嵌入式系统的总线技术及其应用

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年代初推出的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