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    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(jì)算機(jī)技術(shù)納入了科技規(guī)劃的四項(xiàng)緊急措施，即計(jì)算機(jī)、電子學(xué)、半導(dǎo)體和自動(dòng)化技術(shù)。根據(jù)這個(gè)12年科技發(fā)展規(guī)劃，計(jì)算機(jī)工作者開始了我國計(jì)算機(jī)事業(yè)的創(chuàng)建工作[17]。在廣大工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工作者的共同努力下，1983年工業(yè)控制計(jì)算機(jī)被正式列入了國家計(jì)算機(jī)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(huì)電子計(jì)算機(jī)分會(huì)工業(yè)計(jì)算機(jī)學(xué)組，1986年3月22日轉(zhuǎn)建為“中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)專業(yè)委員會(huì)”，從此，我國工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。1988年，中國研制STD總線工控機(jī)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(jī)協(xié)會(huì)，英文名字叫STDMG/PRC。1991年，STDMG/PRC改建為中國計(jì)算機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)工業(yè)控制機(jī)分會(huì)，并在民政部備案。1998年2月STDMG/PRC正式更名為“中國計(jì)算機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)PICMG/PRC”，2002年在民政部注冊(cè)，社團(tuán)登記號(hào)為4238-1。中國計(jì)算機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)PICMG/PRC是國際PICMG協(xié)會(huì)的執(zhí)行委員，是中國獲取國際PICMG協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的唯一官方渠道。

1 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的歷史機(jī)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(jì)算機(jī)的集成化發(fā)展方向，又適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。隨后，Pro-Log公司又不失時(shí)機(jī)地推出了STD總線工控機(jī)，在工控界引起了強(qiáng)烈反響。由于STD總線工控機(jī)滿足了當(dāng)時(shí)工業(yè)企業(yè)技術(shù)改造和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域急需大量的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的市場(chǎng)需求，因此STD總線工控機(jī)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(tái)IBM PC機(jī)，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(jìn)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(gè)重要因素。

STD總線工控機(jī)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(shí)推動(dòng)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(jì)算機(jī)廠等。實(shí)踐證明，STD總線是適合我國國情的，STD總線工控機(jī)已成為當(dāng)時(shí)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(gè)成員的國際STD32制造商協(xié)會(huì)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(jī)技術(shù)

ISA總線1981年問世，于1983年擴(kuò)展為8位PC/XT總線，1984年發(fā)展為16位PC/AT總線。從那時(shí)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(jī)的主流總線技術(shù)。

Industrial PC，簡(jiǎn)稱IPC，也叫IPC工控機(jī)或工業(yè)PC，它是一種加固的增強(qiáng)型PC機(jī)，可以作為一個(gè)工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。IPC是由PC機(jī)演變而來的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它成功地使ISA總線和PCI總線與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化聯(lián)系起來。由于PC機(jī)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(duì)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(dòng)化領(lǐng)域中新一代的強(qiáng)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(chǎng)的逐漸安裝和運(yùn)行趨勢(shì)，1993年，中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)專業(yè)委員會(huì)在國家科委、機(jī)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(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)等部委和學(xué)術(shù)團(tuán)體的大力支持下，在北京召開了“工業(yè)PC國產(chǎn)化研討會(huì)”，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(dòng)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(jì)算機(jī)廠、重慶工業(yè)自動(dòng)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(huì)”，促進(jìn)了IPC在中國的發(fā)展和應(yīng)用。

IPC工控機(jī)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(dòng)化領(lǐng)域轉(zhuǎn)向管理和信息自動(dòng)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(duì)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(jì)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(kuò)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(huì)員已經(jīng)超過160個(gè)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(jì)算機(jī)。PC/104仍然屬于第二代工控機(jī)技術(shù)的范疇。

1.4 VME總線工控機(jī)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(shí)，推出了VME總線工控機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。VME總線工控機(jī)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(yùn)行。1982年，由Motorola和Mostek公司發(fā)起成立了VME總線制造商協(xié)會(huì)VITA（VMEbus International Manufacturers Group），目前該組織擁有139個(gè)會(huì)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(jī)技術(shù)

20世紀(jì)90年代中期，PCI總線技術(shù)在PC機(jī)中已經(jīng)確立了其地位，越來越多的PC機(jī)中設(shè)計(jì)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(shì)在必行。為了適應(yīng)新一代嵌入式計(jì)算機(jī)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(huì)PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）。1997年9月2日誕生了第一個(gè)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(jìn)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(jiǎn)便性以及系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性等。

目前PICMG協(xié)會(huì)的會(huì)員總數(shù)超過了450個(gè)，會(huì)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(jì)算應(yīng)用開發(fā)開放性標(biāo)準(zhǔn)。

2 “十一五”工業(yè)控制計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)已經(jīng)問世近15個(gè)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(shì)，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(gè)發(fā)展趨勢(shì)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(jì)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(jì)算機(jī)上得以實(shí)現(xiàn)和繼續(xù)發(fā)展。

PC/104總線的第二個(gè)發(fā)展趨勢(shì)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(kuò)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(jìn)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(jì)算機(jī)平臺(tái)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(tái)可以通過PC/104總線、PC/104-plus 以及PCI-104總線模板擴(kuò)展I/O功能，并為采用高性能的CPU、存儲(chǔ)器技術(shù)以及散熱設(shè)計(jì)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(shí)間，節(jié)省費(fèi)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(jià)位的CompactPCI總線嵌入式計(jì)算機(jī)已經(jīng)在通信、醫(yī)療器械、儀器測(cè)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(gè)行業(yè)“第一”的神話，如第一個(gè)支持熱插拔能力的總線標(biāo)準(zhǔn)，第一個(gè)支持H.110電話總線，第一個(gè)開放系統(tǒng)管理規(guī)范以及第一個(gè)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(tái)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(chǎng)的未來總線系統(tǒng)，其串行、點(diǎn)到點(diǎn)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(yàn)和算法，可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤自動(dòng)識(shí)別和糾正。而最有希望成為第一個(gè)在CompactPCI Express嵌入式計(jì)算機(jī)上運(yùn)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(duì)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(huì)有太大的空間。無論是國防還是工業(yè)自動(dòng)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(jìn)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(gè)，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(diǎn)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(jī)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(jì)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(shí)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(shí)到VME總線技術(shù)太老了，已經(jīng)走下坡路了，除了在對(duì)實(shí)時(shí)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(shì)外，新的工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的建立，往往包括一臺(tái)或多臺(tái)儀器、主控計(jì)算機(jī)和測(cè)試軟件、測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)的傳送。測(cè)試系統(tǒng)的總線由兩種技術(shù)體系實(shí)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(cè)試系統(tǒng)對(duì)低價(jià)格、更高帶寬和更高數(shù)據(jù)傳輸速度的要求，測(cè)試系統(tǒng)總線正在向兩個(gè)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(duì)GPIB、VXI還是PXI，LXI都將是未來的總線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)”[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(tái)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(cè)試系統(tǒng)。通過LXI標(biāo)準(zhǔn)，將GPIB擴(kuò)展到LAN，使PC或儀表之間的通信更加簡(jiǎn)單和廉價(jià)。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(gè)重要的功能特點(diǎn)：一是具有基于Web browser的人機(jī)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(shí)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(cè)試設(shè)備可以共存在同一個(gè)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(shì)[8]：

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

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

● IVI標(biāo)準(zhǔn)程序驅(qū)動(dòng)接口，編程簡(jiǎn)單，軟件重用性好；

● 具有創(chuàng)建混合測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的性能以及任務(wù)處理能力；

● 通過IEEE1588精確定時(shí)協(xié)議可以實(shí)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(cè)試自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)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(gè)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(diǎn)到點(diǎn)、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(shí)，串行總線的性能也在不斷地提高，這也進(jìn)一步推動(dòng)了計(jì)算機(jī)的共享并行總線技術(shù)向高速、獨(dú)占的、點(diǎn)到點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)以來，壟斷背板設(shè)計(jì)多年的并行總線技術(shù)被打破，使可管理的、冗余的、點(diǎn)到點(diǎn)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(qiáng)大的開放式平臺(tái)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)PICMG 3.0，即AdvancedTCA（Advanced Telecom Computing Architecture），簡(jiǎn)稱ATCA；并于2005年3月又推出了Advanced Mezzanine Card標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)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(diǎn)：

● 在CPCI的J3/P3和J5/P5上定義了20個(gè)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(jìn)行通信。

● 1個(gè)Fabric與所有Node之間的連接為Star拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，2個(gè)Fabric與所有Node之間的連接為Dual Star拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，2個(gè)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(gè)背板上共存，互為冗余，相互補(bǔ)充。

ATCA是面向下一代運(yùn)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(yùn)營對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建系統(tǒng)（NEBS）、歐洲電信協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ETSI）以及99.999%時(shí)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(qiáng)（-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(diǎn)；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(duì)模板進(jìn)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(hào)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(huì)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(shí)間內(nèi)，ATCA將會(huì)和CompactPCI相互補(bǔ)充，共同促進(jìn)電信行業(yè)乃至信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

AMC針對(duì)ATCA技術(shù)定義了一種模塊化的、基于LVDS信號(hào)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(shí)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(jì)ATCA功能模板如同搭積木一樣簡(jiǎn)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(jì)算平臺(tái)系統(tǒng)，這就是MicroTCA。MicroTCA集中了ATCA和AMC的先進(jìn)性，可以滿足電信、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)測(cè)量和控制、軍事設(shè)備以及消費(fèi)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(jī)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(gè)典型的19英寸x 4U x 300mm機(jī)箱容納的MicroTCA系統(tǒng)可以支持10個(gè)AMC模塊、2個(gè)MCH和2個(gè)PM。MicroTCA的背板信號(hào)接口采用先進(jìn)的差分高速串行化器和解串器（Serializer/Deserializer，簡(jiǎn)稱SerDes）互連技術(shù)設(shè)計(jì)，半雙工帶寬可以達(dá)到3.125Gbps。

根據(jù)2006年VDC的研究預(yù)測(cè)，到2009年ATCA的市場(chǎng)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(dòng)化領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用

在工業(yè)控制和檢測(cè)系統(tǒng)中主要存在三種有線通信方式，即點(diǎn)到點(diǎn)并行模擬連接方式、現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)Ethernet[19]。并行連接方式隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)很少見了，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)使用一對(duì)電纜就可以為多個(gè)互連設(shè)備提供電源以及控制和配置信息。開放式現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以使不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備在同一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)互操作，方便采購和維護(hù)，降低了成本。工業(yè)Ethernet比現(xiàn)場(chǎng)總線有很多優(yōu)勢(shì)，例如價(jià)格便宜，使用方便，特別是帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于12MB/s的現(xiàn)場(chǎng)總線。工業(yè)Ethernet用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的主要問題出在CSMA/CD競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議上，不能保證響應(yīng)時(shí)間的確定性，即實(shí)時(shí)性問題。現(xiàn)在通過交換機(jī)或網(wǎng)橋進(jìn)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(duì)設(shè)備可互連性和可移動(dòng)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(cè)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(gè)熱點(diǎn)技術(shù)[16]。無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主要應(yīng)用在設(shè)備或環(huán)境實(shí)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(chǎng)合，如移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)設(shè)備、運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)、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(bǔ)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(bǔ)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(duì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量的要求比較低，但對(duì)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(jí)，劇烈振動(dòng)，爆炸性氣體，腐蝕性化學(xué)物質(zhì)以及強(qiáng)電磁干擾環(huán)境里。無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制和監(jiān)測(cè)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(yùn)行模式或故障降級(jí)運(yùn)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(jī)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(dòng)化領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更重要的作用

今天，PC機(jī)的硬件和軟件功能已經(jīng)非常強(qiáng)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(jìn)，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(jì)算機(jī)總線技術(shù)的不斷發(fā)展，如PC/104、CompactPCI、PXI以及MicroTCA工控機(jī)等，高性能、高可靠、維護(hù)方便的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)將在工廠自動(dòng)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(chǎng)年增長率(compounded annual growth rate)將達(dá)到6.1%。PLC在2005年的市場(chǎng)份額為$7.5 billion，預(yù)計(jì)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(kuò)展性、軟件、開發(fā)工具以及自診斷能力等方面得到改進(jìn)。

融合PC機(jī)強(qiáng)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(shí)時(shí)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(dòng)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(gè)復(fù)雜的控制器，提供先進(jìn)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(kuò)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(jì)算機(jī)，將在現(xiàn)在和未來的工廠自動(dòng)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(jì)算機(jī)稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，也叫加固計(jì)算機(jī)。模塊化的、開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的總線型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)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(fèi)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(kuò)展性、可維護(hù)性和服務(wù)能力。

“十一五”期間工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)：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(jī)將繼續(xù)占據(jù)主流地位，并向PCI Express技術(shù)發(fā)展，同時(shí)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(shì)外，在工業(yè)自動(dòng)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(diǎn)到點(diǎn)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(kuò)展，包括工業(yè)控制、測(cè)試測(cè)量以及軍工設(shè)備制造等，并逐漸發(fā)展成新的熱點(diǎn)；無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將擴(kuò)大在工業(yè)測(cè)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(gè)新的發(fā)展方向；作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種新的存在形式，PAC技術(shù)將在工業(yè)自動(dòng)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(qiáng)國。我國還不是工業(yè)化國家，工業(yè)自動(dòng)化水平還很低。“十一五”規(guī)劃明確提出：堅(jiān)持以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化，提高經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息化水平；堅(jiān)持以信息化改造制造業(yè)，推進(jìn)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(chǎng)總線控制、敏捷制造等技術(shù)，強(qiáng)化生產(chǎn)過程的在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警和控制。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是工業(yè)自動(dòng)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(jì)算機(jī)將通過采用新技術(shù)而使自身得到更大的發(fā)展，同時(shí)也必將在推進(jìn)工業(yè)化和信息化進(jìn)程中發(fā)揮更重要的作用。

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