安全生产信息化技术-总线传输技术

1.基本概念

（1）总线的定义

IEEE对总线的定义有两个：一个是关于可编程仪器的总线定义；另一个是关于计算机的总线定义。具体如下：

1）关于可编程仪器的总线定义是：由接有若干装置并进行信息传送的接口系统使用的一条信号或一组信号线。

2）关于计算机的总线定义是：将信号或功率从一个源传送至一个目的地或多个目的地用的一条导线或多条导线。

上述两个定义都只对用于数据传递的物理设备叫作总线，并没有涉及数字传输的过程和条件，从这个意义上看，总线就是一种符合某些标准的通信连接线路。在安全生产信息系统中，各分系统或各单元模块间必然存在着信息的交换，这种信息交换必须借助于总线或总线接口部件来实现。利用总线技术能大大简化安全生产测控系统的结构，增加系统的兼容性、开放性、可靠性和可维护性，便于实现标准化及组织规模化生产，从而降低系统成本。

（2）总线的信号线

总线通常由几十条甚至上百条信号线组成，这些信号线大体可以分为以下几种主要类型。

1）数据线：传送数据和代码的信号线，一般为双向，可以进行两个方向的数据传送，数据线也采用三态逻辑。

2）地址线：传送地址的信号线，地址线的数目决定了直接寻址的范围。例如，16根地址线直接寻址64KB的地址空间，24根地址线可直接寻址16MB的地址空间。地址总线均为单向，三态总线。

3）控制线：传送控制信号的信号线，用来实现命令、状态传送、中断、直接对存储器存取控制，以及提供系统使用的时钟和复位信号等。根据不同的使用条件，控制线有的为单向，有的为双向；有的为三态，有的为非三态。控制线是一组很重要的信号线，它决定了总线功能的强弱和适应性的好坏，好的总线控制功能强，时序简单且使用方便。

4）电源线和地线：它们决定了总线使用的电源种类及地线的分布和用法。

5）备用线：是厂家和用户作为性能扩充或作为特殊要求使用的信号线。

（3）总线的分类

总线的类别很多，分类方法也很多，常见的分类方法及类型如下：

1）按传送数据的方式分，可以分为串行总线和并行总线。

2）按应用场合分，可以分为芯片总线、板内总线、机箱总线、设备互连总线、现场总线及网络总线等。

3）按总线的作用域分，可以分全局总线和本地总线（Local Bus）。

4）按总线传送的信息种类分，可以分为地址总线、数据总线、控制总线、电源总线、模拟信号总线及标准信号总线等。

5）按用途分，可以分为计算机总线、测控总线和外设总线。

2.测控总线

（1）控制总线的类型

测控总线是指以组成测量和控制系统为主要目标而开发的总线，目前的测控总线有以下几种：

1）与计算机相对的测控机箱的底板总线。在测控机箱总线底板插槽上插入模拟量输入/输出卡、数字量输入/输出卡、频率或脉冲量输入/输出卡，可组成具有不同规模和功能的测控系统，许多计算机总线可用作机箱底板总线，还有不少专门为测控系统系统设计的总线，这些专门总线有的是有关标准化组织发布的标准总线，有的则是生产厂家自己设计的专用总线。常用的机箱底板总线有ISA总线、PCI总线、PXI总线和LXI总线等。

2）测控机箱与计算机互连总线。测控机箱与计算机互连总线是指连接测控机箱和计算机的总线，这些测控机箱是独立于计算机的，互连总线的连接组成计算机控制的测控系统或测控网络。这类总线有串行总线和平行总线两种，其中串行总线通常是指按位串行传送数据的通路，由于具有传送线少、接口简单、成本低、传送距离远等优点，因此广泛用于计算机连续外设和计算机组网。常用的串行总线有RS-232C、RS-422A、RS-485、USB和IEEE1394。并行总线速率较高且协议简单，但缺点是线路条数多，不适合远距离传输，常用的并行总线有通用接口总线GPIB（IEEE488总线）、SCSI总线和MXI总线等。

3）连接现场测控设备的现场总线。现场总线是指计算机网络与生产过程专用网络或工业控制网络以及生产现场基层的自动化设备之间传送信息的公共通路，主要有Profibus、HART、ModBus、FIP、FF和LonWorks等。

（2）控制总线的性能指标

虽然控制总线种类繁多，但总线之间存在许多共同的性能指标可以进行比较，这些指标主要有以下8个方面：

1）总线宽度：主要指数据总线的宽度，以位（bit）为单位，如16位总线、32位总线，指的是总线具有传送16位数据、32位数据的能力。

2）寻址能力：主要指地址总线的位数及所能直接寻址的存储器空间大小，一般来说地址线位数越多，所能寻址的地址空间越大。

3）总线频率：总线周期是微处理器完成一步完整操作的最小时间单位。总线频率就是总线周期的倒数，它是总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高，传输速度越快，通常用MHz表示。

4）数据传输率：总线的数据传输率（也称为总线带宽）是指在某种数据传输方式下，总线所能达到的数据传输速率，即每秒传送的字节数，单位为MB/s。

5）总线的定时协议：在总线进行信息传送必须遵守的定时规则，以使源与目的同步。定时协议主要有同步总线定时、异步总线定时和半同步总线定时3种。

6）热插拔：测控总线热插拔即允许带电拔插工作中的、基于测控总线上的板卡，其最基本的目的是要求带电插拔板卡而不影响系统运行，以便维修故障板卡或重新配置系统。

7）即插即用：即插即用（简称PnP）是指计算机系统所拥有的自动配置扩展板卡及其他设备的能力。采用即插即用的测控总线设备，用户在不需要手动配置硬件或操作系统的情况下就能进行添加和删除操作。

8）负载能力：指总线上所有能挂接的器件个数。由于总线上只有扩展槽能提供给用户使用，所以负载能力一般是指总线上扩展槽的个数，即可以连到总线上的扩展电路板的个数。

3.GPIB总线

GPIB总线源于1965年惠普公司提出的HP-IB总线，1975被接受为IEEE488标准，1987年发展为IEEE488.1，随后进一步发展为IEEE488.2。1990年后，世界著名厂商在IEEE488.2之上构建了SCPI，SCPI是用于可程控仪器的标准命令集。在GPIB总线提出后，各种带GPIB接口的测量仪器不断涌现，为搭建强大测控系统提供了可能。广泛使用的带有GPIB接口的自动测量仪器有惠普公司的HP4247阻抗分析仪、HP4275阻抗分析仪、HP54501A数字存储示波器，以及瑞士LEM公司的D6000功率分析仪等。

（1）GPIB总线的构成

GPIB总线是计算机与仪器间的标准协议，目前多数仪器都配置了该接口。GPIB标准采用24芯簧片插头座，这种插头座是一种组合插头座，它既有插头又有插座，还有锁紧螺栓，使用这种方式可以将多台设备可靠地连接成一个系统。

GPIB总线有8条数据线、3条挂钩线、5条接口管理线和8根地线，组成24芯无源屏蔽导线。

典型的GPIB总线测控系统包括计算机、接口卡和若干台仪器，每台仪器都有独立的地址，由计算机控制操作。当系统有多台GPIB仪器设备时，设备和计算机之间的通信连接直接影响整个系统的性能。多台GPIB仪器的连接方式有级联和组网两种连接方式，其中级联方式只需要一台计算机和测控设备及测控设备之间都通过GPIB标准电缆连接；组网连接方式如图4-3所示。

（2）GPIB总线技术的特点

GPIB总线技术的特点如下：

1）一根GPIB专用电缆可将多台测试仪器连接成一个自动测量仪器系统，但是挂在同一根总线上的设备总数不应超过15台。

图4-3 GPIB总线仪器组网连接方式

2）GPIB总线的传输距离小于20m。

3）GPIB总线的数据传输采用双向异步传输方式，其最大传输速率为1MB/s。(www.xing528.com)

4）GPIB总线信息逻辑采用反逻辑，即高电平为“0”，低电平为“1”，电平与TTL电平兼容。

5）一般情况下，一个测控系统内只有一个控制者发送各种控制信息，并进行数据处理。若一个系统中包含多个控制者，则在某一时间内只能有一个控制者起作用，其余处于空闲状态。

6）GPIB总线只传输命令和测试结果，不参与仪器内部运行。

（3）GPIB总线的优点

GPIB总线主要具有以下优点：

1）通用性。GPIB接口板置于设备内部，设计者不用考虑设计接口的问题，此接口适用于该设备所能参与构成的任何系统，具有很好的通用性。

2）兼容性。GPIB引入了一些高级接口的概念，而且功能、电气和机构上的规定制定得相当完善，保证了充分的兼容性；这些特性表现在编程上；减轻了软件设计的负担；可使用高级语言编程。

3）灵活性。GPIB总线不仅解决了测量仪器之间的互连问题，也解决了仪器和计算机之间的互连问题，采用GPIB总线技术搭建的自动测试仪器系统具有方便灵活、可分可合的特点。

4）经济性。从价格上讲，GPIB仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器，GPIB接口比一般接口的价格约贵10%，但考虑到组成测试系统要连接多个外设，因此GPIB接口比一般接口便宜。

4.USB总线

USB（通用串行总线）作为一种新的外设连接技术，最初由Compaq等7大业内巨头共同开发，该技术着眼于简化计算机与外设额连接过程，着眼于低速和高速兼容，从而解决串行设备和并行设备相连的争论，为用户提供一种可共享、可扩充、使用方便的串行总线。

（1）USB总线的结构

USB是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输，由主机预定的标准协议使各种外设分享USB带宽，当其他设备和主机运行时，总线允许添加、设置、使用及拆除外设。

USB总线的物理接口是通过一种4线的电缆传输信号，如图4-4所示。其中，D+、D-两根线用于发送信号，VBUS使用5V电源，GND为地线。USB对电缆长度的要求很宽，最长可为几米。

图4-4 USB总线传输信号

USB的结构包含4种基本的数据传输类，即控制数据传送、批量数据传送、中断数据传输和同步数据传输。

（2）USB总线的优点和缺点

USB总线的主要优点见表4-1。

表4-1 USB总线的主要优点

USB总线的缺点有以下几点：

1）对旧设备与操作系统的支持不足，因此要将一个非USB设备连接到USB总线上时必须使用转换器。

2）有传输电缆长度的限制，USB与外设的距离相当短，电缆长度最长可以为5m，要延伸连接距离必须通过集线器来实现，级联最长可达到30m。

3）有传输速度的限制，虽然USB2.0可达480MB/s，但是IEEE1394b的速度可达3.2GB/s。

4）在USB总线上，主机管理所有的通信，外设间不能直接彼此沟通，必须通过主机进行。

5.现场总线

现场总线是20世纪90年代兴起的一种新事物，它将当今网络通信与管理的观念带入控制领域。国际现场总线基金会对基金会总线的定义是：基金会现场总线是一种全数字、串行、双向的通信系统，通过该系统将传感器、执行器与控制器等“现场”设备连接起来。

（1）现场总线的结构

现场总线的系统框架具有以下特征：

1）采用统一的智能终端和标准的串行数字网络。

2）总线连接的结构体系，适用于模块式系统连接。

3）系统可以实现分布式管理。

4）设备的控制与管理软件复杂，需要专门的设备描述软件，但用户组成系统方便、灵活。

5）系统中传递的信号格式统一、接口简单。

现场总线与一般工业通用数字传输总线的区别在于：

1）一般工业数字传输总线只包含数字通信部分，而现场总线则包括信息传输、信息处理和信息应用3大部分。

2）一般工业数字传输总线只提供数字通信通道，而现场总线则提供了完整的开放式网络控制系统结构。

3）在工业控制系统中使用一般工业数字传输总线技术时，控制系统的系统结构和与控制方式有关的问题（如网络控制方式、智能控制原理的实现、信息处理技术、设备的互操作性等）必须由设计者解决，而采用现场总线技术时，有关系统结构等方面的问题，设计者不必考虑。

现场总线技术与一般工业控制系统中使用的数字通信接口技术有着本质的区别，现场总线提供构成系统结构的全部所需技术，而一般通信接口技术仅仅提供了设备之间的数据通信技术。

（2）工业控制现场总线技术的基本内容

工业控制现场总线技术包括如下内容：

1）简单可靠的通信系统。采用基于OSI参考模型的串行通信、总线连接的通信系统，如二线传输、光纤维系统等。

2）完备的设备描述语言（DDL）和系统管理平台。设备描述语言是控制系统设备标准化的重要标志，设备描述语言的目的是为系统控制和信息处理提供一个基本工具，同时也为系统管理平台提供系统运行控制和管理的基础。

3）完备的系统安全控制标准，指总线框架系统所具有的安全控制标准。

4）在现场总线系统中，设备可以分为信息输入/输出类设备、执行类设备、信息输入/输出加执行类设备。

6.其他总线

其他总线有VXI总线、CPCI总线和PXI总线等。