引言

50年前的1956年，在周恩來(lái)總理親自主持下制定了我國12年科學(xué)技術(shù)發(fā)展規劃，把發(fā)展計算機技術(shù)納入了科技規劃的四項緊急措施，即計算機、電子學(xué)、半導體和自動(dòng)化技術(shù)。根據這個(gè)12年科技發(fā)展規劃，計算機工作者開(kāi)始了我國計算機事業(yè)的創(chuàng )建工作[17]。在廣大工業(yè)控制計算機工作者的共同努力下，1983年工業(yè)控制計算機被正式列入了國家計算機系列型普及發(fā)展規劃。1984年6月11日成立了中國電子學(xué)會(huì )電子計算機分會(huì )工業(yè)計算機學(xué)組，1986年3月22日轉建為“中國計算機學(xué)會(huì )工業(yè)控制計算機專(zhuān)業(yè)委員會(huì )”，從此，我國工業(yè)控制計算機技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。1988年，中國研制STD總線(xiàn)工控機的科研人員和企業(yè)，聯(lián)合發(fā)起成立了中國STD總線(xiàn)工控機協(xié)會(huì )，英文名字叫STDMG/PRC。1991年，STDMG/PRC改建為中國計算機行業(yè)協(xié)會(huì )工業(yè)控制機分會(huì )，并在民政部備案。1998年2月STDMG/PRC正式更名為“中國計算機行業(yè)協(xié)會(huì )PICMG/PRC”，2002年在民政部注冊，社團登記號為4238-1。中國計算機行業(yè)協(xié)會(huì )PICMG/PRC是國際PICMG協(xié)會(huì )的執行委員，是中國獲取國際PICMG協(xié)會(huì )標準的唯一官方渠道。

1 工業(yè)控制計算機技術(shù)發(fā)展的歷史回顧

1.1 基于STD總線(xiàn)的第一代工控機技術(shù)

1978年，美國Pro-Log公司抓住了上世紀工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的新的浪潮將以計算機技術(shù)為基礎的歷史機遇，率先研制了STD總線(xiàn)技術(shù)，該技術(shù)被IEEE組織批準為IEEE961標準。STD總線(xiàn)的小板結構既符合計算機的集成化發(fā)展方向，又適合工業(yè)現場(chǎng)的應用。隨后，Pro-Log公司又不失時(shí)機地推出了STD總線(xiàn)工控機，在工控界引起了強烈反響。由于STD總線(xiàn)工控機滿(mǎn)足了當時(shí)工業(yè)企業(yè)技術(shù)改造和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域急需大量的工業(yè)控制計算機的市場(chǎng)需求，因此STD總線(xiàn)工控機技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

1981年8月12日，美國IBM公司推出了基于主頻4.47MHz Intel 8088微處理器的世界上第一臺IBM PC機，其采用的局部總線(xiàn)互聯(lián)結構就是后來(lái)風(fēng)靡全球的ISA（Industry Standard Architecture）總線(xiàn)，即IEEEP996[3]。8位STD總線(xiàn)兼容8位ISA總線(xiàn)技術(shù)，16位STD總線(xiàn)通過(guò)周期竊取和總線(xiàn)復用技術(shù)進(jìn)一步做到了與16位ISA總線(xiàn)兼容，在軟件上與MS-DOS兼容，這是STD總線(xiàn)取得成功的一個(gè)重要因素。

STD總線(xiàn)工控機技術(shù)在中國是從1983年開(kāi)始興起的，90年代初期發(fā)展到頂峰，90年代末基本結束。當時(shí)推動(dòng)這一技術(shù)的主要企業(yè)和科研單位有北京康拓公司、北京工業(yè)大學(xué)、四通公司工控部、清華大學(xué)和北京控制計算機廠(chǎng)等。實(shí)踐證明，STD總線(xiàn)是適合我國國情的，STD總線(xiàn)工控機已成為當時(shí)我國工業(yè)控制領(lǐng)域中的一種主導產(chǎn)品?，F在擁有18個(gè)成員的國際STD32制造商協(xié)會(huì )還在繼續支持著(zhù)STD總線(xiàn)技術(shù)。

1.2 基于ISA和PCI總線(xiàn)的第二代工控機技術(shù)

ISA總線(xiàn)1981年問(wèn)世，于1983年擴展為8位PC/XT總線(xiàn)，1984年發(fā)展為16位PC/AT總線(xiàn)。從那時(shí)開(kāi)始，基于ISA總線(xiàn)的IBM PC在世界范圍內取得了巨大的成功，并且一直延續到90年代末期。1990年Intel公司推出了用于器件之間互連的總線(xiàn)PCI，并于1992年推出了PCI總線(xiàn)標準PCI 1.0，到了2000年，PCI總線(xiàn)已經(jīng)成為PC機的主流總線(xiàn)技術(shù)。

Industrial PC，簡(jiǎn)稱(chēng)IPC，也叫IPC工控機或工業(yè)PC，它是一種加固的增強型PC機，可以作為一個(gè)工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。IPC是由PC機演變而來(lái)的工業(yè)控制計算機，它成功地使ISA總線(xiàn)和PCI總線(xiàn)與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化聯(lián)系起來(lái)。由于PC機擁有極豐富的硬件、軟件資源，得到廣大工程技術(shù)人員的應用和支持，IPC也因此對其它控制裝置產(chǎn)生了深遠的影響。由于預見(jiàn)到IPC即將成為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中新一代的強有力的技術(shù)支持系統，根據國際IPC的發(fā)展潮流，以及IPC在工業(yè)現場(chǎng)的逐漸安裝和運行趨勢，1993年，中國計算機學(xué)會(huì )工業(yè)控制計算機專(zhuān)業(yè)委員會(huì )在國家科委、機械工業(yè)部、航天工業(yè)總公司、全國電子信息推廣辦、北京電子振興辦以及中國計算機學(xué)會(huì )等部委和學(xué)術(shù)團體的大力支持下，在北京召開(kāi)了“工業(yè)PC國產(chǎn)化研討會(huì )”，并成立了由北京康拓公司、北京華勝工控工程公司、北京華遠自動(dòng)化系統有限公司、北京工業(yè)大學(xué)電子廠(chǎng)、北京工業(yè)控制計算機廠(chǎng)、重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所等全國近20家工控界精英單位組成的“全國工業(yè)PC聯(lián)合開(kāi)發(fā)委員會(huì )”，促進(jìn)了IPC在中國的發(fā)展和應用。

IPC工控機的發(fā)展在90年代末期達到高潮，應用得到了廣泛的普及，從2000年以后開(kāi)始衰落，逐漸從工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域轉向管理和信息自動(dòng)化方面應用。IPC的主要生產(chǎn)企業(yè)國內有研祥、華北工控、愛(ài)雷斯、研華、凌華和艾訊等，國外有美國ICS、德國西門(mén)子以及日本康泰克等。

1.3 ISA總線(xiàn)的派生總線(xiàn)PC/104總線(xiàn)技術(shù)

為了滿(mǎn)足對空間占用和功率消耗嚴格限制的嵌入式控制應用的需要，并保持與被廣泛接受的PC總線(xiàn)架構在軟件和硬件上的兼容性，美國Ampro Computers公司于1978年設計了第一款PC/104模塊。1992年2月Ampro聯(lián)合12家公司成立了PC/104產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（PC/104 Consortium），并于1992年3月推出了與ISA總線(xiàn)兼容的PC/104總線(xiàn)標準，1997年2月擴展為與PCI總線(xiàn)兼容的PC/104-plus總線(xiàn)標準。今天，PC/104產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的會(huì )員已經(jīng)超過(guò)160個(gè)企業(yè)，這些企業(yè)都基于PC/104標準制造小板規格、自層迭互連模式、低功耗的嵌入式計算機。PC/104仍然屬于第二代工控機技術(shù)的范疇。

1.4 VME總線(xiàn)工控機技術(shù)

1979年，美國Motorola公司推出了第一款68000 CPU，隨后的1981年，幾乎與IBM推出PC的同時(shí)，推出了VME總線(xiàn)工控機標準。VME總線(xiàn)工控機采用歐洲卡結構、針孔連接器和垂直安裝模式，特別適合在惡劣工業(yè)和軍事裝置中運行。1982年，由Motorola和Mostek公司發(fā)起成立了VME總線(xiàn)制造商協(xié)會(huì )VITA（VMEbus International Manufacturers Group），目前該組織擁有139個(gè)會(huì )員，致力于在全球發(fā)展和推廣VME總線(xiàn)技術(shù)。1987年，VME總線(xiàn)標準被ANSI和IEEE接受為國際標準ANSI/IEEE 1014-1987。

1.5 第三代CompactPCI總線(xiàn)工控機技術(shù)

20世紀90年代中期，PCI總線(xiàn)技術(shù)在PC機中已經(jīng)確立了其地位，越來(lái)越多的PC機中設計了PCI總線(xiàn)，以此也積累了豐富的芯片、硬件和軟件工具資源，PCI總線(xiàn)向工業(yè)和其它可靠性要求較高的領(lǐng)域應用已經(jīng)勢在必行。為了適應新一代嵌入式計算機技術(shù)發(fā)展的需要，在Pro-Log公司的倡導下，1994年成立了PCI總線(xiàn)制造商協(xié)會(huì )PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）。1997年9月2日誕生了第一個(gè)CompactPCI總線(xiàn)標準PICMG 2.0 R2.1 - the CompactPCI base specification，1999年10月1日頒布了修訂版本PICMG 2.0 R3.0 - the CompactPCI core specification。CompactPCI總線(xiàn)是從PCI總線(xiàn)和VME總線(xiàn)基礎上發(fā)展而來(lái)的，它集中了兩種主流總線(xiàn)的先進(jìn)性而演變成的可靠的、開(kāi)放的工業(yè)標準，如PCI總線(xiàn)的高性能數據傳輸能力、VME總線(xiàn)的歐洲卡的四面鎖定的穩定結構、板卡垂直安裝利于散熱的特性、更換板卡的簡(jiǎn)便性以及系統良好的可擴展性等。

目前PICMG協(xié)會(huì )的會(huì )員總數超過(guò)了450個(gè)，會(huì )員覆蓋了工業(yè)控制和電信兩大行業(yè)，致力于為高性能工業(yè)和電信計算應用開(kāi)發(fā)開(kāi)放性標準。

2 “十一五”工業(yè)控制計算機技術(shù)的發(fā)展探討

2.1 PC/104-plus技術(shù)和PC/104技術(shù)向PCI-104和PCI Express技術(shù)發(fā)展

PC/104工業(yè)控制計算機已經(jīng)問(wèn)世近15個(gè)年頭，目前仍然在工業(yè)和軍事控制領(lǐng)域保持著(zhù)持久的地位和發(fā)展態(tài)勢，直到現在，還一直與新技術(shù)的發(fā)展和采用保持著(zhù)同步。

PC/104總線(xiàn)的第一個(gè)發(fā)展趨勢就是去掉PC/104-plus標準中的ISA總線(xiàn)部分，僅保留PCI總線(xiàn)部分，為嵌入式板卡的設計提供更大的空間[2]，這就是2003年11月PC/104產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟頒布的新標準PCI-104 Specification Version 1.0。PCI-104使主流的PCI總線(xiàn)技術(shù)在小規格、高可靠的嵌入式計算機上得以實(shí)現和繼續發(fā)展。

PC/104總線(xiàn)的第二個(gè)發(fā)展趨勢就是兼容PCI Express技術(shù)，新標準正在制定，最有可能的結果就是PCI-104和PCI Express總線(xiàn)共存在一塊板卡上，形成擴展的總線(xiàn)標準PCIE-104，而板卡尺寸還維持不變[2]。

為了促進(jìn)PC/104總線(xiàn)、PC/104-plus 以及PCI-104總線(xiàn)技術(shù)的應用，PC/104產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟于2004年3月制定了嵌入式單板計算機平臺標準EPIC（Embedded Platform for Industrial Computing），并于2006年2月頒布了修訂標準EPIC Specification Version 2.0。EPIC平臺可以通過(guò)PC/104總線(xiàn)、PC/104-plus 以及PCI-104總線(xiàn)模板擴展I/O功能，并為采用高性能的CPU、存儲器技術(shù)以及散熱設計留有足夠的空間，可以快速集成面向特定應用的嵌入式系統，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，節省費用[4]。EPIC的尺寸介于PC/104和EBX之間，為115.00mm x 165.00mm。

2.2 CompactPCI總線(xiàn)和PCI Express融合形成CompactPCI Express技術(shù)

高可靠、模塊化、高性能和低價(jià)位的CompactPCI總線(xiàn)嵌入式計算機已經(jīng)在通信、醫療器械、儀器測量、工業(yè)控制以及軍事設備、航空和航天領(lǐng)域得到了廣泛的應用。CompactPCI總線(xiàn)標準經(jīng)過(guò)近10年的發(fā)展已經(jīng)趨于完善，并且創(chuàng )造了幾個(gè)行業(yè)“第一”的神話(huà)，如第一個(gè)支持熱插拔能力的總線(xiàn)標準，第一個(gè)支持H.110電話(huà)總線(xiàn)，第一個(gè)開(kāi)放系統管理規范以及第一個(gè)基于Ethernet的包交換背板技術(shù)等[18]。

CompactPCI技術(shù)未來(lái)將向更快方向發(fā)展，形成側重于I/O應用的主要平臺技術(shù)CompactPCI Express，并保持與CompactPCI總線(xiàn)的兼容性。CompactPCI Express是通用的、高性能的、面向工業(yè)市場(chǎng)的未來(lái)總線(xiàn)系統，其串行、點(diǎn)到點(diǎn)的數據交換能力可以達到每秒4GB。除此之外，CompactPCI Express的異步通信模式還具有CRC校驗和算法，可以實(shí)現錯誤自動(dòng)識別和糾正。而最有希望成為第一個(gè)在CompactPCI Express嵌入式計算機上運行的操作系統可能是微軟公司的Longhorn，該軟件自身就嵌入了對PCI Express技術(shù)的完美支持，并允許I/O設備的熱插拔，而不需要額外的其它軟件開(kāi)銷(xiāo)[1]。

6U CompactPCI的主要應用領(lǐng)域應該是電信行業(yè)，但目前受到AdvancedTCA技術(shù)的沖擊，應用不會(huì )有太大的空間。無(wú)論是國防還是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域對3U CompactPCI產(chǎn)品的需求正在大幅度增長(cháng)，尤其是通過(guò)傳導散熱的3U產(chǎn)品[13]。

2.3 VME總線(xiàn)技術(shù)雖然繼續發(fā)展但是應用范圍在縮小

伴隨著(zhù)微處理器技術(shù)和通信技術(shù)的進(jìn)步，VME總線(xiàn)技術(shù)從誕生開(kāi)始就一直處于不斷的發(fā)展之中，并取得了成功。并行峰值通訊速率從VME16的20MB/s，發(fā)展VME32的40MB/s和VME64和VME64x的80MB/s，到2004年達到了320MB/s。VME總線(xiàn)未來(lái)的發(fā)展途徑主要有2個(gè)，一方面是通過(guò)2eSST VME總線(xiàn)標準繼續支持或提高并行多點(diǎn)VME總線(xiàn)的數據帶寬，可以達到320+MB/s；另一方面是吸收CompactPCI總線(xiàn)的串行交換機制技術(shù)（Switched Serial Fabrics），通過(guò)星型（star）、雙星（dual star）或者網(wǎng)狀網(wǎng)（mesh）互連方式，以及Ethernet、Infiniband、RapidIO或PCI Express技術(shù)，大幅度提高VME總線(xiàn)的數據吞吐量到30GB/s，提高系統的冗余設計能力，這就是剛剛頒布的VITA41或VXS（VME switched fabric serial backplane standard）標準，同時(shí)還繼續保持著(zhù)與傳統的VME總線(xiàn)技術(shù)的兼容[5]。目前正在研制VITA46或VPX標準，數據傳輸能力已經(jīng)可以達到10GB/s。

雖然VME總線(xiàn)還在發(fā)展，但是必須認識到VME總線(xiàn)技術(shù)太老了，已經(jīng)走下坡路了，除了在對實(shí)時(shí)性要求較高的國防和軍事設備應用上還占據一定優(yōu)勢外，新的工業(yè)自動(dòng)化項目幾乎不可能再被采用了。

2.4   基于網(wǎng)絡(luò )的LXI標準將成為最有發(fā)展潛力的新一代虛擬儀器總線(xiàn)技術(shù)

自動(dòng)測試系統的建立，往往包括一臺或多臺儀器、主控計算機和測試軟件、測試夾具以及系統總線(xiàn)。而系統總線(xiàn)就像是中樞神經(jīng)系統，負責控制指令和測試數據的傳送。測試系統的總線(xiàn)由兩種技術(shù)體系實(shí)現，一種是基于網(wǎng)絡(luò )接口技術(shù)的總線(xiàn)，如GPIB等；一種是基于背板式互連的總線(xiàn)技術(shù)，如VME/VXI或CPCI/PXI等。為了滿(mǎn)足測試系統對低價(jià)格、更高帶寬和更高數據傳輸速度的要求，測試系統總線(xiàn)正在向兩個(gè)方向發(fā)展：一是基于網(wǎng)絡(luò )接口技術(shù)的總線(xiàn)正在向基于IEEE802.3和TCP/IP技術(shù)的Ethernet方向發(fā)展，即LXI總線(xiàn)技術(shù)；二是基于背板技術(shù)的總線(xiàn)已經(jīng)從VXI過(guò)度到CPCI/PXI技術(shù)，并正在向PCI/PXI Express技術(shù)發(fā)展。“無(wú)論是相對GPIB、VXI還是PXI，LXI都將是未來(lái)的總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展趨勢”[7]。

LXI（LAN eXtensions for Instrumentation）是LXI聯(lián)盟定義的一種基于工業(yè)標準Ethernet技術(shù)的開(kāi)放式儀表平臺總線(xiàn)標準，用于構成模塊化的、靈活的、高性能的小型或中型測試系統。通過(guò)LXI標準，將GPIB擴展到LAN，使PC或儀表之間的通信更加簡(jiǎn)單和廉價(jià)。LXI標準由Agilent和 VXI Technology于1984年率先開(kāi)發(fā)，并發(fā)起成立了LXI聯(lián)盟。LXI聯(lián)盟于2005年9月頒布LXI Standard Rev. 1.0，2006年8月頒布修訂版本LXI Standard Rev. 1.1。LXI標準有三個(gè)重要的功能特點(diǎn)：一是具有基于Web browser的人機界面接口和程序性控制框架的標準化的LAN接口，LAN接口的連接方式既可以是有線(xiàn)的，也可以是無(wú)線(xiàn)的；二是有三種觸發(fā)方式，即LAN觸發(fā)方式、IEEE1588精確定時(shí)協(xié)議觸發(fā)方式和LXI觸發(fā)總線(xiàn)；三是多種標準的儀表測試設備可以共存在同一個(gè)系統當中，如GPIB、PXI、VXI以及基于LAN接口的儀表等[8]。

LXI總線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢[8]：

● 速度快、使用方便、應用普及、價(jià)格低，與Ethernet LAN向下兼容；

● 通過(guò)直觀(guān)的Web browser接口進(jìn)行設備操作和管理，配置簡(jiǎn)單、快捷；

● IVI標準程序驅動(dòng)接口，編程簡(jiǎn)單，軟件重用性好；

● 具有創(chuàng )建混合測試系統的能力，系統中可以包括LXI、PXI、VXI、GPIB以及CANbus等，設備之間可以通過(guò)總線(xiàn)轉換裝置互連；

● 通過(guò)硬件和LAN-based觸發(fā)方式可以提高測試系統的性能以及任務(wù)處理能力；

● 通過(guò)IEEE1588精確定時(shí)協(xié)議可以實(shí)現當地和遠程儀表的同步，同步誤差在10ns～10ms之間。

作為以太網(wǎng)技術(shù)在測試自動(dòng)化領(lǐng)域的應用擴展，LXI技術(shù)正在為世界上越來(lái)越多的儀表制造商所采用，一些基于LXI技術(shù)的儀器也已面市，如安捷倫的33220A函數發(fā)生器、N6700/N5700系列電源、34980A開(kāi)關(guān)等。目前LXI聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)展到49個(gè)成員，LXI技術(shù)也發(fā)展成為了下一代虛擬儀表總線(xiàn)技術(shù)。

2.5 串行、點(diǎn)到點(diǎn)、高速互連總線(xiàn)技術(shù)PCI Express、AdvancedTCA以及MicroTCA

隨著(zhù)芯片和模板的密度越來(lái)越大，速度越來(lái)越快，傳統的并行總線(xiàn)逐漸成為系統性能提高的主要瓶頸，而且問(wèn)題越來(lái)越嚴重。與此同時(shí)，串行總線(xiàn)的性能也在不斷地提高，這也進(jìn)一步推動(dòng)了計算機的共享并行總線(xiàn)技術(shù)向高速、獨占的、點(diǎn)到點(diǎn)的串行總線(xiàn)技術(shù)方向轉移。

早在2001年的春季，Intel公司就宣布要用一種新的技術(shù)取代PCI總線(xiàn)和多種芯片的內部連接，并稱(chēng)之為第三代I/O總線(xiàn)技術(shù)，即3GIO (3rd Generation I/O)。到了2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM等20多家業(yè)界主導公司加入了PCI-SIG，開(kāi)始起草3GIO規范。2002年草案完成，并把3GIO正式命名為PCI Express。PCI Express技術(shù)要點(diǎn)是從并行到串行的轉變。PCI Express可以理解為是一種將并行PCI總線(xiàn)進(jìn)行打包后變成串行方式在多種傳輸介質(zhì)上傳輸信息的技術(shù)，這里的傳輸介質(zhì)既可以是布在線(xiàn)路板上的傳輸線(xiàn)（traces），也可以是雙絞線(xiàn)（cables）。PCI Express技術(shù)可以用于板內芯片之間的互連（chip-to-chip）、模板和模板之間的互連（board-to-board），也可以用來(lái)實(shí)現系統到系統的高速互連（box-to-box）。第一代PCI Express總線(xiàn)的工作速度為2.5GHz，目前正在研制工作頻率為5GHz的第二代標準。通過(guò)x1、x4、x8、x16和x32連接通道，PCI Express總線(xiàn)的帶寬可以達到80Gbps。從PCI Express發(fā)展出來(lái)的標準目前主要有SHB （System Host Board）Express、COM（Computer-On-Module）Express以及CompactPCI Express等[6]。

自從PICMG于2001年9月發(fā)布了以太網(wǎng)包交換背板標準（CompactPCI Packet Switching Backplane/PSB）PICMG 2.16，將串行Ethernet網(wǎng)絡(luò )在背板上實(shí)現以來(lái)，壟斷背板設計多年的并行總線(xiàn)技術(shù)被打破，使可管理的、冗余的、點(diǎn)到點(diǎn)的、串行包交換互連總線(xiàn)技術(shù)（switched serial interconnects，也叫Switched Fabrics技術(shù)）得到廣泛接受。2002年12月PICMG發(fā)布了基于Switched Fabrics技術(shù)的更新、更快和功能更強大的開(kāi)放式平臺架構標準PICMG 3.0，即AdvancedTCA（Advanced Telecom Computing Architecture），簡(jiǎn)稱(chēng)ATCA；并于2005年3月又推出了Advanced Mezzanine Card標準，簡(jiǎn)稱(chēng)AMC；2006年7月，PICMG發(fā)布了最新的技術(shù)標準MicroTCA（Micro Telecommunications Computing Architecture）。

PICMG 2.16 CompactPCI/PSB技術(shù)的主要特點(diǎn)：

● 在CPCI的J3/P3和J5/P5上定義了20個(gè)與IEEE802.3-2000兼容的Ethernet網(wǎng)絡(luò )，最大帶寬為20Gbps。

● 背板上定義了Node slot、Fabric slot和連接它們的Link。Node之間通過(guò)Fabric進(jìn)行通信。

● 1個(gè)Fabric與所有Node之間的連接為Star拓撲結構，2個(gè)Fabric與所有Node之間的連接為Dual Star拓撲結構，2個(gè)Fabric之間互連構成冗余系統。

● CPCI總線(xiàn)和PSB總線(xiàn)可以在同一個(gè)背板上共存，互為冗余，相互補充。

ATCA是面向下一代運營(yíng)通信設備的系列工業(yè)標準的總稱(chēng)，它融合了在高速互連技術(shù)，下一代微處理器技術(shù)，不斷提高的可靠性、可管理性和可服務(wù)性技術(shù)等方面的最新發(fā)展成果，滿(mǎn)足電信運營(yíng)對網(wǎng)絡(luò )設備構建系統（NEBS）、歐洲電信協(xié)會(huì )標準（ETSI）以及99.999%時(shí)間可用性的要求。ATCA還具有模板尺寸大（8U x 280mm x 6HP）、供電能力強（-48V/200W），可以熱插拔（hot-swappable）以及支持多協(xié)議（Ethernet、InfiniBand、StarFabric、PCI Express、RapidIO）的switched fabrics技術(shù)等特點(diǎn)；支持Dual Star、Dual Dual Star以及Mesh Fabric拓撲結構；定義了系統管理功能和串行管理接口IPMI（Integrated Peripheral Management Interface），利用管理軟件對模板進(jìn)行配置，獲取狀態(tài)信息，并能遠程關(guān)閉故障模板。目前PICMG members和ATCA community正在與IEEE802.3ab subcommittee合作研制10Gbps backplane standards[6]。在不久的將來(lái)，ATCA背板的信號傳輸速度將從現在的5Gbps提高到10Gbps，大幅度提升ATCA的數據傳送能力。在可以預見(jiàn)的幾年里，在下一代電信網(wǎng)絡(luò )中，ATCA將會(huì )得到廣泛的認可和應用。而就目前的情況來(lái)看，在未來(lái)相當長(cháng)時(shí)間內，ATCA將會(huì )和CompactPCI相互補充，共同促進(jìn)電信行業(yè)乃至信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

AMC針對ATCA技術(shù)定義了一種模塊化的、基于LVDS信號的高速串行互連接口的“女兒板”標準。AMC通過(guò)AMC連接器并行插在A(yíng)TCA載板（Carrier Board），實(shí)現ATCA模板功能。AMC模塊通過(guò)導軌，從模板前面方便地插入和拔出，并且支持熱插拔。使用AMC設計ATCA功能模板如同搭積木一樣簡(jiǎn)單、方便、快速。

將AMC模塊插在A(yíng)TCA載板上可以構成特定功能的ATCA模板。將AMC插在背板上就發(fā)展成了一種小型化、模塊化、高性能的計算平臺系統，這就是MicroTCA。MicroTCA集中了ATCA和AMC的先進(jìn)性，可以滿(mǎn)足電信、醫療設備、工業(yè)測量和控制、軍事設備以及消費類(lèi)電子產(chǎn)品的需要[9]。MicroTCA系統包括AMC模塊、MCH（MicroTCA Carrier Hub）、電源模塊（PM）、制冷單元（CU）、背板、導軌和機箱等主要部分。AMC模塊有4種規格，常用的是73.8x13.88x181.5mm。一個(gè)典型的19英寸x 4U x 300mm機箱容納的MicroTCA系統可以支持10個(gè)AMC模塊、2個(gè)MCH和2個(gè)PM。MicroTCA的背板信號接口采用先進(jìn)的差分高速串行化器和解串器（Serializer/Deserializer，簡(jiǎn)稱(chēng)SerDes）互連技術(shù)設計，半雙工帶寬可以達到3.125Gbps。

根據2006年VDC的研究預測，到2009年ATCA的市場(chǎng)份額將達到$1.15 billions，AMC將為$763 millions，MicroTCA將增長(cháng)到$217 millions[10]。

2.6 有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)混合工業(yè)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)將在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應用

在工業(yè)控制和檢測系統中主要存在三種有線(xiàn)通信方式，即點(diǎn)到點(diǎn)并行模擬連接方式、現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)Ethernet[19]。并行連接方式隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的出現已經(jīng)很少見(jiàn)了，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)使用一對電纜就可以為多個(gè)互連設備提供電源以及控制和配置信息。開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)可以使不同制造商生產(chǎn)的設備在同一個(gè)系統中實(shí)現互操作，方便采購和維護，降低了成本。工業(yè)Ethernet比現場(chǎng)總線(xiàn)有很多優(yōu)勢，例如價(jià)格便宜，使用方便，特別是帶寬遠遠高于12MB/s的現場(chǎng)總線(xiàn)。工業(yè)Ethernet用于工業(yè)現場(chǎng)的主要問(wèn)題出在CSMA/CD競爭協(xié)議上，不能保證響應時(shí)間的確定性，即實(shí)時(shí)性問(wèn)題?，F在通過(guò)交換機或網(wǎng)橋進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )分區的方式避免了碰撞的發(fā)生，有效地解決這一問(wèn)題[19]。

近幾年，隨著(zhù)人們對設備可互連性和可移動(dòng)性要求的越來(lái)越高，無(wú)線(xiàn)系統的使用呈指數形式增長(cháng)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)控制和監測方面的應用也成為繼工業(yè)Ethernet之后的工控領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)[16]。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)現場(chǎng)主要應用在設備或環(huán)境實(shí)現物理連接困難以及技術(shù)上不允許或不希望用物理連接的場(chǎng)合，如移動(dòng)或旋轉設備、運動(dòng)節點(diǎn)、遠距離設備管理、障礙物阻隔環(huán)境、高危環(huán)境等，以彌補有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的不足。

未來(lái)，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )主要的存在形式應該是有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的混合網(wǎng)絡(luò )，相輔相成，取長(cháng)補短。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的主要技術(shù)有基于802.11的WLAN（Wireless LAN）、BlueTooth、ZigBee技術(shù)以及RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)。一般而言，工業(yè)監控系統對網(wǎng)絡(luò )的數據吞吐量的要求比較低，但對在惡劣環(huán)境下數據通信的可靠性卻要求很高，例如在高溫和低溫，高濕度等級，劇烈振動(dòng)，爆炸性氣體，腐蝕性化學(xué)物質(zhì)以及強電磁干擾環(huán)境里。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)控制和監測方面應用主要需要解決的技術(shù)問(wèn)題是安全性（Security）、魯棒性（Robustness）、故障安全運行模式或故障降級運行模式（Fail-safe/fail-soft operation）、干擾免疫性（Interference immunity）、能源獲取技術(shù)（Power availability）、可互操作性（Interoperability）以及人機接口技術(shù)（Interfaces）[19]。

2.7 可編程邏輯控制器技術(shù)在未來(lái)的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域將發(fā)揮更重要的作用

今天，PC機的硬件和軟件功能已經(jīng)非常強大，標準化程度也越來(lái)越高，可靠性也得到了很大地改進(jìn)，因此在工業(yè)控制上的應用也越來(lái)越多。隨著(zhù)開(kāi)放的、模塊化的主流工業(yè)控制計算機總線(xiàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，如PC/104、CompactPCI、PXI以及MicroTCA工控機等，高性能、高可靠、維護方便的工業(yè)控制計算機將在工廠(chǎng)自動(dòng)化的控制層得到更廣泛的接受和應用，而不局限于管理層和操作層[15]。在另一方面，根據2006年ARC Advisory Group的最新研究結果，在未來(lái)的5年里，PLC在全球的市場(chǎng)年增長(cháng)率(compounded annual growth rate)將達到6.1%。PLC在2005年的市場(chǎng)份額為$7.5 billion，預計到2010 年將達到$10 billion[14]。PLC產(chǎn)品也將在功能、通信能力、規模、可擴展性、軟件、開(kāi)發(fā)工具以及自診斷能力等方面得到改進(jìn)。

融合PC機強大的功能和PLC的可靠性[12]，伴隨著(zhù)PLC采用COTS（commercial of the shelf）硬件技術(shù)以及PC-based的系統融入實(shí)時(shí)操作系統，產(chǎn)生了新一代工業(yè)控制器技術(shù)——可編程自動(dòng)化控制器，即PAC（programmable automation controller）。PAC的概念是由ARC公司于1990年提出的[14]。PAC可以通過(guò)一個(gè)復雜的控制器，提供先進(jìn)的控制特性、網(wǎng)絡(luò )互連能力、設備之間的互操作能力、以及企業(yè)的數據信息的集成能力[11]。

雖然PAC不可能取代PLC，但它擴展了PLC的能力[14]，其本質(zhì)上仍然是一種變結構的嵌入式工業(yè)控制計算機，將在現在和未來(lái)的工廠(chǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

3 結論

滿(mǎn)足惡劣環(huán)境的具有安全性、可靠性和環(huán)境標準要求的加固型計算機稱(chēng)為工業(yè)控制計算機，也叫加固計算機。模塊化的、開(kāi)放的、標準化的總線(xiàn)型工業(yè)控制計算機技術(shù)，可以使設備制造商或系統集成商方便、快捷地構造面向特定需求的高可靠的應用系統，產(chǎn)品研發(fā)周期短、費用低、生存周期長(cháng)，可選擇性好，并且具有良好的性能、可靠性、可擴展性、可維護性和服務(wù)能力。

“十一五”期間工業(yè)控制計算機技術(shù)的主要發(fā)展趨勢：小型化的、基于并行總線(xiàn)技術(shù)的PC/104（包括PC/104-plus、PCI-104）和CompactPCI/PXI工控機將繼續占據主流地位，并向PCI Express技術(shù)發(fā)展，同時(shí)保持向下的兼容性；VME總線(xiàn)技術(shù)除了在軍工還保持一定優(yōu)勢外，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應用將越來(lái)越少；虛擬儀器技術(shù)將向網(wǎng)絡(luò )化的LXI技術(shù)發(fā)展；電信領(lǐng)域將由ATCA技術(shù)一統天下，由高速、串行、點(diǎn)到點(diǎn)的switched fabrics技術(shù)取代統治該領(lǐng)域多年的并行總線(xiàn)技術(shù)；MicroTCA技術(shù)將從電信領(lǐng)域向其它領(lǐng)域擴展，包括工業(yè)控制、測試測量以及軍工設備制造等，并逐漸發(fā)展成新的熱點(diǎn)；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)將擴大在工業(yè)測控領(lǐng)域的應用，有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò )是未來(lái)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)新的發(fā)展方向；作為工業(yè)控制計算機技術(shù)的一種新的存在形式，PAC技術(shù)將在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到更多的應用。

我國是制造業(yè)大國，但不是制造業(yè)強國。我國還不是工業(yè)化國家，工業(yè)自動(dòng)化水平還很低。“十一五”規劃明確提出：堅持以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化，提高經(jīng)濟社會(huì )信息化水平；堅持以信息化改造制造業(yè)，推進(jìn)生產(chǎn)設備數字化、生產(chǎn)過(guò)程智能化和企業(yè)管理信息化；推廣集散控制、現場(chǎng)總線(xiàn)控制、敏捷制造等技術(shù)，強化生產(chǎn)過(guò)程的在線(xiàn)監測、預警和控制。工業(yè)控制計算機是工業(yè)自動(dòng)化和信息化的核心設備，因此在“十一五”期間，工業(yè)控制計算機將通過(guò)采用新技術(shù)而使自身得到更大的發(fā)展，同時(shí)也必將在推進(jìn)工業(yè)化和信息化進(jìn)程中發(fā)揮更重要的作用。

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