L’elettronica “robusta” si fa strada in nuove applicazioni

La disponibilità su scala sempre più ampia di dispositivi elettronici "rugged" (robusti, cioè in grado di continuare a funzionare in tutte le condizioni di lavoro) ha senza dubbio favorito l'utilizzo dei sistemi embedded in applicazioni che in precedenza non erano in grado di sfruttare appieno i vantaggi dei più recenti sviluppi dell'elaborazione embedded. Di questa disponibilità ne hanno beneficiato non solo le applicazioni esistenti, ma anche applicazioni completamente nuove che si sono affacciate alla ribalta grazie alla possibilità di utilizzare in maniera affidabile dispositivi elettronici in luogo a loro in precedenza preclusi.
In particolare la tecnologia embedded è ora ampiamente utilizzata per la realizzazione di una vasta gamma di applicazioni mobili e che prevedono l'uso di schede di piccolo formato, favorendo l'evoluzione tecnologica in settori molto diversificati tra di loro che spaziano dalle apparecchiature mobili medicali alle macchine per l'agricoltura industriale ai mezzi di trasporto pubblici. Il conferimento di un maggior grado di robustezza a sistemi e componenti è stato uno dei fattori che ha contribuito in misura maggiore a questa evoluzione. Oggi i sistemi embedded sono utilizzati nelle più svariate applicazioni: dalle apparecchiature per la risonanza magnetica a quelle a raggi X trasportabili, ai bus, alle automotrici fino agli aeroplani. Nonostante la loro diversità, queste apparecchiature hanno alcuni punti in comune. In primo luogo ciascuna di esse è mobile, per cui bisogna tener conto della presenza di sollecitazioni e vibrazioni. In secondo luogo devono operare in condizioni ambientali difficili, in presenza di polvere, umidità, calore e, nel caso di utilizzo sugli aeroplani, di radiazioni cosmiche. Lo spazio rappresenta un problema in qualsiasi tipo di apparecchiatura, indipendentemente dal settore applicativo specifico. Lo spazio nei sistemi elettronici va progressivamente riducendosi. All'esterno, in termini di spazio fisico, gli attuali sistemi o schede hanno a disposizione in spazi sempre più compressi: un tipico esempio è rappresentato dalle applicazioni con limiti di spazio. All'interno, più componenti si contendono uno spazio sempre minore a bordo di sistemi che, nonostante la loro compattezza, richiedono l'integrazione di un numero crescente di funzionalità: ciò molte volte significa dover ricorrere a un numero ancora maggiore di componenti, o a componenti integrati, che a loro volta generano problematiche in termini di dissipazione del calore. A questo punto sorge spontaneo chiedersi quale modalità un progettista deve seguire per sviluppare un sistema robusto e affidabile in spazi ridotti e con un occhio di riguardo ai costi.

I vantaggi della "robustezza"

La durata operativa di ciascun elemento che concorre a formare un sistema embedded varia in funzione della specifica applicazione, che a sua volta determina la scelta dei componenti da utilizzare per la realizzazione del progetto.
Gli sviluppi in corso che riguardano componenti, tecnologie e standard in vigore nel mondo embedded hanno permesso di ampliare le scelte che i progettisti hanno a disposizione per realizzare sistemi capaci di soddisfare i requisiti dell'applicazione considerata. Il concetto di "robustezza" (ruggedization) deve essere intrinseco, quindi presente già nelle fasi iniziali del progetto di un componente e non una caratteristica aggiunta una volta terminata la fase di sviluppo o dopo che si è già proceduto alla definizione di alcuni parametri che influenzeranno la modalità operativa del prodotto. Il conferimento delle doti di "robustezza" necessarie si ottiene molto più facilmente durante le prime fasi del progetto di un componente.

I vantaggi della standardizzazione

L'industria embedded, nel corso della sua evoluzione, ha sviluppato molte idee, alcune adatte allo scopo per il quale sono state concepite e altre che non hanno conseguito appieno l'obbiettivo prefissato. Ma una cosa è chiara: un ecosistema ampio e articolato che coinvolga un gran numero di produttori e capace di garantire agli utenti flessibilità, scelta di un gran numero di opzioni e possibilità di miglioramento fornisce a una piattaforma tecnologica la possibilità non solo di sopravvivere, ma anche di evolvere. La standardizzazione è un fattore che favorisce la crescita all'interno di un ecosistema in parecchi modi, tra cui:
- promozione di una piattaforma universale sulla quale gli utenti possono sviluppare sistemi in grado di garantire l'interoperabilità gli uni con gli altri;
- garanzia di un funzionamento corretto e sinergico dei componenti presenti all'interno di un sistema. Rafforzamento di una community di sviluppatori e produttori che cooperano alla crescita dell'industria nel suo complesso. Oltre a rendere disponibile una rete di produttori che dà ai fornitori dell'utente finale numerose opzioni di sviluppo e un'ampia possibilità di scelta, una piattaforma standardizzata semplifica e riduce i tempi di progetto oltre ad assicurare una maggiore flessibilità. Lo standard Vita 59 Rce (Rugged Com Express) mette a disposizione dei progettisti di sistemi embedded un formato compatto, una piattaforma standard e prestazioni affidabili in ambienti particolarmente ostili. Basato sugli standard Picmg Com.0 (Com Express), Vita 59 non solo sfrutta i fattori di forma ridotti o Sff (Small Form Factor) e i concetti di intercambiabilità dello standard originale, ma aggiunge la caratteristica di "robustezza" e un certo numero di interfacce seriali, oltre a definire un pin-out che garantisca la compatibilità tra i moduli di differenti produttori (si faccia riferimento al riquadro). Questo standard sancisce anche la collaborazione, per la prima volta, tra Picmg e Vita che hanno voluto proporre uno standard che porterà sicuramente benefici all'intera community che si occupa di elaborazione embedded. Lo standard Vita 59 Rce utilizza tre dei quattro fattori di forma più ampiamente diffusi dello standard Com Express di Picmg, unitamente a tutti gli associati elementi meccanici e al pin-out. All'interno di questi fattori di forma, un modulo Vita 59 prevede l'aggiunta di apposite alette di lunghezza pari a 5 mm per il raffreddamento e il montaggio. Di seguito sono riportate le dimensioni meccaniche dei moduli conformi a Vita 59.

Un approccio ottimizzato

Modularità - Un approccio che prevede l'uso di blocchi base per il progetto di sistema consente di sviluppare in tempi brevi componenti per sistemi personalizzati. Poiché i componenti principali sono standardizzati, il tempo di sviluppo è ridotto al minimo (o addirittura assente) e le risorse possono essere destinate all'implementazione delle specifiche dell'applicazione. I moduli standardizzati possono essere sostituiti o aggiornati con facilità, con conseguente aumento della durata del sistema complessivo.
 
Flessibilità - L'adozione di configurazioni di I/O flessibili assicura ai progettisti la più ampia libertà di scelta in termini di sviluppo e di definizione delle funzionalità del sistema. Un modulo può essere adattato in modo semplice ed economico alle particolari esigenze dell'applicazione considerata in termini di funzionalità e di resistenza ai fattori ambientali a cui sarà soggetto durante il funzionamento - sollecitazioni, vibrazioni, temperatura, polvere e umidità.

Integrazione - Poichè i componenti sono basati sulla medesima piattaforma standardizzata, l'integrazione risulta più semplice, con riflessi favorevoli sia sui costi sia sul time-to-market. I moduli Com "ruggedized” possono essere configurati per l'uso in un'ampia gamma di piattaforme da utilizzare nelle più svariate applicazioni - da quelle a bassi consumi a quelle che richiedono prestazioni spinte - mentre le dimensioni della scheda Pcb e il pin-out standardizzati garantiscono la compatibilità tra le piattaforme.

Meccanica - Lo standard Vita 59 prevede una maggiore protezione contro i disturbi elettromagnetici al fine di ridurre sia i rischi sia i costi di qualificazione e garantire nel contempo un'ulteriore protezione meccanica contro sollecitazioni e vibrazioni, consentendo in tal modo l'uso dei moduli in applicazioni in ambienti severi, tipici ad esempio dei settori ferroviario e militare. La chiusura sigillata impedisce che umidità e polvere possano compromettere il funzionamento della componentistica elettronica.

Gestione termica - I sistemi di piccole dimensioni sono, per loro stessa natura, più soggetti al problema dell'accumulo di calore e sono quindi chiamati a proteggere i circuiti elettronici ospitati al loro interno dai danni provocati da questo fenomeno. Lo standard Vita 59 prevede il funzionamento nell'intervallo di temperature compreso tra -55°C e +125°C è utilizza le caratteristiche di trasferimento termico della Cpu, oltre a connettori adeguati e collegamenti solidi tra il chip, il telaio del modulo, la copertura e la scheda carrier. Il calore proveniente dalla Cpu è trasferito alla copertura metallica della parte superiore e quindi a sei alette di raffreddamento accoppiate con il telaio del modulo in modo da consentire il raffreddamento per conduzione. Nel caso fosse richiesto un ulteriore raffreddamento, è possibile posizionare un dissipatore di calore sulla parte superiore della copertura del modulo.

Applicazioni medicali

Solo fino a un decennio fa, trasportare un paziente al quale era applicato un ventilatore nel reparto di terapia intensiva era un'operazione che presentava alcuni rischi in quanto l'unità doveva resistere ai traballamenti dell'ascensore, agli urti contro gli stipiti delle porte e alle spinte a cui era soggetta durante il tragitto e il posizionamento all'interno della camera del reparto. Ora, grazie all'uso di sistemi elettronici compatti e robusti è possibile semplificare le cure ai pazienti migliorando nel contempo la qualità della vita. Attualmente per il controllo della ventilazione nelle apparecchiature medicali mobili e per il monitoraggio contemporaneo dei parametri vitali del paziente si fa ricorso a sistemi elettronici robusti. Ad esempio un produttore ha sviluppato una scheda carrier che integra funzionalità e I/O specifici per soddisfare i requisiti previsti per il monitoraggio e il controllo della ventilazione del paziente. Dispositivi del tipo appena descritto devono funzionare in prossimità di numerose altre parti di apparati medicali, tutti di importanza fondamentale per la sicurezza del paziente. Per questo motivo uno degli aspetti più critici è legato alla compatibilità elettromagnetica: in questo caso bisogna verificare l'effetto sia delle interferenze sul ventilatore indotte dalle altre apparecchiature sia delle interferenze prodotte dal ventilatore stesso sugli altri dispositivi. Grazie alla conformità alle specifiche Vita 59, il modulo in questione è in grado di garantire valori molto bassi di Emc e ottime prestazioni per quel che concerne le scariche elettrostatiche: esso infatti è sigillato all'interno di un alloggiamento completamente protetto contro i disturbi elettromagnetici. Poichè un ventilatore regola il respiro di un paziente, un'interruzione del funzionamento, anche per una frazione di secondo, può avere conseguenze molto gravi. Il sistema cui si fa riferimento in questo esempio è stato progettato per resistere a sollecitazioni fino a 25 G e a vibrazioni fino a 2,5 G in modo da assicurare che, anche nel caso il paziente debba essere trasportato, l'elettronica del sistema continui a funzionare, a tutto vantaggio della sicurezza del paziente.

Applicazioni nel transportation

I sistemi elettronici con caratteristiche di "robustezza" non solo rappresentano un valido ausilio per trasportare in modo sicuro i singoli pazienti, ma sono ampiamente utilizzati nel settore dei trasporti pubblici per consentire gli spostamenti giornalieri di un gran numero di persone. I sistemi ferroviari moderni, ad esempio, traggono numerosi vantaggi dall'adozione di schede elettroniche rugged di piccolo formato. (Fig. 3). Dai sistemi ferroviari fino alla singola carrozza, l'elettronica è impiegata per automatizzare, semplificare e gestire la grande quantità di dati che permettono ai treni di viaggiare in orario, ai viaggiatori di essere informati e al sistema di funzionare in maniera efficiente e sicura.
I moduli Rugged Com Express sono utilizzati ad esempio per aggiornare il display presente all'interno della cabina di guida di un treno e consentire al conducente di accedere a tutti i dati disponibili sulla rete ferroviaria. La potenza di elaborazione dei processore Amd che equipaggia il sistema abbinata all'affidabilità dell'elettronica presente a bordo permette al conducente di disporre di una quantità maggiore di dati in tempi più brevi senza incorrere nel pericolo che il sistema possa andare off-line. Per esempio, un pannello frontale con grado di protezione IP65 posizionato sul display corredato da tasti a sfioramento permette al conducente di accedere ai dati in maniera estremamente semplice, assicurando nel contempo che il display non possa essere in qualche modo compromesso dall'azione di elementi ambientali come ad esempio polvere e umidità. Il rivestimento mediante conformal coating delle componenti elettroniche garantisce il corretto funzionamento del sistema, assicurandone una corretta operatività per un periodo di tempo più lungo. Per quanto concerne la rete ferroviaria, i progettisti di sistemi stanno utilizzando component elettronici sempre più avanzati e robusti sia per i controlli centralizzati sia per i sistemi di diagnosi e controllo remoti. Un costruttore di treni merci, ad esempio, ha adottato un sistema che, sebbene completamente custom, è perfettamente conforme alle specifiche dello standard EN 50155 in vigore sulle ferrovie europee.
Grazie all'impiego di componenti conformi a Vita 59 le odierne automobile possono essere equipaggiate con sistemi elettronici avanzati ospitati in spazi molto ridotti che risultano in ogni caso perfettamente compatibili con le specifiche in vigore in questo settore. I sistemi elettronici utilizzati in questo comparto devono essere protetti contro sollecitazioni, vibrazioni e agenti esterni e funzionare nell'intervallo compreso tra -40°C e +125°C utilizzando un raffreddamento di tipo passivo.

Applicazioni nell'edilizia

Uno dei settori che in tempi recenti ha iniziato ad adottare sistemi elettronici "robusti" di tipo Sff è quello dell'edilizia. Gli elevatissimi livelli di sollecitazioni e vibrazioni tipici di questo comparto hanno per molto tempo precluso l'impiego di soluzioni elettroniche embedded nelle apparecchiature per l'edilizia.
In grado di soddisfare i requisiti, in termini dimensionali e di robustezza, delle apparecchiature per l'edilizia, lo standard Vita 59 sta creando sempre nuove opportunità di utilizzo dei sistemi di elaborazione embedded. Questa tendenza è destinata a continuare grazie alla capacità dell'elettronica di assicurare affidabilità di funzionamento in un numero sempre crescente di ambienti dove compattezza e mobilità rappresentano elementi critici.

Uno sforzo congiunto

Lo standard Vita 59, oltre a fornire un metodo standardizzato per sviluppare sistemi elettronici "robusti" in applicazioni dove lo spazio è ridotto, è conforme alle linee guida di due importanti organizzazioni industriali. In sintesi, sfrutta in maniera ottimale i concetti sviluppati da Picmg e Vita per mettere a punto la piattaforma sulla quale sviluppare i sistemi di elaborazione embedded compatti e affidabili delle prossime generazioni. Perchè un ecosistema possa sopravvivere è necessario che abbia le risorse interne atte a garantire supporto ed evoluzione. Come evidenziato dall'uso dell'elettronica "rugged" sia per aggiornare sistemi datati sia per trovare nuovi sbocchi applicativi, i moduli elettronici Sff si diffonderanno in un numero sempre maggiore di applicazioni embedded, garantendo, oltre all'affidabilità sul lungo termine, la possibilità di realizzare sistemi elettronici avanzati con prestazioni in linea con le future evoluzioni.

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