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作者︰wy  來源︰he)繒nbsp; 發布日(ri)期︰2020-02-18 11:43:00
   隨著經濟結構(gou)框架的不(bu)斷xi)隆 蟹 ke)技技ji)醯牟bu)斷xi)慕 廡xie)都(du)給我(wo)們的生活帶來了巨大(da)的幫助(zhu)和(he)便利,我(wo)們熱愛著這個世lan)縟勸 耪飧齬遙 wo)們願(yuan)意時時刻刻都(du)為此(ci)而(er)付出(chu)辛勤的汗(han)水,今天本篇文章給大(da)家帶來相(xiang)關嵌du)朧降姆fen)析貼工業PC及其設計相(xiang)關問題的詳細(xi)剖析
 嵌du)朧焦?悼?zhi)機特指深藏于工業系統內(na)部,完成一種或多種特定(ding)工業任務的計算(suan)機。一個成功的工控機要具有開放(fang)式的模(mo)塊化結構(gou)、較強的數據(ju)處理能力、很好的實時性yue)塴 杴康墓?禱肪jing)適應性、高可(ke)靠性、豐富的過程I/O、良好的軟件開發環境(jing),以及高性yue)艿耐綰he)通信支(zhi)持等。因此(ci),工控機設計人員(yuan)對上(shang)述環節和(he)有關問題的認識程度(du)和(he)解決(jue)方案將(jiang)直(zhi)接關系dang)焦?鞀杓頻(pin)某(mou)砂塴1酒謐ㄌ飩岷he)嵌du)朧焦?鞀低成杓頻(pin)撓泄匚侍猓 右韻路矯嬲箍 頌致(zhi)lun)。  
 

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  1.嵌du)朧焦?C及其設計 本文詳細(xi)介紹了PC機從台式PC到嵌du)朧焦?C的發展歷程,

  描述了工業PC的性yue)芴氐悖 芙崍似(si)淙懟 布杓頻(pin)姆 狗較蠔he)新技ji)酢/p>

  2.基于386EX的STD總線嵌du)朧焦?悼?zhi)機設計與實現(xian) STD總線386EX工控機將(jiang)STD總線

  固有的堅固性、普及性、廉價等優(you)點與嵌du)朧皆鑾啃xing)處理器386EX的mu)ke)靠性、高性yue)塴  C兼(jian)容性相(xiang)結合(he),是工業控制(zhi)前端機向高性yue)芊 溝撓you)選機型(xing)。本文對yuan)gai)系統設計和(he)實現(xian)中的幾個要點進行了較詳細(xi)的討zhi)lun)。

  3.32位嵌du)朧焦?C的軟件設計 嵌du)朧較低巢bu)同于普通的PC系統,在強調高可(ke)靠性的系統中,經常要求使用大(da)量可(ke)供(gong)程序固化運(yun)行的不(bu)揮發性存儲器。本文詳細(xi)論(lun)述了在32位嵌du)朧焦?鞀低橙砑杓浦校 芾聿bu)揮發性存儲器和(he)支(zhi)持固化程序運(yun)行環境(jing)che)囊惶卓ke)行方案。

  4.用高級語言yuan)嘀zhi)工業XIP軟件的方法 高級語言程序的代碼段和(he)數據(ju)段分(fen)離(li)開來,是實 現(xian)軟件固化、就地執行的關鍵,然而(er)分(fen)離(li)用高級語言yuan)嘀zhi)的mou)絛頡?乇鶚悄na)嵌匯編和(he)顯示功能的mou)絛螄xiang)當困難(nan)。本文論(lun)述了利用*.EXE和(he)*.MAP文件編制(zhi)XIP軟件的方法。

  5.PCMCIA卡(ka)的工作機制(zhi)及其在嵌du)朧較低持械撓τPCMCIA總線的SRAM卡(ka)和(he)Flash卡(ka)以其固有的緊(jin)湊性、可(ke)靠性及靈(ling)活的mu)ke)配(pei)置性,必(bi)將(jiang)逐漸取代軟、硬盤(pan),給嵌du)朧焦?叵低程ti)供(gong)強大(da)的支(zhi)持。本文以PCMCIA總線卡(ka)技ji)蹺 誦模(mo) 蛞﹦檣芷洳 fen)類,重點分(fen)析其硬、軟件框架及相(xiang)互關系dan)  RAM存儲器卡(ka)、Flash存儲器卡(ka)、ATA IDE卡(ka)、FAX/MODEM卡(ka)的實現(xian)機理做了進一步分(fen)析。

  嵌du)朧焦?C以其獨(du)特的小型(xing)化體積、模(mo)塊化和(he)組合(he)化結構(gou)、豐富的過程I/O、靈(ling)活的配(pei)置和(he)擴(kuo)展能力、特殊的惡劣環境(jing)適應能力、良好的mu)  肪jing)、方便的聯(lian)網能力和(he)工作的高可(ke)靠性,被廣泛(fan)應用于工業控制(zhi)和(he)軍工領域(yu),在國民經濟發展和(he)國防lan)ㄉ柚蟹 幼偶 渲匾 淖饔謾/p>

  一、嵌du)朧焦?C的發展

  嵌du)朧焦?C的發展主要得益(yi)于PC機的普及。台式PC機的廣泛(fan)應用和(he)推廣,使越來越多的人了解它、熟悉它、願(yuan)意使用它。PC機對社會和(he)產業界所產生的巨大(da)影響(xiang),使建立在Int el微處理器上(shang)的PC AT硬、軟件構(gou)架成為事(shi)實上(shang)的標(biao)準。今天,當bi)嗣翹鈣qi)計算(suan)機時,腦海里自yun)瘓透∠xian)出(chu)PC機。PC機幾乎(hu)成了計算(suan)機的代名詞,並且(qie)深入人心。PC機及MS-DOS的標(biao)準化和(he)開放(fang)式體系結構(gou),使gou)ji)上(shang)眾多廠家和(he)公司得以在此(ci)基礎(chu)上(shang)開發出(chu)豐富的、有不(bu)同特色的軟、硬件產品(pin),這無疑對PC的推廣應用起(qi)到了推波助(zhu)瀾(lan)的作用。隨著性yue)懿bu)斷提(ti)高和(he)價格(ge)大(da)幅度(du)下降dan)C機以yun)癲bu)可(ke)擋之勢(shi)迅速滲透到工業控制(zhi)領域(yu)。人們對PC機寄予重望(wang),希望(wang)它在傳統產業dang)淖遠  gai)造舞台上(shang)扮(ban)演重要的角色。

  當台式PC機真的敲開了工業自動化的大(da)門後,人們才驚訝地發現(xian),它雖然勝任數據(ju)處理和(he)信息保存,但並不(bu)適用于工業控制(zhi)。其主要問題可(ke)總結為以下幾點︰

  •采用有源母板,尺寸大(da)、散熱差、元器件失效(xiao)率高。

  •母板水平放(fang)置,沒有模(mo)板導軌,機械性yue)懿睿 nan)以抵抗震(zhen)動和(he)沖擊(ji)。

  •I/O種類貧乏(fa),可(ke)伸縮(suo)性和(he)擴(kuo)展能力差。

  •風扇散熱,但無過濾si)鰨 bu)能防塵(chen)。

  •供(gong)電采用普通電源,難(nan)以抵抗電網的浪涌、跌落和(he)尖峰干擾等。

  •MTBF指數小,一般為幾百小時,而(er)工業控制(zhi)要求數千小時以上(shang)。

  •體積大(da),結構(gou)不(bu)靈(ling)活,難(nan)以維護(hu)和(he)維修(xiu)。

  •電磁兼(jian)容性差,設計上(shang)沒采取抗電磁干擾措施(shi)。

  •故障檢測(ce)和(he)自動排(pai)除故障能力差,需(xu)要人工監(jian)視和(he)干預。

  •溫度(du)que)段?  話鬮℃~+25℃,而(er)工業現(xian)場一般要求-25℃~+65℃。

  針對上(shang)述情況,技ji)躒嗽yuan)采取了比(bi)較簡單的處理辦法。如(ru)對台式PC進行加固改(gai)造,對I/ O插板采用金屬壓條(tiao)來ci)suo)緊(jin);風扇散熱和(he)安裝(zhuang)過濾si)鞣萊chen);機箱密封等。經過如(ru)此(ci)改(gai)造的PC機 ,雖然骨(gu)子里仍yun)皇鞘ju)處理機內(na)容,但在應用初期還是佔有了一定(ding)的市(shi)場。技ji)躒嗽yuan)在初嘗改(gai)造的工業PC帶來的甜頭fan)螅 岫ding)了信心mo)  諞歡ding)程度(du)上(shang)加快了PC機改(gai)造的步伐。

  進入90年代以來,隨著我(wo)國國民經濟的nan)桿俜 購he)工業自動化市(shi)場需(xu)求量的不(bu)斷擴(kuo)大(da), 國內(na)工業PC也呈現(xian)出(chu)一派(pai)活躍景象。特別是全國工業PC國產化聯(lian)合(he)開發委員(yuan)會的mou)閃  桿僂瓿閃斯?C的國產化改(gai)造過程,並實現(xian)了和(he)國際(ji)先進水平接軌。當前工業領域(yu)普遍采用的工業PC的主要特點包括︰

  •全鋼、密封機箱,微正壓gu)頭縞?齲 似(si)鞣萊chen)。

  •采用尺寸相(xiang)對小的無源母板取代大(da)母板,板上(shang)信號用多層地線隔離(li),均勻(yun)分(fen)布電容器 ,以增強ke)淇溝鞜鷗扇拍芰Α/p>

  •系統功能分(fen)散到幾塊PC卡(ka)上(shang),如(ru)CPU卡(ka)、VGA卡(ka)、多功能卡(ka)等,使維護(hu)和(he)維修(xiu)得到改(gai)善 ,同時也將(jiang)危險分(fen)散。

  •采用半(ban)導體虛盤(pan)代替軟、硬盤(pan),增強ken)低呈ju)存儲和(he)代碼運(yun)行的mu)ke)靠性。

  •增加PC插槽數目(mu),開發了種類齊全的工業I/O板,給系統提(ti)供(gong)了較靈(ling)活的組合(he)配(pei)置能力。

  •摒棄原(yuan)有的普通電源,采用長壽命、高可(ke)靠的工業開關電源chu)/p>

  •采用控制(zhi)組態軟件。

  PC機經過以上(shang)xi)腦歟 由shang)模(mo)板設計人員(yuan)在模(mo)板設計中采用了可(ke)靠性和(he)抗干擾措施(shi),在一定(ding)程度(du)上(shang)適應了惡劣的工業環境(jing),因此(ci)在工業控制(zhi)系統中被越來越多地采用。這就是人們通常所說dang)墓?C機。由于工業PC自身的局限性,如(ru)體積大(da)、機箱難(nan)以拆卸、維護(hu)不(bu)便、不(bu)能黑(hei)模(mo)式運(yun)行等,還不(bu)能完全滿足嵌du)朧交肪jing)che)囊 螅 虼ci)si)漵τ梅段?故鞘艿攪撕艽da)限制(zhi)。在分(fen)布ji)焦?悼?zhi)系統che)墓碳丁 jian)控級和(he)管理級du)督 gou)中,工業PC主要佔據(ju)監(jian)控級和(he)管理級,作為工作站(zhan)、操(cao)作站(zhan)和(he)監(jian)控計算(suan)機使用。那麼,工業PC能在環境(jing)最惡劣的過程級,也就是工業控制(zhi)系統che)那岸甦加幸幌  羋ma)?回答是肯(ken)定(ding)的mo) 餼褪瞧氈椴捎玫那度(du)朧焦?C。

  嵌du)朧焦?C徹底zhuang)諭蚜舜 澄 ?zhi)器結構(gou)的束縛,大(da)膽(dan)采用Intel公司的80X86系列微處理器作為CPU單元,百分(fen)之百兼(jian)容IBM PC和(he)MS-DOS結構(gou),使其可(ke)以充(chong)分(fen)享受PC機發展gu)鄣姆崴凍曬U庵C和(he)MS-DOS兼(jian)容的嵌du)朧焦?C,優(you)勢(shi)明顯。

  •系統設計受益(yi)于PC機發展gu)緯傻南xiang)關器件生產的規模(mo)效(xiao)益(yi),硬件成本低,市(shi)場競爭能力強。

  •從語言和(he)編譯連接軟件、數據(ju)庫、電子表格(ge)、網絡通信、數據(ju)采集到控制(zhi)組態軟件 ,支(zhi)持PC架構(gou)的軟件應有盡有。這些(xie)軟件不(bu)需(xu)修(xiu)改(gai)或稍加修(xiu)改(gai)就可(ke)在嵌du)朧焦?C機上(shang)運(yun)行。

  •多種版本的MS-DOS、Windows,以及在PC機上(shang)運(yun)行的各種實時多任務操(cao)作系統(如(ru)VRT X、AMX、Spectra等),給嵌du)朧焦?C以強大(da)的支(zhi)持。

  •普通PC機就可(ke)作為其廉價的mu) ?教 <際(ji)躒嗽yuan)可(ke)以在熟悉的環境(jing)下方便地開發各種應用程序。

  •系統升級du)菀住K孀盼  砥饜閱(yue)艿牟bu)斷提(ti)高,嵌du)朧焦?C的處理能力、通信能力和(he)界面友善程度(du)que) 較xiang)當高的水平,足以滿足工業控制(zhi)系統各種復雜控制(zhi)策略的要求。

  •從8086、80186,直(zhi)到Pentium,嵌du)朧焦?C的硬件實現(xian)有多種檔(dang)次,用戶可(ke)根據(ju)實際(ji)需(xu)要選擇性價比(bi)合(he)適的機器。

  由于嵌du)朧焦?C具有諸多優(you)勢(shi)及其巨大(da)的市(shi)場潛力,刺激和(he)吸引了眾多廠商投du)氳角度(du)朧焦?C的mu)  辛兄小9gu)名思義(yi),嵌du)朧焦?C特指埋藏于工業系統內(na)部,執行一種或多種特定(ding)任務的計算(suan)機。由于嵌du)朧接τ枚蘊寤醒細(xi)襝拗zhi),因此(ci)許多小型(xing)化的嵌du)朧焦?PC產品(pin)應運(yun)而(er)生。其中比(bi)較成功的要數具有工業標(biao)準總線的STD、VME和(he)PC/104等模(mo)板產品(pin)。

  STD總線是由美國Pro-Log公司推出(chu)、並在嵌du)朧焦?C應用領域(yu)被廣泛(fan)采用的一種工業標(biao)準總線。STD總線模(mo)板標(biao)準尺寸為4.5×6.5平方英寸,遠遠小于ISA總線模(mo)板尺寸,適合(he)作為緊(jin)湊加固平台。由于采用PC和(he)MS-DOS兼(jian)容性設計,以及All in one和(he)總線I/O的設計思想,使8/16位的STD總線適應高性yue)2位微處理器的要求。STD總線產品(pin)以其開放(fang)式體系結構(gou)、高強度(du)工業設計、小尺寸、高可(ke)靠、低價格(ge)、簡便的I/O接口和(he)不(bu)斷增強的網絡通信能力及CPU性yue)埽 誶度(du)朧接τ昧 yu)有很強的競爭能力。

  VME總線也是qie)恢趾苡猩Φ墓?當biao)準,分(fen)為(3U)3.9×6.3平方英寸和(he)(6U)9.2×6.3 平方英寸兩種規格(ge)。由于嵌du)朧焦?C機發展的強大(da)攻勢(shi),許多廠商一改(gai)歐(ou)式VME總線Moto rola微處理器結構(gou),紛紛推出(chu)PC和(he)MS-DOS兼(jian)容的、80x86結構(gou)的VME總線規範的嵌du)朧焦? C產品(pin)。VME總線產品(pin)的插針式連接器結構(gou)被強kong)鴝  寤ji)和(he)高塵(chen)埃等極惡劣場合(he)廣泛(fan)采用 ,特別是在列車(che)、輪船(chuan)等運(yun)動系統中。由于插針結構(gou)很容易滿足系統先接電源和(he)後斷電源的帶電插拔規範,所以即插即用是VME總線產品(pin)的主要發展方向之一。

  PC/104是當前國際(ji)上(shang)小型(xing)化嵌du)朧焦?C中比(bi)較熱門的產品(pin)。PC/104總線模(mo)板的結構(gou)很有特色,尺寸為3.6×3.8平方英寸,沒有總線母板,沒有模(mo)板導軌,聯(lian)結采用自層疊方式,最大(da)限度(du)地減小佔用空(kong)間。由于PC/104總線本身就和(he)ISA規範完全兼(jian)容,從而(er)使gu)?chong)分(fen)利用商用PC機市(shi)場上(shang)同樣的芯片系列,PC/104廠商也能最大(da)限度(du)地分(fen)享商用PC機規模(mo)經濟市(shi)場中的巨大(da)經濟利益(yi)。如(ru)果PC/104產品(pin)能不(bu)斷降dang)圖鄹ge),解決(jue)I/O模(mo)塊貧乏(fa)等問題,它的應用前景是很好的。

  為了充(chong)分(fen)利用插針結構(gou)的優(you)點和(he)商用PC機的規模(mo)經濟效(xiao)益(yi),有些(xie)廠商干脆把ISA總線規範直(zhi)接映射(she)到VME聯(lian)結器的96根插針上(shang),推出(chu)VME-PC嵌du)朧焦?C產品(pin),如(ru)瑞士(shi)Digital-Log ic公司的AT96嵌du)朧焦?C產品(pin)。這種真正百分(fen)之百與PC和(he)MS-DOS兼(jian)容的產品(pin)確(que)實給用戶使用帶來了不(bu)言而(er)喻的方便,但其價格(ge)之高,讓許多用戶望(wang)而(er)止步。現(xian)在國內(na)也有廠商推出(chu)了類似(si)產品(pin),但價格(ge)低得多。

  今天,先進而(er)復雜的操(cao)作系統(如(ru)Windows 95和(he)圖形增強應用軟件等),要求有運(yun)行速度(du)更快的計算(suan)機與之相(xiang)適應。這一點無論(lun)是對商用PC還是工業PC都(du)ji)且(qie)謊摹?燜俚募撲suan)機需(xu)要快速的CPU芯片、快速的存儲器和(he)快速的磁pai)pan)驅(qu)動器,還需(xu)要同樣重要的、更快速的總線將(jiang)所有這些(xie)連接在一起(qi)。PCI(周邊器件互連)總線就是qie)恢鐘υyun)而(er)生的高性yue)薌撲suan)機總線標(biao)準。它是為滿足視頻(pin)和(he)高速網絡通信工作等功能要求,由Intel公司作為非(fei)常高速的局部總線開發的。PCI是獨(du)立于處理器的32/64位總線,最大(da)數據(ju)傳輸(shu)速度(du)可(ke)達266MBps。當今流行的高性yue)艽 砥鰨 ru)PenTIum、PenTIum Pro和(he)PowerPC,都(du)采用PCI作為其總線接口。

  1994年初,國際(ji)工業計算(suan)機制(zhi)造商聯(lian)合(he)成立了工業計算(suan)機制(zhi)造商組織(zhi)(PICMG),旨在為基于PCI總線的工業計算(suan)機產品(pin)建立一個開放(fang)式的標(biao)準。1994年底,PICMG為采用PCI無源後背(bei)板和(he)插在里邊的PC AT式CPU卡(ka)公布了標(biao)準,Industrial Computer Source、Pro-Log和(he)Texa s Microsystems等公司都(du)推出(chu)了相(xiang)應的486和(he)Pen-TIum檔(dang)次工業級產品(pin)。雖然這些(xie)產品(pin)保留了與現(xian)存PC AT I/O卡(ka)的兼(jian)容,但在堅固性、小尺寸和(he)前面板安裝(zhuang)等que)矯婷揮械玫膠芎玫慕餼jue)。

  最新推出(chu)的、基于PCI的工業計算(suan)機標(biao)準叫作緊(jin)湊PCI(CompactPCI)。CompactPCI采用 VME歐(ou)洲卡(ka)封裝(zhuang)形式,提(ti)供(gong)真正工業封裝(zhuang)的PCI性yue)芎he) 片。CompactPCI卡(ka)有3U和(he)6U兩種尺寸標(biao)準,兩種卡(ka)在同一系統中可(ke)以共存。Com-pactPCI不(bu)需(xu)橋(qiao)路就可(ke)驅(qu)動多至8個總線插槽,足以滿足大(da)多數工業系統che)囊 蟆ompactPCI利用最新和(he)最快的視頻(pin)、網絡通信和(he)數據(ju)采集芯片,定(ding)位在下一代更快速CPU上(shang)(如(ru)P5、P6、PowerPC和(he)P7等),為嵌du)朧焦?悼?zhi)的發展開闢了一個新天地。

  VXI(VMEbus eXtensions for Instrumen-taTIon)總線系統是qie)恢滯耆  fang)的、有眾多產品(pin)供(gong)應商支(zhi)持的高性yue)苣mo)塊化儀器總線標(biao)準,又稱為VME擴(kuo)展到儀器應用標(biao)準。VXI總線是qie)恢只ME總線的模(mo)塊儀器結構(gou)標(biao)準,對yun)諧?銥 fang),並兼(jian)容現(xian)有的工業標(biao)準。VXI總線系統集中了智(zhi)能儀表、個人儀表和(he)GPIB系統che)暮芏嚶you)點,具有開放(fang)式模(mo)塊化結構(gou)、數據(ju)吞(tun)吐量大(da)、網絡和(he)通信接口方便,以及擴(kuo)展能力強、可(ke)伸縮(suo)性好等特點,被廣泛(fan)應用于航空(kong)、航天、航海等設備的維護(hu)、測(ce)試和(he)診斷,是公認的儀器和(he)測(ce)試系統che)撓you)秀(xiu)平台。目(mu)前,美國 HP和(he)Kinetic Systems等公司的VXI產品(pin)在市(shi)場上(shang)佔主導地位。

  內(na)嵌式VXI總線工業控制(zhi)計算(suan)機的推出(chu)和(he)使用,給嵌du)朧焦?C的應用又開闢了一個嶄新的mu)kong)間。它主要以yuan) 閱(yue)艿X486SLC和(he)Pen-tium系列微處理器為CPU,采用PC AT構(gou)架,綜合(he)處理VXI操(cao)作的接口門陣列、定(ding)時接口控制(zhi)器、IEEE488.1/488.2標(biao)準的GPIB控制(zhi)器ASIC 等設計而(er)成。使用的軟件包括VXI總線接口軟件、IEEE488.2軟件、DOS下的集成軟件LabWi ndows和(he)Windows下的圖形化程序LabVIEW等。

  VXI總線產品(pin)通過局部MXI總線,很容易和(he)外部的、采用ISA、EISA和(he)PCI等其它總線的計算(suan)機系統相(xiang)連,構(gou)成多VXI系統。目(mu)前采用PCI局部總線的產品(pin)也已推出(chu)。由于PC AT的兼(jian)容性,內(na)嵌式VXI總線工業控制(zhi)機已成為VXI總線系統che)母 閱(yue)芾硐肫教ㄖ 弧/p>

  現(xian)在,幾乎(hu)所有的嵌du)朧焦?C產品(pin)廠商都(du)在由OEM向系統級產品(pin)過渡,努力為用戶服務到端子,聯(lian)結方便合(he)理,給用戶提(ti)供(gong)一個比(bi)較完整的解決(jue)方案。這是嵌du)朧焦?C未(wei)來發展的一個主要方向。

  二、嵌du)朧焦?C的硬件設計考(kao)慮

  概括地講(jiang),嵌du)朧焦?C設計主要有兩種體系結構(gou),即封閉(bi)式和(he)開放(fang)式體系結構(gou)。封閉(bi)式體系結構(gou)的產品(pin)不(bu)依賴于某(mou)種總線標(biao)準,為某(mou)種特定(ding)任務而(er)專門pai)杓疲 ㄓ眯越杴浚 話慍普庵植pin)的嵌du)敕絞轎 酒 肚度(du)搿? fang)式體系結構(gou)的設計立足于某(mou)種公開了的工業總線標(biao)準。依靠kong)庵摯 fang)和(he)標(biao)準,眾多計算(suan)機廠商設計出(chu)各具特色、種類繁多、可(ke)供(gong)用戶靈(ling)活選擇的模(mo)板級產品(pin),如(ru)CPU板、系統支(zhi)持板、人機接口板、信號調理板、模(mo)擬量I/O板和(he)數字(zi)量 I/O板等。因為有了標(biao)準,所以不(bu)同的用戶可(ke)以yuan)ju)任務的實際(ji)情況選擇一定(ding)數量的功能模(mo)板,以最快的速度(du)組合(he)成shang)xiang)應的應用系統,從而(er)大(da)大(da)縮(suo)短了開發周期,減小了開發費用。由于總線標(biao)準,使產品(pin)的升級和(he)維護(hu)變得簡單、方便。這種zhi)度(du)敕絞匠莆 寮肚度(du)耄 度(du)朧焦?迪低巢捎米畽嗟木褪欽庵智(zhi)度(du)敕絞健/p>

  除開放(fang)和(he)標(biao)準以外,工業控制(zhi)計算(suan)機不(bu)僅(jin)需(xu)要像平台PC機一樣的速度(du)和(he)性yue)如(ru)成熟的操(cao)作員(yuan)界面、復雜的mu)?zhi)算(suan)法和(he)最快的處理器),而(er)且(qie)要求具有以下特性︰

  •堅固性。工業控制(zhi)機必(bi)須工作在高溫、高塵(chen)環境(jing),並能承受強烈(lie)沖擊(ji)和(he)震(zhen)動,因此(ci)需(xu)要供(gong)電電源穩定(ding)可(ke)靠、制(zhi)冷性yue)芰己煤he)插卡(ka)的固定(ding)能力。

  •可(ke)靠性。MTBF(兩次故障xian) 淶鈉驕奔指數大(da)于1萬小時,這要靠保守的電路fan)he)散熱設計、固態非(fei)轉動的盤(pan)驅(qu)動器和(he)仔細(xi)的電纜連接來保證(zheng)。

  •低的MTTR(平均故障修(xiu)復時間)指數。由于工業控制(zhi)機普遍采用去(qu)掉有源電路的無源後背(bei)板或主板,功能分(fen)散到其它插板上(shang),因此(ci)插板一旦出(chu)現(xian)故障,可(ke)以很快完成更換。

  •模(mo)塊化。控制(zhi)設備的工控機需(xu)要兩個以上(shang)的串口和(he)一個以上(shang)的並口、模(mo)擬和(he)數字(zi)I/ O、運(yun)動控制(zhi)、PLC互連能力、顯示等等。一般工控機要有12個或更多的總線插槽用于I/O擴(kuo)展。

  •標(biao)準化。凡是成功的計算(suan)機平台都(du)基于某(mou)種zhi)曜跡 械墓?滌沒?鸞?幼ㄓ媒 gou)轉移(yi)到基于標(biao)準的架構(gou),因為標(biao)準架構(gou)的產品(pin)容易從多個不(bu)同的供(gong)應商那里得到。

  •實時性。工控機要具有時間和(he)事(shi)件驅(qu)動能力,能對生產過程工況變化實時地進行監(jian)測(ce)和(he)控制(zhi),當過程參(can)數偏離(li)設定(ding)值甚至出(chu)現(xian)故障時,能迅速做出(chu)相(xiang)應的處理。

  •前面板I/O。工業用戶喜bu)斷LC產品(pin)那樣簡便的前面板端子連接方式。一般平台計算(suan)機用電纜從後面跟外部連接,這在桌(zhuo)面上(shang)看起(qi)來還好,但大(da)多數工業用戶的要求卻(que)相(xiang)反chu)/p>

  一個成功的嵌du)朧焦?C模(mo)板硬件設計還應考(kao)慮qie)韻路矯媯/p>

  •兼(jian)容性。嵌du)朧焦?C模(mo)板設計要做到和(he)PC、MS-DOS完全兼(jian)容,充(chong)分(fen)利用商用PC所積累的軟、硬件資(zi)源chu)/p>

  •克服總線數據(ju)寬度(du)和(he)速度(du)瓶頸,產品(pin)升級。標(biao)準工業總線一方面使系統開放(fang),另一方面也阻礙(ai)了處理器性yue)艿姆 印N ci),一種辦法是采用高性yue)蘢芟擼   摶苫崠da)幅度(du)增加設計pin)延煤he)產品(pin)成本。比(bi)較好的辦法是采用All in one和(he)I/O總線設計pin)槳福 瓤ke)提(ti)高性yue)苡摯ke)保持向下兼(jian)容。專家認為,一般工業過程為慢過程,對I/O的訪問速度(du)要求並不(bu)高,8/ 16位數據(ju)寬度(du)、8MHz的頻(pin)率足夠了。但隨著數據(ju)采集量增加,控制(zhi)策略和(he)控制(zhi)算(suan)法更加優(you)化和(he)復雜,對計算(suan)機的處理能力、存儲器訪問速度(du)和(he)實時響(xiang)應能力的要求越來越高、越來越嚴xi)瘛K裕 jiang)局部高速總線和(he)慢速系統總線相(xiang)結合(he)設計,即把對yun)俁du)要求高的CPU、存儲器、看家狗、硬盤(pan)和(he)需(xu)要高速訪問的I/O接口等做在一塊All in one模(mo)板上(shang),把相(xiang)對慢速的I/ O部分(fen)放(fang)在總線上(shang),是qie)恢趾he)理、現(xian)實dang)姆槳浮/p>

  •采用基于Flash存儲器的新型(xing)存儲器子系統。伴隨著PC機架構(gou)滲透到嵌du)朧接τ昧 yu) ,一種與傳統存儲器子系統完全不(bu)同的新型(xing)存儲器系統結構(gou)正在產生。新型(xing)存儲器子系統以 Flash存儲器為核心mo) pei)有少量RAM(SRAM或DRAM),突破(po)了傳統che)拇排(pai)pan)(軟、硬盤(pan))、ROM和(he)大(da)量 RAM三級存儲器結構(gou),具有系統小、功耗低、重量輕、堅固和(he)可(ke)靠性yuan)叩忍氐悖 藶愀髦摯量痰那度(du)朧接τ靡 蟆lash存儲器以其高密度(du)、高速度(du)、不(bu)揮發、電可(ke)改(gai)寫和(he)高可(ke)靠等優(you)點,為實現(xian)工業控制(zhi)系統軟件全固化運(yun)行的理想提(ti)供(gong)了保障。

  •系統故障監(jian)測(ce)和(he)自動恢復chu)Hru)今,看家狗電路已成為嵌du)朧焦?C設計不(bu)可(ke)缺(que)少的一部分(fen)。它能在系統出(chu)現(xian)故障時迅速報警,並在無人干預的情況下,使系統自動恢復運(yun)行。

  •采用PC兼(jian)容的、高集成度(du)的嵌du)朧轎  砥鰲9qu),嵌du)朧繳杓僕捎EC公司的 V系列處理器和(he)80C186E系列作CPU。隨著高性yue)塴 嘸 啥du)、低電壓gou)?骱he)帶有電源管理單元的嵌du)朧轎  砥韉耐瞥chu)(如(ru)Intel的386EX、AMD的Am386EM和(he)即將(jiang)推出(chu)的奔騰(teng)級P55C、P 54C多媒體芯片等),給設計人員(yuan)提(ti)供(gong)了更大(da)的發揮空(kong)間。

  三、嵌du)朧焦?C的軟件設計考(kao)慮

  嵌du)朧焦?C的軟件設計在整個設計過程中佔有很重要的地位。軟件工作的mu)ke)靠性是決(jue)定(ding)系統工作可(ke)靠與否的主要因素之一。工業軟件設計已經開始從加載運(yun)行的重定(ding)位*.ex e格(ge)式軟件轉向就地運(yun)行(eXecute-In-Place)的預定(ding)位*.bin格(ge)式,以yuan)憒癰舊shang)保證(zheng)程序指令的高可(ke)靠執行。具體地講(jiang),包括以下方面︰

  •嵌du)朧IOS。嵌du)朧接τ玫IOS應該(gai)是模(mo)塊化、可(ke)裁減的mo) er)且(qie)是最優(you)化和(he)最小的mo)還要支(zhi)持系統無鍵盤(pan)和(he)無顯示的黑(hei)模(mo)式工作方式。BIOS是XIP格(ge)式的。

  •嵌du)朧絞凳輩cao)作系統。嵌du)朧OS不(bu)僅(jin)要覆(fu)蓋(gai)系統che)某(mou)9婀δ埽 掛 籩zhi)持半(ban)導體盤(pan)、看家狗功能和(he)XIP程序的上(shang)電直(zhi)接運(yun)行。嵌du)朧OS應該(gai)是XIP格(ge)式的mo) 蘊ti)高系統引導速度(du)和(he)代碼的mu)ke)靠性。嵌du)朧講(jiang)僮饗低郴貢bi)須具有任務或事(shi)件的實時處理能力。

  •代碼和(he)數據(ju)分(fen)離(li)與定(ding)位。開發通用高級語言混(hun)合(he)編制(zhi)的應用程序的代碼和(he)數據(ju)的分(fen)離(li)與定(ding)位工具,是編制(zhi)XIP格(ge)式應用程序的關鍵,也是程序固化、就地執行的前提(ti)。

  •Flash存儲器管理軟件的mu)  N 沒 ti)供(gong)現(xian)成的工具軟件,實現(xian)Flash存儲器的優(you)化管理和(he)在線、在板修(xiu)改(gai)、升級。這也是決(jue)定(ding)能否最大(da)限度(du)地發揮新型(xing)存儲器子系統性yue)艿鬧饕 蛩? 弧/p>

  •組態軟件。應用在嵌du)朧焦?C上(shang)的組態軟件支(zhi)持,可(ke)以大(da)幅度(du)縮(suo)短工業控制(zhi)軟件的mu)  芷冢 跎倏  延茫 構(gou)?悼?zhi)軟件標(biao)準化、規模(mo)化和(he)商品(pin)化。組態軟件現(xian)已逐步從工業控制(zhi)系統che)母叨訟虻投朔 埂/p>

  四(si)、現(xian)場總線

  隨著計算(suan)機網絡通信能力和(he)處理器性yue)艿牟bu)斷提(ti)高,分(fen)布ji)嬌?zhi)系統(DCS)在工業領域(yu)得到越來越廣泛(fan)的應用。DCS在工業控制(zhi)系統逐漸形成合(he)理的管理級、監(jian)控級和(he)過程級du)督 gou)。現(xian)在的發展gu)魘shi)是,用嵌du)朧C兼(jian)容系統進一步加強過程級的處理能力,並與工業過程I/O、傳感器和(he)執行機構(gou)一起(qi)構(gou)成多功能的智(zhi)能前端設備。它安裝(zhuang)在工業現(xian)場,除完成數字(zi)量和(he)模(mo)擬量I/O等基本操(cao)作外,還能對采集的數據(ju)進行比(bi)較xi)叢擁拇 恚  ke)執行一定(ding)的mu)?zhi)策略。同時,這些(xie)設備具有很強的網絡通信能力,它們通過現(xian)場總線連接在一起(qi),並進一步和(he)上(shang)層的監(jian)控機、操(cao)作站(zhan)及工程師站(zhan)橋(qiao)接,形成高效(xiao)的過程級網絡。

  現(xian)場總線和(he)智(zhi)能前端設備是工業控制(zhi)系統不(bu)可(ke)分(fen)割的兩個方面。現(xian)場總線的mou)chu)現(xian),使gou)?悼?zhi)系統層次結構(gou)的向下優(you)化成為可(ke)能。現(xian)在,越來越多的測(ce)控任務由分(fen)布在現(xian)場的智(zhi)能設備承擔(dan),逐漸形成了一種基于現(xian)場總線和(he)智(zhi)能前端設備的新型(xing)測(ce)控系統,即現(xian)場控制(zhi)系統。基于嵌du)朧焦?C的智(zhi)能設備,不(bu)但能滿足現(xian)場總線物理層和(he)數據(ju)鏈路層的要求,通過軟件手段還能滿足應用層和(he)用戶層的要求,是現(xian)場總線中具有高度(du)靈(ling)活性和(he)伸縮(suo)性的、最有活力的節點。

  這種新型(xing)測(ce)控系統chen)哂鋅 fang)性好、分(fen)散性yuan)摺 垢扇拍芰η俊 ke)靠性yuan)摺 閱(yue)薌鄹ge)比(bi)好和(he)安裝(zhuang)、調試、維護(hu)方便等優(you)點,將(jiang)在工業控制(zhi)系統今後的發展中佔有主導地位。同時, 現(xian)場總線標(biao)準的確(que)立也必(bi)將(jiang)引發一場新的革命。

  五、嵌du)朧焦?C中盤(pan)的解決(jue)方案

  盤(pan)一直(zhi)是困繞嵌du)朧焦?C設計人員(yuan)的主要問題之一。由于軟盤(pan)和(he)硬盤(pan)帶有機械轉動部kao) 詮?迪xian)場不(bu)能可(ke)靠運(yun)行。一種考(kao)慮就是采用半(ban)導體盤(pan)。這雖然是個好辦法,但由于容量小、可(ke)伸縮(suo)性差,使gu)撓τ檬艿較拗zhi)。PCMCIA總線標(biao)準的mou)chu)現(xian),使這個問題迎刃(ren)而(er)解。PCMCIA總線標(biao)準的各種存儲器卡(ka)具有可(ke)靠性yuan)摺 嘰縲 ? 看da)、種類多、可(ke)配(pei)置性和(he)可(ke)伸縮(suo)性好等優(you)點,能滿足苛刻的嵌du)朧交肪jing)che)囊 螅 jiang)在嵌du)朧接τ彌蟹 佑τ械淖饔謾/p>

  總之,隨著國民經濟的發展和(he)科(ke)技的進步,一個國家自動化程度(du)的高低已成為衡量ke)渚 梅 顧(gu) 降鬧匾 biao)志,而(er)且(qie)在許多方面已提(ti)高到決(jue)定(ding)性的mou)潭du)。其中,工業控制(zhi)的水平又是反映自動化程度(du)高低的關鍵因素。嵌du)朧焦?C在工業控制(zhi)領域(yu)的應用和(he)推廣,必(bi)將(jiang)在我(wo)國工業自動化發展方面發揮越來越重要的作用。

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