摘要：總線作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐罚谕ㄐ胚^(guò)程中扮演了重要的角色，但由于時(shí)代發(fā)展階段的不同、應(yīng)用場(chǎng)合的不同及各利益團(tuán)體對(duì)利潤(rùn)的爭(zhēng)奪使得目前的總線類型很多。如何選用適當(dāng)?shù)目偩€也就成為一個(gè)不得不面對(duì)的問(wèn)題。 關(guān)鍵字：總線技術(shù)，電力電子系統(tǒng)，電力電氣 總線作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?，在通信過(guò)程中扮演了重要的角色，但由于時(shí)代發(fā)展階段的不同、應(yīng)用場(chǎng)合的不同及各利益團(tuán)體對(duì)利潤(rùn)的爭(zhēng)奪使得目前的總線類型很多。如何選用適當(dāng)?shù)目偩€也就成為一個(gè)不得不面對(duì)的問(wèn)題。 總線概念及其分類 所謂總線，就是各部件間進(jìn)行信息傳輸?shù)墓餐ǖ?，它是各種信號(hào)線的集合（包括數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件之間用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊唤M硬件連線。IBM公司將總線簡(jiǎn)稱為“用于傳輸信號(hào)或功率的一根或多根導(dǎo)線”?？偩€的特點(diǎn)在于其公用性，即它同時(shí)連接多個(gè)部件，如果是某兩個(gè)部件間專用的信號(hào)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(shè)計(jì)提供了新的方式——面向總線的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者只需根據(jù)總線的規(guī)則去設(shè)計(jì)，將各部件按照總線接口標(biāo)準(zhǔn)與總線連接而無(wú)需單獨(dú)設(shè)計(jì)連線，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)軟件和硬件的設(shè)計(jì)，并使系統(tǒng)更加易于擴(kuò)充和升級(jí)。 根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，總線可分為芯片總線、系統(tǒng)總線、設(shè)備總線、局部總線。 按數(shù)據(jù)傳輸形式的不同，總線又可分為串行總線和并行總線。 現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是指現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線；由現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem簡(jiǎn)稱FCS）；把這種集通信、計(jì)算機(jī)、控制和現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備為一體的技術(shù)稱為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。 使自動(dòng)控制領(lǐng)域步入數(shù)字通信時(shí)代的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，目前是電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)，并在智能電源、智能變頻器、自然能發(fā)電、電動(dòng)車輛等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如國(guó)家“863”計(jì)劃“關(guān)于電動(dòng)車輛發(fā)展規(guī)劃”中已經(jīng)明確規(guī)定：新申報(bào)的電動(dòng)車開發(fā)項(xiàng)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(duì)比表。XT總線是最早的系統(tǒng)總線之一，它是IBM公司針對(duì)Intel8088微處理器而設(shè)計(jì)，有62條信號(hào)線，以適應(yīng)8088的8位數(shù)據(jù)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(chǔ)上增加一個(gè)36引腳的AT擴(kuò)展插座而形成AT總線，即ISA總線，以此標(biāo)準(zhǔn)制定的體系結(jié)構(gòu)稱為ISA（IndustryStandardArchitecture）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。 MCA（MicroChannelArchitecture）微通道標(biāo)準(zhǔn)，是IBM公司在推出386微機(jī)時(shí)采用的與ISA標(biāo)準(zhǔn)完全不同的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)因與ISA的兼容問(wèn)題未能在市場(chǎng)上得到推廣。 EISA（ExtensionIndustryStandardArchitecture）擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)是Compaq公司等9家兼容機(jī)制造商在Intel公司推出486微處理器后，為解決功能強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)。 VESA局部總線是視頻電子協(xié)會(huì)（VideoElectronicStandardsAssociation）基于486主板針對(duì)圖形卡設(shè)計(jì)，為提高硬盤和顯示器等快速外設(shè)的工作速度而開發(fā)，主要解決了圖形處理速度問(wèn)題，又稱為VL（VideoLocalbus）總線。 PCI（PeripheralComponentIntelconnect）外部設(shè)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(gè)外圍設(shè)備，總線時(shí)鐘與CPU時(shí)鐘無(wú)關(guān)，有良好的可靠性和兼容性。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于相同的系統(tǒng)，PCI的性能是EISA加了系統(tǒng)參考時(shí)鐘、觸發(fā)總線、星型觸發(fā)器總線和各槽的內(nèi)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(shù)據(jù)線16位）和B型（雙高板233.35mm×160mm，地址線、數(shù)據(jù)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(chǔ)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口，是系統(tǒng)級(jí)接口，也是一種雙向并行設(shè)備總線，SCSI常用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和工作站，也可用于PC機(jī)。SCSI標(biāo)準(zhǔn)最初于1986年形成SCS－1，后在1994年完成SCSI－2，根據(jù)計(jì)算機(jī)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(chǔ)結(jié)構(gòu)3種串行接口。 1965年美國(guó)HP公司設(shè)計(jì)了用于可編程儀器與計(jì)算機(jī)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(xué)會(huì)）接受GPIB為IEEE－488標(biāo)準(zhǔn)。GPIB有16根信號(hào)線，3條掛鉤線（Handshakeline），5條管理線，考慮到各儀器間差異，GPIB的數(shù)據(jù)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的總線。（1byte/s=8bit/s；1字節(jié)/s＝8位/s）。 IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)為個(gè)人計(jì)算機(jī)雙向并行外設(shè)接口信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)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(yīng)用。PXI總線，1997年由美國(guó)NI（NationalInstruments）公司推出，它也是PCI總線的擴(kuò)展，是一種測(cè)試儀器總線的開放平臺(tái)，不僅與CompactPCI總線在機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣方面兼容，而且為適應(yīng)測(cè)試儀器的需要，增設(shè)完全兼容，同時(shí)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(shù)據(jù)傳輸模式，可實(shí)現(xiàn)正向（由PC到外設(shè)）、反向（由外設(shè)到PC）、雙向（PC與外設(shè)雙向，半雙工）數(shù)據(jù)傳輸。正向?yàn)榧嫒菽Ｊ?，也即Centronics或標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)線向PC輸入數(shù)據(jù)；字節(jié)模式使用8位數(shù)據(jù)線向PC機(jī)輸入數(shù)據(jù)。雙向模式分為增強(qiáng)并行口EPP（EnhancedParallelPort，主要用于非打印機(jī)類外設(shè)，如硬盤、CDROM等）和擴(kuò)容并行口ECP（ExtendedCapabilityPort，用于打印機(jī)和掃描儀）。 串行總線 表2為串行總線性能對(duì)比表。RS232C由EIA（ElectronicIndustryAssociation）美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)在1962年公布，1969年最后修訂而成。RS232C是使用最早、應(yīng)用最廣泛的一種異步串行數(shù)據(jù)傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)。需強(qiáng)調(diào)的是RS232C并不是一個(gè)總線的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗x的是一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）與另一臺(tái)數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DEC）的互聯(lián)接口，同一時(shí)刻只能連接2臺(tái)設(shè)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(bǔ)RS232C缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)，于1977年推出，并在1980年成為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。RS449不僅提高了通信速率、通信距離，使用平衡信號(hào)差傳輸高速信號(hào)降低了噪聲，而且可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信或使用公用線通信。RS422A和RS423A是RS449的標(biāo)準(zhǔn)子集，都可在傳輸線上連接多個(gè)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(zhǎng)距離上明顯提高數(shù)據(jù)通信速率。RS485是將RS422信號(hào)線精簡(jiǎn)后的變形。二者的區(qū)別在于：RS422為全雙工，采用兩對(duì)平衡差分信號(hào)線；RS485為半雙工，只有一對(duì)平衡差分信號(hào)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(shè)備同步等多主機(jī)系統(tǒng)所需功能的高性能串行總線，它僅用一條串行數(shù)據(jù)線（SDA）和一條串行時(shí)鐘線（SCL）便實(shí)現(xiàn)了完善的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，標(biāo)準(zhǔn)通信速率為100kbit/s，快速方式下可達(dá)400kbit/s。 SPI（SerialPeripheralInterface）串行外設(shè)接口總線是一種串行外設(shè)接口，允許MCU（MicroControllingUnit，嵌入式單片機(jī)控制器）與各種外圍設(shè)備以串行方式通信。SPI總線只需3～5位數(shù)據(jù)線和控制線即可在軟件控制下實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展外設(shè)、數(shù)據(jù)交換等功能。 Microwire由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體（NS）公司推出，該總線為三線同步串行總線，由一根數(shù)據(jù)輸出線（SD），一根數(shù)據(jù)輸入線（SI），一根時(shí)鐘線（SK）組成。目前NS公司生產(chǎn)的COP系列和HPC系列單片機(jī)內(nèi)都有該總線。 SMBus是1995年由SBS－IF（智能電池實(shí)現(xiàn)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(guān)的設(shè)備、傳感器等設(shè)備中，并在手提電腦中得到廣泛應(yīng)用。SUBus以2根線為介質(zhì)將眾多的設(shè)備連接到SMBus的節(jié)點(diǎn)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(gòu)成非常簡(jiǎn)單，一般情況下只包括一根電源線、一根地線和一根信號(hào)線。由于總線上所有器件都通過(guò)一條信號(hào)線傳輸信號(hào)，在1－wire器件制作時(shí)都編制了惟一的芯片序列號(hào)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(shí)的數(shù)據(jù)交換。1－wire的通信速率為16.3kbit/s，超速模式下可達(dá)100kbit/s，通信距離可達(dá)200m，允許掛接上百個(gè)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(gè)在計(jì)算機(jī)與通信工業(yè)領(lǐng)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(shí)施者論壇USB－IF來(lái)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(shè)備的連接頭，支持即插即用（PlugandPlay）和熱插拔，并能自動(dòng)檢測(cè)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(shí)序的縮短（微幀）及相關(guān)技術(shù)將通信速率提高到480Mbit/s。目前，USB1.1主要用于鼠標(biāo)、鍵盤等低速設(shè)備，USB2.0用于視頻會(huì)議、CCD、刻錄機(jī)等高速設(shè)備。 Firewire是由美國(guó)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(rèn)定為串行數(shù)據(jù)總線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE1394，后被IEC接受為IEC1883。Firewire用于連接計(jì)算機(jī)外設(shè)或作為計(jì)算機(jī)底板總線的備份。它用于連接外設(shè)，使用電纜通信時(shí)通信速率可達(dá)393Mbit/s，通信距離為4.5m，并可跨接16次達(dá)到72m。當(dāng)它作為計(jì)算機(jī)底板并行總線備份時(shí)，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(xiàn)場(chǎng)總線 FF（FoundationFieldbus）基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)。目前該基金會(huì)有120多個(gè)成員，包括AB、ABB、Electric、Fuji、Fisher－Rosemount、Honeywell、Smar等自動(dòng)化設(shè)備供應(yīng)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(zhǎng)至9.5km，支持總線供電，本質(zhì)安全防暴；非總線供電時(shí)最多可連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，總線供電時(shí)可連接13個(gè)節(jié)點(diǎn)，本質(zhì)安全要求下可接6個(gè)節(jié)點(diǎn)，加中繼器可連接240個(gè)節(jié)點(diǎn)；其靈活的通信方式（令牌傳送、申請(qǐng)/立即響應(yīng)、總線時(shí)間調(diào)度）及檢錯(cuò)措施保證了通信的實(shí)時(shí)性和可靠性；FF采用的功能模塊和設(shè)備描述語(yǔ)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(wǎng)代替，其通信速率為10Mbit/s，更高速為100Mbit/s，并計(jì)劃向1Gbit/s主干網(wǎng)絡(luò)通信速率發(fā)展。 Profibus（Processfieldbus）原為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245，在1996年被批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，1999年成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織IEC/TC65所通過(guò)IEC61158標(biāo)準(zhǔn)中的8種現(xiàn)場(chǎng)總線之一。Profibus包括Profibus－DP（DecentralizedPeriphery，分布式外圍設(shè)備）、Profibus－FMS（FieldbusMessageSpecification，現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范）、Profibus－PA（ProcessAutomation，過(guò)程自動(dòng)化）三個(gè)兼容部分。Profibus－DP用于設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸，專為中央主控制器與分散的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備通信設(shè)計(jì)。Profibus－FMS是針對(duì)車間級(jí)管理任務(wù)的通用解決方案。Profibus－PA專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全傳輸技術(shù)，即可總線供電，也可用于危險(xiǎn)防爆區(qū)域。 CAN（ControlAreaNetwork）控制局域網(wǎng)絡(luò)總線由德國(guó)Bosch公司推出，最初用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)，適用于中小規(guī)模工業(yè)過(guò)程監(jiān)控和車船電氣系統(tǒng)的監(jiān)控，并在智能電源、電動(dòng)車輛等領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)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(nèi)有8路A/D，6路PWM輸出，芯片內(nèi)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(dá)500kbit/s，因而可用于開關(guān)電源的監(jiān)控系統(tǒng)；另一種是獨(dú)立的CAN控制器芯片，如PHILIPS公司生產(chǎn)的SJA1000，它是一種獨(dú)立控制器，用于工業(yè)環(huán)境CAN總線。在文中該芯片與Intel80C196KC構(gòu)成了通信逆變電源的中心控制電路及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。 CAN總線協(xié)議可采用多主站、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、全局廣播幾種方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。其信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，再加上每幀信息均有循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC（CyclicRedundancyCheck），所以通信誤碼率極低，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。當(dāng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，CAN有判別暫時(shí)錯(cuò)誤和永久故障節(jié)點(diǎn)的功能；如果節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，可自動(dòng)切斷該故障節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，避免影響總線其他節(jié)點(diǎn)的正常工作。 LonWorks（LocalOperatingNetwork）局部操作網(wǎng)絡(luò)于1991年由美國(guó)Echelon公司推出，用LonTalk通信協(xié)議，該協(xié)議采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO為實(shí)現(xiàn)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(gè)CPU構(gòu)成的神經(jīng)元芯片（NeuronChip），該芯片將LonTalk通信協(xié)議固化其中，使之同時(shí)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(shí)，通信距離可達(dá)2700m；節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)32000個(gè)。目前LonWorks主要用于樓宇自動(dòng)化及電力系統(tǒng)自動(dòng)化。 結(jié)束語(yǔ) 以上僅介紹對(duì)比了總線的基本技術(shù)性能和特點(diǎn)，在實(shí)際選用總線時(shí)還需根據(jù)所設(shè)計(jì)電力電子系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境要求和其本身對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性、成本及安裝維護(hù)等方面的要求給予全面考慮，以期滿足要求，并達(dá)到較高的性價(jià)比。