工业通信网络3-3

工业通信网络与技术

（现场总线）许勇xuy@主要教学内容和学时分配第一章工业通信概述 2第二章数据通信基础 4第三章通信总线技术及应用 8计算机接口总线工控机与测控仪器接口总线常用工业通信总线第四章现场总线/控制网络的核心技术 8现场总线概述FF/Lonworks/Profibus等 网络集成式控制系统第五章汽车网络和CANbus 14第六章工业以太网及其应用 4合计

40随着Wintel架构演变成事实上的标准，ISA/PCI总线加固型PC开始工业化改造成IPC：取消了母板，采用无源背板、插卡式模板，工业电源，全钢密封机箱，温度自动检测和调整等，产生了一系列基于PC的嵌入式工控机，其中比较有代表性的是PC/104总线、AT96总线、

STD总线、CompactPCI/PXI总线工控机。现在工厂的大部分自动化设备的核心是各种CPU，如工业PC、PLC或者嵌入式控制器等，这些设备有内部总线，也带有各种通信接口，以便于联机组成集成系统。专用的数控中心和数控机床除了自己的内部系统总线外，还有用于传输加工程序的外部通信端口。工业控制通信要求：实时性、高可靠性和安全性。II.工控机接口总线工控机技术的发展经历了20世纪80年代的第一代STD总线工控机，20世纪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。STD总线工控机解决了当时工控机的PC化；IPC工控机解决了低成本和兼容性问题；CompactPCI总线工控机解决的是可靠性和可维护性问题。CompactPCI总线工控机将是生产过程的自动化系统的核心，IPC将逐渐由生产过程层向管理信息化层移动，而STD总线工控机将退出历史舞台。不过，由于工业计算机和通信设备的初期投资大，服务年限相对较长，技术生命也远比普通PC长，更新换代的速度会比较慢，所以在实际的市场系统中，可以遇到属于不同时代的总线设备。作为工业控制计算机，工控机的总线基本上就是PC总线的改进。1.STD总线STD（Standard）1978年由美国Prolog公司推出，曾是工控及工业检测中使用最广泛的总线。1990年IEEE公布STD32。STD32具有大约1000多种功能模块，这些模块可以组成各种不同的数据处理以及控制系统。STD总线的16位总线性能满足嵌入式和实时性应用要求。STD总线插件板采用小尺寸板子结构，电路板上带有边缘式印制插头（也叫“金手指”）、垂直放置无源背板的直插式结构、丰富的工业I/O模板，低成本、低功耗，扩展的温度范围，良好的可维护性设计，耐振动、冲击，具有良好的可靠性，适合于工业测控场合的应用。早期的工控机总线STD总线工控机具有以下特点：小板结构，高度模块化：STD总线采用公共母板结构，总线被布置在一块母板（底板）上，总线插槽的引脚连接STD总线的所有引线。这种结构在强度、抗断裂、抗震动、抗老化和抗干扰方面具有很强的优越性。严格的标准化，广泛的兼容性：STD总线模板设计有严格的标准化，总线结构还支持8位、16位，甚至32位的微处理器，可以很方便地通过更换CPU板和软件升级，原来的I/O模板不必更换。STD产品可利用IBM-PC系列软件资源。面向I/O的开放式设计，适合工业控制应用：一个STD底板可插8、15或20块模板。在众多功能模板的支持下，用户可以方便的组态。高可靠性：STD产品平均无故障时间（MTBE）已超过60年，可靠性靠小板结构、线路设计、印刷电路板的布线、元件老化筛选、电源质量、在线测试等一系列措施，以及固化软件Watchdog、掉电保护等技术来提供保障。STD工控机包括Intel8088-80486和NEC的V20-V50等CPU类型的机型。

有些还带PC/104-Plus扩展总线，允许

PC/104或PC/104-Plus模板直接插在板上运行，如高速显示卡等。STD32工控机支持Profibus、DeviceNet、ControlNet接口。80年代初，国内开始推广应用STD工控机，应用于钢铁冶金、石油化工等工业领域以及军工和科研设备中。STD工控系统主要的不足有：“金手指”拔插容易造成插头处铜箔断裂或接触不良；模拟输入测量线和I/O信号线采用的前端扁平电缆连接不可靠；A/D采集板采集速度慢，板上模拟开关、采样保持器故障偶有发生；在LED方式参数整定不方便，需要记忆过多的功能键；由于考虑通用和可扩充，许多系统“冗余”、资源浪费。90年代后，STD总线的工控机逐渐被淘汰。2．PC/104总线的出现基于PC的（与ISA/PCI兼容）的嵌入式工控机中有代表性的是PC/104和PC/104-Plus总线嵌入式工业控制机。80年代末出现PC/104总线，一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。有两个版本8位和16位（与PCXT和PC/AT对应），8位PC/104共有64个总线管脚，单列双排插针和插孔，分别是64针和40针，合计104个总线信号（PC/104因此得名）。97年推出PC/104-Plus，增加了30×4根信号线的J2插座，支持PCI。国产的标准PC/104嵌入式主机板PC/104与普通PC总线控制系统的主要不同是：

小尺寸结构：采用自层叠互连方式和3.6in×3.8in小板结构；堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接，总线模块之间的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连，具有极好的抗震性；轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模块正常工作，每个模块1～2W能耗。

软件采用结构化语言如Ｃ、Ｃ＋＋和面向对象的编程方法。整个嵌入式PC体系结构可以作为一个单独的插件，它上面具有所有主板功能、RAM和BIOS。利用与PC/104配套的接口板，完成对下位节点的通信。通过RS-232C串行异步通信协议完成与上位机的通信。PC/104总线更适合在空间受限的嵌入式环境中使用，如消费类电子产品等。近来紧凑加固性设计的PC/104工控机在军工产品中开始采用，如火箭、导弹和战斗机等。PC/104总线工控机的其驱动能力差（4mA），扩展和维护受限，在工业过程控制和自动化领域的应用范围受到局限。3.VME总线（VersaModuleEurocard）VME81年Motorola等推出的第一代32位工业开放标准总线，源于VERSAbus，是Motorola公司1980年设计推出用于支持其MC68000微处理器产品线的技术。87年VME被

IEEE正式确立为万用背板总线标准，93年被采纳为国际标准IEEE155。VME数据宽度为32位，最大总线速度是40MB/s。96年新标准VME64最大数据传输速度为80MBps。VME总线OEM产品主要采用68K系列微处理器，现在也开始采用Intel和AMD公司的处理器。VME定义了一个可进行互连数据处理、数据存储和连接外围控制器件的系统。围绕VME系统的产品曾经遍及了工业控制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领域。VME总线工控机曾经是主流产品，在历史上一直是许多嵌入式工业应用的首选机型，在图像处理、工业控制、实时处理和军事通信中得到了广泛应用。。VME系统有两个部分：机械构架和功能构架（定义系统的运转流程）。机械结构：主要部分为背板，是一个印刷电路板，大小有三种型号：3U（160mm×100mm）、6U和9U。有三种连接器，分别为P0/J0、P1/J1和

P2/J2，“P”和“J”分别代表PLUG和JACK连接器。功能结构：由信号线、背板接口逻辑和功能模块组成。背板接口逻辑和信号线是系统各部分之间的纽带。功能模块则是执行具体任务的电路集合。其中主设备（master）决定着数据传输的顺序；根据主设备数据传输情况而动作的模块叫做从设备（slave），负责监控数据传输目标地址的模块被称为定位监控设备。此外，还有发出和处理中断请求的模块，判定和处理其他模块请求的仲裁模块。当然，还有发出时钟信号的模块和监控系统电源工作情况的模块。这些功能模块在总线的支持下配合工作。各模块以平行结构分布，所有的数据和指令通过系统底层的4类总线进行传输，信号的模式是TTL电平信号。VME系统总线：分为四大类：数据传输总线、数据传输仲裁总线、优先中断总线和通用总线。数据传输总线是一个高速异步平行数据传输总线，能传输数据和地址信号。主设备、从设备、中断模块和中断处理模块通过其交换数据。另外两个模块，总线时钟和JACK菊花链驱动器也通过数据传输总线参与数据处理工作。数据传输仲裁总线是为确保在特定的时间内只有一个模块占用数据传输总线而设定的。工作在其上的请求模块和仲裁模块将负载协调各模块发出的指令。具体的判定方法包括了优先权算法、round-robin算法和其他排序算法。优先权中断总线是处理各模块中断请求的总线。各种中断请求在VME中被分成了7个等级，根据等级依次进行中断工作。通用总线。负责系统基本工作，包括对时钟进行控制、初始化、错误检测等。它由两条时钟线、一个系统复位线、一个系统失效线、一个AC失效线和一个串行数据线构成。VME的数据传输机制是异步的，有多个总线周期，地址宽度是16、24、32、40或64位，数据线路的宽度是8、16、24、32、64位，系统可以动态选择。数据传输方式为异步方式，因此只受制于信号交换协议，而不依赖于系统时钟；其数据传输速率为0～500Mbps；此外，还有UnalignedData传输能力，误差纠正能力和自我诊断能力，用户可以定义I/O端口；其配有21个插卡插槽和多个背板，在军事应用中可以使用传导冷却模块。VME总线工控机是实时控制平台，大多数运行的是实时操作系统，如UNIX、VxWorks、PSOS、VRTX、PDOS、LynOS以及VMEXEC，由OS制造商提供专用的软件开发工具用于开发应用程序。从VXI总线和VME总线工控机运行的操作系统可以看出：VXI总线工控机制造商希望兼容主流计算机市场提供的丰富而廉价的应用软件开发工具包、外设和驱动软件，而VME总线只能利用OS制造商或第三方合作伙伴提供的专用开发环境和外设。VME总线家族，主要有：（1）VME64：95年出现，加大了传输带宽，拓展了地址空间和方便了板卡插拔。增加了总线锁定周期，增加了第一插槽探测功能，加入了对热插拔的支持。（2）VME64extension：97年，又称VME64x。增加了一个160管脚连接器系列（按5行排列），一个P0/J0连接器，一个3.3V电源管脚。数据速率提高到160Mbps。还增加了EMC前置面板和ESD功能。（3）VME320：采用了星型互连的方法来达到数据传输加速的目的。采用了一种叫做2eSST的信源同步传输协议，可将理论数据速率提高到320Mbps。没有得到广泛的支持。

（4）测控总线VXI。VME技术的优势在于多年积累，完备规范和技术支持。很好的模块性。不过25年前的技术在带宽方面不满意。目前VME厂商们在想办法来延长VME的技术生命。传统IPC工控机存在的固有问题有：受机箱结构限制，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；板卡和无源背板之间“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；“金手指”自身在潮湿或腐蚀性气体环境长期使用，容易氧化或腐蚀，造成系统接触不良，且多次拔插容易变形；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；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；故障板卡更换时间长，可维护性差。经过几年的发展，PCI总线由芯片级总线发展成了板级互连总线，开始应用到工业和仪表通信行业中。1994年成立了PICMG（PCIIndustrialComputerManufacturersGroup，PCI工业计算机制造商协会），为嵌入式计算机研制通用技术标准。CompactPCI简称CPCI，就是

PICMG94提出来的总线接口标准。CompactPCI在电气上完全与PCI兼容，具有抗振颤和利于散热等，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统，提供高密度结构、良好的电磁兼容性、高可靠和高可用系统。开放性、高可靠性、可热插拔等特点，使cPCI广泛应用于通信和网络，在产业自动化、实时数据采集、军事系统等应用领域。CompactPCI该总线标准融合了欧洲卡结构和

PCI总线，特点主要体现在高可用性技术目标的实现上，在通信总线技术上并没有重要突破。主要有以下几点内容：欧洲卡式机械结构。板卡垂直安装，利于散热制冷；板卡通过上下导轨、前面板和后接插件从四个方向锁紧、固定，抗振动和冲击，最大限度地避免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。CompactPCI总线工控机的板卡和系统结构模板和背板通过高密度和气密性针孔连接器互连，防止腐蚀性气体和潮湿空气侵蚀；每个连接器具有10kg的抗拉力；在PCI总线I/O插槽扩展到7个，0.8in的插槽间距，可以使19in的标准CompactPCI总线机箱容纳21个插槽。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。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。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。CPCI总线工控机控制系统一般由平台系统、外围I/O接口模板、数据通信与现场总线接口、人机接口以及软件组成。平台系统包括机箱、CPU板、无源背板、电源以及风扇。外围I/O接口模板连接计算机与工业生产控制对象，对工业现场设备进行控制。通过传感器或变送器将随时间变化的被测信号转换成模拟电压（或电流）信号，然后经信号调理模板转换成标准电压（或电流）信号，通过A/D转换板变成数字信号，输入到CPU板进行处理。数字量控制信号通过D/A转换成标准的电压（或电流）信号，送到执行机构进行控制。对只提供开关量的被测信号，直接由开关量输入板采集后送到CPU板，对只要求提供开关量输入的执行机构，就由开关量输出板直接输出数字量进行控制。此外还有其他特殊功能I/O模板，如信号调理板、接线端子板等。这些种类齐全的I/O模板与工控机平台系统配合使用，很容易构成满足现场需要的测控系统。为简化测试系统结构，将总线技术应用于测试系统。采用总线结构便于仪器和设备的扩充，统一的总线标准容易在不同设备间实现互连。测试总线按其结构功能和性质的不同，可以分为内部总线和外部总线。内部总线延时一般小，且带宽一般大。外部总线一般配置比较灵活，使用起来一般比内部总线方便许多。外部总线传输延时一般比较大，如果传输距离太长，则必须要有严格的条件限制。而内部总线一般数据传输率高，可靠性好，同步和定时精确。例如，GPIB、USB、1394总线、LXI总线属于外部总线，VXI总线和PXI总线则属于内部总线。外部总线大多数属于串行总线，只适合数据传输和通信；而内部总线多为计算机系统总线，是并行总线，不仅能实现数据传输，还能完成同步、触发定时功能。III.测量仪器总线在测试测量行业，内部总线也称模块化仪器总线，提供了开放的标准和灵活软件来创建用户自定义仪器，解决不同的应用需求。内部总线具有的高带宽特性对于高速流盘和激励/响应测试的应用来说至关重要，而低延迟则决定了少量数据传输时的测试时间，如数据传输延迟要求较高的数字万用表+开关的扫描测试。外部总线主要提供传统分立式仪器与PC之间的互连性，因此通常又将这一类总线称之为分立仪器总线。每一种总线针对不同的应用都有其独特的优势，譬如说GPIB作为最成熟的总线技术，拥有最广泛的可供选择的仪器种类；使用USB，用户可以充分利用其即插即用的特性；而使用

LAN、LXI，可以满足用户分布式应用和远距离仪器通信的需求。根据对测量功能、带宽、传输延迟、性能和易连接性等的不同需求，用户可以自由选择适合自己应用的总线连接技术。测量仪器总线的发展从20世纪70年代的GPIB开始，到现在被广泛使用的USB、VXI、PXI和最新推出的LXI、PXIExpress，差不多每隔十年左右就要推出新一代仪器总线。有代表性的如VXI（80年代）、PXI（90年代）和最近推出的LXI。GPIB总线系统互连了通用测试仪器与计算机，实现了测试结果的数字化和计算机化。VXI和PXI背板测试总线易于产生各种同步、控制和测试所需的各种激励信号，易于同时输入和测试多路开关量信号和模拟量信号，测试能力大大增强，测试范围也得到极大的拓展，特别是增强了对现代多输入/输出数字电路的测试能力。2005年推出的LXI总线，将LAN技术应用于自动测试领域，提出了解决测试平台和测试设备之间接口总线定时、同步、控制和数据传输等问题的新方法，实现分布式测试。未来发展趋势将是通过互连网或专用网将不同测试系统集合一个测试系统平台，将测试资源（包括硬件和软件）和信息最大化利用，完成更全面更精确的测试任务。测试总线技术的发展常用测试总线带宽和延迟1.传统的测试总线1）IEEE488总线/GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）又叫HPIB（HPInterfaceBus），用来连接系统的并行总线接口标准。HP于1965年设计的接口总线，用于连接HP的计算机和可编程仪器。由于其转换速率高（1Mb/s），几乎所有独立仪器都配有GPIB接口。

GPIB使电子测量从独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，并且使得自动测量中仪器的互联有了统一的标准。此后，各种标准接口的测量仪器不断出现。GPIB测量系统的结构和命令很简单，有专为仪器控制所设计的接口信号和接插件，具有突出的坚固性和可靠性。系统是在微机中插入一块GPIB接口卡，通过24或25线电缆连接到仪器端的

GPIB接口。当微机的总线变化时，例如采用ISA或PCI等不同总线，接口卡也随之变更，其余部分可保持不变，从而使GPIB系统能适应微机总线的快速变化。GPIB接口一根GPIB专用电缆可连接多台测试仪器，但一根线上的设备不应该超过15台；传输距离小于20m；数据传输采用位并行、字节串行双向异步传输方式，最大速率为1Mbps；GPIB总线信息逻辑采用反逻辑，TTL电平兼容；GPIB只传输控制命令和测试结果，不参与仪器内部运行。GPIB系统目前仍是仪器、仪表及测控系统与计算机互连的主流并行总线。仍将在中、低速范围内的计算机外设总线应用中占有一定的市场。GPIB如今也支持热插拔功能和远程接入，也开发了由GPIB到USB或LAN的桥接通信协议。

2）

VXI总线（VMEbuseXtensionforInstrumentation）VME计算机总线在仪器领域中的扩展，87年提出，92年成为IEEE1155标准。第二代测试仪器中心代表。最早引入模块化仪器概念的总线，减小了传统仪器系统的尺寸，提高了系统集成化的水平，主要用于满足高端自动化测试应用的需要，VXI有更高的带宽，更好的延迟率，得到了军工/航空航天领域的大量采用。VXI总线还具有下列特点：开放式仪器系统。系统组成有主机箱、“0槽”控制器、各种功能的模块化仪器和驱动软件、软面板（SFP）、软件开发平台及系统应用软件等。采用背板结构，数据传输速率快（40Mb/s）。仪器系统成“单机箱多模块式”。安装密度高、体积小、重量轻、易于携带等优点。可提高被测信号的保真度，能减小引线长度，降低系统噪声和改善屏蔽效果。采用模块化的严密设计与工艺保证，有很高的可靠性，良好的电磁兼容性和很强的抗干扰能力，具有有效的自检与自诊断能力和良好的可维修性，大大延长了使用寿命。其平均故障间隔时间（MTBF）一般能达到10万小时，最高可达70万小时（折合80年使用期）。资源利用率高，容易集成，缩短研制周期，易于升级和扩展，易于快速更换模块，重新组合系统。因此资源的重复使用率高达75%～85%，设备的成本及投资风险降至最低。有丰富的软件开发工具。便于用户自行开发“虚拟仪器”。98年VXI2.0版本规范提供64位扩展能力，数据传输率最高可达80Mb/s。最多可包含256个器件（装置），可组成一个或多个子系统，每个子系统最多可包含13个插入式模块，插入一个机箱内，在组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，具有无法比拟的优势。VXI总线满足了目前自动测试系统向标准化、自动化、智能化、模块化、便携式方向的发展要求。VXI总线系统组成：一般由计算机，VXI主机箱和VXI模块或仪器组成。VXI总线系统主计算机可以分为外置式和内嵌式两种。外置主计算机接口首先把程序中的控制命令转换为接口链路信号进行传输，VXI接口把信号转变成VXI总线命令。目前最常见的接口包括：GPIB、RS-232C、MXIbus接口、IEEE1394接口和VMEbus接口等。采用内嵌式主计算机，主要是直接寄存器存取方式工作，这种方式减少了系统体积，增加了工作速度，因而在技术上是很有吸引力的。VXI器件：总线系统基本逻辑单元。根据性质、特点和通信规程，器件可以分为4种类型：寄存器基器件：通信对它的寄存器进行读写，如A／D变换器，多路开关等。这类器件硬件电路简便，易于实现，而且速度快，只能受其它器件或系统控制；消息基器件：支持复杂通信协议。如计算机、资源管理器、各类有本地智能的测试仪器，488－VXI接口等。可控制其它器件，能接受和处理复杂命令。速度低；存储器器件：存储器器件有配置寄存器、特征寄存器（只读型寄存器）；扩展器件：扩展器件允许为将来的应用定义新的器件门类，以支持更高水平的器件兼容性。相互通信的两个器件一个称为命令者（Commander），另一个称为从者（Servant）。在一个VXIbus系统中最多可有256个逻辑地址的器件。2.

PXI(PCIeXtensionsforInstrumentation)总线PXI97年由NI发布，结合了PCI的电气总线特性与cPCI（CompactPCI）的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，加入同步时钟、触发等量测专用总线。PXI总线规范在机械结构方面与cPCI总线的要求基本相同，对机箱和印制电路板的温度、湿度、振动、冲击、电磁兼容性和通风散热等提出了要求，与VXI总线的要求非常相似。PXI充分利用了PCI，具有级别更高、定义更严谨的环境一致性指标，符合工业环境下振动、撞击、温度与湿度的极限条件。提出了基于计算机的高性能标准化测量与自动化方案。以合理的价位提供比原有系统架构出色得多的性能。PXI用户自然地享有很多便利，如廉价、易用、灵活的PC技术；开放的工业标准以及与CompactPCI产品的完全互用性。PXI的技术特点主要有两个：首先是基于CPCI，并兼容CPCI；其次是面向测试和测量应用设计。最终PXI将取代VXI，成为主流工业标准测试平台。同时PXI将向工业自动化领域扩展，与CPCI形成优势互补，与CPCI共同奠定未来工业自动化技术的基础。PXI是GPIB后成长最快的标准化技术，产品丰富，性能提升，速度达到2GHz，精度提升到了7位数字，射频测量带宽也达到了3GHz。将来PXI可能取代传统盒式测量仪器，占据中、低频段的高精度测量设备市场。最新的PCIExpress技术使得PXIExpress能够进入到更多以往被专用仪器所统制的一些应用领域，如中频乃至射频的数字化仪、通讯协议的验证等。

PXI硬件构架三个基本部分组成：机箱，系统控制器和外设模块。1）PXI机箱：机箱为系统提供了坚固的模块化封装结构。机箱有4槽到18槽不等，并且还可以有专门特性如DC电源和集成式信号调理。机箱有高性能PXI背板，包括PCI总线，定时和触发总线。使用户可以开发出需要精确同步的应用系统。PXI的规格有两种：3U和6U，模块被上下两侧的导轨和“针－孔”式的接插端牢牢的固定住。3U应用是便携或小型的测试、SCADA、监视与控制以及工业自动化系统。6U的PXI主要向高采样速度、高带宽、高精度、多通道容量的中、大型ATE应用发展。PXI模块化、前插式的结构给维护和升级带来的极大的便利。背板提供专为测试和测量工程设计的独到特性，还有：每个仪器模块增加了一根10MHz的系统同步参考时钟线，可以在系统中同步不同的仪器模块，保证一致性和连续性。增加两组同步触发总线。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。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<1ns，可为系统提供高精度的触发基准。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。2）PXI控制器：可选的控制器有标准桌面PC的远程控制，也有包含MS操作系统或实时操作系统（如LabVIEWRT）的高性能嵌入式控制。（1）PXI远程控制：利用MXI-3（MeasurementeXtensionsforInstrumentation）接口工具，PXI系统通过串口连接被PC或其它PXI系统直接控制。远程可使用铜线或光纤连接。MXI-3无需额外的编程。（2）PXI嵌入式控制：使用嵌入式控制器可用PXI机箱提供一套完整的系统。典型的PXI嵌入式控制器如NIPXI-8176控制器有PentiumIII1.26GHz处理器，512MBRAM内存，一个硬盘以及标准PC外设接口，如USB，并口和串口，还可安装Windows2000/XP或LabVIEWRT模块。嵌入式控制非常适合便携式系统以及“单机箱”应用，这样的机箱可以很方便地从一个地点移到另一个地点。3）PXI外部模块：从PXI成为工业标准以来，PXI系统联盟厂商已提供近1000种模块，包括：模拟输入和输出/总线接口和通信/数字输入输出/数字信号处理/功能测试和诊断/图像采集/仪器/运动控制/开关等。PXI可与CompactPCI直接兼容，因此任何3U的CompactPCI模块可直接用于PXI系统。此外，Card/PCMCIA和PMC（PCIMezzanineCard）卡使用转接模块(CarrierModule)可直接插入PXI系统使用。例如，NIPXI-8221PCCardCarrier可将Cardbus和PCMCIA设备接入PXI系统。因为PXI还提供了用于和独立式传统仪器或VXI系统通信的标准软硬件，例如，要将PXI系统与GPIB仪器相连接，可使用PXI-GPIB模块，也可使用PCI-GPIB模块等。PXI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；如数据宽度、数据速率等优于VXI；PXI与CompactPCI保持兼容，可充分利用主流PC工业的技术进步；最后，PXI在提供高测控系统品质的同时，费用会显著降低。3.

LXI总线（LANeXtensionsforInstrumentation）LXI是基于以太网LAN的自动测试系统模块化构架平台标准。由Agilent和VXITechnology04年提出的一种新的集成测控总线。基于Ethernet802.3接口技术实施功能性接口规范，保证基于嵌人式IEEE1588协议仪器间的互操作性，并提供所需的触发功能。目前LXI只是将多种现有的技术（如LAN，IEEE1588等）重新整合成一种新的标准，没有太多技术上的革新。主要针对美国军方的一些高端测量应用，没有在工业界普及。LXI采用以太网作为I／O接口，LXI总线的模块化测试标准规范融合了GPIB仪器的测量高性能、VXI/PXI卡式仪器的小体积以及LAN的高速吞吐率，并考虑了定时、触发、冷却、电磁兼容等仪器要求。LXI不需要带有很多插槽的机箱和0槽控制器，也不需要昂贵的控制主机和测量仪器之间的通信连接。LXI模块带有处理器、电源、触发输入和以太网连接。模块尺寸为全宽和半宽的1U和2U标准机箱。LXI模块作为虚拟仪器由外部计算机控制。

LXI总线采用独立仪器方式，采用以太网LAN替代低速的测试测量接口（如GPIB），并通过互联网或局域网访问远端测试模块及仪器。设计者可以在测试与测量系统中直接接入基于以太网LAN的测试系统，达到向远程地点传输数据或者从远程地点接收命令的目的。不同的LXI应用要求不同的功能需要，如决定机制、同步机制、触发机制和可预测软件驱动互操作性等。国际LXI协会初步将LXI的仪器分三个等级，如表5所示。等级特征等级A拥有等级B的一切能力，同时具备触发总线硬件触发机制；等级B拥有等级C的一切能力，并且加上IEEE1588精确时间协议同步；等级C网络功能性（辨识，浏览界面），具有通过LAN的编程控制能力，可以与其他厂商的仪器一起协同工作LXI总线的同步控制：采用Agilent的IEEE1588时钟同步标准。可实现亚微妙级的精确时钟同步，简单的同步过程如下：当同步过程开始时，系统自动鉴别网络中最精确的时钟，并把它作为主时钟。1)主时钟向网络中的所有其他设备发送同步脉冲和当前时间。所有从设备把它们的时钟设置到主时钟；2)各从设备发送时间戳记应答主设备。主时钟计算同步脉冲原发送时间和不同接收时间间的偏置量；3)主时钟向各从设备发送偏置值，以补偿主设备同步脉冲与从设备接收时间的差值。经过这一初始校准后，周期性的同步脉冲就可以保持从设备与主时钟间的精确同步。LXI总线采用M—LVDS(半双工、多点低压差分信号)硬件触发总线，提供精确同步触发，支持其他标准平台触发接口。LXI的特点和优势：1)开放式工业标准，不需要专用的机箱和0槽计算机；2)向后兼容性，升级不需重新配置，允许扩展为大型卡式仪器(VXI，PXI)系统；3)成本低廉；4)互操作性，只需40种左右的通用模块即可高效且灵活地组合成面向目标服务的各种测试单元；5)新技术及时方便的引入。另外，由于LXI模块本身配备有处理器、LAN连接、电源供应器和触发输入，因此它不像模块式卡槽必须使用昂贵的电源供应器、背板、控制器及MXI插卡和接线。LXI测试总线技术是信息化、网络化发展的必然趋势。由于采用了通用的仪器驱动模型(IVI，VXI一Ⅱ，VISA)，LXI总线仪器可以实现仪器间的自动识别、自动发现、自动协同控制等功能。LXI的应用流程如下：(1)连接：设备间通过网络交换机互连，构成局域网。设备使用前重新分配网络地址或者采用动态网络配置方式。(2)工作流程：设备加电后，组网各设备自动访问局域网，搜索局域网中其他LXI设备，通过IEEEI588协议实现设备间的精确时钟同步(C类设备除外)；在功能设备驱动下，发现协同设备，实现LXI设备间的自动识别、自动连接。(3)功能实现：在功能设备驱动下，可通过计算机软件协同控制各个LXI设备来完成测量测控任务，也可由LXI设备间的自动连接、协同控制来完成既定的设备功能流程。LXI总线技术的诸多优势必然要在工业、军事、航空航天等众多领域中发挥不可估量的作用。LXI测试系统平台，降低了测试系统构建成本．提高了系统兼容性和可扩展性，可以更好地支持研发与制造工程师进行航空／国防、汽车、工业、医疗及消费类电子产品的设计工作．在校准测试领域具有广泛的应用前景。

结语在测量和仪器系统机箱底板总线中，CPCI、PXI和LXI总线代表着这类总线当前的水平。在测量仪器机箱与计算机的互连总线中，IEEE488仍将被使用，VXI还会长时间内存在。但串行总线（USB、FireWire）逐步成为测量和仪器网络总线之一。各种仪器总线技术会共存，只是市场份额大小和应用需求不同的分别。有越来越多的基于多种总线的混合测试系统。测控系统正向高效、高速、高精度和高可靠性，及自动化、智能和网络化方向发展，chw开放型、全分布式、智能化的测控网络系统。工业仪表设备间点对点的通信技术1.高速串行接口总线1）FireWire串行总线(IEEE

1394)IEEE一项视频传输串行接口标准。早期由苹果开发，索尼曾参与开发（6线改4线），注册为iLINK商标。1394支持外接设备热插拔、同时可为外设提供电源，省去了外设自带的电源、支持同步数据传输。主要性能特点如下：数字接口：数据能够以数字形式传输保证了信号的质量；“热插拔”：包括全速工作时；即插即用：无需设定，主节点可以动态确定；总线结构：采用读／写映射空间的结构；速度快：100Mbps，200Mbps，400Mbps，1394

B定义到3．2

Gbps；IV.其它常用工业通讯技术设备可自供电或由总线供电。自供电时还可以向总线供电。兼容性好：IEEE1394总线可适应台式个人机用户的全部I／O要求，并可以与SCSI并口（小型计算机系统接口）、RS232标准串口、Apple的DesktopBus等接口兼容；物理体积小，制造成本低，易于安装；非专利性：使用IEEE1394串行总线不存在专利问题；

单一总线最多连接63个物理节点(相当于USB系统中的接口)，一个计算机可有1

024FireWire总线。

采用点对点模型，所有设备建立对等网络，设备间可以互相直接通信。

利用FireWire总线不但可组成高速测控网络，还可以代替测量和仪器系统机箱底板的并行总线，或作为冗余测控系统中的机箱底板并行总线的备份总线，具有很好的应用前景。FireWire总线的汽车电子版IDB-1394，也已经是一种比较成熟的技术。IEEE1394传输协议物理层、链路层、事务层和总线管理层。1）物理层：提供电气及机械方面的连接，完成实际的数据传输和接收任务。还提供初始设置（Initialization）和仲裁(Arbitration)服务，以确保在同一时刻只有一个节点传输数据。物理层功能由硬件实现。接口有6针和4针（iLINK）。6针接口中有4针是用于传输数据的信号线，另外2针是供电的电源线。电源电压一般为8～40V，最大电流1.5A。由于传输速率很快，线缆对屏蔽性要求非常高，IEEE1394线都不长（<3m）。

2）链路层负责传输包的生成和分解，提供数据包传送服务，提供接收确认，定址，数据校验，以及数据分帧等。链路层功能由硬件实现。异步传送与大多数计算机应答式协议相似；同步传送为实时带宽保证式协议。1394的传输模式主要有“背板”（Backplane）和“缆线”（Cable）两种，背板模式用于带宽要求不高的环境。而缆线模式速度非常快，应用于数码视频流实时传输。支持三种事件：总线配置、总线仲裁和数据传输。总线配置无须主机干预，配置完成后开始数据传输，但节点在每次传输事务之前需首先通过总线仲裁事件获得总线控制权。3）处理层(Transaction

Layer)：也译事务层，实现信号的请求和响应协议，向上层提供服务。支持异步协议写，读和锁定（Lock）指令。处理层功能由固件实现。4）串行总线管理（SerialBusManagement）：负责系统结构控制、总线配置、电源和带宽管理、节点活动管理等。提供全部总线的控制功能，包括电力供应，优化定时机制，分配同步通道ID，以及处理基本错误提示等。在实际操作过程中，设备必须首先要求控制物理层。如果进行异步传输，数据发送和接收方互换地址，然后进行数据传输。当接收方收到数据包时，会向发送方传回确认信息。如果接收方没有受到数据包，则启动错误修复机制。如果进行同步传输，发送方首先要求获得一个特定带宽的数据通道。然后将通道ID附加在所要传输的数据中一起发送。接收方对数据流进行检测，只有当发现具有特定ID号的数据时才进行接收。以125μs为循环周期(相当于USB系统中的帧周期)。异步传输有至少20％的带宽可用，等时传输则至多80％。在早期的USB1.1时代，1394a接口在速度上占据了很大的优势，在USB2.0推出后，1394a接口在速度上的优势不再明显。现在绝对多数主流的计算机并没有配置1394接口，要使用必须要购买相关的接口卡，增加额外的开支。目前单纯1394接口的外置式光储很少，大多都是同时带有1394和USB接口的多接口产品，使用更为灵活方便。2）USB(UniversalSerialBus)接口总线USB

95年提出，特点是传输速率高、即插即用、热切换(带电插拔)和可利用总线传送电源等特点。USB外围设备通过PCI总线与PC内部的系统总线连接，实现数据传送。有三种标准：96年的1.0，98年的1.1以及最新的USB2.0，USB2.0速度到480Mbps，传输距离30米。理论上单个USBhost控制器可以连接最多127个设备。USB技术得以广泛发展和应用的主要原因是：方便：可以连接多个不同的设备，支持热插拔。软件驱动程序和应用软件无需额外设置。USB口单独使用自己的保留中断，省去了硬件配置。速度：使大容量图像的实时传送成为可能。连接：支持多个不同设备的串列连接，电源：USB可通过连接线为设备提供最高5V，500mA的电力，可支持如扫描仪、数码相机等常用设备。USB系统组成：USB主机（Host）、USB器件（Device）和USB的连接。1）主机：一个USB系统仅可以有一个主机，器件连接主机的部件是USB主机控制器，由硬件、软件和固件(Firmware)组成。PC主板两个USB端口由一个USB主机接口芯片控制，作用有：管理和实现USB物理层差模信号；以寄存器的形式提供给各种端点；提供各种配置和存储寄存器。还有电源管理的部分。通常主板的USB接口都是由ROOTHUB提供的。USB主机主要功能包括5个方面：检测USB设备连接、管理主机和设备间控制管道、管理主机和设备间数据流、收集设备状态和总线活动、管理主机与设备间电气接口。

固件以硬件为基础实现USB功能，包括有关系统配置和CPU的设置模块、USB协议栈模块等几部分。设备的USB栈就要能够识别并处理USB总线上不同的信息内容。软件部分就是PC的操作系统所能够提供的各种驱动程序和应用程序支持。包括三部分：USB主控制器驱动程序：其负责CPU与USB主机接口芯片的通讯，处理底层USB包的发送与接收；USB核心驱动程序，这部分是USB底层与用户程序之间的桥梁，负责解释用户程序中对USB的各种操作命令，并解码后发送给底层驱动；USB用户程序和类协议驱动程序，这部分就是上层的应用层，主要包括操作系统提供给用户的API、以及用户自己定义的对USB设备的各种操作，比如读取USB设备某几个特定的数据等等。USB器件分两种：USBHUB和USB功能器件。有一个上行的端口(到host)，多个的下行端口(连接其它的设备)，从而可以使整个的系统可以扩展的连接127个外设。对于USB系统来说，USB的host是PC，所有的其他连接到host都称为设备，在设备与设备之间只有通过host的管理与调节才能够实现数据的互相传送。USB系统构成

几种USB接口3）USB的连接，即USB器件和USB主机进行通信的方法，如包括：总线的拓扑（由一点分出多点的网络形式）：即外设和主机连接的模式；各层之间的关系：即组成USB系统的各个部分在完成一个特定的USB任务时，各自之间的分工与合作；数据流动的模式：即USB总线的数据传输方式；USB的“分时复用”：因为USB提供的是一种共享连接方式，因而为了进行资料的同步传输，致使USB对资料的传输和处理必须采用分时处理的机。4）USB设备物理接口：USB两个版本的物理接口完全一致，数据传输率上的差别完全由PC的USBhost控制器以及USB设备决定。每个设备可以从总线上获得100mA的电流，如果特殊的向系统申请，最多可以获得500mA的电流，在挂机的状态下，电流只有500uA。USB总线协议内容USB总线上信息有两种：一种是差模数据线上的包；另一种则是有特殊定义的数据线的信号，比如复位信号、远程唤醒信号等等。在上层，这些信息又要被组成各种传输的类型来加以处理。所以协议栈的内容是庞大的。这里介绍一些概要。（1）物理层：USB的电缆有四根线：地线、电源线、D+和D-差分输入线（3.3V电压），电源线和地线可向设备提供5V电压，最大电流为500MA。数据由低位到高位发送。USB协议规定Bitstuffing，6位“1”加一个“0”，然后使用NRZI编码。通常一个全速的数据帧可以最多有1500bytes，低速帧最多有187bytes。2）USB的域：USB数据首先数字构成域（field），域再构成包(packet)。包是USB的基本数据单元。域有7类：同步序列域SYNC（0x00000001）、包标志域、地址域、端点域、帧号域、数据域和CRC校验域。包标志符PID(packet

ID)：由四位标识符+四位标识符反码构成，紧跟在SYNC后面，表明包的类型和格式。USB的标识码一共有16种，区别包的4大类别以及每大类中的小类；地址（ADDR）：地址域有7位，可以用来寻址127个设备；端点（ENDP）：它由4位组成，所以它最多能寻址32个端点。这个数据包仅用在传输包OUT、IN、SET包中；循环校验码（CRC）：根据不同的包类型，CRC数据域由不同的数目的位所组成。其中最重要的数据封包采用CRC16的数据域，而其它采用CRC5的数据域；数据（data）：根据PID类型的不同所拥有的字节数也就不同，从0~1023Byte；帧号码（framenumber）：特殊的包SOF包内用。3）USB数据包：USB包包括同步信号，包标识PID(packet

ID)，传送的数据以及差错校验和CRC等域。按照包在整个USB数据传输中的作用不同，包可以分为4大类：令牌包、数据包、握手包和特殊包，以及若干小类。在USB1.1规范里面，有10种包，USB2.0增加了差错控制等，有16种包。PID类型PID名称令牌IN,OUT,SOF,SETUP数据DATA0,DATA1握手ACK,NAK,STALL特殊类型PRE3．USB的数据传输方式USB有效带宽分成1ms长的帧(frame)，每个设备每帧传送一个同步传输包。完成系统配置和连接后，USBhost会对系统统筹安排，适应整个USB的带宽。通常同步方式和中断方式的传送占整个带宽的90%，剩下的安排给控制方式传送数据。USB数据传输有四种：中断传输、批量传输、同步传输、控制传输。同中断传输和批量转输的结构一样，步传输最简单，控制传输最重要也最复杂。中断传输(interrupt)：由OUT事务和IN事务构成，用于定时查询设备是否有中断数据要传送。设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率，从1到255ms之间。这种传输方式典型的应用在少量的分散的、不可预测数据的传输。键盘、操纵杆和鼠标就属于这一类型。中断方式传送是单向的并且对于host来说只有输入的方式；批量传输(bulk)：由OUT事务和IN事务构成，应用在数据大量传送和接受数据上。总线忙时，USB会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输。打印机和扫描仪属于这种类型。适合于传输非常慢和大量被延迟的传输。同步传输(isochronous)：由OUT事务和IN事务构成。同步传输提供了确定的带宽和间隔时间(latency)。用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或要求恒定数据传送率的即时应用中。例如网络电话。控制传输(Control)：双向传送，数据量较小。主要用来进行查询、配置和给USB设备发送通用命令。控制传输有三个阶段（初始设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤），用于主机识别设备，并装相应的驱动程序。当USB设备插上主机时，主机就通过一系列的动作来对设备进行枚举配置。USB的枚举过程就是依靠控制传输来读取设备信息、设置设备地址和读取设备的描述符。这样主机才能识别设备，并安上相应的驱动。从而可以采用其它3种可能的传输方式进行传输数据

USB的应用和基于USB的测量技术USB应用越来越多，输入设备最成功，键盘、鼠标等极稳定。问题：串联多个设备可能失效。实际的USB也无法串接。另一个是电源，USB本身500mA电力，不足高电耗设备供电。USB进入测量仪器从1998年开始，最简单的做法是增加USB作为外设接口，安装USB接口比较方便。2000年后数字示波器上开始出现USB接口。安捷伦和NI在虚拟仪器软件结构（VISA）的I/O层增加了对USB的支持，所以USB普遍被测量仪器接受为标准接口之一。USB接口简单方便和低成本，大量USB数据采集系统推出。USB仪器出现属于市场驱动。测量仪器中的PC基仪器，特别是笔记本外设插槽，只有靠各种接口。USB进入测量仪器主流。USB以即插即用和经济实惠而进入测量仪器市场。较成熟的有USB数据采集器和USB数字示波器。随着出现嵌入式USB和无线USB，USB的应用领域会更加广泛。4.USB3.0IT发展使文件体积已经越来越大，硬盘容量也到了TB级别。新的USB3.0标准将提供达到5（4.8）Gbps的理论传输速度。采用9-pin线路，有4-pin线路向前兼容USB1.0/1.1/2.0，其余5-pin由USB3.0独享。USB3.0采用USB3.0采用对偶单纯形四线制差分信号线，以低电压差动模式进行双工信号传输。此外，USB3.0将引进电源管理功能，周边设备能够独立进入省电模式。

USB3.0双总线架构图

USB3.0在继承USB2.0核心架构的基础上，能够提供50%—80%更多的电力支持设备。USB3.0的最大改进主要体现在两个方面：第一，USB3.0将会智能管理USB设备，减少空置设备电能浪费;第二，USB3.0增大了供应电流。大量的数据流传输需要更快的性能支持，同时传输的时候，空闲时设备可以转入到低功耗状态。甚至可以空下来去接收其他的指令，完成其他动作。USB3.0由英特尔，以及惠普（HP）、NEC、NXP半导体以及德州仪器（TI）等开发。从远程监测到近几年的中、短程无线通讯技术，工业无线技术在很多应用场合具有有线技术无法或很难取代的优势。2004年由美国能源部发起成立了无线工业控制网络联盟（WINA）。推进基于工业无线技术的低成本测控系统应用1.无线通信基础无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。不同种类的无线设备工作方式不同，也工作在不同的频段。无线电波通过多种传输方式从发射天线到接收天线。主要有自由空间波，对流层反射波，电离层波和地波。由于多途径传播使得信号场强分布复杂，波动大。，电波极化方向发生变化。信号质量和天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。V.工业无线通讯技术常用无线网络协议：

802.11，802.15，802.16ZigBee（IEEE802.15.4）

以传感器和远程控制为代表的无线应用不需要较高的传输带宽，而需要较低的传输延时和极低的功率消耗。ZigBee协议是由IEEE802.15.4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成。突出特点是极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。ZigBee标准还支持多种网络拓扑，包括星型、簇状和网状结构。ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。1）ZigBee物理层：主要功能：激活和休眠射频收发器，信道能量检测，信道接收数据包的链路质量指示，空闲信道评估，收发数据。主要目的是控制RF收发器工作；调制方式是扩频通信,物理层采用DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频)技术，可提供27个信道用于数据收发。IEEE802.15.4定义了2.4GHz频段和868/915MHz频段两种物理层标准，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz能够提供250kb/s速率，868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段。这两个频段的引入避免了2.4GHz附近的干扰。868MHz的传输速率为20kb/s，916MHz是40kb/s。这两个频段上信号传播损耗小，可获得较远通信距离

。信号传输距离：~50m（室内），~150m（室外）。ZigBee在2.4GHz频带有16个信道（信道11－26）、915MHz频带提供10个信道（信道1－10）而868MHz频带提供1个信道（信道0）。2）数据链路层：MAC子层功能具体包括：协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；支持PAN网络的关联和取消关联；支持无线信道的通信安全；使用CSMA-CA机制；支持保护时隙(GTS)机制；支持不同设备的MAC层之间的可靠传输。LLC子层功能包括：传输可靠性保障和控制；数据包的分段与重组；数据包的顺序传输。802.15.4MAC层使用CSMA/CA。帧结构的设计原则是保证网络在有噪音的信道上能可靠传输，同时将网络的复杂性降到最低。ZigBee数据包结构简单，最大长度为127字节，包括：1）前导信号:32位，2）帧分隔:8位，3）.帧长度:8位，4）帧控制:6位，5）数据序列编码:8位，6）地址标识:32位，7）数据负载，8）帧校验码:16位。定义了4种基本帧结构：信标帧，数据帧，响应帧，MAC命令帧，用来处理MAC对等实体之间的控制传送。3）安全性：ZigBee协议中单条的数据消息是通过对MAC层的安全来做到的，而多条消息报文一般是通过更上层(如网络层)的安全机制来保证的。MAC层使用了一种被称为AES高级加密标准的算法进行加密。当MAC层传输(接收)带有安全性的帧时，首先检查该帧的目标地址(源地址)，并检索到和该目标地址(源地址)相对应的密钥，然后利用该密钥和相对的安全级别所对应的安全机制来进行逆向处理。每一种安全机制都将对应着一个密钥，而在MAC层帧头中有一位直接指明该帧是否使用安全机制。传输帧时可以利用MAC层的头和净荷来计算4字节、8字节或者16字节的消息完整性代码（MessageIntegrityCode，MIC）。MIC直接被加到MAC层净荷的后面，如果有真实性的要求，MAC层的左边会被加入帧和序列记数器，用来对该净荷进行加密，并保证其新颖性。当接收到包括了MIC的帧时，会对它进行一定的验证；同样如果接收到的帧的净荷被加密，则需要进行一定的解密操作。3．Z-WaveZ-Wave不倚赖IEEE标准，发展比ZigBee快。Z-Wave面向建筑自动化和家庭控制，比ZigBee更简单、便宜、省电。Z-Wave运作频段为868.42MHz（欧洲）和908.42MHz（美国）。在传输上，Z-Wave以单一天线进行半双工（HalfDuplex）传输，而信号调制使用简易的频移键控调变法FSK和曼彻斯特编码。编码、解码都以硬件实现。Z-Wave有9.6kbps的传输率，传输距离约在100英尺左右，还可通过路由方式延续，最多可跨绕4个装置，最远至400英尺。Z-Wave的NodeID仅8-bit，理论上可有256个Z-Wave节点，实际可用的节点为232个，用于家庭自动化控制已经够用了。Z-Wave比ZigBee更强调省电，2颗AAA电池持续使用达数年。Z-Wave只需很简单的执行核心、很少的运算效能、以及很少的程序存储器占用量，就能够实现Z-Wave传输。Z-Wave硬件芯片＋程序的价格不到3美元，比ZigBee设定的低价目标5美元还要低，且已能正式供货。4．RFID

(RadioFrequencyIdentification)射频识别RFID90年代开始，利用射频信号通过空间电磁场耦合(交变磁场或)实现无接触信息传递。

基本原理：低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递)，高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。RFID其应用形式为标记(tag)、卡和标签(label)设备。标记设备由RFID芯片和天线组成，标记类型分为三种：自动式，半被动式和被动式。现在市场上开发的基本上是被动式RFID标记，因为这类设备造价较低，且易于配置。被动标记设备运用无线电波进行操作和通信，信号必须在识别器允许的范围内，通常约3米。这类标记适合于短距离信息识别。

RFID芯片可以是只读的，也可是读/写方式，依据应用决定。被动式标记设备采用E2PROM(电擦写可编程只读存储器)，便于运用特定电子处理设备往上面写数据。一般标记设备在出厂时都设定为只读方式。RFID的工作原理是：标签