第三代工控機技術(shù)的優(yōu)勢及未來發(fā)展預(yù)期介紹   

在現(xiàn)代化的工業(yè)自動化設(shè)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）簡稱，中國工控機技術(shù)主要經(jīng)歷了三個階段的發(fā)展歷程，個階段是80年代的STD總線工控機，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總線工控機。以 CompactPCI總線工控機技術(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)，將有力地推動工業(yè)過程自動化、制造業(yè)信息化、儀器儀表虛擬化、公共交通系統(tǒng)的智能化、下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)備的標準化等的發(fā)展，并為民族產(chǎn)業(yè)帶來新的發(fā)展機遇，也使傳統(tǒng)工控機及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)。    

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

① 受到機箱結(jié)構(gòu)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、接觸不良等問題，還會造成電子器件壽命降低、工作不穩(wěn)定等；   

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

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

④ 多數(shù)板卡通過金屬擋片一端固定，在振動力的作用下容易產(chǎn)生微距離逆時針旋轉(zhuǎn)，造成系統(tǒng)信號斷路或短路，使系統(tǒng)崩潰；    

⑤ 系統(tǒng)機箱表面噴漆處理，不能形成一個完整的導(dǎo)電體，電磁干擾的屏蔽能力和靜電釋放能力差；    

⑥ 故障板卡更換時間長，可維護性差。    

IPC工控機的上述問題大地限制了其進一步發(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越高的領(lǐng)域應(yīng)用。物竟天擇，第三代工控機技術(shù)應(yīng)運而生。    

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

該總線標準融合了歐洲卡結(jié)構(gòu)和 PCI 總線的先進性，總結(jié)起來主要有以下幾點內(nèi)容：    

這種結(jié)構(gòu)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(tǒng)散熱問題，大程度地避免了由于系統(tǒng)發(fā)熱引起的故障；板卡通過上下導(dǎo)軌、前面板和后接插件從4個方向鎖緊、固定，提升了系統(tǒng)抗振動和沖擊能力，大限度地避免了由于振動引起系統(tǒng)故障；導(dǎo)電的鋁氧化機箱通過導(dǎo)電的彈性條連接和密封，實現(xiàn)了機箱整體導(dǎo)電，有效地屏蔽了空間電磁場輻射，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總線工控機的板卡和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)    

② 系統(tǒng)具有模塊化組合結(jié)構(gòu)。一個模板就是一個功能模塊，通過無源背板連接，利用前面板上的扳手實現(xiàn)模板的插入和拔出，簡單、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(shè)計了三段式靜電釋放電路，可以將人體、模板帶的靜電通過具有導(dǎo)電簧片的導(dǎo)軌科學(xué)地釋放到機箱乃至到大地，大限度地保護系統(tǒng)部件免遭靜電沖擊。    

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

④ 模板和背板通過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10個電氣負載約束條件下將I/O插槽擴展到7個，而且還可以通過PCI橋片繼續(xù)擴展；0.8in(1in=25.4 mm)的插槽間距，可以使19in的標準CompactPCI總線機箱容納21個插槽。    

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

⑥ 系統(tǒng)支持后出線。現(xiàn)場的信號線可以在背板后面與系統(tǒng)相連，方便系統(tǒng)走線；在更換系統(tǒng)故障模板時，不用拆卸和安裝現(xiàn)場信號線，可進一步縮短維護和維修時間。    

⑦ CompactPCI總線連接器具有長、中、短3層結(jié)構(gòu)插針�？梢苑奖憧刂瓶偩�的電氣連接和軟件連接過程，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(tǒng)連續(xù)不間斷運行，這一點對于不能停機的重要生產(chǎn)和監(jiān)測系統(tǒng)非常重要，這就是CompactPCI總線的“熱插拔”功能，它為構(gòu)造高可用性的冗余系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。    CompactPCI總線的制定和發(fā)展組織是國際CompactPCI總線工控機協(xié)會 PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)。在國內(nèi)的組織機構(gòu)是“中國計算機行業(yè)協(xié)會 PICMG/PRC”。    

1.2 PXI總線標準是CompactPCI總線標準的擴展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，價格降低了，但可靠性和穩(wěn)定性一直制約著其發(fā)展。隨著CompactPCI總線技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，基于CompactPCI總線的PC-based的虛擬儀器技術(shù)突破了IPC的局限性，迅速得到了應(yīng)用和發(fā)展。但無論如何，CompactPCI總線并不是面向儀器儀表領(lǐng)域設(shè)計的，還解決不了應(yīng)用于該領(lǐng)域深層次的技術(shù)問題，如多個儀器模塊的測量同步以及測量的連續(xù)性和一致性問題等。因此在1998年，基于CompactPCI總線，并面向儀器儀表領(lǐng)域應(yīng)用擴展的新型總線——PXI總線標準誕生了。PXI總線在繼承了CompactPCI總線歐洲卡式機械結(jié)構(gòu)、連接器和PCI總線電氣特性等技術(shù)基礎(chǔ)上，增加了同步參考時鐘、同步觸發(fā)信號和星型觸發(fā)信號以及局部高速數(shù)據(jù)傳輸通道等功能，

    PXI 是在 CompactPCI總線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并且相互兼容，主要改進的性能有：    

① 為每個儀器模塊增加了一根10MHz的系統(tǒng)同步參考時鐘線(common clock)，可以在系統(tǒng)中同步不同的儀器模塊，保證系統(tǒng)測量的一致性和連續(xù)性。    

② 增加了兩組同步觸發(fā)總線。一組是8根公共同步觸發(fā)總線，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，也可以通過一個模塊，精確控制系統(tǒng)中其他模塊上進行操作的時序。觸發(fā)信號還能在模塊間傳遞，以實現(xiàn)對所控制或監(jiān)督的外部異步事件做出確定響應(yīng)；另一組是由專用觸發(fā)模塊發(fā)出的星型同步觸發(fā)總線，每個模塊有一根專用觸發(fā)信號，同步精度<1 ns，可以為系統(tǒng)提供高精度的觸發(fā)基準。    

③ 增加了菊花鏈式連接的13根局部高速專用數(shù)據(jù)傳輸通道，用于兩個儀器模塊之間高速傳輸測量數(shù)據(jù)而不需要占用共享的 CompactPCI總線。    PXI總線具有對其他總線的融合性，而不是排它性。PXI總線儀器通常與其他總線儀器或傳統(tǒng)儀器一起，組成混合測量系統(tǒng)。
圖3 多總線混合測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)   

 作為第三代工控機技術(shù)應(yīng)用于 ATE(自動測試設(shè)備)的新興代表，PXI將VXI總線和CompactPCI總線完美地結(jié)合到測量和測試儀器中。

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

第二，CompactPCI總線比VME總線有著許多先天性優(yōu)點，因此PXI的許多性能，如數(shù)據(jù)寬度、數(shù)據(jù)速率等都優(yōu)于VXI；

第三，PXI與Compact PCI 保持兼容；后，PXI價格適中，首期投入就比VXI便宜 30%左右，在提供高測控系統(tǒng)品質(zhì)的同時，費用卻會顯著降低。PXI系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如
    PXI 總線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總線標準的發(fā)展    2001 年，PICMG2.16 將以太網(wǎng)包交換背板總線引入到 CompactPCI總線標準中，為電信語音增值服務(wù)設(shè)備和其他電信邊緣設(shè)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)，簡稱 AT CA。ATCA 比PICMG2.16有更大的規(guī)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(yīng)用在電信上的個開放式平臺，但它是個由電信專家專為電信應(yīng)用設(shè)計的電信平臺，主要目標是解決電信系統(tǒng)目前面臨的系統(tǒng)帶寬、高可用性、現(xiàn)場升級、可伸縮性、可管理性以及可互操作等問題，并終降低成本。    

ATCA 主要特性如下：    

① ATCA 的背板結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。經(jīng)過工作組長時間的協(xié)商、科學(xué)地?zé)嵩O(shè)計仿真以及對大量用戶反饋信息的研究，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(shè)計在一塊模板上的刀片服務(wù)器等預(yù)留了充分的空間。同時也兼顧了前面板對空間的要求，對背板尺寸、后走線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(tǒng)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(shè)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)模板之間的互連。在“FullMesh”方式下，背板上的每個插槽都有一個“Link Port”與板上任何一個其他插槽相連，保證插槽之間大可能地連通。而且其系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(nèi)部通過電源電壓轉(zhuǎn)換，為板內(nèi)邏輯器件供電。    

⑥ 所有模板都是現(xiàn)場可更換單元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(tǒng)集成，加快產(chǎn)品研制進度，TCA標準還定義了AdvancedMC模塊接口。    

⑧ 系統(tǒng)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(yīng)用領(lǐng)域    在工業(yè)自動化方面，PC-based控制系統(tǒng)仍然是普及的技術(shù)，只是PC的內(nèi)涵發(fā)生了變化，由STD 總線和IPC工控機轉(zhuǎn)移到了CompactPCI總線和PXI總線工控機。

   CompactPCI總線工控機組成的PC-based控制系統(tǒng)一般由平臺系統(tǒng)、外圍I/O接口模板、數(shù)據(jù)通信與現(xiàn)場總線接口、人機接口以及軟件組成。平臺系統(tǒng)包括機箱、CPU主板、無源背板、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，進行信息傳遞和變換的主要手段。對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備進行控制，要通過傳感器或變送器將隨時間變化的被測信號(如壓力、流量、溫度、液面高度以及運動距離等)轉(zhuǎn)換成模擬電壓(或電流)信號，然后經(jīng)信號調(diào)理模板轉(zhuǎn)換成標準電壓(或電流)信號，通過模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換板變成數(shù)字信號，后輸入到CPU板進行處理，這就是A/D采集模板。相反，經(jīng)計算機CPU板處理以后的數(shù)字量控制信號，要通過數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換模板變換成標準的電壓(或電流)信號，送到執(zhí)行機構(gòu)進行控制，這就是D/A轉(zhuǎn)換板。對只提供開關(guān)量的被測信號，直接由開關(guān)量輸入板采集后送到CPU板，對只要求提供開關(guān)量輸入的執(zhí)行機構(gòu)，就由開關(guān)量輸出板直接輸出數(shù)字量進行控制。此外還有其他特殊功能I/O模板，如信號調(diào)理板、接線端子板等。這些種類齊全的I/O模板與工控機平臺系統(tǒng)配合使用，很容易構(gòu)成滿足現(xiàn)場需要的測控系統(tǒng)。工業(yè)主要標準I/O模板的種類和功能如表1所示。表1 主要I/O模板種類和功能

下面介紹幾個典型應(yīng)用。    

(1) PXI平臺在電子制造業(yè)的應(yīng)用    對許多用戶來說，如果能組建一個既能符合現(xiàn)有功能需求又具有未來擴充性的測試系統(tǒng)是理想和經(jīng)濟的。一般而言，電子制造測試系統(tǒng)的架構(gòu)可分成幾部分：部分為硬件架構(gòu)，包含系統(tǒng)平臺(3U或6U)，系統(tǒng)控制器(外接式桌面機需搭配PCI/PXI延伸套件以與PXI系統(tǒng)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(qū)動程序，包含可支持 LabVIEW/VB/VC/DAQBench/PnP 等的驅(qū)動程序。第三部分則為連接被測對象的測試夾具。這樣，一個典型的電子制造測試應(yīng)用系統(tǒng)就組成了。    

(2) CompactPCI技術(shù)在鐵路上的應(yīng)用    隨著鐵路交通運輸?shù)难杆侔l(fā)展，以及運行速度的不斷提高，鐵路部門關(guān)心的問題是保障鐵路運輸?shù)陌踩�。而鐵路機車紅外熱軸探測系統(tǒng)就是解決列車運營安全的重要技術(shù)之一。目前在我國各鐵路干線上，已經(jīng)投入運行了數(shù)千套基于STD總線、IPC工控機以及其他專用控制器的紅外熱軸探測系統(tǒng)，其性能只能滿足測量200 km/h 以下中等速度列車運營的要求，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(tǒng)由主機箱、控制箱、電源箱、防雷設(shè)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足測量要求的先進系統(tǒng)，提高了可靠性和可維護性。高性能的CompactPCI系統(tǒng)也為新型的自適應(yīng)軸溫計算技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)保證。事實上，CompactPCI系統(tǒng)已經(jīng)在車站計算機連鎖系統(tǒng)、行車調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)方面開始應(yīng)用。    除此之外，近幾年，國內(nèi)每年投放市場的DCS(分布式控制系統(tǒng)系統(tǒng))數(shù)量大約在1400 套以上，并以每年15%左右的速度增長。DCS中的現(xiàn)場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(shè)的發(fā)電廠和電網(wǎng)系統(tǒng)，正在迅速發(fā)展的智能交通系統(tǒng)，紡織工業(yè)、制造業(yè)、食品加工、石油化工行業(yè)信息系統(tǒng)，海j u n艦載測控設(shè)備、陸j u n主戰(zhàn)坦克的火炮控制和指揮系統(tǒng)，新型的飛行模擬教練系統(tǒng)，航空和航天器地面測控設(shè)備，雷達和電子對抗系統(tǒng)等都需要應(yīng)用第三代工控機技術(shù)。下一代的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電信基礎(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備，IP電話、語音、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)。如果說我國工業(yè)自動化設(shè)備市場份額只有大約200 億人民幣的話，那么加上國防自動化和信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備，那就是上千億的大市場。因此，第三代工控機技術(shù)有廣闊的市場應(yīng)用前景。    美國咨詢公司“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，而整個電信設(shè)備市場將達到2500億美元。而中國又是世界電信市場活躍、增長快的國家，所以ATCA在中國的發(fā)展相當樂觀。所以說，工業(yè)自動化技術(shù)和電信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進了第三代工控機技術(shù)的發(fā)展；同時第三代工控機也為國內(nèi)的從事相關(guān)技術(shù)研究和產(chǎn)品應(yīng)用的企業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展機遇：國內(nèi)外企業(yè)站在了同一個起跑線上； 可以縮小與國際先進水平的差距，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)帶來的挑戰(zhàn)    中國是一個發(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化道路，來提高企業(yè)的自動化生產(chǎn)水平，提高企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)水平增強市場競爭力。實踐已經(jīng)證明，采用開放式、標準化、模塊化的以及 PC-based 的工控機技術(shù)是實現(xiàn)低成本的自動化的比較理想的方案。軟件向工程化以及應(yīng)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一步成熟和普及，也將使傳統(tǒng)的工業(yè)控制和儀器儀表技術(shù)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，但也面臨著很好的發(fā)展機遇，需要進一步組織技術(shù)攻關(guān)和做一些扎實的工作，才能抓住發(fā)展機遇。目前急需解決的問題主要有：掌握核心技術(shù)，實現(xiàn)工控機主板的國產(chǎn)化； 自主創(chuàng)新，解決 CompactPCI總線主機板的冗余設(shè)計問題； 實現(xiàn)主機板的熱插拔，構(gòu)造高可用性系統(tǒng)； 提高系統(tǒng) I/O 設(shè)計和配套能力，提供系統(tǒng)級解決方案； 降低成本，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化； 建設(shè)示范工程，加速推廣應(yīng)用。    

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