嵌入式系统的总线技术及其应用

作者姓名: 赵明富
作者单位: 河南科技学院


1 前言

      随着计算机和自动测量技术的发展,测量仪器和计算机的关系日益密切。目前PC的年销售量近一亿台,在软硬件方面积累了大量经验,创造了丰富的资源。计算机(尤指微型机)的很多成果很块就应用到测量和仪器领域,如图形化用户界面(GUI)、分布式处理、提高速度和网络功能等等,不久都移植到测量和仪器中。利用PC极其丰富的软件和硬件资源,可以大大提高测试系统的功能,许多方便实用的自动测试系统随之而产生。与计算机相结合已经成为测量仪器和自动测试系统发展的必然趋势。

      所谓总线是指计算机、测量仪器、自动测试系统内部以及相互之间信息传递的公共通路,是计算机和内部测试系统的重要组成部分,其性能在计算机和自动测试系统中具有举足轻重的作用。总线是计算机、自动测试系统乃至网络系统的基础。利用总线技术,能够大大简化系统结构,增加系统的兼容性、开放性、可靠性和可维护性,便于实行标准化以及组织规模化的生产,从而显著降低系统成本。总线的类别很多,分类方式多样,仅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多种类型。总线技术包含的内容极为广泛,本文主要讨论基于PC的测试系统的总线技术。限于篇幅,下面仅就与计算机相对独立的测量仪器机箱总线、测量仪器机箱(机柜)与计算机之间的互连总线等相关内容作一探讨,以期引起大家的讨论。

2 机箱底板总线

自动测试系统机箱底板总线是指组成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、频率和脉冲量输入/输出等功能插件,可组成具有不同规模和功能的自动测试系统。除了许多计算机总线可用作机箱底板总线之外,还有不少专门为自动测试系统设计的总线。这些总线可分为两类,一类是经有关标准化组织发布的标准总线,另一类是各公司设计的专用总线。

2.1 STD和CAMAC总线

    STD总线和CAMAC总线是早期标准的、应用比较普遍的测试系统机箱底板总线。STD总线于1973年推出,其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(也叫“金手指”)。在同类板子中,由于其尺寸小,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。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缺点,近年来已逐渐被其他先进总线产品所取代。CAMAC总线是70年代初推出才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,曾得到广泛的应用。近几年来,由于其他高性能总线的出现,这种总线已显落后,同样处于被淘汰的过程。

2.2 ISA总线

    工业标准结构总线(Industrial Standard Architecture - ISA)始于1984年,也是早期的一种总线,它实际上属于PC总线,是一种8/16位的非同步数据总线,工作频率8MHz,数据传输率为1Mbps(8位)或2Mbps(16位)。ISA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,在测试领域内以PC为基础的数据采集应用中近20年一直占据着主导地位。ISA总线虽然扩展了对微处理器的支持能力,但仍存在许多不足之处,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,在速度上已成为系统的瓶颈,已逐渐被PCI、CompactPCI总线所取代。

2.3 VXI总线

     VXI (VMEbus eXtension for Instrumentation)总线是VME计算机总线在仪器领域中的扩展,由HP等公司于1987年提出,1992年成为IEEE1155标准。在该系统中围绕机械、电气、控制方式、通信协议、电磁兼容、软面板、驱动程序、I/O控制乃至机箱、印制电路板的VXI总线产品相互兼容。VXI系统综合了计算机技术、GPIB技术、PC仪器技术、接口技术、VME总线和模块化结构技术的成果,1998年修订的VXI 2.0版本规范采用了VME总线的最新进展,提供了64位扩展能力,数据传输率最高可达80Mbps。VXI系统最多可包含256个器件(装置),可组成一个或多个子系统,每个子系统最多可包含13个插入式模块,插入一个机箱内,在组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合,具有其其他仪器无法比拟的优势。VXI总线支持即插即用、人机界面良好、资源利用率高、容易实现系统集成,大大地缩短了研制周期,且便于升级和扩展。其当前的一个应用热点是自1986年美商国家仪器公司(NI)推出的虚拟仪器(Virtual Instrumnets)开发平台LabVIEW,虚拟仪器提出“软件即仪器”(The software is the instrument)的口号,由软件定义各种仪器的功能,带来了测试技术的革命。值得一提的是我国已有不少单位如航天测控公司、中国科技大学等进行了一系列的开发和应用研究,成绩斐然。不足的是VXI系统的成本相对较高。

2.4 PCI、CompactPCI及PXI总线

    外围设备互连总线(Peripheral Component Interconnect - PCI)由Intel公司于1993年提出后,很快成为PC行业新的事实上的标准,PCI总线是一种同步的、独立于CPU的32/64位局部总线,最高工作频率33MHz,数据传输率为132Mbps(32位)和264Mbps(64位),很好地解决了ISA总线的瓶颈问题,并带来了真正的即插即用(PnP)功能,大大提高了系统的数据采集率。

    CompactPCI总线由多家厂商于1994年提出,是PCI总线的12种规范之一,也是PCI总线的增强和扩展,在电气上完全与PCI兼容,具有抗振颤和利于散热等,更适合于工业测控的应用。其数据宽度同PCI,最高传输速率可达528Mbps。

     PXI总线是1997年美国国家仪器公司(NI)发布的一种高性能低价位的开放性、模块化仪器总线。PXI是PCI在仪器领域的扩展(PCI eXtensions for Instrumentation),是用于自动测试系统机箱底板总线的规范,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,与VXI总线的要求非常相似。在电气方面,PXI总线完全与CompactPCI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。除了PXI系统具有多达8个插槽(1个系统槽和7个仪器模块槽),而绝大多数台式PCI系统仅有3个和4个PCI插槽这点差别之外,PXI总线与台式PCI规范具有完全相同的PCI性能。利用PCI-PCI桥技术扩展多台PXI系统,可以使扩展槽的数量在理论上最多能达到256个。PXI将Windows NT和Windows 95定义为其标准软件框架,并要求所有的仪器模块都必须带有按VISA规范编写的WIN32设备驱动程序,使PXI成为一种系统级规范,保证系统的易于集成与使用,从而进一步降低用户的开发费用,所以在数据采集、工业自动化系统、计算机机械观测系统和图像处理等方面获得了广泛应用。

3 计算机与测控机箱之间互连总线

与计算机相对独立的测控机箱或机柜需要用相应的总线(或标准接口)与计算机连接,以组成计算机控制的自动测试系统或网络。实际应用时可采用串行总线或者并行总线两种方式进行连接。

3.1 串行总线

串行总线是指按位传送数据的通路。其连接线少、接口简单、成本低、传送距离远,被广泛用于PC与外设的连接和计算机网络。常用的串行总线有RS-232C、RS-422A、RS-485、USB及IEEE-1394等。

(1)RS-232C串行接口

RS-232C(Recommended Standard)串行接口是计算机与外设之间以及计算机与测试系统之间最简单、最普遍的连接方法,采用23线连接器。其最高的单向数据传输率为20kbps,此时的最大传输距离为15米。适当降低速率,其最大传输距离可达60米。但它只是一对一的传输,仅用于简单或低速的系统,在实际应用中还有一定的市场。

(2)RS-422A总线

RS-422A串行总线也是一种常用的接口总线,支持一点对多点的通信。它在传输速率、传送距离及抗干扰性能等方面均优于RS-232C,采用差动(差分)收发的工作方式,利用双端线来传送信号,最高数据传输率为10Mbps,此时的传输距离为120米,可连接32个收发器。如适当降低传输率,可增加其通讯距离。例如在10kbps时距离可达1200米。

(3)RS-485串行总线

RS-485是一种典型的串行总线,支持一点对多点的通信,采用双绞线连接,可连接32个收发器,其他特性与RS-422A总线接近,在测控系统中得到较为普遍的应用,但不能满足高速测试系统的应用要求。

(4)通用串行总线USB

通用串行总线USB(Universal Serial Bus)是由美国多家公司在1995年提出的一种高性能串行总线规范,虽然目前还未得到标准化组织承认,但已经成为事实上的标准。这种串行总线具有传输速率高、即插即用、热切换(带电插拔)和可利用总线传送电源等特点,能连接127个装置。其电缆只有一对信号线和一对电源线,工作于最高12Mbps的中等速度,传输距离30米,轻巧便宜,适用于传递文件数据和音响信号,新的PC机都已配上USB总线接口。

(5)IEEE 1394串行总线

IEEE1394串行总线(又叫火线-FireWire)是由苹果公司于80年代提出的,1995年被IEEE接受,当时最高传输速率400Mbitps,传输距离72米,以后还要按800M、1.6G及3.2 Gbitps分段提高。它有两对信号线和一对电缆线,在无HUB时可用任何方式连接63个装置。而且支持即插即用、带电插拔。这是一种应用前景非常广阔的串行总线,和USB总线工作于不同的频率范围,可相互配合使用,适用于动画等视频信号的传输,可用于连接计算机的高速外部设备,也可用于连接数字电视、DVD等消费类电子设备以及作为测试仪器的数据传输总线。在测控系统中,它可作为机箱底板总线的备份总线,以及用作计算机与高速数据采集系统互连总线。不过目前支持IEEE 1394设备还不很多。

3.2 并行总线

在集成式自动测试系统中,计算机与测试部分比较靠近,为提高数据传输速率,大多采用并行总线进行连接。并行总线也分为标准的和非标准两类。常用的并行标准总线有通用接口总线IEEE 488和ANSI X3.131-1986 SCSI总线。非标准的并行总线也很多。多数厂家自己设计专用的并行总线,再通过总线转换接口,将计算机和测试部分连接起来。

(1)IEEE 488总线

IEEE 488通用接口总线又称GPIB(General Purpose Interface Bus)总线,是HP公司在70年代推出的台式仪器接口总线,因此又叫HPIB(HP Interface Bus),1975年IEEE和IEC确认为IEEE 488和IEC 652标准。该标准总线在仪器、仪表及测控领域得到了最广泛的应用。这种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。由于GPIB系统在PC出现的初期问世,所以有一定的局限性。如其数据线只有8根,传输速率最高1Mbps,传输距离20米(加驱动器可达500米)等等。尽管如此,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。因为装有GPIB接口的台式仪器的品种和数量都明显超过倍受青睐的VXI仪器,而且在目前应用的VXI系统中,与GPIB混合应用比例很大,还有相当数量采用外主控计算机控制的VXI系统,其计算机通过GPIB电缆和GPIB-VXI接口进行控制。以PCI为基础的PXI系统,也都具有GPIB接口。所以,在相当长的时间内,GPIB系统仍将在实际应用中,特别是中、低速范围内的计算机外设总线应用中占有一定的市场。

(2)SCSI总线

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年成为美国国家标准ANSI X3.131,该名为SCSI总线(Small Computer System Interface)。其数据线为9位,速度可达5Mbps,传输距离6米(加驱动器可达25米),经改进又陆续推出SCSI-2 Fast and Wide和SCSI-3(又称Ultra SCSI)总线,原SCSI总线改称SCSI-1总线。该总线的传输速率很高,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。

(3)MXI总线

MXI总线(多系统扩展接口Multi-system eXtension Interface bus)是一种高性能非标准的通用多用户并行总线,具有很好的应用前景。它是NI(National Instruments)公司于1989年推出的32位高速并行互连总线,最高速度可达23Mbps,传输距离20米。MXI总线通过电缆与多个器件连接,采用硬件映象通讯设计,不需要高级软件,一根MXI电缆上可连接8个MXI器件。其电缆本身是相通的,MXI器件通过简单地读写相应的地址空间就可直接访问其他所有器件的资源而无需任何软件协议。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。

4 结束语

    由前面的介绍可以看出,在测量和仪器系统机箱底板总线中,CompactPCI和VXI总线代表着这类总线当前的水平,相应产品正在迅速发展之中。在测量仪器机箱与计算机的互连总线中,IEEE 488通用接口总线由于前述原因,仍将在一些低速系统中被使用一段很长的时间,在高速系统中,将被SCSI总线所代替。MXI总线将作为VXI机箱与计算机互的事实上的标准总线。但由于串行总线,如USB、FireWire总线等,在传输速率上取得了重要突破,且价格便宜,有可能逐步代替现有的其他并行或串行互连总线,并成为测量和仪器网络总线之一。尤其是FireWire总线,它的传输速率可高达3.2Gbps,利用它不但可组成高速测控网络,还可以代替测量和仪器系统机箱底板的并行总线,或作为冗余测控系统中的机箱底板并行总线的备份总线,具有很好的应用前景。

     测控系统正向着高效、高速、高精度和高可靠性,以及自动化、智能和网络化方向发展,测控总线将为实现这些目标起重要作用。目前国外很多公司正在积极研究、开发Infranet-Intranet-Internet网络连接标准,尽可能利用现有的WWW(万维网)技术,将采集到的数据和控制参数直接放到HTML(超文本标志语言)文档中,使远程用户可以通过Internet对生产过程进行访问,或控制远地实验室内的智能设备。这将为开发开放型、全分布式、智能化的测控网络系统创造条件。这些都将对测控系统的体系结构的变革和性能的提高产生重大影响。

出处:摘自《嵌入式与SOC》  


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