嵌入式分布模块控制系统与网络的互连

现代微电子学为实验物理学、工程学和其他应用中的分布式系统发展提供了新的可能。

用于数据采集(DAQ)且与网络相互连接的新型模块化微处理器系统和分布式控制应用正被人们提出并讨论。高功率多功能的特定(用于通信和DSP)微处理器与分布式存储器一起作为实时系统来运作。用于数字信号处理(DSP)和控制应用的嵌入式模块化系统在工业标准(工业计算机系统(ICS)ISA机箱(MicroPC)有两个/四个插槽或cPCI有四至八个插槽)中发展起来。多处理器系统能有效应用于分布式控制，人们正在研究用于此系统的实时多处理器核和操作系统(OS)以适应实验研究和工程技术应用中的可能发生的各种应用场合。

人们正考虑将具有有源底板的紧凑型工业计算机系统(ICS)和具有无源底板的基于紧凑型PCI的系统(cPCI/PXI)通过以太网连接起来作为嵌入式实时系统用于控制应用场合。人们也考虑将分布式系统与系统区域网络(SAN)连接起来作为具备并行流水线数据处理能力的高级模块系统用于数据采集和控制应用场合。在对数据采集、触发和控制子系统进行联合建模的基础上，人们考虑将实验物理学和工程子系统结合起来。

1.具备有源底板的嵌入式模块化实时系统

微型机由许多元件(插入到底板上)组成，包括CPU、存储器、磁盘驱动器和串口/并口。一些计算机基于IBM PC(ISA总线)插件模块，另一些作为在单个板上的独立系统(无底板)来实现，其他的则是基于底板总线(VME/VXI)的单板计算机(SBC)。

基于底板的微型机可以用于数据采集、过程控制和不同的研发项目，但是一般情况下，由于其过大的体积而不将它作为智能元件嵌入到设备中去。二十世纪八十年代，计算机板被大规模集成芯片所限制，集成电路因具有先进的性能而占领了整个计算机板市场，而后发展为单片机或DSP。PC/104和PC/104-Plus 模块趋向于由支持嵌入式Linux的标准PC台式机和笔记本电脑组件来组成。PC/104-Plus增加了使用board-to-board总线(120 针)的PCI总线。

在基于PC的非桌面嵌入式系统上，人们对IBM PC兼容性的兴趣日益增加：

- PC芯片级和外围的兼容性能使成本更低、结构更简单、支持更容易，

- PC兼容性提供了PC机操作系统(MS-DOS, Windows, Linux)、语言和工具等优势。

由于新型接口(USB, FireWire, 蓝牙)、架构(MIPS, PowerPC, arm)和操作系统(RTLinux, RTEMS)的出现，嵌入式单板计算机(SBC)平台能够更好地服务于嵌入式模块化实时系统：

- 增加了嵌入式智能，许多应用需要有对用户友好的图形和语音界面;

- 增加了需要进行相互连接(TCP/IP, PPP, HTTP, FTP)的电子设备的需求;

- USB正在取代串口、并口和PS/2接口，以太网随处可见，FireWire (IEEE-1394)正开始被使用;

- 处理器(高度集成了基于arm, MIPS, PowerPC和x86的面向应用的片上系统) 正在开发中;

Linux用于所有的计算处理，它提供了低成本、开源的解决方案，支持开放性标准、网络连接、通信、Internet和其他功能。

有人提议将基于小型工业计算机系统(ICS)的具有两个插槽的紧凑型模块化系统作为嵌入式控制器端(CS)和工作虚拟端(VS)通过10/100M以太网在分布式网络中连接起来。每个虚拟端(VS)都是基于Windows 或/和 Linux，每个控制器端(CS)都是基于RT-Linux并且用于数据采集，监测和控制。两个PCI插槽中的一个用于基于DSP的数据采集和控制模块，另一个则用于扩展或另外的以太网连接。

通常，在硬件和软件上，现场总线用经济的模块化方法来取得不同的应用成果。今天，大多数计算机将传统的网络(10/100M以太网、FireWire、USB)作为标准的连接。现场总线的概念对于所有电子设备来说应该是透明的。串行总线(USB、 FireWire)用于中高速的I/O连接。SCI的相互连接支持可扩展的多处理器集群和高性能模块化实时系统。

另一版本的紧凑型CS随着具有基本通信处理器模块的四个插槽的Micro PC机箱发展起来，此处理器模块也包括了动态和静态的存储芯片和一套标准接口(CAN总线、RS232及其它)。实时操作系统(RT-Linux, RTEMS)可用于数据采集和控制应用场合。

2.具备无源底板的嵌入式模块化实时系统

Euro -card(3U格式)是国际标准(IEEE 1101.1)。VME总线允许16位数据以3U格式传送(6U板支持全数据总线带宽)。与VME(3U)相比，cPCI(3U)是个性能更高且更有效率的系统，而在VME体系结构中实现PC功能困难重重。3U cPCI总线性能优于3U VME。

与嵌入式PC板格式相比，cPCI/PXI总线支持single-wide板和double-wide板中的全32位或64位数据传输。cPCI/PXI也提供了一些优势。cPCI/PXI提升了系统的灵活性，将PCI插槽数由4个提高到了8个。cPCI为工业环境(如VME)所设计，而PXI为仪器使用系统(如VXI)所设计。3U cPCI无源底板比较小但可以增大。使用底板的方法使维护和升级3U cPCI模块变得更为简单。cPCI/PXI(3U)板支持工业自动化所需要的I/O，而工业自动化也需要分布式I/O。

cPCI支持现场总线用于数据采集、控制、监测和进程报告。为了满足工业应用的需要，cPCI系统支持高级的用于cPCI单板计算机上的网络连接功能(10/100M以太网、 USB、FireWire和现场总线)。模块性能够帮助人们进行最广泛的应用并提供了基于cPCI/PXI的SBC支持的灵活性。

嵌入式模块化cPCI/PXI(3U)系统硬件有如下优势：1)小型规格(220针，2mm连接器)体现了它是个对抗控制应用场合中冲击和振动的良好平台。2) 完整的PC模块(带有图形、快速以太网、IEEE1394、USB、现场总线、flash存储器和128M的SDRAM)能够建立在紧凑型且具灵活性的 3U平台上。3)降低功耗是减小成本的重要步骤，追求更小型的处理器几何尺寸降低了功率级。研究显示，通过3U cPCI实现的控制设备消耗的功率通常低于20W。4)另外，带有64位总线的8插槽cPCI底板通过使用机架和EMI屏蔽附件提供了经济型底板(无源的和有源的)。现代嵌入式计算机的解决方案需要基于Windows的软件来完成用于控制应用 (RT-Linux, RTEMS, QNX, OS-9, VxWork)的人机连接、网络连接、文件管理和确定性的实时软件。

用于与PC兼容的嵌入式SBCs的Linux支持倾向于以正常方式使用芯片来提供，包括一些特定的功能如：显示控制器模式、LCD面板控制信号、PCMCIA、板上固态磁盘和非标准的功能(看门狗定时器)。