嵌入式系统采用ARM计算机模块方案其物理接口可靠性分析

嵌入式系统采用ARM计算机模块方案其物理接口可靠性分析
By Toradex 秦海
   嵌入式系统设备的主要特点是高可靠性，形态多样，使用环境复杂，因此对于核心控制部件的方案选取就需要结合实际应用充分考虑其物理可靠性。ARM和X86平台相比具备天然的低功耗特性，可以采用无散热或被动散热方案，同时支持WinCE等嵌入式操作系统，使得可靠性方面会大大提高，因此本文着重讨论基于ARM的嵌入式系统；同时，随着ARM芯片和嵌入式设备的发展，其设计复杂度和工艺难度也越来越高，采用核心模块化设计则可以简化设计和生产难度，从国外仪表，汽车等众多嵌入式领域应用发展来看，模块化设计都逐渐被广泛采用，那么究竟采用ARM核心模块能否导致系统可靠性下降呢？下面就从接口形态，固定方式和具体测试实例等几方面做一个分析。
1. 计算机模块和载板的接口形式
 ./ 板到板插针连接 – 如经典的PC104计算机模块所采用的连接方式，优点是插接稳固，成本低廉；缺点是尺寸较大，反复插拔易损坏，且不适合高速总线传输。

 ./ 板到板专用连接器 – 如PICMG Com Express计算机模块所采用的双220pin连接器，其优点是由于模块上下直插，稳固性相对好；缺点是采用专用连接器，成本较高，同时反复插拔易损坏。

 ./ 金手指 – 目前ARM核心模块采用较多，如200pin SODIMM、314pin MXM连接器等，其优点是插拔方便且次数多，通用连接器成本较低；缺点是特殊环境需配合额外固定方式来保证震动稳固性，同时需要较高的生产工艺保证金手指可靠性和耐久性。

 ./ 焊接 – 顾名思义，将模块直接焊接到载板上面，其优点是直接焊接无需额外固定，没有连接器尺寸相对更精简；缺点是生产工艺同样要求较高，尤其尺寸较大时失效率会很高，且可测试性差，易受应力影响，另外损坏后不易修复更换。

 
2. 综上，目前金手指方案是认可度较高的，其缺点也相对容易规避，因此下面就对金手指连接的可靠性做进一步分析。
 ./镀金 – 金手指不可避免的要涉及到镀金，一般现在有化学沉金和电镀金两种方式，化学沉金具有非常好的可焊性，同时成本低，但镀金层较软；电镀金则镀层紧密，硬度高，但成本相对较高。所以就金手指而言，选用电镀金则有更高的接触可靠性。
 ./ 额外固定 – 对于在特殊环境中运行的嵌入式设备如汽车、数控机械设备等，对于震动可靠性有更高的要求，则需要对金手指连接进行额外固定，常见的固定方式主要有下面两种：
 1）通过螺丝和支柱将模块和载板锁住，成本低廉，但由于是刚性固定可能会对模块或载板造成应力不均，同时螺丝在持续震动环境下有可能慢慢松脱。
   
 2）通过特殊固定卡子将模块和载板固定，如Toradex Colibri Fastener配件，成本较螺丝要高，但固定可靠性更好。
 
3. 震动冲击测试实例 – 下面就列出基于Toradex PXA310 ARM核心计算模块（其采用200pin SODIMM连接器）配合Colibri Fastener V1.0进行震动测试的结果给读者作为参考。
 ./ Vibration
 ISO 16750-3 – ISO 车辆电子电机实验标准16750-3机械负载测试项
 10-2000Hz @ 58m/s²
 EN 60068-2-64:2009： EN 60068 环境测试2-64宽频带噪声
 10-2000Hz @ 49m/s²
 EN 60068-2-6:2008： EN 60068 环境测试2-6正弦曲线振动
 2-500Hz @ 20m/s²
 ./ Shock
 IEC 60068-2-72： IEC 60068环境测试2-72冲击测试项
 40G for 11ms
4. 结论
 综合以上分析，ARM核心计算机模块是完全可以胜任嵌入式系统设备的苛刻应用环境并提供高可靠性支持的，当然前提是要选择合适的连接方案和具备可靠工艺的模块产品，而金手指方案相对更具备成本可靠性优势，因此采用金手指方式连接的ARM核心计算机模块应该是嵌入式设备模块化的首选，在汽车行业，奔驰、特斯拉、阿斯顿马丁等品牌都选用这样的模块化产品来实现车载系统，也用实际应用印证了这个结论。