модулей и соответствующих крейтов, размеры печатных плат и объединительных панелей с установленными трехрядными и пятирядными разъемами IEC 603-2 типа С, а также принципы защиты вставных модулей и крейтов от электростатических разрядов. Также к данному стандарту относятся и правила соответствия VME64x.
Cтандарт IEEE 1101.11 (Mechanical Rear Plug-in Unit Specifications for Minicomputers Using the IEEE 1101.1 and the IEEE 1101.10 Equipment Practice - Механические спецификации вставных миникомпьютерных блоков, устанавливаемых с обратной стороны и удовлетворяющих стандартам IEEE 1101.1 и IEEE 1101.10) является расширением стандартов IEEE 1101.1 и IEEE 1101.10 и определяет размеры и интерфейсные параметры блоков, устанавливаемых в крейт с задней стороны. Ссылки на этот стандарт есть в VME64x, однако он применим и для приложений VME и VME64.
Введение
В 70-ых годах в Германии компоновка промышленного электронного оборудования широко базировалась на исторически сложившемся 19-дюймовом стандарте US EIA 310 (размеры крейтов, панелей и прочего сопутствующего оборудования) в сочетании с форматом "Евромеханика" и семействе надежных разъемов "DIN" (DIN 41612 или IEC 603-2), что впоследствии быстро распространилось на всю западную Европу. Благодаря тому, что эти принципы компоновки были в 1982 году приняты архитектурой VMEbus, данный стандарт появился в США и разошелся по всему миру в тысячах приложений в самых разных областях электроники. Несмотря на развернутую в начале 90-ых годов кампанию перехода на метрическую систему, в мире промышленной электроники он до сих пор является самым предпочтительным стандартом компоновки. В частности, этот стандарт поддерживают такие шинные архитектуры, как VME и CompactPCI. Одна из главных причин продолжающегося успеха 19-дюймового стандарта - совместимость "сверху вниз", а также возможность модернизации существующих систем. Всё это, в свою очередь, приводит ко все большему и большему его усложнению. Так, что касается электромагнитной совместимости, защиты от электростатических разрядов, применения направляющих ключей, ручек-экстракторов и т.п., "базовый" 19-дюймовый стандарт (определенный как IEEE 1101.10) уже обошел такой метрический стандарт, как IEC 917-2-2 (который, к счастью, не отягощен различными историческими моментами и имеет более логически обоснованную систему).
В "тени" этих двух спецификаций находятся два других разрабатываемых рабочей группой IEC 48D не менее важных "климатических" стандарта: проект IEC 48D/1587-1, специфицирующий тесты на соответствие вибрационным, противоударным и климатическим условиям, и проект IEC 48D/1587-3, описывающий проведение тестов на электромагнитную защищённость. Эти новые стандарты предназначены для испытаний "пустых" 19-дюймовых либо метрических крейтовых систем и определения их базовых характеристик, что даст пользователю лучшее представление о том, что он приобретает для своего конкретного приложения.
Характеристика стандартов
1. IEEE 1101.10 (Электромагнитная совместимость - ЕМС)
Ни один ЕМС-стандарт не распространяется на "пустые", не имеющие никаких активных модулей, крейты. Только после установки какого-либо активного модуля (VМЕ-)система будет испускать электромагнитное излучение либо станет объектом воздействия извне. При превышении некоторых пороговых значений помочь может применение специфицированных по стандарту IEEE 1101.10 экранов и использование контрольных значений ЕМС-характеристик (по IEC-тестам). При монтаже системы из совместимых по электромагнитным параметрам крейтов особые требования предъявляются также к силовым кабелям и линиям ввода/вывода. Подключение неэкранированного кабеля приводит к потере эффективности прочего экранирования. Поэтому подключение неэкранированных линий должно осуществляться через специальные фильтры либо терминирующие (terminating) конденсаторы. В случае использования экранированных кабелей для взаимосвязи крейтов необходимо, чтобы стыки кабельных экранов были концентрическими и обладали низким активным и волновое сопротивлением.
Повышение плотности монтажа электронных компонентов часто приводит к ухудшению условий рассеяния тепла и, как следствие, к сокращению срока службы этих компонентов. Задачи экранирования и охлаждения могут стать взаимосвязанными, если рассеяние тепла VME-модулем будет превышать даже 40 Вт (в недалеком будущем появятся модули, рассеивающие и 100 Вт).
Советы:
• Скомпонуйте крейт с максимальными потоками воздуха вдоль печатных плат модулей (промежутками между горизонтально расположенными элементами и направляющими для печатных плат). Выберите систему воздушного охлаждения, обеспечивающую наилучшие расчетные характеристики качества работы крейта.
• Проанализируйте результаты ЕМС-испытаний для незаполненного крейта. Сравните их с результатами таких же испытаний этого же незаполненного крейта, проведенных после промышленных испытаний на старение. Замечание: если разъем выдерживает 400 циклов вставки-/извлечения, то и ЕМС-прокладка также должна выдерживать 400 циклов перемещения (в обе стороны) передней панели.
• Проанализируйте результаты виброиспытаний и испытаний на ударопрочность, поскольку соответствующие характеристики могут оказать существенное влияние на электромагнитные параметры вашей VME-системы.
• Для предотвращения повреждений ЕМС-прокладки закрывайте печатные платы со стороны установки навесных элементов специальным экраном.
• При построении своей крейтовой системы найдите такое техническое решение, которое допускает ее использование как в ЕМС-, так и в не-ЕМС-среде (с помощью простой установки экранирующих ЕМС-прокладок вместо замены всей системы на защищенную от электромагнитных помех модификацию. Такое решение позволит значительно снизить временные и денежные затраты, связанные с разрешением непредвиденных ЕМС-проблем).
• Неравномерность давления на электромагнитную прокладку предотвращает "Выравнивающий штифт" ("Alignment Pin").
• Во избежание повреждений ЕМС-прокладки убедитесь, что она не касается фиксирующих винтов передней панели. Убедитесь, что прокладки нигде не пережаты.
2. IEEE 1101.10 (Защита от электростатических разрядов - ESD)
В стандарте IEEE 1101.10 заложено два метода защиты от электростатических разрядов.
Первый метод обеспечивает стекание электростатического заряда с печатной платы при ее установке в крейт. Второе решение позволяет удалить электростатический заряд при подключении кабеля ввода/вывода к уже установленному модулю в функционирующей системе.
В первом случае требуется наличие специальной ESD-полоски в верхней и/или нижней части каждого модуля со стороны установленных компонентов.
Каждая удовлетворяющая данным требованиям система должна иметь специальный ESD-зажим, расположенный в передней части направляющего паза (слота) и соединенный с "общей землей" крейта. Соответствующие ESD-полосы, расположенные на печатной плате могут либо (опционально) обеспечить постоянный контакт с ESD-зажимом даже после полной вставки модуля в слот объединительной панели, либо разорвать контакт до момента вставки модуля. В любом случае для ограничения тока разряда (0 Vdc) может потребоваться установка специального резистора между ESD-полосой и нулевой шиной питания. В соответствии со спецификацией VME между каждой ESD-полосой и земляным слоем печатной платы должны быть последовательно включено два резистора по 1 МОм.
Второй метод обеспечения защиты от электростатических разрядов использует "выравнивающие штифты", как описано в IEEE 1101.10.
Этот многоцелевой штифт обеспечивает наряду с другими возможностями защиту от электростатического разряда в момент подключения кабеля ввода/вывода к разъему на передней панели модуля, установленного в функционирующей системе (если к тому же выполняющий данное подключение персонал не "заземлен"). Электрический заряд при этом сразу стекает на шину GND крейта, минуя установленные модули.
Советы:
• Убедитесь, что ESD-зажимы имеются как вверху, так и внизу каждого слота крейта (в передней части).
• Убедитесь, что конструкция направляющих исключает неверную установку модулей (минуя ESD-зажимы).
• Убедитесь, что специальный экран, закрывающий печатную плату модуля со стороны установки навесных элементов, выполнен из антистатического материала.
3. IEEE 1101.10 (Ручки-инжекторы/экстракгоры)
Стандарт 1ЕС 297 на ручки, устанавливаемые на передних панелях, не обсуждался довольно давно. Считалось, что эти конструктивные элементы стандартизации не подлежат. В начале 80-х годов прикладной стандарт VME вобрал в себя самые распространённые варианты конструкции ручек и способов расположения их на передней панели. Приблизительно в середине 80-х годов в промышленности адаптирован вариант эжектора. Это решение до сих пор является промышленной нормой де факто для VME и VME64. Однако, когда разработчики Futurebus + отдали предпочтение метрической системе, проблемы, связанные с извлечением многоштыревых разъемов, изменили взгляды многих, в результате чего для метрических систем впервые была стандартизирована ручка-инжектор/экстрактор (IЕС 917-2-2, IEEE 1301).
Естественно, данное решение не подходило ни для 19-дюймовых систем, ни для VME. С появлением VME64x и CompactPCI потребность в разработке нового решения стала очевидной. Обычно сила вставления и извлечения в расчете на один контакт DIN-разъема либо метрического разъема с шагом 2 мм варьируется от 0,7 до 1,0 ньютона. Модуль VME64x формата 6U может иметь до 415 контактов разъёма, модуль CompactPCI формата 6U - до 565 контактов, а полностью сконфигурированный VIPA-модуль формата 9U - до 745 контактов. Далее, глубина контакта метрического разъема составляет б мм, что делает невозможным простое копирование конструкции ручек, применяемых в случае использования DIN-разъемов. При работе над IEEE 1101.10 особенно тщательно рассматривались все "за" и "против", касающиеся размеров интерфейса и всей конструкции ручки-инжектора/экстрактора для метрических систем. В результате появился стандарт, специфицирующий значительно усовершенстованный компактный инжектор/экстрактор, позволяющий, кроме того, разместить на плате направляющие ключи и выравнивающий штифт. Замечание: возможность самофиксации такой ручки, что отменяет обременительную, но обязательную, фиксацию передней панели винтами, а также упоминаемый в VME64x встроенный в ручку микропереключатель для применения в приложениях, где требуется вставка модулей под напряжением, стандартом IEEE 1101.10 не предусматривается. Для обеспечения взаимозаменяемости эти возможности не требуются, но в конструкции конкретного изделия присутствовать могут. В соответствии с требованиями ETSI (Европейского института по телекоммуникационным стандартам), новый инжектор/экстрактор не должен выступать за переднюю панель более чем на 38 мм.
Советы:
• При функционировании ручки как эжектора не должны повреждаться горизонтальные ЕМС-прокладки, которые могут быть установлены между модулями в передней и задней плоскостях крейта.
• Конструкция инжектора/экстрактора должна обеспечивать минимально возможное гарантированное число циклов подключения/отключения разъема (для VME - 400 циклов).
• Проанализируйте антивибрационные и противоударные характеристики механизма самофиксации.
4. IEEE 1101.10 (Ключи)
В большинстве VME-приложений, где ввод/вывод осуществляется через определяемые пользователем контакты разъема объединительной панели, некоторые модули могут занимать только конкретные слоты. Установка модуля не в тот слот может не только нарушить функционирование системы, но и привести к физическому повреждению (в случае разных напряжений питания).
Уже довольно давно для правильной установки модулей используется три варианта направляющих ключей, однако все они не подходят для VME64x. Первый вариант ключей мог бы быть частью 5-рядного DIN-разъёма (P1/J1-P2/J2), но нет свободного пространства. Второй вариант - это независимый DIN-разъем (P1/J1-P2/J2), для которого, однако, требуется несуществующее пространство между установленными на объединительной панели разъемами и вставляемыми модулями. Ключи третьего типа используются в метрическом разъёме (PO/JO) с шагом 2 мм и в ограниченном варианте (только для напряжений) могли бы заменить некоторые нужные контакты. Все три варианта требуют соответствующего совмещения с объединительной панелью. Чтобы выполнить эту установку в "полевых" условиях, необходимо извлечение расположенных рядом модулей, что само по себе нежелательно.
Никаких возможностей по установке ключей ни в, ни на, ни между разъемами системного крейта либо вставляемых модулей VME64x не имеет. В системе VME64x направляющие ключи должны располагаться в передней части системного крейта, быть программируемыми в условиях эксплуатации и допускать не менее 2000 комбинаций. В стандарте IEEE 1101.10 описана система ключей, программируемая в условиях эксплуатации, применимая в VME64x и обеспечивающая 4096 комбинаций для формата 6U и 64 комбинации для формата 3U.
Кроме того, для надёжной работы направляющих ключей предусмотрены многоцелевые "выравнивающие штыри".
Информация:
• Совместимость съемных ключей IEEE 1101.10 гарантируется всеми поставщиками.
5. IEEE 1101.10 (Выравнивающий штифт)
Назначение выравнивающего штифта:
• Вертикальная регулировка положения разъемов модуля относительно соответствующих разъемов объединительной панели во время вставки модуля. Данная характеристика чрезвычайна важна, если имеются какие-либо контактные выводы с предварительной подачей напряжения.
• Горизонтальная регулировка положения передней ЕМС-панели модуля относительно соответствующего слота системного крейта и выравнивание бокового давления, создаваемого вертикально установленной ЕМС-прокладкой ЕМС-панели.
• Обеспечение дополнительного контакта для стекания электростатических зарядов.
• Обеспечение надежного функционирования направляющих ключей.
Советы:
• Эта концепция использования выравнивающих штифтов применима для вставляемых модулей с минимальной шириной передней панели 4 HP (20,32 мм)
• ЕМС-заглушки любой ширины, для которых не нужны направляющие, могут при необходимости иметь свой механизм выравнивания. Убедитесь, что в вашем случае реализовано нейтральное (универсальное) решение, не обязательно требующее стандартизации (что позволит вам покупать оборудование у разных поставщиков, поскольку некоторые решения являются запатентованными, не подлежащими лицензированию и потому несовместимыми с другими решениями на рынке).
6. IEEE 1101.10 (Защитные экраны печатных плат)
Для обеспечения безопасности установки модулей в системные крейты могут понадобиться защитные экраны печатных плат, устанавливаемые со стороны установки навесных компонентов. Такой экран предотвращает случайный контакт проводящих компонентов или печатных проводников плат с элементами рядом расположенного модуля. Поскольку ЕМС-прокладки, устанавливаемые на передних панелях, могут выступать за границу слота на 0,1 мм, случайные контакты ЕМС-прокладок с навесными компонентам и проводниками соседнего модуля во время вставки/извлечения модулей почти неизбежны. Это может повредить ЕМС-прокладку либо привести к нежелательным электрическим помехам (особенно в функционирующей системе).
Советы:
• Убедитесь, что материал экрана обладает антистатическими свойствами и не является электропроводным.
• Убедитесь, что после установки экрана навесные компоненты печатной платы находятся в условиях адекватного охлаждения.
7. IEEE 1101.10 (Местоположение разъема)
Стандартные места установки в модуле и на объединительной панели 3-рядного 96-штырьково-го разъёма DIN 41612 (IEC 306-2) определены в IEEE 1101.1. Стандартные места расположения в модуле и на объединительной панели 5-рядного 160-штырькового разъёма (DIN-типа), а также 3- или 5-рядных центральных разъёмов (DIN-типа) определены в IEEE 1101.10.
Однако в VME64x в качестве центрального разъёма был выбран метрический 5-рядный разъем с шагом 2 мм. Использование коннекторов разных типов (DIN и метрического) в одной системе, в общем-то, возможно, но не может включаться в "базовый" стандарт. То же самое можно сказать и о выборе метрического коннектора с шагом 2 мм для CompactPCI. В обоих случаях "прикладные" стандарты (VME64x и CompactPCI) заменяют "базовые" стандарты и поэтому должны предусмотреть все необходимые для реализации системы детали.
Советы:
• Убедитесь, что выбранная вами объединительная панель удовлетворяет соответствующему прикладному стандарту.
8. Стандарт IЕЕЕ1101.11 крейтовых систем с установкой модулей со стороны задней панели
Этот дополнительный "базовый" стандарт рассчитан на системы с "передней" установкой модулей и соответствует стандартам IEEE 1101.1 и IEEE 1101.10. Кроме того, в нем содержатся спецификации для задней" установки модулей в той же самой системе в соответствии с IEEE 1101.11. Необходимо еще раз отметить, что данный стандарт является "базовым" стандартом, специфицирующим только коннекторы DIN-типа (IEC 603-2), поскольку обычно именно они применяются в VME-приложениях. Использование коннекторов обоих типов (DIN и метрического), как в VME64x, а также выбор только метрического коннектора для CompactPCI данным стандартом не предусматривается. Это предмет прикладных стандартов VME64x и CompactPCI. Тем не менее, основные принципы применения подключаемых модульных и системных интерфейсов базируются на IEEE 1101.11.
Стандарт IEEE 1101.11 предусматривает:
• спектр размеров модулей, используемых в системах с "задней" установкой
• определение размеров крейтов, допускающих заднюю" установку вставляемых модулей
Советы:
• Используйте такую систему крейтов, которая допускает модификацию в системе с защитой от электромагнитных воздействий в случае возникновения непредвиденных ЕМС-проблем.
• Используете систему с максимальным обдувом установленных модулей.
Заключение
"Базовая" стандартизация практики применения электронного оборудования так или иначе затронула всю электронную промышленность. Разработка некоторых стандартов заняла более 10 лет и привела к недопустимой ситуации. Производителям электронного оборудования необходимо понять, что в быстро развивающейся электронной промышленности сущность "базового стандарта" сейчас значительно отличается от того, что понималось под этим всего несколько лет назад - а именно: стандарт был "базовым" для отдельных рыночных сегментов, а не для всего рынка электроники. Непонимание этой тенденции приведет к появлению прикладных стандартов, применимых только к отдельным приложениям и бесполезных для любого другого потенциального сегмента рынка. Предлагающие базовое" электронное оборудование компании могут либо остановиться в своем развитии, либо вообще исчезнуть. Примерами интернациональных сегментов рынка, требующих с сегодняшней точки зрения создания "базовых" механических решений аппаратных средств, являются VME и CompactPCI. Способность распознать открывающиеся возможности чрезвычайно важна производителям электронного оборудования, опыт которых позволит в нужное время представить те самые базовые" решения.
Эйк Вольц (Eike Waltz), Rittal Corporation, руководитель проектов IEEE 1101.1, IEEE 1101.10 и IEEE 1101.11
Статья опубликована в журнале "Мир компьютерной автоматизации"
http://www.mka.ru/
