嵌入式分布模塊控制系統與網(wǎng)絡(luò )的互連

現代微電子學(xué)為實(shí)驗物理學(xué)、工程學(xué)和其他應用中的分布式系統發(fā)展提供了新的可能。

用于數據采集(DAQ)且與網(wǎng)絡(luò )相互連接的新型模塊化微處理器系統和分布式控制應用正被人們提出并討論。高功率多功能的特定(用于通信和DSP)微處理器與分布式存儲器一起作為實(shí)時(shí)系統來(lái)運作。用于數字信號處理(DSP)和控制應用的嵌入式模塊化系統在工業(yè)標準(工業(yè)計算機系統(ICS)ISA機箱(MicroPC)有兩個(gè)/四個(gè)插槽或cPCI有四至八個(gè)插槽)中發(fā)展起來(lái)。多處理器系統能有效應用于分布式控制，人們正在研究用于此系統的實(shí)時(shí)多處理器核和操作系統(OS)以適應實(shí)驗研究和工程技術(shù)應用中的可能發(fā)生的各種應用場(chǎng)合。

人們正考慮將具有有源底板的緊湊型工業(yè)計算機系統(ICS)和具有無(wú)源底板的基于緊湊型PCI的系統(cPCI/PXI)通過(guò)以太網(wǎng)連接起來(lái)作為嵌入式實(shí)時(shí)系統用于控制應用場(chǎng)合。人們也考慮將分布式系統與系統區域網(wǎng)絡(luò )(SAN)連接起來(lái)作為具備并行流水線(xiàn)數據處理能力的高級模塊系統用于數據采集和控制應用場(chǎng)合。在對數據采集、觸發(fā)和控制子系統進(jìn)行聯(lián)合建模的基礎上，人們考慮將實(shí)驗物理學(xué)和工程子系統結合起來(lái)。

1.具備有源底板的嵌入式模塊化實(shí)時(shí)系統

微型機由許多元件(插入到底板上)組成，包括CPU、存儲器、磁盤(pán)驅動(dòng)器和串口/并口。一些計算機基于IBM PC(ISA總線(xiàn))插件模塊，另一些作為在單個(gè)板上的獨立系統(無(wú)底板)來(lái)實(shí)現，其他的則是基于底板總線(xiàn)(VME/VXI)的單板計算機(SBC)。

基于底板的微型機可以用于數據采集、過(guò)程控制和不同的研發(fā)項目，但是一般情況下，由于其過(guò)大的體積而不將它作為智能元件嵌入到設備中去。二十世紀八十年代，計算機板被大規模集成芯片所限制，集成電路因具有先進(jìn)的性能而占領(lǐng)了整個(gè)計算機板市場(chǎng)，而后發(fā)展為單片機或DSP。PC/104和PC/104-Plus 模塊趨向于由支持嵌入式Linux的標準PC臺式機和筆記本電腦組件來(lái)組成。PC/104-Plus增加了使用board-to-board總線(xiàn)(120 針)的PCI總線(xiàn)。

在基于PC的非桌面嵌入式系統上，人們對IBM PC兼容性的興趣日益增加：

- PC芯片級和外圍的兼容性能使成本更低、結構更簡(jiǎn)單、支持更容易，

- PC兼容性提供了PC機操作系統(MS-DOS, Windows, Linux)、語(yǔ)言和工具等優(yōu)勢。

由于新型接口(USB, FireWire, 藍牙)、架構(MIPS, PowerPC, arm)和操作系統(RTLinux, RTEMS)的出現，嵌入式單板計算機(SBC)平臺能夠更好地服務(wù)于嵌入式模塊化實(shí)時(shí)系統：

- 增加了嵌入式智能，許多應用需要有對用戶(hù)友好的圖形和語(yǔ)音界面;

- 增加了需要進(jìn)行相互連接(TCP/IP, PPP, HTTP, FTP)的電子設備的需求;

- USB正在取代串口、并口和PS/2接口，以太網(wǎng)隨處可見(jiàn)，FireWire (IEEE-1394)正開(kāi)始被使用;

- 處理器(高度集成了基于arm, MIPS, PowerPC和x86的面向應用的片上系統) 正在開(kāi)發(fā)中;

Linux用于所有的計算處理，它提供了低成本、開(kāi)源的解決方案，支持開(kāi)放性標準、網(wǎng)絡(luò )連接、通信、Internet和其他功能。

有人提議將基于小型工業(yè)計算機系統(ICS)的具有兩個(gè)插槽的緊湊型模塊化系統作為嵌入式控制器端(CS)和工作虛擬端(VS)通過(guò)10/100M以太網(wǎng)在分布式網(wǎng)絡(luò )中連接起來(lái)。每個(gè)虛擬端(VS)都是基于Windows 或/和 Linux，每個(gè)控制器端(CS)都是基于RT-Linux并且用于數據采集，監測和控制。兩個(gè)PCI插槽中的一個(gè)用于基于DSP的數據采集和控制模塊，另一個(gè)則用于擴展或另外的以太網(wǎng)連接。

通常，在硬件和軟件上，現場(chǎng)總線(xiàn)用經(jīng)濟的模塊化方法來(lái)取得不同的應用成果。今天，大多數計算機將傳統的網(wǎng)絡(luò )(10/100M以太網(wǎng)、FireWire、USB)作為標準的連接?，F場(chǎng)總線(xiàn)的概念對于所有電子設備來(lái)說(shuō)應該是透明的。串行總線(xiàn)(USB、 FireWire)用于中高速的I/O連接。SCI的相互連接支持可擴展的多處理器集群和高性能模塊化實(shí)時(shí)系統。

另一版本的緊湊型CS隨著(zhù)具有基本通信處理器模塊的四個(gè)插槽的Micro PC機箱發(fā)展起來(lái)，此處理器模塊也包括了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的存儲芯片和一套標準接口(CAN總線(xiàn)、RS232及其它)。實(shí)時(shí)操作系統(RT-Linux, RTEMS)可用于數據采集和控制應用場(chǎng)合。

2.具備無(wú)源底板的嵌入式模塊化實(shí)時(shí)系統

Euro -card(3U格式)是國際標準(IEEE 1101.1)。VME總線(xiàn)允許16位數據以3U格式傳送(6U板支持全數據總線(xiàn)帶寬)。與VME(3U)相比，cPCI(3U)是個(gè)性能更高且更有效率的系統，而在VME體系結構中實(shí)現PC功能困難重重。3U cPCI總線(xiàn)性能優(yōu)于3U VME。

與嵌入式PC板格式相比，cPCI/PXI總線(xiàn)支持single-wide板和double-wide板中的全32位或64位數據傳輸。cPCI/PXI也提供了一些優(yōu)勢。cPCI/PXI提升了系統的靈活性，將PCI插槽數由4個(gè)提高到了8個(gè)。cPCI為工業(yè)環(huán)境(如VME)所設計，而PXI為儀器使用系統(如VXI)所設計。3U cPCI無(wú)源底板比較小但可以增大。使用底板的方法使維護和升級3U cPCI模塊變得更為簡(jiǎn)單。cPCI/PXI(3U)板支持工業(yè)自動(dòng)化所需要的I/O，而工業(yè)自動(dòng)化也需要分布式I/O。

cPCI支持現場(chǎng)總線(xiàn)用于數據采集、控制、監測和進(jìn)程報告。為了滿(mǎn)足工業(yè)應用的需要，cPCI系統支持高級的用于cPCI單板計算機上的網(wǎng)絡(luò )連接功能(10/100M以太網(wǎng)、 USB、FireWire和現場(chǎng)總線(xiàn))。模塊性能夠幫助人們進(jìn)行最廣泛的應用并提供了基于cPCI/PXI的SBC支持的靈活性。

嵌入式模塊化cPCI/PXI(3U)系統硬件有如下優(yōu)勢：1)小型規格(220針，2mm連接器)體現了它是個(gè)對抗控制應用場(chǎng)合中沖擊和振動(dòng)的良好平臺。2) 完整的PC模塊(帶有圖形、快速以太網(wǎng)、IEEE1394、USB、現場(chǎng)總線(xiàn)、flash存儲器和128M的SDRAM)能夠建立在緊湊型且具靈活性的 3U平臺上。3)降低功耗是減小成本的重要步驟，追求更小型的處理器幾何尺寸降低了功率級。研究顯示，通過(guò)3U cPCI實(shí)現的控制設備消耗的功率通常低于20W。4)另外，帶有64位總線(xiàn)的8插槽cPCI底板通過(guò)使用機架和EMI屏蔽附件提供了經(jīng)濟型底板(無(wú)源的和有源的)?，F代嵌入式計算機的解決方案需要基于Windows的軟件來(lái)完成用于控制應用 (RT-Linux, RTEMS, QNX, OS-9, VxWork)的人機連接、網(wǎng)絡(luò )連接、文件管理和確定性的實(shí)時(shí)軟件。

用于與PC兼容的嵌入式SBCs的Linux支持傾向于以正常方式使用芯片來(lái)提供，包括一些特定的功能如：顯示控制器模式、LCD面板控制信號、PCMCIA、板上固態(tài)磁盤(pán)和非標準的功能(看門(mén)狗定時(shí)器)。