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一般嵌入式工控機設計主要有兩種體系結構，即封閉式和開放式體系結構。封閉式體系結構的產品不依賴于某種總線標準，為某種特定任務而專門設計，專用性較強，稱為芯片級嵌入。開放式體系結構的設計立足于某類開放的工業總線標準。依靠此類開放和標準，工控機廠商設計出各具特色、種類繁多、可供用戶靈活選擇的模板級產品，如CPU板、模擬量I/O板和數字量 I/O板等。工控機用戶可以根據任務的實際情況選擇一定數量的功能模板，以最快的速度組合成相應的應用系統，從而大大縮短開發周期，減少開發費用，使產品的升級和維護變得簡單、方便，此類嵌入方式稱為板級嵌入。
傳統工控機不僅具有像PC一樣的速度和性能(如成熟的操作員界面、復雜的控制算法和最快的處理器)，還要具備以下特性:
堅固性。工控機使用環境復雜，如高溫、高塵環境，可能還需承受沖擊和振動，要求工控機供電電源穩定可靠、制冷性能良好、插卡的固定能力強。
可靠性。MTBF指數大于10000小時，需要保守的電路和散熱設計、固態非轉動的盤驅動器和精細的電纜連接來保證。
低的MTTR指數。工控機普遍采用去掉有源電路的無源底板或工業主板，功能分散到其它插板上，因此插板一旦出現故障，可以很快完成更換。
模塊化。控制設備的工控機需要兩個以上的串口、模擬和數字I/ O、運動控制、PLC互連能力、顯示等。
實時性。工控機要具有時間和事件驅動能力，能對生產過程工況變化實時地進行監測和控制，當過程參數偏離設定值甚至出現故障時，能迅速做出相應的處理。
相比傳統工控機，嵌入式工控機硬件設計還需考慮以下因素:
兼容性。嵌入式工控機硬件設計要做到和PC、MS-DOS完全兼容，充分利用PC所積累的軟、硬件資源。
克服總線數據寬度和速度瓶頸。標準工業總線一方面使系統開放，另一方面也阻礙工控機處理器性能的發揮。較好的辦法是采用All in one和I/O總線設計方案，既可提高性能又可保持向下兼容。隨著數據采集量增加，控制策略和控制算法更加優化和復雜，對工控機的處理能力、存儲器訪問速度和實時響應能力的要求越來越高、越來越嚴格。股將局部高速總線和慢速系統總線相結合設計，即把對速度要求高的CPU、存儲器、看門狗、硬盤和需要高速訪問的I/O接口等做在一塊All in one模板上，把相對慢速的I/ O部分放在總線上，是一種合理、現實的方案。
采用基于Flash存儲器的新型存儲器系統。新型存儲器系統以 Flash存儲器為核心，具有系統小、功耗低、重量輕、堅固和可靠性高等特點，更能滿足各種苛刻的嵌入式應用要求。Flash存儲器以其高密度、高速度、不揮發、電可改寫和高可靠等優點，為實現工業控制系統軟件全固化運行的理想提供了保障。
系統故障監測和自動恢復。如今，看門狗電路已成為嵌入式工控機設計不可缺少的一部分。它能在系統出現故障時迅速報警，并在無人干預的情況下，使系統自動恢復運行。
采用PC兼容的、高集成度的嵌入式微處理器。
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