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劉  鑫

一  引言
眾所周知，21世紀的經(jīng)濟發(fā)展正處于由“工業(yè)經(jīng)濟模式”向“信息經(jīng)濟模式”快速轉(zhuǎn)變時期，而其中的“技術(shù)進步”又是決定性的因素。據(jù)統(tǒng)計，技術(shù)進步帶動的經(jīng)濟增長占整個經(jīng)濟增長的70%～80%。“以高新技術(shù)為核心，以信息電子化為手段，提高工業(yè)產(chǎn)品附加值”已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)自動化發(fā)展的重要目標。國家在“十五”期間，制定了“用信息化帶動工業(yè)自動化”的指導方針。在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)自動化中，計算機控制技術(shù)是核心，它是計算機技術(shù)和控制理論有機結(jié)合的產(chǎn)物。計算機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是工業(yè)控制計算機技術(shù)，其靈魂是智能控制技術(shù)。發(fā)展與智能控制技術(shù)相結(jié)合的“高性能的工業(yè)控制計算機以及基于工業(yè)控制計算機的開放式控制系統(tǒng)”是未來工業(yè)企業(yè)自動化的重要發(fā)展方向。
“十五”期間，自動化主控系統(tǒng)仍將以集散式控制系統(tǒng)（DCS）和工業(yè)控制計算機為主。大型DCS以國外產(chǎn)品為主的狀況不會有較大改變。PLC、基于工業(yè)控制計算機的國產(chǎn)DCS以及工業(yè)控制單元裝置在中小工程應(yīng)用中將逐漸占據(jù)主導地位。現(xiàn)場總線智能儀表和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）在試點成功的基礎(chǔ)上，市場需求將逐步增長。因此，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的DCS、IPC和CompactPCI工業(yè)控制計算機系統(tǒng)、FCS等構(gòu)成的新一代主控系統(tǒng)及其關(guān)鍵配套設(shè)備將是國家大力扶持的優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)品，也是產(chǎn)業(yè)化的重要目標。
近幾年，我國工業(yè)控制計算機得到快速發(fā)展，年增長速度達到10%～15%。2000年已達170～207億人民幣，其中IPC：35～40億；嵌入式計算機：25～30億；DCS：30～35億；FCS：3～4億；CNC：20～25億；PLC：25～30億；其它：30～40億。
由此可見，工業(yè)控制計算機（以下簡稱“工控機”）有可觀的市場潛力和發(fā)展空間。
二  工控機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和環(huán)境適應(yīng)性要求
典型的工控機系統(tǒng)包括工控機平臺、過程輸入通道（A/D、DI）、過程輸出通道（D/A、DO）、信號變送單元、信號驅(qū)動單元、外設(shè)以及測量和被控對象。
工控機的結(jié)構(gòu)主要有兩種：一種是盒式結(jié)構(gòu)（BOX），如國內(nèi)常見的19” 4U IPC機箱，缺點是自然散熱效果差，可維護性低；另一種是歐洲卡式結(jié)構(gòu)的金屬機箱，利于散熱，可維護性能高。為了使工控機能在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，工控機設(shè)計要滿足必要的環(huán)境適應(yīng)性要求，包括：• 寬工作溫度范圍0～55℃；• 寬工作濕度范圍 5%～95%，無結(jié)珠；• MTBF在20 000小時以上；• 抗震動、沖擊、腐蝕、粉塵、抗干擾能力；• 低功耗特性；• 電磁兼容性。此外，工控機還要有長期穩(wěn)定的供貨能力，以滿足工業(yè)產(chǎn)品的長生存周期要求。
三  工控機主板設(shè)計技術(shù)
工控機主板設(shè)計是工控機系統(tǒng)的核心技術(shù)。主板設(shè)計得合理、可靠是保證工控機系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作的重要因素之一。
1  選擇合適的互連總線
工控機技術(shù)向開放性、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，其標志就是采用國際公認的標準化架構(gòu)和接口。具體就是采用標準化的傳輸總線和接口，實現(xiàn)模塊間的互連，構(gòu)成柔性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
STD總線工控機雖然在工業(yè)控制現(xiàn)場的前端應(yīng)用仍然具有獨特的優(yōu)勢，但其自身已經(jīng)沒有發(fā)展的空間。
PC/104總線即使通過PC/104-plus的擴展以支持PCI總線，但市場接受的仍然是低端的PC/104總線，繼續(xù)發(fā)展困難較大。
在高性能工控機領(lǐng)域，比較有代表性的互連總線標準是PCI/ISA總線、CompactPCI/AT96總線。在同一個系統(tǒng)中，PCI總線通過PCI-ISA橋接技術(shù)可以支持ISA總線，使PCI和ISA總線共存，組成熟知的IPC工控機；CompactPCI總線通過PCI-ISA橋可以支持AT96總線，組成雙總線結(jié)構(gòu)的CompactPCI總線工控機（如康拓的APCI5000系列工控機）。PCI總線和CompactPCI總線已經(jīng)成為現(xiàn)代技術(shù)工程師設(shè)計工控機的首選標準總線。
基于PCI總線的計算機內(nèi)部典型架構(gòu)如圖1所示。

圖1  PCI總線計算機典型結(jié)構(gòu)圖

2  合理選擇CPU
選定了模塊（板）間的互連總線標準，還要合理地選擇CPU。
首先，選用CISC（Complex Instruction Set Computer）還是RISC（Reduced Instruction Set Computer）架構(gòu)CPU。通用產(chǎn)品設(shè)計，考慮到軟件的兼容性，主要選擇CISC架構(gòu)（如x86）。而專用的嵌入式設(shè)備，可考慮選用RISC（如中芯微的Arca-1）。
其次是選用什么樣的x86架構(gòu)的CPU。一種是目前PC市場流行的傳統(tǒng)概念CPU，如Intel的PⅢ、PⅣ，AMD的K6、K7，VIA的C3系列，配上133MHz（PC133）的SDR SDRAM。隨著DDR SDRAM的流行，PⅣ、K7和C3 CPU與DDR200/DDR266標準的DDR SDRAM組合設(shè)計將成為工控機主板設(shè)計的主要發(fā)展方向之一。
現(xiàn)在工控機設(shè)計熱門是采用微型化、低功耗SOC（System-On-a-Chip）經(jīng)濟系統(tǒng)芯片技術(shù)，也叫片上計算機或系統(tǒng)芯片技術(shù)。具有代表性的產(chǎn)品有STMicrosystems公司的STPC Client、STPC Industrial；National Semiconductor公司的Geode GX1、GXLV以及Geode SC2200芯片；ZF Micro Devices公司的ZFx86等。這些SOC芯片基本集成了PCI系統(tǒng)架構(gòu)中的CPU、北橋（Northbridge）、南橋（Southbridge）、顯示控制器以及大部分SuperI/O的功能，簡化了線路設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計和熱設(shè)計，提高了可靠性。
Transmeta公司的超低功耗Crusoe CPU，在RISC 架構(gòu)VLIW（Very Long Instruction Word）內(nèi)核上，通過代碼融合（Code Morphing）軟件技術(shù)實現(xiàn)了與x86架構(gòu)的軟件兼容性。與PⅢ-500MHz的50W峰值功耗相比，Crusoe TM5400-500MHz的功耗僅為0.75W，降低了系統(tǒng)熱設(shè)計難度，提高了系統(tǒng)的可靠性，已在高性能CPU領(lǐng)域異軍突起。TM5400-500MHz CPU已經(jīng)在康拓公司研制的APCI5000系列工控機產(chǎn)品中的APCI5095 CompactPCI/AT96總線主板設(shè)計中實現(xiàn)。
3  固態(tài)半導體存儲器技術(shù)
為了提高可靠性，工控機設(shè)計主要采用不帶機械轉(zhuǎn)動部件，不產(chǎn)生附加噪聲干擾、發(fā)熱、抗震動和抗沖擊能力強的固態(tài)半導體存儲器。主要產(chǎn)品有以下幾種：
①  Flash Memory，既可以完全影射在CPU的尋址空間，也可以用窗口影射方式設(shè)計。Flash Memory既可以直接數(shù)據(jù)塊讀寫（如BIOS Flash），實現(xiàn)數(shù)據(jù)直接訪問或程序就地執(zhí)行（XIP）；也可以作為固態(tài)盤使用。一般板上Flash Memory的容量都在1MB以內(nèi)。
②  單片F(xiàn)lash盤模塊，如M-systems公司的DOC2000系列芯片。其封裝形式和電氣接口與EPROM相同，上電自動引導內(nèi)部管理程序，模擬硬盤工作。讀盤速度為1.4Mbps；寫盤速度為0.5Mbps；猝發(fā)（burst）讀寫速度可達5Mbps。容量為16～288MB。
③  插在144pin DIMM插座上使用的DiskOnChip DIMM2000 Flash盤。這種盤可以提供256MB以上的存儲容量。
④  DOM（Disk On Module）flash盤技術(shù)。DOM盤可以直接插在40/44芯IDE硬盤插座上模擬硬盤工作，而且不占用存儲器地址空間。DOM的容量從4～256MB。
Flash半導體盤應(yīng)用有三大關(guān)鍵技術(shù)：一是均衡性算法管理問題；二是垃圾收集問題；三是壞字節(jié)容錯問題。前兩者已經(jīng)在管理軟件中解決并得到應(yīng)用，第三個問題還有待于進一步解決。
4  兩級看門狗（WDT）設(shè)計技術(shù)
為了實現(xiàn)在出現(xiàn)非破壞性可恢復故障時，在無人值守情況下自動保護現(xiàn)場并恢復工作，工控機要求設(shè)計看門狗功能。現(xiàn)在計算機SuperI/O芯片里或SOC里都嵌入了一個軟件可以編程的WDT單元。它一方面可以通過編程實現(xiàn)設(shè)置、啟動和關(guān)閉，但經(jīng)常由于軟件本身故障導致WDT失效；另一方面沒有嘗試即時修復就要復位系統(tǒng)，導致控制過程不必要中斷。
在設(shè)計中，增加一級硬件WDT功能，既可以保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時可靠恢復，也可以按照第一級WDT溢出申請中斷（中斷服務(wù)程序保存數(shù)據(jù)并啟動修復功能），如果修復失敗，第二級WDT產(chǎn)生系統(tǒng)復位信號，使系統(tǒng)復位；否則關(guān)閉第二級WDT，系統(tǒng)繼續(xù)正常運行。
5  CPU板上通訊和網(wǎng)絡(luò)接口
主板上設(shè)計的通訊接口，傳統(tǒng)上是非隔離的RS232/485接口。現(xiàn)在工控機主板，考慮到系統(tǒng)需要和現(xiàn)場環(huán)境，需要設(shè)計RS232、USB、1394和光隔485接口。在連網(wǎng)功能要求很強的設(shè)計中，需要設(shè)計10BASE-T/100BASE-TX Ethernet網(wǎng)接口，必要時設(shè)計雙Ethernet網(wǎng)接口，以滿足高可靠的雙機、雙網(wǎng)應(yīng)用需要。
四  熱設(shè)計
如果工控機系統(tǒng)的發(fā)熱過高、散熱不良或散熱不均，就會導致系統(tǒng)中印制版變形、互連結(jié)構(gòu)變形、器件不能正常工作或壽命縮短等問題，使系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。因此良好的熱設(shè)計是保證工控機穩(wěn)定、可靠運行的重要因素之一。涉及的主要技術(shù)有：機箱散熱、散熱片設(shè)計、熱管設(shè)計和風扇強迫散熱設(shè)計等。
五  電磁兼容性（EMC）設(shè)計
EMC（Electro Magnetic Compatibility）是指設(shè)備在某種電磁環(huán)境里正常工作的能力，同時不產(chǎn)生干擾其它設(shè)備正常工作的電子擾動。工控機的EMC設(shè)計一方面要提供抗電磁干擾能力，即抗擾度（EMS），另一方面要降低或消除對其他設(shè)備的電磁干擾（EMI）。實踐證明，在工控機系統(tǒng)的方案設(shè)計階段就開始考慮EMC問題，比在今后的使用過程中遇到時再去解決更有效。
構(gòu)成EMI的主要因素有：干擾源、干擾途徑、被干擾體。
(1)  工控機系統(tǒng)的主要干擾源
來自環(huán)境對工控機的干擾源主要有：人體產(chǎn)生的ESD、動力線、大電流、高壓開關(guān)和RF發(fā)生器等。
工控機本身的干擾源主要有：• 晶振―連續(xù)RF干擾；• 系統(tǒng)時鐘電路―RF干擾；• 開關(guān)量輸出變化瞬時狀態(tài)―瞬態(tài)時間越短干擾越大；• 長線驅(qū)動的總線信號的狀態(tài)變位。
(2)  主要干擾途徑
顯然，EMI需要通過某種載體傳播對部件實現(xiàn)干擾。它可以通過電磁波輻射，通過導體傳導，通過電感/電容耦合傳輸。所以，回路、長線和大面積導電區(qū)都容易受EMI干擾。
(3)  主要被干擾體
由于微處理器的工作是嚴格按照一定順序和正確的數(shù)據(jù)進行的，一旦干擾破壞了時序或數(shù)據(jù)，程序就不能繼續(xù)正常執(zhí)行。在工控機中，容易受干擾的主要有：• 系統(tǒng)時鐘的完整性；• 時序電路（State Machine）；• 存儲器和寄存器單元；• RESET、INTERRUPT、HANDSHAKING等重要信號。
(4)  EMC設(shè)計內(nèi)容
EMC設(shè)計的原則是：消除或抑制干擾源，切斷干擾途徑，提高被干擾體的抗干擾能力。
①  系統(tǒng)設(shè)計措施
對來自環(huán)境的電磁輻射通過金屬機箱的靜電屏蔽減弱或消除。通過動力線傳輸?shù)膫鲗Ц蓴_經(jīng)由專用濾波器吸收。通過信號線的傳導和耦合干擾則由光電隔離或變壓器隔離消除。來自人體的ESD通過導電機箱和良好接地泄放。同時，為外部大功率接觸器或開關(guān)提供能量釋放途徑，以消除或降低輻射干擾。
②  PCB設(shè)計措施
器件位置布局：根據(jù)器件的EMI特性，將器件和電路劃分成不同區(qū)域，可以減小耦合干擾。例如可將高噪聲、大電流電路，低壓電路，數(shù)字電路分別設(shè)為一個區(qū)。
地線和電源線：給不同區(qū)域電路分配不同的地線群，它們通過一點接地。不同群之間嚴格避免構(gòu)成地回路。由于供電回路是主要發(fā)射和接收EMI的天線，所以電源線要盡量靠近地線，以減小供電回路面積。如果條件允許，應(yīng)盡量采用多層印制版，提供相臨的地線層和電源層，可以達到理想的解耦和屏蔽效果。
解耦：常用的解耦方式有電容解耦和電感解耦兩種。電容解耦典型的方式是使用一組100μF/10μF的電容，并聯(lián)0.1μF或0.01μF的電容（一般小于主電容1～2個數(shù)量級）。解耦電容必須盡量靠近被保護芯片，以減小回路面積。電感解耦在設(shè)計中常被忽視，其實電感解耦（如磁珠ferrite beads）既可以消耗EMI能量，又不損失直流電壓，效果很好。
晶振：晶振的引線要盡量短，同時在晶振下面避免走線。
重要信號線：時鐘信號（Clock）、高阻抗信號、RESET、INTERRUPT、HANDSHAKING等重要信號用地線環(huán)繞可以取得很好的EMC效果。同時信號線要盡量短，并遠離高噪聲信號線。
數(shù)字信號要增大邏輯狀態(tài)抗噪聲余度（Margin），并使用Schmitt trigger消除寄生狀態(tài)。
③  軟件設(shè)計措施
軟件設(shè)計提高可靠性的措施有很多，但原則都是在故障條件下進入初始化程序。工控機設(shè)計主要是采用：
•  未用存儲器單元處理：將未用存儲器單元填充FF（NOP），最后填充一條“JUMP to Reset routine”語句；
•  周期性地檢測數(shù)據(jù)完整性（如Checksum）；
•  周期性地刷新控制和數(shù)據(jù)寄存器，特別是I/O輸出；
•  在程序中設(shè)置路標，不斷檢測程序是否按規(guī)定順序執(zhí)行；
•  重要數(shù)據(jù)進行冗余設(shè)計，保證關(guān)鍵任務(wù)的正確執(zhí)行。
六  現(xiàn)場總線和工業(yè)Ethernet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)、智能化的現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場化的控制功能是現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的主要特征。工控機為了滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求，引入了網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線設(shè)計技術(shù)。
IEC61158規(guī)定了8種現(xiàn)場總線標準，還有一些事實上的標準，如LonWorks和CAN總線等。由于各種現(xiàn)場總線具有某種行業(yè)適應(yīng)性特點，在各種控制系統(tǒng)中還要并存相當長的時期。各種現(xiàn)場總線組成的設(shè)備層未來發(fā)展方向必然是通過工業(yè)Ethernet網(wǎng)實現(xiàn)互連，最后連接到Internet網(wǎng)。

圖2  工業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

從控制策略的角度，常把控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分成3個層次（實際應(yīng)用中也可能是1個或2個層次）：現(xiàn)場設(shè)備層、控制層和信息管理層。如圖2所示。現(xiàn)場設(shè)備（傳感器、變送器和執(zhí)行器）通過現(xiàn)場總線互連到現(xiàn)場控制器。通訊信息簡短、頻繁、可靠，如CAN總線。控制層網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場控制器、操作站、工程師站互連到管理服務(wù)器上，實現(xiàn)信息傳遞、控制優(yōu)化和管理優(yōu)化。信息量大，信息傳遞可靠和具有時間確定性，如Arcnet。在信息層上實現(xiàn)企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)化，進一步實現(xiàn)管理優(yōu)化，及時進行生產(chǎn)協(xié)調(diào)、調(diào)度。最后與Internet互連，實現(xiàn)遠程管理，如Ethernet。
CAN總線作為最初設(shè)計在汽車內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)，已逐漸成為流行的現(xiàn)場設(shè)備層互連網(wǎng)絡(luò)。
Arcnet是70年代作為辦公自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展起來的，但因其信息傳遞快速、時間確定性和支持遠距離擴展而非常適合控制技術(shù)，在工業(yè)自動化領(lǐng)域取得了成功。Arcnet網(wǎng)絡(luò)傳輸速率也由傳統(tǒng)的2.5Mbps提高到10Mbps。
Ethernet網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)上的應(yīng)用已經(jīng)成為工業(yè)控制技術(shù)的一個熱門話題，引出了“工業(yè)Ethernet技術(shù)”。Ethernet網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用必須解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題：① Ethernet網(wǎng)絡(luò)雙絞線的低幅信號、RJ45連接器和易受外界干擾沖擊的碰撞偵測電路是否能達到工業(yè)標準抗擾度；② 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇_定性問題是否能解決；③ 應(yīng)用層協(xié)議的標準化問題，以實現(xiàn)互操作；④ Ethernet網(wǎng)絡(luò)的信息安全性問題。
七  操作系統(tǒng)和組態(tài)軟件
在實時工業(yè)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件的性能在很大程度上決定著整個控制系統(tǒng)的性能。工業(yè)控制系統(tǒng)的復雜性對軟件產(chǎn)品提出了很高的要求。過去由硬件制造商或系統(tǒng)應(yīng)用單位自行研制應(yīng)用軟件的狀況，已經(jīng)不適應(yīng)系統(tǒng)對可靠性、可用性、可維護性、進度以及其它性能指標的要求，需要由第三方專業(yè)軟件公司提供成熟的、高性能的軟件產(chǎn)品。
工控機需要配置的軟件產(chǎn)品主要有兩種：嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)和監(jiān)控組態(tài)軟件。
2000年世界銷量排在前6位的嵌入式操作系統(tǒng)有VxWorks、Embedded Windows、pSOS、Embedded Linux、Nucleus以及VRTX，常用的還有QNX和中軟實時嵌入式Linux操作系統(tǒng)等。選擇嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)除了評測其實時性設(shè)計、嵌入式設(shè)計和可靠性設(shè)計技術(shù)特點外，還要注重其開發(fā)環(huán)境的開放和友好程度。由于中軟實時嵌入式Linux操作系統(tǒng)是基于開放源碼的自由軟件Linux操作系統(tǒng)設(shè)計的，而且具有自主產(chǎn)權(quán)，因此國內(nèi)越來越多的控制系統(tǒng)已經(jīng)采用或計劃采用。
組態(tài)的概念起源于“Configuration”，是指使用軟件工具對計算機和軟件的資源進行配置，使計算機或程序按照預(yù)先設(shè)置自動執(zhí)行。一個好的組態(tài)軟件應(yīng)具有良好的開放性，容易與其它應(yīng)用軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
國內(nèi)應(yīng)用比較多的組態(tài)軟件有亞控的“組態(tài)王”、昆侖的“MCGS”以及大慶三維科技股份有限公司的力控軟件（ForceControl）等。國外著名軟件有Intellution的iFIX、Wonderware的Intouch、Nema Soft的Paragon TNT、National Instruments的LabView、Iconics的Genesis、信肯通的Think&Do，以及法國Alter Sys公司的Virgo2000等。
八  結(jié)語
國家非常重視工控機技術(shù)的發(fā)展以及對工業(yè)自動化和國防自動化的推動作用，為此在“十五”期間設(shè)立了“工業(yè)控制計算機和以工業(yè)控制計算機為基礎(chǔ)的開放式控制系統(tǒng)”產(chǎn)業(yè)化的重大專項，并將專項落實到了“航天科技集團502所康拓公司”。IPC和CompactPCI總線工控機是國家下大力氣發(fā)展的兩種主要工控機系統(tǒng)，也是開放式控制系統(tǒng)的基石。隨著我國工控機技術(shù)的進步并逐漸與國際接軌，相信經(jīng)過3～5年的時間，國產(chǎn)IPC和CompactPCI總線工控機及其開放式控制系統(tǒng)必將在國內(nèi)控制系統(tǒng)市場上逐步占有主要份額，并將打入國際市場，為國家和世界經(jīng)濟的發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻。