嵌入式系統(tǒng)的總線技術(shù)及其應(yīng)用

 1 前言

隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量?jī)x器和計(jì)算機(jī)的關(guān)系日益密切。目前PC的年銷售量近一億臺(tái)，在軟硬件方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造了豐富的資源。計(jì)算機(jī)(尤指微型機(jī))的很多成果很塊就應(yīng)用到測(cè)量和儀器領(lǐng)域，如圖形化用戶界面(GUI)、分布式處理、提高速度和網(wǎng)絡(luò)功能等等，不久都移植到測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的功能，許多方便實(shí)用的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)隨之而產(chǎn)生。與計(jì)算機(jī)相結(jié)合已經(jīng)成為測(cè)量?jī)x器和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

所謂總線是指計(jì)算機(jī)、測(cè)量?jī)x器、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部以及相互之間信息傳遞的公共通路，是計(jì)算機(jī)和內(nèi)部測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分，其性能在計(jì)算機(jī)和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。總線是計(jì)算機(jī)、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)乃至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。利用總線技術(shù)，能夠大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)的兼容性、開放性、可靠性和可維護(hù)性，便于實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化以及組織規(guī)?；纳a(chǎn)，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(yīng)用的場(chǎng)合可分為芯片總線、板內(nèi)總線、機(jī)箱總線、設(shè)備互連總線、現(xiàn)場(chǎng)總線及網(wǎng)絡(luò)總線等多種類型?？偩€技術(shù)包含的內(nèi)容極為廣泛，本文主要討論基于PC的測(cè)試系統(tǒng)的總線技術(shù)。限于篇幅，下面僅就與計(jì)算機(jī)相對(duì)獨(dú)立的測(cè)量?jī)x器機(jī)箱總線、測(cè)量?jī)x器機(jī)箱(機(jī)柜)與計(jì)算機(jī)之間的互連總線等相關(guān)內(nèi)容作一探討，以期引起大家的討論。

2 機(jī)箱底板總線

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)機(jī)箱底板總線是指組成系統(tǒng)各種機(jī)箱的底板總線。在總線底板插槽上插入模擬量輸入/輸出、數(shù)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。除了許多計(jì)算機(jī)總線可用作機(jī)箱底板總線之外，還有不少專門為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總線。這些總線可分為兩類，一類是經(jīng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)總線，另一類是各公司設(shè)計(jì)的專用總線。

2.1 STD和CAMAC總線

STD總線和CAMAC總線是早期標(biāo)準(zhǔn)的、應(yīng)用比較普遍的測(cè)試系統(tǒng)機(jī)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(jié)構(gòu)，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(dòng)、沖擊，具有良好的堅(jiān)固性和可靠性，適合于工業(yè)測(cè)控場(chǎng)合的應(yīng)用。由于這種總線標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱、插件板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，故而在一段時(shí)間內(nèi)，STD總線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域得到普遍的應(yīng)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(diǎn)，近年來已逐漸被其他先進(jìn)總線產(chǎn)品所取代。CAMAC總線是70年代初推出才一種專門為測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱底板總線。其總線規(guī)范完整、嚴(yán)格，曾得到廣泛的應(yīng)用。近幾年來，由于其他高性能總線的出現(xiàn)，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(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線(Industrial Standard Architecture - ISA)始于1984年，也是早期的一種總線，它實(shí)際上屬于PC總線，是一種8/16位的非同步數(shù)據(jù)總線，工作頻率8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbps(8位)或2Mbps(16位)。ISA總線雖未被標(biāo)準(zhǔn)化組織正式定為標(biāo)準(zhǔn)，但由于應(yīng)用廣泛，已成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，在測(cè)試領(lǐng)域內(nèi)以PC為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中近20年一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。ISA總線雖然擴(kuò)展了對(duì)微處理器的支持能力，但仍存在許多不足之處，如I/O擴(kuò)展能力差，邊緣式印制插頭(座)接觸不良，耐振動(dòng)、沖擊能力差，對(duì)溫濕度比較敏感而不適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)總線在儀器領(lǐng)域中的擴(kuò)展，由HP等公司于1987年提出，1992年成為IEEE1155標(biāo)準(zhǔn)。在該系統(tǒng)中圍繞機(jī)械、電氣、控制方式、通信協(xié)議、電磁兼容、軟面板、驅(qū)動(dòng)程序、I/O控制乃至機(jī)箱、印制電路板的VXI總線產(chǎn)品相互兼容。VXI系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、GPIB技術(shù)、PC儀器技術(shù)、接口技術(shù)、VME總線和模塊化結(jié)構(gòu)技術(shù)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(jìn)展，提供了64位擴(kuò)展能力，數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)80Mbps。VXI系統(tǒng)最多可包含256個(gè)器件(裝置)，可組成一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)最多可包含13個(gè)插入式模塊，插入一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，在組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合，具有其其他儀器無法比擬的優(yōu)勢(shì)。VXI總線支持即插即用、人機(jī)界面良好、資源利用率高、容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，大大地縮短了研制周期，且便于升級(jí)和擴(kuò)展。其當(dāng)前的一個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)是自1986年美商國(guó)家儀器公司(NI)推出的虛擬儀器(Virtual Instrumnets)開發(fā)平臺(tái)LabVIEW，虛擬儀器提出“軟件即儀器”(The software is the instrument)的口號(hào)，由軟件定義各種儀器的功能，帶來了測(cè)試技術(shù)的革命。值得一提的是我國(guó)已有不少單位如航天測(cè)控公司、中國(guó)科技大學(xué)等進(jìn)行了一系列的開發(fā)和應(yīng)用研究，成績(jī)斐然。不足的是VXI系統(tǒng)的成本相對(duì)較高。

2.4 PCI、CompactPCI及PXI總線

外圍設(shè)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(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，PCI總線是一種同步的、獨(dú)立于CPU的32/64位局部總線，最高工作頻率33MHz，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(qiáng)和擴(kuò)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(cè)控的應(yīng)用。其數(shù)據(jù)寬度同PCI，最高傳輸速率可達(dá)528Mbps。

PXI總線是1997年美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)發(fā)布的一種高性能低價(jià)位的開放性、模塊化儀器總線。PXI是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展(PCI eXtensions for Instrumentation)，是用于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)機(jī)箱底板總線的規(guī)范，在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面與CompactPCI總線的要求基本相同，不同的是PXI總線規(guī)范對(duì)機(jī)箱和印制電路板的溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、電磁兼容性和通風(fēng)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(cè)控儀器、設(shè)備或系統(tǒng)的要求，增加了系統(tǒng)參考時(shí)鐘、觸發(fā)器總線、星型觸發(fā)器和局部總線等內(nèi)容。除了PXI系統(tǒng)具有多達(dá)8個(gè)插槽(1個(gè)系統(tǒng)槽和7個(gè)儀器模塊槽)，而絕大多數(shù)臺(tái)式PCI系統(tǒng)僅有3個(gè)和4個(gè)PCI插槽這點(diǎn)差別之外，PXI總線與臺(tái)式PCI規(guī)范具有完全相同的PCI性能。利用PCI-PCI橋技術(shù)擴(kuò)展多臺(tái)PXI系統(tǒng)，可以使擴(kuò)展槽的數(shù)量在理論上最多能達(dá)到256個(gè)。PXI將Windows NT和Windows 95定義為其標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，使PXI成為一種系統(tǒng)級(jí)規(guī)范，保證系統(tǒng)的易于集成與使用，從而進(jìn)一步降低用戶的開發(fā)費(fèi)用，所以在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)機(jī)械觀測(cè)系統(tǒng)和圖像處理等方面獲得了廣泛應(yīng)用。

3 計(jì)算機(jī)與測(cè)控機(jī)箱之間互連總線

與計(jì)算機(jī)相對(duì)獨(dú)立的測(cè)控機(jī)箱或機(jī)柜需要用相應(yīng)的總線(或標(biāo)準(zhǔn)接口)與計(jì)算機(jī)連接，以組成計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可采用串行總線或者并行總線兩種方式進(jìn)行連接。

3.1 串行總線

串行總線是指按位傳送數(shù)據(jù)的通路。其連接線少、接口簡(jiǎn)單、成本低、傳送距離遠(yuǎn)，被廣泛用于PC與外設(shè)的連接和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。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(jì)算機(jī)與外設(shè)之間以及計(jì)算機(jī)與測(cè)試系統(tǒng)之間最簡(jiǎn)單、最普遍的連接方法，采用23線連接器。其最高的單向數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，此時(shí)的最大傳輸距離為15米。適當(dāng)降低速率，其最大傳輸距離可達(dá)60米。但它只是一對(duì)一的傳輸，僅用于簡(jiǎn)單或低速的系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中還有一定的市場(chǎng)。

(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(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(dòng)(差分)收發(fā)的工作方式，利用雙端線來傳送信號(hào)，最高數(shù)據(jù)傳輸率為10Mbps，此時(shí)的傳輸距離為120米，可連接32個(gè)收發(fā)器。如適當(dāng)降低傳輸率，可增加其通訊距離。例如在10kbps時(shí)距離可達(dá)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(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，采用雙絞線連接，可連接32個(gè)收發(fā)器，其他特性與RS-422A總線接近，在測(cè)控系統(tǒng)中得到較為普遍的應(yīng)用，但不能滿足高速測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)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(guó)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(biāo)準(zhǔn)化組織承認(rèn)，但已經(jīng)成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。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(diǎn)，能連接127個(gè)裝置。其電纜只有一對(duì)信號(hào)線和一對(duì)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(shù)據(jù)和音響信號(hào)，新的PC機(jī)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(dāng)時(shí)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(duì)信號(hào)線和一對(duì)電纜線，在無HUB時(shí)可用任何方式連接63個(gè)裝置。而且支持即插即用、帶電插拔。這是一種應(yīng)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(dòng)畫等視頻信號(hào)的傳輸，可用于連接計(jì)算機(jī)的高速外部設(shè)備，也可用于連接數(shù)字電視、DVD等消費(fèi)類電子設(shè)備以及作為測(cè)試儀器的數(shù)據(jù)傳輸總線。在測(cè)控系統(tǒng)中，它可作為機(jī)箱底板總線的備份總線，以及用作計(jì)算機(jī)與高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)互連總線。不過目前支持IEEE 1394設(shè)備還不很多。

3.2 并行總線

在集成式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)與測(cè)試部分比較靠近，為提高數(shù)據(jù)傳輸速率，大多采用并行總線進(jìn)行連接。并行總線也分為標(biāo)準(zhǔn)的和非標(biāo)準(zhǔn)兩類。常用的并行標(biāo)準(zhǔn)總線有通用接口總線IEEE 488和ANSI X3.131-1986 SCSI總線。非標(biāo)準(zhǔn)的并行總線也很多。多數(shù)廠家自己設(shè)計(jì)專用的并行總線，再通過總線轉(zhuǎn)換接口，將計(jì)算機(jī)和測(cè)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(tái)式儀器接口總線，因此又叫HPIB(HP Interface Bus)，1975年IEEE和IEC確認(rèn)為IEEE 488和IEC 652標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)總線在儀器、儀表及測(cè)控領(lǐng)域得到了最廣泛的應(yīng)用。這種系統(tǒng)是在微機(jī)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(dāng)微機(jī)的總線變化時(shí)，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(yīng)微機(jī)總線的快速變化。由于GPIB系統(tǒng)在PC出現(xiàn)的初期問世，所以有一定的局限性。如其數(shù)據(jù)線只有8根，傳輸速率最高1Mbps，傳輸距離20米(加驅(qū)動(dòng)器可達(dá)500米)等等。盡管如此，目前仍是儀器、儀表及測(cè)控系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)互連的主流并行總線。因?yàn)檠b有GPIB接口的臺(tái)式儀器的品種和數(shù)量都明顯超過倍受青睞的VXI儀器，而且在目前應(yīng)用的VXI系統(tǒng)中，與GPIB混合應(yīng)用比例很大，還有相當(dāng)數(shù)量采用外主控計(jì)算機(jī)控制的VXI系統(tǒng)，其計(jì)算機(jī)通過GPIB電纜和GPIB-VXI接口進(jìn)行控制。以PCI為基礎(chǔ)的PXI系統(tǒng)，也都具有GPIB接口。所以，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，GPIB系統(tǒng)仍將在實(shí)際應(yīng)用中，特別是中、低速范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)外設(shè)總線應(yīng)用中占有一定的市場(chǎng)。

(2)SCSI總線

SCSI總線的原型是美國(guó)Shugart公司推出的，用于計(jì)算機(jī)與硬盤驅(qū)動(dòng)器之間傳輸數(shù)據(jù)的SASI(Shugart Associates System Interface)總線，1986年成為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSI X3.131，該名為SCSI總線(Small Computer System Interface)。其數(shù)據(jù)線為9位，速度可達(dá)5Mbps，傳輸距離6米(加驅(qū)動(dòng)器可達(dá)25米)，經(jīng)改進(jìn)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(xiàn)已普遍用作計(jì)算機(jī)的高速外設(shè)總線，如連接高速硬盤驅(qū)動(dòng)器。許多高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也用它與計(jì)算機(jī)互連。目前仍處在發(fā)展之中。

(3)MXI總線

MXI總線(多系統(tǒng)擴(kuò)展接口Multi-system eXtension Interface bus)是一種高性能非標(biāo)準(zhǔn)的通用多用戶并行總線，具有很好的應(yīng)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(dá)23Mbps，傳輸距離20米。MXI總線通過電纜與多個(gè)器件連接，采用硬件映象通訊設(shè)計(jì)，不需要高級(jí)軟件，一根MXI電纜上可連接8個(gè)MXI器件。其電纜本身是相通的，MXI器件通過簡(jiǎn)單地讀寫相應(yīng)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(cè)控機(jī)箱大都用這種總線與計(jì)算機(jī)互連。它將成為VXI總線機(jī)箱與計(jì)算機(jī)互連的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)總線。

4 結(jié)束語(yǔ)

由前面的介紹可以看出，在測(cè)量和儀器系統(tǒng)機(jī)箱底板總線中，CompactPCI和VXI總線代表著這類總線當(dāng)前的水平，相應(yīng)產(chǎn)品正在迅速發(fā)展之中。在測(cè)量?jī)x器機(jī)箱與計(jì)算機(jī)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(zhǎng)的時(shí)間，在高速系統(tǒng)中，將被SCSI總線所代替。MXI總線將作為VXI機(jī)箱與計(jì)算機(jī)互的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)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(jià)格便宜，有可能逐步代替現(xiàn)有的其他并行或串行互連總線，并成為測(cè)量和儀器網(wǎng)絡(luò)總線之一。尤其是FireWire總線，它的傳輸速率可高達(dá)3.2Gbps，利用它不但可組成高速測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，還可以代替測(cè)量和儀器系統(tǒng)機(jī)箱底板的并行總線，或作為冗余測(cè)控系統(tǒng)中的機(jī)箱底板并行總線的備份總線，具有很好的應(yīng)用前景。

測(cè)控系統(tǒng)正向著高效、高速、高精度和高可靠性，以及自動(dòng)化、智能和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，測(cè)控總線將為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)起重要作用。目前國(guó)外很多公司正在積極研究、開發(fā)Infranet-Intranet-Internet網(wǎng)絡(luò)連接標(biāo)準(zhǔn)，盡可能利用現(xiàn)有的WWW(萬維網(wǎng))技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)和控制參數(shù)直接放到HTML(超文本標(biāo)志語(yǔ)言)文檔中，使遠(yuǎn)程用戶可以通過Internet對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行訪問，或控制遠(yuǎn)地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的智能設(shè)備。這將為開發(fā)開放型、全分布式、智能化的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)創(chuàng)造條件。這些都將對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的變革和性能的提高產(chǎn)生重大影響。