IT技術互動交流平臺

分析貼嵌入式工業和設計是你最大的疑問嗎

作者:wy  來源:網絡整理  發布日期:2019-01-24 08:37:00
   隨著經濟結構框架的不斷更新、研發科技技術的不斷改進,這些都給我們的生活帶來了巨大的幫助和便利,我們熱愛著這個世界熱愛著這個國家,我們愿意時時刻刻都為此而付出辛勤的汗水,今天本篇文章給大家帶來相關嵌入式的分析貼工業PC及其設計相關問題的詳細剖析
 嵌入式工業控制機特指深藏于工業系統內部,完成一種或多種特定工業任務的計算機。一個成功的工控機要具有開放式的模塊化結構、較強的數據處理能力、很好的實時性能、較強的工業環境適應性、高可靠性、豐富的過程I/O、良好的軟件開發環境,以及高性能的網絡和通信支持等。因此,工控機設計人員對上述環節和有關問題的認識程度和解決方案將直接關系到工控機設計的成敗。本期專題結合嵌入式工控機系統設計的有關問題,從以下方面展開了討論! 
 

嵌入式

  1.嵌入式工業PC及其設計 本文詳細介紹了PC機從臺式PC到嵌入式工業PC的發展歷程,

  描述了工業PC的性能特點,總結了其軟、硬件設計的發展方向和新技術。

  2.基于386EX的STD總線嵌入式工業控制機設計與實現 STD總線386EX工控機將STD總線

  固有的堅固性、普及性、廉價等優點與嵌入式增強型處理器386EX的可靠性、高性能、與P C兼容性相結合,是工業控制前端機向高性能發展的優選機型。本文對該系統設計和實現中的幾個要點進行了較詳細的討論。

  3.32位嵌入式工業PC的軟件設計 嵌入式系統不同于普通的PC系統,在強調高可靠性的系統中,經常要求使用大量可供程序固化運行的不揮發性存儲器。本文詳細論述了在32位嵌入式工控機系統軟件設計中,管理不揮發性存儲器和支持固化程序運行環境的一套可行方案。

  4.用高級語言編制工業XIP軟件的方法 高級語言程序的代碼段和數據段分離開來,是實 現軟件固化、就地執行的關鍵,然而分離用高級語言編制的程序、特別是內嵌匯編和顯示功能的程序相當困難。本文論述了利用*.EXE和*.MAP文件編制XIP軟件的方法。

  5.PCMCIA卡的工作機制及其在嵌入式系統中的應用 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,給嵌入式工控系統提供強大的支持。本文以PCMCIA總線卡技術為核心,簡要介紹其產生、分類,重點分析其硬、軟件框架及相互關系,并對SRAM存儲器卡、Flash存儲器卡、ATA IDE卡、FAX/MODEM卡的實現機理做了進一步分析。

  嵌入式工業PC以其獨特的小型化體積、模塊化和組合化結構、豐富的過程I/O、靈活的配置和擴展能力、特殊的惡劣環境適應能力、良好的開發環境、方便的聯網能力和工作的高可靠性,被廣泛應用于工業控制和軍工領域,在國民經濟發展和國防建設中發揮著極其重要的作用。

  一、嵌入式工業PC的發展

  嵌入式工業PC的發展主要得益于PC機的普及。臺式PC機的廣泛應用和推廣,使越來越多的人了解它、熟悉它、愿意使用它。PC機對社會和產業界所產生的巨大影響,使建立在Int el微處理器上的PC AT硬、軟件構架成為事實上的標準。今天,當人們談起計算機時,腦海里自然就浮現出PC機。PC機幾乎成了計算機的代名詞,并且深入人心。PC機及MS-DOS的標準化和開放式體系結構,使國際上眾多廠家和公司得以在此基礎上開發出豐富的、有不同特色的軟、硬件產品,這無疑對PC的推廣應用起到了推波助瀾的作用。隨著性能不斷提高和價格大幅度下降,PC機以銳不可擋之勢迅速滲透到工業控制領域。人們對PC機寄予重望,希望它在傳統產業的自動化改造舞臺上扮演重要的角色。

  當臺式PC機真的敲開了工業自動化的大門后,人們才驚訝地發現,它雖然勝任數據處理和信息保存,但并不適用于工業控制。其主要問題可總結為以下幾點:

  •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,沒有模板導軌,機械性能差,難以抵抗震動和沖擊。

  •I/O種類貧乏,可伸縮性和擴展能力差。

  •風扇散熱,但無過濾器,不能防塵。

  •供電采用普通電源,難以抵抗電網的浪涌、跌落和尖峰干擾等。

  •MTBF指數小,一般為幾百小時,而工業控制要求數千小時以上。

  •體積大,結構不靈活,難以維護和維修。

  •電磁兼容性差,設計上沒采取抗電磁干擾措施。

  •故障檢測和自動排除故障能力差,需要人工監視和干預。

  •溫度范圍窄,一般為0℃~+25℃,而工業現場一般要求-25℃~+65℃。

  針對上述情況,技術人員采取了比較簡單的處理辦法。如對臺式PC進行加固改造,對I/ O插板采用金屬壓條來鎖緊;風扇散熱和安裝過濾器防塵;機箱密封等。經過如此改造的PC機 ,雖然骨子里仍然是數據處理機內容,但在應用初期還是占有了一定的市場。技術人員在初嘗改造的工業PC帶來的甜頭后,更堅定了信心,并在一定程度上加快了PC機改造的步伐。

  進入90年代以來,隨著我國國民經濟的迅速發展和工業自動化市場需求量的不斷擴大, 國內工業PC也呈現出一派活躍景象。特別是全國工業PC國產化聯合開發委員會的成立,迅速完成了工業PC的國產化改造過程,并實現了和國際先進水平接軌。當前工業領域普遍采用的工業PC的主要特點包括:

  •全鋼、密封機箱,微正壓送風散熱,過濾器防塵。

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

  •系統功能分散到幾塊PC卡上,如CPU卡、VGA卡、多功能卡等,使維護和維修得到改善 ,同時也將危險分散。

  •采用半導體虛盤代替軟、硬盤,增強系統數據存儲和代碼運行的可靠性。

  •增加PC插槽數目,開發了種類齊全的工業I/O板,給系統提供了較靈活的組合配置能力。

  •摒棄原有的普通電源,采用長壽命、高可靠的工業開關電源。

  •采用控制組態軟件。

  PC機經過以上改造,加上模板設計人員在模板設計中采用了可靠性和抗干擾措施,在一定程度上適應了惡劣的工業環境,因此在工業控制系統中被越來越多地采用。這就是人們通常所說的工業PC機。由于工業PC自身的局限性,如體積大、機箱難以拆卸、維護不便、不能黑模式運行等,還不能完全滿足嵌入式環境的要求,因此其應用范圍還是受到了很大限制。在分布式工業控制系統的過程級、監控級和管理級三級結構中,工業PC主要占據監控級和管理級,作為工作站、操作站和監控計算機使用。那么,工業PC能在環境最惡劣的過程級,也就是工業控制系統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PC。

  嵌入式工業PC徹底擺脫了傳統微控制器結構的束縛,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結構,使其可以充分享受PC機發展所積累的豐碩成果。這種PC和MS-DOS兼容的嵌入式工業PC,優勢明顯。

  •系統設計受益于PC機發展所形成的相關器件生產的規模效益,硬件成本低,市場競爭能力強。

  •從語言和編譯連接軟件、數據庫、電子表格、網絡通信、數據采集到控制組態軟件 ,支持PC架構的軟件應有盡有。這些軟件不需修改或稍加修改就可在嵌入式工業PC機上運行。

  •多種版本的MS-DOS、Windows,以及在PC機上運行的各種實時多任務操作系統(如VRT X、AMX、Spectra等),給嵌入式工業PC以強大的支持。

  •普通PC機就可作為其廉價的開發平臺。技術人員可以在熟悉的環境下方便地開發各種應用程序。

  •系統升級容易。隨著微處理器性能的不斷提高,嵌入式工業PC的處理能力、通信能力和界面友善程度達到相當高的水平,足以滿足工業控制系統各種復雜控制策略的要求。

  •從8086、80186,直到Pentium,嵌入式工業PC的硬件實現有多種檔次,用戶可根據實際需要選擇性價比合適的機器。

  由于嵌入式工業PC具有諸多優勢及其巨大的市場潛力,刺激和吸引了眾多廠商投入到嵌入式工業PC的開發行列中。顧名思義,嵌入式工業PC特指埋藏于工業系統內部,執行一種或多種特定任務的計算機。由于嵌入式應用對體積有嚴格限制,因此許多小型化的嵌入式工業 PC產品應運而生。其中比較成功的要數具有工業標準總線的STD、VME和PC/104等模板產品。

  STD總線是由美國Pro-Log公司推出、并在嵌入式工業PC應用領域被廣泛采用的一種工業標準總線。STD總線模板標準尺寸為4.5×6.5平方英寸,遠遠小于ISA總線模板尺寸,適合作為緊湊加固平臺。由于采用PC和MS-DOS兼容性設計,以及All in one和總線I/O的設計思想,使8/16位的STD總線適應高性能32位微處理器的要求。STD總線產品以其開放式體系結構、高強度工業設計、小尺寸、高可靠、低價格、簡便的I/O接口和不斷增強的網絡通信能力及CPU性能,在嵌入式應用領域有很強的競爭能力。

  VME總線也是一種很有生命力的工業標準,分為(3U)3.9×6.3平方英寸和(6U)9.2×6.3 平方英寸兩種規格。由于嵌入式工業PC機發展的強大攻勢,許多廠商一改歐式VME總線Moto rola微處理器結構,紛紛推出PC和MS-DOS兼容的、80x86結構的VME總線規范的嵌入式工業P C產品。VME總線產品的插針式連接器結構被強震動、沖擊和高塵埃等極惡劣場合廣泛采用 ,特別是在列車、輪船等運動系統中。由于插針結構很容易滿足系統先接電源和后斷電源的帶電插拔規范,所以即插即用是VME總線產品的主要發展方向之一。

  PC/104是當前國際上小型化嵌入式工業PC中比較熱門的產品。PC/104總線模板的結構很有特色,尺寸為3.6×3.8平方英寸,沒有總線母板,沒有模板導軌,聯結采用自層疊方式,最大限度地減小占用空間。由于PC/104總線本身就和ISA規范完全兼容,從而使它能充分利用商用PC機市場上同樣的芯片系列,PC/104廠商也能最大限度地分享商用PC機規模經濟市場中的巨大經濟利益。如果PC/104產品能不斷降低價格,解決I/O模塊貧乏等問題,它的應用前景是很好的。

  為了充分利用插針結構的優點和商用PC機的規模經濟效益,有些廠商干脆把ISA總線規范直接映射到VME聯結器的96根插針上,推出VME-PC嵌入式工業PC產品,如瑞士Digital-Log ic公司的AT96嵌入式工業PC產品。這種真正百分之百與PC和MS-DOS兼容的產品確實給用戶使用帶來了不言而喻的方便,但其價格之高,讓許多用戶望而止步,F在國內也有廠商推出了類似產品,但價格低得多。

  今天,先進而復雜的操作系統(如Windows 95和圖形增強應用軟件等),要求有運行速度更快的計算機與之相適應。這一點無論是對商用PC還是工業PC都是一樣的?焖俚挠嬎銠C需要快速的CPU芯片、快速的存儲器和快速的磁盤驅動器,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)總線就是一種應運而生的高性能計算機總線標準。它是為滿足視頻和高速網絡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的。PCI是獨立于處理器的32/64位總線,最大數據傳輸速度可達266MBps。當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,國際工業計算機制造商聯合成立了工業計算機制造商組織(PICMG),旨在為基于PCI總線的工業計算機產品建立一個開放式的標準。1994年底,PICMG為采用PCI無源后背板和插在里邊的PC AT式CPU卡公布了標準,Industrial Computer Source、Pro-Log和Texa s Microsystems等公司都推出了相應的486和Pen-TIum檔次工業級產品。雖然這些產品保留了與現存PC AT I/O卡的兼容,但在堅固性、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的工業計算機標準叫作緊湊PCI(CompactPCI)。CompactPCI采用 VME歐洲卡封裝形式,提供真正工業封裝的PCI性能和硅片。CompactPCI卡有3U和6U兩種尺寸標準,兩種卡在同一系統中可以共存。Com-pactPCI不需橋路就可驅動多至8個總線插槽,足以滿足大多數工業系統的要求。CompactPCI利用最新和最快的視頻、網絡通信和數據采集芯片,定位在下一代更快速CPU上(如P5、P6、PowerPC和P7等),為嵌入式工業控制的發展開辟了一個新天地。

  VXI(VMEbus eXtensions for Instrumen-taTIon)總線系統是一種完全開放的、有眾多產品供應商支持的高性能模塊化儀器總線標準,又稱為VME擴展到儀器應用標準。VXI總線是一種基于VME總線的模塊儀器結構標準,對所有廠家開放,并兼容現有的工業標準。VXI總線系統集中了智能儀表、個人儀表和GPIB系統的很多優點,具有開放式模塊化結構、數據吞吐量大、網絡和通信接口方便,以及擴展能力強、可伸縮性好等特點,被廣泛應用于航空、航天、航海等設備的維護、測試和診斷,是公認的儀器和測試系統的優秀平臺。目前,美國 HP和Kinetic Systems等公司的VXI產品在市場上占主導地位。

  內嵌式VXI總線工業控制計算機的推出和使用,給嵌入式工業PC的應用又開辟了一個嶄新的空間。它主要以高性能的CX486SLC和Pen-tium系列微處理器為CPU,采用PC AT構架,綜合處理VXI操作的接口門陣列、定時接口控制器、IEEE488.1/488.2標準的GPIB控制器ASIC 等設計而成。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等其它總線的計算機系統相連,構成多VXI系統。目前采用PCI局部總線的產品也已推出。由于PC AT的兼容性,內嵌式VXI總線工業控制機已成為VXI總線系統的高性能理想平臺之一。

  現在,幾乎所有的嵌入式工業PC產品廠商都在由OEM向系統級產品過渡,努力為用戶服務到端子,聯結方便合理,給用戶提供一個比較完整的解決方案。這是嵌入式工業PC未來發展的一個主要方向。

  二、嵌入式工業PC的硬件設計考慮

  概括地講,嵌入式工業PC設計主要有兩種體系結構,即封閉式和開放式體系結構。封閉式體系結構的產品不依賴于某種總線標準,為某種特定任務而專門設計,專用性較強,一般稱這種產品的嵌入方式為芯片級嵌入。開放式體系結構的設計立足于某種公開了的工業總線標準。依靠這種開放和標準,眾多計算機廠商設計出各具特色、種類繁多、可供用戶靈活選擇的模板級產品,如CPU板、系統支持板、人機接口板、信號調理板、模擬量I/O板和數字量 I/O板等。因為有了標準,所以不同的用戶可以根據任務的實際情況選擇一定數量的功能模板,以最快的速度組合成相應的應用系統,從而大大縮短了開發周期,減小了開發費用。由于總線標準,使產品的升級和維護變得簡單、方便。這種嵌入方式稱為板級嵌入,嵌入式工業系統采用最多的就是這種嵌入方式。

  除開放和標準以外,工業控制計算機不僅需要像平臺PC機一樣的速度和性能(如成熟的操作員界面、復雜的控制算法和最快的處理器),而且要求具有以下特性:

  •堅固性。工業控制機必須工作在高溫、高塵環境,并能承受強烈沖擊和震動,因此需要供電電源穩定可靠、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間)指數大于1萬小時,這要靠保守的電路和散熱設計、固態非轉動的盤驅動器和仔細的電纜連接來保證。

  •低的MTTR(平均故障修復時間)指數。由于工業控制機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,因此插板一旦出現故障,可以很快完成更換。

  •模塊化?刂圃O備的工控機需要兩個以上的串口和一個以上的并口、模擬和數字I/ O、運動控制、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擴展。

  •標準化。凡是成功的計算機平臺都基于某種標準,所有的工業用戶正逐漸從專用結構轉移到基于標準的架構,因為標準架構的產品容易從多個不同的供應商那里得到。

  •實時性。工控機要具有時間和事件驅動能力,能對生產過程工況變化實時地進行監測和控制,當過程參數偏離設定值甚至出現故障時,能迅速做出相應的處理。

  •前面板I/O。工業用戶喜歡像PLC產品那樣簡便的前面板端子連接方式。一般平臺計算機用電纜從后面跟外部連接,這在桌面上看起來還好,但大多數工業用戶的要求卻相反。

  一個成功的嵌入式工業PC模板硬件設計還應考慮以下方面:

  •兼容性。嵌入式工業PC模板設計要做到和PC、MS-DOS完全兼容,充分利用商用PC所積累的軟、硬件資源。

  •克服總線數據寬度和速度瓶頸,產品升級。標準工業總線一方面使系統開放,另一方面也阻礙了處理器性能的發揮。為此,一種辦法是采用高性能總線,但這無疑會大幅度增加設計費用和產品成本。比較好的辦法是采用All in one和I/O總線設計方案,既可提高性能又可保持向下兼容。專家認為,一般工業過程為慢過程,對I/O的訪問速度要求并不高,8/ 16位數據寬度、8MHz的頻率足夠了。但隨著數據采集量增加,控制策略和控制算法更加優化和復雜,對計算機的處理能力、存儲器訪問速度和實時響應能力的要求越來越高、越來越嚴格。所以,將局部高速總線和慢速系統總線相結合設計,即把對速度要求高的CPU、存儲器、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,把相對慢速的I/ O部分放在總線上,是一種合理、現實的方案。

  •采用基于Flash存儲器的新型存儲器子系統。伴隨著PC機架構滲透到嵌入式應用領域 ,一種與傳統存儲器子系統完全不同的新型存儲器系統結構正在產生。新型存儲器子系統以 Flash存儲器為核心,配有少量RAM(SRAM或DRAM),突破了傳統的磁盤(軟、硬盤)、ROM和大量 RAM三級存儲器結構,具有系統小、功耗低、重量輕、堅固和可靠性高等特點,更能滿足各種苛刻的嵌入式應用要求。Flash存儲器以其高密度、高速度、不揮發、電可改寫和高可靠等優點,為實現工業控制系統軟件全固化運行的理想提供了保障。

  •系統故障監測和自動恢復。如今,看家狗電路已成為嵌入式工業PC設計不可缺少的一部分。它能在系統出現故障時迅速報警,并在無人干預的情況下,使系統自動恢復運行。

  •采用PC兼容的、高集成度的嵌入式微處理器。過去,嵌入式設計往往采用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P55C、P 54C多媒體芯片等),給設計人員提供了更大的發揮空間。

  三、嵌入式工業PC的軟件設計考慮

  嵌入式工業PC的軟件設計在整個設計過程中占有很重要的地位。軟件工作的可靠性是決定系統工作可靠與否的主要因素之一。工業軟件設計已經開始從加載運行的重定位*.ex e格式軟件轉向就地運行(eXecute-In-Place)的預定位*.bin格式,以便從根本上保證程序指令的高可靠執行。具體地講,包括以下方面:

  •嵌入式BIOS。嵌入式應用的BIOS應該是模塊化、可裁減的,而且是最優化和最小的, 還要支持系統無鍵盤和無顯示的黑模式工作方式。BIOS是XIP格式的。

  •嵌入式實時操作系統。嵌入式DOS不僅要覆蓋系統的常規功能,還要求支持半導體盤、看家狗功能和XIP