嵌入式系統(tǒng)的總線技術及其應用

1 前言

隨著計算機和自動測量技術的發(fā)展，測量儀器和計算機的關系日益密切。目前PC的年銷售量近一億臺，在軟硬件方面積累了大量經驗，創(chuàng)造了豐富的資源。計算機(尤指微型機)的很多成果很塊就應用到測量和儀器領域，如圖形化用戶界面(GUI)、分布式處理、提高速度和網絡功能等等，不久都移植到測量和儀器中。利用PC極其豐富的軟件和硬件資源，可以大大提高測試系統(tǒng)的功能，許多方便實用的自動測試系統(tǒng)隨之而產生。與計算機相結合已經成為測量儀器和自動測試系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

所謂總線是指計算機、測量儀器、自動測試系統(tǒng)內部以及相互之間信息傳遞的公共通路，是計算機和內部測試系統(tǒng)的重要組成部分，其性能在計算機和自動測試系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用?？偩€是計算機、自動測試系統(tǒng)乃至網絡系統(tǒng)的基礎。利用總線技術，能夠大大簡化系統(tǒng)結構，增加系統(tǒng)的兼容性、開放性、可靠性和可維護性，便于實行標準化以及組織規(guī)?；纳a，從而顯著降低系統(tǒng)成本?？偩€的類別很多，分類方式多樣，僅按應用的場合可分為芯片總線、板內總線、機箱總線、設備互連總線、現場總線及網絡總線等多種類型。總線技術包含的內容極為廣泛，本文主要討論基于PC的測試系統(tǒng)的總線技術。限于篇幅，下面僅就與計算機相對獨立的測量儀器機箱總線、測量儀器機箱(機柜)與計算機之間的互連總線等相關內容作一探討，以期引起大家的討論。

2 機箱底板總線

自動測試系統(tǒng)機箱底板總線是指組成系統(tǒng)各種機箱的底板總線。在總線底板插槽上插入模擬量輸入/輸出、數字量輸入/輸出、頻率和脈沖量輸入/輸出等功能插件，可組成具有不同規(guī)模和功能的自動測試系統(tǒng)。除了許多計算機總線可用作機箱底板總線之外，還有不少專門為自動測試系統(tǒng)設計的總線。這些總線可分為兩類，一類是經有關標準化組織發(fā)布的標準總線，另一類是各公司設計的專用總線。

2.1 STD和CAMAC總線

STD總線和CAMAC總線是早期標準的、應用比較普遍的測試系統(tǒng)機箱底板總線。STD總線于1973年推出，其插件板采用小尺寸板子結構，印制電路板上帶有邊緣式印制插頭(也叫“金手指”)。在同類板子中，由于其尺寸小，因此耐振動、沖擊，具有良好的堅固性和可靠性，適合于工業(yè)測控場合的應用。由于這種總線標準的機箱、插件板結構簡單、成本低，故而在一段時間內，STD總線標準的產品在工業(yè)測控領域得到普遍的應用。但是，STD總線插件所用的邊緣式印制插頭存在接觸不良的缺點，近年來已逐漸被其他先進總線產品所取代。CAMAC總線是70年代初推出才一種專門為測控系統(tǒng)設計的標準機箱底板總線。其總線規(guī)范完整、嚴格，曾得到廣泛的應用。近幾年來，由于其他高性能總線的出現，這種總線已顯落后，同樣處于被淘汰的過程。

2.2 ISA總線

工業(yè)標準結構總線(Industrial Standard Architecture - ISA)始于1984年，也是早期的一種總線，它實際上屬于PC總線，是一種8/16位的非同步數據總線，工作頻率8MHz，數據傳輸率為1Mbps(8位)或2Mbps(16位)。ISA總線雖未被標準化組織正式定為標準，但由于應用廣泛，已成為事實上的標準，在測試領域內以PC為基礎的數據采集應用中近20年一直占據著主導地位。ISA總線雖然擴展了對微處理器的支持能力，但仍存在許多不足之處，如I/O擴展能力差，邊緣式印制插頭(座)接觸不良，耐振動、沖擊能力差，對溫濕度比較敏感而不適應工業(yè)現場工作等，在速度上已成為系統(tǒng)的瓶頸，已逐漸被PCI、CompactPCI總線所取代。

2.3 VXI總線

VXI (VMEbus eXtension for Instrumentation)總線是VME計算機總線在儀器領域中的擴展，由HP等公司于1987年提出，1992年成為IEEE1155標準。在該系統(tǒng)中圍繞機械、電氣、控制方式、通信協(xié)議、電磁兼容、軟面板、驅動程序、I/O控制乃至機箱、印制電路板的VXI總線產品相互兼容。VXI系統(tǒng)綜合了計算機技術、GPIB技術、PC儀器技術、接口技術、VME總線和模塊化結構技術的成果，1998年修訂的VXI 2.0版本規(guī)范采用了VME總線的最新進展，提供了64位擴展能力，數據傳輸率最高可達80Mbps。VXI系統(tǒng)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，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，具有其其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。VXI總線支持即插即用、人機界面良好、資源利用率高、容易實現系統(tǒng)集成，大大地縮短了研制周期，且便于升級和擴展。其當前的一個應用熱點是自1986年美商國家儀器公司(NI)推出的虛擬儀器(Virtual Instrumnets)開發(fā)平臺LabVIEW，虛擬儀器提出“軟件即儀器”(The software is the instrument)的口號，由軟件定義各種儀器的功能，帶來了測試技術的革命。值得一提的是我國已有不少單位如航天測控公司、中國科技大學等進行了一系列的開發(fā)和應用研究，成績斐然。不足的是VXI系統(tǒng)的成本相對較高。

2.4 PCI、CompactPCI及PXI總線

外圍設備互連總線(Peripheral Component Interconnect - PCI)由Intel公司于1993年提出后，很快成為PC行業(yè)新的事實上的標準，PCI總線是一種同步的、獨立于CPU的32/64位局部總線，最高工作頻率33MHz，數據傳輸率為132Mbps(32位)和264Mbps(64位)，很好地解決了ISA總線的瓶頸問題，并帶來了真正的即插即用(PnP)功能，大大提高了系統(tǒng)的數據采集率。

CompactPCI總線由多家廠商于1994年提出，是PCI總線的12種規(guī)范之一，也是PCI總線的增強和擴展，在電氣上完全與PCI兼容，具有抗振顫和利于散熱等，更適合于工業(yè)測控的應用。其數據寬度同PCI，最高傳輸速率可達528Mbps。

PXI總線是1997年美國國家儀器公司(NI)發(fā)布的一種高性能低價位的開放性、模塊化儀器總線。PXI是PCI在儀器領域的擴展(PCI eXtensions for Instrumentation)，是用于自動測試系統(tǒng)機箱底板總線的規(guī)范，在機械結構方面與CompactPCI總線的要求基本相同，不同的是PXI總線規(guī)范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。在電氣方面，PXI總線完全與CompactPCI總線兼容。所不同的是PXI總線為適合于測控儀器、設備或系統(tǒng)的要求，增加了系統(tǒng)參考時鐘、觸發(fā)器總線、星型觸發(fā)器和局部總線等內容。除了PXI系統(tǒng)具有多達8個插槽(1個系統(tǒng)槽和7個儀器模塊槽)，而絕大多數臺式PCI系統(tǒng)僅有3個和4個PCI插槽這點差別之外，PXI總線與臺式PCI規(guī)范具有完全相同的PCI性能。利用PCI-PCI橋技術擴展多臺PXI系統(tǒng)，可以使擴展槽的數量在理論上最多能達到256個。PXI將Windows NT和Windows 95定義為其標準軟件框架，并要求所有的儀器模塊都必須帶有按VISA規(guī)范編寫的WIN32設備驅動程序，使PXI成為一種系統(tǒng)級規(guī)范，保證系統(tǒng)的易于集成與使用，從而進一步降低用戶的開發(fā)費用，所以在數據采集、工業(yè)自動化系統(tǒng)、計算機機械觀測系統(tǒng)和圖像處理等方面獲得了廣泛應用。

3 計算機與測控機箱之間互連總線

與計算機相對獨立的測控機箱或機柜需要用相應的總線(或標準接口)與計算機連接，以組成計算機控制的自動測試系統(tǒng)或網絡。實際應用時可采用串行總線或者并行總線兩種方式進行連接。

3.1 串行總線

串行總線是指按位傳送數據的通路。其連接線少、接口簡單、成本低、傳送距離遠，被廣泛用于PC與外設的連接和計算機網絡。常用的串行總線有RS-232C、RS-422A、RS-485、USB及IEEE-1394等。

(1)RS-232C串行接口

RS-232C(Recommended Standard)串行接口是計算機與外設之間以及計算機與測試系統(tǒng)之間最簡單、最普遍的連接方法，采用23線連接器。其最高的單向數據傳輸率為20kbps，此時的最大傳輸距離為15米。適當降低速率，其最大傳輸距離可達60米。但它只是一對一的傳輸，僅用于簡單或低速的系統(tǒng)，在實際應用中還有一定的市場。

(2)RS-422A總線

RS-422A串行總線也是一種常用的接口總線，支持一點對多點的通信。它在傳輸速率、傳送距離及抗干擾性能等方面均優(yōu)于RS-232C，采用差動(差分)收發(fā)的工作方式，利用雙端線來傳送信號，最高數據傳輸率為10Mbps，此時的傳輸距離為120米，可連接32個收發(fā)器。如適當降低傳輸率，可增加其通訊距離。例如在10kbps時距離可達1200米。

(3)RS-485串行總線

RS-485是一種典型的串行總線，支持一點對多點的通信，采用雙絞線連接，可連接32個收發(fā)器，其他特性與RS-422A總線接近，在測控系統(tǒng)中得到較為普遍的應用，但不能滿足高速測試系統(tǒng)的應用要求。

(4)通用串行總線USB

通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是由美國多家公司在1995年提出的一種高性能串行總線規(guī)范，雖然目前還未得到標準化組織承認，但已經成為事實上的標準。這種串行總線具有傳輸速率高、即插即用、熱切換(帶電插拔)和可利用總線傳送電源等特點，能連接127個裝置。其電纜只有一對信號線和一對電源線，工作于最高12Mbps的中等速度，傳輸距離30米，輕巧便宜，適用于傳遞文件數據和音響信號，新的PC機都已配上USB總線接口。

(5)IEEE 1394串行總線

IEEE1394串行總線(又叫火線-FireWire)是由蘋果公司于80年代提出的，1995年被IEEE接受，當時最高傳輸速率400Mbitps，傳輸距離72米，以后還要按800M、1.6G及3.2 Gbitps分段提高。它有兩對信號線和一對電纜線，在無HUB時可用任何方式連接63個裝置。而且支持即插即用、帶電插拔。這是一種應用前景非常廣闊的串行總線，和USB總線工作于不同的頻率范圍，可相互配合使用，適用于動畫等視頻信號的傳輸，可用于連接計算機的高速外部設備，也可用于連接數字電視、DVD等消費類電子設備以及作為測試儀器的數據傳輸總線。在測控系統(tǒng)中，它可作為機箱底板總線的備份總線，以及用作計算機與高速數據采集系統(tǒng)互連總線。不過目前支持IEEE 1394設備還不很多。

3.2 并行總線

在集成式自動測試系統(tǒng)中，計算機與測試部分比較靠近，為提高數據傳輸速率，大多采用并行總線進行連接。并行總線也分為標準的和非標準兩類。常用的并行標準總線有通用接口總線IEEE 488和ANSI X3.131-1986 SCSI總線。非標準的并行總線也很多。多數廠家自己設計專用的并行總線，再通過總線轉換接口，將計算機和測試部分連接起來。

(1)IEEE 488總線

IEEE 488通用接口總線又稱GPIB(General Purpose Interface Bus)總線，是HP公司在70年代推出的臺式儀器接口總線，因此又叫HPIB(HP Interface Bus)，1975年IEEE和IEC確認為IEEE 488和IEC 652標準。該標準總線在儀器、儀表及測控領域得到了最廣泛的應用。這種系統(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。由于GPIB系統(tǒng)在PC出現的初期問世，所以有一定的局限性。如其數據線只有8根，傳輸速率最高1Mbps，傳輸距離20米(加驅動器可達500米)等等。盡管如此，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。因為裝有GPIB接口的臺式儀器的品種和數量都明顯超過倍受青睞的VXI儀器，而且在目前應用的VXI系統(tǒng)中，與GPIB混合應用比例很大，還有相當數量采用外主控計算機控制的VXI系統(tǒng)，其計算機通過GPIB電纜和GPIB-VXI接口進行控制。以PCI為基礎的PXI系統(tǒng)，也都具有GPIB接口。所以，在相當長的時間內，GPIB系統(tǒng)仍將在實際應用中，特別是中、低速范圍內的計算機外設總線應用中占有一定的市場。

(2)SCSI總線

SCSI總線的原型是美國Shugart公司推出的，用于計算機與硬盤驅動器之間傳輸數據的SASI(Shugart Associates System Interface)總線，1986年成為美國國家標準ANSI X3.131，該名為SCSI總線(Small Computer System Interface)。其數據線為9位，速度可達5Mbps，傳輸距離6米(加驅動器可達25米)，經改進又陸續(xù)推出SCSI-2 Fast and Wide和SCSI-3(又稱Ultra SCSI)總線，原SCSI總線改稱SCSI-1總線。該總線的傳輸速率很高，現已普遍用作計算機的高速外設總線，如連接高速硬盤驅動器。許多高速數據采集系統(tǒng)也用它與計算機互連。目前仍處在發(fā)展之中。

(3)MXI總線

MXI總線(多系統(tǒng)擴展接口Multi-system eXtension Interface bus)是一種高性能非標準的通用多用戶并行總線，具有很好的應用前景。它是NI(National Instruments)公司于1989年推出的32位高速并行互連總線，最高速度可達23Mbps，傳輸距離20米。MXI總線通過電纜與多個器件連接，采用硬件映象通訊設計，不需要高級軟件，一根MXI電纜上可連接8個MXI器件。其電纜本身是相通的，MXI器件通過簡單地讀寫相應的地址空間就可直接訪問其他所有器件的資源而無需任何軟件協(xié)議。目前，VXI總線的測控機箱大都用這種總線與計算機互連。它將成為VXI總線機箱與計算機互連的事實上的標準總線。

4 結束語

由前面的介紹可以看出，在測量和儀器系統(tǒng)機箱底板總線中，CompactPCI和VXI總線代表著這類總線當前的水平，相應產品正在迅速發(fā)展之中。在測量儀器機箱與計算機的互連總線中，IEEE 488通用接口總線由于前述原因，仍將在一些低速系統(tǒng)中被使用一段很長的時間，在高速系統(tǒng)中，將被SCSI總線所代替。MXI總線將作為VXI機箱與計算機互的事實上的標準總線。但由于串行總線，如USB、FireWire總線等，在傳輸速率上取得了重要突破，且價格便宜，有可能逐步代替現有的其他并行或串行互連總線，并成為測量和儀器網絡總線之一。尤其是FireWire總線，它的傳輸速率可高達3.2Gbps，利用它不但可組成高速測控網絡，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。

測控系統(tǒng)正向著高效、高速、高精度和高可靠性，以及自動化、智能和網絡化方向發(fā)展，測控總線將為實現這些目標起重要作用。目前國外很多公司正在積極研究、開發(fā)Infranet-Intranet-Internet網絡連接標準，盡可能利用現有的WWW(萬維網)技術，將采集到的數據和控制參數直接放到HTML(超文本標志語言)文檔中，使遠程用戶可以通過Internet對生產過程進行訪問，或控制遠地實驗室內的智能設備。這將為開發(fā)開放型、全分布式、智能化的測控網絡系統(tǒng)創(chuàng)造條件。這些都將對測控系統(tǒng)的體系結構的變革和性能的提高產生重大影響。