工业控制计算机(简称工控机)是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。中国工控机技术的发展经历了上世纪80年代的第一代STD总线工控机，90年代的第二代IPC工控机，现在进入了第三代ComPACtPCI总线工控机时期。以 CompactPCI总线工控机技术为核心，以 PXI 和 AdvancedTCA 等技术为补充和发展的第三代工控机技术，将有力地推动工业过程自动化、制造业信息化、仪器仪表虚拟化、公共交通系统的智能化、下一代网络技术基础设备的标准化等的发展，并为民族产业带来新的发展机遇，也使传统工控机及其相关产业面临新的挑战。
1、第三代工控机技术标准的内容和发展点
传统IPC工控机存在的固有问题有：
① 受到机箱结构的限制，散热通路不畅通，散热性能不好，容易引起印制板变形、断线、接触不良等问题，还会造成电子器件寿命降低、工作不稳定等；
② 板卡和无源背板之间的金手指边缘接触连接方式，容易造成在振动和冲击过程中瞬间接触不良，引起系统死机；
③ 金手指自身在潮湿或腐蚀性气体环境中长期使用，容易氧化或腐蚀，造成系统接触不良，而且多次拔插容易变形；
④ 多数板卡通过金属挡片一端固定，在振动力的作用下容易产生微距离逆时针旋转，造成系统信号断路或短路，使系统崩溃；
⑤ 系统机箱表面喷漆处理，不能形成一个完整的导电体，电磁干扰的屏蔽能力和静电释放能力差；
⑥ 故障板卡更换时间长，可维护性差。
IPC工控机的上述问题极大地限制了其进一步发展，也使其难以在当今对产品可靠性和可维护性要求越来越高的领域应用。物竟天择，第三代工控机技术应运而生。
1.1 CompactPCI总线标准是第三代工控机技术的核心
CompactPCI总线是在PCI局部总线技术的基础上发展起来的，从根本上解决了工控机的可靠性和可维护性问题，并增加了板卡的“热插拔”功能。该总线标准融合了欧洲卡结构和 PCI 总线的先进性，总结起来主要有以下几点内容：
① 欧洲卡式机械结构(见图1)。这种结构要求板卡垂直地面安装，符合热空气流通自下而上的原理，利于散热制冷，合理地解决了系统散热问题，最大程度地避免了由于系统发热引起的故障；板卡通过上下导轨、前面板和后接插件从4个方向锁紧、固定，提升了系统抗振动和冲击能力，最大限度地避免了由于振动引起系统故障；导电的铝氧化机箱通过导电的弹性条连接和密封，实现了机箱整体导电，有效地屏蔽了空间电磁场辐射，并具有良好的静电中和及静电对地释放能力，电磁兼容性好。
图1 CompactPCI总线工控机的板卡和系统结构
② 系统具有模块化组合结构。一个模板就是一个功能模块，通过无源背板连接，利用前面板上的扳手实现模板的插入和拔出，简单、方便，具有良好的可扩展性和可维护性；模板尺寸有3U和6U两种；模板上设计了三段式静电释放电路，可以将人体、模板带的静电通过具有导电簧片的导轨科学地释放到机箱乃至到大地，最大限度地保护系统部件免遭静电冲击。
③ 无源背板垂直地面安装。有效地防止振动破坏和尘埃累积，提高了可靠性。
④ 模板和背板通过高密度和气密性针孔连接器互连。有效地防止了腐蚀性气体和潮湿空气的侵蚀；每个连接器具有10kg的抗拉力；该连接器还具有良好的高频特性，可以在PCI总线10个电气负载约束条件下将I/O插槽扩展到7个，而且还可以通过PCI桥片继续扩展；0.8in(1in=25.4 mm)的插槽间距，可以使19in的标准CompactPCI总线机箱容纳21个插槽。
⑤ 高性能的模板间互连的PCI总线。支持32～64位的数据宽度和33～66MHz的传输速度，64 位/66MHz的数据传输速度超过了4Gb/s，具有很高的数据传输性能。
⑥ 系统支持后出线。现场的信号线可以在背板后面与系统相连，方便系统走线；在更换系统故障模板时，不用拆卸和安装现场信号线，可进一步缩短维护和维修时间。
⑦ CompactPCI总线连接器具有长、中、短3层结构插针。可以方便控制总线的电气连接和软件连接过程，在不切断电源的条件下可拔出故障模板，插入备份模板，保持系统连续不间断运行，这一点对于不能停机的重要生产和监测系统非常重要，这就是CompactPCI总线的“热插拔”功能，它为构造高可用性的冗余系统奠定了基础。
CompactPCI总线的制定和发展组织是国际CompactPCI总线工控机协会 PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)。在国内的组织机构是“中国计算机行业协会 PICMG/PRC”。
1.2 PXI总线标准是CompactPCI总线标准的扩展IPC技术的发展催生了PC-based仪器仪表技术的产生和发展，即“虚拟仪器”技术。虽然相对于GPIB和VXI而言，其性能提高了，价格降低了，但可靠性和稳定性一直制约着其发展。随着CompactPCI总线技术的产生和发展，基于CompactPCI总线的PC-based的虚拟仪器技术突破了IPC的局限性，迅速得到了应用和发展。但无论如何，CompactPCI总线并不是面向仪器仪表领域设计的，还解决不了应用于该领域深层次的技术问题，如多个仪器模块的测量同步以及测量的连续性和一致性问题等。因此在1998年，基于CompactPCI总线，并面向仪器仪表领域应用扩展的新型总线——PXI总线标准诞生了。PXI总线在继承了CompactPCI总线欧洲卡式机械结构、连接器和PCI总线电气特性等技术基础上，增加了同步参考时钟、同步触发信号和星型触发信号以及局部高速数据传输通道等功能，如图2所示。
图2 PXI总线的电气结构
PXI 是在 CompactPCI总线基础上发展起来的，并且相互兼容，主要改进的性能有：
① 为每个仪器模块增加了一根10MHz的系统同步参考时钟线(common clock)，可以在系统中同步不同的仪器模块，保证系统测量的一致性和连续性。
② 增加了两组同步触发总线。一组是8根公共同步触发总线，用于各仪器模块之间的一般同步，同步精度<10 ns，即可以同步不同PXI模块的操作，也可以通过一个模块，精确控制系统中其他模块上进行操作的时序。触发信号还能在模块间传递，以实现对所控制或监督的外部异步事件做出确定响应；另一组是由专用触发模块发出的星型同步触发总线，每个模块有一根专用触发信号，同步精度<1 ns，可以为系统提供高精度的触发基准。
③ 增加了菊花链式连接的13根局部高速专用数据传输通道，用于两个仪器模块之间高速传输测量数据而不需要占用共享的 CompactPCI总线。
PXI总线具有对其他总线的融合性，而不是排它性。PXI总线仪器通常与其他总线仪器或传统仪器一起，组成混合测量系统，如图3所示。
图3 多总线混合测试系统结构
作为第三代工控机技术应用于 ATE(自动测试设备)的新兴代表，PXI将VXI总线和CompactPCI总线完美地结合到测量和测试仪器中。第一，在可靠性、稳定性和测量精度等方面继承了VXI的模块化优点；第二，CompactPCI总线比VME总线有着许多先天性优点，因此PXI的许多性能，如数据宽度、数据速率等都优于VXI；第三，PXI与Compact PCI 保持兼容；最后，PXI价格适中，首期投入就比VXI便宜 30%左右，在提供高测控系统品质的同时，费用却会显著降低。PXI系统的典型结构如图4所示。
图4 PXI系统典型结构
PXI 总线的研制和支持组织是国际 PXI 联盟——PXISA(PXI Systems Alliance)。
1.3 AdvancedTCA标准是CompactPCI总线标准的发展
2001 年，PICMG2.16 将以太网包交换背板总线引入到 CompactPCI总线标准中，为电信语音增值服务设备和其他电信边缘设备提供了新的技术平台。2002 年，PICMG 颁布了面向电信行业的新标准 AdvancedTCA(advanced telecom computing architecture)，简称 AT CA。ATCA 比PICMG2.16有更大的规格和容量、更高的背板带宽、对板卡更严格的管理和控制能力、更高的供电能力以及更强的散热能力等。ATCA 不是应用在电信上的第一个开放式平台，但它是第一个由电信专家专为电信应用设计的电信平台，主要目标是解决电信系统目前面临的系统带宽、高可用性、现场升级、可伸缩性、可管理性以及可互操作等问题，并最终降低成本。
ATCA 主要特性如下：
① ATCA 的背板结构发生变化。经过工作组长时间的协商、科学地热设计仿真以及对大量用户反馈信息的研究，最终确定模板尺寸为8U(322.25 mm)高度，280mm 深度，面积约为140 in2。这个尺寸为将光纤交换机、下一代网络处理器、通用处理器以及海量存储器等设计在一块模板上的刀片服务器等预留了充分的空间。同时也兼顾了前面板对空间的要求，对背板尺寸、后走线I/O 容量的要求以及良好的散热效果等诸多方面。板间距也比CompactPCI大，为1.2 in。更宽的间距一方面有利于系统散热，另一方面也可以为新一代高发热的CPU安装更大的散热片，为更大容量的存储器模块以及大功率的DC-DC模块设计提供方便。
② ATCA模板间采用高性能的Tyco/ERNI ZD连接器互连。该连接器具有 5 Gb/s 的传输速度，满足Ethernet、InfiniBand、StarFabric 以及 PCI Express 技术的要求。
③ ATCA背板主要采用“Dual Dual Star”以及“FullMesh”两种拓扑结构实现模板之间的互连。在“FullMesh”方式下，背板上的每个插槽都有一个“Link Port”与板上任何一个其他插槽相连，保证插槽之间最大可能地连通。而且其系统数据吞吐量最大可以达到 2.5Tb/s。
④ 对于标准的19 in机箱，最大容量为12块模板。对于42U标准机架，最大可以容纳3层12U机箱。
⑤ 双–48V大功率冗余电源供电方式，可以由模板内部通过电源电压转换，为板内逻辑器件供电。
⑥ 所有模板都是现场可更换单元FRU(field re-placeable unit)，并具有完全模式下的“热插拔”功能。
⑦ 为方便系统集成，加快产品研制进度，TCA标准还定义了AdvancedMC模块接口。
⑧ 系统具有更加完善的管理功能，以及多传输协议支持功能。
ATCA 标准的研制和支持的国际组织是 PICMG。
2、第三代工控机技术的应用领域
在工业自动化方面，PC-based控制系统仍然是最普及的技术，只是PC的内涵发生了变化，由STD 总线和IPC工控机转移到了CompactPCI总线和PXI总线工控机。工业控制系统的组成如图5所示。
图5 典型工控机测控系统组成
CompactPCI总线工控机组成的PC-based控制系统一般由平台系统、外围I/O接口模板、数据通信与现场总线接口、人机接口以及软件组成。平台系统包括机箱、CPU主板、无源背板、电源以及风扇。外围I/O接口模板是连接计算机与工业生产控制对象，进行信息传递和变换的主要手段。对工业现场设备进行控制，要通过传感器或变送器将随时间变化的被测信号(如压力、流量、温度、液面高度以及运动距离等)转换成模拟电压(或电流)信号，然后经信号调理模板转换成标准电压(或电流)信号，通过模/数(A/D)转换板变成数字信号，最后输入到CPU板进行处理，这就是A/D采集模板。相反，经计算机CPU板处理以后的数字量控制信号，要通过数模(D/A)转换模板变换成标准的电压(或电流)信号，送到执行机构进行控制，这就是D/A转换板。对只提供开关量的被测信号，直接由开关量输入板采集后送到CPU板，对只要求提供开关量输入的执行机构，就由开关量输出板直接输出数字量进行控制。此外还有其他特殊功能I/O模板，如信号调理板、接线端子板等。这些种类齐全的I/O模板与工控机平台系统配合使用，很容易构成满足现场需要的测控系统。工业主要标准I/O模板的种类和功能如表1所示。
表1 主要I/O模板种类和功能
系统集成商可以根据需要，从市场上选择符合功能要求的系统平台和一定数量的 I/O 模板，组成应用系统。操作系统可以选择 Windows、VxWorks、QNX、Linux 以及其他的操作系统。在此基础上，基于组态软件，编制面向对象的应用程序。这样可以在很短的时间内完成一个典型应用系统的开发，达到产品起点高、开发时间短、投放市场快、见效快的目标。从开始选型，到最后调试完成，一般系统集成时间在 1~3 个月就可以完成；如果完全自主开发，一般至少需要一年以上的时间。下面介绍几个典型应用。
(1) PXI平台在电子制造业的应用
对许多用户来说，如果能组建一个既能符合现有功能需求又具有未来扩充性的测试系统是最理想和经济的。一般而言，电子制造测试系统的架构可分成几部分：第一部分为硬件架构，包含系统平台(3U或6U)，系统控制器(外接式桌面机需搭配PCI/PXI延伸套件以与PXI系统机箱或嵌入式PXI控制器连接)，测试仪器(独立式仪器或PXI仪器模块)以及切换器。第二部分为软件驱动程序，包含可支持 labview/VB/VC/DAQBench/PnP 等的驱动程序。第三部分则为连接被测对象的测试夹具。这样，一个典型的电子制造测试应用系统就组成了。
(2) CompactPCI技术在铁路上的应用
随着铁路交通运输的迅速发展，以及运行速度的不断提高，铁路部门最关心的问题是保障铁路运输的安全。而铁路机车红外热轴探测系统就是解决列车运营安全的重要技术之一。目前在我国各铁路干线上，已经投入运行了数千套基于STD总线、IPC工控机以及其他专用控制器的红外热轴探测系统，其性能只能满足测量200 km/h 以下中等速度列车运营的要求，采用CompactPCI技术是比较理想的更新换代方案。红外探测系统由主机箱、控制箱、电源箱、防雷设备以及轨边红外探测传感器组成。其中主机箱采用CompactPCI工控机平台以及配套的智能信号采集模板和智能通信模板很容易组成满足测量要求的先进系统，提高了可靠性和可维护性。高性能的CompactPCI系统也为新型的自适应轴温计算技术的应用提供了技术保证。事实上，CompactPCI系统已经在车站计算机连锁系统、行车调度监督系统方面开始应用。
除此之外，近几年，国内每年投放市场的DCS(分布式控制系统系统)数量大约在1400 套以上，并以每年15%左右的速度增长。DCS中的现场控制器采用的还是第二代IPC工控机产品，需要用第三代工控机替代升级。由于电力紧缺而正在加快建设的发电厂和电网系统，正在迅速发展的智能交通系统，纺织工业、制造业、食品加工、石油化工行业信息系统，海军舰载测控设备、陆军主战坦克的火炮控制和指挥系统，新型的飞行模拟教练系统，航空和航天器地面测控设备，雷达和电子对抗系统等都需要应用第三代工控机技术。下一代的网络设备、电信基础设备、数据通信设备，IP电话、语音、图像和视频等增值服务业务需要 CompactPCI、PICMG2.16 及 ATCA 等第三代工控机技术。如果说我国工业自动化设备市场份额只有大约200 亿人民币的话，那么加上国防自动化和信息产业基础设备，那就是上千亿的大市场。因此，第三代工控机技术有广阔的市场应用前景。
美国咨询公司“Crystal Cube Consulting Inc.”于2004 年5月发布的研究报告估计，到2007年，全球ATCA产品的产值将达到200亿美元，而整个电信设备市场将达到2500亿美元。而中国又是世界电信市场最活跃、增长最快的国家，所以ATCA在中国的发展相当乐观。所以说，工业自动化技术和电信产业的发展，促进了第三代工控机技术的发展；同时第三代工控机也为国内的从事相关技术研究和产品应用的企业带来了前所未有的发展机遇：
- 国内外企业站在了同一个起跑线上；
- 可以缩小与国际先进水平的差距，走向世界；
- 提高工控机的产业化水平，打造民族知名品牌将工控机产业做大、做强。
3、第三代工控机技术带来的挑战
中国是一个发展中国家，有众多的但并不算太富裕的中小企业，还需要走低成本的自动化道路，来提高企业的自动化生产水平，提高企业产品的技术水平增强市场竞争力。实践已经证明，采用开放式、标准化、模块化的以及 PC-based 的工控机技术是实现低成本的自动化的比较理想的方案。软件向工程化以及应用的综合化方向发展，并使新一代的仪器仪表——智能仪器、虚拟仪器、网络化仪器以及远程测控仪器进一步成熟和普及，也将使传统的工业控制和仪器仪表技术面临严峻的挑战，但也面临着很好的发展机遇，需要进一步组织技术攻关和做一些扎实的工作，才能抓住发展机遇。目前急需解决的问题主要有：
- 掌握核心技术，实现工控机主板的国产化；
- 自主创新，解决 CompactPCI总线主机板的冗余设计问题；
- 实现主机板的热插拔，构造高可用性系统；
- 提高系统 I/O 设计和配套能力，提供系统级解决方案；
- 降低成本，实现产业化；
- 建设示范工程，加速推广应用。
参考文献
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