1、概述

    计算机技术、通信技术和网络技术的发展，改变了人类的生活和工作方式，使人类步入信息化时代。人们基本摆脱了固定电话在空间和时间上的限制，可以随时、随地、自由地通过移动电话进行信息沟通。人们也基本摆脱了纸张信件造成的空间和时间限制，可以通过电子邮件，在几秒钟或几分钟内实现与远在天边的人们进行信息的交流，增加了信息交流的及时性和确定性。一般将办公自动化和家庭应用的普通计算机叫做“个人计算机”。计算机技术、控制技术、网络技术在工业上的应用，改变了工业的生产和管理方式，进入了生产自动化、控制智能化和管理信息化时代。在工业生产控制和管理过程中应用的计算机叫做“工业控制计算机”，简称“工控机”，国外也叫“工业计算机”。
工控机的主要特点：标准化、模块化结构，便于组合和扩展；系列化、产品化的控制器模块和丰富的I/O功能模块，具有广泛的适应性；通用性和开放性强，便于系统集成；恶劣环境条件适应性和可靠性，能长期不间断工作，具有良好的工作稳定性；体积小；成本低；应用系统开发时间短；标准化和可互操作性，标准和产品由众多厂家支持和发展。

2、工控机总线标准的起源

    20世纪70年代初期，随着微型计算机技术的兴起，出现了一系列计算机芯片，如Zilog公司的Z80、Motorola的68K、Intel的8088、8086、MCS51系列等。这些厂家的生产的芯片互不兼容，管脚定义、运行时钟、工作时序都不同，给构造微型计算机及其应用系统造成了极大困难，严重阻碍了微机技术的进步。标准化的问题开始引起了芯片制造商的关注。

    标准化的道路有两条。一条是芯片内部总线的标准化，只要所有厂家都按同一种片内总线生产芯片，具有相同的管脚定义和工作时序，就可以实现互连。但一方面难以找到一条公认的最佳片内总线，另一方面这与制造商的利益冲突，因此受当时历史条件的局限，难以实现芯片一级标准化。另一条是在模板一级实现标准化。由于模板一级的标准化可以独立于微机芯片，既维护了芯片生产制造商的利益又可以实现产品互连、协同工作，因此，模板级标准化的方案得以实现。

    板级互连总线标准兼顾了大多数芯片制造商的利益，使得各种系列芯片只要经过简单的逻辑转换，就可以与总线标准兼容，具有合理性和先进性，被大众所接受，成为了公认的总线标准，由此也产生了工控机总线标准。按总线标准研制生产的功能模板叫做“OEM”产品，按照标准生产的带有一定数量总线插槽的总线底板叫做“背板”。这样，将各种功能模板插在背板的插槽上就构成了一个微机系统。由此而产生的一系列工控机总线标准主要有STD总线、Multiplus总线、VME总线、VXI总线、ISA总线、PC/104总线、PCI总线、CompactPCI总线、PXI总线、PCI Express总线以及AdvancedTCA总线等。

    迄今为止，工控机技术已经发展了20多年，形成了三代具有代表性的产品。

3、第一代工控机技术的兴起与演变

    第一代工控机技术起源于20世纪80年代初期，盛行于80年代末和90年代初期，到90年代末期逐渐淡出工控机市场，其标志性产品是STD总线工控机。STD总线是由美国Pro-Log公司和Mostek公司作为工业标准而制定的8位工业I/O总线，随后发展成16位总线，统称为STD80，其主要技术特点是“分时复用技术”。STD总线于1978年12月公布，1985年2月被国际标准化组织吸收，称为IEEE961标准。国外主要的STD总线工控机制造商有Pro-Log、Winsystems、Ziatech等，而国内企业主要有北京康拓公司和北京工业大学等。STD总线工控机是机笼式安装结构，具有标准化、开放式、模块化、组合化、尺寸小、成本低、PC兼容等特点，并且设计、开发、调试简单，得到了当时急需用廉价而可靠的计算机来改造和提升传统产业的中小企业的广泛欢迎和采用，国内的总安装容量接近20万套，在中国工控机发展史上留下了辉煌的一页。国内的主要产品是“V40系统II”以及“386EX”系统，也有一些基于Intel 486的产品。国外技术水平发展到了“Pentium”级产品，并扩展为STD32标准。PC DOS软件的兼容性使STD总线得以发展，也由于运行PC Windows软件的局限性使STD总线被淘汰出局，而取而代之的是与PC完全兼容的IPC工控机。]

    与STD总线处于同一时期并具有一定影响力的还有Intel公司于1977年推出的Multibus总线，被IEEE协会命名为IEEE796标准，在世界范围内得到了一定程度的应用。

    VME总线虽然在国内并没有推广起来，但也可以说是第一代工控机技术中比较成功的标准。1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司发明了VME总线，从此VME总线工业控制机在图像处理、工业控制、实时处理和军事通讯中得到了广泛应用。1987年，VME总线被批准为国际标准IEEE1014-1987。VME总线接口为2个96芯的针孔连接器P1和P2（6U欧洲卡），数据宽度为32位，最大总线速度是40MB/sec。1996年的新标准VME64（ANSI/VITA1-1994）将总线数据宽度提升到64位，最大数据传输速度为80MB/sec。由FORCE COMPUTERS制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了320MB/sec。VME总线工控机是实时控制平台，大多数运行的是实时操作系统，如UNIX、VxWorks、PSOS、VRTX、PDOS、LynOS以及VMEXEC，由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。

    VME总线OEM产品由众多的制造商支持，主要采用Motorola公司的68K系列微处理器，如25M/33M的68060，以及PowerPC等处理器。现在越来越多的VME总线SBC的制造商开始采用Intel公司和AMD公司生产的微处理器，如DY 4 Systems、Concurrent Technologies、VMIC、PEP Modular、Computers，以及SBS Embedded Computers等公司。

    1987年VXI总线联合会成立，其目标是定义板级仪器标准，即VME扩展仪器仪表总线。VXI总线工控机以VME总线为内核，将欧洲卡尺寸扩展为A、B、C和D四种。

    由于VME和VXI总线有丰富的控制器和I/O功能模板资源，具有“热插拔”和“多主机板并行工作”的技术特点，虽然价格昂贵，但目前还不能被其它工控机技术取代，因此将继续在高可靠性应用领域占有一席之地。

4、第二代工控机技术的发展现状与存在的问题

    1981年8月12日IBM公司正式推出了IBM PC机，震动了世界，也获得了极大成功。随后PC机借助于规模化的硬件资源、丰富的商业化软件资源和普及化的人才资源，于80年代末期开始进军工业控制机市场，产生了基于ISA总线的IPC工控机。IPC在中国的发展大致可以分为三个阶段：第一阶段是从20世纪80年代末到90年代初，这时市场上主要是国外品牌的昂贵产品。第二阶段是从1991年到1996，台湾生产的价位适中的IPC工控机开始大量进入大陆市场，这在很大程度上加速了IPC市场的发展，IPC的应用也从传统工业控制向数据通信、电信、电力等对可靠性要求较高的行业延伸。第三阶段是从1997年开始，大陆本土的IPC厂商开始进入该市场，促使IPC的价格不断降低，也使工控机的应用水平和应用行业发生极大变化，应用范围不断扩大，IPC也随之发展成了中国第二代主流工控机技术。目前，中国IPC工控机的大小品牌约有15个左右，主要有研华、凌华、研祥、深圳艾雷斯、华北工控、磐仪和艾讯等。

    90年代末期，ISA总线技术逐渐淘汰，PCI总线技术开始在IPC中占主导地位，使IPC工控机得以继续发展。因此IPC并没有向当时人们预测的那样很快“消亡”。但IPC存在的难以克服的可靠性问题极大地限制了其进一步发展和应用：（1）受到机箱结构的限制，散热通路不畅通，散热性能不好，容易引起印制板变形、断线、接触不良等问题，还会造成电子器件寿命降低以及工作不稳定等；（2）板卡和无源背板之间的金手指边缘接触连接方式，容易造成在振动和冲击过程中瞬间接触不良，引起系统死机；（3）金手指自身在潮湿或腐蚀性气体环境中长期使用，容易氧化或腐蚀，造成系统接触不良，而且多次拔插容易变形；（4）多数板卡通过金属挡片一端固定，在振动力的左右下容易产生微距离逆时针旋转，造成系统信号断路或短路，使系统崩溃；（5）系统机箱表面喷漆处理，不能形成一个完整的导电体，电磁干扰的屏蔽能力和静电释放能力差；（6）故障板卡更换时间长，可维护性差。因此，IPC开始逐渐从高可靠性应用的工业生产自动化层以及电信等领域退出，向管理信息化领域转移，取而代之的是以CompactPCI总线工控机为核心的第三代工控机技术。

    虽然IPC技术是伴随着PC技术的发展而发展，但在结构和技术上没有不断创新，虽然成本降下来了，但运行稳定性和可维护性并没有从根本上解决。值得一提的是，IPC工控机开创了一个崭新的PC-based时代，对工业自动化和信息化技术的发展产生了深远的影响。

    在第二代工控机技术里，还需要提及一个比较成功的技术――PC/104总线技术。基于ISA总线的PC/104总线问世于1992年，自层迭式结构，不需要背板连接，具有尺寸小、结构紧凑、功耗低、可靠性高等特点，主要应用于军事和医疗设备等对空间和功耗要求比较苛刻的系统中。1997年PC/104扩展成PC/104-Plus，增加了PCI总线定义，增强了其生命力。PC/104总线工控机依靠自身的特点和不断地完善，还将继续在其传统优势领域占有一席之地。

5、方兴未艾的第三代工控机技术

    PCI总线技术的发展、市场的需求以及IPC工控机的局限性，促进了CompactPCI总线技术的诞生。作为新一代主流工控机技术，CompactPCI工控机标准于1997年发布之初就倍受业界瞩目。相对于以往的STD和IPC，它具有开放性、良好的散热性、高稳定性、高可靠性及可维护性等特点，非常适合于工业现场和信息产业基础设备的应用，被众多业内人士认为是继STD和IPC之后的第三代工控机的技术标准。采用模块化的CompactPCI总线工控机技术开发产品，可以缩短开发时间、降低设计费用、降低维护费用、提升系统的整体性能。国外主要的CompactPCI总线工控机制造商有Motarola Computer Group(兼并了原美国Pro-Log公司)、Intel（兼并了Ziatech）、德国Kontron公司，意大利Eurotech公司、英国BVM公司以及日本的ADTEK公司等。国内主要有台湾凌华、研华、北京康拓、北京新松佳和以及深圳研祥等。“CompactPCI是PCI总线的电气和软件加上欧洲卡，它具有在不关闭系统的情况下的‘即插即用’功能，该功能的实现对高可用系统和容错系统非常重要”，2004年度科技部科技型中小企业技术创新基金项目指南中的这段话，概括出了CompactPCI总线工控机的主要特点和重要性。国家“发改委”也将CompactPCI总线工控机列为了工业自动化技术主要产业化目标之一。

    2001年，PICMG2.16将以太网包交换背板总线引入到CompactPCI总线标准中，为电信语音增值服务设备和基于以太网的工业自动化系统提供了新的技术平台。2002年，PICMG颁布了面向电信的新标准AdvancedTCA，简称ATCA。ATCA比PICMG2.16有更大的规格和容量、更高的背板带宽、对板卡更严格的管理和控制能力、更高的供电能力以及更强的制冷能力等，用以解决电信系统目前面临的系统带宽问题、高可用性问题、现场升级问题、可伸缩性问题、可管理性问题以及可互操作问题，并最终降低成本。

    仪器和仪表是工业自动化设备的重要组成部分。CompactPCI向仪器仪表领域的扩展总线就是PXI总线。PXI产生于1998年，主要是面向“虚拟仪器”市场而设计的，但已经不局限于测试和测量设备，正在迅速向其它工业控制自动化领域扩展，并与CompactPCI总线互相兼容与补充。PXI总线工控机不但具有VXI的高采样速率、高带宽和高分辨率等特点，而且具有开放性、软件兼容性以及价格低廉等优势。一般来说，3U PXI产品用于构造便携式或小型化的ATE测试设备、数采系统、监控系统以及其它工业自动化系统。6U PXI产品主要应用在高密度、高性能和大型ATE设备或工业自动化系统中。

6、以第三代工控机技术为基础的开放式控制系统的应用前景和急需解决的问题

    目前国外和台湾地区的CompactPCI总线工控机在大陆占有主要的市场份额，大约为10亿人民币。随着工业测量和控制以及电信领域产品向CompactPCI总线架构转移，每年的增长速度为15?21%。预计到2007年，以CompactPCI总线工控机平台和OEM产品的产值将达到30亿人民币左右。根据国家“发改委”的调查报告，我国工业自动化设备市场份额大约200亿人民币，加上国防自动化和信息产业基础设备，将达到1000亿以上。因此CompactPCI总线工控机以及“以CompactPCI总线为基础的开放式控制系统”产业化具有良好的发展前景。美国咨询公司“Crystal Cube Consulting Inc”于2004年5月发布的研究报告估计，到2007年，全球ATCA产品的产值将达到200亿美元，而整个电信设备市场将达到2500亿美元。而中国又是世界电信市场最活跃、增长最快的部分，所以ATCA在中国的发展也相当乐观。

    目前急需解决问题：（1）加速第三代工控机产品的国产化和本地化，实现产业化，降低产品价格；（2）加大以第三代工控机技术为基础的开放式控制系统研制的投入力度，加快产业化的速度；（3）加强配套功能模板的OEM产品开发，解决系统配套问题，提供完整解决方案；（4）加强人才培养和用户培训，提高技术支持和服务水平；（5）成立产品兼容性和可互操作性测试权威机构，解决不同厂家的产品互操作问题；（6）面向行业发展，建设示范工程，加速推广应用；（7）加强软件开发环境的研制，使操作简单、方便。