工控机总线技术的发展与应用

CompactPCI简称cPCI，中文又称紧凑型PCI，是国际PICMG协会于1994提出来的一种总线接口标准。它的出现解决了多年来电信系统工程师与设备制造商面临的棘手问题，将VME密集坚固的封装和大型设备的极佳冷却效果以及PC廉价、易采用最新处理能力的芯片结合在一起，保证了99.999%的高可靠度，极大降低了硬件和软件开发成本。目前PCI总线已成为了事实上计算机的标准总线。

CompactPCI所具有的开放性、高可靠性、可热插拔（Hot Swap），使该技术除了可以广泛应用在通讯、网络、计算机电话整和（Computer Telephony），也适合实时系统控制（Real Time Machine Control）、产业自动化、实时数据采集（Real-Time Data Acquisition）、军事系统等需要高速运算、智能交通、航空航天、医疗器械、水利等模块化及高可靠度、可长期使用的应用领域。

早在1995年，香港塞德公司将具有优质、高效、低耗等优势的最新总线类产品Compact PCI推向中国市场，同时亦把美国PICMG协会的发展情况介绍到中国。我国工控界权威人士即达成共识：要跟踪高科技，保持与世界工控产品的同步运作，必须携手联合，优势叠加，共同研发，才能促进Compact PCI在我国的发展，使Compact PCI成为我国工控界的共用资源。

一、 中国工业计算机的发展

80年代初，我国在引进、消化吸收的基础上，经过技术创新，研制成功了STD总线工业计算机。STD工控机因具有灵活的组合方式、成本低、小板结构及广泛的兼容性等优点，自1984年国内开始从事开发和推广应用以来，被广泛地应用于钢铁冶金、石油化工、机电成套设备、医药食品、数控机床、工业炉窑等工业领域、以及军工和科研设备中。STD工控机型号众多，包括INTEL8088/80188、80286、80386、80486和NEC公司的V20、V40、V50等CPU类型的机型，其中以采用NEC公司V40芯片设计的V40系统最具代表性，该系统于1994年被率先成功地应用于水轮发电机——变压器组继电保护、水轮发电机励磁等电气二次成套装置中。现场实际商业运行表明：STD工控系统较为稳定，但其体系结构仍存不足。

STD工控机的不足：

STD工控机板采用“金手指 ”拔插，间或造成印制板边缘插头近处铜箔断裂或总线接触不良。
模拟输入测量线和I/O信号线采用前端扁平电缆连接使整个系统运行的可靠性受到潜在威胁。
原类似STD5459型号的智能A/D采集板采集速度较慢；且板上四选一模拟开关、采样保持器软故障偶有发生。
随着WINDOWS窗口系统的使用习惯养成，用户已明显感觉到在LED方式下进行参数整定相当不方便，因为需要记忆过多的功能键。
原STD工控机由于考虑到通用性和可扩充性，造成许多系统“冗余” 、系统资源浪费。

在90年代以后，由于STD工控机的不足，以及需要满足不同应用领域的高性能、高可靠、高可用的经济型工业计算机的需求，STD总线的工控机逐渐被淘汰。90年代采用ISA和PCI总线的IPC取代STD开始得到应用和普及。但由于IPC的板级互连结构和机械结构的限制，引起诸多不可靠因素，如散热不合理、抗振动和冲击能力差、电磁兼容性等，从90年代末开始，发展势头变慢，而且市场占有率开始下降，逐渐退出高可靠性领域。

二、 CompactPCI技术

经过几年的发展，PCI总线以其优越的电性能获得了业界的一致认可。同时利用PCI总线的电性能，结合不同的机械结构，产生了各种各样的总线。

CPCI总线：将PCI总线与欧规卡的机械结构相结合，具有抗振性能好、高可用性等优点，而且可以支持热插拔(Hot Swap)、后走线(Rear IO)，目前在电信、军工、交通等领域正在得到广泛的应用。
PXI总线：在CPCI基础上加入同步时钟、触发等量测专用总线，在测量、控制领域正得到越来越多的应用。
PC104 Plus总线：将PCI总线与PC104板的机械结构相结合，具有效率高、维护量少、体积小型等特点，在各种嵌入式应用中很受欢迎。
PCMCIA总线：常用于笔记本电脑。
PMC总线：配合CPCI总线在电信行业中使用。

CompactPCI技术是在PCI技术基础之上经过改造而成，具体有三个方面：

一是继续采用PCI局部总线技术；二是抛弃IPC传统机械结构，改用经过20年实践检验了的高可靠欧洲卡结构，改善了散热条件、提高了抗振动冲击能力、符合电磁兼容性要求；三是抛弃IPC的金手指式互连方式，改用2mm密度的针孔连接器，具有气密性、防腐性，进一步提高了可靠性，并增加了负载能力。

经过改造的CompactPCI工业计算机适合工业现场应用。由于具有热插拔和冗余设计能力，可以构建高可用性系统，满足电信、数字通信、军事装备以及其它高可靠领域的要求。目前CompactPCI技术是国际最先进的工业计算机技术。

近年来，电信技术发展迅猛。CPCI架构难以满足未来几年电信领域宽带技术的需求。因此，市场迫切需要发明新的交换技术，以满足日益增长的对具有每秒Terabits传输性能的开放式架构平台的需求。这就是新兴的PICMG 3.x—AdvancedTCA技术。

在今后的5-10年，CompactPCI总线与PICMG 2.16、AdvancedTCA在相互补充中并存。CompactPCI总线主要面向工业自动化应用，将逐渐取代VME和ICP，牢牢占据基础自动化和过程自动化层。而PICMG 2.16和AdvancedTCA将主要针对电信应用。

三、CompactPCI技术的应用

2001年11月21日，航天科技集团502所北京康拓公司研制的采用CPCI总线和AT96总线双总线结构的?APCI5000系列工控机?通过了航天科技集团组织的新产品技术成果鉴定。标志着中国有了自己的CompactPCI总线工控机平台。APCI5000的面世，无论是从技术上还是经济上都可以说是恰逢其时。从技术水平上提高了我国企业进入WTO以后的市场竞争力，对传统产业升级改造和优化产业结构，都具有十分积极的作用，对提高我国的国防实力都有十分重要的意义。

西安空军工程大学采用北京康拓公司生产的APCI5094(5x86-133MHz) CPCI总线工控机系统研制成功了进口战斗机地面测试设备，并通过了总装备部、空军组织的产品鉴定。

中国核动力研究院设计院采用康拓公司的CPCI产品研制了"九五"重点攻关项目"核电站数字化反应堆保护系统"原理样机，并通过了中国核工业集团公司组织的鉴定。

浙江绍兴精工集团采用北京康拓公司生产的CPCI工控机系统研制成功了国产化先进的"喷气"纺织机。

国产化的CPCI总线工控机在国内航天领域的《神通一号》卫星动量轮地面测试系统、《风云二号》气象卫星自旋线路系统测试设备、《东方红四号》通信卫星推进系统地面测试设备中也得到了成功应用。在这以前，由于没有国产高性能的工控机可用，我国卫星地面测试设备基本被进口设备所垄断，如VME总线和VXI总线测试设备

国产化的CPCI总线工控机在海军、电力、铁路、公路隧道等方面已经有数十家用户，产品已经被市场认可，并正在继续发展。

1998年，美国Marconi公司采用开放式架构CPCI工控机为美国空军F16 Fighting Falcon战斗机研制了第三代测试设备IAIS(Improved Avionics Intermediate Shop)。1990年的第二代IAIS采用的是VXI。

Alta Technology采用CPCI/VME混合系统，为部署在美国西南部的导弹测试基地研制测控设备。设备采集从各种电子对抗设施(ECM)传来的数据，处理后，确定目标(如雷达)。

美国海军正在将用于部署在China Lake和Pt. Magoo的QF4战斗机上的VME总线工控机升级为CPCI总线工控机系统，以增强电子对抗能力。

Excalibur Systems Inc．将CPCI工控机系统用在了军事运输机C-17上。

在欧美，CPCI工控机取代VME工控机，逐渐应用在空防、海防和陆地军事武器和航天地面测控设备上，如SBS Technologies的CR6 CPCI工控机系统等。

在电信领域CompactPCI/PICMG 2.16产品应用，目前主要集中在电信增值业务上，比如新一代声讯平台和虚拟运营等。华为、中兴和大唐已经采用CompactPCI/PICMG 2.16技术研制了一系列新产品，并得到了广泛的应用。

从1999年全球不足2000万美元的小行业，发展到2003年32亿美元，短短几年，CompactPCI技术走过了研制、生产、销售、应用、服务的历程，已经在国内形成了完整的运行体系，并保持着良好的发展势头，有效地推动着工业自动化、测量自动化和信息化产业朝着面向未来的标准化、网络化、开放性方向发展。