關(guān)于PC機(jī)從臺(tái)式PC到嵌入式工業(yè)PC的發(fā)展歷程淺析

嵌入式工業(yè)控制機(jī)特指深藏于工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部，完成一種或多種特定工業(yè)任務(wù)的計(jì)算機(jī)。一個(gè)成功的工控機(jī)要具有開放式的模塊化結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力、很好的實(shí)時(shí)性能、較強(qiáng)的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性、高可靠性、豐富的過程I/O、良好的軟件開發(fā)環(huán)境，以及高性能的網(wǎng)絡(luò)和通信支持等。因此，工控機(jī)設(shè)計(jì)人員對(duì)上述環(huán)節(jié)和有關(guān)問題的認(rèn)識(shí)程度和解決方案將直接關(guān)系到工控機(jī)設(shè)計(jì)的成敗。本期專題結(jié)合嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)問題，從以下方面展開了討論。

1.嵌入式工業(yè)PC及其設(shè)計(jì) 本文詳細(xì)介紹了PC機(jī)從臺(tái)式PC到嵌入式工業(yè)PC的發(fā)展歷程，

描述了工業(yè)PC的性能特點(diǎn)，總結(jié)了其軟、硬件設(shè)計(jì)的發(fā)展方向和新技術(shù)。

2.基于386EX的STD總線嵌入式工業(yè)控制機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) STD總線386EX工控機(jī)將STD總線

固有的堅(jiān)固性、普及性、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)與嵌入式增強(qiáng)型處理器386EX的可靠性、高性能、與P C兼容性相結(jié)合，是工業(yè)控制前端機(jī)向高性能發(fā)展的優(yōu)選機(jī)型。本文對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中的幾個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行了較詳細(xì)的討論。

3.32位嵌入式工業(yè)PC的軟件設(shè)計(jì) 嵌入式系統(tǒng)不同于普通的PC系統(tǒng)，在強(qiáng)調(diào)高可靠性的系統(tǒng)中，經(jīng)常要求使用大量可供程序固化運(yùn)行的不揮發(fā)性存儲(chǔ)器。本文詳細(xì)論述了在32位嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，管理不揮發(fā)性存儲(chǔ)器和支持固化程序運(yùn)行環(huán)境的一套可行方案。

4.用高級(jí)語(yǔ)言編制工業(yè)XIP軟件的方法 高級(jí)語(yǔ)言程序的代碼段和數(shù)據(jù)段分離開來，是實(shí) 現(xiàn)軟件固化、就地執(zhí)行的關(guān)鍵，然而分離用高級(jí)語(yǔ)言編制的程序、特別是內(nèi)嵌匯編和顯示功能的程序相當(dāng)困難。本文論述了利用*.EXE和*.MAP文件編制XIP軟件的方法。

5.PCMCIA卡的工作機(jī)制及其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用 PCMCIA總線的SRAM卡和Flash卡以其固有的緊湊性、可靠性及靈活的可配置性，必將逐漸取代軟、硬盤，給嵌入式工控系統(tǒng)提供強(qiáng)大的支持。本文以PCMCIA總線卡技術(shù)為核心，簡(jiǎn)要介紹其產(chǎn)生、分類，重點(diǎn)分析其硬、軟件框架及相互關(guān)系，并對(duì)SRAM存儲(chǔ)器卡、Flash存儲(chǔ)器卡、ATA IDE卡、FAX/MODEM卡的實(shí)現(xiàn)機(jī)理做了進(jìn)一步分析。

嵌入式工業(yè)PC以其獨(dú)特的小型化體積、模塊化和組合化結(jié)構(gòu)、豐富的過程I/O、靈活的配置和擴(kuò)展能力、特殊的惡劣環(huán)境適應(yīng)能力、良好的開發(fā)環(huán)境、方便的聯(lián)網(wǎng)能力和工作的高可靠性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和軍工領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用。

一、嵌入式工業(yè)PC的發(fā)展

嵌入式工業(yè)PC的發(fā)展主要得益于PC機(jī)的普及。臺(tái)式PC機(jī)的廣泛應(yīng)用和推廣，使越來越多的人了解它、熟悉它、愿意使用它。PC機(jī)對(duì)社會(huì)和產(chǎn)業(yè)界所產(chǎn)生的巨大影響，使建立在Int el微處理器上的PC AT硬、軟件構(gòu)架成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。今天，當(dāng)人們談起計(jì)算機(jī)時(shí)，腦海里自然就浮現(xiàn)出PC機(jī)。PC機(jī)幾乎成了計(jì)算機(jī)的代名詞，并且深入人心。PC機(jī)及MS-DOS的標(biāo)準(zhǔn)化和開放式體系結(jié)構(gòu)，使國(guó)際上眾多廠家和公司得以在此基礎(chǔ)上開發(fā)出豐富的、有不同特色的軟、硬件產(chǎn)品，這無疑對(duì)PC的推廣應(yīng)用起到了推波助瀾的作用。隨著性能不斷提高和價(jià)格大幅度下降，PC機(jī)以銳不可擋之勢(shì)迅速滲透到工業(yè)控制領(lǐng)域。人們對(duì)PC機(jī)寄予重望，希望它在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化改造舞臺(tái)上扮演重要的角色。

當(dāng)臺(tái)式PC機(jī)真的敲開了工業(yè)自動(dòng)化的大門后，人們才驚訝地發(fā)現(xiàn)，它雖然勝任數(shù)據(jù)處理和信息保存，但并不適用于工業(yè)控制。其主要問題可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

?采用有源母板，尺寸大、散熱差、元器件失效率高。

?母板水平放置，沒有模板導(dǎo)軌，機(jī)械性能差，難以抵抗震動(dòng)和沖擊。

?I/O種類貧乏，可伸縮性和擴(kuò)展能力差。

?風(fēng)扇散熱，但無過濾器，不能防塵。

?供電采用普通電源，難以抵抗電網(wǎng)的浪涌、跌落和尖峰干擾等。

?MTBF指數(shù)小，一般為幾百小時(shí)，而工業(yè)控制要求數(shù)千小時(shí)以上。

?體積大，結(jié)構(gòu)不靈活，難以維護(hù)和維修。

?電磁兼容性差，設(shè)計(jì)上沒采取抗電磁干擾措施。

?故障檢測(cè)和自動(dòng)排除故障能力差，需要人工監(jiān)視和干預(yù)。

?溫度范圍窄，一般為0℃～+25℃，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般要求-25℃～+65℃。

針對(duì)上述情況，技術(shù)人員采取了比較簡(jiǎn)單的處理辦法。如對(duì)臺(tái)式PC進(jìn)行加固改造，對(duì)I/ O插板采用金屬壓條來鎖緊;風(fēng)扇散熱和安裝過濾器防塵;機(jī)箱密封等。經(jīng)過如此改造的PC機(jī) ，雖然骨子里仍然是數(shù)據(jù)處理機(jī)內(nèi)容，但在應(yīng)用初期還是占有了一定的市場(chǎng)。技術(shù)人員在初嘗改造的工業(yè)PC帶來的甜頭后，更堅(jiān)定了信心，并在一定程度上加快了PC機(jī)改造的步伐。

進(jìn)入90年代以來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)需求量的不斷擴(kuò)大， 國(guó)內(nèi)工業(yè)PC也呈現(xiàn)出一派活躍景象。特別是全國(guó)工業(yè)PC國(guó)產(chǎn)化聯(lián)合開發(fā)委員會(huì)的成立，迅速完成了工業(yè)PC的國(guó)產(chǎn)化改造過程，并實(shí)現(xiàn)了和國(guó)際先進(jìn)水平接軌。當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域普遍采用的工業(yè)PC的主要特點(diǎn)包括：

?全鋼、密封機(jī)箱，微正壓送風(fēng)散熱，過濾器防塵。

?采用尺寸相對(duì)小的無源母板取代大母板，板上信號(hào)用多層地線隔離，均勻分布電容器 ，以增強(qiáng)其抗電磁干擾能力。

?系統(tǒng)功能分散到幾塊PC卡上，如CPU卡、VGA卡、多功能卡等，使維護(hù)和維修得到改善 ，同時(shí)也將危險(xiǎn)分散。

?采用半導(dǎo)體虛盤代替軟、硬盤，增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和代碼運(yùn)行的可靠性。

?增加PC插槽數(shù)目，開發(fā)了種類齊全的工業(yè)I/O板，給系統(tǒng)提供了較靈活的組合配置能力。

?摒棄原有的普通電源，采用長(zhǎng)壽命、高可靠的工業(yè)開關(guān)電源。

?采用控制組態(tài)軟件。

PC機(jī)經(jīng)過以上改造，加上模板設(shè)計(jì)人員在模板設(shè)計(jì)中采用了可靠性和抗干擾措施，在一定程度上適應(yīng)了惡劣的工業(yè)環(huán)境，因此在工業(yè)控制系統(tǒng)中被越來越多地采用。這就是人們通常所說的工業(yè)PC機(jī)。由于工業(yè)PC自身的局限性，如體積大、機(jī)箱難以拆卸、維護(hù)不便、不能黑模式運(yùn)行等，還不能完全滿足嵌入式環(huán)境的要求，因此其應(yīng)用范圍還是受到了很大限制。在分布式工業(yè)控制系統(tǒng)的過程級(jí)、監(jiān)控級(jí)和管理級(jí)三級(jí)結(jié)構(gòu)中，工業(yè)PC主要占據(jù)監(jiān)控級(jí)和管理級(jí)，作為工作站、操作站和監(jiān)控計(jì)算機(jī)使用。那么，工業(yè)PC能在環(huán)境最惡劣的過程級(jí)，也就是工業(yè)控制系統(tǒng)的前端占有一席之地嗎？回答是肯定的，這就是普遍采用的嵌入式工業(yè)PC。

嵌入式工業(yè)PC徹底擺脫了傳統(tǒng)微控制器結(jié)構(gòu)的束縛，大膽采用Intel公司的80X86系列微處理器作為CPU單元，百分之百兼容IBM PC和MS-DOS結(jié)構(gòu)，使其可以充分享受PC機(jī)發(fā)展所積累的豐碩成果。這種PC和MS-DOS兼容的嵌入式工業(yè)PC，優(yōu)勢(shì)明顯。

?系統(tǒng)設(shè)計(jì)受益于PC機(jī)發(fā)展所形成的相關(guān)器件生產(chǎn)的規(guī)模效益，硬件成本低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)。

?從語(yǔ)言和編譯連接軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)、電子表格、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)采集到控制組態(tài)軟件 ，支持PC架構(gòu)的軟件應(yīng)有盡有。這些軟件不需修改或稍加修改就可在嵌入式工業(yè)PC機(jī)上運(yùn)行。

?多種版本的MS-DOS、Windows，以及在PC機(jī)上運(yùn)行的各種實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（如VRT X、AMX、Spectra等），給嵌入式工業(yè)PC以強(qiáng)大的支持。

?普通PC機(jī)就可作為其廉價(jià)的開發(fā)平臺(tái)。技術(shù)人員可以在熟悉的環(huán)境下方便地開發(fā)各種應(yīng)用程序。

?系統(tǒng)升級(jí)容易。隨著微處理器性能的不斷提高，嵌入式工業(yè)PC的處理能力、通信能力和界面友善程度達(dá)到相當(dāng)高的水平，足以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)各種復(fù)雜控制策略的要求。

?從8086、80186，直到Pentium，嵌入式工業(yè)PC的硬件實(shí)現(xiàn)有多種檔次，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇性價(jià)比合適的機(jī)器。

由于嵌入式工業(yè)PC具有諸多優(yōu)勢(shì)及其巨大的市場(chǎng)潛力，刺激和吸引了眾多廠商投入到嵌入式工業(yè)PC的開發(fā)行列中。顧名思義，嵌入式工業(yè)PC特指埋藏于工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部，執(zhí)行一種或多種特定任務(wù)的計(jì)算機(jī)。由于嵌入式應(yīng)用對(duì)體積有嚴(yán)格限制，因此許多小型化的嵌入式工業(yè) PC產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。其中比較成功的要數(shù)具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線的STD、VME和PC/104等模板產(chǎn)品。

STD總線是由美國(guó)Pro-Log公司推出、并在嵌入式工業(yè)PC應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛采用的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線。STD總線模板標(biāo)準(zhǔn)尺寸為4.5×6.5平方英寸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ISA總線模板尺寸，適合作為緊湊加固平臺(tái)。由于采用PC和MS-DOS兼容性設(shè)計(jì)，以及All in one和總線I/O的設(shè)計(jì)思想，使8/16位的STD總線適應(yīng)高性能32位微處理器的要求。STD總線產(chǎn)品以其開放式體系結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度工業(yè)設(shè)計(jì)、小尺寸、高可靠、低價(jià)格、簡(jiǎn)便的I/O接口和不斷增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力及CPU性能，在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

VME總線也是一種很有生命力的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分為（3U）3.9×6.3平方英寸和（6U）9.2×6.3 平方英寸兩種規(guī)格。由于嵌入式工業(yè)PC機(jī)發(fā)展的強(qiáng)大攻勢(shì)，許多廠商一改歐式VME總線Moto rola微處理器結(jié)構(gòu)，紛紛推出PC和MS-DOS兼容的、80x86結(jié)構(gòu)的VME總線規(guī)范的嵌入式工業(yè)P C產(chǎn)品。VME總線產(chǎn)品的插針式連接器結(jié)構(gòu)被強(qiáng)震動(dòng)、沖擊和高塵埃等極惡劣場(chǎng)合廣泛采用 ，特別是在列車、輪船等運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。由于插針結(jié)構(gòu)很容易滿足系統(tǒng)先接電源和后斷電源的帶電插拔規(guī)范，所以即插即用是VME總線產(chǎn)品的主要發(fā)展方向之一。

PC/104是當(dāng)前國(guó)際上小型化嵌入式工業(yè)PC中比較熱門的產(chǎn)品。PC/104總線模板的結(jié)構(gòu)很有特色，尺寸為3.6×3.8平方英寸，沒有總線母板，沒有模板導(dǎo)軌，聯(lián)結(jié)采用自層疊方式，最大限度地減小占用空間。由于PC/104總線本身就和ISA規(guī)范完全兼容，從而使它能充分利用商用PC機(jī)市場(chǎng)上同樣的芯片系列，PC/104廠商也能最大限度地分享商用PC機(jī)規(guī)模經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中的巨大經(jīng)濟(jì)利益。如果PC/104產(chǎn)品能不斷降低價(jià)格，解決I/O模塊貧乏等問題，它的應(yīng)用前景是很好的。

為了充分利用插針結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和商用PC機(jī)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，有些廠商干脆把ISA總線規(guī)范直接映射到VME聯(lián)結(jié)器的96根插針上，推出VME-PC嵌入式工業(yè)PC產(chǎn)品，如瑞士Digital-Log ic公司的AT96嵌入式工業(yè)PC產(chǎn)品。這種真正百分之百與PC和MS-DOS兼容的產(chǎn)品確實(shí)給用戶使用帶來了不言而喻的方便，但其價(jià)格之高，讓許多用戶望而止步?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)也有廠商推出了類似產(chǎn)品，但價(jià)格低得多。

今天，先進(jìn)而復(fù)雜的操作系統(tǒng)（如Windows 95和圖形增強(qiáng)應(yīng)用軟件等），要求有運(yùn)行速度更快的計(jì)算機(jī)與之相適應(yīng)。這一點(diǎn)無論是對(duì)商用PC還是工業(yè)PC都是一樣的?？焖俚挠?jì)算機(jī)需要快速的CPU芯片、快速的存儲(chǔ)器和快速的磁盤驅(qū)動(dòng)器，還需要同樣重要的、更快速的總線將所有這些連接在一起。PCI（周邊器件互連）總線就是一種應(yīng)運(yùn)而生的高性能計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)。它是為滿足視頻和高速網(wǎng)絡(luò)通信工作等功能要求，由Intel公司作為非常高速的局部總線開發(fā)的。PCI是獨(dú)立于處理器的32/64位總線，最大數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)266MBps。當(dāng)今流行的高性能處理器，如Pentium、Pentium Pro和PowerPC，都采用PCI作為其總線接口。

1994年初，國(guó)際工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商聯(lián)合成立了工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商組織（PICMG），旨在為基于PCI總線的工業(yè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品建立一個(gè)開放式的標(biāo)準(zhǔn)。1994年底，PICMG為采用PCI無源后背板和插在里邊的PC AT式CPU卡公布了標(biāo)準(zhǔn)，Industrial Computer Source、Pro-Log和Texa s Microsystems等公司都推出了相應(yīng)的486和Pen-tium檔次工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。雖然這些產(chǎn)品保留了與現(xiàn)存PC AT I/O卡的兼容，但在堅(jiān)固性、小尺寸和前面板安裝等方面沒有得到很好的解決。

最新推出的、基于PCI的工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)叫作緊湊PCI（CompactPCI）。CompactPCI采用 VME歐洲卡封裝形式，提供真正工業(yè)封裝的PCI性能和硅片。CompactPCI卡有3U和6U兩種尺寸標(biāo)準(zhǔn)，兩種卡在同一系統(tǒng)中可以共存。Com-pactPCI不需橋路就可驅(qū)動(dòng)多至8個(gè)總線插槽，足以滿足大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)的要求。CompactPCI利用最新和最快的視頻、網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)采集芯片，定位在下一代更快速CPU上（如P5、P6、PowerPC和P7等），為嵌入式工業(yè)控制的發(fā)展開辟了一個(gè)新天地。

VXI（VMEbus eXtensions for Instrumen-tation）總線系統(tǒng)是一種完全開放的、有眾多產(chǎn)品供應(yīng)商支持的高性能模塊化儀器總線標(biāo)準(zhǔn)，又稱為VME擴(kuò)展到儀器應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。VXI總線是一種基于VME總線的模塊儀器結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所有廠家開放，并兼容現(xiàn)有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。VXI總線系統(tǒng)集中了智能儀表、個(gè)人儀表和GPIB系統(tǒng)的很多優(yōu)點(diǎn)，具有開放式模塊化結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)吞吐量大、網(wǎng)絡(luò)和通信接口方便，以及擴(kuò)展能力強(qiáng)、可伸縮性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等設(shè)備的維護(hù)、測(cè)試和診斷，是公認(rèn)的儀器和測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)秀平臺(tái)。目前，美國(guó) HP和Kinetic Systems等公司的VXI產(chǎn)品在市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位。

內(nèi)嵌式VXI總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的推出和使用，給嵌入式工業(yè)PC的應(yīng)用又開辟了一個(gè)嶄新的空間。它主要以高性能的CX486SLC和Pen-tium系列微處理器為CPU，采用PC AT構(gòu)架，綜合處理VXI操作的接口門陣列、定時(shí)接口控制器、IEEE488.1/488.2標(biāo)準(zhǔn)的GPIB控制器ASIC 等設(shè)計(jì)而成。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Windows下的圖形化程序LabVIEW等。

VXI總線產(chǎn)品通過局部MXI總線，很容易和外部的、采用ISA、EISA和PCI等其它總線的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，構(gòu)成多VXI系統(tǒng)。目前采用PCI局部總線的產(chǎn)品也已推出。由于PC AT的兼容性，內(nèi)嵌式VXI總線工業(yè)控制機(jī)已成為VXI總線系統(tǒng)的高性能理想平臺(tái)之一。

現(xiàn)在，幾乎所有的嵌入式工業(yè)PC產(chǎn)品廠商都在由OEM向系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品過渡，努力為用戶服務(wù)到端子，聯(lián)結(jié)方便合理，給用戶提供一個(gè)比較完整的解決方案。這是嵌入式工業(yè)PC未來發(fā)展的一個(gè)主要方向。

二、嵌入式工業(yè)PC的硬件設(shè)計(jì)考慮

概括地講，嵌入式工業(yè)PC設(shè)計(jì)主要有兩種體系結(jié)構(gòu)，即封閉式和開放式體系結(jié)構(gòu)。封閉式體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品不依賴于某種總線標(biāo)準(zhǔn)，為某種特定任務(wù)而專門設(shè)計(jì)，專用性較強(qiáng)，一般稱這種產(chǎn)品的嵌入方式為芯片級(jí)嵌入。開放式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)立足于某種公開了的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。依靠這種開放和標(biāo)準(zhǔn)，眾多計(jì)算機(jī)廠商設(shè)計(jì)出各具特色、種類繁多、可供用戶靈活選擇的模板級(jí)產(chǎn)品，如CPU板、系統(tǒng)支持板、人機(jī)接口板、信號(hào)調(diào)理板、模擬量I/O板和數(shù)字量 I/O板等。因?yàn)橛辛藰?biāo)準(zhǔn)，所以不同的用戶可以根據(jù)任務(wù)的實(shí)際情況選擇一定數(shù)量的功能模板，以最快的速度組合成相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，從而大大縮短了開發(fā)周期，減小了開發(fā)費(fèi)用。由于總線標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品的升級(jí)和維護(hù)變得簡(jiǎn)單、方便。這種嵌入方式稱為板級(jí)嵌入，嵌入式工業(yè)系統(tǒng)采用最多的就是這種嵌入方式。

除開放和標(biāo)準(zhǔn)以外，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)不僅需要像平臺(tái)PC機(jī)一樣的速度和性能（如成熟的操作員界面、復(fù)雜的控制算法和最快的處理器），而且要求具有以下特性：

?堅(jiān)固性。工業(yè)控制機(jī)必須工作在高溫、高塵環(huán)境，并能承受強(qiáng)烈沖擊和震動(dòng)，因此需要供電電源穩(wěn)定可靠、制冷性能良好和插卡的固定能力。

?可靠性。MTBF（兩次故障之間的平均時(shí)間）指數(shù)大于1萬小時(shí)，這要靠保守的電路和散熱設(shè)計(jì)、固態(tài)非轉(zhuǎn)動(dòng)的盤驅(qū)動(dòng)器和仔細(xì)的電纜連接來保證。

?低的MTTR（平均故障修復(fù)時(shí)間）指數(shù)。由于工業(yè)控制機(jī)普遍采用去掉有源電路的無源后背板或主板，功能分散到其它插板上，因此插板一旦出現(xiàn)故障，可以很快完成更換。

?模塊化?？刂圃O(shè)備的工控機(jī)需要兩個(gè)以上的串口和一個(gè)以上的并口、模擬和數(shù)字I/ O、運(yùn)動(dòng)控制、PLC互連能力、顯示等等。一般工控機(jī)要有12個(gè)或更多的總線插槽用于I/O擴(kuò)展。

?標(biāo)準(zhǔn)化。凡是成功的計(jì)算機(jī)平臺(tái)都基于某種標(biāo)準(zhǔn)，所有的工業(yè)用戶正逐漸從專用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基于標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的產(chǎn)品容易從多個(gè)不同的供應(yīng)商那里得到。

?實(shí)時(shí)性。工控機(jī)要具有時(shí)間和事件驅(qū)動(dòng)能力，能對(duì)生產(chǎn)過程工況變化實(shí)時(shí)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，當(dāng)過程參數(shù)偏離設(shè)定值甚至出現(xiàn)故障時(shí)，能迅速做出相應(yīng)的處理。

?前面板I/O。工業(yè)用戶喜歡像PLC產(chǎn)品那樣簡(jiǎn)便的前面板端子連接方式。一般平臺(tái)計(jì)算機(jī)用電纜從后面跟外部連接，這在桌面上看起來還好，但大多數(shù)工業(yè)用戶的要求卻相反。

一個(gè)成功的嵌入式工業(yè)PC模板硬件設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮以下方面：

?兼容性。嵌入式工業(yè)PC模板設(shè)計(jì)要做到和PC、MS-DOS完全兼容，充分利用商用PC所積累的軟、硬件資源。

?克服總線數(shù)據(jù)寬度和速度瓶頸，產(chǎn)品升級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線一方面使系統(tǒng)開放，另一方面也阻礙了處理器性能的發(fā)揮。為此，一種辦法是采用高性能總線，但這無疑會(huì)大幅度增加設(shè)計(jì)費(fèi)用和產(chǎn)品成本。比較好的辦法是采用All in one和I/O總線設(shè)計(jì)方案，既可提高性能又可保持向下兼容。專家認(rèn)為，一般工業(yè)過程為慢過程，對(duì)I/O的訪問速度要求并不高，8/ 16位數(shù)據(jù)寬度、8MHz的頻率足夠了。但隨著數(shù)據(jù)采集量增加，控制策略和控制算法更加優(yōu)化和復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)的處理能力、存儲(chǔ)器訪問速度和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力的要求越來越高、越來越嚴(yán)格。所以，將局部高速總線和慢速系統(tǒng)總線相結(jié)合設(shè)計(jì)，即把對(duì)速度要求高的CPU、存儲(chǔ)器、看家狗、硬盤和需要高速訪問的I/O接口等做在一塊All in one模板上，把相對(duì)慢速的I/ O部分放在總線上，是一種合理、現(xiàn)實(shí)的方案。

?采用基于Flash存儲(chǔ)器的新型存儲(chǔ)器子系統(tǒng)。伴隨著PC機(jī)架構(gòu)滲透到嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域 ，一種與傳統(tǒng)存儲(chǔ)器子系統(tǒng)完全不同的新型存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正在產(chǎn)生。新型存儲(chǔ)器子系統(tǒng)以 Flash存儲(chǔ)器為核心，配有少量RAM（SRAM或DRAM），突破了傳統(tǒng)的磁盤（軟、硬盤）、ROM和大量 RAM三級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，具有系統(tǒng)小、功耗低、重量輕、堅(jiān)固和可靠性高等特點(diǎn)，更能滿足各種苛刻的嵌入式應(yīng)用要求。Flash存儲(chǔ)器以其高密度、高速度、不揮發(fā)、電可改寫和高可靠等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)軟件全固化運(yùn)行的理想提供了保障。

?系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)和自動(dòng)恢復(fù)。如今，看家狗電路已成為嵌入式工業(yè)PC設(shè)計(jì)不可缺少的一部分。它能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)迅速報(bào)警，并在無人干預(yù)的情況下，使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

?采用PC兼容的、高集成度的嵌入式微處理器。過去，嵌入式設(shè)計(jì)往往采用NEC公司的 V系列處理器和80C186E系列作CPU。隨著高性能、高集成度、低電壓工作和帶有電源管理單元的嵌入式微處理器的推出（如Intel的386EX、AMD的Am386EM和即將推出的奔騰級(jí)P55C、P 54C多媒體芯片等），給設(shè)計(jì)人員提供了更大的發(fā)揮空間。

三、嵌入式工業(yè)PC的軟件設(shè)計(jì)考慮

嵌入式工業(yè)PC的軟件設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中占有很重要的地位。軟件工作的可靠性是決定系統(tǒng)工作可靠與否的主要因素之一。工業(yè)軟件設(shè)計(jì)已經(jīng)開始從加載運(yùn)行的重定位*.ex e格式軟件轉(zhuǎn)向就地運(yùn)行（eXecute-In-Place）的預(yù)定位*.bin格式，以便從根本上保證程序指令的高可靠執(zhí)行。具體地講，包括以下方面：

?嵌入式BIOS。嵌入式應(yīng)用的BIOS應(yīng)該是模塊化、可裁減的，而且是最優(yōu)化和最小的， 還要支持系統(tǒng)無鍵盤和無顯示的黑模式工作方式。BIOS是XIP格式的。

?嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。嵌入式DOS不僅要覆蓋系統(tǒng)的常規(guī)功能，還要求支持半導(dǎo)體盤、看家狗功能和XIP程序的上電直接運(yùn)行。嵌入式DOS應(yīng)該是XIP格式的，以提高系統(tǒng)引導(dǎo)速度和代碼的可靠性。嵌入式操作系統(tǒng)還必須具有任務(wù)或事件的實(shí)時(shí)處理能力。

?代碼和數(shù)據(jù)分離與定位。開發(fā)通用高級(jí)語(yǔ)言混合編制的應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)的分離與定位工具，是編制XIP格式應(yīng)用程序的關(guān)鍵，也是程序固化、就地執(zhí)行的前提。

?Flash存儲(chǔ)器管理軟件的開發(fā)。為用戶提供現(xiàn)成的工具軟件，實(shí)現(xiàn)Flash存儲(chǔ)器的優(yōu)化管理和在線、在板修改、升級(jí)。這也是決定能否最大限度地發(fā)揮新型存儲(chǔ)器子系統(tǒng)性能的主要因素之一。

?組態(tài)軟件。應(yīng)用在嵌入式工業(yè)PC上的組態(tài)軟件支持，可以大幅度縮短工業(yè)控制軟件的開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用，使工業(yè)控制軟件標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；?a target="_blank">商品化。組態(tài)軟件現(xiàn)已逐步從工業(yè)控制系統(tǒng)的高端向低端發(fā)展。

四、現(xiàn)場(chǎng)總線

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信能力和處理器性能的不斷提高，分布式控制系統(tǒng)（DCS）在工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。DCS在工業(yè)控制系統(tǒng)逐漸形成合理的管理級(jí)、監(jiān)控級(jí)和過程級(jí)三級(jí)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是，用嵌入式PC兼容系統(tǒng)進(jìn)一步加強(qiáng)過程級(jí)的處理能力，并與工業(yè)過程I/O、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)一起構(gòu)成多功能的智能前端設(shè)備。它安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，除完成數(shù)字量和模擬量I/O等基本操作外，還能對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較復(fù)雜的處理，并可執(zhí)行一定的控制策略。同時(shí)，這些設(shè)備具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力，它們通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接在一起，并進(jìn)一步和上層的監(jiān)控機(jī)、操作站及工程師站橋接，形成高效的過程級(jí)網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場(chǎng)總線和智能前端設(shè)備是工業(yè)控制系統(tǒng)不可分割的兩個(gè)方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，使工業(yè)控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的向下優(yōu)化成為可能?，F(xiàn)在，越來越多的測(cè)控任務(wù)由分布在現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備承擔(dān)，逐漸形成了一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線和智能前端設(shè)備的新型測(cè)控系統(tǒng)，即現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)?；谇度胧焦I(yè)PC的智能設(shè)備，不但能滿足現(xiàn)場(chǎng)總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的要求，通過軟件手段還能滿足應(yīng)用層和用戶層的要求，是現(xiàn)場(chǎng)總線中具有高度靈活性和伸縮性的、最有活力的節(jié)點(diǎn)。

這種新型測(cè)控系統(tǒng)具有開放性好、分散性高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、性能價(jià)格比好和安裝、調(diào)試、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，將在工業(yè)控制系統(tǒng)今后的發(fā)展中占有主導(dǎo)地位。同時(shí)， 現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的確立也必將引發(fā)一場(chǎng)新的革命。

五、嵌入式工業(yè)PC中盤的解決方案

盤一直是困繞嵌入式工業(yè)PC設(shè)計(jì)人員的主要問題之一。由于軟盤和硬盤帶有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不能可靠運(yùn)行。一種考慮就是采用半導(dǎo)體盤。這雖然是個(gè)好辦法，但由于容量小、可伸縮性差，使它的應(yīng)用受到限制。PCMCIA總線標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，使這個(gè)問題迎刃而解。PCMCIA總線標(biāo)準(zhǔn)的各種存儲(chǔ)器卡具有可靠性高、尺寸小、容量大、種類多、可配置性和可伸縮性好等優(yōu)點(diǎn)，能滿足苛刻的嵌入式環(huán)境的要求，將在嵌入式應(yīng)用中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

總之，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，一個(gè)國(guó)家自動(dòng)化程度的高低已成為衡量其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，而且在許多方面已提高到?jīng)Q定性的程度。其中，工業(yè)控制的水平又是反映自動(dòng)化程度高低的關(guān)鍵因素。嵌入式工業(yè)PC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，必將在我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展方面發(fā)揮越來越重要的作用。