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劉鑫，楊孟飛
研究員，中國空間技術(shù)研究院“工業(yè)控制計算機系統(tǒng)”學(xué)科帶頭人，“計算機應(yīng)用”專業(yè)碩士生導(dǎo)師。1986年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動控制系。1991年至今一直從事“工業(yè)控制計算機及其系統(tǒng)技術(shù)”的研究工作，主持研制了多項工控機行業(yè)重大新產(chǎn)品，多次獲部級科學(xué)技術(shù)進步獎，在核心刊物上發(fā)表了40多篇學(xué)術(shù)論文。現(xiàn)任“北京康拓生化控制工程公司”總經(jīng)理，“國家工業(yè)控制機及其系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心”副主任，航天科技集團“工業(yè)控制及管理軟件生產(chǎn)力促進中心”副主任，“中國計算機行業(yè)協(xié)會”副會長，“中國計算機行業(yè)協(xié)會PICMG/PRC”會長，“中國計算機學(xué)會工業(yè)控制計算機專委會”秘書長、副主任，“北京自動化學(xué)會”副理事長。

引言

    50年前的1956年，在周恩來總理親自主持下制定了我國12年科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，把發(fā)展計算機技術(shù)納入了科技規(guī)劃的四項緊急措施，即計算機、電子學(xué)、半導(dǎo)體和自動化技術(shù)。根據(jù)這個12年科技發(fā)展規(guī)劃，計算機工作者開始了我國計算機事業(yè)的創(chuàng)建工作[17]。在廣大工業(yè)控制計算機工作者的共同努力下，1983年工業(yè)控制計算機被正式列入了國家計算機系列型普及發(fā)展規(guī)劃。1984年6月11日成立了中國電子學(xué)會電子計算機分會工業(yè)計算機學(xué)組，1986年3月22日轉(zhuǎn)建為“中國計算機學(xué)會工業(yè)控制計算機專業(yè)委員會”，從此，我國工業(yè)控制計算機技術(shù)的發(fā)展進入了一個嶄新的階段。1988年，中國研制STD總線工控機的科研人員和企業(yè)，聯(lián)合發(fā)起成立了中國STD總線工控機協(xié)會，英文名字叫STDMG/PRC。1991年，STDMG/PRC改建為中國計算機行業(yè)協(xié)會工業(yè)控制機分會，并在民政部備案。1998年2月STDMG/PRC正式更名為“中國計算機行業(yè)協(xié)會PICMG/PRC”，2002年在民政部注冊，社團登記號為4238-1。中國計算機行業(yè)協(xié)會PICMG/PRC是國際PICMG協(xié)會的執(zhí)行委員，是中國獲取國際PICMG協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)的唯一官方渠道。

１ 工業(yè)控制計算機技術(shù)發(fā)展的歷史回顧

    1.1 基于STD總線的第一代工控機技術(shù)

    1978年，美國Pro-Log公司抓住了上世紀(jì)工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的新的浪潮將以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的歷史機遇，率先研制了STD總線技術(shù)，該技術(shù)被IEEE組織批準(zhǔn)為IEEE961標(biāo)準(zhǔn)。STD總線的小板結(jié)構(gòu)既符合計算機的集成化發(fā)展方向，又適合工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用。隨后，Pro-Log公司又不失時機地推出了STD總線工控機，在工控界引起了強烈反響。由于STD總線工控機滿足了當(dāng)時工業(yè)企業(yè)技術(shù)改造和工業(yè)自動化等領(lǐng)域急需大量的工業(yè)控制計算機的市場需求，因此STD總線工控機技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

    1981年8月12日，美國IBM公司推出了基于主頻4.47MHz Intel 8088微處理器的世界上第一臺IBM PC機，其采用的局部總線互聯(lián)結(jié)構(gòu)就是后來風(fēng)靡全球的ISA（Industry Standard Architecture）總線，即IEEEP996[3]。8位STD總線兼容8位ISA總線技術(shù)，16位STD總線通過周期竊取和總線復(fù)用技術(shù)進一步做到了與16位ISA總線兼容，在軟件上與MS-DOS兼容，這是STD總線取得成功的一個重要因素。

    STD總線工控機技術(shù)在中國是從1983年開始興起的，90年代初期發(fā)展到頂峰，90年代末基本結(jié)束。當(dāng)時推動這一技術(shù)的主要企業(yè)和科研單位有北京康拓公司、北京工業(yè)大學(xué)、四通公司工控部、清華大學(xué)和北京控制計算機廠等。實踐證明，STD總線是適合我國國情的，STD總線工控機已成為當(dāng)時我國工業(yè)控制領(lǐng)域中的一種主導(dǎo)產(chǎn)品。現(xiàn)在擁有18個成員的國際STD32制造商協(xié)會還在繼續(xù)支持著STD總線技術(shù)。

    1.2 基于ISA和PCI總線的第二代工控機技術(shù)

    ISA總線1981年問世，于1983年擴展為8位PC/XT總線，1984年發(fā)展為16位PC/AT總線。從那時開始，基于ISA總線的IBM PC在世界范圍內(nèi)取得了巨大的成功，并且一直延續(xù)到90年代末期。1990年Intel公司推出了用于器件之間互連的總線PCI，并于1992年推出了PCI總線標(biāo)準(zhǔn)PCI 1.0，到了2000年，PCI總線已經(jīng)成為PC機的主流總線技術(shù)。

    Industrial PC，簡稱IPC，也叫IPC工控機或工業(yè)PC，它是一種加固的增強型PC機，可以作為一個工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。IPC是由PC機演變而來的工業(yè)控制計算機，它成功地使ISA總線和PCI總線與工業(yè)生產(chǎn)自動化聯(lián)系起來。由于PC機擁有極豐富的硬件、軟件資源，得到廣大工程技術(shù)人員的應(yīng)用和支持，IPC也因此對其它控制裝置產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。由于預(yù)見到IPC即將成為生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域中新一代的強有力的技術(shù)支持系統(tǒng)，根據(jù)國際IPC的發(fā)展潮流，以及IPC在工業(yè)現(xiàn)場的逐漸安裝和運行趨勢，1993年，中國計算機學(xué)會工業(yè)控制計算機專業(yè)委員會在國家科委、機械工業(yè)部、航天工業(yè)總公司、全國電子信息推廣辦、北京電子振興辦以及中國計算機學(xué)會等部委和學(xué)術(shù)團體的大力支持下，在北京召開了“工業(yè)PC國產(chǎn)化研討會”，并成立了由北京康拓公司、北京華勝工控工程公司、北京華遠(yuǎn)自動化系統(tǒng)有限公司、北京工業(yè)大學(xué)電子廠、北京工業(yè)控制計算機廠、重慶工業(yè)自動化儀表研究所等全國近20家工控界精英單位組成的“全國工業(yè)PC聯(lián)合開發(fā)委員會”，促進了IPC在中國的發(fā)展和應(yīng)用。

    IPC工控機的發(fā)展在90年代末期達(dá)到高潮，應(yīng)用得到了廣泛的普及，從2000年以后開始衰落，逐漸從工業(yè)自動化領(lǐng)域轉(zhuǎn)向管理和信息自動化方面應(yīng)用。IPC的主要生產(chǎn)企業(yè)國內(nèi)有研祥、華北工控、愛雷斯、研華、凌華和艾訊等，國外有美國ICS、德國西門子以及日本康泰克等。

    1.3 ISA總線的派生總線PC/104總線技術(shù)

    為了滿足對空間占用和功率消耗嚴(yán)格限制的嵌入式控制應(yīng)用的需要，并保持與被廣泛接受的PC總線架構(gòu)在軟件和硬件上的兼容性，美國Ampro Computers公司于1978年設(shè)計了第一款PC/104模塊。1992年2月Ampro聯(lián)合12家公司成立了PC/104產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（PC/104 Consortium），并于1992年3月推出了與ISA總線兼容的PC/104總線標(biāo)準(zhǔn)，1997年2月擴展為與PCI總線兼容的PC/104-plus總線標(biāo)準(zhǔn)。今天，PC/104產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的會員已經(jīng)超過160個企業(yè)，這些企業(yè)都基于PC/104標(biāo)準(zhǔn)制造小板規(guī)格、自層迭互連模式、低功耗的嵌入式計算機。PC/104仍然屬于第二代工控機技術(shù)的范疇。

    1.4 VME總線工控機技術(shù)

    1979年，美國Motorola公司推出了第一款68000 CPU，隨后的1981年，幾乎與IBM推出PC的同時，推出了VME總線工控機標(biāo)準(zhǔn)。VME總線工控機采用歐洲卡結(jié)構(gòu)、針孔連接器和垂直安裝模式，特別適合在惡劣工業(yè)和軍事裝置中運行。1982年，由Motorola和Mostek公司發(fā)起成立了VME總線制造商協(xié)會VITA（VMEbus International Manufacturers Group），目前該組織擁有139個會員，致力于在全球發(fā)展和推廣VME總線技術(shù)。1987年，VME總線標(biāo)準(zhǔn)被ANSI和IEEE接受為國際標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IEEE 1014-1987。

    1.5 第三代CompactPCI總線工控機技術(shù)

    20世紀(jì)90年代中期，PCI總線技術(shù)在PC機中已經(jīng)確立了其地位，越來越多的PC機中設(shè)計了PCI總線，以此也積累了豐富的芯片、硬件和軟件工具資源，PCI總線向工業(yè)和其它可靠性要求較高的領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)勢在必行。為了適應(yīng)新一代嵌入式計算機技術(shù)發(fā)展的需要，在Pro-Log公司的倡導(dǎo)下，1994年成立了PCI總線制造商協(xié)會PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）。1997年9月2日誕生了第一個CompactPCI總線標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.0 R2.1 - the CompactPCI base specification，1999年10月1日頒布了修訂版本PICMG 2.0 R3.0 - the CompactPCI core specification。CompactPCI總線是從PCI總線和VME總線基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它集中了兩種主流總線的先進性而演變成的可靠的、開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如PCI總線的高性能數(shù)據(jù)傳輸能力、VME總線的歐洲卡的四面鎖定的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、板卡垂直安裝利于散熱的特性、更換板卡的簡便性以及系統(tǒng)良好的可擴展性等。

    目前PICMG協(xié)會的會員總數(shù)超過了450個，會員覆蓋了工業(yè)控制和電信兩大行業(yè)，致力于為高性能工業(yè)和電信計算應(yīng)用開發(fā)開放性標(biāo)準(zhǔn)。

2 “十一五”工業(yè)控制計算機技術(shù)的發(fā)展探討

    2.1 PC/104-plus技術(shù)和PC/104技術(shù)向PCI-104和PCI Express技術(shù)發(fā)展

    PC/104工業(yè)控制計算機已經(jīng)問世近15個年頭，目前仍然在工業(yè)和軍事控制領(lǐng)域保持著持久的地位和發(fā)展態(tài)勢，直到現(xiàn)在，還一直與新技術(shù)的發(fā)展和采用保持著同步。

    PC/104總線的第一個發(fā)展趨勢就是去掉PC/104-plus標(biāo)準(zhǔn)中的ISA總線部分，僅保留PCI總線部分，為嵌入式板卡的設(shè)計提供更大的空間[2]，這就是2003年11月PC/104產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟頒布的新標(biāo)準(zhǔn)PCI-104 Specification Version 1.0。PCI-104使主流的PCI總線技術(shù)在小規(guī)格、高可靠的嵌入式計算機上得以實現(xiàn)和繼續(xù)發(fā)展。

    PC/104總線的第二個發(fā)展趨勢就是兼容PCI Express技術(shù)，新標(biāo)準(zhǔn)正在制定，最有可能的結(jié)果就是PCI-104和PCI Express總線共存在一塊板卡上，形成擴展的總線標(biāo)準(zhǔn)PCIE-104，而板卡尺寸還維持不變[2]。

    為了促進PC/104總線、PC/104-plus 以及PCI-104總線技術(shù)的應(yīng)用，PC/104產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟于2004年3月制定了嵌入式單板計算機平臺標(biāo)準(zhǔn)EPIC（Embedded Platform for Industrial Computing），并于2006年2月頒布了修訂標(biāo)準(zhǔn)EPIC Specification Version 2.0。EPIC平臺可以通過PC/104總線、PC/104-plus 以及PCI-104總線模板擴展I/O功能，并為采用高性能的CPU、存儲器技術(shù)以及散熱設(shè)計留有足夠的空間，可以快速集成面向特定應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)，縮短開發(fā)時間，節(jié)省費用[4]。EPIC的尺寸介于PC/104和EBX之間，為115.00mm x 165.00mm。

    2.2 CompactPCI總線和PCI Express融合形成CompactPCI Express技術(shù)

    高可靠、模塊化、高性能和低價位的CompactPCI總線嵌入式計算機已經(jīng)在通信、醫(yī)療器械、儀器測量、工業(yè)控制以及軍事設(shè)備、航空和航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CompactPCI總線標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過近10年的發(fā)展已經(jīng)趨于完善，并且創(chuàng)造了幾個行業(yè)“第一”的神話，如第一個支持熱插拔能力的總線標(biāo)準(zhǔn)，第一個支持H.110電話總線，第一個開放系統(tǒng)管理規(guī)范以及第一個基于Ethernet的包交換背板技術(shù)等[18]。

    CompactPCI技術(shù)未來將向更快方向發(fā)展，形成側(cè)重于I/O應(yīng)用的主要平臺技術(shù)CompactPCI Express，并保持與CompactPCI總線的兼容性。CompactPCI Express是通用的、高性能的、面向工業(yè)市場的未來總線系統(tǒng)，其串行、點到點的數(shù)據(jù)交換能力可以達(dá)到每秒4GB。除此之外，CompactPCI Express的異步通信模式還具有CRC校驗和算法，可以實現(xiàn)錯誤自動識別和糾正。而最有希望成為第一個在CompactPCI Express嵌入式計算機上運行的操作系統(tǒng)可能是微軟公司的Longhorn，該軟件自身就嵌入了對PCI Express技術(shù)的完美支持，并允許I/O設(shè)備的熱插拔，而不需要額外的其它軟件開銷[1]。

    6U CompactPCI的主要應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)該是電信行業(yè)，但目前受到AdvancedTCA技術(shù)的沖擊，應(yīng)用不會有太大的空間。無論是國防還是工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)?U CompactPCI產(chǎn)品的需求正在大幅度增長，尤其是通過傳導(dǎo)散熱的3U產(chǎn)品[13]。

    2.3 VME總線技術(shù)雖然繼續(xù)發(fā)展但是應(yīng)用范圍在縮小

    伴隨著微處理器技術(shù)和通信技術(shù)的進步，VME總線技術(shù)從誕生開始就一直處于不斷的發(fā)展之中，并取得了成功。并行峰值通訊速率從VME16的20MB/s，發(fā)展VME32的40MB/s和VME64和VME64x的80MB/s，到2004年達(dá)到了320MB/s。VME總線未來的發(fā)展途徑主要有2個，一方面是通過2eSST VME總線標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)支持或提高并行多點VME總線的數(shù)據(jù)帶寬，可以達(dá)到320+MB/s；另一方面是吸收CompactPCI總線的串行交換機制技術(shù)（Switched Serial Fabrics），通過星型（star）、雙星（dual star）或者網(wǎng)狀網(wǎng)（mesh）互連方式，以及Ethernet、Infiniband、RapidIO或PCI Express技術(shù)，大幅度提高VME總線的數(shù)據(jù)吞吐量到30GB/s，提高系統(tǒng)的冗余設(shè)計能力，這就是剛剛頒布的VITA41或VXS（VME switched fabric serial backplane standard）標(biāo)準(zhǔn)，同時還繼續(xù)保持著與傳統(tǒng)的VME總線技術(shù)的兼容[5]。目前正在研制VITA46或VPX標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸能力已經(jīng)可以達(dá)到10GB/s。
雖然VME總線還在發(fā)展，但是必須認(rèn)識到VME總線技術(shù)太老了，已經(jīng)走下坡路了，除了在對實時性要求較高的國防和軍事設(shè)備應(yīng)用上還占據(jù)一定優(yōu)勢外，新的工業(yè)自動化項目幾乎不可能再被采用了。

    2.4   基于網(wǎng)絡(luò)的LXI標(biāo)準(zhǔn)將成為最有發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮摂M儀器總線技術(shù)

    自動測試系統(tǒng)的建立，往往包括一臺或多臺儀器、主控計算機和測試軟件、測試夾具以及系統(tǒng)總線。而系統(tǒng)總線就像是中樞神經(jīng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制指令和測試數(shù)據(jù)的傳送。測試系統(tǒng)的總線由兩種技術(shù)體系實現(xiàn)，一種是基于網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的總線，如GPIB等；一種是基于背板式互連的總線技術(shù)，如VME/VXI或CPCI/PXI等。為了滿足測試系統(tǒng)對低價格、更高帶寬和更高數(shù)據(jù)傳輸速度的要求，測試系統(tǒng)總線正在向兩個方向發(fā)展：一是基于網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的總線正在向基于IEEE802.3和TCP/IP技術(shù)的Ethernet方向發(fā)展，即LXI總線技術(shù)；二是基于背板技術(shù)的總線已經(jīng)從VXI過度到CPCI/PXI技術(shù)，并正在向PCI/PXI Express技術(shù)發(fā)展。“無論是相對GPIB、VXI還是PXI，LXI都將是未來的總線技術(shù)發(fā)展趨勢”[7]。

    LXI（LAN eXtensions for Instrumentation）是LXI聯(lián)盟定義的一種基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Ethernet技術(shù)的開放式儀表平臺總線標(biāo)準(zhǔn)，用于構(gòu)成模塊化的、靈活的、高性能的小型或中型測試系統(tǒng)。通過LXI標(biāo)準(zhǔn)，將GPIB擴展到LAN，使PC或儀表之間的通信更加簡單和廉價。LXI標(biāo)準(zhǔn)由Agilent和 VXI Technology于1984年率先開發(fā)，并發(fā)起成立了LXI聯(lián)盟。LXI聯(lián)盟于2005年9月頒布LXI Standard Rev. 1.0，2006年8月頒布修訂版本LXI Standard Rev. 1.1。LXI標(biāo)準(zhǔn)有三個重要的功能特點：一是具有基于Web browser的人機界面接口和程序性控制框架的標(biāo)準(zhǔn)化的LAN接口，LAN接口的連接方式既可以是有線的，也可以是無線的；二是有三種觸發(fā)方式，即LAN觸發(fā)方式、IEEE1588精確定時協(xié)議觸發(fā)方式和LXI觸發(fā)總線；三是多種標(biāo)準(zhǔn)的儀表測試設(shè)備可以共存在同一個系統(tǒng)當(dāng)中，如GPIB、PXI、VXI以及基于LAN接口的儀表等[8]。

    LXI總線技術(shù)的優(yōu)勢[8]：

    ● 速度快、使用方便、應(yīng)用普及、價格低，與Ethernet LAN向下兼容；

    ● 通過直觀的Web browser接口進行設(shè)備操作和管理，配置簡單、快捷；

    ● IVI標(biāo)準(zhǔn)程序驅(qū)動接口，編程簡單，軟件重用性好；

    ● 具有創(chuàng)建混合測試系統(tǒng)的能力，系統(tǒng)中可以包括LXI、PXI、VXI、GPIB以及CANbus等，設(shè)備之間可以通過總線轉(zhuǎn)換裝置互連；

    ● 通過硬件和LAN-based觸發(fā)方式可以提高測試系統(tǒng)的性能以及任務(wù)處理能力；

    ● 通過IEEE1588精確定時協(xié)議可以實現(xiàn)當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)程儀表的同步，同步誤差在10ns～10ms之間。

    作為以太網(wǎng)技術(shù)在測試自動化領(lǐng)域的應(yīng)用擴展，LXI技術(shù)正在為世界上越來越多的儀表制造商所采用，一些基于LXI技術(shù)的儀器也已面市，如安捷倫的33220A函數(shù)發(fā)生器、N6700/N5700系列電源、34980A開關(guān)等。目前LXI聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)展到49個成員，LXI技術(shù)也發(fā)展成為了下一代虛擬儀表總線技術(shù)。

    2.5 串行、點到點、高速互連總線技術(shù)PCI Express、AdvancedTCA以及MicroTCA

    隨著芯片和模板的密度越來越大，速度越來越快，傳統(tǒng)的并行總線逐漸成為系統(tǒng)性能提高的主要瓶頸，而且問題越來越嚴(yán)重。與此同時，串行總線的性能也在不斷地提高，這也進一步推動了計算機的共享并行總線技術(shù)向高速、獨占的、點到點的串行總線技術(shù)方向轉(zhuǎn)移。

    早在2001年的春季，Intel公司就宣布要用一種新的技術(shù)取代PCI總線和多種芯片的內(nèi)部連接，并稱之為第三代I/O總線技術(shù)，即3GIO (3rd Generation I/O)。到了2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM等20多家業(yè)界主導(dǎo)公司加入了PCI-SIG，開始起草3GIO規(guī)范。2002年草案完成，并把3GIO正式命名為PCI Express。PCI Express技術(shù)要點是從并行到串行的轉(zhuǎn)變。PCI Express可以理解為是一種將并行PCI總線進行打包后變成串行方式在多種傳輸介質(zhì)上傳輸信息的技術(shù)，這里的傳輸介質(zhì)既可以是布在線路板上的傳輸線（traces），也可以是雙絞線（cables）。PCI Express技術(shù)可以用于板內(nèi)芯片之間的互連（chip-to-chip）、模板和模板之間的互連（board-to-board），也可以用來實現(xiàn)系統(tǒng)到系統(tǒng)的高速互連（box-to-box）。第一代PCI Express總線的工作速度為2.5GHz，目前正在研制工作頻率為5GHz的第二代標(biāo)準(zhǔn)。通過x1、x4、x8、x16和x32連接通道，PCI Express總線的帶寬可以達(dá)到80Gbps。從PCI Express發(fā)展出來的標(biāo)準(zhǔn)目前主要有SHB （System Host Board）Express、COM（Computer-On-Module）Express以及CompactPCI Express等[6]。

    自從PICMG于2001年9月發(fā)布了以太網(wǎng)包交換背板標(biāo)準(zhǔn)（CompactPCI Packet Switching Backplane/PSB）PICMG 2.16，將串行Ethernet網(wǎng)絡(luò)在背板上實現(xiàn)以來，壟斷背板設(shè)計多年的并行總線技術(shù)被打破，使可管理的、冗余的、點到點的、串行包交換互連總線技術(shù)（switched serial interconnects，也叫Switched Fabrics技術(shù)）得到廣泛接受。2002年12月PICMG發(fā)布了基于Switched Fabrics技術(shù)的更新、更快和功能更強大的開放式平臺架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)PICMG 3.0，即AdvancedTCA（Advanced Telecom Computing Architecture），簡稱ATCA；并于2005年3月又推出了Advanced Mezzanine Card標(biāo)準(zhǔn)，簡稱AMC；2006年7月，PICMG發(fā)布了最新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)MicroTCA（Micro Telecommunications Computing Architecture）。

    PICMG 2.16 CompactPCI/PSB技術(shù)的主要特點：

    ● 在CPCI的J3/P3和J5/P5上定義了20個與IEEE802.3-2000兼容的Ethernet網(wǎng)絡(luò)，最大帶寬為20Gbps。

    ● 背板上定義了Node slot、Fabric slot和連接它們的Link。Node之間通過Fabric進行通信。

    ● 1個Fabric與所有Node之間的連接為Star拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，2個Fabric與所有Node之間的連接為Dual Star拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，2個Fabric之間互連構(gòu)成冗余系統(tǒng)。

    ● CPCI總線和PSB總線可以在同一個背板上共存，互為冗余，相互補充。

    ATCA是面向下一代運營通信設(shè)備的系列工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的總稱，它融合了在高速互連技術(shù)，下一代微處理器技術(shù)，不斷提高的可靠性、可管理性和可服務(wù)性技術(shù)等方面的最新發(fā)展成果，滿足電信運營對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建系統(tǒng)（NEBS）、歐洲電信協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（ETSI）以及99.999%時間可用性的要求。ATCA還具有模板尺寸大（8U x 280mm x 6HP）、供電能力強（-48V/200W），可以熱插拔（hot-swappable）以及支持多協(xié)議（Ethernet、InfiniBand、StarFabric、PCI Express、RapidIO）的switched fabrics技術(shù)等特點；支持Dual Star、Dual Dual Star以及Mesh Fabric拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；定義了系統(tǒng)管理功能和串行管理接口IPMI（Integrated Peripheral Management Interface），利用管理軟件對模板進行配置，獲取狀態(tài)信息，并能遠(yuǎn)程關(guān)閉故障模板。目前PICMG members和ATCA community正在與IEEE802.3ab subcommittee合作研制10Gbps backplane standards[6]。在不久的將來，ATCA背板的信號傳輸速度將從現(xiàn)在的5Gbps提高到10Gbps，大幅度提升ATCA的數(shù)據(jù)傳送能力。在可以預(yù)見的幾年里，在下一代電信網(wǎng)絡(luò)中，ATCA將會得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。而就目前的情況來看，在未來相當(dāng)長時間內(nèi)，ATCA將會和CompactPCI相互補充，共同促進電信行業(yè)乃至信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

    AMC針對ATCA技術(shù)定義了一種模塊化的、基于LVDS信號的高速串行互連接口的“女兒板”標(biāo)準(zhǔn)。AMC通過AMC連接器并行插在ATCA載板（Carrier Board），實現(xiàn)ATCA模板功能。AMC模塊通過導(dǎo)軌，從模板前面方便地插入和拔出，并且支持熱插拔。使用AMC設(shè)計ATCA功能模板如同搭積木一樣簡單、方便、快速。

    將AMC模塊插在ATCA載板上可以構(gòu)成特定功能的ATCA模板。將AMC插在背板上就發(fā)展成了一種小型化、模塊化、高性能的計算平臺系統(tǒng)，這就是MicroTCA。MicroTCA集中了ATCA和AMC的先進性，可以滿足電信、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)測量和控制、軍事設(shè)備以及消費類電子產(chǎn)品的需要[9]。MicroTCA系統(tǒng)包括AMC模塊、MCH（MicroTCA Carrier Hub）、電源模塊（PM）、制冷單元（CU）、背板、導(dǎo)軌和機箱等主要部分。AMC模塊有4種規(guī)格，常用的是73.8x13.88x181.5mm。一個典型的19英寸x 4U x 300mm機箱容納的MicroTCA系統(tǒng)可以支持10個AMC模塊、2個MCH和2個PM。MicroTCA的背板信號接口采用先進的差分高速串行化器和解串器（Serializer/Deserializer，簡稱SerDes）互連技術(shù)設(shè)計，半雙工帶寬可以達(dá)到3.125Gbps。

    根據(jù)2006年VDC的研究預(yù)測，到2009年ATCA的市場份額將達(dá)到$1.15 billions，AMC將為$763 millions，MicroTCA將增長到$217 millions[10]。

    2.6 有線和無線混合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用

    在工業(yè)控制和檢測系統(tǒng)中主要存在三種有線通信方式，即點到點并行模擬連接方式、現(xiàn)場總線和工業(yè)Ethernet[19]。并行連接方式隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)很少見了，現(xiàn)場總線技術(shù)使用一對電纜就可以為多個互連設(shè)備提供電源以及控制和配置信息。開放式現(xiàn)場總線技術(shù)可以使不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備在同一個系統(tǒng)中實現(xiàn)互操作，方便采購和維護，降低了成本。工業(yè)Ethernet比現(xiàn)場總線有很多優(yōu)勢，例如價格便宜，使用方便，特別是帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于12MB/s的現(xiàn)場總線。工業(yè)Ethernet用于工業(yè)現(xiàn)場的主要問題出在CSMA/CD競爭協(xié)議上，不能保證響應(yīng)時間的確定性，即實時性問題。現(xiàn)在通過交換機或網(wǎng)橋進行網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的方式避免了碰撞的發(fā)生，有效地解決這一問題[19]。

    近幾年，隨著人們對設(shè)備可互連性和可移動性要求的越來越高，無線系統(tǒng)的使用呈指數(shù)形式增長。無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制和監(jiān)測方面的應(yīng)用也成為繼工業(yè)Ethernet之后的工控領(lǐng)域的又一個熱點技術(shù)[16]。無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)現(xiàn)場主要應(yīng)用在設(shè)備或環(huán)境實現(xiàn)物理連接困難以及技術(shù)上不允許或不希望用物理連接的場合，如移動或旋轉(zhuǎn)設(shè)備、運動節(jié)點、遠(yuǎn)距離設(shè)備管理、障礙物阻隔環(huán)境、高危環(huán)境等，以彌補有線網(wǎng)絡(luò)的不足。

    未來，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)主要的存在形式應(yīng)該是有線和無線的混合網(wǎng)絡(luò)，相輔相成，取長補短。無線網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)有基于802.11的WLAN（Wireless LAN）、BlueTooth、ZigBee技術(shù)以及RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)。一般而言，工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量的要求比較低，但對在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)通信的可靠性卻要求很高，例如在高溫和低溫，高濕度等級，劇烈振動，爆炸性氣體，腐蝕性化學(xué)物質(zhì)以及強電磁干擾環(huán)境里。無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制和監(jiān)測方面應(yīng)用主要需要解決的技術(shù)問題是安全性（Security）、魯棒性（Robustness）、故障安全運行模式或故障降級運行模式（Fail-safe/fail-soft operation）、干擾免疫性（Interference immunity）、能源獲取技術(shù)（Power availability）、可互操作性（Interoperability）以及人機接口技術(shù)（Interfaces）[19]。

    2.7 可編程邏輯控制器技術(shù)在未來的工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更重要的作用

    今天，PC機的硬件和軟件功能已經(jīng)非常強大，標(biāo)準(zhǔn)化程度也越來越高，可靠性也得到了很大地改進，因此在工業(yè)控制上的應(yīng)用也越來越多。隨著開放的、模塊化的主流工業(yè)控制計算機總線技術(shù)的不斷發(fā)展，如PC/104、CompactPCI、PXI以及MicroTCA工控機等，高性能、高可靠、維護方便的工業(yè)控制計算機將在工廠自動化的控制層得到更廣泛的接受和應(yīng)用，而不局限于管理層和操作層[15]。在另一方面，根據(jù)2006年ARC Advisory Group的最新研究結(jié)果，在未來的5年里，PLC在全球的市場年增長率(compounded annual growth rate)將達(dá)到6.1%。PLC在2005年的市場份額為$7.5 billion，預(yù)計到2010 年將達(dá)到$10 billion[14]。PLC產(chǎn)品也將在功能、通信能力、規(guī)模、可擴展性、軟件、開發(fā)工具以及自診斷能力等方面得到改進。

    融合PC機強大的功能和PLC的可靠性[12]，伴隨著PLC采用COTS（commercial of the shelf）硬件技術(shù)以及PC-based的系統(tǒng)融入實時操作系統(tǒng)，產(chǎn)生了新一代工業(yè)控制器技術(shù)——可編程自動化控制器，即PAC（programmable automation controller）。PAC的概念是由ARC公司于1990年提出的[14]。PAC可以通過一個復(fù)雜的控制器，提供先進的控制特性、網(wǎng)絡(luò)互連能力、設(shè)備之間的互操作能力、以及企業(yè)的數(shù)據(jù)信息的集成能力[11]。

    雖然PAC不可能取代PLC，但它擴展了PLC的能力[14]，其本質(zhì)上仍然是一種變結(jié)構(gòu)的嵌入式工業(yè)控制計算機，將在現(xiàn)在和未來的工廠自動化領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

3     結(jié)論

    滿足惡劣環(huán)境的具有安全性、可靠性和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求的加固型計算機稱為工業(yè)控制計算機，也叫加固計算機。模塊化的、開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的總線型工業(yè)控制計算機技術(shù)，可以使設(shè)備制造商或系統(tǒng)集成商方便、快捷地構(gòu)造面向特定需求的高可靠的應(yīng)用系統(tǒng)，產(chǎn)品研發(fā)周期短、費用低、生存周期長，可選擇性好，并且具有良好的性能、可靠性、可擴展性、可維護性和服務(wù)能力。

    “十一五”期間工業(yè)控制計算機技術(shù)的主要發(fā)展趨勢：小型化的、基于并行總線技術(shù)的PC/104（包括PC/104-plus、PCI-104）和CompactPCI/PXI工控機將繼續(xù)占據(jù)主流地位，并向PCI Express技術(shù)發(fā)展，同時保持向下的兼容性；VME總線技術(shù)除了在軍工還保持一定優(yōu)勢外，在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越少；虛擬儀器技術(shù)將向網(wǎng)絡(luò)化的LXI技術(shù)發(fā)展；電信領(lǐng)域?qū)⒂葾TCA技術(shù)一統(tǒng)天下，由高速、串行、點到點的switched fabrics技術(shù)取代統(tǒng)治該領(lǐng)域多年的并行總線技術(shù)；MicroTCA技術(shù)將從電信領(lǐng)域向其它領(lǐng)域擴展，包括工業(yè)控制、測試測量以及軍工設(shè)備制造等，并逐漸發(fā)展成新的熱點；無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將擴大在工業(yè)測控領(lǐng)域的應(yīng)用，有線和無線混合網(wǎng)絡(luò)是未來工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的一個新的發(fā)展方向；作為工業(yè)控制計算機技術(shù)的一種新的存在形式，PAC技術(shù)將在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。

    我國是制造業(yè)大國，但不是制造業(yè)強國。我國還不是工業(yè)化國家，工業(yè)自動化水平還很低。“十一五”規(guī)劃明確提出：堅持以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化，提高經(jīng)濟社會信息化水平；堅持以信息化改造制造業(yè)，推進生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化、生產(chǎn)過程智能化和企業(yè)管理信息化；推廣集散控制、現(xiàn)場總線控制、敏捷制造等技術(shù)，強化生產(chǎn)過程的在線監(jiān)測、預(yù)警和控制。工業(yè)控制計算機是工業(yè)自動化和信息化的核心設(shè)備，因此在“十一五”期間，工業(yè)控制計算機將通過采用新技術(shù)而使自身得到更大的發(fā)展，同時也必將在推進工業(yè)化和信息化進程中發(fā)揮更重要的作用。

參考文獻：

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