嵌入式工业PC及其设计

嵌入式工业控制机特指深藏于工业系统内部，完成一种或多种特定工业任务的计算机。一个成功的工控机要具有开放式的模块化结构、较强的数据处理能力、很好的实时性能、较强的工业环境适应性、高可靠性、丰富的过程I/O、良好的软件开发环境，以及高性能的网络和通信支持等。因此，工控机设计人员对上述环节和有关问题的认识程度和解决方案将直接关系到工控机设计的成败。本期专题结合嵌入式工控机系统设计的有关问题，从以下方面展开了讨论。

1.嵌入式工业PC及其设计 本文详细介绍了PC机从台式PC到嵌入式工业PC的发展历程，

描述了工业PC的性能特点，总结了其软、硬件设计的发展方向和新技术。

2.基于386EX的STD总线嵌入式工业控制机设计与实现 STD总线386EX工控机将STD总线

固有的坚固性、普及性、廉价等优点与嵌入式增强型处理器386EX的可靠性、高性能、与P C兼容性相结合，是工业控制前端机向高性能发展的优选机型。本文对该系统设计和实现中的几个要点进行了较详细的讨论。

3.32位嵌入式工业PC的软件设计 嵌入式系统不同于普通的PC系统，在强调高可靠性的系统中，经常要求使用大量可供程序固化运行的不挥发性存储器。本文详细论述了在32位嵌入式工控机系统软件设计中，管理不挥发性存储器和支持固化程序运行环境的一套可行方案。

4.用高级语言编制工业XIP软件的方法 高级语言程序的代码段和数据段分离开来，是实 现软件固化、就地执行的关键，然而分离用高级语言编制的程序、特别是内嵌汇编和显示功能的程序相当困难。本文论述了利用*.EXE和*.MAP文件编制XIP软件的方法。

5.PCMCIA卡的工作机制及其在嵌入式系统中的应用 PCMCIA总线的SRAM卡和Flash卡以其固有的紧凑性、可靠性及灵活的可配置性，必将逐渐取代软、硬盘，给嵌入式工控系统提供强大的支持。本文以PCMCIA总线卡技术为核心，简要介绍其产生、分类，重点分析其硬、软件框架及相互关系，并对SRAM存储器卡、Flash存储器卡、ATA IDE卡、FAX/MODEM卡的实现机理做了进一步分析。

嵌入式工业PC以其独特的小型化体积、模块化和组合化结构、丰富的过程I/O、灵活的配置和扩展能力、特殊的恶劣环境适应能力、良好的开发环境、方便的联网能力和工作的高可靠性，被广泛应用于工业控制和军工领域，在国民经济发展和国防建设中发挥着极其重要的作用。

一、嵌入式工业PC的发展

嵌入式工业PC的发展主要得益于PC机的普及。台式PC机的广泛应用和推广，使越来越多的人了解它、熟悉它、愿意使用它。PC机对社会和产业界所产生的巨大影响，使建立在Int el微处理器上的PC AT硬、软件构架成为事实上的标准。今天，当人们谈起计算机时，脑海里自然就浮现出PC机。PC机几乎成了计算机的代名词，并且深入人心。PC机及MS-DOS的标准化和开放式体系结构，使国际上众多厂家和公司得以在此基础上开发出丰富的、有不同特色的软、硬件产品，这无疑对PC的推广应用起到了推波助澜的作用。随着性能不断提高和价格大幅度下降，PC机以锐不可挡之势迅速渗透到工业控制领域。人们对PC机寄予重望，希望它在传统产业的自动化改造舞台上扮演重要的角色。

当台式PC机真的敲开了工业自动化的大门后，人们才惊讶地发现，它虽然胜任数据处理和信息保存，但并不适用于工业控制。其主要问题可总结为以下几点:

•采用有源母板，尺寸大、散热差、元器件失效率高。

•母板水平放置，没有模板导轨，机械性能差，难以抵抗震动和冲击。

•I/O种类贫乏，可伸缩性和扩展能力差。

•风扇散热，但无过滤器，不能防尘。

•供电采用普通电源，难以抵抗电网的浪涌、跌落和尖峰干扰等。

•MTBF指数小，一般为几百小时，而工业控制要求数千小时以上。

•体积大，结构不灵活，难以维护和维修。

•电磁兼容性差，设计上没采取抗电磁干扰措施。

•故障检测和自动排除故障能力差，需要人工监视和干预。

•温度范围窄，一般为0℃～+25℃，而工业现场一般要求-25℃～+65℃。

针对上述情况，技术人员采取了比较简单的处理办法。如对台式PC进行加固改造，对I/ O插板采用金属压条来锁紧;风扇散热和安装过滤器防尘;机箱密封等。经过如此改造的PC机 ，虽然骨子里仍然是数据处理机内容，但在应用初期还是占有了一定的市场。技术人员在初尝改造的工业PC带来的甜头后，更坚定了信心，并在一定程度上加快了PC机改造的步伐。

进入90年代以来，随着我国国民经济的迅速发展和工业自动化市场需求量的不断扩大， 国内工业PC也呈现出一派活跃景象。特别是全国工业PC国产化联合开发委员会的成立，迅速完成了工业PC的国产化改造过程，并实现了和国际先进水平接轨。当前工业领域普遍采用的工业PC的主要特点包括:

•全钢、密封机箱，微正压送风散热，过滤器防尘。

•采用尺寸相对小的无源母板取代大母板，板上信号用多层地线隔离，均匀分布电容器 ，以增强其抗电磁干扰能力。

•系统功能分散到几块PC卡上，如CPU卡、VGA卡、多功能卡等，使维护和维修得到改善 ，同时也将危险分散。

•采用半导体虚盘代替软、硬盘，增强系统数据存储和代码运行的可靠性。

•增加PC插槽数目，开发了种类齐全的工业I/O板，给系统提供了较灵活的组合配置能力。

•摒弃原有的普通电源，采用长寿命、高可靠的工业开关电源。

•采用控制组态软件。

PC机经过以上改造，加上模板设计人员在模板设计中采用了可靠性和抗干扰措施，在一定程度上适应了恶劣的工业环境，因此在工业控制系统中被越来越多地采用。这就是人们通常所说的工业PC机。由于工业PC自身的局限性，如体积大、机箱难以拆卸、维护不便、不能黑模式运行等，还不能完全满足嵌入式环境的要求，因此其应用范围还是受到了很大限制。在分布式工业控制系统的过程级、监控级和管理级三级结构中，工业PC主要占据监控级和管理级，作为工作站、操作站和监控计算机使用。那么，工业PC能在环境最恶劣的过程级，也就是工业控制系统的前端占有一席之地吗?回答是肯定的，这就是普遍采用的嵌入式工业PC。

嵌入式工业PC彻底摆脱了传统微控制器结构的束缚，大胆采用Intel公司的80X86系列微处理器作为CPU单元，百分之百兼容IBM PC和MS-DOS结构，使其可以充分享受PC机发展所积累的丰硕成果。这种PC和MS-DOS兼容的嵌入式工业PC，优势明显。

•系统设计受益于PC机发展所形成的相关器件生产的规模效益，硬件成本低，市场竞争能力强。

•从语言和编译连接软件、数据库、电子表格、网络通信、数据采集到控制组态软件 ，支持PC架构的软件应有尽有。这些软件不需修改或稍加修改就可在嵌入式工业PC机上运行。

•多种版本的MS-DOS、Windows，以及在PC机上运行的各种实时多任务操作系统(如VRT X、AMX、Spectra等)，给嵌入式工业PC以强大的支持。

•普通PC机就可作为其廉价的开发平台。技术人员可以在熟悉的环境下方便地开发各种应用程序。

•系统升级容易。随着微处理器性能的不断提高，嵌入式工业PC的处理能力、通信能力和界面友善程度达到相当高的水平，足以满足工业控制系统各种复杂控制策略的要求。

•从8086、80186，直到Pentium，嵌入式工业PC的硬件实现有多种档次，用户可根据实际需要选择性价比合适的机器。

由于嵌入式工业PC具有诸多优势及其巨大的市场潜力，刺激和吸引了众多厂商投入到嵌入式工业PC的开发行列中。顾名思义，嵌入式工业PC特指埋藏于工业系统内部，执行一种或多种特定任务的计算机。由于嵌入式应用对体积有严格限制，因此许多小型化的嵌入式工业 PC产品应运而生。其中比较成功的要数具有工业标准总线的STD、VME和PC/104等模板产品。

STD总线是由美国Pro-Log公司推出、并在嵌入式工业PC应用领域被广泛采用的一种工业标准总线。STD总线模板标准尺寸为4.5×6.5平方英寸，远远小于ISA总线模板尺寸，适合作为紧凑加固平台。由于采用PC和MS-DOS兼容性设计，以及All in one和总线I/O的设计思想，使8/16位的STD总线适应高性能32位微处理器的要求。STD总线产品以其开放式体系结构、高强度工业设计、小尺寸、高可靠、低价格、简便的I/O接口和不断增强的网络通信能力及CPU性能，在嵌入式应用领域有很强的竞争能力。

VME总线也是一种很有生命力的工业标准，分为(3U)3.9×6.3平方英寸和(6U)9.2×6.3 平方英寸两种规格。由于嵌入式工业PC机发展的强大攻势，许多厂商一改欧式VME总线Moto rola微处理器结构，纷纷推出PC和MS-DOS兼容的、80x86结构的VME总线规范的嵌入式工业P C产品。VME总线产品的插针式连接器结构被强震动、冲击和高尘埃等极恶劣场合广泛采用 ，特别是在列车、轮船等运动系统中。由于插针结构很容易满足系统先接电源和后断电源的带电插拔规范，所以即插即用是VME总线产品的主要发展方向之一。

PC/104是当前国际上小型化嵌入式工业PC中比较热门的产品。PC/104总线模板的结构很有特色，尺寸为3.6×3.8平方英寸，没有总线母板，没有模板导轨，联结采用自层叠方式，最大限度地减小占用空间。由于PC/104总线本身就和ISA规范完全兼容，从而使它能充分利用商用PC机市场上同样的芯片系列，PC/104厂商也能最大限度地分享商用PC机规模经济市场中的巨大经济利益。如果PC/104产品能不断降低价格，解决I/O模块贫乏等问题，它的应用前景是很好的。

为了充分利用插针结构的优点和商用PC机的规模经济效益，有些厂商干脆把ISA总线规范直接映射到VME联结器的96根插针上，推出VME-PC嵌入式工业PC产品，如瑞士Digital-Log ic公司的AT96嵌入式工业PC产品。这种真正百分之百与PC和MS-DOS兼容的产品确实给用户使用带来了不言而喻的方便，但其价格之高，让许多用户望而止步。现在国内也有厂商推出了类似产品，但价格低得多。

今天，先进而复杂的操作系统(如Windows 95和图形增强应用软件等)，要求有运行速度更快的计算机与之相适应。这一点无论是对商用PC还是工业PC都是一样的。快速的计算机需要快速的CPU芯片、快速的存储器和快速的磁盘驱动器，还需要同样重要的、更快速的总线将所有这些连接在一起。PCI(周边器件互连)总线就是一种应运而生的高性能计算机总线标准。它是为满足视频和高速网络通信工作等功能要求，由Intel公司作为非常高速的局部总线开发的。PCI是独立于处理器的32/64位总线，最大数据传输速度可达266MBps。当今流行的高性能处理器，如Pentium、Pentium Pro和PowerPC，都采用PCI作为其总线接口。

1994年初，国际工业计算机制造商联合成立了工业计算机制造商组织(PICMG)，旨在为基于PCI总线的工业计算机产品建立一个开放式的标准。1994年底，PICMG为采用PCI无源后背板和插在里边的PC AT式CPU卡公布了标准，Industrial Computer Source、Pro-Log和Texa s Microsystems等公司都推出了相应的486和Pen-tium档次工业级产品。虽然这些产品保留了与现存PC AT I/O卡的兼容，但在坚固性、小尺寸和前面板安装等方面没有得到很好的解决。

最新推出的、基于PCI的工业计算机标准叫作紧凑PCI(CompactPCI)。CompactPCI采用 VME欧洲卡封装形式，提供真正工业封装的PCI性能和硅片。CompactPCI卡有3U和6U两种尺寸标准，两种卡在同一系统中可以共存。Com-pactPCI不需桥路就可驱动多至8个总线插槽，足以满足大多数工业系统的要求。CompactPCI利用最新和最快的视频、网络通信和数据采集芯片，定位在下一代更快速CPU上(如P5、P6、PowerPC和P7等)，为嵌入式工业控制的发展开辟了一个新天地。

VXI(VMEbus eXtensions for Instrumen-tation)总线系统是一种完全开放的、有众多产品供应商支持的高性能模块化仪器总线标准，又称为VME扩展到仪器应用标准。VXI总线是一种基于VME总线的模块仪器结构标准，对所有厂家开放，并兼容现有的工业标准。VXI总线系统集中了智能仪表、个人仪表和GPIB系统的很多优点，具有开放式模块化结构、数据吞吐量大、网络和通信接口方便，以及扩展能力强、可伸缩性好等特点，被广泛应用于航空、航天、航海等设备的维护、测试和诊断，是公认的仪器和测试系统的优秀平台。目前，美国 HP和Kinetic Systems等公司的VXI产品在市场上占主导地位。

内嵌式VXI总线工业控制计算机的推出和使用，给嵌入式工业PC的应用又开辟了一个崭新的空间。它主要以高性能的CX486SLC和Pen-tium系列微处理器为CPU，采用PC AT构架，综合处理VXI操作的接口门阵列、定时接口控制器、IEEE488.1/488.2标准的GPIB控制器ASIC 等设计而成。使用的软件包括VXI总线接口软件、IEEE488.2软件、DOS下的集成软件LabWi ndows和Windows下的图形化程序LabVIEW等。

VXI总线产品通过局部MXI总线，很容易和外部的、采用ISA、EISA和PCI等其它总线的计算机系统相连，构成多VXI系统。目前采用PCI局部总线的产品也已推出。由于PC AT的兼容性，内嵌式VXI总线工业控制机已成为VXI总线系统的高性能理想平台之一。

现在，几乎所有的嵌入式工业PC产品厂商都在由OEM向系统级产品过渡，努力为用户服务到端子，联结方便合理，给用户提供一个比较完整的解决方案。这是嵌入式工业PC未来发展的一个主要方向。

二、嵌入式工业PC的硬件设计考虑

概括地讲，嵌入式工业PC设计主要有两种体系结构，即封闭式和开放式体系结构。封闭式体系结构的产品不依赖于某种总线标准，为某种特定任务而专门设计，专用性较强，一般称这种产品的嵌入方式为芯片级嵌入。开放式体系结构的设计立足于某种公开了的工业总线标准。依靠这种开放和标准，众多计算机厂商设计出各具特色、种类繁多、可供用户灵活选择的模板级产品，如CPU板、系统支持板、人机接口板、信号调理板、模拟量I/O板和数字量 I/O板等。因为有了标准，所以不同的用户可以根据任务的实际情况选择一定数量的功能模板，以最快的速度组合成相应的应用系统，从而大大缩短了开发周期，减小了开发费用。由于总线标准，使产品的升级和维护变得简单、方便。这种嵌入方式称为板级嵌入，嵌入式工业系统采用最多的就是这种嵌入方式。

除开放和标准以外，工业控制计算机不仅需要像平台PC机一样的速度和性能(如成熟的操作员界面、复杂的控制算法和最快的处理器)，而且要求具有以下特性:

•坚固性。工业控制机必须工作在高温、高尘环境，并能承受强烈冲击和震动，因此需要供电电源稳定可靠、制冷性能良好和插卡的固定能力。

•可靠性。MTBF(两次故障之间的平均时间)指数大于1万小时，这要靠保守的电路和散热设计、固态非转动的盘驱动器和仔细的电缆连接来保证。

•低的MTTR(平均故障修复时间)指数。由于工业控制机普遍采用去掉有源电路的无源后背板或主板，功能分散到其它插板上，因此插板一旦出现故障，可以很快完成更换。

•模块化。控制设备的工控机需要两个以上的串口和一个以上的并口、模拟和数字I/ O、运动控制、PLC互连能力、显示等等。一般工控机要有12个或更多的总线插槽用于I/O扩展。

•标准化。凡是成功的计算机平台都基于某种标准，所有的工业用户正逐渐从专用结构转移到基于标准的架构，因为标准架构的产品容易从多个不同的供应商那里得到。

•实时性。工控机要具有时间和事件驱动能力，能对生产过程工况变化实时地进行监测和控制，当过程参数偏离设定值甚至出现故障时，能迅速做出相应的处理。

•前面板I/O。工业用户喜欢像PLC产品那样简便的前面板端子连接方式。一般平台计算机用电缆从后面跟外部连接，这在桌面上看起来还好，但大多数工业用户的要求却相反。

一个成功的嵌入式工业PC模板硬件设计还应考虑以下方面:

•兼容性。嵌入式工业PC模板设计要做到和PC、MS-DOS完全兼容，充分利用商用PC所积累的软、硬件资源。

•克服总线数据宽度和速度瓶颈，产品升级。标准工业总线一方面使系统开放，另一方面也阻碍了处理器性能的发挥。为此，一种办法是采用高性能总线，但这无疑会大幅度增加设计费用和产品成本。比较好的办法是采用All in one和I/O总线设计方案，既可提高性能又可保持向下兼容。专家认为，一般工业过程为慢过程，对I/O的访问速度要求并不高，8/ 16位数据宽度、8MHz的频率足够了。但随着数据采集量增加，控制策略和控制算法更加优化和复杂，对计算机的处理能力、存储器访问速度和实时响应能力的要求越来越高、越来越严格。所以，将局部高速总线和慢速系统总线相结合设计，即把对速度要求高的CPU、存储器、看家狗、硬盘和需要高速访问的I/O接口等做在一块All in one模板上，把相对慢速的I/ O部分放在总线上，是一种合理、现实的方案。

•采用基于Flash存储器的新型存储器子系统。伴随着PC机架构渗透到嵌入式应用领域 ，一种与传统存储器子系统完全不同的新型存储器系统结构正在产生。新型存储器子系统以 Flash存储器为核心，配有少量RAM(SRAM或DRAM)，突破了传统的磁盘(软、硬盘)、ROM和大量 RAM三级存储器结构，具有系统小、功耗低、重量轻、坚固和可靠性高等特点，更能满足各种苛刻的嵌入式应用要求。Flash存储器以其高密度、高速度、不挥发、电可改写和高可靠等优点，为实现工业控制系统软件全固化运行的理想提供了保障。

•系统故障监测和自动恢复。如今，看家狗电路已成为嵌入式工业PC设计不可缺少的一部分。它能在系统出现故障时迅速报警，并在无人干预的情况下，使系统自动恢复运行。

•采用PC兼容的、高集成度的嵌入式微处理器。过去，嵌入式设计往往采用NEC公司的 V系列处理器和80C186E系列作CPU。随着高性能、高集成度、低电压工作和带有电源管理单元的嵌入式微处理器的推出(如Intel的386EX、AMD的Am386EM和即将推出的奔腾级P55C、P 54C多媒体芯片等)，给设计人员提供了更大的发挥空间。

三、嵌入式工业PC的软件设计考虑

嵌入式工业PC的软件设计在整个设计过程中占有很重要的地位。软件工作的可靠性是决定系统工作可靠与否的主要因素之一。工业软件设计已经开始从加载运行的重定位*.ex e格式软件转向就地运行(eXecute-In-Place)的预定位*.bin格式，以便从根本上保证程序指令的高可靠执行。具体地讲，包括以下方面:

•嵌入式BIOS。嵌入式应用的BIOS应该是模块化、可裁减的，而且是最优化和最小的， 还要支持系统无键盘和无显示的黑模式工作方式。BIOS是XIP格式的。

•嵌入式实时操作系统。嵌入式DOS不仅要覆盖系统的常规功能，还要求支持半导体盘、看家狗功能和XIP程序的上电直接运行。嵌入式DOS应该是XIP格式的，以提高系统引导速度和代码的可靠性。嵌入式操作系统还必须具有任务或事件的实时处理能力。
•代码和数据分离与定位。开发通用高级语言混合编制的应用程序的代码和数据的分离与定位工具，是编制XIP格式应用程序的关键，也是程序固化、就地执行的前提。

•Flash存储器管理软件的开发。为用户提供现成的工具软件，实现Flash存储器的优化管理和在线、在板修改、升级。这也是决定能否最大限度地发挥新型存储器子系统性能的主要因素之一。

•组态软件。应用在嵌入式工业PC上的组态软件支持，可以大幅度缩短工业控制软件的开发周期，减少开发费用，使工业控制软件标准化、规模化和商品化。组态软件现已逐步从工业控制系统的高端向低端发展。

四、现场总线

随着计算机网络通信能力和处理器性能的不断提高，分布式控制系统(DCS)在工业领域得到越来越广泛的应用。DCS在工业控制系统逐渐形成合理的管理级、监控级和过程级三级结构。现在的发展趋势是，用嵌入式PC兼容系统进一步加强过程级的处理能力，并与工业过程I/O、传感器和执行机构一起构成多功能的智能前端设备。它安装在工业现场，除完成数字量和模拟量I/O等基本操作外，还能对采集的数据进行比较复杂的处理，并可执行一定的控制策略。同时，这些设备具有很强的网络通信能力，它们通过现场总线连接在一起，并进一步和上层的监控机、操作站及工程师站桥接，形成高效的过程级网络。

现场总线和智能前端设备是工业控制系统不可分割的两个方面。现场总线的出现，使工业控制系统层次结构的向下优化成为可能。现在，越来越多的测控任务由分布在现场的智能设备承担，逐渐形成了一种基于现场总线和智能前端设备的新型测控系统，即现场控制系统。基于嵌入式工业PC的智能设备，不但能满足现场总线物理层和数据链路层的要求，通过软件手段还能满足应用层和用户层的要求，是现场总线中具有高度灵活性和伸缩性的、最有活力的节点。

这种新型测控系统具有开放性好、分散性高、抗干扰能力强、可靠性高、性能价格比好和安装、调试、维护方便等优点，将在工业控制系统今后的发展中占有主导地位。同时， 现场总线标准的确立也必将引发一场新的革命。

五、嵌入式工业PC中盘的解决方案

盘一直是困绕嵌入式工业PC设计人员的主要问题之一。由于软盘和硬盘带有机械转动部件，在工业现场不能可靠运行。一种考虑就是采用半导体盘。这虽然是个好办法，但由于容量小、可伸缩性差，使它的应用受到限制。PCMCIA总线标准的出现，使这个问题迎刃而解。PCMCIA总线标准的各种存储器卡具有可靠性高、尺寸小、容量大、种类多、可配置性和可伸缩性好等优点，能满足苛刻的嵌入式环境的要求，将在嵌入式应用中发挥应有的作用。

总之，随着国民经济的发展和科技的进步，一个国家自动化程度的高低已成为衡量其经济发展水平的重要标志，而且在许多方面已提高到决定性的程度。其中，工业控制的水平又是反映自动化程度高低的关键因素。嵌入式工业PC在工业控制领域的应用和推广，必将在我国工业自动化发展方面发挥越来越重要的作用。

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