在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，嵌入式工控機(jī)設(shè)計(jì)主要有兩種體系結(jié)構(gòu)，即封閉式和開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)。封閉式體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品不依賴于某種總線標(biāo)準(zhǔn)，為某種特定任務(wù)而專門設(shè)計(jì)，專用性較強(qiáng)，稱為芯片級(jí)嵌入。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)立足于某類開(kāi)放的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。依靠此類開(kāi)放和標(biāo)準(zhǔn)，工控機(jī)廠商設(shè)計(jì)出各具特色、種類繁多、可供用戶靈活選擇的產(chǎn)品，如CPU板、模擬量I/O板和數(shù)字量 I/O板等。工控機(jī)用戶可以根據(jù)任務(wù)的實(shí)際情況選擇一定數(shù)量的功能模板，以快的速度組合成相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，從而大大縮短開(kāi)發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用，使產(chǎn)品的升級(jí)和維護(hù)變得簡(jiǎn)單、方便，此類嵌入方式稱為板級(jí)嵌入。傳統(tǒng)工控機(jī)不僅具有像PC一樣的速度和性能(如成熟的操作員界面、復(fù)雜的控制算法和快的處理器)，還要具備以下特性：
● 堅(jiān)固性。工控機(jī)使用環(huán)境復(fù)雜，如高溫、高塵環(huán)境，可能還需承受沖擊和振動(dòng)，要求工控機(jī)供電電源穩(wěn)定可靠、制冷性能良好、插卡的固定能力強(qiáng)。
● 可靠性。MTBF指數(shù)大于10000小時(shí)，需要保守的電路和散熱設(shè)計(jì)、固態(tài)非轉(zhuǎn)動(dòng)的盤驅(qū)動(dòng)器和精細(xì)的電纜連接來(lái)保證。
● 低的MTTR指數(shù)。工控機(jī)普遍采用去掉有源電路的無(wú)源底板或工業(yè)主板，功能分散到其它插板上，因此插板一旦出現(xiàn)故障，可以很快完成更換。
● 模塊化。控制設(shè)備的工控機(jī)需要兩個(gè)以上的串口、模擬和數(shù)字I/ O、運(yùn)動(dòng)控制、PLC互連能力、顯示等。
● 實(shí)時(shí)性。工控機(jī)要具有時(shí)間和事件驅(qū)動(dòng)能力，能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程工況變化實(shí)時(shí)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，當(dāng)過(guò)程參數(shù)偏離設(shè)定值甚至出現(xiàn)故障時(shí)，能迅速做出相應(yīng)的處理。
相比傳統(tǒng)工控機(jī)，嵌入式工控機(jī)硬件設(shè)計(jì)還需考慮以下因素：
● 兼容性。嵌入式工控機(jī)硬件設(shè)計(jì)要做到和PC、MS-DOS完全兼容，充分利用PC所積累的軟、硬件資源。
克服總線數(shù)據(jù)寬度和速度瓶頸。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線一方面使系統(tǒng)開(kāi)放，另一方面也阻礙工控機(jī)處理器性能的發(fā)揮。較好的辦法是采用All in one和I/O總線設(shè)計(jì)方案，既可提高性能又可保持向下兼容。隨著數(shù)據(jù)采集量增加，控制策略和控制算法更加優(yōu)化和復(fù)雜，對(duì)工控機(jī)的處理能力、存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力的要求越來(lái)越高、越來(lái)越嚴(yán)格。局部高速總線和慢速系統(tǒng)總線相結(jié)合設(shè)計(jì)，即把對(duì)速度要求高的CPU、存儲(chǔ)器、看門狗、硬盤和需要高速訪問(wèn)的I/O接口等做在一塊All in one模板上，把相對(duì)慢速的I/ O部分放在總線上，是一種合理、現(xiàn)實(shí)的方案。采用基于Flash存儲(chǔ)器的新型存儲(chǔ)器系統(tǒng)。新型存儲(chǔ)器系統(tǒng)以 Flash存儲(chǔ)器為核心，具有系統(tǒng)小、功耗低、重量輕、堅(jiān)固和可靠性高等特點(diǎn)，更能滿足各種苛刻的嵌入式應(yīng)用要求。Flash存儲(chǔ)器以其高密度、高速度、不揮發(fā)、電可改寫(xiě)和高可靠等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)軟件全固化運(yùn)行的理想提供了保障。系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)和自動(dòng)恢復(fù)。如今，看門狗電路已成為嵌入式工控機(jī)設(shè)計(jì)不可缺少的一部分。它能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)迅速報(bào)警，并在無(wú)人干預(yù)的情況下，使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。采用PC兼容的、高集成度的嵌入式微處理器。
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