工業(yè)通信網(wǎng)絡3-3

工業(yè)通信網(wǎng)絡與技術

（現(xiàn)場總線）許勇xuy@主要教學內(nèi)容和學時分配第一章工業(yè)通信概述 2第二章數(shù)據(jù)通信基礎 4第三章通信總線技術及應用 8計算機接口總線工控機與測控儀器接口總線常用工業(yè)通信總線第四章現(xiàn)場總線/控制網(wǎng)絡的核心技術 8現(xiàn)場總線概述FF/Lonworks/Profibus等 網(wǎng)絡集成式控制系統(tǒng)第五章汽車網(wǎng)絡和CANbus 14第六章工業(yè)以太網(wǎng)及其應用 4合計

40隨著Wintel架構演變成事實上的標準，ISA/PCI總線加固型PC開始工業(yè)化改造成IPC：取消了母板，采用無源背板、插卡式模板，工業(yè)電源，全鋼密封機箱，溫度自動檢測和調(diào)整等，產(chǎn)生了一系列基于PC的嵌入式工控機，其中比較有代表性的是PC/104總線、AT96總線、

STD總線、CompactPCI/PXI總線工控機?，F(xiàn)在工廠的大部分自動化設備的核心是各種CPU，如工業(yè)PC、PLC或者嵌入式控制器等，這些設備有內(nèi)部總線，也帶有各種通信接口，以便于聯(lián)機組成集成系統(tǒng)。專用的數(shù)控中心和數(shù)控機床除了自己的內(nèi)部系統(tǒng)總線外，還有用于傳輸加工程序的外部通信端口。工業(yè)控制通信要求：實時性、高可靠性和安全性。II.工控機接口總線工控機技術的發(fā)展經(jīng)歷了20世紀80年代的第一代STD總線工控機，20世紀90年代的第二代IPC工控機，現(xiàn)在進入了第三代CompactPCI總線工控機時期。STD總線工控機解決了當時工控機的PC化；IPC工控機解決了低成本和兼容性問題；CompactPCI總線工控機解決的是可靠性和可維護性問題。CompactPCI總線工控機將是生產(chǎn)過程的自動化系統(tǒng)的核心，IPC將逐漸由生產(chǎn)過程層向管理信息化層移動，而STD總線工控機將退出歷史舞臺。不過，由于工業(yè)計算機和通信設備的初期投資大，服務年限相對較長，技術生命也遠比普通PC長，更新?lián)Q代的速度會比較慢，所以在實際的市場系統(tǒng)中，可以遇到屬于不同時代的總線設備。作為工業(yè)控制計算機，工控機的總線基本上就是PC總線的改進。1.STD總線STD（Standard）1978年由美國Prolog公司推出，曾是工控及工業(yè)檢測中使用最廣泛的總線。1990年IEEE公布STD32。STD32具有大約1000多種功能模塊，這些模塊可以組成各種不同的數(shù)據(jù)處理以及控制系統(tǒng)。STD總線的16位總線性能滿足嵌入式和實時性應用要求。STD總線插件板采用小尺寸板子結構，電路板上帶有邊緣式印制插頭（也叫“金手指”）、垂直放置無源背板的直插式結構、豐富的工業(yè)I/O模板，低成本、低功耗，擴展的溫度范圍，良好的可維護性設計，耐振動、沖擊，具有良好的可靠性，適合于工業(yè)測控場合的應用。早期的工控機總線STD總線工控機具有以下特點：小板結構，高度模塊化：STD總線采用公共母板結構，總線被布置在一塊母板（底板）上，總線插槽的引腳連接STD總線的所有引線。這種結構在強度、抗斷裂、抗震動、抗老化和抗干擾方面具有很強的優(yōu)越性。嚴格的標準化，廣泛的兼容性：STD總線模板設計有嚴格的標準化，總線結構還支持8位、16位，甚至32位的微處理器，可以很方便地通過更換CPU板和軟件升級，原來的I/O模板不必更換。STD產(chǎn)品可利用IBM-PC系列軟件資源。面向I/O的開放式設計，適合工業(yè)控制應用：一個STD底板可插8、15或20塊模板。在眾多功能模板的支持下，用戶可以方便的組態(tài)。高可靠性：STD產(chǎn)品平均無故障時間（MTBE）已超過60年，可靠性靠小板結構、線路設計、印刷電路板的布線、元件老化篩選、電源質(zhì)量、在線測試等一系列措施，以及固化軟件Watchdog、掉電保護等技術來提供保障。STD工控機包括Intel8088-80486和NEC的V20-V50等CPU類型的機型。

有些還帶PC/104-Plus擴展總線，允許

PC/104或PC/104-Plus模板直接插在板上運行，如高速顯示卡等。STD32工控機支持Profibus、DeviceNet、ControlNet接口。80年代初，國內(nèi)開始推廣應用STD工控機，應用于鋼鐵冶金、石油化工等工業(yè)領域以及軍工和科研設備中。STD工控系統(tǒng)主要的不足有：“金手指”拔插容易造成插頭處銅箔斷裂或接觸不良；模擬輸入測量線和I/O信號線采用的前端扁平電纜連接不可靠；A/D采集板采集速度慢，板上模擬開關、采樣保持器故障偶有發(fā)生；在LED方式參數(shù)整定不方便，需要記憶過多的功能鍵；由于考慮通用和可擴充，許多系統(tǒng)“冗余”、資源浪費。90年代后，STD總線的工控機逐漸被淘汰。2．PC/104總線的出現(xiàn)基于PC的（與ISA/PCI兼容）的嵌入式工控機中有代表性的是PC/104和PC/104-Plus總線嵌入式工業(yè)控制機。80年代末出現(xiàn)PC/104總線，一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線。有兩個版本8位和16位（與PCXT和PC/AT對應），8位PC/104共有64個總線管腳，單列雙排插針和插孔，分別是64針和40針，合計104個總線信號（PC/104因此得名）。97年推出PC/104-Plus，增加了30×4根信號線的J2插座，支持PCI。國產(chǎn)的標準PC/104嵌入式主機板PC/104與普通PC總線控制系統(tǒng)的主要不同是：

小尺寸結構：采用自層疊互連方式和3.6in×3.8in小板結構；堆棧式連接：去掉總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接，總線模塊之間的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬和相連，具有極好的抗震性；輕松總線驅動：減少元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線驅動即可使模塊正常工作，每個模塊1～2W能耗。

軟件采用結構化語言如Ｃ、Ｃ＋＋和面向對象的編程方法。整個嵌入式PC體系結構可以作為一個單獨的插件，它上面具有所有主板功能、RAM和BIOS。利用與PC/104配套的接口板，完成對下位節(jié)點的通信。通過RS-232C串行異步通信協(xié)議完成與上位機的通信。PC/104總線更適合在空間受限的嵌入式環(huán)境中使用，如消費類電子產(chǎn)品等。近來緊湊加固性設計的PC/104工控機在軍工產(chǎn)品中開始采用，如火箭、導彈和戰(zhàn)斗機等。PC/104總線工控機的其驅動能力差（4mA），擴展和維護受限，在工業(yè)過程控制和自動化領域的應用范圍受到局限。3.VME總線（VersaModuleEurocard）VME81年Motorola等推出的第一代32位工業(yè)開放標準總線，源于VERSAbus，是Motorola公司1980年設計推出用于支持其MC68000微處理器產(chǎn)品線的技術。87年VME被

IEEE正式確立為萬用背板總線標準，93年被采納為國際標準IEEE155。VME數(shù)據(jù)寬度為32位，最大總線速度是40MB/s。96年新標準VME64最大數(shù)據(jù)傳輸速度為80MBps。VME總線OEM產(chǎn)品主要采用68K系列微處理器，現(xiàn)在也開始采用Intel和AMD公司的處理器。VME定義了一個可進行互連數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和連接外圍控制器件的系統(tǒng)。圍繞VME系統(tǒng)的產(chǎn)品曾經(jīng)遍及了工業(yè)控制、軍用系統(tǒng)、航空航天、交通運輸和醫(yī)療等領域。VME總線工控機曾經(jīng)是主流產(chǎn)品，在歷史上一直是許多嵌入式工業(yè)應用的首選機型，在圖像處理、工業(yè)控制、實時處理和軍事通信中得到了廣泛應用。。VME系統(tǒng)有兩個部分：機械構架和功能構架（定義系統(tǒng)的運轉流程）。機械結構：主要部分為背板，是一個印刷電路板，大小有三種型號：3U（160mm×100mm）、6U和9U。有三種連接器，分別為P0/J0、P1/J1和

P2/J2，“P”和“J”分別代表PLUG和JACK連接器。功能結構：由信號線、背板接口邏輯和功能模塊組成。背板接口邏輯和信號線是系統(tǒng)各部分之間的紐帶。功能模塊則是執(zhí)行具體任務的電路集合。其中主設備（master）決定著數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞颍桓鶕?jù)主設備數(shù)據(jù)傳輸情況而動作的模塊叫做從設備（slave），負責監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸目標地址的模塊被稱為定位監(jiān)控設備。此外，還有發(fā)出和處理中斷請求的模塊，判定和處理其他模塊請求的仲裁模塊。當然，還有發(fā)出時鐘信號的模塊和監(jiān)控系統(tǒng)電源工作情況的模塊。這些功能模塊在總線的支持下配合工作。各模塊以平行結構分布，所有的數(shù)據(jù)和指令通過系統(tǒng)底層的4類總線進行傳輸，信號的模式是TTL電平信號。VME系統(tǒng)總線：分為四大類：數(shù)據(jù)傳輸總線、數(shù)據(jù)傳輸仲裁總線、優(yōu)先中斷總線和通用總線。數(shù)據(jù)傳輸總線是一個高速異步平行數(shù)據(jù)傳輸總線，能傳輸數(shù)據(jù)和地址信號。主設備、從設備、中斷模塊和中斷處理模塊通過其交換數(shù)據(jù)。另外兩個模塊，總線時鐘和JACK菊花鏈驅動器也通過數(shù)據(jù)傳輸總線參與數(shù)據(jù)處理工作。數(shù)據(jù)傳輸仲裁總線是為確保在特定的時間內(nèi)只有一個模塊占用數(shù)據(jù)傳輸總線而設定的。工作在其上的請求模塊和仲裁模塊將負載協(xié)調(diào)各模塊發(fā)出的指令。具體的判定方法包括了優(yōu)先權算法、round-robin算法和其他排序算法。優(yōu)先權中斷總線是處理各模塊中斷請求的總線。各種中斷請求在VME中被分成了7個等級，根據(jù)等級依次進行中斷工作。通用總線。負責系統(tǒng)基本工作，包括對時鐘進行控制、初始化、錯誤檢測等。它由兩條時鐘線、一個系統(tǒng)復位線、一個系統(tǒng)失效線、一個AC失效線和一個串行數(shù)據(jù)線構成。VME的數(shù)據(jù)傳輸機制是異步的，有多個總線周期，地址寬度是16、24、32、40或64位，數(shù)據(jù)線路的寬度是8、16、24、32、64位，系統(tǒng)可以動態(tài)選擇。數(shù)據(jù)傳輸方式為異步方式，因此只受制于信號交換協(xié)議，而不依賴于系統(tǒng)時鐘；其數(shù)據(jù)傳輸速率為0～500Mbps；此外，還有UnalignedData傳輸能力，誤差糾正能力和自我診斷能力，用戶可以定義I/O端口；其配有21個插卡插槽和多個背板，在軍事應用中可以使用傳導冷卻模塊。VME總線工控機是實時控制平臺，大多數(shù)運行的是實時操作系統(tǒng)，如UNIX、VxWorks、PSOS、VRTX、PDOS、LynOS以及VMEXEC，由OS制造商提供專用的軟件開發(fā)工具用于開發(fā)應用程序。從VXI總線和VME總線工控機運行的操作系統(tǒng)可以看出：VXI總線工控機制造商希望兼容主流計算機市場提供的豐富而廉價的應用軟件開發(fā)工具包、外設和驅動軟件，而VME總線只能利用OS制造商或第三方合作伙伴提供的專用開發(fā)環(huán)境和外設。VME總線家族，主要有：（1）VME64：95年出現(xiàn)，加大了傳輸帶寬，拓展了地址空間和方便了板卡插拔。增加了總線鎖定周期，增加了第一插槽探測功能，加入了對熱插拔的支持。（2）VME64extension：97年，又稱VME64x。增加了一個160管腳連接器系列（按5行排列），一個P0/J0連接器，一個3.3V電源管腳。數(shù)據(jù)速率提高到160Mbps。還增加了EMC前置面板和ESD功能。（3）VME320：采用了星型互連的方法來達到數(shù)據(jù)傳輸加速的目的。采用了一種叫做2eSST的信源同步傳輸協(xié)議，可將理論數(shù)據(jù)速率提高到320Mbps。沒有得到廣泛的支持。

（4）測控總線VXI。VME技術的優(yōu)勢在于多年積累，完備規(guī)范和技術支持。很好的模塊性。不過25年前的技術在帶寬方面不滿意。目前VME廠商們在想辦法來延長VME的技術生命。傳統(tǒng)IPC工控機存在的固有問題有：受機箱結構限制，散熱性能不好，容易引起印制板變形、斷線、接觸不良等問題，還會造成電子器件壽命降低、工作不穩(wěn)定等；板卡和無源背板之間“金手指”邊緣接觸連接方式，容易造成在振動和沖擊過程中瞬間接觸不良，引起系統(tǒng)死機；“金手指”自身在潮濕或腐蝕性氣體環(huán)境長期使用，容易氧化或腐蝕，造成系統(tǒng)接觸不良，且多次拔插容易變形；多數(shù)板卡通過金屬擋片一端固定，在振動力的作用下容易產(chǎn)生微距離逆時針旋轉，造成系統(tǒng)信號斷路或短路，使系統(tǒng)崩潰；系統(tǒng)機箱表面噴漆處理，不能形成一個完整的導電體，電磁干擾的屏蔽能力和靜電釋放能力差；故障板卡更換時間長，可維護性差。經(jīng)過幾年的發(fā)展，PCI總線由芯片級總線發(fā)展成了板級互連總線，開始應用到工業(yè)和儀表通信行業(yè)中。1994年成立了PICMG（PCIIndustrialComputerManufacturersGroup，PCI工業(yè)計算機制造商協(xié)會），為嵌入式計算機研制通用技術標準。CompactPCI簡稱CPCI，就是

PICMG94提出來的總線接口標準。CompactPCI在電氣上完全與PCI兼容，具有抗振顫和利于散熱等，提供滿足工業(yè)環(huán)境應用要求的高性能核心系統(tǒng)，提供高密度結構、良好的電磁兼容性、高可靠和高可用系統(tǒng)。開放性、高可靠性、可熱插拔等特點，使cPCI廣泛應用于通信和網(wǎng)絡，在產(chǎn)業(yè)自動化、實時數(shù)據(jù)采集、軍事系統(tǒng)等應用領域。CompactPCI該總線標準融合了歐洲卡結構和

PCI總線，特點主要體現(xiàn)在高可用性技術目標的實現(xiàn)上，在通信總線技術上并沒有重要突破。主要有以下幾點內(nèi)容：歐洲卡式機械結構。板卡垂直安裝，利于散熱制冷；板卡通過上下導軌、前面板和后接插件從四個方向鎖緊、固定，抗振動和沖擊，最大限度地避免由于振動引起系統(tǒng)故障；導電的鋁氧化機箱通過導電的彈性條連接和密封，實現(xiàn)了機箱整體導電，有效地屏蔽了空間電磁場輻射，并具有良好的靜電中和及靜電對地釋放能力，電磁兼容性好。CompactPCI總線工控機的板卡和系統(tǒng)結構模板和背板通過高密度和氣密性針孔連接器互連，防止腐蝕性氣體和潮濕空氣侵蝕；每個連接器具有10kg的抗拉力；在PCI總線I/O插槽擴展到7個，0.8in的插槽間距，可以使19in的標準CompactPCI總線機箱容納21個插槽。高性能的模板間互連的PCI總線，支持32～64位的數(shù)據(jù)寬度和33～66MHz的傳輸速度，64位/66MHz的數(shù)據(jù)傳輸速度超過了4Gb/s，具有很高的數(shù)據(jù)傳輸性能。支持后出線?，F(xiàn)場的信號線可以在背板后面與系統(tǒng)相連，方便系統(tǒng)走線；在更換系統(tǒng)故障模板時，不用拆卸和安裝現(xiàn)場信號線，可進一步縮短維護和維修時間。CompactPCI總線連接器具有長、中、短3層結構插針，可以方便控制總線的電氣連接和軟件連接過程，在不切斷電源的條件下可拔出故障模板，插入備份模板，保持系統(tǒng)連續(xù)不間斷運行，這一點對于不能停機的重要生產(chǎn)和監(jiān)測系統(tǒng)非常重要，這就是CompactPCI總線的“熱插拔”功能，它為構造高可用性的冗余系統(tǒng)奠定了基礎。CPCI總線工控機控制系統(tǒng)一般由平臺系統(tǒng)、外圍I/O接口模板、數(shù)據(jù)通信與現(xiàn)場總線接口、人機接口以及軟件組成。平臺系統(tǒng)包括機箱、CPU板、無源背板、電源以及風扇。外圍I/O接口模板連接計算機與工業(yè)生產(chǎn)控制對象，對工業(yè)現(xiàn)場設備進行控制。通過傳感器或變送器將隨時間變化的被測信號轉換成模擬電壓（或電流）信號，然后經(jīng)信號調(diào)理模板轉換成標準電壓（或電流）信號，通過A/D轉換板變成數(shù)字信號，輸入到CPU板進行處理。數(shù)字量控制信號通過D/A轉換成標準的電壓（或電流）信號，送到執(zhí)行機構進行控制。對只提供開關量的被測信號，直接由開關量輸入板采集后送到CPU板，對只要求提供開關量輸入的執(zhí)行機構，就由開關量輸出板直接輸出數(shù)字量進行控制。此外還有其他特殊功能I/O模板，如信號調(diào)理板、接線端子板等。這些種類齊全的I/O模板與工控機平臺系統(tǒng)配合使用，很容易構成滿足現(xiàn)場需要的測控系統(tǒng)。為簡化測試系統(tǒng)結構，將總線技術應用于測試系統(tǒng)。采用總線結構便于儀器和設備的擴充，統(tǒng)一的總線標準容易在不同設備間實現(xiàn)互連。測試總線按其結構功能和性質(zhì)的不同，可以分為內(nèi)部總線和外部總線。內(nèi)部總線延時一般小，且?guī)捯话愦?。外部總線一般配置比較靈活，使用起來一般比內(nèi)部總線方便許多。外部總線傳輸延時一般比較大，如果傳輸距離太長，則必須要有嚴格的條件限制。而內(nèi)部總線一般數(shù)據(jù)傳輸率高，可靠性好，同步和定時精確。例如，GPIB、USB、1394總線、LXI總線屬于外部總線，VXI總線和PXI總線則屬于內(nèi)部總線。外部總線大多數(shù)屬于串行總線，只適合數(shù)據(jù)傳輸和通信；而內(nèi)部總線多為計算機系統(tǒng)總線，是并行總線，不僅能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，還能完成同步、觸發(fā)定時功能。III.測量儀器總線在測試測量行業(yè)，內(nèi)部總線也稱模塊化儀器總線，提供了開放的標準和靈活軟件來創(chuàng)建用戶自定義儀器，解決不同的應用需求。內(nèi)部總線具有的高帶寬特性對于高速流盤和激勵/響應測試的應用來說至關重要，而低延遲則決定了少量數(shù)據(jù)傳輸時的測試時間，如數(shù)據(jù)傳輸延遲要求較高的數(shù)字萬用表+開關的掃描測試。外部總線主要提供傳統(tǒng)分立式儀器與PC之間的互連性，因此通常又將這一類總線稱之為分立儀器總線。每一種總線針對不同的應用都有其獨特的優(yōu)勢，譬如說GPIB作為最成熟的總線技術，擁有最廣泛的可供選擇的儀器種類；使用USB，用戶可以充分利用其即插即用的特性；而使用

LAN、LXI，可以滿足用戶分布式應用和遠距離儀器通信的需求。根據(jù)對測量功能、帶寬、傳輸延遲、性能和易連接性等的不同需求，用戶可以自由選擇適合自己應用的總線連接技術。測量儀器總線的發(fā)展從20世紀70年代的GPIB開始，到現(xiàn)在被廣泛使用的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儀器總線。有代表性的如VXI（80年代）、PXI（90年代）和最近推出的LXI。GPIB總線系統(tǒng)互連了通用測試儀器與計算機，實現(xiàn)了測試結果的數(shù)字化和計算機化。VXI和PXI背板測試總線易于產(chǎn)生各種同步、控制和測試所需的各種激勵信號，易于同時輸入和測試多路開關量信號和模擬量信號，測試能力大大增強，測試范圍也得到極大的拓展，特別是增強了對現(xiàn)代多輸入/輸出數(shù)字電路的測試能力。2005年推出的LXI總線，將LAN技術應用于自動測試領域，提出了解決測試平臺和測試設備之間接口總線定時、同步、控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}的新方法，實現(xiàn)分布式測試。未來發(fā)展趨勢將是通過互連網(wǎng)或專用網(wǎng)將不同測試系統(tǒng)集合一個測試系統(tǒng)平臺，將測試資源（包括硬件和軟件）和信息最大化利用，完成更全面更精確的測試任務。測試總線技術的發(fā)展常用測試總線帶寬和延遲1.傳統(tǒng)的測試總線1）IEEE488總線/GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）又叫HPIB（HPInterfaceBus），用來連接系統(tǒng)的并行總線接口標準。HP于1965年設計的接口總線，用于連接HP的計算機和可編程儀器。由于其轉換速率高（1Mb/s），幾乎所有獨立儀器都配有GPIB接口。

GPIB使電子測量從獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，并且使得自動測量中儀器的互聯(lián)有了統(tǒng)一的標準。此后，各種標準接口的測量儀器不斷出現(xiàn)。GPIB測量系統(tǒng)的結構和命令很簡單，有專為儀器控制所設計的接口信號和接插件，具有突出的堅固性和可靠性。系統(tǒng)是在微機中插入一塊GPIB接口卡，通過24或25線電纜連接到儀器端的

GPIB接口。當微機的總線變化時，例如采用ISA或PCI等不同總線，接口卡也隨之變更，其余部分可保持不變，從而使GPIB系統(tǒng)能適應微機總線的快速變化。GPIB接口一根GPIB專用電纜可連接多臺測試儀器，但一根線上的設備不應該超過15臺；傳輸距離小于20m；數(shù)據(jù)傳輸采用位并行、字節(jié)串行雙向異步傳輸方式，最大速率為1Mbps；GPIB總線信息邏輯采用反邏輯，TTL電平兼容；GPIB只傳輸控制命令和測試結果，不參與儀器內(nèi)部運行。GPIB系統(tǒng)目前仍是儀器、儀表及測控系統(tǒng)與計算機互連的主流并行總線。仍將在中、低速范圍內(nèi)的計算機外設總線應用中占有一定的市場。GPIB如今也支持熱插拔功能和遠程接入，也開發(fā)了由GPIB到USB或LAN的橋接通信協(xié)議。

2）

VXI總線（VMEbuseXtensionforInstrumentation）VME計算機總線在儀器領域中的擴展，87年提出，92年成為IEEE1155標準。第二代測試儀器中心代表。最早引入模塊化儀器概念的總線，減小了傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)的尺寸，提高了系統(tǒng)集成化的水平，主要用于滿足高端自動化測試應用的需要，VXI有更高的帶寬，更好的延遲率，得到了軍工/航空航天領域的大量采用。VXI總線還具有下列特點：開放式儀器系統(tǒng)。系統(tǒng)組成有主機箱、“0槽”控制器、各種功能的模塊化儀器和驅動軟件、軟面板（SFP）、軟件開發(fā)平臺及系統(tǒng)應用軟件等。采用背板結構，數(shù)據(jù)傳輸速率快（40Mb/s）。儀器系統(tǒng)成“單機箱多模塊式”。安裝密度高、體積小、重量輕、易于攜帶等優(yōu)點?？商岣弑粶y信號的保真度，能減小引線長度，降低系統(tǒng)噪聲和改善屏蔽效果。采用模塊化的嚴密設計與工藝保證，有很高的可靠性，良好的電磁兼容性和很強的抗干擾能力，具有有效的自檢與自診斷能力和良好的可維修性，大大延長了使用壽命。其平均故障間隔時間（MTBF）一般能達到10萬小時，最高可達70萬小時（折合80年使用期）。資源利用率高，容易集成，縮短研制周期，易于升級和擴展，易于快速更換模塊，重新組合系統(tǒng)。因此資源的重復使用率高達75%～85%，設備的成本及投資風險降至最低。有豐富的軟件開發(fā)工具。便于用戶自行開發(fā)“虛擬儀器”。98年VXI2.0版本規(guī)范提供64位擴展能力，數(shù)據(jù)傳輸率最高可達80Mb/s。最多可包含256個器件（裝置），可組成一個或多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)最多可包含13個插入式模塊，插入一個機箱內(nèi)，在組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合，具有無法比擬的優(yōu)勢。VXI總線滿足了目前自動測試系統(tǒng)向標準化、自動化、智能化、模塊化、便攜式方向的發(fā)展要求。VXI總線系統(tǒng)組成：一般由計算機，VXI主機箱和VXI模塊或儀器組成。VXI總線系統(tǒng)主計算機可以分為外置式和內(nèi)嵌式兩種。外置主計算機接口首先把程序中的控制命令轉換為接口鏈路信號進行傳輸，VXI接口把信號轉變成VXI總線命令。目前最常見的接口包括：GPIB、RS-232C、MXIbus接口、IEEE1394接口和VMEbus接口等。采用內(nèi)嵌式主計算機，主要是直接寄存器存取方式工作，這種方式減少了系統(tǒng)體積，增加了工作速度，因而在技術上是很有吸引力的。VXI器件：總線系統(tǒng)基本邏輯單元。根據(jù)性質(zhì)、特點和通信規(guī)程，器件可以分為4種類型：寄存器基器件：通信對它的寄存器進行讀寫，如A／D變換器，多路開關等。這類器件硬件電路簡便，易于實現(xiàn)，而且速度快，只能受其它器件或系統(tǒng)控制；消息基器件：支持復雜通信協(xié)議。如計算機、資源管理器、各類有本地智能的測試儀器，488－VXI接口等。可控制其它器件，能接受和處理復雜命令。速度低；存儲器器件：存儲器器件有配置寄存器、特征寄存器（只讀型寄存器）；擴展器件：擴展器件允許為將來的應用定義新的器件門類，以支持更高水平的器件兼容性。相互通信的兩個器件一個稱為命令者（Commander），另一個稱為從者（Servant）。在一個VXIbus系統(tǒng)中最多可有256個邏輯地址的器件。2.

PXI(PCIeXtensionsforInstrumentation)總線PXI97年由NI發(fā)布，結合了PCI的電氣總線特性與cPCI（CompactPCI）的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，加入同步時鐘、觸發(fā)等量測專用總線。PXI總線規(guī)范在機械結構方面與cPCI總線的要求基本相同，對機箱和印制電路板的溫度、濕度、振動、沖擊、電磁兼容性和通風散熱等提出了要求，與VXI總線的要求非常相似。PXI充分利用了PCI，具有級別更高、定義更嚴謹?shù)沫h(huán)境一致性指標，符合工業(yè)環(huán)境下振動、撞擊、溫度與濕度的極限條件。提出了基于計算機的高性能標準化測量與自動化方案。以合理的價位提供比原有系統(tǒng)架構出色得多的性能。PXI用戶自然地享有很多便利，如廉價、易用、靈活的PC技術；開放的工業(yè)標準以及與CompactPCI產(chǎn)品的完全互用性。PXI的技術特點主要有兩個：首先是基于CPCI，并兼容CPCI；其次是面向測試和測量應用設計。最終PXI將取代VXI，成為主流工業(yè)標準測試平臺。同時PXI將向工業(yè)自動化領域擴展，與CPCI形成優(yōu)勢互補，與CPCI共同奠定未來工業(yè)自動化技術的基礎。PXI是GPIB后成長最快的標準化技術，產(chǎn)品豐富，性能提升，速度達到2GHz，精度提升到了7位數(shù)字，射頻測量帶寬也達到了3GHz。將來PXI可能取代傳統(tǒng)盒式測量儀器，占據(jù)中、低頻段的高精度測量設備市場。最新的PCIExpress技術使得PXIExpress能夠進入到更多以往被專用儀器所統(tǒng)制的一些應用領域，如中頻乃至射頻的數(shù)字化儀、通訊協(xié)議的驗證等。

PXI硬件構架三個基本部分組成：機箱，系統(tǒng)控制器和外設模塊。1）PXI機箱：機箱為系統(tǒng)提供了堅固的模塊化封裝結構。機箱有4槽到18槽不等，并且還可以有專門特性如DC電源和集成式信號調(diào)理。機箱有高性能PXI背板，包括PCI總線，定時和觸發(fā)總線。使用戶可以開發(fā)出需要精確同步的應用系統(tǒng)。PXI的規(guī)格有兩種：3U和6U，模塊被上下兩側的導軌和“針－孔”式的接插端牢牢的固定住。3U應用是便攜或小型的測試、SCADA、監(jiān)視與控制以及工業(yè)自動化系統(tǒng)。6U的PXI主要向高采樣速度、高帶寬、高精度、多通道容量的中、大型ATE應用發(fā)展。PXI模塊化、前插式的結構給維護和升級帶來的極大的便利。背板提供專為測試和測量工程設計的獨到特性，還有：每個儀器模塊增加了一根10MHz的系統(tǒng)同步參考時鐘線，可以在系統(tǒng)中同步不同的儀器模塊，保證一致性和連續(xù)性。增加兩組同步觸發(fā)總線。一組是8根公共同步觸發(fā)總線，用于各儀器模塊之間的一般同步。觸發(fā)信號還能在模塊間傳遞，以實現(xiàn)對所控制或監(jiān)督的外部異步事件做出確定響應；另一組是由專用觸發(fā)模塊發(fā)出的星型同步觸發(fā)總線，每個模塊有一根專用觸發(fā)信號，同步精度<1ns，可為系統(tǒng)提供高精度的觸發(fā)基準。增加了菊花鏈式連接的13根局部高速專用數(shù)據(jù)傳輸通道，用于兩個儀器模塊之間高速傳輸測量數(shù)據(jù)而不需要占用共享的CompactPCI總線。2）PXI控制器：可選的控制器有標準桌面PC的遠程控制，也有包含MS操作系統(tǒng)或實時操作系統(tǒng)（如LabVIEWRT）的高性能嵌入式控制。（1）PXI遠程控制：利用MXI-3（MeasurementeXtensionsforInstrumentation）接口工具，PXI系統(tǒng)通過串口連接被PC或其它PXI系統(tǒng)直接控制。遠程可使用銅線或光纖連接。MXI-3無需額外的編程。（2）PXI嵌入式控制：使用嵌入式控制器可用PXI機箱提供一套完整的系統(tǒng)。典型的PXI嵌入式控制器如NIPXI-8176控制器有PentiumIII1.26GHz處理器，512MBRAM內(nèi)存，一個硬盤以及標準PC外設接口，如USB，并口和串口，還可安裝Windows2000/XP或LabVIEWRT模塊。嵌入式控制非常適合便攜式系統(tǒng)以及“單機箱”應用，這樣的機箱可以很方便地從一個地點移到另一個地點。3）PXI外部模塊：從PXI成為工業(yè)標準以來，PXI系統(tǒng)聯(lián)盟廠商已提供近1000種模塊，包括：模擬輸入和輸出/總線接口和通信/數(shù)字輸入輸出/數(shù)字信號處理/功能測試和診斷/圖像采集/儀器/運動控制/開關等。PXI可與CompactPCI直接兼容，因此任何3U的CompactPCI模塊可直接用于PXI系統(tǒng)。此外，Card/PCMCIA和PMC（PCIMezzanineCard）卡使用轉接模塊(CarrierModule)可直接插入PXI系統(tǒng)使用。例如，NIPXI-8221PCCardCarrier可將Cardbus和PCMCIA設備接入PXI系統(tǒng)。因為PXI還提供了用于和獨立式傳統(tǒng)儀器或VXI系統(tǒng)通信的標準軟硬件，例如，要將PXI系統(tǒng)與GPIB儀器相連接，可使用PXI-GPIB模塊，也可使用PCI-GPIB模塊等。PXI在可靠性、穩(wěn)定性和測量精度等方面繼承了VXI的模塊化優(yōu)點；如數(shù)據(jù)寬度、數(shù)據(jù)速率等優(yōu)于VXI；PXI與CompactPCI保持兼容，可充分利用主流PC工業(yè)的技術進步；最后，PXI在提供高測控系統(tǒng)品質(zhì)的同時，費用會顯著降低。3.

LXI總線（LANeXtensionsforInstrumentation）LXI是基于以太網(wǎng)LAN的自動測試系統(tǒng)模塊化構架平臺標準。由Agilent和VXITechnology04年提出的一種新的集成測控總線?；贓thernet802.3接口技術實施功能性接口規(guī)范，保證基于嵌人式IEEE1588協(xié)議儀器間的互操作性，并提供所需的觸發(fā)功能。目前LXI只是將多種現(xiàn)有的技術（如LAN，IEEE1588等）重新整合成一種新的標準，沒有太多技術上的革新。主要針對美國軍方的一些高端測量應用，沒有在工業(yè)界普及。LXI采用以太網(wǎng)作為I／O接口，LXI總線的模塊化測試標準規(guī)范融合了GPIB儀器的測量高性能、VXI/PXI卡式儀器的小體積以及LAN的高速吞吐率，并考慮了定時、觸發(fā)、冷卻、電磁兼容等儀器要求。LXI不需要帶有很多插槽的機箱和0槽控制器，也不需要昂貴的控制主機和測量儀器之間的通信連接。LXI模塊帶有處理器、電源、觸發(fā)輸入和以太網(wǎng)連接。模塊尺寸為全寬和半寬的1U和2U標準機箱。LXI模塊作為虛擬儀器由外部計算機控制。

LXI總線采用獨立儀器方式，采用以太網(wǎng)LAN替代低速的測試測量接口（如GPIB），并通過互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)訪問遠端測試模塊及儀器。設計者可以在測試與測量系統(tǒng)中直接接入基于以太網(wǎng)LAN的測試系統(tǒng)，達到向遠程地點傳輸數(shù)據(jù)或者從遠程地點接收命令的目的。不同的LXI應用要求不同的功能需要，如決定機制、同步機制、觸發(fā)機制和可預測軟件驅動互操作性等。國際LXI協(xié)會初步將LXI的儀器分三個等級，如表5所示。等級特征等級A擁有等級B的一切能力，同時具備觸發(fā)總線硬件觸發(fā)機制；等級B擁有等級C的一切能力，并且加上IEEE1588精確時間協(xié)議同步；等級C網(wǎng)絡功能性（辨識，瀏覽界面），具有通過LAN的編程控制能力，可以與其他廠商的儀器一起協(xié)同工作LXI總線的同步控制：采用Agilent的IEEE1588時鐘同步標準?？蓪崿F(xiàn)亞微妙級的精確時鐘同步，簡單的同步過程如下：當同步過程開始時，系統(tǒng)自動鑒別網(wǎng)絡中最精確的時鐘，并把它作為主時鐘。1)主時鐘向網(wǎng)絡中的所有其他設備發(fā)送同步脈沖和當前時間。所有從設備把它們的時鐘設置到主時鐘；2)各從設備發(fā)送時間戳記應答主設備。主時鐘計算同步脈沖原發(fā)送時間和不同接收時間間的偏置量；3)主時鐘向各從設備發(fā)送偏置值，以補償主設備同步脈沖與從設備接收時間的差值。經(jīng)過這一初始校準后，周期性的同步脈沖就可以保持從設備與主時鐘間的精確同步。LXI總線采用M—LVDS(半雙工、多點低壓差分信號)硬件觸發(fā)總線，提供精確同步觸發(fā)，支持其他標準平臺觸發(fā)接口。LXI的特點和優(yōu)勢：1)開放式工業(yè)標準，不需要專用的機箱和0槽計算機；2)向后兼容性，升級不需重新配置，允許擴展為大型卡式儀器(VXI，PXI)系統(tǒng)；3)成本低廉；4)互操作性，只需40種左右的通用模塊即可高效且靈活地組合成面向目標服務的各種測試單元；5)新技術及時方便的引入。另外，由于LXI模塊本身配備有處理器、LAN連接、電源供應器和觸發(fā)輸入，因此它不像模塊式卡槽必須使用昂貴的電源供應器、背板、控制器及MXI插卡和接線。LXI測試總線技術是信息化、網(wǎng)絡化發(fā)展的必然趨勢。由于采用了通用的儀器驅動模型(IVI，VXI一Ⅱ，VISA)，LXI總線儀器可以實現(xiàn)儀器間的自動識別、自動發(fā)現(xiàn)、自動協(xié)同控制等功能。LXI的應用流程如下：(1)連接：設備間通過網(wǎng)絡交換機互連，構成局域網(wǎng)。設備使用前重新分配網(wǎng)絡地址或者采用動態(tài)網(wǎng)絡配置方式。(2)工作流程：設備加電后，組網(wǎng)各設備自動訪問局域網(wǎng)，搜索局域網(wǎng)中其他LXI設備，通過IEEEI588協(xié)議實現(xiàn)設備間的精確時鐘同步(C類設備除外)；在功能設備驅動下，發(fā)現(xiàn)協(xié)同設備，實現(xiàn)LXI設備間的自動識別、自動連接。(3)功能實現(xiàn)：在功能設備驅動下，可通過計算機軟件協(xié)同控制各個LXI設備來完成測量測控任務，也可由LXI設備間的自動連接、協(xié)同控制來完成既定的設備功能流程。LXI總線技術的諸多優(yōu)勢必然要在工業(yè)、軍事、航空航天等眾多領域中發(fā)揮不可估量的作用。LXI測試系統(tǒng)平臺，降低了測試系統(tǒng)構建成本．提高了系統(tǒng)兼容性和可擴展性，可以更好地支持研發(fā)與制造工程師進行航空／國防、汽車、工業(yè)、醫(yī)療及消費類電子產(chǎn)品的設計工作．在校準測試領域具有廣泛的應用前景。

結語在測量和儀器系統(tǒng)機箱底板總線中，CPCI、PXI和LXI總線代表著這類總線當前的水平。在測量儀器機箱與計算機的互連總線中，IEEE488仍將被使用，VXI還會長時間內(nèi)存在。但串行總線（USB、FireWire）逐步成為測量和儀器網(wǎng)絡總線之一。各種儀器總線技術會共存，只是市場份額大小和應用需求不同的分別。有越來越多的基于多種總線的混合測試系統(tǒng)。測控系統(tǒng)正向高效、高速、高精度和高可靠性，及自動化、智能和網(wǎng)絡化方向發(fā)展，chw開放型、全分布式、智能化的測控網(wǎng)絡系統(tǒng)。工業(yè)儀表設備間點對點的通信技術1.高速串行接口總線1）FireWire串行總線(IEEE

1394)IEEE一項視頻傳輸串行接口標準。早期由蘋果開發(fā)，索尼曾參與開發(fā)（6線改4線），注冊為iLINK商標。1394支持外接設備熱插拔、同時可為外設提供電源，省去了外設自帶的電源、支持同步數(shù)據(jù)傳輸。主要性能特點如下：數(shù)字接口：數(shù)據(jù)能夠以數(shù)字形式傳輸保證了信號的質(zhì)量；“熱插拔”：包括全速工作時；即插即用：無需設定，主節(jié)點可以動態(tài)確定；總線結構：采用讀／寫映射空間的結構；速度快：100Mbps，200Mbps，400Mbps，1394

B定義到3．2

Gbps；IV.其它常用工業(yè)通訊技術設備可自供電或由總線供電。自供電時還可以向總線供電。兼容性好：IEEE1394總線可適應臺式個人機用戶的全部I／O要求，并可以與SCSI并口（小型計算機系統(tǒng)接口）、RS232標準串口、Apple的DesktopBus等接口兼容；物理體積小，制造成本低，易于安裝；非專利性：使用IEEE1394串行總線不存在專利問題；

單一總線最多連接63個物理節(jié)點(相當于USB系統(tǒng)中的接口)，一個計算機可有1

024FireWire總線。

采用點對點模型，所有設備建立對等網(wǎng)絡，設備間可以互相直接通信。

利用FireWire總線不但可組成高速測控網(wǎng)絡，還可以代替測量和儀器系統(tǒng)機箱底板的并行總線，或作為冗余測控系統(tǒng)中的機箱底板并行總線的備份總線，具有很好的應用前景。FireWire總線的汽車電子版IDB-1394，也已經(jīng)是一種比較成熟的技術。IEEE1394傳輸協(xié)議物理層、鏈路層、事務層和總線管理層。1）物理層：提供電氣及機械方面的連接，完成實際的數(shù)據(jù)傳輸和接收任務。還提供初始設置（Initialization）和仲裁(Arbitration)服務，以確保在同一時刻只有一個節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。物理層功能由硬件實現(xiàn)。接口有6針和4針（iLINK）。6針接口中有4針是用于傳輸數(shù)據(jù)的信號線，另外2針是供電的電源線。電源電壓一般為8～40V，最大電流1.5A。由于傳輸速率很快，線纜對屏蔽性要求非常高，IEEE1394線都不長（<3m）。

2）鏈路層負責傳輸包的生成和分解，提供數(shù)據(jù)包傳送服務，提供接收確認，定址，數(shù)據(jù)校驗，以及數(shù)據(jù)分幀等。鏈路層功能由硬件實現(xiàn)。異步傳送與大多數(shù)計算機應答式協(xié)議相似；同步傳送為實時帶寬保證式協(xié)議。1394的傳輸模式主要有“背板”（Backplane）和“纜線”（Cable）兩種，背板模式用于帶寬要求不高的環(huán)境。而纜線模式速度非?？欤瑧糜跀?shù)碼視頻流實時傳輸。支持三種事件：總線配置、總線仲裁和數(shù)據(jù)傳輸。總線配置無須主機干預，配置完成后開始數(shù)據(jù)傳輸，但節(jié)點在每次傳輸事務之前需首先通過總線仲裁事件獲得總線控制權。3）處理層(Transaction

Layer)：也譯事務層，實現(xiàn)信號的請求和響應協(xié)議，向上層提供服務。支持異步協(xié)議寫，讀和鎖定（Lock）指令。處理層功能由固件實現(xiàn)。4）串行總線管理（SerialBusManagement）：負責系統(tǒng)結構控制、總線配置、電源和帶寬管理、節(jié)點活動管理等。提供全部總線的控制功能，包括電力供應，優(yōu)化定時機制，分配同步通道ID，以及處理基本錯誤提示等。在實際操作過程中，設備必須首先要求控制物理層。如果進行異步傳輸，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收方互換地址，然后進行數(shù)據(jù)傳輸。當接收方收到數(shù)據(jù)包時，會向發(fā)送方傳回確認信息。如果接收方?jīng)]有受到數(shù)據(jù)包，則啟動錯誤修復機制。如果進行同步傳輸，發(fā)送方首先要求獲得一個特定帶寬的數(shù)據(jù)通道。然后將通道ID附加在所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中一起發(fā)送。接收方對數(shù)據(jù)流進行檢測，只有當發(fā)現(xiàn)具有特定ID號的數(shù)據(jù)時才進行接收。以125μs為循環(huán)周期(相當于USB系統(tǒng)中的幀周期)。異步傳輸有至少20％的帶寬可用，等時傳輸則至多80％。在早期的USB1.1時代，1394a接口在速度上占據(jù)了很大的優(yōu)勢，在USB2.0推出后，1394a接口在速度上的優(yōu)勢不再明顯。現(xiàn)在絕對多數(shù)主流的計算機并沒有配置1394接口，要使用必須要購買相關的接口卡，增加額外的開支。目前單純1394接口的外置式光儲很少，大多都是同時帶有1394和USB接口的多接口產(chǎn)品，使用更為靈活方便。2）USB(UniversalSerialBus)接口總線USB

95年提出，特點是傳輸速率高、即插即用、熱切換(帶電插拔)和可利用總線傳送電源等特點。USB外圍設備通過PCI總線與PC內(nèi)部的系統(tǒng)總線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。有三種標準：96年的1.0，98年的1.1以及最新的USB2.0，USB2.0速度到480Mbps，傳輸距離30米。理論上單個USBhost控制器可以連接最多127個設備。USB技術得以廣泛發(fā)展和應用的主要原因是：方便：可以連接多個不同的設備，支持熱插拔。軟件驅動程序和應用軟件無需額外設置。USB口單獨使用自己的保留中斷，省去了硬件配置。速度：使大容量圖像的實時傳送成為可能。連接：支持多個不同設備的串列連接，電源：USB可通過連接線為設備提供最高5V，500mA的電力，可支持如掃描儀、數(shù)碼相機等常用設備。USB系統(tǒng)組成：USB主機（Host）、USB器件（Device）和USB的連接。1）主機：一個USB系統(tǒng)僅可以有一個主機，器件連接主機的部件是USB主機控制器，由硬件、軟件和固件(Firmware)組成。PC主板兩個USB端口由一個USB主機接口芯片控制，作用有：管理和實現(xiàn)USB物理層差模信號；以寄存器的形式提供給各種端點；提供各種配置和存儲寄存器。還有電源管理的部分。通常主板的USB接口都是由ROOTHUB提供的。USB主機主要功能包括5個方面：檢測USB設備連接、管理主機和設備間控制管道、管理主機和設備間數(shù)據(jù)流、收集設備狀態(tài)和總線活動、管理主機與設備間電氣接口。

固件以硬件為基礎實現(xiàn)USB功能，包括有關系統(tǒng)配置和CPU的設置模塊、USB協(xié)議棧模塊等幾部分。設備的USB棧就要能夠識別并處理USB總線上不同的信息內(nèi)容。軟件部分就是PC的操作系統(tǒng)所能夠提供的各種驅動程序和應用程序支持。包括三部分：USB主控制器驅動程序：其負責CPU與USB主機接口芯片的通訊，處理底層USB包的發(fā)送與接收；USB核心驅動程序，這部分是USB底層與用戶程序之間的橋梁，負責解釋用戶程序中對USB的各種操作命令，并解碼后發(fā)送給底層驅動；USB用戶程序和類協(xié)議驅動程序，這部分就是上層的應用層，主要包括操作系統(tǒng)提供給用戶的API、以及用戶自己定義的對USB設備的各種操作，比如讀取USB設備某幾個特定的數(shù)據(jù)等等。USB器件分兩種：USBHUB和USB功能器件。有一個上行的端口(到host)，多個的下行端口(連接其它的設備)，從而可以使整個的系統(tǒng)可以擴展的連接127個外設。對于USB系統(tǒng)來說，USB的host是PC，所有的其他連接到host都稱為設備，在設備與設備之間只有通過host的管理與調(diào)節(jié)才能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互相傳送。USB系統(tǒng)構成

幾種USB接口3）USB的連接，即USB器件和USB主機進行通信的方法，如包括：總線的拓撲（由一點分出多點的網(wǎng)絡形式）：即外設和主機連接的模式；各層之間的關系：即組成USB系統(tǒng)的各個部分在完成一個特定的USB任務時，各自之間的分工與合作；數(shù)據(jù)流動的模式：即USB總線的數(shù)據(jù)傳輸方式；USB的“分時復用”：因為USB提供的是一種共享連接方式，因而為了進行資料的同步傳輸，致使USB對資料的傳輸和處理必須采用分時處理的機。4）USB設備物理接口：USB兩個版本的物理接口完全一致，數(shù)據(jù)傳輸率上的差別完全由PC的USBhost控制器以及USB設備決定。每個設備可以從總線上獲得100mA的電流，如果特殊的向系統(tǒng)申請，最多可以獲得500mA的電流，在掛機的狀態(tài)下，電流只有500uA。USB總線協(xié)議內(nèi)容USB總線上信息有兩種：一種是差模數(shù)據(jù)線上的包；另一種則是有特殊定義的數(shù)據(jù)線的信號，比如復位信號、遠程喚醒信號等等。在上層，這些信息又要被組成各種傳輸?shù)念愋蛠砑右蕴幚?。所以協(xié)議棧的內(nèi)容是龐大的。這里介紹一些概要。（1）物理層：USB的電纜有四根線：地線、電源線、D+和D-差分輸入線（3.3V電壓），電源線和地線可向設備提供5V電壓，最大電流為500MA。數(shù)據(jù)由低位到高位發(fā)送。USB協(xié)議規(guī)定Bitstuffing，6位“1”加一個“0”，然后使用NRZI編碼。通常一個全速的數(shù)據(jù)幀可以最多有1500bytes，低速幀最多有187bytes。2）USB的域：USB數(shù)據(jù)首先數(shù)字構成域（field），域再構成包(packet)。包是USB的基本數(shù)據(jù)單元。域有7類：同步序列域SYNC（0x00000001）、包標志域、地址域、端點域、幀號域、數(shù)據(jù)域和CRC校驗域。包標志符PID(packet

ID)：由四位標識符+四位標識符反碼構成，緊跟在SYNC后面，表明包的類型和格式。USB的標識碼一共有16種，區(qū)別包的4大類別以及每大類中的小類；地址（ADDR）：地址域有7位，可以用來尋址127個設備；端點（ENDP）：它由4位組成，所以它最多能尋址32個端點。這個數(shù)據(jù)包僅用在傳輸包OUT、IN、SET包中；循環(huán)校驗碼（CRC）：根據(jù)不同的包類型，CRC數(shù)據(jù)域由不同的數(shù)目的位所組成。其中最重要的數(shù)據(jù)封包采用CRC16的數(shù)據(jù)域，而其它采用CRC5的數(shù)據(jù)域；數(shù)據(jù)（data）：根據(jù)PID類型的不同所擁有的字節(jié)數(shù)也就不同，從0~1023Byte；幀號碼（framenumber）：特殊的包SOF包內(nèi)用。3）USB數(shù)據(jù)包：USB包包括同步信號，包標識PID(packet

ID)，傳送的數(shù)據(jù)以及差錯校驗和CRC等域。按照包在整個USB數(shù)據(jù)傳輸中的作用不同，包可以分為4大類：令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包，以及若干小類。在USB1.1規(guī)范里面，有10種包，USB2.0增加了差錯控制等，有16種包。PID類型PID名稱令牌IN,OUT,SOF,SETUP數(shù)據(jù)DATA0,DATA1握手ACK,NAK,STALL特殊類型PRE3．USB的數(shù)據(jù)傳輸方式USB有效帶寬分成1ms長的幀(frame)，每個設備每幀傳送一個同步傳輸包。完成系統(tǒng)配置和連接后，USBhost會對系統(tǒng)統(tǒng)籌安排，適應整個USB的帶寬。通常同步方式和中斷方式的傳送占整個帶寬的90%，剩下的安排給控制方式傳送數(shù)據(jù)。USB數(shù)據(jù)傳輸有四種：中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸。同中斷傳輸和批量轉輸?shù)慕Y構一樣，步傳輸最簡單，控制傳輸最重要也最復雜。中斷傳輸(interrupt)：由OUT事務和IN事務構成，用于定時查詢設備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳送。設備的端點模式器的結構決定了它的查詢頻率，從1到255ms之間。這種傳輸方式典型的應用在少量的分散的、不可預測數(shù)據(jù)的傳輸。鍵盤、操縱桿和鼠標就屬于這一類型。中斷方式傳送是單向的并且對于host來說只有輸入的方式；批量傳輸(bulk)：由OUT事務和IN事務構成，應用在數(shù)據(jù)大量傳送和接受數(shù)據(jù)上?？偩€忙時，USB會優(yōu)先進行其他類型的數(shù)據(jù)傳輸，而暫時停止批量轉輸。打印機和掃描儀屬于這種類型。適合于傳輸非常慢和大量被延遲的傳輸。同步傳輸(isochronous)：由OUT事務和IN事務構成。同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間(latency)。用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸，或要求恒定數(shù)據(jù)傳送率的即時應用中。例如網(wǎng)絡電話。控制傳輸(Control)：雙向傳送，數(shù)據(jù)量較小。主要用來進行查詢、配置和給USB設備發(fā)送通用命令?？刂苽鬏斢腥齻€階段（初始設置階段、可選數(shù)據(jù)階段、狀態(tài)信息步驟），用于主機識別設備，并裝相應的驅動程序。當USB設備插上主機時，主機就通過一系列的動作來對設備進行枚舉配置。USB的枚舉過程就是依靠控制傳輸來讀取設備信息、設置設備地址和讀取設備的描述符。這樣主機才能識別設備，并安上相應的驅動。從而可以采用其它3種可能的傳輸方式進行傳輸數(shù)據(jù)

USB的應用和基于USB的測量技術USB應用越來越多，輸入設備最成功，鍵盤、鼠標等極穩(wěn)定。問題：串聯(lián)多個設備可能失效。實際的USB也無法串接。另一個是電源，USB本身500mA電力，不足高電耗設備供電。USB進入測量儀器從1998年開始，最簡單的做法是增加USB作為外設接口，安裝USB接口比較方便。2000年后數(shù)字示波器上開始出現(xiàn)USB接口。安捷倫和NI在虛擬儀器軟件結構（VISA）的I/O層增加了對USB的支持，所以USB普遍被測量儀器接受為標準接口之一。USB接口簡單方便和低成本，大量USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)推出。USB儀器出現(xiàn)屬于市場驅動。測量儀器中的PC基儀器，特別是筆記本外設插槽，只有靠各種接口。USB進入測量儀器主流。USB以即插即用和經(jīng)濟實惠而進入測量儀器市場。較成熟的有USB數(shù)據(jù)采集器和USB數(shù)字示波器。隨著出現(xiàn)嵌入式USB和無線USB，USB的應用領域會更加廣泛。4.USB3.0IT發(fā)展使文件體積已經(jīng)越來越大，硬盤容量也到了TB級別。新的USB3.0標準將提供達到5（4.8）Gbps的理論傳輸速度。采用9-pin線路，有4-pin線路向前兼容USB1.0/1.1/2.0，其余5-pin由USB3.0獨享。USB3.0采用USB3.0采用對偶單純形四線制差分信號線，以低電壓差動模式進行雙工信號傳輸。此外，USB3.0將引進電源管理功能，周邊設備能夠獨立進入省電模式。

USB3.0雙總線架構圖

USB3.0在繼承USB2.0核心架構的基礎上，能夠提供50%—80%更多的電力支持設備。USB3.0的最大改進主要體現(xiàn)在兩個方面：第一，USB3.0將會智能管理USB設備，減少空置設備電能浪費;第二，USB3.0增大了供應電流。大量的數(shù)據(jù)流傳輸需要更快的性能支持，同時傳輸?shù)臅r候，空閑時設備可以轉入到低功耗狀態(tài)。甚至可以空下來去接收其他的指令，完成其他動作。USB3.0由英特爾，以及惠普（HP）、NEC、NXP半導體以及德州儀器（TI）等開發(fā)。從遠程監(jiān)測到近幾年的中、短程無線通訊技術，工業(yè)無線技術在很多應用場合具有有線技術無法或很難取代的優(yōu)勢。2004年由美國能源部發(fā)起成立了無線工業(yè)控制網(wǎng)絡聯(lián)盟（WINA）。推進基于工業(yè)無線技術的低成本測控系統(tǒng)應用1.無線通信基礎無線電波的波長不同，傳播特點也不完全相同。不同種類的無線設備工作方式不同，也工作在不同的頻段。無線電波通過多種傳輸方式從發(fā)射天線到接收天線。主要有自由空間波，對流層反射波，電離層波和地波。由于多途徑傳播使得信號場強分布復雜，波動大。，電波極化方向發(fā)生變化。信號質(zhì)量和天線距建筑物的距離及建筑物的高度有關，還和頻率有關。頻率越高，建筑物越高、越近，影響越大。相反，頻率越低，建筑物越矮、越遠，影響越小。V.工業(yè)無線通訊技術常用無線網(wǎng)絡協(xié)議：

802.11，802.15，802.16ZigBee（IEEE802.15.4）

以傳感器和遠程控制為代表的無線應用不需要較高的傳輸帶寬，而需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗。ZigBee協(xié)議是由IEEE802.15.4標準的PHY和MAC層再加上ZigBee的網(wǎng)絡和應用支持層所組成。突出特點是極低成本、易實現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等。ZigBee標準還支持多種網(wǎng)絡拓撲，包括星型、簇狀和網(wǎng)狀結構。ZigBee技術適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務。所以ZigBee聯(lián)盟預測的主要應用領域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設備控制等。1）ZigBee物理層：主要功能：激活和休眠射頻收發(fā)器，信道能量檢測，信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示，空閑信道評估，收發(fā)數(shù)據(jù)。主要目的是控制RF收發(fā)器工作；調(diào)制方式是擴頻通信,物理層采用DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列擴頻)技術，可提供27個信道用于數(shù)據(jù)收發(fā)。IEEE802.15.4定義了2.4GHz頻段和868/915MHz頻段兩種物理層標準，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4GHz能夠提供250kb/s速率，868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國的ISM頻段。這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近的干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s，916MHz是40kb/s。這兩個頻段上信號傳播損耗小，可獲得較遠通信距離

。信號傳輸距離：~50m（室內(nèi)），~150m（室外）。ZigBee在2.4GHz頻帶有16個信道（信道11－26）、915MHz頻帶提供10個信道（信道1－10）而868MHz頻帶提供1個信道（信道0）。2）數(shù)據(jù)鏈路層：MAC子層功能具體包括：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，普通設備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標幀與協(xié)調(diào)器同步；支持PAN網(wǎng)絡的關聯(lián)和取消關聯(lián)；支持無線信道的通信安全；使用CSMA-CA機制；支持保護時隙(GTS)機制；支持不同設備的MAC層之間的可靠傳輸。LLC子層功能包括：傳輸可靠性保障和控制；數(shù)據(jù)包的分段與重組；數(shù)據(jù)包的順序傳輸。802.15.4MAC層使用CSMA/CA。幀結構的設計原則是保證網(wǎng)絡在有噪音的信道上能可靠傳輸，同時將網(wǎng)絡的復雜性降到最低。ZigBee數(shù)據(jù)包結構簡單，最大長度為127字節(jié)，包括：1）前導信號:32位，2）幀分隔:8位，3）.幀長度:8位，4）幀控制:6位，5）數(shù)據(jù)序列編碼:8位，6）地址標識:32位，7）數(shù)據(jù)負載，8）幀校驗碼:16位。定義了4種基本幀結構：信標幀，數(shù)據(jù)幀，響應幀，MAC命令幀，用來處理MAC對等實體之間的控制傳送。3）安全性：ZigBee協(xié)議中單條的數(shù)據(jù)消息是通過對MAC層的安全來做到的，而多條消息報文一般是通過更上層(如網(wǎng)絡層)的安全機制來保證的。MAC層使用了一種被稱為AES高級加密標準的算法進行加密。當MAC層傳輸(接收)帶有安全性的幀時，首先檢查該幀的目標地址(源地址)，并檢索到和該目標地址(源地址)相對應的密鑰，然后利用該密鑰和相對的安全級別所對應的安全機制來進行逆向處理。每一種安全機制都將對應著一個密鑰，而在MAC層幀頭中有一位直接指明該幀是否使用安全機制。傳輸幀時可以利用MAC層的頭和凈荷來計算4字節(jié)、8字節(jié)或者16字節(jié)的消息完整性代碼（MessageIntegrityCode，MIC）。MIC直接被加到MAC層凈荷的后面，如果有真實性的要求，MAC層的左邊會被加入幀和序列記數(shù)器，用來對該凈荷進行加密，并保證其新穎性。當接收到包括了MIC的幀時，會對它進行一定的驗證；同樣如果接收到的幀的凈荷被加密，則需要進行一定的解密操作。3．Z-WaveZ-Wave不倚賴IEEE標準，發(fā)展比ZigBee快。Z-Wave面向建筑自動化和家庭控制，比ZigBee更簡單、便宜、省電。Z-Wave運作頻段為868.42MHz（歐洲）和908.42MHz（美國）。在傳輸上，Z-Wave以單一天線進行半雙工（HalfDuplex）傳輸，而信號調(diào)制使用簡易的頻移鍵控調(diào)變法FSK和曼徹斯特編碼。編碼、解碼都以硬件實現(xiàn)。Z-Wave有9.6kbps的傳輸率，傳輸距離約在100英尺左右，還可通過路由方式延續(xù)，最多可跨繞4個裝置，最遠至400英尺。Z-Wave的NodeID僅8-bit，理論上可有256個Z-Wave節(jié)點，實際可用的節(jié)點為232個，用于家庭自動化控制已經(jīng)夠用了。Z-Wave比ZigBee更強調(diào)省電，2顆AAA電池持續(xù)使用達數(shù)年。Z-Wave只需很簡單的執(zhí)行核心、很少的運算效能、以及很少的程序存儲器占用量，就能夠實現(xiàn)Z-Wave傳輸。Z-Wave硬件芯片＋程序的價格不到3美元，比ZigBee設定的低價目標5美元還要低，且已能正式供貨。4．RFID

(RadioFrequencyIdentification)射頻識別RFID90年代開始，利用射頻信號通過空間電磁場耦合(交變磁場或)實現(xiàn)無接觸信息傳遞。

基本原理：低頻段基于變壓器耦合模型(初級與次級之間的能量傳遞及信號傳遞)，高頻段基于雷達探測目標的空間耦合模型(雷達信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機)。RFID其應用形式為標記(tag)、卡和標簽(label)設備。標記設備由RFID芯片和天線組成，標記類型分為三種：自動式，半被動式和被動式?，F(xiàn)在市場上開發(fā)的基本上是被動式RFID標記，因為這類設備造價較低，且易于配置。被動標記設備運用無線電波進行操作和通信，信號必須在識別器允許的范圍內(nèi)，通常約3米。這類標記適合于短距離信息識別。

RFID芯片可以是只讀的，也可是讀/寫方式，依據(jù)應用決定。被動式標記設備采用E2PROM(電擦寫可編程只讀存儲器)，便于運用特定電子處理設備往上面寫數(shù)據(jù)。一般標記設備在出廠時都設定為只讀方式。RFID的工作原理是：標簽