buschapter4-2

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。,工控机与测控仪器接口总线,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,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。,2PC/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304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3.6in3.8in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12W能耗。软件采用结构化语言如、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（160mm100mm）、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0500Mbps；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3264位的数据宽度和3366MHz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。,3.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,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