USB在工业中的应用

来源：研华公司，eAutomation Any solution to this bus predicament must enable communication that is high speed, deterministic, robust, and capable of covering the needed distance. The solution also must build upon a long lived standard that is universally available. USB meets these requirements. Virtually all industrial computers ship with multiple USB ports and they’re on many other industrial devices as well. USB has the necessary speed and millisecond determinism, more than enough for almost all industrial users. With some modifications, particularly in the areas of securing connections and bridging long distances, USB can meet all of the industrial application criteria. 对工业自动化用户来说，技术是双刃剑。一方面，在半导体和软件上的进步产生更智能和功能更强大的计算机和机器，使实施一个过程自动化的工作更容易、控制性能更鲁棒。另一方面，这些相同的进步可以说是困难。自动化产品有数十年或更长时间才能更新的生命周期。因此，技术上的进步——特别是PC技术——也许意味着自动化产品和应用不得不改变，一定程度上是痛苦的。 对工业用户来说，问题会有什么改变？将来能做什么来避免这个问题的复发？ 考虑到PC内部的总线，使用的电气连接和外部的通讯。在那种情况下，研华认为两个问题的解决方案是通用串行总线或USB。 更大的市场促使通用串行总线在工业PC上的应用发生变化。现在，PCI-Express正在变成一个新的PC背板标准。因此，自动化用户面临他们的设备怎样与工业计算机接口的变化的期望。 随着联合式、嵌入式处理器板日益流行和常见，这些板设有扩展总线，或者基于PCI-Express总线，或者基于另一个标准的总线。例如，由位于美国马萨诸塞州Natick市的风险开发公司（Venture Development Corp.）进行的研究预测：更大的嵌入式板（大于70平方英寸）的销售份额，从2004年到2008年下降9.7%，而同期在美国市场，总的市场增长将近12%。增长来自于仅有USB端口而没有扩展总线的板。 解决这个总线困境的任何方案必须满足高速、确定性、鲁棒、能覆盖需要距离的通讯的要求。为广泛的应用，解决方案也必须建立在长期存在的标准上。 USB满足这些要求。实质上，所有工业计算机用多个USB端口通讯，它们也用在其他工业许多设备上。对几乎所有工业用户来说，USB有足够的速度，达到毫秒级性能。随着一些改进，特别是在安全连接和桥接更长距离的领域，USB能满足所有工业应用标准。 变化的PC技术 以前世界上的消费者放弃ISA（由IBM公司在二十世纪八十年代创建的工业标准结构总线），采用PCI（由Intel和其他公司在二十世纪九十年代开发的周边元件扩展接口总线）。现在，商用PC正在采用PCI-Express标准(Intel和其他公司在2004年确定的标准)。 PCI多久从商用PC消失是未知的。引进PCI后，在过渡期，ISA和PCI槽混合使用。很难精确确定ISA在商用领域消失的日期，但是报告显示：ISA还会使用长达数十年。应提醒的是:ISA在工业PC中仍然可用，嵌入式工业PC规范，PC/104，虽然有不同的尺寸要求,但仍需要ISA总线。 由于技术原因，从PCI到PCI-Express的转变也许比从ISA到PCI的转变快。同样，用PCI-Express取代PCI对软件来说是透明的，因此开发人员不必重复编写各种应用的端口代码。那种特点比从ISA转换到PCI的痛苦少。 另一个好处是PCI-Express在加强的性能方面提供一些重要的优势，特别是高速应用，例如，声卡、1000M以太网、高速图像采集等。然而，PCI每秒能传输数据133M，现在，PCI-Express在单向每秒传输数据高达8000M。正因为此，大的高端显卡制造商，例如，AMD公司下的ATI和它的竞争者NVIDIDA，提供越来越多的芯片集。另外，例如其他应用，高祯率声音采集也利用PCI-Express总线提供的速度优势。 另一方面，有许多不同类型的、数量众多的PCI设备，使用PCI的设备的数量和类型比使用ISA的设备多。因此，这种趋势使PCI转变到PCI-Express的速度变慢。不能确切知道PCI最终在商用领域消失的日期。 有一段时期，在相同的母板上既有PCI槽，也有PCI-Express槽。工业用户需要考虑这种转变，因为它可能影响他们。这个转变是个好消息。首先，PCI-Express带来的更大的图形性能在工业应用中能证明是有益的。现在，有丰富的图形用户接口 （GUI）、更高速更新的GUI和对CPU的更少消耗的应用是有用的。另外，机器视觉应用能从更高的数据量受益，结果是每秒能采集更多的图像。最终，一旦制造的数量增加，基于PCI-Express的解决方案比基于PCI的解决方案便宜是可能的。 总之，工业用户需要利用最新技术的优势，使PCI-Express应用在很多领域从而能赢利。问题如果考虑所有种类的外围设备通信的I/O，工业用户仍有一些ISA板，虽然数量日益下降。对于连接广泛的设备，目前仍有很多PCI板在使用。 现在，陈旧的内部总线，ISA或PCI提供速度和确定性。所有提供对PC的时钟的访问，采用ISA总线是8 MHz，而采用PCI是33 MHz。这两种每秒都能发送数兆的数据。因此，这些内部总线在工业应用优势仍然明显。 考虑机箱外部 研华认为，解决方案需要考虑箱外的情况。在工业应用中，内部PC总线和外部现场总线以及处理贯穿工厂的通讯的现场总线长期都是标准的应用。顾名思义，内部总线，提供处理器与外部的连接。它们分开工作，但是它意味着内部总线及其架构在与外部设备通信时起重要的作用。结果，总线的变化对PC外围设备有重要的意义。 如果从PC机架删除所有I/O，问题消失而优势出现。一个结果是内部总线的创新和进步不再干扰现场网络。因此，从性能和成本方面都会受益。也可能运行最新版本的标准，因此确保显卡和其他应用从最可能的性能和最快的速度受益。 明显，应建立这样转变的标准，该标准应比以前的生命周期长。另外，随着传统I/O方法的陈旧以及被取代，把I/O移动到PC外部会解决以后出现的问题。一旦实现自动化解决方案应用于实际，项目的生命至少十年或更长。 其他必需的任何箱外补偿方式也来源于工业应用的本质，包括速度、确定性、距离和鲁棒性。首先，传输速率足够高从而满足数据和控制需要。在一些案例中，每秒仅仅满足一些位的变化要求，但是其他数据速率不得不足够高，兆位或更高。第二，在毫秒或更大的分辨率下，大多数工业应用能运行良好。 虽然需要长期运行的更大的车间应用案例，但是要考虑车间经常充满震动、灰尘、高湿度以及其他恶劣的条件，因此，任何解决方案必须能适应环境条件。 最终，任何企图把I/O移动到PC外部时不能采用一些不易用的标准。要求在所有PC和大多数工业机器上都能发现互连，满足这个标准将会确保解决方案的实施不会带来额外的成本负担或要求复杂的专门规范。 不同通讯技术竞争者 当研究能实现移动通讯的方法时，有许多可能性。这些可能性包括接线的方法，例如，各种形式的以太网、防火墙(IEEE-1394)和USB。也有无线协议，例如，蓝牙，802.11标准的不同实施以及近来引进的无线USB。 这些方法中最重要的两个是以太网和USB。两者几乎在每台计算机中都能发现，在工业机器中应用日益增多。我们期待两者持续很长时间，因此能应用十年或从现在开始的更长时间。这两者也能从下降的成本解决方案中受益，由于在商用产品中日益增多的使用。当然，两者具有工业应用的不同性能，对于特定工业I/O，在两者之一选择之前，要求仔细的考虑。 以太网不是单一的标准，而是许多通信协议之一。以太网的协议版本出现已经有30多年了。现在，它是连接所有局域网的标准，包括无线连接最终在以太网上运行从而实现更大的领域的应用。以太网的版本也提供足够高的速度，它是为什么市场调查显示在接下来的几年100M和1000M的以太网有超过40%被工业数据采集应用的原因，其他工业应用方面具有类似的渗透率。 以太网至少在本质或广泛使用的形式方面，它提供的是非实时性能。随着以太网在许多应用中实施，它不会阻止竞争性的节点之间的数据冲突，不提供任何服务质量(QoS)条款。因此，在决定性的设置中，例如，在车间的案例中，机器必须没有延迟地被中断，当内部时钟故障时，以太网将会故障。假如有足够的通信量，网络的微秒级响应时间会增大到毫秒，对实时工业应用来说，它会加剧以太网的不可靠性。 目前确定的是，这些问题已经有解决方案，那就是实时以太网协议存在。这里的关键词是协议，标志多个和非兼容的方法。因此，直到简单的标准出现，仍有选择不同版本的可能。 确保性能的最有希望的方法之一是基于IEEE 1588 标准精度时间协议上建立。这个标准用亚微秒精度同步时钟，这个精度允许远程设备通过以太网通讯,而不需要在任何其他通讯上分级。另一方面，这意味着设备和网络堆栈实施必须用IEEE 1588标准建立。 然而，工业用户有另一个选择，该标准不需要等待将要确定的标准。USB，特别是每秒480M数据速率2.0版本的出现，能够提供必需的速度，能在虚拟的所有母板以及在许多工业设备中应用。这种普遍性在USB渗透的调查中是明显的，该调查是关于USB在工业用户的数据采集模块中渗透方面。USB渗透率会从几年前的25%跳跃到2007年的将近50%。 另外在每个设备上，很容易发现USB也是确定性的，它能够提供毫秒响应时间。这个反应时间对工业应用来说是足够的。有许多版本的USB便携式端口，例如，PDA以及其他用于无线连接的设备。 当考虑车间应用时，USB有两个缺陷，两者本质上都是物理缺陷。第一个缺陷是有限的运行，标准USB电缆只有5米。然而，通过5类电缆和使用远程扩展器能延长到100米，这样的扩展允许在整个工厂部署USB。第二个缺陷是USB连接器。制造用于热插拔，连接器容