摘要：總線作為數據傳輸的通路，在通信過程中扮演了重要的角色，但由于時代發(fā)展階段的不同、應用場合的不同及各利益團體對利潤的爭奪使得目前的總線類型很多。如何選用適當的總線也就成為一個不得不面對的問題。 關鍵字：總線技術，電力電子系統(tǒng)，電力電氣 總線作為數據傳輸的通路，在通信過程中扮演了重要的角色，但由于時代發(fā)展階段的不同、應用場合的不同及各利益團體對利潤的爭奪使得目前的總線類型很多。如何選用適當的總線也就成為一個不得不面對的問題。 總線概念及其分類 所謂總線，就是各部件間進行信息傳輸的公共通道，它是各種信號線的集合（包括數據總線、地址總線、控制總線、電源線等）。微軟百科辭典定義“總線”為：計算機系統(tǒng)中各部件之間用于數據傳輸的一組硬件連線。IBM公司將總線簡稱為“用于傳輸信號或功率的一根或多根導線”?？偩€的特點在于其公用性，即它同時連接多個部件，如果是某兩個部件間專用的信號連線，就不能稱作總線。 總線是連接各部件的紐帶，它為電力電子系統(tǒng)的設計提供了新的方式——面向總線的設計，系統(tǒng)的設計者只需根據總線的規(guī)則去設計，將各部件按照總線接口標準與總線連接而無需單獨設計連線，從而簡化了系統(tǒng)軟件和硬件的設計，并使系統(tǒng)更加易于擴充和升級。 根據應用場合不同，總線可分為芯片總線、系統(tǒng)總線、設備總線、局部總線。 按數據傳輸形式的不同，總線又可分為串行總線和并行總線。 現場總線（Fieldbus）是指現場設備與自動控制裝置之間的數字式、串行、雙向、多點通信的數據總線；由現場總線與現場智能設備組成的控制系統(tǒng)稱為現場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem簡稱FCS）；把這種集通信、計算機、控制和現場智能設備為一體的技術稱為現場總線技術。 使自動控制領域步入數字通信時代的現場總線技術，目前是電力電子技術研究的熱點，并在智能電源、智能變頻器、自然能發(fā)電、電動車輛等領域得到廣泛應用。如國家“863”計劃“關于電動車輛發(fā)展規(guī)劃”中已經明確規(guī)定：新申報的電動車開發(fā)項目必須采用基于CAN總線的整車通信控制系統(tǒng)。 并行總線 表1為并行總線性能對比表。XT總線是最早的系統(tǒng)總線之一，它是IBM公司針對Intel8088微處理器而設計，有62條信號線，以適應8088的8位數據線和20位地址線。為了和Intel80286等高性能16位微處理器兼容，IBM公司在XT總線基礎上增加一個36引腳的AT擴展插座而形成AT總線，即ISA總線，以此標準制定的體系結構稱為ISA（IndustryStandardArchitecture）工業(yè)標準體系結構。 MCA（MicroChannelArchitecture）微通道標準，是IBM公司在推出386微機時采用的與ISA標準完全不同的系統(tǒng)總線標準，該標準因與ISA的兼容問題未能在市場上得到推廣。 EISA（ExtensionIndustryStandardArchitecture）擴展工業(yè)標準體系結構是Compaq公司等9家兼容機制造商在Intel公司推出486微處理器后，為解決功能強大的CPU處理能力與低性能系統(tǒng)總線之間的矛盾而推出的總線標準。 VESA局部總線是視頻電子協(xié)會（VideoElectronicStandardsAssociation）基于486主板針對圖形卡設計，為提高硬盤和顯示器等快速外設的工作速度而開發(fā)，主要解決了圖形處理速度問題，又稱為VL（VideoLocalbus）總線。 PCI（PeripheralComponentIntelconnect）外部設備互聯(lián)局部總線，是Intel公司在1991年推出的高性能局部總線，它支持多個外圍設備，總線時鐘與CPU時鐘無關，有良好的可靠性和兼容性。實驗表明，對于相同的系統(tǒng)，PCI的性能是EISA加了系統(tǒng)參考時鐘、觸發(fā)總線、星型觸發(fā)器總線和各槽的內部總線。 VEM是一種高性能總線，支持多處理器系統(tǒng)，其模型有A型（單高板100mm×160mm，地址線24位，數據線16位）和B型（雙高板233.35mm×160mm，地址線、數據線都為32位）。VXI總線是一種儀器系統(tǒng)總線，在VEM總線所包括的A型、B型模板基礎上增加了C型（雙高板233.35mm×340mm），D型（三高板366.7mm×340mm）兩種模板。 SCSI（SmallComputerSystemInterface）小型計算機系統(tǒng)接口，是系統(tǒng)級接口，也是一種雙向并行設備總線，SCSI常用于網絡服務器和工作站，也可用于PC機。SCSI標準最初于1986年形成SCS－1，后在1994年完成SCSI－2，根據計算機發(fā)展需要又推出支持多種物理接口的SCSI－3，它不僅支持并行接口，還支持光纖信道接口、IEEE1394和串行存儲結構3種串行接口。 1965年美國HP公司設計了用于可編程儀器與計算機互聯(lián)的接口HPIB（HPInterfaceBus，惠普接口總線）又稱GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）通用接口總線。1975年IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，電氣與電子工程師學會）接受GPIB為IEEE－488標準。GPIB有16根信號線，3條掛鉤線（Handshakeline），5條管理線，考慮到各儀器間差異，GPIB的數據通信可靈活選用位并行、字節(jié)串行、三線掛鉤和雙向異步方式，通信速率一般在250～500Kbit/s之間。目前GPIB已成為自動測試系統(tǒng)中應用最廣泛的總線。（1byte/s=8bit/s；1字節(jié)/s＝8位/s）。 IEEE1284標準為個人計算機雙向并行外設接口信號標準。該標準為解決傳統(tǒng)的并行端口Centronics在雙向高速并行通信上的困境而開發(fā)，它能夠與原有的并行端口軟件及外的3倍以上，比VESA也要超出10%～20%。CompactPCI總線是PCI總線的擴展，增加了HotSwap即帶電熱插拔功能，適合于工業(yè)及嵌入式系統(tǒng)中應用。PXI總線，1997年由美國NI（NationalInstruments）公司推出，它也是PCI總線的擴展，是一種測試儀器總線的開放平臺，不僅與CompactPCI總線在機械結構、電氣方面兼容，而且為適應測試儀器的需要，增設完全兼容，同時使并行端口的輸入輸出通信速率都能在1Mbit/s以上。IEEE1284定義了5種數據傳輸模式，可實現正向（由PC到外設）、反向（由外設到PC）、雙向（PC與外設雙向，半雙工）數據傳輸。正向為兼容模式，也即Centronics或標準模式SPP。反向又分為半字節(jié)模式和字節(jié)模式：半字節(jié)模式使用4位狀態(tài)線作為數據線向PC輸入數據；字節(jié)模式使用8位數據線向PC機輸入數據。雙向模式分為增強并行口EPP（EnhancedParallelPort，主要用于非打印機類外設，如硬盤、CDROM等）和擴容并行口ECP（ExtendedCapabilityPort，用于打印機和掃描儀）。 串行總線 表2為串行總線性能對比表。RS232C由EIA（ElectronicIndustryAssociation）美國電子工業(yè)協(xié)會在1962年公布，1969年最后修訂而成。RS232C是使用最早、應用最廣泛的一種異步串行數據傳輸接口標準。需強調的是RS232C并不是一個總線的標準，因為它定義的是一臺計算機系統(tǒng)的數據終端設備（DTE）與另一臺數據通信設備（DEC）的互聯(lián)接口，同一時刻只能連接2臺設備，但為其他串行總線提供了可借鑒的傳輸模式。 RS449是EIA為彌補RS232C缺點而設計，于1977年推出，并在1980年成為美國標準。RS449不僅提高了通信速率、通信距離，使用平衡信號差傳輸高速信號降低了噪聲，而且可以實現多點通信或使用公用線通信。RS422A和RS423A是RS449的標準子集，都可在傳輸線上連接多個接收器。 RS423A采用差分電路接收器，大大減少了地線干擾。RS422A規(guī)定了差分平衡的電氣接口，從根本上消除了地線干擾，能在較長距離上明顯提高數據通信速率。RS485是將RS422信號線精簡后的變形。二者的區(qū)別在于：RS422為全雙工，采用兩對平衡差分信號線；RS485為半雙工，只有一對平衡差分信號線，且可用于多站互聯(lián)。 I2C（InterIntegratedCircuit）是PHILIPS公司推出的具備總線裁決和高低速設備同步等多主機系統(tǒng)所需功能的高性能串行總線，它僅用一條串行數據線（SDA）和一條串行時鐘線（SCL）便實現了完善的全雙工數據傳輸，標準通信速率為100kbit/s，快速方式下可達400kbit/s。 SPI（SerialPeripheralInterface）串行外設接口總線是一種串行外設接口，允許MCU（MicroControllingUnit，嵌入式單片機控制器）與各種外圍設備以串行方式通信。SPI總線只需3～5位數據線和控制線即可在軟件控制下實現擴展外設、數據交換等功能。 Microwire由美國國家半導體（NS）公司推出，該總線為三線同步串行總線，由一根數據輸出線（SD），一根數據輸入線（SI），一根時鐘線（SK）組成。目前NS公司生產的COP系列和HPC系列單片機內都有該總線。 SMBus是1995年由SBS－IF（智能電池實現者論壇）發(fā)布，最初用于智能電池與充電器間的通信，目前也用于與電源相關的設備、傳感器等設備中，并在手提電腦中得到廣泛應用。SUBus以2根線為介質將眾多的設備連接到SMBus的節(jié)點上，有多種尋址方式并支持即插即用。 1－wire單總線是MAXIM和DALLAS公司聯(lián)合開發(fā)的串行總線，其構成非常簡單，一般情況下只包括一根電源線、一根地線和一根信號線。由于總線上所有器件都通過一條信號線傳輸信號，在1－wire器件制作時都編制了惟一的芯片序列號用以區(qū)分總線上不同的器件，通信采用碼分多址、單線分時的數據交換。1－wire的通信速率為16.3kbit/s，超速模式下可達100kbit/s，通信距離可達200m，允許掛接上百個器件。 USB（UniversalSerialBus）通用串行總線在1995年被提出，并由Compaq、IBM、Intel、Microsoft、NEC等七個在計算機與通信工業(yè)領先公司所組成的聯(lián)盟定義和推廣，同年該聯(lián)盟建立了實施者論壇USB－IF來加速USB的開發(fā)。1996年USB－IF公布了USB1.0，1998年發(fā)布USB1.1，1999年發(fā)布USB2.0。USB統(tǒng)一了各種接口設備的連接頭，支持即插即用（PlugandPlay）和熱插拔，并能自動檢測與配置系統(tǒng)資源。 USB1.1可選用全速12Mbit/s和慢速1.5Mbit/s。USB2.0利用傳輸時序的縮短（微幀）及相關技術將通信速率提高到480Mbit/s。目前，USB1.1主要用于鼠標、鍵盤等低速設備，USB2.0用于視頻會議、CCD、刻錄機等高速設備。 Firewire是由美國德州儀器公司與蘋果公司共同開發(fā)的高速低成本串行總線，1995年被IEEE認定為串行數據總線工業(yè)標準IEEE1394，后被IEC接受為IEC1883。Firewire用于連接計算機外設或作為計算機底板總線的備份。它用于連接外設，使用電纜通信時通信速率可達393Mbit/s，通信距離為4.5m，并可跨接16次達到72m。當它作為計算機底板并行總線備份時，在TTL總線底板上通信速率為24.576Mbit/s；在BTL（BackplaneTransceiverLogic，總線底板收發(fā)器邏輯）總線底板上為49.152Mbit/s。Firewire（IEEE1394）還支持熱插拔和總線供電。目前它仍處于發(fā)展之中，不久前發(fā)布的IEEE1394b已將通信速率提高到800Mbit/s～32Gbit/s。 現場總線 FF（FoundationFieldbus）基金會現場總線，1994年由Fisher－Rosemount公司為首的80家公司和Honeywell公司為首的150家歐洲公司合并為現場總線基金會。目前該基金會有120多個成員，包括AB、ABB、Electric、Fuji、Fisher－Rosemount、Honeywell、Smar等自動化設備供應商。 FF總線包括低速總線和高速總線。低速總線即FFH1，通信速率31.25kbit/s，通信距離1.9km，可采用中繼器延長至9.5km，支持總線供電，本質安全防暴；非總線供電時最多可連接32個節(jié)點，總線供電時可連接13個節(jié)點，本質安全要求下可接6個節(jié)點，加中繼器可連接240個節(jié)點；其靈活的通信方式（令牌傳送、申請/立即響應、總線時間調度）及檢錯措施保證了通信的實時性和可靠性；FF采用的功能模塊和設備描述語言DDL（DeviceDescriptionLanguage）使它具有出色的互換性和互操作性。高速總線協(xié)議原定為H2協(xié)議，由于種種原因被FFHSE（HighSpeedEthernet）高速以太網代替，其通信速率為10Mbit/s，更高速為100Mbit/s，并計劃向1Gbit/s主干網絡通信速率發(fā)展。 Profibus（Processfieldbus）原為德國國家標準DIN19245，在1996年被批準為歐洲標準EN50170，1999年成為國際標準化組織IEC/TC65所通過IEC61158標準中的8種現場總線之一。Profibus包括Profibus－DP（DecentralizedPeriphery，分布式外圍設備）、Profibus－FMS（FieldbusMessageSpecification，現場總線報文規(guī)范）、Profibus－PA（ProcessAutomation，過程自動化）三個兼容部分。Profibus－DP用于設備級的高速數據傳輸，專為中央主控制器與分散的現場智能設備通信設計。Profibus－FMS是針對車間級管理任務的通用解決方案。Profibus－PA專為過程自動化設計，采用標準的本質安全傳輸技術，即可總線供電，也可用于危險防爆區(qū)域。 CAN（ControlAreaNetwork）控制局域網絡總線由德國Bosch公司推出，最初用于汽車內部測量與執(zhí)行部件間的數據通信。目前CAN已成為一種具有高度可靠性，支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網絡，適用于中小規(guī)模工業(yè)過程監(jiān)控和車船電氣系統(tǒng)的監(jiān)控，并在智能電源、電動車輛等領域得到實際應用。目前Honeywell、Intel、Motorola、NEC、PHILIPS、SIEMENS等公司都在支持CAN總線規(guī)范。CAN芯片分為兩種，一種是包含CAN控制器及微處理器的芯片，如TI公司的TMS320F243內有8路A/D，6路PWM輸出，芯片內還有完全符合CAN2.0B協(xié)議的控制器，與TI公司的CAN發(fā)送器SN75LBC031相連，通信速率可達500kbit/s，因而可用于開關電源的監(jiān)控系統(tǒng)；另一種是獨立的CAN控制器芯片，如PHILIPS公司生產的SJA1000，它是一種獨立控制器，用于工業(yè)環(huán)境CAN總線。在文中該芯片與Intel80C196KC構成了通信逆變電源的中心控制電路及監(jiān)控網絡。 CAN總線協(xié)議可采用多主站、點對點、一點對多點、全局廣播幾種方式發(fā)送和接收數據，以滿足不同的實時要求。其信號傳輸采用短幀結構，每幀有效字節(jié)數為8個，因而傳輸時間短，受干擾概率低，再加上每幀信息均有循環(huán)冗余校驗CRC（CyclicRedundancyCheck），所以通信誤碼率極低，從而保證了數據傳輸的可靠性和實時性。當系統(tǒng)節(jié)點出現錯誤時，CAN有判別暫時錯誤和永久故障節(jié)點的功能；如果節(jié)點出現嚴重錯誤時，可自動切斷該故障節(jié)點與總線的聯(lián)系，避免影響總線其他節(jié)點的正常工作。 LonWorks（LocalOperatingNetwork）局部操作網絡于1991年由美國Echelon公司推出，用LonTalk通信協(xié)議，該協(xié)議采用了國際標準化組織ISO為實現開放系統(tǒng)互聯(lián)建立的分層模型ISO/OSI（OpenSystemInterconnection）完整的7層。LonWorks的硬件核心為三個CPU構成的神經元芯片（NeuronChip），該芯片將LonTalk通信協(xié)議固化其中，使之同時具備通信和控制功能。LonWorks最高通信速率為1.25Mbit/s，通信距離180m；通信速率為78kbit/s時，通信距離可達2700m；節(jié)點數可達32000個。目前LonWorks主要用于樓宇自動化及電力系統(tǒng)自動化。 結束語 以上僅介紹對比了總線的基本技術性能和特點，在實際選用總線時還需根據所設計電力電子系統(tǒng)的應用環(huán)境要求和其本身對實時性、可靠性、安全性、成本及安裝維護等方面的要求給予全面考慮，以期滿足要求，并達到較高的性價比。