1、PC技術推動了嵌入式工控機技術的發(fā)展

　　嵌入式工控機是嵌入在工業(yè)系統(tǒng)內部，在工業(yè)極端環(huán)境里能夠連續(xù)長期穩(wěn)定可靠工作的工業(yè)型計算機。隨著IntelCPU和MicrosoftDOS/WINDOWS架構演變成事實上的標準，ISA/PCI總線加固型工業(yè)PC（IPC）開始向工業(yè)領域滲透。IPC雖然經過了工業(yè)化改造（如取消了大母板，采用無源背板、插卡式模板，工業(yè)電源，全鋼密封機箱微正壓散熱，溫度自動檢測和調整等），但其本質上仍然不是工業(yè)型PC，不能從根本上解決大母板水平放置、抗震動沖擊能力差、非均勻散熱、元器件失效率高、平均修復時間（MTTR）長、維護困難等問題，難以滿足工業(yè)控制任務的苛刻要求。為了滿足市場對工業(yè)型計算機的要求，除了VME總線工控機外，產生了一系列基于PC的、與ISA/PCI總線標準兼容的嵌入式工控機，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。

　　2各種總線的嵌入式工控機向高性能、高可靠方向發(fā)展

　?。?）VME總線工控機仍然是主流產品，但開始融入PC技術

　　歷史上，VME總線工業(yè)控制機一直是許多嵌入式工業(yè)應用的首選機型。

　　1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司發(fā)明了VME總線，從此VME總線工業(yè)控制機在圖像處理、工業(yè)控制、實時處理和軍事通訊中得到了廣泛應用。1987年，VME總線被批準為國際標準IEEE1014-1987。

　　VME總線接口為2個96芯的針孔連接器P1和P2（6U歐洲卡），其中P2的外側2排針由用戶自定義，以滿足用戶的特殊要求。VME總線的數(shù)據(jù)寬度為32位，最大總線速度是40MB/sec。

　　1996年的新標準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FORCECOMPUTERS制定的VME64x總線規(guī)范將總線速度提高到了320MB/sec。

　　VME總線工控機是實時控制平臺，大多數(shù)運行的是實時操作系統(tǒng)，如UNIX、VxWorks、PSOS、VRTX、PDOS、LynOS以及VMEXEC，由OS制造商提供專用的軟件開發(fā)工具開發(fā)應用程序。

　　VME總線OEM產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)在越來越多的VME總線SBC的制造商開始采用Intel公司和AMD公司生產的微處理器，如DY4Systems、ConcurrentTechnologies、VMIC、PEPModular、Computers，以及SBSEmbeddedComputers等公司，最新產品已經采用了500MHz的PentiumⅢ處理器，也有一些產品采用PowerPC等其它處理器，但市場份額很小。

　　1987年VXI總線聯(lián)合會成立，其目標是定義板級儀器標準，即VME擴展儀器儀表總線。VXI總線工控機以VME總線為內核，將歐洲卡尺寸擴展為四種：VXIA（3.9inx6.3）、VXIB（in9.2inx6.3in）、VXIC（9.2inx13.4in）及VXID（14.4inx13.4in），其中現(xiàn)在最常用的是VXIC規(guī)格。

　　1993年，VXI規(guī)范被采納為國際標準IEEE1155。VXI總線工控機規(guī)定的操作系統(tǒng)類型有DOS、WINDOW3.1、WINDOWS95、WINDOWSNT、Solaris1和2、HP-UX、MacOS以及SCOUnix。

　　從VXI總線和VME總線工控機運行的操作系統(tǒng)可以看出：VXI總線工控機制造商希望兼容主流計算機市場提供的豐富而廉價的應用軟件開發(fā)工具包、外設和驅動軟件，而VME總線只能利用OS制造商或第三方合作伙伴提供的專用開發(fā)環(huán)境和外設工作。

　　（2）加固性ISA/PCI總線工控機仍然占有一定的市場份額

　　現(xiàn)在工業(yè)控制機已經發(fā)生了很大的變化，過去專用的封閉式的架構迅速被PC技術的開放式架構所取代，其中最重要的原因之一就是軟件的兼容性。工業(yè)控制機用戶過去和現(xiàn)在都希望使用與所熟悉的桌面PC機相同的操作系統(tǒng)和開發(fā)工具，這就導致了開放式桌面PC在工業(yè)環(huán)境中的直接應用。然而，桌面PC機技術是面向每年2000億美元的商用機市場的，而不是相對比較小的工業(yè)計算機市場的，它不具備工業(yè)級性能：抗強震動、沖擊、高溫、潮濕和具有快速修復能力（MTTR一般小于5分鐘）。由桌面PC技術衍生的ISA總線加固型計算機在工業(yè)上得到了相當廣泛的應用。

　　1992年6月，Intel公司開發(fā)了快速的開放式PCI總線規(guī)范，作為局部和低層次的內部處理器總線。在兩年之內幾乎每個處理器制造商都將PCI作為計算機內部芯片級互連總線，而且自然地發(fā)展成了板極互連總線。1995年6月PCISIG正式公布了PCI局部總線規(guī)范2.1版，同時PICMG推出了第一個標準PCI/ISA無源背板總線標準，這樣，加固性PCI/ISA總線工控機問世了。目前，PCI/ISA工控機主要制造商有：TexasMicrosystems、TeknorIndustrialComputers、IndustrialComputerSource、TrentonTerminals、I-Bus以及臺灣的衍揚（AAEON）、研華（ADVANTEC）、磐儀（Arbor）、大眾、北京康拓等公司。

　　雖然加固型工控機對基于大母板的桌面機進行了工業(yè)化改造，但其背板技術仍然存在許多缺點：不良的熱設計、不良的連接方式、不標準的模板尺寸和有限的PCI插槽數(shù)（最大4個）等。雖然可維護性和可靠性得到了改進，但仍然不能滿足工業(yè)控制要求。目前PCI/ISA工控機主要做控制系統(tǒng)的檢測和管理機使用。

　　（3）CompactPCI總線工控機仍然是工控機中的貴族產品

　　為了將PCISIG的PCI總線規(guī)范用在工業(yè)控制計算機系統(tǒng)，1995年11月PCI工業(yè)計算機制造者聯(lián)合會（PICMIG）頒布了CompactPCI規(guī)范1.0版，以后相繼推出了PCI-PCIBridge規(guī)范、ComputerTelephonyTDM規(guī)范和User-definedI/Opinassignment規(guī)范。簡言之，CompactPCI（以后簡稱CPCI）總線=PCI總線的電氣規(guī)范+標準針孔連接器（IEC-1076-4-101）+歐洲卡規(guī)范（IEC297/IEEE1011.1）。

　　基于Wintel架構的CPCI總線工控機，是為高可靠性應用而設計的，其低價位（相對VME總線）、高可靠、熱插拔、熱切換、多處理器能力等特點在設計之初就引起了可靠性要求較高的電信和工業(yè)自動化工業(yè)領域的普遍關注。在電信和工業(yè)自動化領域，PCI/ISA工控機由于可靠性低和可維護性差等原因，應用的數(shù)量很小，市場急需滿足應用要求的新產品問世。由于CPCI總線工控機良好地解決了可靠性和可維護性問題，加上工控機設計者一般都掌握基于PC的嵌入式軟硬件設計技術，而且基于Microsoft的軟件和開發(fā)工具的價位比較低，所以，CPCI工控機得以迅速打入嵌入式產品市場。但相對于PCI/ISA加固型工控機而言，由于總體成本高、技術開發(fā)難度大、模板配套性差、電磁兼容性設計要求高等因素，CPCI工控機在工業(yè)過程控制領域并未得到實際應用。相反，電信（Telecommunication和ComputerTelephony）行業(yè)要求制造商提供開放式架構和快速投放市場產品，而產品快速投放市場的能力主要取決于軟件而不是硬件。在這方面，由于CPCI工控機采用PC技術，具有豐富而廉價的軟件資源，其操作系統(tǒng)WINDOWSNT又是IPAIN的理想開發(fā)平臺，加上熱插拔和熱切換能力，恰好與電信要求相一致，因此被廣泛應用。

　　由于CPCI總線工控機只有象Motorola、SunMicrosystems、ForceComputers和Ziatech這樣的大公司支持，而且，不同公司的無源背板定義并不完全統(tǒng)一導致不能互操作，其規(guī)模和產品競爭能力也受到限制，價位還偏高，其市場占有率還不大，目前仍然處于貴族產品階段，需要進一步進行大眾化開發(fā)。

　　CPCI技術將進一步融合USB和1394技術，并通過PCI-USB和PCI-1394的bridge進行轉換。Intel和Microsoft公司認為：通過插卡的方式增強PC功能的時代就要結束了。未來的PC機將從并行插卡式總線轉移到串行接口總線，達到互連和擴展外設的目的。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內部運行。USB和1394是今天的技術，由自動配置軟件（WindowsNTv5.0）和熱插拔硬件支持。作為串行總線，USB和1394的傳輸速率可達到Gbits/sec的數(shù)量級。

　　通過增加觸發(fā)信號、局部總線和系統(tǒng)同步時鐘等措施，CPCI擴展為高性能的儀表總線PXI（CompactPCIeXtensionsforInstrumentation）。PXI總線工控機是一種儀表計算機平臺，具有CPCI總線的所有優(yōu)點，同時，定義的軟件和硬件規(guī)范又實現(xiàn)了產品完全互操作。

　　（4）PC/104總線工控機通過PC/104-Plus向高性能方向發(fā)展

　　在80年代末，AmproComputers發(fā)明了PC/104總線。1992年3月PC/104總線聯(lián)合會發(fā)布了PC/104規(guī)范1.0版,幾經修改，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3.6inx3.8in的小板結構，拋棄了PC機的大母板，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，如消費類電子產品：洗衣機、烘干機、洗碗機、收款機等。近來，由于緊湊加固性設計的PC/104工控機在軍工產品中開始采用，如火箭、導彈和戰(zhàn)斗機等。

　　雖然PC/104總線工控機的功耗低，但其驅動能力差（4mA），其擴展能力和維護性也受到限制，使其在工業(yè)過程控制和自動化領域的應用范圍受到局限。

　　為了兼容PCI總線技術，1997年2月PC/104總線聯(lián)合會推出了PC/104-Plus規(guī)范1.0版，在PC/104規(guī)范3.2版的基礎上，增加了30x4根信號線的J2插座，支持PCI局部總線規(guī)范2.1版。

　　今天，許多單板計算機（SBC）都設計有PC/104總線接口，以便通過PC/104總線豐富的I/O模塊擴展功能，滿足不同的嵌入式應用要求。

　　PC/104總線工控機主流產品是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Pentium133-266MHz和AMDK6-2200-366MHz處理器。

　?。?）STD總線工控機采用單片PC技術升級ALL-IN-ONECPU板

　　STD總線在1978年最早由Pro-Log公司作為工業(yè)標準發(fā)明的，由STDGM制定為STD-80規(guī)范，隨后被批準為國際標準IEE961。STD-80/MPX作為STD-80追加標準，支持多主（MultiMaster）系統(tǒng)。STD總線工控機是工業(yè)型計算機，STD總線的16位總線性能滿足嵌入式和實時性應用要求，特別是它的小板尺寸、垂直放置無源背板的直插式結構、豐富的工業(yè)I/OOEM模板、低成本、低功耗、擴展的溫度范圍、可靠性和良好的可維護性設計，使其在空間和功耗受到嚴格限制的、可靠性要求較高的工業(yè)自動化領域得到了廣泛應用。

　　目前，STD總線工控機已經升級到486DX，可以滿足大多數(shù)應用要求。Motorola計算機部MCG（原Pro-Log公司）的7874A，CPU為486DX2-66/486DX4-100/5x86-133、Flash盤容量4MB；集成PLCMODEL442A由2個486DXCPU板構成多組系統(tǒng)，一個運行操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡管理；另一個運行PLC功能，進行實時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產品STD5094，采用了ST-PC單片計算機技術、DOC2000Flash模塊技術和ALL-IN-ONE設計技術。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。

　　STD總線工控機采用單片計算機（Computer-on-a-chip）技術，可以繼續(xù)提升“ALL-IN-ONE”CPU板的性能，而不受小板尺寸限制。

　?。?）STD32總線工控機技術更好地發(fā)揮了32位計算機的性能

　　自從1978年STD總線問世以來，STD總線工控機已經被證明是工業(yè)控制實現(xiàn)的主力軍。隨著技術的進步，原來被工業(yè)用戶所認同STD-80標準已經難以滿足要求。1990年9月，STD32MG公布STD32規(guī)范1.0版。STD32具有32位數(shù)據(jù)寬度，32位尋址能力，是工業(yè)型的高端計算機。STD32總線兼容STD-80規(guī)范，產品可以互操作。

　　眾所周知，總線的力量不在于其理論上多么先進，而在于為這種總線研制的OEM模板的數(shù)量和種類的豐富程度。STD32總線工控機由眾多的OEM制造商支持，既可以采用已經投放市場的豐富的STD總線I/O模板，也可以采用由STD32產品制造商不斷推向市場的STD32總線I/O模板，以及其它與PC兼容的資源，組成工業(yè)控制系統(tǒng)。STD32總線支持熱切換和多主系統(tǒng)，滿足工業(yè)控制冗余設計要求。

　　STD32總線在保留簡單控制總線特點的同時，采用了今天的先進技術設計OEM產品，如80486和Pentium系列處理器技術。Ziatech公司的ZT8902486DX4-100M單板計算機（SBC）；ZT8908SBC，采用Pentium系列和AMD-K6處理器。VersaLogic公司的VL-568-1SBC，采用AMD5x86-133M處理器，帶有PC/104-Plus擴展總線，允許PC/104或PC/104-Plus模板直接插在板上運行，如高速顯示卡等。STD32工控機還可以直接和工業(yè)現(xiàn)場總線接口，如SST（Waterloo，Canada）公司的板卡支持Profibus、DeviceNet、ControlNet接口，以及RockwellAutomation（A-B）、Seimens和Modicon等公司產品的網(wǎng)絡接口。

　　（7）AT96總線技術承前啟后，將開創(chuàng)工控機應用的新時代

　　為了將ISA總線PC機應用在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，1994年由德國SIEMENS公司發(fā)起制定了AT96總線歐洲卡標準（IEEE996），并在歐洲得到了推廣應用。AT96總線=ISA總線電氣規(guī)范+96芯針孔連接器（DINIEC41612C）+歐洲卡規(guī)范（IEC297/IEEE1011.1）。AT96總線工控機消除了模板之間的邊緣金手指連接，具有抗強震動和沖擊能力；其16位數(shù)據(jù)總線、24位尋址能力、高可靠性和良好的可維護性，更適合在惡劣工業(yè)環(huán)境中應用。在國外，AT96總線工控機較齊全，有80386、80486產品，也有Pentium系列產品，如瑞士DigitalLogicAG公司3U的MSE386/486V、MSE486DX和MSEP5AT，其中MSEP5AT的CPU為Pentium（100MHz-200MHzMMX）。6U的歐洲卡MSWS1，支持33MHz-100MHz的486DXCPU；最新產品MSWS3，采用Pentium（166MHz-233MHz）CPU，支持高速Ethernet網(wǎng)絡接口。北京康拓公司采用AT96總線研制的新一代嵌入式APCI5000系列工控機，同時支持AT96總線和CompactPCI總線，使得在AT96總線工控機上可以同時插入標準AT96總線和CPCI總線模板，滿足嵌入式實時工業(yè)控制系統(tǒng)對不同性能工控機的需要。如APCI5094工控機，486DX4（66MHz-133MHz）CPU，AT96和CPCI總線，取消金手指和扁平電纜連接器，現(xiàn)場I/O信號通過彈性連接從后側服務到端子，具有高性能和高可靠性，可以在運動目標上使用。