工业控制计算机(简称工控机)是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。中国工控机技术的发展经历了上世纪80年代的第一代STD总线工控机，90年代的第二代IPC工控机，现在进入了第三代CompactPCI总线工控机时期。以 CompactPCI总线工控机技术为核心，以 PXI 和 AdvancedTCA 等技术为补充和发展的第三代工控机技术，将有力地推动工业过程自动化、制造业信息化、仪器仪表虚拟化、公共交通系统的智能化、下一代网络技术基础设备的标准化等的发展，并为民族产业带来新的发展机遇，也使传统工控机及其相关产业面临新的挑战。

1、第三代工控机技术标准的内容和发展点

传统IPC工控机存在的固有问题有：

① 受到机箱结构的限制，散热通路不畅通，散热性能不好，容易引起印制板变形、断线、接触不良等问题，还会造成电子器件寿命降低、工作不稳定等；

② 板卡和无源背板之间的金手指边缘接触连接方式，容易造成在振动和冲击过程中瞬间接触不良，引起系统死机；

③ 金手指自身在潮湿或腐蚀性气体环境中长期使用，容易氧化或腐蚀，造成系统接触不良，而且多次拔插容易变形；

④ 多数板卡通过金属挡片一端固定，在振动力的作用下容易产生微距离逆时针旋转，造成系统信号断路或短路，使系统崩溃；

⑤ 系统机箱表面喷漆处理，不能形成一个完整的导电体，电磁干扰的屏蔽能力和静电释放能力差；

⑥ 故障板卡更换时间长，可维护性差。

IPC工控机的上述问题极大地限制了其进一步发展，也使其难以在当今对产品可靠性和可维护性要求越来越高的领域应用。物竟天择，第三代工控机技术应运而生。

1.1 CompactPCI总线标准是第三代工控机技术的核心

CompactPCI总线是在PCI局部总线技术的基础上发展起来的，从根本上解决了工控机的可靠性和可维护性问题，并增加了板卡的“热插拔”功能。该总线标准融合了欧洲卡结构和 PCI 总线的先进性，总结起来主要有以下几点内容：

① 欧洲卡式机械结构(见图1)。这种结构要求板卡垂直地面安装，符合热空气流通自下而上的原理，利于散热制冷，合理地解决了系统散热问题，最大程度地避免了由于系统发热引起的故障；板卡通过上下导轨、前面板和后接插件从4个方向锁紧、固定，提升了系统抗振动和冲击能力，最大限度地避免了由于振动引起系统故障；导电的铝氧化机箱通过导电的弹性条连接和密封，实现了机箱整体导电，有效地屏蔽了空间电磁场辐射，并具有良好的静电中和及静电对地释放能力，电磁兼容性好。

图1 CompactPCI总线工控机的板卡和系统结构

② 系统具有模块化组合结构。一个模板就是一个功能模块，通过无源背板连接，利用前面板上的扳手实现模板的插入和拔出，简单、方便，具有良好的可扩展性和可维护性；模板尺寸有3U和6U两种；模板上设计了三段式静电释放电路，可以将人体、模板带的静电通过具有导电簧片的导轨科学地释放到机箱乃至到大地，最大限度地保护系统部件免遭静电冲击。

③ 无源背板垂直地面安装。有效地防止振动破坏和尘埃累积，提高了可靠性。

④ 模板和背板通过高密度和气密性针孔连接器互连。有效地防止了腐蚀性气体和潮湿空气的侵蚀；每个连接器具有10kg的抗拉力；该连接器还具有良好的高频特性，可以在PCI总线10个电气负载约束条件下将I/O插槽扩展到7个，而且还可以通过PCI桥片继续扩展；0.8in(1in=25.4 mm)的插槽间距，可以使19in的标准CompactPCI总线机箱容纳21个插槽。

⑤ 高性能的模板间互连的PCI总线。支持32～64位的数据宽度和33～66MHz的传输速度，64 位/66MHz的数据传输速度超过了4Gb/s，具有很高的数据传输性能。

⑥ 系统支持后出线。现场的信号线可以在背板后面与系统相连，方便系统走线；在更换系统故障模板时，不用拆卸和安装现场信号线，可进一步缩短维护和维修时间。

⑦ CompactPCI总线连接器具有长、中、短3层结构插针。可以方便控制总线的电气连接和软件连接过程，在不切断电源的条件下可拔出故障模板，插入备份模板，保持系统连续不间断运行，这一点对于不能停机的重要生产和监测系统非常重要，这就是CompactPCI总线的“热插拔”功能，它为构造高可用性的冗余系统奠定了基础。

CompactPCI总线的制定和发展组织是国际CompactPCI总线工控机协会 PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)。在国内的组织机构是“中国计算机行业协会 PICMG/PRC”。

1.2 PXI总线标准是CompactPCI总线标准的扩展IPC技术的发展催生了PC-based仪器仪表技术的产生和发展，即“虚拟仪器”技术。虽然相对于GPIB和VXI而言，其性能提高了，价格降低了，但可靠性和稳定性一直制约着其发展。随着CompactPCI总线技术的产生和发展，基于CompactPCI总线的PC-based的虚拟仪器技术突破了IPC的局限性，迅速得到了应用和发展。但无论如何，CompactPCI总线并不是面向仪器仪表领域设计的，还解决不了应用于该领域深层次的技术问题，如多个仪器模块的测量同步以及测量的连续性和一致性问题等。因此在1998年，基于CompactPCI总线，并面向仪器仪表领域应用扩展的新型总线——PXI总线标准诞生了。PXI总线在继承了CompactPCI总线欧洲卡式机械结构、连接器和PCI总线电气特性等技术基础上，增加了同步参考时钟、同步触发信号和星型触发信号以及局部高速数据传输通道等功能，如图2所示。

图2 PXI总线的电气结构

PXI 是在 CompactPCI总线基础上发展起来的，并且相互兼容，主要改进的性能有：

① 为每个仪器模块增加了一根10MHz的系统同步参考时钟线(common clock)，可以在系统中同步不同的仪器模块，保证系统测量的一致性和连续性。

② 增加了两组同步触发总线。一组是8根公共同步触发总线，用于各仪器模块之间的一般同步，同步精度<10 ns，即可以同步不同PXI模块的操作，也可以通过一个模块，精确控制系统中其他模块上进行操作的时序。触发信号还能在模块间传递，以实现对所控制或监督的外部异步事件做出确定响应；另一组是由专用触发模块发出的星型同步触发总线，每个模块有一根专用触发信号，同步精度<1 ns，可以为系统提供高精度的触发基准。

③ 增加了菊花链式连接的13根局部高速专用数据传输通道，用于两个仪器模块之间高速传输测量数据而不需要占用共享的 CompactPCI总线。
PXI总线具有对其他总线的融合性，而不是排它性。PXI总线仪器通常与其他总线仪器或传统仪器一起，组成混合测量系统，如图3所示。

图3 多总线混合测试系统结构

作为第三代工控机技术应用于 ATE(自动测试设备)的新兴代表，PXI将VXI总线和CompactPCI总线完美地结合到测量和测试仪器中。第一，在可靠性、稳定性和测量精度等方面继承了VXI的模块化优点；第二，CompactPCI总线比VME总线有着许多先天性优点，因此PXI的许多性能，如数据宽度、数据速率等都优于VXI；第三，PXI与Compact PCI 保持兼容；最后，PXI价格适中，首期投入就比VXI便宜 30%左右，在提供高测控系统品质的同时，费用却会显著降低。PXI系统的典型结构如图4所示。