工业控制计算机的发展现状与应用
(Today’s Industrial Control Computers and their applications)
国家工业控制机及系统工程技术研究中心
北京康拓科技开发总公司
总工程师 刘鑫 （100080）
摘要：文章详细阐述了工业控制计算机技术和产品的现状，分析了全球嵌入式工控机市场形势及其应用前景。
关键词：嵌入式工控机、AT96总线
Abstract: The Paper describes in details the current situations of the technologies and products of embedded industrial control computers, and analyzes the worldwide markets and their perspectives of applications.
Keywords: embedded industrial control computer, AT96 Bus
1 PC技术推动了嵌入式工控机技术的发展
当今，市场上每年销售大约30亿颗嵌入式CPU，其中绝大部分是8位和16位的CPU。与此同时，嵌入式工业控制机的市场也在迅速增长。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Intel CPU和Microsoft DOS/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FORCE COMPUTERS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DY 4 Systems、Concurrent Technologies、VMIC、PEP Modular、Computers，以及SBS Embedded Computers等公司，最新产品已经采用了500MHz的Pentium Ⅲ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：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），其中现在最常用的是VXI C规格。
1993年，VXI规范被采纳为国际标准IEEE 1155。VXI总线工控机规定的操作系统类型有DOS、WINDOW 3.1、WINDOWS 95、WINDOWS NT、Solaris 1和2、HP-UX、MacOS以及SCO Unix。
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PCI SIG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：Texas Microsystems、 Teknor Industrial Computers、Industrial Computer Source、Trenton Terminals、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。