Inleiding:

Vandaag de dag zijn er zeer veel toepassingen die de inzet vergen van een serieuze computer. Afhankelijk van de toepassing en situatie zijn er diverse manieren om die inzet te implementeren. In een industriŽle installatie met volop ruimte kan er vaak worden volstaan met een standaard PC of IPC. Wanneer de ruimte wat minder wordt kan er meestal nog wel gebruik gemaakt worden van complete IPC boards, zoals de bekende PC104, 3½" of 5¼" systeemborden. Wanneer echter daar ook geen ruimte voor is, of wanneer er andere specifieke eisen zijn, zoals beperkte koelmogelijkheden, of ongewenste bekabeling, dan moet er vaak gebruik gemaakt worden van custom oplossingen.

Omdat het nogal een opgave is om een compleet computerboard te ontwerpen, zijn er in de loop van de tijd diverse boards op de markt gekomen die een complete PC vormen, maar die bedoeld zijn om als component op een baseboard geplaatst te worden. Deze staan algemeen benoemt als "Computer On Module". De bekendste en meest universele bouwvorm van deze modules zijn die volgens de ETX en XTX standaarden.

ETX/XTX standaard:

Deze modules hebben vier 100-polige connectors voor de verbinding met het baseboard. Deze connectors zijn benoemd als X1 tot X4. Het verschil tussen ETX en XTX modules zit hem in X2; bij ETX voorziet die connector in een ISA bus, terwijl die bij XTX gebruikt is voor PCI-express, SATA, extra USB en diverse andere ´moderne ´ PC interfaces.

  X1 PCI (4 devices), 4 x USB2.0, Line in, Line out, Mic, 5V power.
  X2 (ETX) ISA, 5V power.
  X2 (XTX) 4 x PCIexpress, 2/4 x SATA, 2 x USB2.0, AC97, LPC, 5V power.
  X3 2 x COM, LPT or Floppy, VGA, LVDS, TV-out (optional), 2 x PS2, 5V power.
  X4 Ethernet, 1/2 x IDE, ATX signals, 5V power.

ETX module



X3
 
ETX module bottom




X1



X4

 



X2

 
      Boven- en onderaanzicht van een ETX module

Meer informatie over de ETX standaard is te vinden op de ETX - Industrial Group website.

Baseboard, mechanisch:

Het baseboard voor een systeem met een ETX of XTX module moet voorzien in een viertal 100-polige Hirose connectors voor de verbinding met de module. Verder zijn er vier montage gaten voor M2.5 schroeven. Deze Hirose connectoren zijn verkrijgbaar in twee maten; de standaard connector resulteerd in een board-to-board afstand van 3mm, met de alternatieve connector is dat 9.5mm. In dat laatste geval blijft er onder de module dus nog 7.5mm vrije ruimte voor allerhande componenten zoals voeding en dergelijke. Bij de standaard connector is dat slechts 1mm, waardoor de ruimte onder de module dus in feite verloren is.

ETX Baseboard sample
   Highend ETX baseboard prototype voor Cargo/Unigo/Mergo systemen

Koeling:

Bij modules die volgens de standaard ontworpen zijn en geleverd worden is er geen koeling aanwezig. De standaard schrijft namelijk een thermische interface voor die bestaat uit een heatspreader die 8mm boven de module print ligt. Op deze thermische interface of heatspreader moet de ontwerper cq de bouwer van het systeem dan nog een koelinrichting toevoegen. De heatspeaders zijn normaliter 2mm dik, de maximale hoogte van de componenten op de module moet dan binnen 6mm blijven. In de laatste versie van de ETX standaard (3.0.2) wordt de fabrikant vrijgelaten in de dikte van de heatspreader, maar de meesten blijven toch die 2mm aanhouden omdat anders de thermische geleiding en de mechanische sterkte teveel afnemen.

    ETX heatspreader profile
     Dwarsprofiel van ETX module en standaard heatspreader

In de praktijk kunnen veel leveranciers van ETX modules ook complete koelplaten leveren die in plaats van de standaard heatspreader gebruikt kunnen worden. Nadeel van zulke oplossingen is natuurlijk wel dat de totale oplossing daarmee erg fabrikant afhankelijk wordt, aangezien elke fabrikant zijn eigen ideeŽn heeft over deze niet-standaard koelplaten.

Omdat de kwaliteit van de standaard heatspreaders vaak nogal onder de maat is, is het vaak gunstig om een koelplaat te ontwerpen die ook meteen de functie van heatspreader overneemt. Dat vereist wel de nodige aandacht voor de opbouw van een thermische stack tussen de processor en koelplaat, maar heeft dan wel een effectievere werking dan de standaard benadering. Op deze manier blijft ook de keuze van ETX fabrikant veel vrijer omdat er geen afhankelijkheden meer zijn van bevestigingsmethoden en dergelijke.

ETX heatsink sample
12.5mm, 0.7°C/W bij ~2.2m/s
ETX heatsink sample
27mm, 2.8°C/W (1.1°C/W bij 1m/s)
thermal stack op U2500
dikte ~4.5mm, 0.26°C/W

   Enkele custom ETX koelplaten en een thermal stack

Referentie projecten:

Voorbeelden van projecten die uitgevoerd zijn of worden met inzet van ETX modules:



  Mobile computer system
Car computer met FM radio's, dubbel audio systeem, GPS en diverse interfaces voor integratie met auto elektronica. Omwille van de vele extra elektronica op het boardboard is deze uitgerust als een 6-layer print. Behalve de gebruikelijke zaken als disken en USB aansluitingen heeft dit baseboard ook nog twee PCI controllers en diverse USB devices aan boord.
  Custom industrial PC
IndustriŽle computer met CoreDuo processor en 24V DC voeding voor montage in een 19" modulair rack. De XTX module met een U2500 ULV Coreduo en een custom koelplaat is hierbij op een eurokaart formaat baseboard gemonteerd middels de 9.5mm hoge Hirose connectors. Daardoor is er voldoende ruimte voor de voeding en een compact flash socket. De onderzijde van het baseboard is gereserveerd voor de montage van een 2.5" hard disk.

Alternatieve CPU modules:

Naast ETX en XTX komen er tegenwoordig ook veel COM-Express modules op de markt. Met name in het hogere segment, dwz met Core Duo processors, lijkt deze standaard het zelfs min of meer over te gaan nemen van ETX.

Dat is betreurenswaardig omdat ETX enkele belangrijke voordelen heeft tov COM-Express:

  1. COM-Express kent vele varianten qua afmetingen een connectorconfiguraties waardoor er geen sprake is van een eenduidige standaard.
  2. COM-Express vereist een 12V voeding. Met name in automotive toepassingen is dat een vervelende spanning omdat daarvoor een voeding nodig is die zowel omhoog als omlaag kan regelen. Daarnaast is er gewoonlijk ook nog een 5V voeding nodig voor bv een harddisk en andere periferie. Bij ETX daarentegen kan vaak worden volstaan met een enkele 5V voeding, die bij automotive een gewone step-down regelaar kan zijn.
  3. Bij het veel voorkomende eurokaart printformaat van 100x160mm kan de 11mm langere COM-Express een vervelend nadeel zijn. Dit kan voorkomen worden met een micro COM-Express die slechts 95mm lang is, maar daarmee word het aanbod wel sterk beperkt.
  4. De grote spreiding van de aansluitingen op de ETX en XTX modules maken het routen van een baseboard aanzienlijk eenvoudiger. Bij COM-Express komen de 400 signalen namelijk op ŤŤn punt op het board.

COM-Express heeft ook nog een voordeel; in tegenstelling tot de gemiddelde ETX module is er op deze boards in de regel wel voorzien in een redelijk robuuste bevestiging van een heatsink. Voor onze ontwerpen is dat echter geen issue omdat we al een thermische interface ontworpen hebben die de toleranties van de ETX modules opvangt zonder de module mechanisch over te belasten.





English