工业中常用的总线技术

1、工业中常用的总线技术概述及前景摘要 针对工业中日新月异的总线技术的发展问题， 本文先对总线技术作一个概 述，介绍了在工业中常用的并且较有发展前景的 CompactPCI 总线和基于 CompactPCI总线技术发展起来的PXI总线，概括了它们发展的历史轨迹，分析 了它们相对于早期包括STD总线和VXI总线技术的优势及其应用领域。文章的最 后还分析了 CompactPCI总线和PXI总线的令人振奋的发展前景。时代在进步， 技术在更新。 无论是工业自动化领域、 测试和测量自动化领域还是电信等其他领 域，那些具有标准化、高性价比、开放性、可靠性、易维护性的技术是人们永远 追求的目标，于是有了基于 P

2、C的控制、现场总线、工业以太网等，当然还有在 短短几年时间内就已为人们广泛接受， 正在成为工业数据采集、 自动化、 测量与 测试领域主流平台的 PXI 技术。中国的广大用户也开始采用 CompactPCI/PXI 技 术，应用气氛十分活跃，应用效果显著。关键词 总线技术 CompactPCI 总线 PXI 总线 前景 工业一、总线概述所谓总线，就是在模块之间或者设备之间传送信息、 相互通信的一组公用信 号线的集合， 是系统在主控设备的控制下， 将发送设备发送的信息准确地传送给 某个接收设备的信号载体或公共通路。总线的特点在于其公用性 即它可以同时挂接多个模块改设备。 在微型计算 机系统中， 利

3、用总线可以实现芯片内部、 印制电路板各模块之间、 机箱内各插件 板之间、主机与外围设备之间或系统与系统之间的连接与通信。 总线是构成微型 计算机应用系统的重要技术，总线设计的好坏会直接影响整个微机系统的性能、 可靠性、 可扩展性和可升级性。 由于总线公用性的特点， 必须解决物理连接技术 和信号连接技术。 物理连接包括电线的选择与连接、 用于缓冲的驱动器、 接收器 的选择与连接 还包括传馈线的屏蔽、 接地和抗干扰等技术。 信号连接包括基本 信号相互问的时序匹配和总线握手逻辑控制问题。总线的特点还在于它的分时性。 在同一时刻 总线上只能允许对功能部件 或设备进行信息交换。当有多个功能部件或设备都要

4、使用总线进行信息传翰时， 只能采用分时使用总线的方式。 完成一次信息交换的总线时间， 通常称之为一个 传输周期或一个总线操作用期。 由于总线分时性的特点， 在实现上， 系统中必须 设置对总线的使用权进行仲裁管理的机构 以解决谁先谁后使用总线的问题 包 括总线判决和中断控制技术。二、总线分类大体来说，工业中常用的总线包括 STD总线、VME总线、PXI总线、VXI总 线、PCMCIA、线、PMC总线、CompactPCI总线等。本文主要介绍 CompactPCI总 线和 PXI 总线这两种较有发展前景的总线技术。(一) CompactPCI总线技术CompactPCI简称cPCI，中文又称紧凑型

5、PCI，是国际PICMGt、会于1994提 出来的一种总线接口标准。 它的出现解决了多年来电信系统工程师与设备制造商 面临的棘手问题，将VME密集坚固的封装和大型设备的极佳冷却效果以及PC廉价、易采用最新处理能力的芯片结合在一起，保证了99.999%的高可靠度，极大降低了硬件和软件开发成本。目前 PCI 总线已成为了事实上计算机的标准总线。CompactPCI所具有的开放性、高可靠性、可热插拔(Hot Swap，使该技术 除了可以广泛应用在通讯、网络、计算机电话整和( Computer Telephony )，也 适合实时系统控制( Real Time Machine Control )、产业

6、自动化、实时数据采集 (Real-Time Data Acquisition )、军事系统等需要高速运算、智能交通、航空 航天、医疗器械、水利等模块化及高可靠度、可长期使用的应用领域。早在 1995年，香港塞德公司将具有优质、高效、低耗等优势的最新总线类 产品CompactPCI推向中国市场，同时亦把美国PICMGt、会的发展情况介绍到中 国。我国工控界权威人士即达成共识： 要跟踪高科技， 保持与世界工控产品的同 步运作，必须携手联合，优势叠加，共同研发，才能促进 CompactPCI 在我国的 发展，使 Compact PCI 成为我国工控界的共用资源。80 年代初，我国在引进、消化吸收的基

7、础上，经过技术创新，研制成功了STD总线工业计算机。STD工控机因具有灵活的组合方式、成本低、小板结构及 广泛的兼容性等优点，自 1984年国内开始从事开发和推广应用以来，被广泛地 应用于钢铁冶金、石油化工、机电成套设备、医药食品、数控机床、工业炉窑等 工业领域、以及军工和科研设备中。STD工控机型号众多，包括INTEL8088/80188、 80286、80386、80486和NEC公司的V20 V40 V50等CPU类型的机型，其中以 采用NEC公司V40芯片设计的V40系统最具代表性，该系统于1994年被率先成 功地应用于水轮发电机变压器组继电保护、 水轮发电机励磁等电气二次成套 装置中

8、。现场实际商业运行表明：STD工控系统较为稳定，但其体系结构仍存不 足。STD工控机的不足：（ 1） STD 工控机板采用“金手指 ”拔插，间或造成印制板边缘插头近处铜箔 断裂或总线接触不良。（2）模拟输入测量线和 I/O 信号线采用前端扁平电缆连接使整个系统运行的可 靠性受到潜在威胁。（3）原类似STD5459型号的智能A/D采集板采集速度较慢；且板上四选一模拟 开关、采样保持器软故障偶有发生。（4） 随着WINDOW窗口系统的使用习惯养成，用户已明显感觉到在LED方式下 进行参数整定相当不方便，因为需要记忆过多的功能键。（5） 原STD工控机由于考虑到通用性和可扩充性，造成许多系统“冗余”

9、、 系统资源浪费。在90年代以后，由于STD工控机的不足，以及需要满足不同应用领域的高 性能、高可靠、高可用的经济型工业计算机的需求，STD总线的工控机逐渐被淘汰。90年代采用ISA和PCI总线的IPC取代STD开始得到应用和普及。但由于 IPC的板级互连结构和机械结构的限制，引起诸多不可靠因素，如散热不合理、 抗振动和冲击能力差、电磁兼容性等，从 90 年代末开始，发展势头变慢，而且 市场占有率开始下降，逐渐退出高可靠性领域。CompactPCI技术是在PCI技术基础之上经过改造而成，具体有三个方面： 一是继续采用 PCI 局部总线技术；二是抛弃 IPC 传统机械结构，改用经过20 年实践检

10、验了的高可靠欧洲卡结构，改善了散热条件、提高了抗振动冲击能 力、符合电磁兼容性要求；三是抛弃IPC的金手指式互连方式，改用2mm密度的 针孔连接器，具有气密性、防腐性，进一步提高了可靠性，并增加了负载能力。经过改造的CompactPCI工业计算机适合工业现场应用。由于具有热插拔和 冗余设计能力，可以构建高可用性系统，满足电信、数字通信、军事装备以及其 它高可靠领域的要求。目前CompactPCI技术是国际最先进的工业计算机技术。近年来，电信技术发展迅猛。 CPCI 架构难以满足未来几年电信领域宽带技 术的需求。 因此，市场迫切需要发明新的交换技术， 以满足日益增长的对具有每 秒 Terabit

11、s 传输性能 的开放式架构平台的需求。 这就是新兴的 PICMG 3.x Adva ncedTC/技术。在今后的 5-10 年，CompactPCI总线与 PICMG2.16、AdvancedTCA在相互补 充中并存。CompactPCI总线主要面向工业自动化应用，将逐渐取代 VMEW ICP， 牢牢占据基础自动化和过程自动化层。而 PICMG 2.16和AdvancedTCA各主要针对电信应用(二) PXI 总线技术自 1986 年美国国家仪器公司( National Instruments Corp.简称 NI )推出虚拟仪器( Virtual Instruments,简称 VI )的概念

12、以来， VI 这种计算机操纵的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同与应用。 在 VI 系统中，用灵活、 强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，用人的智力资源代替许多物质资 源，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析， 使仪 器中的一些硬件、甚至整件仪器从系统中“消失” ，而由计算机的软硬件资源来 完成它们的功能。但是，在 GPIB PC-DAM VXI三种VI体系结构中，GPIB实 质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展与延伸；PC-DAQ直接利用了标准的工业计算机总线， 没有仪器所需要的总线性能； 而第一次构建 VXI 系统尚需较大的 投资强度。1997年 9月

13、1日， NI 发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范 PXI。 PXI 是 PCI 在仪器领域的扩展 (PCI eXtensions for Instrumentation), 它 将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场 合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。制订 PXI 规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要 扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。(1)PXI 规范的电气性能1) 参考时钟PXI规范定义了将10MHz参考时钟分布到系统中所有模块的方法。该参考时钟可被用作同一测

14、量或控制系统中的多卡同步信号。 由于 PXI 严格定义了背板总 线上的参考时钟， 而且参考时钟所具有的低时延性能使各个触发总线信号的时钟 边缘更适于满足复杂的触发协议。2) 触发总线PXI 不仅将 ECL 参考时钟改为 TTL 参考时钟，而且只定义了 8 根 TTL 触 发线，不再定义 ECL 逻辑信号。 这是因为保留 ECL 逻辑电平需要机箱提供额外 的电源种类，从而显著增加 PXI 的整体成本，有悖于 PXI 作为 21 世纪主流测 试平台的初衷。使用触发总线的方式可以是多种多样的。 例如，通过触发线可以同步几个不 同 PXI 模块上的同一种操作， 或者通过一个 PXI 模块可以控制同一系

15、统中其它 模块上一系列动作的时间顺序。 为了准确地响应正在被监控的外部异步事件， 可 以将触发从一个模块传给另一个模块。 一个特定应用所需要传递的触发数量是随 事件的数量与复杂程度而变化的。3) 星形触发PXI 星形触发总线为 PXI 用户提供了只有 VXI D 尺寸系统才具有的超高性 能( Ultra-high performance )同步能力。星形触发总线是在紧邻系统槽的第一 个仪器模块槽与其它六个仪器槽之间各配置了一根唯一确定的触发线形成的。 在 星形触发专用槽中插入一块星形触发控制模块， 就可以给其它仪器模块提供非常 精确的触发信号。 当然，如果系统不需要这种超高精度的触发， 也可以

16、在该槽中 安装别的仪器模块。应当提出，当需要向触发控制器报告其它槽的状态或报告其它槽对触发控制 信号的响应情况时， 就得使用星形触发方式。 PXI 系统的星形触发体系具有两个 独特的优点： 一是保证系统中的每个模块有一根唯一确定的触发线， 这在较大的 系统中，可以消除在一根触发线上组合多个模块功能这样的要求， 或者人为地限 制触发时间。 二是每个模块槽中的单个触发点所具有的低时延连接性能， 保证了 系统中每个模块间非常精确的触发关系。4) 局部总线PXI 局部总线是每个仪器模块插槽与左右邻槽相连的链状总线。 该局部总线 具有 13 线的数据宽度，可用于在模块之间传递模拟信号，也可以进行高速边带

17、 通讯而不影响 PCI 总线的带宽。局部总线信号的分布范围包括从高速 TTL 信号到 高达 42V 的模拟信号。5) PCI 性能除了 PXI 系统具有多达八个扩展槽(一个系统槽和七个仪器模块槽) ，而绝 大多数台式PCI系统仅有三个或四个PCI扩展槽这点差别之外，PXI总线与台式 PCI 规范具有完全相同的 PCI 性能。而且，利用 PCI-PCI 桥技术扩展多台 PXI 系 统，可以使扩展槽的数量理论上最多能扩展到 256个。其它的PCI性能还包括 33MHz 性能 32-bit 和 64-bit 数据宽度 132MB/s(32-bit) 和 264MB/s(64-bit) 的峰值数据吞吐

18、率 通过 PCI-PCI 桥技术进行系统扩展 即插即用功能三、综述( CompactPCI/PXI 发展前景)近几年，无论是在网络通信领域、 工业自动化领域还是测试和测量自动化领 域，随着人们对标 准 化、开 放 性和技 术 的面向未 来性认 识的不断提 高， CompactPCI/PXI 技术得到了越来越广泛的关注。与此同时， CompactPCI/PXI 技 术也逐渐被国内市场接纳和认同，应用气氛十分活跃。目前， CompactPCI/PXI 的系统已广泛且成功地应用于汽车测试、半导体测 试、功能性测试、航空设备测试以及军事应用。开放的软硬件架构，永远是各种 解决方案的趋势。在工 业自 动化 领域 ， CompactPCI/PXI 应 用成 绩显 著。 到目 前为 止， CompactPCI/PXI 在自动化领域的应用已经由试验、观望阶段进入了普及时期。 例如，唐山大学基于 CompactPCI/PXI 技术研制的锅炉供热自动控制系统，成功 地应用在唐山市热力总公司供热项目上， 而且开发周期短， 系统运行可靠； 山西 海泰电子研制的多通道瞬态信号测试系统， 检测器件电起爆 / 点火瞬态响应特性， 解决了石油行业中火工品器件的参数测试问题；上海宝钢则采用了 CompactPCI/PXI 研制的轧机震动纹自动监测