第三代工控機技術(shù)的優(yōu)勢及未來(lái)發(fā)展預期介紹   

在現代化的工業(yè)自動(dòng)化設備和信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，核心產(chǎn)品要屬工控機（工業(yè)計算機）簡(jiǎn)稱(chēng)，中國工控機技術(shù)主要經(jīng)歷了三個(gè)階段的發(fā)展歷程，個(gè)階段是80年代的STD總線(xiàn)工控機，第二代是90年代的IPC工控機，目前我們正在使用的是第三代CompactPCI總線(xiàn)工控機。以 CompactPCI總線(xiàn)工控機技術(shù)為核心，以 PXI 和 AdvancedTCA 等技術(shù)為補充和發(fā)展的第三代工控機技術(shù)，將有力地推動(dòng)工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化、制造業(yè)信息化、儀器儀表虛擬化、公共交通系統的智能化、下一代網(wǎng)絡(luò )技術(shù)基礎設備的標準化等的發(fā)展，并為民族產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展機遇，也使傳統工控機及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)面臨新的挑戰。    

1、第三代工控機技術(shù)標準的內容和發(fā)展點(diǎn)    傳統IPC工控機存在的固有問(wèn)題有：   

① 受到機箱結構的限制，散熱通路不暢通，散熱性能不好，容易引起印制板變形、斷線(xiàn)、接觸不良等問(wèn)題，還會(huì )造成電子器件壽命降低、工作不穩定等；   

② 板卡和無(wú)源背板之間的金手指邊緣接觸連接方式，容易造成在振動(dòng)和沖擊過(guò)程中瞬間接觸不良，引起系統死機；  

③ 金手指自身在潮濕或腐蝕性氣體環(huán)境中長(cháng)期使用，容易氧化或腐蝕，造成系統接觸不良，而且多次拔插容易變形；    

④ 多數板卡通過(guò)金屬擋片一端固定，在振動(dòng)力的作用下容易產(chǎn)生微距離逆時(shí)針旋轉，造成系統信號斷路或短路，使系統崩潰；    

⑤ 系統機箱表面噴漆處理，不能形成一個(gè)完整的導電體，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(shí)間長(cháng)，可維護性差。    

IPC工控機的上述問(wèn)題大地限制了其進(jìn)一步發(fā)展，也使其難以在當今對產(chǎn)品可靠性和可維護性要求越來(lái)越高的領(lǐng)域應用。物竟天擇，第三代工控機技術(shù)應運而生。    

1.1 CompactPCI總線(xiàn)標準是第三代工控機技術(shù)的核心    CompactPCI總線(xiàn)是在PCI局部總線(xiàn)技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，從根本上解決了工控機的可靠性和可維護性問(wèn)題，并增加了板卡的“熱插拔”功能。

該總線(xiàn)標準融合了歐洲卡結構和 PCI 總線(xiàn)的先進(jìn)性，總結起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)內容：    

這種結構要求板卡垂直地面安裝，符合熱空氣流通自下而上的原理，利于散熱制冷，合理地解決了系統散熱問(wèn)題，大程度地避免了由于系統發(fā)熱引起的故障；板卡通過(guò)上下導軌、前面板和后接插件從4個(gè)方向鎖緊、固定，提升了系統抗振動(dòng)和沖擊能力，大限度地避免了由于振動(dòng)引起系統故障；導電的鋁氧化機箱通過(guò)導電的彈性條連接和密封，實(shí)現了機箱整體導電，有效地屏蔽了空間電磁場(chǎng)輻射，并具有良好的靜電中和及靜電對地釋放能力，電磁兼容性好。
圖1 CompactPCI總線(xiàn)工控機的板卡和系統結構    

② 系統具有模塊化組合結構。一個(gè)模板就是一個(gè)功能模塊，通過(guò)無(wú)源背板連接，利用前面板上的扳手實(shí)現模板的插入和拔出，簡(jiǎn)單、方便，具有良好的可擴展性和可維護性；模板尺寸有3U和6U兩種；模板上設計了三段式靜電釋放電路，可以將人體、模板帶的靜電通過(guò)具有導電簧片的導軌科學(xué)地釋放到機箱乃至到大地，大限度地保護系統部件免遭靜電沖擊。    

③ 無(wú)源背板垂直地面安裝。有效地防止振動(dòng)破壞和塵埃累積，提高了可靠性。    

④ 模板和背板通過(guò)高密度和氣密性針孔連接器互連。有效地防止了腐蝕性氣體和潮濕空氣的侵蝕；每個(gè)連接器具有10kg的抗拉力；該連接器還具有良好的高頻特性，可以在PCI總線(xiàn)10個(gè)電氣負載約束條件下將I/O插槽擴展到7個(gè)，而且還可以通過(guò)PCI橋片繼續擴展；0.8in(1in=25.4 mm)的插槽間距，可以使19in的標準CompactPCI總線(xiàn)機箱容納21個(gè)插槽。    

⑤ 高性能的模板間互連的PCI總線(xiàn)。支持32～64位的數據寬度和33～66MHz的傳輸速度，64 位/66MHz的數據傳輸速度超過(guò)了4Gb/s，具有很高的數據傳輸性能。    

⑥ 系統支持后出線(xiàn)�，F場(chǎng)的信號線(xiàn)可以在背板后面與系統相連，方便系統走線(xiàn)；在更換系統故障模板時(shí)，不用拆卸和安裝現場(chǎng)信號線(xiàn)，可進(jìn)一步縮短維護和維修時(shí)間。    

⑦ CompactPCI總線(xiàn)連接器具有長(cháng)、中、短3層結構插針�？梢苑奖憧刂瓶偩�(xiàn)的電氣連接和軟件連接過(guò)程，在不切斷電源的條件下可拔出故障模板，插入備份模板，保持系統連續不間斷運行，這一點(diǎn)對于不能停機的重要生產(chǎn)和監測系統非常重要，這就是CompactPCI總線(xiàn)的“熱插拔”功能，它為構造高可用性的冗余系統奠定了基礎。    CompactPCI總線(xiàn)的制定和發(fā)展組織是國際CompactPCI總線(xiàn)工控機協(xié)會(huì ) PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)。在國內的組織機構是“中國計算機行業(yè)協(xié)會(huì ) PICMG/PRC”。    

1.2 PXI總線(xiàn)標準是CompactPCI總線(xiàn)標準的擴展IPC技術(shù)的發(fā)展催生了PC-based儀器儀表技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，即“虛擬儀器”技術(shù)。雖然相對于GPIB和VXI而言，其性能提高了，價(jià)格降低了，但可靠性和穩定性一直制約著(zhù)其發(fā)展。隨著(zhù)CompactPCI總線(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，基于CompactPCI總線(xiàn)的PC-based的虛擬儀器技術(shù)突破了IPC的局限性，迅速得到了應用和發(fā)展。但無(wú)論如何，CompactPCI總線(xiàn)并不是面向儀器儀表領(lǐng)域設計的，還解決不了應用于該領(lǐng)域深層次的技術(shù)問(wèn)題，如多個(gè)儀器模塊的測量同步以及測量的連續性和一致性問(wèn)題等。因此在1998年，基于CompactPCI總線(xiàn)，并面向儀器儀表領(lǐng)域應用擴展的新型總線(xiàn)——PXI總線(xiàn)標準誕生了。PXI總線(xiàn)在繼承了CompactPCI總線(xiàn)歐洲卡式機械結構、連接器和PCI總線(xiàn)電氣特性等技術(shù)基礎上，增加了同步參考時(shí)鐘、同步觸發(fā)信號和星型觸發(fā)信號以及局部高速數據傳輸通道等功能，

    PXI 是在 CompactPCI總線(xiàn)基礎上發(fā)展起來(lái)的，并且相互兼容，主要改進(jìn)的性能有：    

① 為每個(gè)儀器模塊增加了一根10MHz的系統同步參考時(shí)鐘線(xiàn)(common clock)，可以在系統中同步不同的儀器模塊，保證系統測量的一致性和連續性。    

② 增加了兩組同步觸發(fā)總線(xiàn)。一組是8根公共同步觸發(fā)總線(xiàn)，用于各儀器模塊之間的一般同步，同步精度<10 ns，即可以同步不同PXI模塊的操作，也可以通過(guò)一個(gè)模塊，精確控制系統中其他模塊上進(jìn)行操作的時(shí)序。觸發(fā)信號還能在模塊間傳遞，以實(shí)現對所控制或監督的外部異步事件做出確定響應；另一組是由專(zhuān)用觸發(fā)模塊發(fā)出的星型同步觸發(fā)總線(xiàn)，每個(gè)模塊有一根專(zhuān)用觸發(fā)信號，同步精度<1 ns，可以為系統提供高精度的觸發(fā)基準。    

③ 增加了菊花鏈式連接的13根局部高速專(zhuān)用數據傳輸通道，用于兩個(gè)儀器模塊之間高速傳輸測量數據而不需要占用共享的 CompactPCI總線(xiàn)。    PXI總線(xiàn)具有對其他總線(xiàn)的融合性，而不是排它性。PXI總線(xiàn)儀器通常與其他總線(xiàn)儀器或傳統儀器一起，組成混合測量系統。
圖3 多總線(xiàn)混合測試系統結構   

 作為第三代工控機技術(shù)應用于 ATE(自動(dòng)測試設備)的新興代表，PXI將VXI總線(xiàn)和CompactPCI總線(xiàn)完美地結合到測量和測試儀器中。

，在可靠性、穩定性和測量精度等方面繼承了VXI的模塊化優(yōu)點(diǎn)；

第二，CompactPCI總線(xiàn)比VME總線(xiàn)有著(zhù)許多先天性?xún)?yōu)點(diǎn)，因此PXI的許多性能，如數據寬度、數據速率等都優(yōu)于VXI；

第三，PXI與Compact PCI 保持兼容；后，PXI價(jià)格適中，首期投入就比VXI便宜 30%左右，在提供高測控系統品質(zhì)的同時(shí)，費用卻會(huì )顯著(zhù)降低。PXI系統的典型結構如
    PXI 總線(xiàn)的研制和支持組織是國際 PXI 聯(lián)盟——PXISA(PXI Systems Alliance)。    

1.3 AdvancedTCA標準是CompactPCI總線(xiàn)標準的發(fā)展    2001 年，PICMG2.16 將以太網(wǎng)包交換背板總線(xiàn)引入到 CompactPCI總線(xiàn)標準中，為電信語(yǔ)音增值服務(wù)設備和其他電信邊緣設備提供了新的技術(shù)平臺。

2002 年，PICMG 頒布了面向電信行業(yè)的新標準 AdvancedTCA(advanced telecom computing architecture)，簡(jiǎn)稱(chēng) AT CA。ATCA 比PICMG2.16有更大的規格和容量、更高的背板帶寬、對板卡更嚴格的管理和控制能力、更高的供電能力以及更強的散熱能力等。ATCA 不是應用在電信上的個(gè)開(kāi)放式平臺，但它是個(gè)由電信專(zhuān)家專(zhuān)為電信應用設計的電信平臺，主要目標是解決電信系統目前面臨的系統帶寬、高可用性、現場(chǎng)升級、可伸縮性、可管理性以及可互操作等問(wèn)題，并終降低成本。    

ATCA 主要特性如下：    

① ATCA 的背板結構發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)工作組長(cháng)時(shí)間的協(xié)商、科學(xué)地熱設計仿真以及對大量用戶(hù)反饋信息的研究，終確定模板尺寸為8U(322.25 mm)高度，280mm 深度，面積約為140 in2。這個(gè)尺寸為將光纖交換機、下一代網(wǎng)絡(luò )處理器、通用處理器以及海量存儲器等設計在一塊模板上的刀片服務(wù)器等預留了充分的空間。同時(shí)也兼顧了前面板對空間的要求，對背板尺寸、后走線(xiàn)I/O 容量的要求以及良好的散熱效果等諸多方面。板間距也比CompactPCI大，為1.2 in。更寬的間距一方面有利于系統散熱，另一方面也可以為新一代高發(fā)熱的CPU安裝更大的散熱片，為更大容量的存儲器模塊以及大功率的DC-DC模塊設計提供方便。    

② ATCA模板間采用高性能的Tyco/ERNI ZD連接器互連。該連接器具有 5 Gb/s 的傳輸速度，滿(mǎn)足Ethernet、InfiniBand、StarFabric 以及 PCI Express 技術(shù)的要求。    

③ ATCA背板主要采用“Dual Dual Star”以及“FullMesh”兩種拓撲結構實(shí)現模板之間的互連。在“FullMesh”方式下，背板上的每個(gè)插槽都有一個(gè)“Link Port”與板上任何一個(gè)其他插槽相連，保證插槽之間大可能地連通。而且其系統數據吞吐量大可以達到 2.5Tb/s。    

④ 對于標準的19 in機箱，大容量為12塊模板。對于42U標準機架，大可以容納3層12U機箱。    

⑤ 雙–48V大功率冗余電源供電方式，可以由模板內部通過(guò)電源電壓轉換，為板內邏輯器件供電。    

⑥ 所有模板都是現場(chǎng)可更換單元FRU(field re-placeable unit)，并具有完全模式下的“熱插拔”功能。    

⑦ 為方便系統集成，加快產(chǎn)品研制進(jìn)度，TCA標準還定義了AdvancedMC模塊接口。    

⑧ 系統具有更加完善的管理功能，以及多傳輸協(xié)議支持功能。    ATCA 標準的研制和支持的國際組織是 PICMG。    

2、第三代工控機技術(shù)的應用領(lǐng)域    在工業(yè)自動(dòng)化方面，PC-based控制系統仍然是普及的技術(shù)，只是PC的內涵發(fā)生了變化，由STD 總線(xiàn)和IPC工控機轉移到了CompactPCI總線(xiàn)和PXI總線(xiàn)工控機。

   CompactPCI總線(xiàn)工控機組成的PC-based控制系統一般由平臺系統、外圍I/O接口模板、數據通信與現場(chǎng)總線(xiàn)接口、人機接口以及軟件組成。平臺系統包括機箱、CPU主板、無(wú)源背板、電源以及風(fēng)扇。外圍I/O接口模板是連接計算機與工業(yè)生產(chǎn)控制對象，進(jìn)行信息傳遞和變換的主要手段。對工業(yè)現場(chǎng)設備進(jìn)行控制，要通過(guò)傳感器或變送器將隨時(shí)間變化的被測信號(如壓力、流量、溫度、液面高度以及運動(dòng)距離等)轉換成模擬電壓(或電流)信號，然后經(jīng)信號調理模板轉換成標準電壓(或電流)信號，通過(guò)模/數(A/D)轉換板變成數字信號，后輸入到CPU板進(jìn)行處理，這就是A/D采集模板。相反，經(jīng)計算機CPU板處理以后的數字量控制信號，要通過(guò)數模(D/A)轉換模板變換成標準的電壓(或電流)信號，送到執行機構進(jìn)行控制，這就是D/A轉換板。對只提供開(kāi)關(guān)量的被測信號，直接由開(kāi)關(guān)量輸入板采集后送到CPU板，對只要求提供開(kāi)關(guān)量輸入的執行機構，就由開(kāi)關(guān)量輸出板直接輸出數字量進(jìn)行控制。此外還有其他特殊功能I/O模板，如信號調理板、接線(xiàn)端子板等。這些種類(lèi)齊全的I/O模板與工控機平臺系統配合使用，很容易構成滿(mǎn)足現場(chǎng)需要的測控系統。工業(yè)主要標準I/O模板的種類(lèi)和功能如表1所示。表1 主要I/O模板種類(lèi)和功能

下面介紹幾個(gè)典型應用。    

(1) PXI平臺在電子制造業(yè)的應用    對許多用戶(hù)來(lái)說(shuō)，如果能組建一個(gè)既能符合現有功能需求又具有未來(lái)擴充性的測試系統是理想和經(jīng)濟的。一般而言，電子制造測試系統的架構可分成幾部分：部分為硬件架構，包含系統平臺(3U或6U)，系統控制器(外接式桌面機需搭配PCI/PXI延伸套件以與PXI系統機箱或嵌入式PXI控制器連接)，測試儀器(獨立式儀器或PXI儀器模塊)以及切換器。第二部分為軟件驅動(dòng)程序，包含可支持 LabVIEW/VB/VC/DAQBench/PnP 等的驅動(dòng)程序。第三部分則為連接被測對象的測試夾具。這樣，一個(gè)典型的電子制造測試應用系統就組成了。    

(2) CompactPCI技術(shù)在鐵路上的應用    隨著(zhù)鐵路交通運輸的迅速發(fā)展，以及運行速度的不斷提高，鐵路部門(mén)關(guān)心的問(wèn)題是保障鐵路運輸的安全。而鐵路機車(chē)紅外熱軸探測系統就是解決列車(chē)運營(yíng)安全的重要技術(shù)之一。目前在我國各鐵路干線(xiàn)上，已經(jīng)投入運行了數千套基于STD總線(xiàn)、IPC工控機以及其他專(zhuān)用控制器的紅外熱軸探測系統，其性能只能滿(mǎn)足測量200 km/h 以下中等速度列車(chē)運營(yíng)的要求，采用CompactPCI技術(shù)是比較理想的更新?lián)Q代方案。紅外探測系統由主機箱、控制箱、電源箱、防雷設備以及軌邊紅外探測傳感器組成。其中主機箱采用CompactPCI工控機平臺以及配套的智能信號采集模板和智能通信模板很容易組成滿(mǎn)足測量要求的先進(jìn)系統，提高了可靠性和可維護性。高性能的CompactPCI系統也為新型的自適應軸溫計算技術(shù)的應用提供了技術(shù)保證。事實(shí)上，CompactPCI系統已經(jīng)在車(chē)站計算機連鎖系統、行車(chē)調度監督系統方面開(kāi)始應用。    除此之外，近幾年，國內每年投放市場(chǎng)的DCS(分布式控制系統系統)數量大約在1400 套以上，并以每年15%左右的速度增長(cháng)。DCS中的現場(chǎng)控制器采用的還是第二代IPC工控機產(chǎn)品，需要用第三代工控機替代升級。由于電力緊缺而正在加快建設的發(fā)電廠(chǎng)和電網(wǎng)系統，正在迅速發(fā)展的智能交通系統，紡織工業(yè)、制造業(yè)、食品加工、石油化工行業(yè)信息系統，海j u n艦載測控設備、陸j u n主戰坦克的火炮控制和指揮系統，新型的飛行模擬教練系統，航空和航天器地面測控設備，雷達和電子對抗系統等都需要應用第三代工控機技術(shù)。下一代的網(wǎng)絡(luò )設備、電信基礎設備、數據通信設備，IP電話(huà)、語(yǔ)音、圖像和視頻等增值服務(wù)業(yè)務(wù)需要 CompactPCI、PICMG2.16 及 ATCA 等第三代工控機技術(shù)。如果說(shuō)我國工業(yè)自動(dòng)化設備市場(chǎng)份額只有大約200 億人民幣的話(huà)，那么加上國防自動(dòng)化和信息產(chǎn)業(yè)基礎設備，那就是上千億的大市場(chǎng)。因此，第三代工控機技術(shù)有廣闊的市場(chǎng)應用前景。    美國咨詢(xún)公司“Crystal Cube Consulting Inc.”于2004 年5月發(fā)布的研究報告估計，到2007年，全球ATCA產(chǎn)品的產(chǎn)值將達到200億美元，而整個(gè)電信設備市場(chǎng)將達到2500億美元。而中國又是世界電信市場(chǎng)活躍、增長(cháng)快的國家，所以ATCA在中國的發(fā)展相當樂(lè )觀(guān)。所以說(shuō)，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)和電信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了第三代工控機技術(shù)的發(fā)展；同時(shí)第三代工控機也為國內的從事相關(guān)技術(shù)研究和產(chǎn)品應用的企業(yè)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機遇：國內外企業(yè)站在了同一個(gè)起跑線(xiàn)上； 可以縮小與國際先進(jìn)水平的差距，走向世界； 提高工控機的產(chǎn)業(yè)化水平，打造民族知名品牌將工控機產(chǎn)業(yè)做大、做強。    

3、第三代工控機技術(shù)帶來(lái)的挑戰    中國是一個(gè)發(fā)展中國家，有眾多的但并不算太富裕的中小企業(yè)，還需要走低成本的自動(dòng)化道路，來(lái)提高企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)水平，提高企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)水平增強市場(chǎng)競爭力。實(shí)踐已經(jīng)證明，采用開(kāi)放式、標準化、模塊化的以及 PC-based 的工控機技術(shù)是實(shí)現低成本的自動(dòng)化的比較理想的方案。軟件向工程化以及應用的綜合化方向發(fā)展，并使新一代的儀器儀表——智能儀器、虛擬儀器、網(wǎng)絡(luò )化儀器以及遠程測控儀器進(jìn)一步成熟和普及，也將使傳統的工業(yè)控制和儀器儀表技術(shù)面臨嚴峻的挑戰，但也面臨著(zhù)很好的發(fā)展機遇，需要進(jìn)一步組織技術(shù)攻關(guān)和做一些扎實(shí)的工作，才能抓住發(fā)展機遇。目前急需解決的問(wèn)題主要有：掌握核心技術(shù)，實(shí)現工控機主板的國產(chǎn)化； 自主創(chuàng )新，解決 CompactPCI總線(xiàn)主機板的冗余設計問(wèn)題； 實(shí)現主機板的熱插拔，構造高可用性系統； 提高系統 I/O 設計和配套能力，提供系統級解決方案； 降低成本，實(shí)現產(chǎn)業(yè)化； 建設示范工程，加速推廣應用。    

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