嵌入式工控机的技术趋势

嵌入式工控机是一种加固的增强型工业计算机。它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在90年代初期，美国 AD公司就推出了类似的工控机。由于嵌入式工控机的性能可靠、无风扇结构、体积小巧、价格低廉，而被广泛应用 。工控机经常会在环境非常恶劣的环境中运行，对数据的安全性要求也更高，所以工控机通常会进行加固、防尘、防潮、防腐蚀、防辐射等特殊设计。
一、 PC技术推动了嵌入式工控机技术的发展
随着Intel CPU和Microsoft DOS/WINDOWS架构演变成事实上的标准，ISA/PCI总线加固型工业PC（IPC）开始向工业领域渗透。IPC虽然经过了工业化改造，但其本质 上仍然不是工业型PC，不能从根本上解决大母板水平放置、抗震动冲击能力差、非均匀散热、元器件失效率高、平均修复时间长、维护困难等问题，难以满足工业 控制任务的苛刻要求。为了满足市场对工业型计算机的要求，除了VME总线工控机外，产生了一系列基于PC的、与ISA/PCI总线标准兼容的嵌入式工控 机，其中比较有代表性的是 CompactPCI/PXI总线、AT96总线、 STD总线、STD32总线、 PC/104和PC/104-Plus总线嵌入式工业控制机。
二、各种总线的嵌入式工控机向高性能、高可靠方向发展
1、VME总线工控机仍然是主流产品，但开始融入PC技术
历史上，VME总线工业控制机一直是许多嵌入式工业应用的首选机型。
1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司发明了VME总线，从此VME总线工业控制机在图像处理、工业控制、 实时处理和军事通讯中得到了广泛应用。1987年，VME总线被批准为国际标准IEEE1014-1987。VME总线接口为2个96芯的针孔连接器P1 和P2，其中P2的外侧2排针由用户自定义，以满足用户的特殊要求。VME总线的数据宽度为32位，最大总线速度是40MB/sec。1996年的新标准 VME64（ANSI/VITA1-1994）将总线数据宽度提升到64位，最大数据传输速度为80MB/sec。由FORCE COMPUTERS制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了320MB/sec。VME总线工控机是实时控制平台，大多数运行的是实时操作系统，如 UNIX、VxWorks、PSOS、VRTX、PDOS、LynOS以及VMEXEC，由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。VME总线 OEM产品由众多的制造商支持，主要采用Motorola公司的68K系列微处理器，如25M/33M的68060。现在越来越多的VME总线 SBC的制造商开始采用Intel公司和AMD公司生产的微处理器，如DY 4 Systems、Concurrent Technologies、VMIC、PEP Modular、Computers，以及SBS Embedded Computers等公司，最新产品已经采用了500MHz的Pentium Ⅲ处理器，也有一些产品采用PowerPC等其它处理器，但市场份额很小。
1987年VXI总线联合会成立，其目标是定义板级仪器标准，即VME扩展仪器仪表总线。VXI总线工控机以VME总线为内核，将欧洲卡尺寸扩展为四 种：VXI A（3.9 in x 6.3）、VXI B（in9.2 in x 6.3 in）、VXI C（9.2 in x 13.4 in）及VXI D（14.4 in x 13.4 in），其中现在最常用的是VXI C规格。1993年，VXI规范被采纳为国际标准IEEE 1155。VXI总线工控机规定的操作系统类型有DOS、WINDOW 3.1、WINDOWS 95、WINDOWS NT、Solaris 1和2、HP-UX、MacOS以及SCO Unix。从VXI总线和VME总线工控机运行的操作系统可以看出：VXI总线工控机制造商希望兼容主流计算机市场提供的丰富而廉价的应用软件开发工具 包、外设和驱动软件，而VME总线只能利用OS制造商或第三方合作伙伴提供的专用开发环境和外设工作。
2、加固性ISA/PCI总线工控机仍然占有一定的市场份额
现在工业控制机已经发生了很大的变化，过去专用的封闭式的架构迅速被PC技术的开放式架构所取代，其中最重要的原因之一就是软件的兼容性。工业控制机用户 过去和现在都希望使用与所熟悉的桌面PC机相同的操作系统和开发工具，这就导致了开放式桌面PC在工业环境中的直接应用。然而，桌面PC机技术是面向每年 2000亿美元的商用机市场的，而不是相对比较小的工业计算机市场的，它不具备工业级性能：抗强震动、冲击、高温、潮湿和具有快速修复能力。由桌面PC技 术衍生的ISA总线加固型计算机在工业上得到了相当广泛的应用。
1992年6月，Intel公司开发了快速的开放式PCI总线规范，作为局部和低层次的内部处理器总线。在两年之内几乎每个处理器制造商都将PCI作为计 算机内部芯片级互连总线，而且自然地发展成了板极互连总线。1995年6月PCI SIG正式公布了PCI 局部总线规范 2.1版，同时PICMG推出了第一个标准PCI/ISA无源背板总线标准，这样，加固性PCI/ISA总线工控机问世了。目前，PCI/ISA工控机主 要制造商有：Texas Microsystems、 Teknor Industrial Computers、Industrial Computer Source、Trenton Terminals、I-Bus 以及台湾的衍扬、研华、磐仪、大众、北京康拓等公司。
虽然加固型工控机对基于大母板的桌面机进行了工业化改造，但其背板技术仍然存在许多缺点：不良的热设计、不良的连接方式、不标准的模板尺寸和有限的PCI 插槽数（最大4个）等。虽然可维护性和可靠性得到了改进，但仍然不能满足工业控制要求。目前PCI/ISA工控机主要做控制系统的检测和管理机使用。
3、CompactPCI总线工控机仍然是工控机中的贵族产品
为了将PCI SIG的PCI总线规范用在工业控制计算机系统，1995年11月PCI工业计算机制造者联合会（PICMIG）颁布了CompactPCI规范1.0 版，以后相继推出了PCI-PCI Bridge规范、Computer Telephony TDM规范和User-defined I/O pin assignment规范。
基于Wintel 架构的CPCI总线工控机，是为高可靠性应用而设计的，其低价位（相对VME总线）、高可靠、热插拔、热切换、多处理器能力等特点在设计之初就引起了可靠 性要求较高的电信和工业自动化工业领域的普遍关注。在电信和工业自动化领域，PCI/ISA工控机由于可靠性低和可维护性差等原因，应用的数量很小，市场 急需满足应用要求的新产品问世。由于CPCI总线工控机良好地解决了可靠性和可维护性问题，加上工控机设计者一般都掌握基于PC的嵌入式软硬件设计技术， 而且基于Microsoft的软件和开发工具的价位比较低，所以，CPCI工控机得以迅速打入嵌入式产品市场。但相对于PCI/ISA加固型工控机而言， 由于总体成本高、技术开发难度大、模板配套性差、电磁兼容性设计要求高等因素，CPCI工控机在工业过程控制领域并未得到实际应用。相反，电信行业要求制 造商提供开放式架构和快速投放市场产品，而产品快速投放市场的能力主要取决于软件而不是硬件。在这方面，由于CPCI工控 机采用PC技术，具有丰富而廉价的软件资源，其操作系统WINDOWS NT又是IP AIN的理想开发平台，加上热插拔和热切换能力，恰好与电信要求相一致，因此被广泛应用。
由于CPCI总线工控机只有象Motorola、Sun Microsystems、Force Computers和Ziatech这样的大公司支持，而且，不同公司的无源背板定义并不完全统一导致不能互操作，其规模和产品竞争能力也受到限制，价位 还偏高，其市场占有率还不大，目前仍然处于贵族产品阶段，需要进一步进行大众化开发。
CPCI技术将进一步融合USB和1394技术，并通过PCI-USB和PCI-1394的bridge进行转换。Intel和Microsoft公司认 为：通过插卡的方式增强PC功能的时代就要结束了。未来的PC机将从并行插卡式总线转移到串行接口总线，达到互连和扩展外设的目的。USB和IEEE- 1394就是两种低成本的串行接口总线，仅需要几根连接电缆，可以嵌入到CPU内部运行。USB和1394是今天的技术，由自动配置软件和热插拔硬件支 持。作为串行总线，USB和1394的传输速率可达到Gbits/sec的数量级。
通过增加触发信号、局部总线和系统同步时钟等措施，CPCI扩展为高性能的仪表总线PXI。PXI总线工控机是一种仪表计算机平台，具有CPCI总线的所有优点，同时，定义的软件和硬件规范又实现了产品完全互 操作。
4、PC/104总线工控机通过PC/104-Plus向高性能方向发展
在80年代末，Ampro Computers发明了PC/104总线。1992年3月PC/104总线联合会发布了PC/104规范1.0版,几经修改，于1996年6月公布了 PC/104规范3.2版。PC/104总线采用自层迭互连方式和3.6in x 3.8in的小板结构，抛弃了PC机的大母板，使其更适合在尺寸和空间受到限制的嵌入式环境中使用，如消费类电子产品：洗衣机、烘干机、洗碗机、收款机 等。近来，由于紧凑加固性设计的PC/104工控机在军工产品中开始采用，如火箭、导弹和战斗机等。
虽然PC/104总线工控机的功耗低，但其驱动能力差（4mA），其扩展能力和维护性也受到限制，使其在工业过程控制和自动化领域的应用范围受到局限。
为了兼容PCI总线技术，1997年2月PC/104总线联合会推出了PC/104-Plus规范1.0版，在PC/104规范3.2版的基础上，增加了30x4根信号线的J2插座，支持PCI局部总线规范2.1版。　
今天，许多单板计算机都设计有PC/104总线接口，以便通过PC/104总线丰富的I/O模块扩展功能，满足不同的嵌入式应用要求。　
PC/104 总线工控机主流产品是486DX和586，如Winsystems公司486DX4-100MHz的SAT-DX，5x86-133MHz的 PCM-586。VersaLogic公司的VSBC-6，支持Pentium 133-266MHz和AMD K6-2 200-366MHz处理器。
5、STD总线工控机采用单片PC技术升级ALL-IN-ONE CPU板
STD总线在1978年最早由Pro-Log公司作为工业标准发明的，由STDGM制定为STD-80规范，随后被批准为国际标准IEE961。STD- 80/MPX作为STD-80追加标准，支持多主系统。STD总线工控机是工业型计算机，STD总线的16位总线性能满足嵌入式和实时性应用要求，特别是 它的小板尺寸、垂直放置无源背板的直插式结构、丰富的工业I/O OEM模板、低成本、低功耗、扩展的温度范围、可靠性和良好的可维护性设计，使其在空间和功耗受到严格限制的、可靠性要求较高的工业自动化领域得到了广泛 应用。　
目前，STD总线工控机已经升级到486DX，可以满足大多数应用要求。Motorola计算机部MCG（原Pro-Log公司）的7874A，CPU为 486DX2-66/486DX4-100/5x86-133、Flash盘容量4MB；集成PLC MODEL 442A由2个486DX CPU板构成多组系统，一个运行操作系统和网络管理；另一个运行PLC功能，进行实时I/O控制。Winsystems公司的MCM-DX，CPU为 486DX-80。北京康拓公司最新推出的486DX2-66产品STD5094，采用了ST-PC单片计算机技术、DOC2000 Flash模块技术和ALL-IN-ONE设计技术。在386档次上，MCG、Systek、Winsystems和北京康拓等公司都推出了386EX "ALL-IN-ONE"CPU板。　
STD总线工控机采用单片计算机技术，可以继续提升"ALL-IN-ONE"CPU板的性能，而不受小板尺寸限制。