來源：controlglobal Over the last decade, there’s been an increasing trend toward the use of PC-based automation solutions. In the early 1990s large automakers and other manufacturers began using standard PCs for machine control. These systems often replaced the compact, microprocessor-based solutions - programmable logic controls or PLCs – that were found in most plants at the time. Since then, PCs running Microsoft Windows and other operating systems have worked their way into a wide variety of industrial applications, experiencing growth that outstrips competing solutions. 在過去的十年中，PC-based自動化解決方案的使用趨勢日益增加。在二十世紀(jì)九十年代早期，大的汽車制造商和其他的制造商開始在機(jī)器控制中使用標(biāo)準(zhǔn)PC。這些系統(tǒng)通常取代緊湊的，基于微處理器的解決方案——在大多數(shù)工廠都能發(fā)現(xiàn)的PLC。從那時起，運(yùn)行在微軟Windows 和其他操作系統(tǒng)上的PC開始在各種工業(yè)場合使用，經(jīng)歷了超過有競爭力的解決方案的增長。 因此PC的內(nèi)部組件和那些組件的發(fā)展在自動化中變得更重要。之前，已經(jīng)廣泛宣傳微處理器的進(jìn)步，半導(dǎo)體公司在市場上吹捧他們越來越快的時鐘頻率。然而存儲器和I/O革新太重要了。后者涉及總線技術(shù)，通常比喻為PC的脊梁。因此PC總線技術(shù)——過去和將來——對自動化最終用戶和總體自動化市場都是重要的。 為什么PC在工業(yè)設(shè)置中被證明那么流行以致不再需要廣告以及做的每件事都在賬本底線。一方面，不管針對工業(yè)還是消費(fèi)者使用，PC的價格大幅并持續(xù)下降。例如，在2005年中期，世界上最大的PC供應(yīng)商提供相當(dāng)有能力的機(jī)器價格在300美圓以下，那比一年前類似系統(tǒng)的價格下降40個百分點(diǎn)，甚至比兩年前類似系統(tǒng)的價格下降的更大。另一個底線是PC-based解決方案通常極大降低接線成本和組件數(shù)量。當(dāng)與替代方案比較時，這兩個因素都削減成本并使PC-based控制更具有吸引力。 高的性價比結(jié)合開放架構(gòu)。那使革新既容易也不依賴單個供應(yīng)商的興趣。它也意味著工業(yè)設(shè)置中的PC能從商用領(lǐng)域的硬件和軟件的進(jìn)步中獲利。因此PC-based自動化解決方案已經(jīng)利用總線架構(gòu)的改進(jìn)幾年了。 不僅是過去的風(fēng)暴：更舊的總線技術(shù) 最早的總線技術(shù)在1981年隨著IBM 原型PC機(jī)出現(xiàn)而出現(xiàn)。IBM有自己的名稱，不久命名為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（ISA）。首先，它是具有4.77 MHz時鐘，8位的系統(tǒng)，但是到1984年它被擴(kuò)展成具有8.33 MHz 時鐘，16位版本的系統(tǒng)?？偩€一般只允許一個直接存儲訪問通道，用于移動數(shù)據(jù)進(jìn)出擴(kuò)展（add-on）卡，例如，那些用于控制工業(yè)設(shè)備的擴(kuò)展卡。通過5到12V電壓信號供電。盡管具有不得不處理速度和卡安裝與配置的缺點(diǎn)，這些年ISA仍是主要的PC總線技術(shù)。直到二十世紀(jì)九十年代后期，它仍不能完全從消費(fèi)者系統(tǒng)消失，ISA總線仍存在于自動化系統(tǒng)中。 ISA的分支，PC/104標(biāo)準(zhǔn)定義了形成因素和總線。前者設(shè)計滿足嵌入式控制器的需要。結(jié)果，PC/104總線形成因素沒有背板，只有兼容板和互相堆棧的模塊。形成因素也是緊湊的，尺寸僅為3.8 X 3.6英寸。其他的特點(diǎn)也使PC/104總線適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用。例如，插頭-插座連接器確保穩(wěn)定可靠的連接。規(guī)范也要求在信號和電源之間混合更多的接地引腳，因此改進(jìn)任何卡的電氣完整性并加強(qiáng)其在惡劣條件下工作的能力。 從電氣上來說，除了更低的總線驅(qū)動電流，降低了功耗以及最小化組件成本，PC/104總線與ISA總線沒有不同。因此它同時運(yùn)行數(shù)據(jù)速率和其他的限制。最初定稿是在二十世紀(jì)九十年代早期，這些年P(guān)C/104標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了很多變化。 一些變化跟蹤商業(yè)領(lǐng)域。涉及ISA總線的問題導(dǎo)致周邊元件擴(kuò)展接口（PCI）標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)。在1992年發(fā)行，九十年代中期PCI變成主要的總線。不像ISA總線，PCI總線支持插拔。那意味著卡上的中斷通過固件分配到設(shè)備，從物理上來說，并沒有通過跳線配置。對消費(fèi)品和自動化系統(tǒng)的最終用戶來說，有能力增加一個卡而不干擾中斷請求和硬件是一個重要的補(bǔ)充。 PCI總線比其前任速度更快，原來的規(guī)范是33.3 MHz時鐘速率，允許峰值時每秒傳輸133MB數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)使用32或64位寬度移動，規(guī)范要求3.3V和5V信號，已知重要的事實(shí)是半導(dǎo)體從5V到3.3V移動，更低的電源規(guī)范。 也實(shí)施總線主控，即幫助連接到總線的控制器與連接到總線的其他設(shè)備通信而不通過CPU。這種方法極大改進(jìn)了性能，因為它刪除了潛在的阻塞點(diǎn)，例如，允許數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡，直接與磁盤控制器通信。這能自動完成而CPU自身能忙于其他并不涉及總線的任務(wù)，例如，從本地高速緩存取指令。 以后版本的標(biāo)準(zhǔn)采用高速、更低的信號電壓和16位總線。PCI標(biāo)準(zhǔn)也整合到PC/104規(guī)范版，通常參考PC/104+標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果是混合ISA/PCI工業(yè)系統(tǒng)的規(guī)范。 與ISA標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生的一樣，工業(yè)版PCI標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了。Dubbed CompactPCI，具有64位PCI背板，尺寸是標(biāo)準(zhǔn)Eurocard 3U，100mmX160mm和6U,160mmX233mm。滿足CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)的卡具有所有32位和64位PCI信號。它們也必須有大量的接地引腳，從而確保在電氣噪聲環(huán)境下提供足夠的屏蔽和接地，因此最小化地接地反饋和最大化可靠的運(yùn)行。 在基本配置中，標(biāo)準(zhǔn)要求八個槽，在臺式機(jī)上有16個槽。其他工業(yè)友好的特點(diǎn)包括保留有源卡、抗沖擊、抗震動以及使用標(biāo)準(zhǔn)的，大量生產(chǎn)的PCI半導(dǎo)體。 速度和靈活性：最新的總線 盡管PCI總線是各種成功的化身，但是某些缺陷迫使工業(yè)開發(fā)新技術(shù)。一個新技術(shù)是USB，用于處理周邊設(shè)備（例如，打印機(jī)、照相機(jī)和其他設(shè)備）的通信問題。對便攜式應(yīng)用來說，它是非常有用的和流行的，現(xiàn)在PC、PDA和其他手持設(shè)備上都有USB。開發(fā)其他相對新的技術(shù)去解決一定應(yīng)用帶來的問題，特別是聲音、圖形顯示，PCI總線太慢了。解決方案是PCI總線的替代物——PCI Express總線。 在2004年，PCI Express總線開始在臺式機(jī)中出現(xiàn)，完全不同于它的前任。一方面，新總線是點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)?。這意味著整個帶寬在每個卡上都是可用的，不像PCI共享帶寬。在狹窄的通道上串行發(fā)送數(shù)據(jù)，每秒雙向傳輸250MB數(shù)據(jù)。多路徑能聚合成X2，X4，X8，X16和X32帶寬，因此需要極大帶寬的設(shè)備能掛在大數(shù)據(jù)總線上。 使用規(guī)范提供的初始信號頻率，X16配置每秒提供4G的數(shù)據(jù)，是33 MHz PCI系統(tǒng)，32位可用帶寬的30倍。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，芯片能處理更快的信號頻率，期待PCI Express總線速度最終增加四倍。當(dāng)時鐘從銅線和總線自身跟蹤的現(xiàn)實(shí)信號限制突然增加時，期待實(shí)現(xiàn)最大的價值。 由于PCI和PCI-Express連接器的差異，相同的卡不能同時運(yùn)行。因此剛開始時，系統(tǒng)可能混合使用PCI和PCI-Express總線，更快的總線可能用于錄像應(yīng)用。例如，機(jī)器視覺，可能是自動化首次使用新總線。 最終PCI-Express總線將變成標(biāo)準(zhǔn)。市場分析預(yù)測是幾年的過渡時間，然后PCI總線從消費(fèi)者PC消失。那種轉(zhuǎn)變將有一定幫助，因為PCI和PCI-Express的軟件是兼容的。因此最終用戶不需要采購新軟件，開發(fā)人員也不需要創(chuàng)建和維護(hù)兩套編碼。 USB在二十世紀(jì)九十年代出現(xiàn)，原來打算連接相對低速的周邊設(shè)備，例如，PC的鍵盤、鼠標(biāo)和打印機(jī)。隨著USB2.0規(guī)范的出現(xiàn)，每秒最大傳輸數(shù)據(jù)速率增加到60MB。那使它足夠快用于大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸，在自動化應(yīng)用中有更大的影響。 在很多方面，USB比傳統(tǒng)的內(nèi)部PC總線更容易使用。設(shè)備能熱插拔，這意味著它們能增加或刪除設(shè)備而不需要關(guān)閉電腦。當(dāng)插入時，自動探測USB設(shè)備以便操作系統(tǒng)自動安裝和配置該設(shè)備。低功率設(shè)備能從主PC吸收電流，消除配置獨(dú)立電源線的需要。高達(dá)127個設(shè)備能運(yùn)行在一個端口上，通過增加集線器，能連接更多的設(shè)備。 數(shù)據(jù)能異步或同步傳輸。后者在一定時間內(nèi)保證能傳輸完而沒有錯誤。因為自動化系統(tǒng)通常需要響應(yīng)事件，他們能從異步緊急發(fā)送報文的能力受益。 USB決定性的自動化好處實(shí)際上是每個商用PC現(xiàn)在配置有USB端口。這種廣泛性意味著能使用USB而不犧牲額外的能力，同時獲得大規(guī)模生產(chǎn)帶來的成本節(jié)省的好處。 對最終用戶和供應(yīng)商重要的方面 仍沒有發(fā)布工業(yè)版本的工業(yè)PCI Express規(guī)范，也許將來會有——就像ISA和PCI一樣。那是因為工業(yè)和自動化應(yīng)用在某些重要的方式上不同于典型的消費(fèi)品和商業(yè)PC。一些是實(shí)際的，例如，在灰塵、潮濕和震動的環(huán)境下運(yùn)行。其他更多的是面向市場。兩者都影響自動化應(yīng)用中PC總線的選擇，任何供應(yīng)商的生產(chǎn)線都應(yīng)有這兩個特點(diǎn)。 市場驅(qū)動差異的例子是自動化系統(tǒng)長的生命周期。辦公PC在不久的將來是不用的，如果需要，每5年左右采用新總線。任何依賴舊總線的PC將消失，由于此原因過渡到新技術(shù)更容易。 自動化環(huán)境與此是有差異的。將持續(xù)使用消費(fèi)者PC長期放棄的總線。例如，仍能在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)ISA總線。因此自動化系統(tǒng)必須繼續(xù)支持舊總線。怎樣實(shí)施的恰當(dāng)例子能在Advantech的工業(yè)PC家族墻安裝和機(jī)架安裝的底板系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)。在各種配置中，PCI和ISA槽混合配置仍是可用的。 消費(fèi)品和工業(yè)市場的另一個差異能在修訂控制和支持的需要中發(fā)現(xiàn)。當(dāng)它們能使用時，消費(fèi)者PC的制造商經(jīng)常改變他們的母板配置以及交換新視頻芯片。因為自動化系統(tǒng)直接涉及大型工業(yè)工廠的運(yùn)行，對最終用戶沒有記錄的變化是不允許的。畢竟最終用戶想在以后采購嚴(yán)格相同的設(shè)置。因此產(chǎn)品應(yīng)用嚴(yán)格修訂控制制造。工業(yè)PC家族再一次提供這個例子——工程變化通知完全記錄的任何修訂。 自動化應(yīng)用也不同于消費(fèi)品和辦公室系統(tǒng)，因為它們通常是大型系統(tǒng)的一部分。因此PC-based解決方案自身做的不太好。代替的是必須有完全的軟件包及其平臺、I/O和所有現(xiàn)有的軟件。該軟件包必須包括需要的支持。 這能用很多方式實(shí)現(xiàn)。例如，Advantech提供工控機(jī)系統(tǒng)、工業(yè)平板監(jiān)視