不要忽略PC总线技术的发展

来源：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. 在过去的十年中，PC-based自动化解决方案的使用趋势日益增加。在二十世纪九十年代早期，大的汽车制造商和其他的制造商开始在机器控制中使用标准PC。这些系统通常取代紧凑的，基于微处理器的解决方案——在大多数工厂都能发现的PLC。从那时起，运行在微软Windows 和其他操作系统上的PC开始在各种工业场合使用，经历了超过有竞争力的解决方案的增长。 因此PC的内部组件和那些组件的发展在自动化中变得更重要。之前，已经广泛宣传微处理器的进步，半导体公司在市场上吹捧他们越来越快的时钟频率。然而存储器和I/O革新太重要了。后者涉及总线技术，通常比喻为PC的脊梁。因此PC总线技术——过去和将来——对自动化最终用户和总体自动化市场都是重要的。 为什么PC在工业设置中被证明那么流行以致不再需要广告以及做的每件事都在账本底线。一方面，不管针对工业还是消费者使用，PC的价格大幅并持续下降。例如，在2005年中期，世界上最大的PC供应商提供相当有能力的机器价格在300美圆以下，那比一年前类似系统的价格下降40个百分点，甚至比两年前类似系统的价格下降的更大。另一个底线是PC-based解决方案通常极大降低接线成本和组件数量。当与替代方案比较时，这两个因素都削减成本并使PC-based控制更具有吸引力。 高的性价比结合开放架构。那使革新既容易也不依赖单个供应商的兴趣。它也意味着工业设置中的PC能从商用领域的硬件和软件的进步中获利。因此PC-based自动化解决方案已经利用总线架构的改进几年了。 不仅是过去的风暴：更旧的总线技术 最早的总线技术在1981年随着IBM 原型PC机出现而出现。IBM有自己的名称，不久命名为工业标准结构（ISA）。首先，它是具有4.77 MHz时钟，8位的系统，但是到1984年它被扩展成具有8.33 MHz 时钟，16位版本的系统。总线一般只允许一个直接存储访问通道，用于移动数据进出扩展（add-on）卡，例如，那些用于控制工业设备的扩展卡。通过5到12V电压信号供电。尽管具有不得不处理速度和卡安装与配置的缺点，这些年ISA仍是主要的PC总线技术。直到二十世纪九十年代后期，它仍不能完全从消费者系统消失，ISA总线仍存在于自动化系统中。 ISA的分支，PC/104标准定义了形成因素和总线。前者设计满足嵌入式控制器的需要。结果，PC/104总线形成因素没有背板，只有兼容板和互相堆栈的模块。形成因素也是紧凑的，尺寸仅为3.8 X 3.6英寸。其他的特点也使PC/104总线适应工业应用。例如，插头-插座连接器确保稳定可靠的连接。规范也要求在信号和电源之间混合更多的接地引脚，因此改进任何卡的电气完整性并加强其在恶劣条件下工作的能力。 从电气上来说，除了更低的总线驱动电流，降低了功耗以及最小化组件成本，PC/104总线与ISA总线没有不同。因此它同时运行数据速率和其他的限制。最初定稿是在二十世纪九十年代早期，这些年PC/104标准经历了很多变化。 一些变化跟踪商业领域。涉及ISA总线的问题导致周边元件扩展接口（PCI）标准的开发。在1992年发行，九十年代中期PCI变成主要的总线。不像ISA总线，PCI总线支持插拔。那意味着卡上的中断通过固件分配到设备，从物理上来说，并没有通过跳线配置。对消费品和自动化系统的最终用户来说，有能力增加一个卡而不干扰中断请求和硬件是一个重要的补充。 PCI总线比其前任速度更快，原来的规范是33.3 MHz时钟速率，允许峰值时每秒传输133MB数据。数据使用32或64位宽度移动，规范要求3.3V和5V信号，已知重要的事实是半导体从5V到3.3V移动，更低的电源规范。 也实施总线主控，即帮助连接到总线的控制器与连接到总线的其他设备通信而不通过CPU。这种方法极大改进了性能，因为它删除了潜在的阻塞点，例如，允许数据采集（DAQ）卡，直接与磁盘控制器通信。这能自动完成而CPU自身能忙于其他并不涉及总线的任务，例如，从本地高速缓存取指令。 以后版本的标准采用高速、更低的信号电压和16位总线。PCI标准也整合到PC/104规范版，通常参考PC/104+标准。结果是混合ISA/PCI工业系统的规范。 与ISA标准发生的一样，工业版PCI标准出现了。Dubbed CompactPCI，具有64位PCI背板，尺寸是标准Eurocard 3U，100mmX160mm和6U,160mmX233mm。满足CompactPCI标准的卡具有所有32位和64位PCI信号。它们也必须有大量的接地引脚，从而确保在电气噪声环境下提供足够的屏蔽和接地，因此最小化地接地反馈和最大化可靠的运行。 在基本配置中，标准要求八个槽，在台式机上有16个槽。其他工业友好的特点包括保留有源卡、抗冲击、抗震动以及使用标准的，大量生产的PCI半导体。 速度和灵活性：最新的总线 尽管PCI总线是各种成功的化身，但是某些缺陷迫使工业开发新技术。一个新技术是USB，用于处理周边设备（例如，打印机、照相机和其他设备）的通信问题。对便携式应用来说，它是非常有用的和流行的，现在PC、PDA和其他手持设备上都有USB。开发其他相对新的技术去解决一定应用带来的问题，特别是声音、图形显示，PCI总线太慢了。解决方案是PCI总线的替代物——PCI Express总线。 在2004年，PCI Express总线开始在台式机中出现，完全不同于它的前任。一方面，新总线是点对点拓扑。这意味着整个带宽在每个卡上都是可用的，不像PCI共享带宽。在狭窄的通道上串行发送数据，每秒双向传输250MB数据。多路径能聚合成X2，X4，X8，X16和X32带宽，因此需要极大带宽的设备能挂在大数据总线上。 使用规范提供的初始信号频率，X16配置每秒提供4G的数据，是33 MHz PCI系统，32位可用带宽的30倍。随着半导体技术的进步，芯片能处理更快的信号频率，期待PCI Express总线速度最终增加四倍。当时钟从铜线和总线自身跟踪的现实信号限制突然增加时，期待实现最大的价值。 由于PCI和PCI-Express连接器的差异，相同的卡不能同时运行。因此刚开始时，系统可能混合使用PCI和PCI-Express总线，更快的总线可能用于录像应用。例如，机器视觉，可能是自动化首次使用新总线。 最终PCI-Express总线将变成标准。市场分析预测是几年的过渡时间，然后PCI总线从消费者PC消失。那种转变将有一定帮助，因为PCI和PCI-Express的软件是兼容的。因此最终用户不需要采购新软件，开发人员也不需要创建和维护两套编码。 USB在二十世纪九十年代出现，原来打算连接相对低速的周边设备，例如，PC的键盘、鼠标和打印机。随着USB2.0规范的出现，每秒最大传输数据速率增加到60MB。那使它足够快用于大规模数据传输，在自动化应用中有更大的影响。 在很多方面，USB比传统的内部PC总线更容易使用。设备能热插拔，这意味着它们能增加或删除设备而不需要关闭电脑。当插入时，自动探测USB设备以便操作系统自动安装和配置该设备。低功率设备能从主PC吸收电流，消除配置独立电源线的需要。高达127个设备能运行在一个端口上，通过增加集线器，能连接更多的设备。 数据能异步或同步传输。后者在一定时间内保证能传输完而没有错误。因为自动化系统通常需要响应事件，他们能从异步紧急发送报文的能力受益。 USB决定性的自动化好处实际上是每个商用PC现在配置有USB端口。这种广泛性意味着能使用USB而不牺牲额外的能力，同时获得大规模生产带来的成本节省的好处。 对最终用户和供应商重要的方面 仍没有发布工业版本的工业PCI Express规范，也许将来会有——就像ISA和PCI一样。那是因为工业和自动化应用在某些重要的方式上不同于典型的消费品和商业PC。一些是实际的，例如，在灰尘、潮湿和震动的环境下运行。其他更多的是面向市场。两者都影响自动化应用中PC总线的选择，任何供应商的生产线都应有这两个特点。 市场驱动差异的例子是自动化系统长的生命周期。办公PC在不久的将来是不用的，如果需要，每5年左右采用新总线。任何依赖旧总线的PC将消失，由于此原因过渡到新技术更容易。 自动化环境与此是有差异的。将持续使用消费者PC长期放弃的总线。例如，仍能在工业应用中发现ISA总线。因此自动化系统必须继续支持旧总线。怎样实施的恰当例子能在Advantech的工业PC家族墙安装和机架安装的底板系统中发现。在各种配置中，PCI和ISA槽混合配置仍是可用的。 消费品和工业市场的另一个差异能在修订控制和支持的需要中发现。当它们能使用时，消费者PC的制造商经常改变他们的母板配置以及交换新视频芯片。因为自动化系统直接涉及大型工业工厂的运行，对最终用户没有记录的变化是不允许的。毕竟最终用户想在以后采购严格相同的设置。因此产品应用严格修订控制制造。工业PC家族再一次提供这个例子——工程变化通知完全记录的任何修订。 自动化应用也不同于消费品和办公室系统，因为它们通常是大型系统的一部分。因此PC-based解决方案自身做的不太好。代替的是必须有完全的软件包及其平台、I/O和所有现有的软件。该软件包必须包括需要的支持。 这能用很多方式实现。例如，Advantech提供工控机系统、工业平板监视