工控机芯片选型浅析

工控机即工业控制计算机，俗称工业电脑，英文全称Industrial Personal Computer，简称IPC。工控机顾名思义是专门为工业应用场景提供的计算机，本质也是一台电脑，只不过有着自有的设计技术与标准，IPC需要有较强的抗干扰能力，还能经受得住振动、灰尘、潮湿、电磁辐射等恶劣的室内外工业环境。

图1、工控机(图源：英康仕)

工控机按应用场景可分为IPC(PC总线工业电脑)、PLC(可编程控制系统)、DCS(分散型控制系统)、FCS(现场总线系统)及CNC(数控系统)五种。

工控机按机箱高度可分为1U，2U，3U，4U，5U，6U，7U，8U等类别，一个1U的高度是44.5mm，其他高度依次类推;上架式宽度也是有固定标准的，箱体统一宽度为430mm，带把手宽度为482mm，称之为上架式19英寸机箱。

工控机按安装方式还可分为卧式、壁挂式和嵌入式工控机。按主控芯片架构则可分为X86、ARM、RISC-V和龙架构等工控机。

工控机硬件构成与个人电脑区别不大，都是由主板、CPU、内存、硬盘、显卡、声卡、电源、散热风扇、接口和连接器、纽扣电池和阻容感组成。应用于不同场景的IPC接口类型也不同，常见的接口类型有COM口、VGA接口、RS-232/485接口、LAN接口、CAN接口、USB接口、音频接口、HDMI接口、Profinet接口、PCI/PCI-E接口、SATA接口等。

图2、工控机主板(图源：固耐普)

研发和设计一款工控机，工控主板是核心，基于实际应用场景和客户的碎片化需求，每个工控机制造商也都卖工控核心板，更方便客户定制。工程师研发一款工控机，工控主板的设计以及器件选型尤为重要。

1、工控主板的元器件选型

工控主板研发阶段的选型耗时更久，以保证产品能在恶劣条件下工作，元器件的高可靠性排在第一位。简单来讲工控主板的元器件需要适应宽温环境，就得选择-40℃-85℃工业级物料，CPU原厂英特尔、AMD、威盛、龙芯中科、飞腾、兆芯等都有推出相应的工业级芯片，还有固态电容器、封闭电感和电阻等，均需选用工业级，耐高温、抗潮湿等特殊应用场景元器件的湿敏等级需要注意，或者专门为防水设计，才能有效保证在恶劣环境下(寿命期内永久开机、气候恶劣、潮湿、振动、多尘、辐射、高温等等)正常工作。工控主板针对的是工业市场，因此出于可靠性稳定性的要求，每一款主板在上市前都会做CE、EMC、FCC、QA realbility、CCC、震动、跌落、防水防潮、老化等工业级测试认证，这也会拉长了设计周期及拉高了研发成本。

2、工控主板的电容选型

工控主板采用的是高质量的贴片式的固态电容、钽、陶瓷电容，即使使用的电解电容，对其品质、性能及寿命要求也远高于消费类电子产品，现在的工控主板都基本上采用固态电容，特别中高端的工控主板。商用主板基本都是大量采用针脚式的大电解电容，因为大电解电容成本低、容值大一个可以顶多个贴片或坦电容。从性质来说，电解电容稳定性不及钽电容、陶瓷电容高，寿命不及它们长，耐高温程度不及它们好。贴片式电容比针脚式电容更加稳定。从价格上，钽电容比普通的电解电容要贵，且由于钽电容的电容量较小，使用在主板上时，需要使用更多数量的电容，单单钽电容的成本就是电解电容的几十倍，这也是导致工控主板比商用主板成本价格高的原因之一。随着国产固态电容器厂家越来越多，固态电容器的价格的下降，现在的高档次的商用主板都在使用固态电容器。

3、工控主板的PCB

商用主板采用的是4层PCB设计，一般的PCB线路板分有四层，最上和最下的两层是信号层，中间两层是接地层和电源层，将接地和电源层放在中间。工业主板采用的是6层以上PCB线路板设计，其设计是为了加强主板的抗电磁干扰、电磁兼容能力，增强主板的稳定性等等。工控主板由于其针对的是工业市场，对抗电磁波干扰能力要求较高，需要通过EMI、EMC等测试和认证。这需要从两个方面考虑，一是从主板的线路布局设计上考虑，二是从机箱选料和结构、电源、接地情况上进行考虑。

4、工控主板的寿命

与商用主板两三年使用寿命不同，大多数的工控主板寿命要求在3年以上，部分高品质的工控主板，使用寿命要求甚至达到5年以上。

5、工控主板的稳定性

工控主板被要求7*24小时无间断工作，遇到宕机在所难免。因此工控主板需加强遇到死机等异常情况的考虑，专门设计电源保护、看门狗电路、防浪涌冲击等功能，全力的保证系统在恶劣环境的高稳定性的要求。

碎片化的工控机市场，也让工控机芯片的毛利率比商业级高很多。除了英特尔、AMD、威盛、龙芯中科、飞腾、兆芯、苏州国芯、申威、中科海光、合芯科技、华为鲲鹏等CPU厂商，恩智浦、亚德诺、英飞凌、瑞萨、意法半导体、微芯、瑞芯微、全志、极海、中颖、中控微、先楫半导体、晶华微、芯旺等MCU厂商，德州仪器、亚德诺、恩智浦、进芯、宏云、创成微、昊芯等DSP厂商;英特尔/阿尔特拉、AMD/赛灵思、莱迪思、微芯/美高森美、ACHRONIX、易灵思、安路、京微齐力、复旦微、紫光国微、智多晶、高云、紫光同创、亿海微、遨格芯微、成都华微等FPGA厂商，三星、SK海力士、铠侠、西部数据、世迈科技、美光、ALLIANCE、睿达、科美存储、宇瞻、劲永、创见、研华、宜鼎、建兴储存、威刚、佰维、金泰克、元存、至誉、FORESEE、嘉合劲威、深圳云存、大普微、十铨、玖合等工业级内存或硬盘厂商。

至于被动元件和外围器件，还是记住第一要素也选工业级(-40℃-85℃)。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平台，过去数年已积累了丰富的工业芯片的优势货源。我们聚焦服务元器件长尾客户群，让每一家芯片原厂或分销商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，帮助工程师的方案选型、试样及采购，为电子产业供需略尽绵薄之力。

审核编辑黄宇