当前工业控制机技术的几个热点问题
其二,以太网在负载达40%以上时才会有明显的冲突,典型工业控制的负载为:10M,5%;100M,0.5%。因此,冲突的概率很小,上述设定的冲突次数为5的条件实际上是非常保守的。
其三,所谓交换式以太网,可以将一个较大的网络分隔成为各个相对独立的冲突域,冲突只能在一个相对较小的区域内发生,从而大大减少冲突发生的概率。
(3)工业以太网的第1-4层已经确定,当前的研究工作主要在两个方面,
一是应用层不同协议的封装,当前国际上几个组织联合起来,企图解决互操作性问题,我国也在这方面做工作,希望是开放式的,以便解决与国际上工业以太网的互操作性问题;
二是如何适应工业环境问题,这里有许多文章可做。
4 新一代工业计算机总线CompactPCI
前文所述IPC工控机是在PC机的基础上,在机箱、结构等方面作适当改造,保留了PCI-ISA总线的有源底板,开发和扩充了系列工业I/O模板而构成。1993年以来,由于PCI总线的开放性、高性能、低成本、通用操作系统等方面的优势,使其得到迅速的普及和发展。但是,这种PCI-ISA底板总线的工业控制计算机尚有不足,还难以用于有苛刻要求和高性能的场合。为此,主要由原来事STD总线工控机的厂商,如Ziatech、Pro-Log等,以及Intel,在PICMG(PCI工业计算机制造商协会)支持下,制定PCI-ISA总线的无源底板标准和处理器板标准,即CompactPCI。其出发点在于,改造PCI标准,使其成为无源底板总线的结构。
CompactPCI是一种新的开放式工业计算机标准,它是PCI总线技术和成熟的欧式卡组装技术的结合。采用CompactPCI既能吸收PC机最新的技术成果,又具有满足通信和工业实时应用所必需的更坚固、更可靠、模块化、易使用、易维护的优点。在成本上,其产品往往低于同等功能的VME产品,但略高于通常的IPC产品。已经发布了CompactPCI规范2.0R3.0版。
CompactPCI最具吸引力的特点是热插拔(hot swap)。这意味着一个模板能够在不切断电源的情况下从机箱内拔出或插入,依靠先进的软件,系统能够自动调整配置。热插拔一直是电信应用的要求,也为每一个工业自动化系统所渴求。
CompactPCI的热插拔的实现是:在结构上采用三种不同长度的引脚插针,使得模板插入或拔出时,电源和接地、PCI总线信号、热插拔启动信号按序进行;采用总线隔离装置和电源的软启动;在软件上,操作系统要具有即插即用功能。PICMG与微软公司合作,使得WindowsNT5.0具有此功能。热插拔是一个热门课题,也是一个复杂的问题,许多PICMG成员单位作出了巨大的努力,PICMG在原版本基础上,经过不断完善,于2001年1月发布了CompactPCI的热插拔规范2.12R2.0版,2002年1月发布了热插拔基础结构接口规范2.12R2.0版,此前还发布了电源接口、系统管理、计算机电话等规范,2001年发布了多计算规范,今年5月又发布了星型光纤规范,CompactPCI工业计算机总线技术,从结构、硬件、软件、管理诸方面趋于成熟,采用CompactPCI总线标准的工业计算机产品已经广泛应用于电信、工业实时控制以及国防工业之中,当前热门的刀片式服务器即采用CompactPCI规范。
中国计算机行业协会工业计算机分会(PICMG/P.R.C)作为PICMG的执行委员,组织专家已经将CompactPCI规范翻译成中文发布,以推动我国工业计算机的发展。
随着计算机技术的发展,自动化测试设备(ATE)发生了质的变化,出现了所谓的 “虚拟仪器”。虚拟仪器是计算机技术与测量技术结合创造出来的一种全新仪器,由计算机应用软件和仪器硬件组成,是有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。当前,主要采用VXI、PXI两种总线型虚拟仪器。
基于VXI、PXI总线的虚拟仪器仅需几块模拟和数字I/O板的硬件开销,通过计算机软件即可完成各种仪器的功能。它集中了智能仪器、个人仪器和自动化测试系统的特长。
随着CompactPCI总线日趋成熟,基于CompactPCI的虚拟仪器应运而生,即PXI,它具有比VXI更高的总线带宽,资源更丰富,在相同功能的条件下,其价格往往只有VXI系统的一半。因此,PXI系列产品具有更强劲的发展势头,而VXI则具有先入为主的优势。
“虚拟仪器具有性能价格比高、操作简单方便、可靠性高等特点,市场前景十分巨大;构建以VXI、PXI等先进总线为基础的通用测试平台,满足产品开发、生产和维修的需要具有重要的意义。”这是国家科技部发布的2002年“科技型中小企业创新基金若干重点项目指南”中的一段话。在自动化测试技术和设备方面,同行们也将大有可为。其中,PXI系统尤其值得关注。
5 嵌入式系统的技术发展和我们的机遇
所谓嵌入式系统,是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可剪裁,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统。其软件除操作系统外,还需有固化的应用软件;硬件除了CPU外,还需有外围电路支持。通用和嵌入式CPU、微控制器、DSP以及单片系统(SOC)已构成嵌入式系统硬件的基础。
PC机主要应用在办公室自动化领域,而嵌入式系统已经广泛地渗透到人们的工作、生活之中,从家用电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备、制造工业、过程控制等等,无不是嵌入式系统的应用领域。根据美国嵌入式系统专业杂志RTC报道,二十一世纪初的十年中,全球嵌入式系统市场需求量具有比PC市场大10至100倍的商机。嵌入式系统的应用非常广泛,可以说,嵌入式系统无所不在、无时不在,可应用于人类生活与工作的各个领域。未来学家尼葛洛庞蒂曾预言,嵌入式智能设备将是PC和因特网之后最伟大的发明。
嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史,近几年来,计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显,嵌入式技术已成为一个研究热点。嵌入式系统已发展到以Internet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外,但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切,嵌入式设备与Internet的结合将代表嵌入式系统的未来。
嵌入式系统技术日益完善,32位微处理器,即X86CPU和嵌入式CPU(ARM、MIPS、SH三大类)以及DSP、单片系统SOC,在嵌入式系统中占主导地位;嵌入式操作系统已经从简单走向成熟(如VxWorks、PSOS、VRTX、Nucleus、WinCE、QNX、Linux),嵌入式系统与网络、Internet结合日益密切。其中,嵌入式Linux在消费电子设备中得到广泛应用。由32位嵌入式CPU与嵌入式Linux相结合,在信息终端、家用电器、工业控制等方面将大有可为。
大家可能已注意到,我国在嵌入式CPU方面最近取得了很大进展,“龙芯”和方舟CPU的研制成功是一件很有意义的大事。
目前,PC机的架构为Wintel所控制、垄断,即由INTEL的CPU+微软的Windows主宰了产业。在该领域,我们没有主动权,缺乏创新空间,充其量只是组装PC机和搞计算机系统集成等,自己的软件产品和出口软件也很少。
嵌入式系统,由于需求千变万化,没有统一的架构,可以不受控制,软硬件需要各种各样的组合,技术密集,市场容量大,可有无限的创新空间!
嵌入式CPU+嵌入式OS+关键应用=嵌入式系统的核心技术。
主要原因是:计算环境从PC为中心转变为以网络为中心,涌现了各种新的信息设备(IA),不必与PC兼容;应用软件逐步从PC移到网上,不必与Windows兼容;浏览器取代Windows成为主要的用户界面;基于Linux的OS很适合各种IA;跨平台语言JAVA被普遍采用。
综上所述,在PC机上要脱离Windows很难,离开了PC机,特别是在网上,就可以有所作为。其中,看好Linux。在IA领域,各种嵌入式Linux有很好的前景;Linux将成为我国未来主要OS之一。
近年来,我国在开发嵌入式CPU方面有一系列有利条件:市场:嵌入式CPU可应用于各种领域,包括信息家电、网络设备、工业仪器仪表等等,其市场容量将远远超过PC产业。技术:可允许多种结构,可有自己的创新结构;可购买IP知识产权模块,自行裁剪和组合,设计自己的CPU;有Linux和其它OS作为支持,不必依赖Windows。
北京中芯微系统公司开发成功高性能嵌入式处理器方舟二号,主要技术特点如下:32位RISC CPU,时钟频率266MHz,2x8kB cache,片上集成了EMI存储器控制器,PCI总线控制器,中断处理器,DMA控制器,2个串口,2个USB接口,1个IC卡控制器,1个以太网控制器,RTC,定时器,Watchdog等,且低功耗,是高集成度的SOC芯片,支持Linux。
中科院计算所的“龙芯” 是另一款国产芯片,32位,266M钟频,其指令系统与MIPS芯片兼容,支持VxWorks、Linux操作系统,工作温度为-35到+70°C,可以满足军工和工业环境的应用要求。
“龙芯”和方舟的32位嵌入式CPU有广泛的支持并量产,有很好的应用前景。它们的研制成功,配以嵌入式Linux操作系统,将有可能作为国产嵌入式系统的一种很好的选择,可在信息终端、家用电器、工业控制、军工装备中应用,可以在IA领域用自己的核心技术有所作为!例如,基于方舟二号,外加Flash、SDRAM等几个芯片即可构成工业以太网的节点控制器;美国的大量军用计算机即采用MIPS芯片。
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