1、概述

    計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，改變了人類的生活和工作方式，使人類步入信息化時代。人們基本擺脫了固定電話在空間和時間上的限制，可以隨時、隨地、自由地通過移動電話進(jìn)行信息溝通。人們也基本擺脫了紙張信件造成的空間和時間限制，可以通過電子郵件，在幾秒鐘或幾分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)在天邊的人們進(jìn)行信息的交流，增加了信息交流的及時性和確定性。一般將辦公自動化和家庭應(yīng)用的普通計(jì)算機(jī)叫做“個人計(jì)算機(jī)”。計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用，改變了工業(yè)的生產(chǎn)和管理方式，進(jìn)入了生產(chǎn)自動化、控制智能化和管理信息化時代。在工業(yè)生產(chǎn)控制和管理過程中應(yīng)用的計(jì)算機(jī)叫做“工業(yè)控制計(jì)算機(jī)”，簡稱“工控機(jī)”，國外也叫“工業(yè)計(jì)算機(jī)”。
工控機(jī)的主要特點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化結(jié)構(gòu)，便于組合和擴(kuò)展；系列化、產(chǎn)品化的控制器模塊和豐富的I/O功能模塊，具有廣泛的適應(yīng)性；通用性和開放性強(qiáng)，便于系統(tǒng)集成；惡劣環(huán)境條件適應(yīng)性和可靠性，能長期不間斷工作，具有良好的工作穩(wěn)定性；體積小；成本低；應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)時間短；標(biāo)準(zhǔn)化和可互操作性，標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品由眾多廠家支持和發(fā)展。

2、工控機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)的起源

    20世紀(jì)70年代初期，隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，出現(xiàn)了一系列計(jì)算機(jī)芯片，如Zilog公司的Z80、Motorola的68K、Intel的8088、8086、MCS51系列等。這些廠家的生產(chǎn)的芯片互不兼容，管腳定義、運(yùn)行時鐘、工作時序都不同，給構(gòu)造微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用系統(tǒng)造成了極大困難，嚴(yán)重阻礙了微機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。標(biāo)準(zhǔn)化的問題開始引起了芯片制造商的關(guān)注。

    標(biāo)準(zhǔn)化的道路有兩條。一條是芯片內(nèi)部總線的標(biāo)準(zhǔn)化，只要所有廠家都按同一種片內(nèi)總線生產(chǎn)芯片，具有相同的管腳定義和工作時序，就可以實(shí)現(xiàn)互連。但一方面難以找到一條公認(rèn)的最佳片內(nèi)總線，另一方面這與制造商的利益沖突，因此受當(dāng)時歷史條件的局限，難以實(shí)現(xiàn)芯片一級標(biāo)準(zhǔn)化。另一條是在模板一級實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。由于模板一級的標(biāo)準(zhǔn)化可以獨(dú)立于微機(jī)芯片，既維護(hù)了芯片生產(chǎn)制造商的利益又可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品互連、協(xié)同工作，因此，模板級標(biāo)準(zhǔn)化的方案得以實(shí)現(xiàn)。

    板級互連總線標(biāo)準(zhǔn)兼顧了大多數(shù)芯片制造商的利益，使得各種系列芯片只要經(jīng)過簡單的邏輯轉(zhuǎn)換，就可以與總線標(biāo)準(zhǔn)兼容，具有合理性和先進(jìn)性，被大眾所接受，成為了公認(rèn)的總線標(biāo)準(zhǔn)，由此也產(chǎn)生了工控機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)。按總線標(biāo)準(zhǔn)研制生產(chǎn)的功能模板叫做“OEM”產(chǎn)品，按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的帶有一定數(shù)量總線插槽的總線底板叫做“背板”。這樣，將各種功能模板插在背板的插槽上就構(gòu)成了一個微機(jī)系統(tǒng)。由此而產(chǎn)生的一系列工控機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)主要有STD總線、Multiplus總線、VME總線、VXI總線、ISA總線、PC/104總線、PCI總線、CompactPCI總線、PXI總線、PCI Express總線以及AdvancedTCA總線等。

    迄今為止，工控機(jī)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了20多年，形成了三代具有代表性的產(chǎn)品。

3、第一代工控機(jī)技術(shù)的興起與演變

    第一代工控機(jī)技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代初期，盛行于80年代末和90年代初期，到90年代末期逐漸淡出工控機(jī)市場，其標(biāo)志性產(chǎn)品是STD總線工控機(jī)。STD總線是由美國Pro-Log公司和Mostek公司作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而制定的8位工業(yè)I/O總線，隨后發(fā)展成16位總線，統(tǒng)稱為STD80，其主要技術(shù)特點(diǎn)是“分時復(fù)用技術(shù)”。STD總線于1978年12月公布，1985年2月被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織吸收，稱為IEEE961標(biāo)準(zhǔn)。國外主要的STD總線工控機(jī)制造商有Pro-Log、Winsystems、Ziatech等，而國內(nèi)企業(yè)主要有北京康拓公司和北京工業(yè)大學(xué)等。STD總線工控機(jī)是機(jī)籠式安裝結(jié)構(gòu)，具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放式、模塊化、組合化、尺寸小、成本低、PC兼容等特點(diǎn)，并且設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試簡單，得到了當(dāng)時急需用廉價(jià)而可靠的計(jì)算機(jī)來改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的中小企業(yè)的廣泛歡迎和采用，國內(nèi)的總安裝容量接近20萬套，在中國工控機(jī)發(fā)展史上留下了輝煌的一頁。國內(nèi)的主要產(chǎn)品是“V40系統(tǒng)II”以及“386EX”系統(tǒng)，也有一些基于Intel 486的產(chǎn)品。國外技術(shù)水平發(fā)展到了“Pentium”級產(chǎn)品，并擴(kuò)展為STD32標(biāo)準(zhǔn)。PC DOS軟件的兼容性使STD總線得以發(fā)展，也由于運(yùn)行PC Windows軟件的局限性使STD總線被淘汰出局，而取而代之的是與PC完全兼容的IPC工控機(jī)。]

    與STD總線處于同一時期并具有一定影響力的還有Intel公司于1977年推出的Multibus總線，被IEEE協(xié)會命名為IEEE796標(biāo)準(zhǔn)，在世界范圍內(nèi)得到了一定程度的應(yīng)用。

    VME總線雖然在國內(nèi)并沒有推廣起來，但也可以說是第一代工控機(jī)技術(shù)中比較成功的標(biāo)準(zhǔn)。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)為國際標(biāo)準(zhǔn)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），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)時控制平臺，大多數(shù)運(yùn)行的是實(shí)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(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，以及PowerPC等處理器。現(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(chǎn)的微處理器，如DY 4 Systems、Concurrent Technologies、VMIC、PEP Modular、Computers，以及SBS Embedded Computers等公司。

    1987年VXI總線聯(lián)合會成立，其目標(biāo)是定義板級儀器標(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A、B、C和D四種。

    由于VME和VXI總線有豐富的控制器和I/O功能模板資源，具有“熱插拔”和“多主機(jī)板并行工作”的技術(shù)特點(diǎn)，雖然價(jià)格昂貴，但目前還不能被其它工控機(jī)技術(shù)取代，因此將繼續(xù)在高可靠性應(yīng)用領(lǐng)域占有一席之地。

4、第二代工控機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題

    1981年8月12日IBM公司正式推出了IBM PC機(jī)，震動了世界，也獲得了極大成功。隨后PC機(jī)借助于規(guī)模化的硬件資源、豐富的商業(yè)化軟件資源和普及化的人才資源，于80年代末期開始進(jìn)軍工業(yè)控制機(jī)市場，產(chǎn)生了基于ISA總線的IPC工控機(jī)。IPC在中國的發(fā)展大致可以分為三個階段：第一階段是從20世紀(jì)80年代末到90年代初，這時市場上主要是國外品牌的昂貴產(chǎn)品。第二階段是從1991年到1996，臺灣生產(chǎn)的價(jià)位適中的IPC工控機(jī)開始大量進(jìn)入大陸市場，這在很大程度上加速了IPC市場的發(fā)展，IPC的應(yīng)用也從傳統(tǒng)工業(yè)控制向數(shù)據(jù)通信、電信、電力等對可靠性要求較高的行業(yè)延伸。第三階段是從1997年開始，大陸本土的IPC廠商開始進(jìn)入該市場，促使IPC的價(jià)格不斷降低，也使工控機(jī)的應(yīng)用水平和應(yīng)用行業(yè)發(fā)生極大變化，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，IPC也隨之發(fā)展成了中國第二代主流工控機(jī)技術(shù)。目前，中國IPC工控機(jī)的大小品牌約有15個左右，主要有研華、凌華、研祥、深圳艾雷斯、華北工控、磐儀和艾訊等。

    90年代末期，ISA總線技術(shù)逐漸淘汰，PCI總線技術(shù)開始在IPC中占主導(dǎo)地位，使IPC工控機(jī)得以繼續(xù)發(fā)展。因此IPC并沒有向當(dāng)時人們預(yù)測的那樣很快“消亡”。但I(xiàn)PC存在的難以克服的可靠性問題極大地限制了其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用：（1）受到機(jī)箱結(jié)構(gòu)的限制，散熱通路不暢通，散熱性能不好，容易引起印制板變形、斷線、接觸不良等問題，還會造成電子器件壽命降低以及工作不穩(wěn)定等；（2）板卡和無源背板之間的金手指邊緣接觸連接方式，容易造成在振動和沖擊過程中瞬間接觸不良，引起系統(tǒng)死機(jī)；（3）金手指自身在潮濕或腐蝕性氣體環(huán)境中長期使用，容易氧化或腐蝕，造成系統(tǒng)接觸不良，而且多次拔插容易變形；（4）多數(shù)板卡通過金屬擋片一端固定，在振動力的左右下容易產(chǎn)生微距離逆時針旋轉(zhuǎn)，造成系統(tǒng)信號斷路或短路，使系統(tǒng)崩潰；（5）系統(tǒng)機(jī)箱表面噴漆處理，不能形成一個完整的導(dǎo)電體，電磁干擾的屏蔽能力和靜電釋放能力差；（6）故障板卡更換時間長，可維護(hù)性差。因此，IPC開始逐漸從高可靠性應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)自動化層以及電信等領(lǐng)域退出，向管理信息化領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，取而代之的是以CompactPCI總線工控機(jī)為核心的第三代工控機(jī)技術(shù)。

    雖然IPC技術(shù)是伴隨著PC技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，但在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上沒有不斷創(chuàng)新，雖然成本降下來了，但運(yùn)行穩(wěn)定性和可維護(hù)性并沒有從根本上解決。值得一提的是，IPC工控機(jī)開創(chuàng)了一個嶄新的PC-based時代，對工業(yè)自動化和信息化技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

    在第二代工控機(jī)技術(shù)里，還需要提及一個比較成功的技術(shù)――PC/104總線技術(shù)。基于ISA總線的PC/104總線問世于1992年，自層迭式結(jié)構(gòu)，不需要背板連接，具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于軍事和醫(yī)療設(shè)備等對空間和功耗要求比較苛刻的系統(tǒng)中。1997年P(guān)C/104擴(kuò)展成PC/104-Plus，增加了PCI總線定義，增強(qiáng)了其生命力。PC/104總線工控機(jī)依靠自身的特點(diǎn)和不斷地完善，還將繼續(xù)在其傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域占有一席之地。

5、方興未艾的第三代工控機(jī)技術(shù)

    PCI總線技術(shù)的發(fā)展、市場的需求以及IPC工控機(jī)的局限性，促進(jìn)了CompactPCI總線技術(shù)的誕生。作為新一代主流工控機(jī)技術(shù)，CompactPCI工控機(jī)標(biāo)準(zhǔn)于1997年發(fā)布之初就倍受業(yè)界矚目。相對于以往的STD和IPC，它具有開放性、良好的散熱性、高穩(wěn)定性、高可靠性及可維護(hù)性等特點(diǎn)，非常適合于工業(yè)現(xiàn)場和信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備的應(yīng)用，被眾多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是繼STD和IPC之后的第三代工控機(jī)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。采用模塊化的CompactPCI總線工控機(jī)技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品，可以縮短開發(fā)時間、降低設(shè)計(jì)費(fèi)用、降低維護(hù)費(fèi)用、提升系統(tǒng)的整體性能。國外主要的CompactPCI總線工控機(jī)制造商有Motarola Computer Group(兼并了原美國Pro-Log公司)、Intel（兼并了Ziatech）、德國Kontron公司，意大利Eurotech公司、英國BVM公司以及日本的ADTEK公司等。國內(nèi)主要有臺灣凌華、研華、北京康拓、北京新松佳和以及深圳研祥等。“CompactPCI是PCI總線的電氣和軟件加上歐洲卡，它具有在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下的‘即插即用’功能，該功能的實(shí)現(xiàn)對高可用系統(tǒng)和容錯系統(tǒng)非常重要”，2004年度科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目指南中的這段話，概括出了CompactPCI總線工控機(jī)的主要特點(diǎn)和重要性。國家“發(fā)改委”也將CompactPCI總線工控機(jī)列為了工業(yè)自動化技術(shù)主要產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)之一。

    2001年，PICMG2.16將以太網(wǎng)包交換背板總線引入到CompactPCI總線標(biāo)準(zhǔn)中，為電信語音增值服務(wù)設(shè)備和基于以太網(wǎng)的工業(yè)自動化系統(tǒng)提供了新的技術(shù)平臺。2002年，PICMG頒布了面向電信的新標(biāo)準(zhǔn)AdvancedTCA，簡稱ATCA。ATCA比PICMG2.16有更大的規(guī)格和容量、更高的背板帶寬、對板卡更嚴(yán)格的管理和控制能力、更高的供電能力以及更強(qiáng)的制冷能力等，用以解決電信系統(tǒng)目前面臨的系統(tǒng)帶寬問題、高可用性問題、現(xiàn)場升級問題、可伸縮性問題、可管理性問題以及可互操作問題，并最終降低成本。

    儀器和儀表是工業(yè)自動化設(shè)備的重要組成部分。CompactPCI向儀器儀表領(lǐng)域的擴(kuò)展總線就是PXI總線。PXI產(chǎn)生于1998年，主要是面向“虛擬儀器”市場而設(shè)計(jì)的，但已經(jīng)不局限于測試和測量設(shè)備，正在迅速向其它工業(yè)控制自動化領(lǐng)域擴(kuò)展，并與CompactPCI總線互相兼容與補(bǔ)充。PXI總線工控機(jī)不但具有VXI的高采樣速率、高帶寬和高分辨率等特點(diǎn)，而且具有開放性、軟件兼容性以及價(jià)格低廉等優(yōu)勢。一般來說，3U PXI產(chǎn)品用于構(gòu)造便攜式或小型化的ATE測試設(shè)備、數(shù)采系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及其它工業(yè)自動化系統(tǒng)。6U PXI產(chǎn)品主要應(yīng)用在高密度、高性能和大型ATE設(shè)備或工業(yè)自動化系統(tǒng)中。

6、以第三代工控機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的開放式控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景和急需解決的問題

    目前國外和臺灣地區(qū)的CompactPCI總線工控機(jī)在大陸占有主要的市場份額，大約為10億人民幣。隨著工業(yè)測量和控制以及電信領(lǐng)域產(chǎn)品向CompactPCI總線架構(gòu)轉(zhuǎn)移，每年的增長速度為15?21%。預(yù)計(jì)到2007年，以CompactPCI總線工控機(jī)平臺和OEM產(chǎn)品的產(chǎn)值將達(dá)到30億人民幣左右。根據(jù)國家“發(fā)改委”的調(diào)查報(bào)告，我國工業(yè)自動化設(shè)備市場份額大約200億人民幣，加上國防自動化和信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備，將達(dá)到1000億以上。因此CompactPCI總線工控機(jī)以及“以CompactPCI總線為基礎(chǔ)的開放式控制系統(tǒng)”產(chǎn)業(yè)化具有良好的發(fā)展前景。美國咨詢公司“Crystal Cube Consulting Inc”于2004年5月發(fā)布的研究報(bào)告估計(jì)，到2007年，全球ATCA產(chǎn)品的產(chǎn)值將達(dá)到200億美元，而整個電信設(shè)備市場將達(dá)到2500億美元。而中國又是世界電信市場最活躍、增長最快的部分，所以ATCA在中國的發(fā)展也相當(dāng)樂觀。

    目前急需解決問題：（1）加速第三代工控機(jī)產(chǎn)品的國產(chǎn)化和本地化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，降低產(chǎn)品價(jià)格；（2）加大以第三代工控機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的開放式控制系統(tǒng)研制的投入力度，加快產(chǎn)業(yè)化的速度；（3）加強(qiáng)配套功能模板的OEM產(chǎn)品開發(fā)，解決系統(tǒng)配套問題，提供完整解決方案；（4）加強(qiáng)人才培養(yǎng)和用戶培訓(xùn)，提高技術(shù)支持和服務(wù)水平；（5）成立產(chǎn)品兼容性和可互操作性測試權(quán)威機(jī)構(gòu)，解決不同廠家的產(chǎn)品互操作問題；（6）面向行業(yè)發(fā)展，建設(shè)示范工程，加速推廣應(yīng)用；（7）加強(qiáng)軟件開發(fā)環(huán)境的研制，使操作簡單、方便。