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1、测控系统总线综述摘 要：综述了测控系统中机箱底板总线 、计算机与测控系统的互连总线和现场总线的历史、性能、应用和发展。关键词：测控系统总线，底板总线，互连总线，现场总线，测控网络，底层网(控制网)The Summary of the Measurement and Control System BusesAbstract：The history,characteristic,application and development of the measurement and control system buses that include measurement and control ch
2、assis backplane buses,interconnect buses between computers and measurement & control systems,and field buses are summarized.Key words：measurement and control system bus,backplane bus,interconnect bus,field bus,measurement and control network,Infranet所谓总线，就是 传送信息的公共通路。它是计算机和测控系统的重要组成部分。总线的性能对计算机或测控系统
3、的性能具有举足轻重的作用。总线的类别很多。按其传送数据的方式可分为串行总线和并行总线；按应用的场合可分为芯片总线、板内总线、机箱总线、设备互连总线、现场总线及网络总线等；按用途可分为计算机总线、外设总线和测控系统总线；按总线的作用域可分为全局总线和本地总线(local bus)；按标准化程度可分为标准总线和非标准化(专用)总线；按总线传送的信息种类可分为地址总线、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等。总线是计算机、 测控系统乃至网络系统的基础。采用总线技术，可大大简化系统结构；增加系统的开放性、兼容性、可靠性和可维护性；易于标准化和组织规模生产，从而降低系统造价。总线
4、技术包含的内容很广泛，本文将侧重讨论测控系统的总线技术。但是，现代计算机和测控技术的发展，已将计算机融入测控系统之中，或者说测控系统融入计算机之中，因此很难将测控系统总线与计算机总线截然分开。例如，在计算机总线插槽中插入一些测控用的功能插件的系统，或在测控机箱中嵌入计算机模块的系统，它们是计算机和测控系统合一的系统。为减少篇幅，本文讨论的内容主要涉及与计算机相对独立的测控机箱总线、测控机箱(机柜) 与计算机互连总线，以及连接现场测控设备的现场总线。1测控系统机箱底板总线测控系统机箱底板总线是指组成测控系统各种机箱的底板总线。在总线底板插槽上插入模拟量输入/输出、数字量输入/ 输出、频率或脉冲量
5、输入/输出等功能插件，可组成具有不同规模和功能的测控系统。除了许多计算机总线可用作这种机箱底板总线之外，还有不少专门为测控系统设计的总线。这些总线可以分成两大类，一类是经有关标准化组织发布的标准总线，还有一类是生产厂家自己设计的专用总线。早期标准的、用得较为普遍的测控机箱底板总线有 STD 总线和CAMAC 总线。STD 总线的插件板采用小尺寸板子结构，印制电路板上带有边缘式印制插头(亦称“金手指”)。在同类板子结构中，由于其板子尺寸小，因此耐振动、冲击，具有良好的坚固性和可靠性，适合于工业测控场合的应用。且由于这种总线标准的机箱、插件板结构简单，成本低，故而在一段时间内，STD 总线标准的产
6、品在工业测控领域得到普遍的应用。但是，STD 总线插件所用的边缘式印制插头存在接触不良的致命缺点，与其他先进的总线相比，其性能亦已落伍，近几年来已逐渐被其他总线产品所取代，正处于被淘汰的状态。CAMAC 总线是 70 年代初推出的一种专门为测控系统设计的标准机箱底板总线。其总线规范完整、严格，在 测控领域曾得到广泛的应用。近几年来，由于其他高性能总线的出现，这种总线的性能已显得落后，现在也处于淘汰过程。1986 年经美国标准协会标准化后推出的 IEEE 960-1986 Fastbus(高速总线)是 专门为高速数据采集系统设计的总线标准。其 总线规范非常严格和完整，在当时它是一种性能很先进的数
7、据采集系统总线，但由于种种原因，至今还没有被推广应用。80 年代末、 90 年代初提出并经标准化的测控系统总线是 VXI 总线，这种总线也是当前性能最先进的测控系统机箱底板总线之一。VXI(VMEbus eXtension for Instrumentation)总线是在 VME 计算机总线的基础上扩展的测控系统总线。它由美国 HP 等多家仪器公司于 1987 年提出，1992 年正式成为 IEEE 1155 标准。该标 准针对测控系统的具体要求，对机箱、印制电路板的结构、通风散热、 电磁兼容和信号特性等都做了详细的规定，使不同厂家生产的 VXI 总线产品相互兼容。功能插件与总线底板插槽相连的
8、插头(座), 使用接触非常可靠的针孔式连接器，提高了连接的可靠性。其性能见表 1。还有一部分底板总线虽未被标准化组织正式定为标准，但由于应用广泛已成为事实上的标准，早期的有 ISA(Industrial Standard Architecture)总线。它实际上是一种 PC 机总线，但在一段时间 内，用它作 为工业控制机或测控系统的机箱总线，得到普遍的应用和发展。ISA 总线虽然扩展了对微处理器的支持能力，但仍存在着许多不足之处，如 I/O 扩展能力差，边缘式印制插头(座) 接触不良，耐振动、冲击能力差，对温湿度比较敏感而不适应工业现场工作等，已逐渐被性能更先进的 PCI、CompactPCI
9、 总线所取代。PCI 总线主要用做 计算机总线， 这里不作评述。CompactPCI 总线是 PCI总线的增强和扩展，由多家工业控制计算机厂商于 1994 年提出，至 1997年已发布了两个规范版本。PCI 总线已成为当今微型机甚至服务器的事实上的总线标准。CompactPCI 在电气上完全与 PCI 总线兼容，而更适合于工业测控的应用。CompactPCI 总线采用国际标准的高密度、屏蔽式、针孔式总线信号连接器，提高了连接的可靠性，其数据总线宽度为 32/64 位，最高传输速率可达 528 MB/s。PCI 工业计算机生产厂商集团 PICMG 在 1996 年成立了一个分会，负责制定 Com
10、pactPCI 总线的热切换(hot swap,即带电插拔) 规范。该规范将进一步提高 CompactPCI 总线在工业测控领域的适用性。与 CompactPCI 总线类似的还有 PXI 总线 。它是美国 National Instrument(NI)公司于 1997 年推出的用于测控设备机箱底板总线的规范。它也是 PCI 总线的增强 与扩展总线。在机械结构方面与 CompactPCI 总线的要求基本相同，不同的是 PXI 总线规范对 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，这与 VXI 总线的要求非常相似。在电气方面，PXI 总线完全与 CompactP
11、CI 总线兼容。所不同的是 PXI 总线为适合于 测控仪器、设备或系 统的要求，增加了系 统参考时钟、触发器总线、星型触发器和局部总线等内容。上述几种总线的主要性能比较见表 1。表 1测控系统机箱底板总线性能比较项目 STD CAMAC ISA Fastbus VXI CompactPCI PXI推出时间 1973 年 70 年代初 1984 年 1986 年 1987 年 1994 年 1997 年采用的标准IEEE P961-1987IEEE 583等多个标准,19761982事实上的标准IEEE 960-1986IEEE 1155-1992事实上的标准 未标准化总线连接器形式边缘式印制插
12、头边缘式印制插头边缘式印制插头针孔式 针孔式 针孔式 针孔式插件板尺寸(mmmm)114.3165.1 182.9305333114 366.7400 100160 100160 100160233.5160 233.5160 233.5160233.5340 366.7340 总线插座引脚数56 86 62+36 130/260/325 A：96 329 329B：96/192C：96/192 D：96/192/288数据总线宽度(位)8/16(复用8 位地址线) 24(与地址线复用) 16 32(与地址 线复用) 3232/64(与地址线复用)32/64(与地址线复用)地址总线宽度(位)1
13、6/24(复用8 位数据线) 24(与数据线复用) 24 32(与数据 线复用) 3232/64(与数据线复用)32/64(与数据线复用)总线带宽(Hz)8M 1M 8M 160M 20M 33M 33M相对价格 最低 较高 低 较高 高 高 高2测控机箱与计算机的互连总线独立于计算机的测控机箱或机柜需用总线(或标准接口) 与计算机连接，以便组成计算机控制的测控系统或测控网络。这类总线有两大类，即并行和串行总线。2.1并行互连总线在集中式测控系统中， 计算机与测控系 统往往靠很近，为提高数据传输速率，大多采用并行总线将计算机和测控机箱( 柜)连接起来。这类总线也有标准的和非标准的两大类。常用的
14、标准并行互连总线有 IEEE 488 通用接口总线和 ANSI X3.131-1986 SCSI 总线。非标准的并行总线种类很多。大多数生产测控系统的厂家都采用自行设计的专用并行总线，通过总线转换接口，将计算机和测控机箱(柜)连接起来。IEEE 488 通用接口总线亦称 GPIB(General Purpose Interface Bus)，它是美国 HP 公司在 70 年代推出的，1975 年 IEEE 组织正式承认这个总线标准。该标准总线在仪器、仪表及测控领域得到了最为广泛的应用，至今还是仪器、仪表及测控系统与计算机互连的主流并行总线。其主要性能见表 2。随着计算机和测控系统速度的提高，这
15、种总线最高 1 MB/s 的传输速率已不能适应要求，不过，在今后一段很长的时间内，它仍将作为中、低速范围内的计算机外设总线来使用。SCSI 总线 的原型是美国 Shugart 公司推出的，用于计算机与硬盘驱动器之间传输数据的 SASI(Shugart Associates System Interface)总线，1986 年正式成为美国国家标准 ANSI X3.131,改名为 SCSI 总线(Small Computer Interface Bus)。经进一步改进提高，后来又 陆续推出 SCSI-2 Fast and Wide和 SCSI-3(又称 Ultra SCSI)总线，原 SCSI 总
16、线改称 SCSI-1 总线。该总线的传输速率很高(见表 2)，现已普遍用作计算机的高速外设总线，如连接高速硬盘驱动器。许多高速数据采集系统也用它与计算机互连。目前仍处在发展之中。在非标准的并行互连总线中，性能先进、具有很好应用前景的是 MXI总线(Multi-system eXtension Interface bus)。它是美国 NI(National Instruments)公司于 1989 年推出的 32 位高速并行互连总线。目前，VXI 总线的测控机箱大都用这种总线与计算机互连。它将成为 VXI 总线机箱与计算机互连的事实上的标准总线。其性能见表 2。 表 2几种并行接口总线主要性能比较项目 IEEE 488 SCSI MXI采用的标准 IEEE 488-1975 ANSI X3.131-1986 NI 公司，1989 年推出，未标准化信号线数(条) 16 18 62数据线宽度(位) 8 9 32传输速率 1 MB/s 5 MB/s 23 M
