嵌入式工控机技术趋势
2011-8-24 7:39:10
1、PC技术推动了嵌入式工控机技术的发展
嵌入式工控机是嵌入在工业系统内部，在工业极端环境里能够连续长期稳定可靠工作的工业型计算机。随着IntelCPU和MicrosoftDOS/WINDOWS架构演变成事实上的标准，ISA/PCI总线加固型工业PC（IPC）开始向工业领域渗透。IPC虽然经过了工业化改造（如取消了大母板，采用无源背板、插卡式模板，工业电源，全钢密封机箱微正压散热，温度自动检测和调整等），但其本质上仍然不是工业型PC，不能从根本上解决大母板水平放置、抗震动冲击能力差、非均匀散热、元器件失效率高、平均修复时间（MTTR）长、维护困难等问题，难以满足工业控制任务的苛刻要求。为了满足市场对工业型计算机的要求，除了VME总线工控机外，产生了一系列基于PC的、与ISA/PCI总线标准兼容的嵌入式工控机，其中比较有代表性的是CompactPCI/PXI总线、AT96总线、STD总线、STD32总线、PC/104和PC/104-Plus总线嵌入式工业控制机。
2各种总线的嵌入式工控机向高性能、高可靠方向发展
（1）VME总线工控机仍然是主流产品，但开始融入PC技术
历史上，VME总线工业控制机一直是许多嵌入式工业应用的首选机型。
1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司发明了VME总线，从此VME总线工业控制机在图像处理、工业控制、实时处理和军事通讯中得到了广泛应用。1987年，VME总线被批准为国际标准IEEE1014-1987。
VME总线接口为2个96芯的针孔连接器P1和P2（6U欧洲卡），其中P2的外侧2排针由用户自定义，以满足用户的特殊要求。VME总线的数据宽度为32位，最大总线速度是40MB/sec。
1996年的新标准VME64（ANSI/VITA1-1994）将总线数据宽度提升到64位，最大数据传输速度为80MB/sec。由FORCECOMPUTERS制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了320MB/sec。
VME总线工控机是实时控制平台，大多数运行的是实时操作系统，如UNIX、VxWorks、PSOS、VRTX、PDOS、LynOS以及VMEXEC，由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。
VME总线OEM产品由众多的制造商支持，主要采用Motorola公司的68K系列微处理器，如25M/33M的68060。现在越来越多的VME总线SBC的制造商开始采用Intel公司和AMD公司生产的微处理器，如DY4Systems、ConcurrentTechnologies、VMIC、PEPModular、Computers，以及SBSEmbeddedComputers等公司，最新产品已经采用了500MHz的PentiumⅢ处理器，也有一些产品采用PowerPC等其它处理器，但市场份额很小。
1987年VXI总线联合会成立，其目标是定义板级仪器标准，即VME扩展仪器仪表总线。VXI总线工控机以VME总线为内核，将欧洲卡尺寸扩展为四种：VXIA（3.9inx6.3）、VXIB（in9.2inx6.3in）、VXIC（9.2inx13.4in）及VXID（14.4inx13.4in），其中现在最常用的是VXIC规格。
1993年，VXI规范被采纳为国际标准IEEE1155。VXI总线工控机规定的操作系统类型有DOS、WINDOW3.1、WINDOWS95、WINDOWSNT、Solaris1和2、HP-UX、MacOS以及SCOUnix。
从VXI总线和VME总线工控机运行的操作系统可以看出：VXI总线工控机制造商希望兼容主流计算机市场提供的丰富而廉价的应用软件开发工具包、外设和驱动软件，而VME总线只能利用OS制造商或第三方合作伙伴提供的专用开发环境和外设工作。
（2）加固性ISA/PCI总线工控机仍然占有一定的市场份额
现在工业控制机已经发生了很大的变化，过去专用的封闭式的架构迅速被PC技术的开放式架构所取代，其中最重要的原因之一就是软件的兼容性。工业控制机用户过去和现在都希望使用与所熟悉的桌面PC机相同的操作系统和开发工具，这就导致了开放式桌面PC在工业环境中的直接应用。然而，桌面PC机技术是面向每年2000亿美元的商用机市场的，而不是相对比较小的工业计算机市场的，它不具备工业级性能：抗强震动、冲击、高温、潮湿和具有快速修复能力（MTTR一般小于5分钟）。由桌面PC技术衍生的ISA总线加固型计算机在工业上得到了相当广泛的应用。
1992年6月，Intel公司开发了快速的开放式PCI总线规范，作为局部和低层次的内部处理器总线。在两年之内几乎每个处理器制造商都将PCI作为计算机内部芯片级互连总线，而且自然地发展成了板极互连总线。1995年6月PCISIG正式公布了PCI局部总线规范2.1版，同时PICMG推出了第一个标准PCI/ISA无源背板总线标准，这样，加固性PCI/ISA总线工控机问世了。目前，PCI/ISA工控机主要制造商有：TexasMicrosystems、TeknorIndustrialComputers、IndustrialComputerSource、TrentonTerminals、I-Bus以及台湾的衍扬（AAEON）、研华（ADVANTEC）、磐仪（Arbor）、大众、北京康拓等公司。
虽然加固型工控机对基于大母板的桌面机进行了工业化改造，但其背板技术仍然存在许多缺点：不良的热设计、不良的连接方式、不标准的模板尺寸和有限的PCI插槽数（最大4个）等。虽然可维护性和可靠性得到了改进，但仍然不能满足工业控制要求。目前PCI/ISA工控机主要做控制系统的检测和管理机使用。
（3）CompactPCI总线工控机仍然是工控机中的贵族产品
为了将PCISIG的PCI总线规范用在工业控制计算机系统，1995年11月PCI工业计算机制造者联合会（PICMIG）颁布了CompactPCI规范1.0版，以后相继推出了PCI-PCIBridge规范、ComputerTelephonyTDM规范和User-definedI/Opinassignment规范。简言之，CompactPCI（以后简称CPCI）总线=PCI总线的电气规范+标准针孔连接器（IEC-1076-4-101）+欧洲卡规范（IEC297/IEEE1011.1）。
基于Wintel架构的CPCI总线工控机，是为高可靠性应用而设计的，其低价位（相对VME总线）、高可靠、热插拔、热切换、多处理器能力等特点在设计之初就引起了可靠性要求较高的电信和工业自动化工业领域的普遍关注。在电信和工业自动化领域，PCI/ISA工控机由于可靠性低和可维护性差等原因，应用的数量很小，市场急需满足应用要求的新产品问世。由于CPCI总线工控机良好地解决了可靠性和可维护性问题，加上工控机设计者一般都掌握基于PC的嵌入式软硬件设计技术，而且基于Microsoft的软件和开发工具的价位比较低，所以，CPCI工控机得以迅速打入嵌入式产品市场。但相对于PCI/ISA加固型工控机而言，由于总体成本高、技术开发难度大、模板配套性差、电磁兼容性设计要求高等因素，CPCI工控机在工业过程控制领域并未得到实际应用。相反，电信（Telecommunication和ComputerTelephony）行业要求制造商提供开放式架构和快速投放市场产品，而产品快速投放市场的能力主要取决于软件而不是硬件。在这方面，由于CPCI工控机采用PC技术，具有丰富而廉价的软件资源，其操作系统WINDOWSNT又是IPAIN的理想开发平台，加上热插拔和热切换能力，恰好与电信要求相一致，因此被广泛应用。
由于CPCI总线工控机只有象Motorola、SunMicrosystems、ForceComputers和Ziatech这样的大公司支持，而且，不同公司的无源背板定义并不完全统一导致不能互操作，其规模和产品竞争能力也受到限制，价位还偏高，其市场占有率还不大，目前仍然处于贵族产品阶段，需要进一步进行大众化开发。
CPCI技术将进一步融合USB和1394技术，并通过PCI-USB和PCI-1394的bridge进行转换。Intel和Microsoft公司认为：通过插卡的方式增强PC功能的时代就要结束了。未来的PC机将从并行插卡式总线转移到串行接口总线，达到互连和扩展外设的目的。USB和IEEE-1394就是两种低成本的串行接口总线，仅需要几根连接电缆，可以嵌入到CPU内部运行。USB和1394是今天的技术，由自动配置软件（WindowsNTv5.0）和热插拔硬件支持。作为串行总线，USB和1394的传输速率可达到Gbits/sec的数量级。
通过增加触发信号、局部总线和系统同步时钟等措施，CPCI扩展为高性能的仪表总线PXI（CompactPCIeXtensionsforInstrumentation）。PXI总线工控机是一种仪表计算机平台，具有CPCI总线的所有优点，同时，定义的软件和硬件规范又实现了产品完全互操作。
（4）PC/104总线工控机通过PC/104-Plus向高性能方向发展
在80年代末，AmproComputers发明了PC/104总线。1992年3月PC/104总线联合会发布了PC/104规范1.0版,几经修改，于1996年6月公布了PC/104规范3.2版。PC/104总线采用自层迭互连方式和3.6inx3.8in的小板结构，抛弃了PC机的大母板，使其更适合在尺寸和空间受到限制的嵌入式环境中使用，如消费类电子产品：洗衣机、烘干机、洗碗机、收款机等。近来，由于紧凑加固性设计的PC/104工控机在军工产品中开始采用，如火箭、导弹和战斗机等。
虽然PC/104总线工控机的功耗低，但其驱动能力差（4mA），其扩展能力和维护性也受到限制，使其在工业过程控制和自动化领域的应用范围受到局限。
为了兼容PCI总线技术，1997年2月PC/104总线联合会推出了PC/104-Plus规范1.0版，在PC/104规范3.2版的基础上，增加了30x4根信号线的J2插座，支持PCI局部总线规范2.1版。
嵌入式工控机是嵌入在工业系统内部，在工业极端环境里能够连续长期稳定可靠工作的工业型计算机。随着IntelCPU和MicrosoftDOS/WINDOWS架构演变成事实上的标准，ISA/PCI总线加固型工业PC（IPC）开始向工业领域渗透。IPC虽然经过了工业化改造（如取消了大母板，采用无源背板、插卡式模板，工业电源，全钢密封机箱微正压散热，温度自动检测和调整等），但其本质上仍然不是工业型PC，不能从根本上解决大母板水平放置、抗震动冲击能力差、非均匀散热、元器件失效率高、平均修复时间（MTTR）长、维护困难等问题，难以满足工业控制任务的苛刻要求。为了满足市场对工业型计算机的要求，除了VME总线工控机外，产生了一系列基于PC的、与ISA/PCI总线标准兼容的嵌入式工控机，其中比较有代表性的是CompactPCI/PXI总线、AT96总线、STD总线、STD32总线、PC/104和PC/104-Plus总线嵌入式工业控制机。
2各种总线的嵌入式工控机向高性能、高可靠方向发展
（1）VME总线工控机仍然是主流产品，但开始融入PC技术
历史上，VME总线工业控制机一直是许多嵌入式工业应用的首选机型。
1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司发明了VME总线，从此VME总线工业控制机在图像处理、工业控制、实时处理和军事通讯中得到了广泛应用。1987年，VME总线被批准为国际标准IEEE1014-1987。
VME总线接口为2个96芯的针孔连接器P1和P2（6U欧洲卡），其中P2的外侧2排针由用户自定义，以满足用户的特殊要求。VME总线的数据宽度为32位，最大总线速度是40MB/sec。
1996年的新标准VME64（ANSI/VITA1-1994）将总线数据宽度提升到64位，最大数据传输速度为80MB/sec。由FORCECOMPUTERS制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了320MB/sec。
VME总线工控机是实时控制平台，大多数运行的是实时操作系统，如UNIX、VxWorks、PSOS、VRTX、PDOS、LynOS以及VMEXEC，由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。
VME总线OEM产品由众多的制造商支持，主要采用Motorola公司的68K系列微处理器，如25M/33M的68060。现在越来越多的VME总线SBC的制造商开始采用Intel公司和AMD公司生产的微处理器，如DY4Systems、ConcurrentTechnologies、VMIC、PEPModular、Computers，以及SBSEmbeddedComputers等公司，最新产品已经采用了500MHz的PentiumⅢ处理器，也有一些产品采用PowerPC等其它处理器，但市场份额很小。
1987年VXI总线联合会成立，其目标是定义板级仪器标准，即VME扩展仪器仪表总线。VXI总线工控机以VME总线为内核，将欧洲卡尺寸扩展为四种：VXIA（3.9inx6.3）、VXIB（in9.2inx6.3in）、VXIC（9.2inx13.4in）及VXID（14.4inx13.4in），其中现在最常用的是VXIC规格。
1993年，VXI规范被采纳为国际标准IEEE1155。VXI总线工控机规定的操作系统类型有DOS、WINDOW3.1、WINDOWS95、WINDOWSNT、Solaris1和2、HP-UX、MacOS以及SCOUnix。
从VXI总线和VME总线工控机运行的操作系统可以看出：VXI总线工控机制造商希望兼容主流计算机市场提供的丰富而廉价的应用软件开发工具包、外设和驱动软件，而VME总线只能利用OS制造商或第三方合作伙伴提供的专用开发环境和外设工作。
（2）加固性ISA/PCI总线工控机仍然占有一定的市场份额
现在工业控制机已经发生了很大的变化，过去专用的封闭式的架构迅速被PC技术的开放式架构所取代，其中最重要的原因之一就是软件的兼容性。工业控制机用户过去和现在都希望使用与所熟悉的桌面PC机相同的操作系统和开发工具，这就导致了开放式桌面PC在工业环境中的直接应用。然而，桌面PC机技术是面向每年2000亿美元的商用机市场的，而不是相对比较小的工业计算机市场的，它不具备工业级性能：抗强震动、冲击、高温、潮湿和具有快速修复能力（MTTR一般小于5分钟）。由桌面PC技术衍生的ISA总线加固型计算机在工业上得到了相当广泛的应用。
1992年6月，Intel公司开发了快速的开放式PCI总线规范，作为局部和低层次的内部处理器总线。在两年之内几乎每个处理器制造商都将PCI作为计算机内部芯片级互连总线，而且自然地发展成了板极互连总线。1995年6月PCISIG正式公布了PCI局部总线规范2.1版，同时PICMG推出了第一个标准PCI/ISA无源背板总线标准，这样，加固性PCI/ISA总线工控机问世了。目前，PCI/ISA工控机主要制造商有：TexasMicrosystems、TeknorIndustrialComputers、IndustrialComputerSource、TrentonTerminals、I-Bus以及台湾的衍扬（AAEON）、研华（ADVANTEC）、磐仪（Arbor）、大众、北京康拓等公司。
虽然加固型工控机对基于大母板的桌面机进行了工业化改造，但其背板技术仍然存在许多缺点：不良的热设计、不良的连接方式、不标准的模板尺寸和有限的PCI插槽数（最大4个）等。虽然可维护性和可靠性得到了改进，但仍然不能满足工业控制要求。目前PCI/ISA工控机主要做控制系统的检测和管理机使用。
（3）CompactPCI总线工控机仍然是工控机中的贵族产品
为了将PCISIG的PCI总线规范用在工业控制计算机系统，1995年11月PCI工业计算机制造者联合会（PICMIG）颁布了CompactPCI规范1.0版，以后相继推出了PCI-PCIBridge规范、ComputerTelephonyTDM规范和User-definedI/Opinassignment规范。简言之，CompactPCI（以后简称CPCI）总线=PCI总线的电气规范+标准针孔连接器（IEC-1076-4-101）+欧洲卡规范（IEC297/IEEE1011.1）。
基于Wintel架构的CPCI总线工控机，是为高可靠性应用而设计的，其低价位（相对VME总线）、高可靠、热插拔、热切换、多处理器能力等特点在设计之初就引起了可靠性要求较高的电信和工业自动化工业领域的普遍关注。在电信和工业自动化领域，PCI/ISA工控机由于可靠性低和可维护性差等原因，应用的数量很小，市场急需满足应用要求的新产品问世。由于CPCI总线工控机良好地解决了可靠性和可维护性问题，加上工控机设计者一般都掌握基于PC的嵌入式软硬件设计技术，而且基于Microsoft的软件和开发工具的价位比较低，所以，CPCI工控机得以迅速打入嵌入式产品市场。但相对于PCI/ISA加固型工控机而言，由于总体成本高、技术开发难度大、模板配套性差、电磁兼容性设计要求高等因素，CPCI工控机在工业过程控制领域并未得到实际应用。相反，电信（Telecommunication和ComputerTelephony）行业要求制造商提供开放式架构和快速投放市场产品，而产品快速投放市场的能力主要取决于软件而不是硬件。在这方面，由于CPCI工控机采用PC技术，具有丰富而廉价的软件资源，其操作系统WINDOWSNT又是IPAIN的理想开发平台，加上热插拔和热切换能力，恰好与电信要求相一致，因此被广泛应用。
由于CPCI总线工控机只有象Motorola、SunMicrosystems、ForceComputers和Ziatech这样的大公司支持，而且，不同公司的无源背板定义并不完全统一导致不能互操作，其规模和产品竞争能力也受到限制，价位还偏高，其市场占有率还不大，目前仍然处于贵族产品阶段，需要进一步进行大众化开发。
CPCI技术将进一步融合USB和1394技术，并通过PCI-USB和PCI-1394的bridge进行转换。Intel和Microsoft公司认为：通过插卡的方式增强PC功能的时代就要结束了。未来的PC机将从并行插卡式总线转移到串行接口总线，达到互连和扩展外设的目的。USB和IEEE-1394就是两种低成本的串行接口总线，仅需要几根连接电缆，可以嵌入到CPU内部运行。USB和1394是今天的技术，由自动配置软件（WindowsNTv5.0）和热插拔硬件支持。作为串行总线，USB和1394的传输速率可达到Gbits/sec的数量级。
通过增加触发信号、局部总线和系统同步时钟等措施，CPCI扩展为高性能的仪表总线PXI（CompactPCIeXtensionsforInstrumentation）。PXI总线工控机是一种仪表计算机平台，具有CPCI总线的所有优点，同时，定义的软件和硬件规范又实现了产品完全互操作。
（4）PC/104总线工控机通过PC/104-Plus向高性能方向发展
在80年代末，AmproComputers发明了PC/104总线。1992年3月PC/104总线联合会发布了PC/104规范1.0版,几经修改，于1996年6月公布了PC/104规范3.2版。PC/104总线采用自层迭互连方式和3.6inx3.8in的小板结构，抛弃了PC机的大母板，使其更适合在尺寸和空间受到限制的嵌入式环境中使用，如消费类电子产品：洗衣机、烘干机、洗碗机、收款机等。近来，由于紧凑加固性设计的PC/104工控机在军工产品中开始采用，如火箭、导弹和战斗机等。
虽然PC/104总线工控机的功耗低，但其驱动能力差（4mA），其扩展能力和维护性也受到限制，使其在工业过程控制和自动化领域的应用范围受到局限。
为了兼容PCI总线技术，1997年2月PC/104总线联合会推出了PC/104-Plus规范1.0版，在PC/104规范3.2版的基础上，增加了30x4根信号线的J2插座，支持PCI局部总线规范2.1版。
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