嵌入式工控機(jī)的技術(shù)趨勢(shì)

嵌入式工控機(jī)是一種加固的增強(qiáng)型工業(yè)計(jì)算機(jī)。它可以作為一個(gè)工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。早在90年代初期，美國(guó) AD公司就推出了類(lèi)似的工控機(jī)。由于嵌入式工控機(jī)的性能可靠、無(wú)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、體積小巧、價(jià)格低廉，而被廣泛應(yīng)用 。工控機(jī)經(jīng)常會(huì)在環(huán)境非常惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，對(duì)數(shù)據(jù)的安全性要求也更高，所以工控機(jī)通常會(huì)進(jìn)行加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射等特殊設(shè)計(jì)。
一、 PC技術(shù)推動(dòng)了嵌入式工控機(jī)技術(shù)的發(fā)展
隨著Intel CPU和Microsoft DOS/WINDOWS架構(gòu)演變成事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，ISA/PCI總線加固型工業(yè)PC（IPC）開(kāi)始向工業(yè)領(lǐng)域滲透。IPC雖然經(jīng)過(guò)了工業(yè)化改造，但其本質(zhì) 上仍然不是工業(yè)型PC，不能從根本上解決大母板水平放置、抗震動(dòng)沖擊能力差、非均勻散熱、元器件失效率高、平均修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、維護(hù)困難等問(wèn)題，難以滿足工業(yè) 控制任務(wù)的苛刻要求。為了滿足市場(chǎng)對(duì)工業(yè)型計(jì)算機(jī)的要求，除了VME總線工控機(jī)外，產(chǎn)生了一系列基于PC的、與ISA/PCI總線標(biāo)準(zhǔn)兼容的嵌入式工控 機(jī)，其中比較有代表性的是 CompactPCI/PXI總線、AT96總線、 STD總線、STD32總線、 PC/104和PC/104-Plus總線嵌入式工業(yè)控制機(jī)。
二、各種總線的嵌入式工控機(jī)向高性能、高可靠方向發(fā)展
1、VME總線工控機(jī)仍然是主流產(chǎn)品，但開(kāi)始融入PC技術(shù)
歷史上，VME總線工業(yè)控制機(jī)一直是許多嵌入式工業(yè)應(yīng)用的首選機(jī)型。
1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司發(fā)明了VME總線，從此VME總線工業(yè)控制機(jī)在圖像處理、工業(yè)控制、 實(shí)時(shí)處理和軍事通訊中得到了廣泛應(yīng)用。1987年，VME總線被批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE1014-1987。VME總線接口為2個(gè)96芯的針孔連接器P1 和P2，其中P2的外側(cè)2排針由用戶(hù)自定義，以滿足用戶(hù)的特殊要求。VME總線的數(shù)據(jù)寬度為32位，最大總線速度是40MB/sec。1996年的新標(biāo)準(zhǔn) VME64（ANSI/VITA1-1994）將總線數(shù)據(jù)寬度提升到64位，最大數(shù)據(jù)傳輸速度為80MB/sec。由FORCE COMPUTERS制定的VME64x總線規(guī)范將總線速度提高到了320MB/sec。VME總線工控機(jī)是實(shí)時(shí)控制平臺(tái)，大多數(shù)運(yùn)行的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如 UNIX、VxWorks、PSOS、VRTX、PDOS、LynOS以及VMEXEC，由OS制造商提供專(zhuān)用的軟件開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。VME總線 OEM產(chǎn)品由眾多的制造商支持，主要采用Motorola公司的68K系列微處理器，如25M/33M的68060?，F(xiàn)在越來(lái)越多的VME總線 SBC的制造商開(kāi)始采用Intel公司和AMD公司生產(chǎn)的微處理器，如DY 4 Systems、Concurrent Technologies、VMIC、PEP Modular、Computers，以及SBS Embedded Computers等公司，最新產(chǎn)品已經(jīng)采用了500MHz的Pentium Ⅲ處理器，也有一些產(chǎn)品采用PowerPC等其它處理器，但市場(chǎng)份額很小。
1987年VXI總線聯(lián)合會(huì)成立，其目標(biāo)是定義板級(jí)儀器標(biāo)準(zhǔn)，即VME擴(kuò)展儀器儀表總線。VXI總線工控機(jī)以VME總線為內(nèi)核，將歐洲卡尺寸擴(kuò)展為四 種：VXI A（3.9 in x 6.3）、VXI B（in9.2 in x 6.3 in）、VXI C（9.2 in x 13.4 in）及VXI D（14.4 in x 13.4 in），其中現(xiàn)在最常用的是VXI C規(guī)格。1993年，VXI規(guī)范被采納為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1155。VXI總線工控機(jī)規(guī)定的操作系統(tǒng)類(lèi)型有DOS、WINDOW 3.1、WINDOWS 95、WINDOWS NT、Solaris 1和2、HP-UX、MacOS以及SCO Unix。從VXI總線和VME總線工控機(jī)運(yùn)行的操作系統(tǒng)可以看出：VXI總線工控機(jī)制造商希望兼容主流計(jì)算機(jī)市場(chǎng)提供的豐富而廉價(jià)的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)工具 包、外設(shè)和驅(qū)動(dòng)軟件，而VME總線只能利用OS制造商或第三方合作伙伴提供的專(zhuān)用開(kāi)發(fā)環(huán)境和外設(shè)工作。
2、加固性ISA/PCI總線工控機(jī)仍然占有一定的市場(chǎng)份額
現(xiàn)在工業(yè)控制機(jī)已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，過(guò)去專(zhuān)用的封閉式的架構(gòu)迅速被PC技術(shù)的開(kāi)放式架構(gòu)所取代，其中最重要的原因之一就是軟件的兼容性。工業(yè)控制機(jī)用戶(hù) 過(guò)去和現(xiàn)在都希望使用與所熟悉的桌面PC機(jī)相同的操作系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)工具，這就導(dǎo)致了開(kāi)放式桌面PC在工業(yè)環(huán)境中的直接應(yīng)用。然而，桌面PC機(jī)技術(shù)是面向每年 2000億美元的商用機(jī)市場(chǎng)的，而不是相對(duì)比較小的工業(yè)計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的，它不具備工業(yè)級(jí)性能：抗強(qiáng)震動(dòng)、沖擊、高溫、潮濕和具有快速修復(fù)能力。由桌面PC技 術(shù)衍生的ISA總線加固型計(jì)算機(jī)在工業(yè)上得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。
1992年6月，Intel公司開(kāi)發(fā)了快速的開(kāi)放式PCI總線規(guī)范，作為局部和低層次的內(nèi)部處理器總線。在兩年之內(nèi)幾乎每個(gè)處理器制造商都將PCI作為計(jì) 算機(jī)內(nèi)部芯片級(jí)互連總線，而且自然地發(fā)展成了板極互連總線。1995年6月PCI SIG正式公布了PCI 局部總線規(guī)范 2.1版，同時(shí)PICMG推出了第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PCI/ISA無(wú)源背板總線標(biāo)準(zhǔn)，這樣，加固性PCI/ISA總線工控機(jī)問(wèn)世了。目前，PCI/ISA工控機(jī)主 要制造商有：Texas Microsystems、 Teknor Industrial Computers、Industrial Computer Source、Trenton Terminals、I-Bus 以及臺(tái)灣的衍揚(yáng)、研華、磐儀、大眾、北京康拓等公司。
雖然加固型工控機(jī)對(duì)基于大母板的桌面機(jī)進(jìn)行了工業(yè)化改造，但其背板技術(shù)仍然存在許多缺點(diǎn)：不良的熱設(shè)計(jì)、不良的連接方式、不標(biāo)準(zhǔn)的模板尺寸和有限的PCI 插槽數(shù)（最大4個(gè)）等。雖然可維護(hù)性和可靠性得到了改進(jìn)，但仍然不能滿足工業(yè)控制要求。目前PCI/ISA工控機(jī)主要做控制系統(tǒng)的檢測(cè)和管理機(jī)使用。
3、CompactPCI總線工控機(jī)仍然是工控機(jī)中的貴族產(chǎn)品
為了將PCI SIG的PCI總線規(guī)范用在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，1995年11月PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì)（PICMIG）頒布了CompactPCI規(guī)范1.0 版，以后相繼推出了PCI-PCI Bridge規(guī)范、Computer Telephony TDM規(guī)范和User-defined I/O pin assignment規(guī)范。
基于Wintel 架構(gòu)的CPCI總線工控機(jī)，是為高可靠性應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，其低價(jià)位（相對(duì)VME總線）、高可靠、熱插拔、熱切換、多處理器能力等特點(diǎn)在設(shè)計(jì)之初就引起了可靠 性要求較高的電信和工業(yè)自動(dòng)化工業(yè)領(lǐng)域的普遍關(guān)注。在電信和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，PCI/ISA工控機(jī)由于可靠性低和可維護(hù)性差等原因，應(yīng)用的數(shù)量很小，市場(chǎng) 急需滿足應(yīng)用要求的新產(chǎn)品問(wèn)世。由于CPCI總線工控機(jī)良好地解決了可靠性和可維護(hù)性問(wèn)題，加上工控機(jī)設(shè)計(jì)者一般都掌握基于PC的嵌入式軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)， 而且基于Microsoft的軟件和開(kāi)發(fā)工具的價(jià)位比較低，所以，CPCI工控機(jī)得以迅速打入嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)。但相對(duì)于PCI/ISA加固型工控機(jī)而言， 由于總體成本高、技術(shù)開(kāi)發(fā)難度大、模板配套性差、電磁兼容性設(shè)計(jì)要求高等因素，CPCI工控機(jī)在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域并未得到實(shí)際應(yīng)用。相反，電信行業(yè)要求制 造商提供開(kāi)放式架構(gòu)和快速投放市場(chǎng)產(chǎn)品，而產(chǎn)品快速投放市場(chǎng)的能力主要取決于軟件而不是硬件。在這方面，由于CPCI工控 機(jī)采用PC技術(shù)，具有豐富而廉價(jià)的軟件資源，其操作系統(tǒng)WINDOWS NT又是IP AIN的理想開(kāi)發(fā)平臺(tái)，加上熱插拔和熱切換能力，恰好與電信要求相一致，因此被廣泛應(yīng)用。
由于CPCI總線工控機(jī)只有象Motorola、Sun Microsystems、Force Computers和Ziatech這樣的大公司支持，而且，不同公司的無(wú)源背板定義并不完全統(tǒng)一導(dǎo)致不能互操作，其規(guī)模和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力也受到限制，價(jià)位 還偏高，其市場(chǎng)占有率還不大，目前仍然處于貴族產(chǎn)品階段，需要進(jìn)一步進(jìn)行大眾化開(kāi)發(fā)。
CPCI技術(shù)將進(jìn)一步融合USB和1394技術(shù)，并通過(guò)PCI-USB和PCI-1394的bridge進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Intel和Microsoft公司認(rèn) 為：通過(guò)插卡的方式增強(qiáng)PC功能的時(shí)代就要結(jié)束了。未來(lái)的PC機(jī)將從并行插卡式總線轉(zhuǎn)移到串行接口總線，達(dá)到互連和擴(kuò)展外設(shè)的目的。USB和IEEE- 1394就是兩種低成本的串行接口總線，僅需要幾根連接電纜，可以嵌入到CPU內(nèi)部運(yùn)行。USB和1394是今天的技術(shù)，由自動(dòng)配置軟件和熱插拔硬件支 持。作為串行總線，USB和1394的傳輸速率可達(dá)到Gbits/sec的數(shù)量級(jí)。
通過(guò)增加觸發(fā)信號(hào)、局部總線和系統(tǒng)同步時(shí)鐘等措施，CPCI擴(kuò)展為高性能的儀表總線PXI。PXI總線工控機(jī)是一種儀表計(jì)算機(jī)平臺(tái)，具有CPCI總線的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，定義的軟件和硬件規(guī)范又實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品完全互 操作。
4、PC/104總線工控機(jī)通過(guò)PC/104-Plus向高性能方向發(fā)展
在80年代末，Ampro Computers發(fā)明了PC/104總線。1992年3月PC/104總線聯(lián)合會(huì)發(fā)布了PC/104規(guī)范1.0版,幾經(jīng)修改，于1996年6月公布了 PC/104規(guī)范3.2版。PC/104總線采用自層迭互連方式和3.6in x 3.8in的小板結(jié)構(gòu)，拋棄了PC機(jī)的大母板，使其更適合在尺寸和空間受到限制的嵌入式環(huán)境中使用，如消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品：洗衣機(jī)、烘干機(jī)、洗碗機(jī)、收款機(jī) 等。近來(lái)，由于緊湊加固性設(shè)計(jì)的PC/104工控機(jī)在軍工產(chǎn)品中開(kāi)始采用，如火箭、導(dǎo)彈和戰(zhàn)斗機(jī)等。
雖然PC/104總線工控機(jī)的功耗低，但其驅(qū)動(dòng)能力差（4mA），其擴(kuò)展能力和維護(hù)性也受到限制，使其在工業(yè)過(guò)程控制和自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍受到局限。
為了兼容PCI總線技術(shù)，1997年2月PC/104總線聯(lián)合會(huì)推出了PC/104-Plus規(guī)范1.0版，在PC/104規(guī)范3.2版的基礎(chǔ)上，增加了30x4根信號(hào)線的J2插座，支持PCI局部總線規(guī)范2.1版?！?br /> 今天，許多單板計(jì)算機(jī)都設(shè)計(jì)有PC/104總線接口，以便通過(guò)PC/104總線豐富的I/O模塊擴(kuò)展功能，滿足不同的嵌入式應(yīng)用要求?！?br /> PC/104 總線工控機(jī)主流產(chǎn)品是486DX和586，如Winsystems公司486DX4-100MHz的SAT-DX，5x86-133MHz的 PCM-586。VersaLogic公司的VSBC-6，支持Pentium 133-266MHz和AMD K6-2 200-366MHz處理器。
5、STD總線工控機(jī)采用單片PC技術(shù)升級(jí)ALL-IN-ONE CPU板
STD總線在1978年最早由Pro-Log公司作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)明的，由STDGM制定為STD-80規(guī)范，隨后被批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEE961。STD- 80/MPX作為STD-80追加標(biāo)準(zhǔn)，支持多主系統(tǒng)。STD總線工控機(jī)是工業(yè)型計(jì)算機(jī)，STD總線的16位總線性能滿足嵌入式和實(shí)時(shí)性應(yīng)用要求，特別是 它的小板尺寸、垂直放置無(wú)源背板的直插式結(jié)構(gòu)、豐富的工業(yè)I/O OEM模板、低成本、低功耗、擴(kuò)展的溫度范圍、可靠性和良好的可維護(hù)性設(shè)計(jì)，使其在空間和功耗受到嚴(yán)格限制的、可靠性要求較高的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛 應(yīng)用。　
目前，STD總線工控機(jī)已經(jīng)升級(jí)到486DX，可以滿足大多數(shù)應(yīng)用要求。Motorola計(jì)算機(jī)部MCG（原Pro-Log公司）的7874A，CPU為 486DX2-66/486DX4-100/5x86-133、Flash盤(pán)容量4MB；集成PLC MODEL 442A由2個(gè)486DX CPU板構(gòu)成多組系統(tǒng)，一個(gè)運(yùn)行操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理；另一個(gè)運(yùn)行PLC功能，進(jìn)行實(shí)時(shí)I/O控制。Winsystems公司的MCM-DX，CPU為 486DX-80。北京康拓公司最新推出的486DX2-66產(chǎn)品STD5094，采用了ST-PC單片計(jì)算機(jī)技術(shù)、DOC2000 Flash模塊技術(shù)和ALL-IN-ONE設(shè)計(jì)技術(shù)。在386檔次上，MCG、Systek、Winsystems和北京康拓等公司都推出了386EX "ALL-IN-ONE"CPU板?！?br /> STD總線工控機(jī)采用單片計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以繼續(xù)提升"ALL-IN-ONE"CPU板的性能，而不受小板尺寸限制。