劉  鑫

一  引言
眾所周知，21世紀的經(jīng)濟發(fā)展正處于由“工業(yè)經(jīng)濟模式”向“信息經(jīng)濟模式”快速轉變時(shí)期，而其中的“技術(shù)進(jìn)步”又是決定性的因素。據統計，技術(shù)進(jìn)步帶動(dòng)的經(jīng)濟增長(cháng)占整個(gè)經(jīng)濟增長(cháng)的70%～80%?！耙愿咝录夹g(shù)為核心，以信息電子化為手段，提高工業(yè)產(chǎn)品附加值”已經(jīng)成為現代工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的重要目標。國家在“十五”期間，制定了“用信息化帶動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化”的指導方針。在現代工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化中，計算機控制技術(shù)是核心，它是計算機技術(shù)和控制理論有機結合的產(chǎn)物。計算機控制系統的基礎是工業(yè)控制計算機技術(shù)，其靈魂是智能控制技術(shù)。發(fā)展與智能控制技術(shù)相結合的“高性能的工業(yè)控制計算機以及基于工業(yè)控制計算機的開(kāi)放式控制系統”是未來(lái)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化的重要發(fā)展方向。
“十五”期間，自動(dòng)化主控系統仍將以集散式控制系統（DCS）和工業(yè)控制計算機為主。大型DCS以國外產(chǎn)品為主的狀況不會(huì )有較大改變。PLC、基于工業(yè)控制計算機的國產(chǎn)DCS以及工業(yè)控制單元裝置在中小工程應用中將逐漸占據主導地位?，F場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表和現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）在試點(diǎn)成功的基礎上，市場(chǎng)需求將逐步增長(cháng)。因此，具有自主知識產(chǎn)權的DCS、IPC和CompactPCI工業(yè)控制計算機系統、FCS等構成的新一代主控系統及其關(guān)鍵配套設備將是國家大力扶持的優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)品，也是產(chǎn)業(yè)化的重要目標。
近幾年，我國工業(yè)控制計算機得到快速發(fā)展，年增長(cháng)速度達到10%～15%。2000年已達170～207億人民幣，其中IPC：35～40億；嵌入式計算機：25～30億；DCS：30～35億；FCS：3～4億；CNC：20～25億；PLC：25～30億；其它：30～40億。
由此可見(jiàn)，工業(yè)控制計算機（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“工控機”）有可觀(guān)的市場(chǎng)潛力和發(fā)展空間。
二  工控機系統的結構和環(huán)境適應性要求
典型的工控機系統包括工控機平臺、過(guò)程輸入通道（A/D、DI）、過(guò)程輸出通道（D/A、DO）、信號變送單元、信號驅動(dòng)單元、外設以及測量和被控對象。
工控機的結構主要有兩種：一種是盒式結構（BOX），如國內常見(jiàn)的19” 4U IPC機箱，缺點(diǎn)是自然散熱效果差，可維護性低；另一種是歐洲卡式結構的金屬機箱，利于散熱，可維護性能高。為了使工控機能在惡劣環(huán)境下長(cháng)期穩定工作，工控機設計要滿(mǎn)足必要的環(huán)境適應性要求，包括：• 寬工作溫度范圍0～55℃；• 寬工作濕度范圍 5%～95%，無(wú)結珠；• MTBF在20 000小時(shí)以上；• 抗震動(dòng)、沖擊、腐蝕、粉塵、抗干擾能力；• 低功耗特性；• 電磁兼容性。此外，工控機還要有長(cháng)期穩定的供貨能力，以滿(mǎn)足工業(yè)產(chǎn)品的長(cháng)生存周期要求。
三  工控機主板設計技術(shù)
工控機主板設計是工控機系統的核心技術(shù)。主板設計得合理、可靠是保證工控機系統長(cháng)期穩定工作的重要因素之一。
1  選擇合適的互連總線(xiàn)
工控機技術(shù)向開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展，其標志就是采用國際公認的標準化架構和接口。具體就是采用標準化的傳輸總線(xiàn)和接口，實(shí)現模塊間的互連，構成柔性系統結構。
STD總線(xiàn)工控機雖然在工業(yè)控制現場(chǎng)的前端應用仍然具有獨特的優(yōu)勢，但其自身已經(jīng)沒(méi)有發(fā)展的空間。
PC/104總線(xiàn)即使通過(guò)PC/104-plus的擴展以支持PCI總線(xiàn)，但市場(chǎng)接受的仍然是低端的PC/104總線(xiàn)，繼續發(fā)展困難較大。
在高性能工控機領(lǐng)域，比較有代表性的互連總線(xiàn)標準是PCI/ISA總線(xiàn)、CompactPCI/AT96總線(xiàn)。在同一個(gè)系統中，PCI總線(xiàn)通過(guò)PCI-ISA橋接技術(shù)可以支持ISA總線(xiàn)，使PCI和ISA總線(xiàn)共存，組成熟知的IPC工控機；CompactPCI總線(xiàn)通過(guò)PCI-ISA橋可以支持AT96總線(xiàn)，組成雙總線(xiàn)結構的CompactPCI總線(xiàn)工控機（如康拓的APCI5000系列工控機）。PCI總線(xiàn)和CompactPCI總線(xiàn)已經(jīng)成為現代技術(shù)工程師設計工控機的首選標準總線(xiàn)。
基于PCI總線(xiàn)的計算機內部典型架構如圖1所示。

圖1  PCI總線(xiàn)計算機典型結構圖

2  合理選擇CPU
選定了模塊（板）間的互連總線(xiàn)標準，還要合理地選擇CPU。
首先，選用CISC（Complex Instruction Set Computer）還是RISC（Reduced Instruction Set Computer）架構CPU。通用產(chǎn)品設計，考慮到軟件的兼容性，主要選擇CISC架構（如x86）。而專(zhuān)用的嵌入式設備，可考慮選用RISC（如中芯微的Arca-1）。
其次是選用什么樣的x86架構的CPU。一種是目前PC市場(chǎng)流行的傳統概念CPU，如Intel的PⅢ、PⅣ，AMD的K6、K7，VIA的C3系列，配上133MHz（PC133）的SDR SDRAM。隨著(zhù)DDR SDRAM的流行，PⅣ、K7和C3 CPU與DDR200/DDR266標準的DDR SDRAM組合設計將成為工控機主板設計的主要發(fā)展方向之一。
現在工控機設計熱門(mén)是采用微型化、低功耗SOC（System-On-a-Chip）經(jīng)濟系統芯片技術(shù)，也叫片上計算機或系統芯片技術(shù)。具有代表性的產(chǎn)品有STMicrosystems公司的STPC Client、STPC Industrial；National Semiconductor公司的Geode GX1、GXLV以及Geode SC2200芯片；ZF Micro Devices公司的ZFx86等。這些SOC芯片基本集成了PCI系統架構中的CPU、北橋（Northbridge）、南橋（Southbridge）、顯示控制器以及大部分SuperI/O的功能，簡(jiǎn)化了線(xiàn)路設計、電磁兼容性設計和熱設計，提高了可靠性。
Transmeta公司的超低功耗Crusoe CPU，在RISC 架構VLIW（Very Long Instruction Word）內核上，通過(guò)代碼融合（Code Morphing）軟件技術(shù)實(shí)現了與x86架構的軟件兼容性。與PⅢ-500MHz的50W峰值功耗相比，Crusoe TM5400-500MHz的功耗僅為0.75W，降低了系統熱設計難度，提高了系統的可靠性，已在高性能CPU領(lǐng)域異軍突起。TM5400-500MHz CPU已經(jīng)在康拓公司研制的APCI5000系列工控機產(chǎn)品中的APCI5095 CompactPCI/AT96總線(xiàn)主板設計中實(shí)現。
3  固態(tài)半導體存儲器技術(shù)
為了提高可靠性，工控機設計主要采用不帶機械轉動(dòng)部件，不產(chǎn)生附加噪聲干擾、發(fā)熱、抗震動(dòng)和抗沖擊能力強的固態(tài)半導體存儲器。主要產(chǎn)品有以下幾種：
①  Flash Memory，既可以完全影射在CPU的尋址空間，也可以用窗口影射方式設計。Flash Memory既可以直接數據塊讀寫(xiě)（如BIOS Flash），實(shí)現數據直接訪(fǎng)問(wèn)或程序就地執行（XIP）；也可以作為固態(tài)盤(pán)使用。一般板上Flash Memory的容量都在1MB以?xún)取?BR>②  單片Flash盤(pán)模塊，如M-systems公司的DOC2000系列芯片。其封裝形式和電氣接口與EPROM相同，上電自動(dòng)引導內部管理程序，模擬硬盤(pán)工作。讀盤(pán)速度為1.4Mbps；寫(xiě)盤(pán)速度為0.5Mbps；猝發(fā)（burst）讀寫(xiě)速度可達5Mbps。容量為16～288MB。
③  插在144pin DIMM插座上使用的DiskOnChip DIMM2000 Flash盤(pán)。這種盤(pán)可以提供256MB以上的存儲容量。
④  DOM（Disk On Module）flash盤(pán)技術(shù)。DOM盤(pán)可以直接插在40/44芯IDE硬盤(pán)插座上模擬硬盤(pán)工作，而且不占用存儲器地址空間。DOM的容量從4～256MB。
Flash半導體盤(pán)應用有三大關(guān)鍵技術(shù)：一是均衡性算法管理問(wèn)題；二是垃圾收集問(wèn)題；三是壞字節容錯問(wèn)題。前兩者已經(jīng)在管理軟件中解決并得到應用，第三個(gè)問(wèn)題還有待于進(jìn)一步解決。
4  兩級看門(mén)狗（WDT）設計技術(shù)
為了實(shí)現在出現非破壞性可恢復故障時(shí)，在無(wú)人值守情況下自動(dòng)保護現場(chǎng)并恢復工作，工控機要求設計看門(mén)狗功能?，F在計算機SuperI/O芯片里或SOC里都嵌入了一個(gè)軟件可以編程的WDT單元。它一方面可以通過(guò)編程實(shí)現設置、啟動(dòng)和關(guān)閉，但經(jīng)常由于軟件本身故障導致WDT失效；另一方面沒(méi)有嘗試即時(shí)修復就要復位系統，導致控制過(guò)程不必要中斷。
在設計中，增加一級硬件WDT功能，既可以保證系統在出現故障時(shí)可靠恢復，也可以按照第一級WDT溢出申請中斷（中斷服務(wù)程序保存數據并啟動(dòng)修復功能），如果修復失敗，第二級WDT產(chǎn)生系統復位信號，使系統復位；否則關(guān)閉第二級WDT，系統繼續正常運行。
5  CPU板上通訊和網(wǎng)絡(luò )接口
主板上設計的通訊接口，傳統上是非隔離的RS232/485接口?，F在工控機主板，考慮到系統需要和現場(chǎng)環(huán)境，需要設計RS232、USB、1394和光隔485接口。在連網(wǎng)功能要求很強的設計中，需要設計10BASE-T/100BASE-TX Ethernet網(wǎng)接口，必要時(shí)設計雙Ethernet網(wǎng)接口，以滿(mǎn)足高可靠的雙機、雙網(wǎng)應用需要。
四  熱設計
如果工控機系統的發(fā)熱過(guò)高、散熱不良或散熱不均，就會(huì )導致系統中印制版變形、互連結構變形、器件不能正常工作或壽命縮短等問(wèn)題，使系統不能穩定運行。因此良好的熱設計是保證工控機穩定、可靠運行的重要因素之一。涉及的主要技術(shù)有：機箱散熱、散熱片設計、熱管設計和風(fēng)扇強迫散熱設計等。
五  電磁兼容性（EMC）設計
EMC（Electro Magnetic Compatibility）是指設備在某種電磁環(huán)境里正常工作的能力，同時(shí)不產(chǎn)生干擾其它設備正常工作的電子擾動(dòng)。工控機的EMC設計一方面要提供抗電磁干擾能力，即抗擾度（EMS），另一方面要降低或消除對其他設備的電磁干擾（EMI）。實(shí)踐證明，在工控機系統的方案設計階段就開(kāi)始考慮EMC問(wèn)題，比在今后的使用過(guò)程中遇到時(shí)再去解決更有效。
構成EMI的主要因素有：干擾源、干擾途徑、被干擾體。
(1)  工控機系統的主要干擾源
來(lái)自環(huán)境對工控機的干擾源主要有：人體產(chǎn)生的ESD、動(dòng)力線(xiàn)、大電流、高壓開(kāi)關(guān)和RF發(fā)生器等。
工控機本身的干擾源主要有：• 晶振―連續RF干擾；• 系統時(shí)鐘電路―RF干擾；• 開(kāi)關(guān)量輸出變化瞬時(shí)狀態(tài)―瞬態(tài)時(shí)間越短干擾越大；• 長(cháng)線(xiàn)驅動(dòng)的總線(xiàn)信號的狀態(tài)變位。
(2)  主要干擾途徑
顯然，EMI需要通過(guò)某種載體傳播對部件實(shí)現干擾。它可以通過(guò)電磁波輻射，通過(guò)導體傳導，通過(guò)電感/電容耦合傳輸。所以，回路、長(cháng)線(xiàn)和大面積導電區都容易受EMI干擾。
(3)  主要被干擾體
由于微處理器的工作是嚴格按照一定順序和正確的數據進(jìn)行的，一旦干擾破壞了時(shí)序或數據，程序就不能繼續正常執行。在工控機中，容易受干擾的主要有：• 系統時(shí)鐘的完整性；• 時(shí)序電路（State Machine）；• 存儲器和寄存器單元；• RESET、INTERRUPT、HANDSHAKING等重要信號。
(4)  EMC設計內容
EMC設計的原則是：消除或抑制干擾源，切斷干擾途徑，提高被干擾體的抗干擾能力。
①  系統設計措施
對來(lái)自環(huán)境的電磁輻射通過(guò)金屬機箱的靜電屏蔽減弱或消除。通過(guò)動(dòng)力線(xiàn)傳輸的傳導干擾經(jīng)由專(zhuān)用濾波器吸收。通過(guò)信號線(xiàn)的傳導和耦合干擾則由光電隔離或變壓器隔離消除。來(lái)自人體的ESD通過(guò)導電機箱和良好接地泄放。同時(shí)，為外部大功率接觸器或開(kāi)關(guān)提供能量釋放途徑，以消除或降低輻射干擾。
②  PCB設計措施
器件位置布局：根據器件的EMI特性，將器件和電路劃分成不同區域，可以減小耦合干擾。例如可將高噪聲、大電流電路，低壓電路，數字電路分別設為一個(gè)區。
地線(xiàn)和電源線(xiàn)：給不同區域電路分配不同的地線(xiàn)群，它們通過(guò)一點(diǎn)接地。不同群之間嚴格避免構成地回路。由于供電回路是主要發(fā)射和接收EMI的天線(xiàn)，所以電源線(xiàn)要盡量靠近地線(xiàn)，以減小供電回路面積。如果條件允許，應盡量采用多層印制版，提供相臨的地線(xiàn)層和電源層，可以達到理想的解耦和屏蔽效果。
解耦：常用的解耦方式有電容解耦和電感解耦兩種。電容解耦典型的方式是使用一組100μF/10μF的電容，并聯(lián)0.1μF或0.01μF的電容（一般小于主電容1～2個(gè)數量級）。解耦電容必須盡量靠近被保護芯片，以減小回路面積。電感解耦在設計中常被忽視，其實(shí)電感解耦（如磁珠ferrite beads）既可以消耗EMI能量，又不損失直流電壓，效果很好。
晶振：晶振的引線(xiàn)要盡量短，同時(shí)在晶振下面避免走線(xiàn)。
重要信號線(xiàn)：時(shí)鐘信號（Clock）、高阻抗信號、RESET、INTERRUPT、HANDSHAKING等重要信號用地線(xiàn)環(huán)繞可以取得很好的EMC效果。同時(shí)信號線(xiàn)要盡量短，并遠離高噪聲信號線(xiàn)。
數字信號要增大邏輯狀態(tài)抗噪聲余度（Margin），并使用Schmitt trigger消除寄生狀態(tài)。
③  軟件設計措施
軟件設計提高可靠性的措施有很多，但原則都是在故障條件下進(jìn)入初始化程序。工控機設計主要是采用：
•  未用存儲器單元處理：將未用存儲器單元填充FF（NOP），最后填充一條“JUMP to Reset routine”語(yǔ)句；
•  周期性地檢測數據完整性（如Checksum）；
•  周期性地刷新控制和數據寄存器，特別是I/O輸出；
•  在程序中設置路標，不斷檢測程序是否按規定順序執行；
•  重要數據進(jìn)行冗余設計，保證關(guān)鍵任務(wù)的正確執行。
六  現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)Ethernet網(wǎng)絡(luò )技術(shù)
網(wǎng)絡(luò )化的結構、智能化的現場(chǎng)設備和現場(chǎng)化的控制功能是現代工業(yè)控制系統的主要特征。工控機為了滿(mǎn)足現代控制系統的要求，引入了網(wǎng)絡(luò )和現場(chǎng)總線(xiàn)設計技術(shù)。
IEC61158規定了8種現場(chǎng)總線(xiàn)標準，還有一些事實(shí)上的標準，如LonWorks和CAN總線(xiàn)等。由于各種現場(chǎng)總線(xiàn)具有某種行業(yè)適應性特點(diǎn)，在各種控制系統中還要并存相當長(cháng)的時(shí)期。各種現場(chǎng)總線(xiàn)組成的設備層未來(lái)發(fā)展方向必然是通過(guò)工業(yè)Ethernet網(wǎng)實(shí)現互連，最后連接到Internet網(wǎng)。

圖2  工業(yè)系統網(wǎng)絡(luò )結構模型

從控制策略的角度，常把控制系統的網(wǎng)絡(luò )分成3個(gè)層次（實(shí)際應用中也可能是1個(gè)或2個(gè)層次）：現場(chǎng)設備層、控制層和信息管理層。如圖2所示?，F場(chǎng)設備（傳感器、變送器和執行器）通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)互連到現場(chǎng)控制器。通訊信息簡(jiǎn)短、頻繁、可靠，如CAN總線(xiàn)?？刂茖泳W(wǎng)絡(luò )將現場(chǎng)控制器、操作站、工程師站互連到管理服務(wù)器上，實(shí)現信息傳遞、控制優(yōu)化和管理優(yōu)化。信息量大，信息傳遞可靠和具有時(shí)間確定性，如Arcnet。在信息層上實(shí)現企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò )化，進(jìn)一步實(shí)現管理優(yōu)化，及時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)協(xié)調、調度。最后與Internet互連，實(shí)現遠程管理，如Ethernet。
CAN總線(xiàn)作為最初設計在汽車(chē)內部的網(wǎng)絡(luò )，已逐漸成為流行的現場(chǎng)設備層互連網(wǎng)絡(luò )。
Arcnet是70年代作為辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )發(fā)展起來(lái)的，但因其信息傳遞快速、時(shí)間確定性和支持遠距離擴展而非常適合控制技術(shù)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域取得了成功。Arcnet網(wǎng)絡(luò )傳輸速率也由傳統的2.5Mbps提高到10Mbps。
Ethernet網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)上的應用已經(jīng)成為工業(yè)控制技術(shù)的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題，引出了“工業(yè)Ethernet技術(shù)”。Ethernet網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)現場(chǎng)應用必須解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：① Ethernet網(wǎng)絡(luò )雙絞線(xiàn)的低幅信號、RJ45連接器和易受外界干擾沖擊的碰撞偵測電路是否能達到工業(yè)標準抗擾度；② 網(wǎng)絡(luò )傳輸的確定性問(wèn)題是否能解決；③ 應用層協(xié)議的標準化問(wèn)題，以實(shí)現互操作；④ Ethernet網(wǎng)絡(luò )的信息安全性問(wèn)題。
七  操作系統和組態(tài)軟件
在實(shí)時(shí)工業(yè)控制系統中，應用軟件的性能在很大程度上決定著(zhù)整個(gè)控制系統的性能。工業(yè)控制系統的復雜性對軟件產(chǎn)品提出了很高的要求。過(guò)去由硬件制造商或系統應用單位自行研制應用軟件的狀況，已經(jīng)不適應系統對可靠性、可用性、可維護性、進(jìn)度以及其它性能指標的要求，需要由第三方專(zhuān)業(yè)軟件公司提供成熟的、高性能的軟件產(chǎn)品。
工控機需要配置的軟件產(chǎn)品主要有兩種：嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統和監控組態(tài)軟件。
2000年世界銷(xiāo)量排在前6位的嵌入式操作系統有VxWorks、Embedded Windows、pSOS、Embedded Linux、Nucleus以及VRTX，常用的還有QNX和中軟實(shí)時(shí)嵌入式Linux操作系統等。選擇嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統除了評測其實(shí)時(shí)性設計、嵌入式設計和可靠性設計技術(shù)特點(diǎn)外，還要注重其開(kāi)發(fā)環(huán)境的開(kāi)放和友好程度。由于中軟實(shí)時(shí)嵌入式Linux操作系統是基于開(kāi)放源碼的自由軟件Linux操作系統設計的，而且具有自主產(chǎn)權，因此國內越來(lái)越多的控制系統已經(jīng)采用或計劃采用。
組態(tài)的概念起源于“Configuration”，是指使用軟件工具對計算機和軟件的資源進(jìn)行配置，使計算機或程序按照預先設置自動(dòng)執行。一個(gè)好的組態(tài)軟件應具有良好的開(kāi)放性，容易與其它應用軟件接口，實(shí)現數據共享。
國內應用比較多的組態(tài)軟件有亞控的“組態(tài)王”、昆侖的“MCGS”以及大慶三維科技股份有限公司的力控軟件（ForceControl）等。國外著(zhù)名軟件有Intellution的iFIX、Wonderware的Intouch、Nema Soft的Paragon TNT、National Instruments的LabView、Iconics的Genesis、信肯通的Think&Do，以及法國Alter Sys公司的Virgo2000等。
八  結語(yǔ)
國家非常重視工控機技術(shù)的發(fā)展以及對工業(yè)自動(dòng)化和國防自動(dòng)化的推動(dòng)作用，為此在“十五”期間設立了“工業(yè)控制計算機和以工業(yè)控制計算機為基礎的開(kāi)放式控制系統”產(chǎn)業(yè)化的重大專(zhuān)項，并將專(zhuān)項落實(shí)到了“航天科技集團502所康拓公司”。IPC和CompactPCI總線(xiàn)工控機是國家下大力氣發(fā)展的兩種主要工控機系統，也是開(kāi)放式控制系統的基石。隨著(zhù)我國工控機技術(shù)的進(jìn)步并逐漸與國際接軌，相信經(jīng)過(guò)3～5年的時(shí)間，國產(chǎn)IPC和CompactPCI總線(xiàn)工控機及其開(kāi)放式控制系統必將在國內控制系統市場(chǎng)上逐步占有主要份額，并將打入國際市場(chǎng)，為國家和世界經(jīng)濟的發(fā)展作出應有的貢獻。