总线分析仪范文

总线分析仪范文（精选12篇）

总线分析仪 第1篇

单总线是一种新型的、一线式总线接口技术,使用一根线就可以完成传统接口需要许多接线才能完成的诸如控制、数据、地址等总线数据的通讯;具有接口简单、硬件开销少、便于扩展和维护等优点。因其所具有的优点,许多厂家纷纷推出了一线接口的器件,如美国达拉斯(DALLAS)半导体公司应用于测控领域的DS2401硅序列芯片、DS18B20温度传感器[1,2]、DS2406可寻址开关[3]、应用于微型因特网接口TINI(Tiny Internet Interfaces)的DS80C400[4,5]等,并获得了广泛应用。

通常,单总线协议采用主从方式进行通信,由主控器件发起控制,控制信号和读写信号通过高低电平的时间宽度来区分,因此,单总线协议对时序控制有严格的要求[5,6]。例如:从机要发送数据时,主机将单总线从高电平拉至低电平在1us以上,然后主机释放该总线,此时主机产生读时间段,从器件在读时间段下降沿到来之后的15us内发送一位数据信息,主机在此时间内读取数据[1]。

在检测和维修此类单总线接口的电子仪器系统,传统采用示波器、逻辑分析仪等工具只能观察单总线上的波形,无法确定波形是来自主控设备还是从设备,更无法准确获得在单总线上通信传输的数据。因此,研制一种嵌入式单总线时序分析系统,能将总线上传输的信号独立分离出发送端和接受端、完成信号时间周期采集,并通过串口输出整个通信过程中主从双方的输出信号交替过程及信号周期,从而实现对单总线时序进行分析调试的功能,无疑具有现实意义。

2单总线信号分离电路

信号分离电路既能够将总线上来自不同器件的信号区分出发送端和接受端,又不能破坏原有正常的总线时序,影响器件之间的通信。

2.1电路原理分析

图1所示电路为单总线信号分离电路的原理图,图中A、B分别连接单总线的两端,C、D分别为A、B点信号的提取输出端,Q1、Q2为NPN三极管,R1、R2、R3、R4为上拉电阻。通过该电路,将A、B的输入信号分别从C、D输出,供后续检测电路检测。

单总线属于单工通信方式,即在同一时刻,只有一端处于发送状态。现假设信号从A点输入,则B点处于接收状态。电路分析如下:

i.当A点为高电平时,Vb1由R2上拉至高电平,此时:

Vb1=Ve1=VCC (1)

Vb2=Ve2=VCC (2)

Q1,Q2处于截止状态,B、C、D点分别由电阻R2、R1、R4上拉为高电平。

ii. 当A点为低电平时,Q1导通,C点电平等于A点电平为低电平,B点电平为:

Vb1=Ve1+Vbe=Vbe (3)

其中Vbe为Q1的导通电压,约为0.7V,此时B点为低电平,因为:

Ve2=Vb1=Ve1+Vbe=Vb2+Vbe>Vb2 (4)

所以Q2处于截止状态,D仍为高电平。

通过上述分析,可得到以下结论:B点、C点的变化和A点变化相同,A点和D点的变化无关。

同理,反之当信号从B点输入,A点为输出时,可得出相同的结论:A点、D点的变化和B点变化相同,C点和B点的变化无关。

综上所述,图1所示单总线信号分离电路可将单总线上A点输入的信号从B、C两点输出,B点输入的信号可从A、D点输出,即可保持A、B两端原有的通信。后续电路通过对C、D两点输出的信号进行检测,可以得知单总线上A、B两端的通信过程。

2.2仿真与结论

采用Multisim9软件对图1所示电路图进行实验仿真。其中,R1、R2、R3、R4的阻值为4.7K欧姆,Q1、Q2采用2N2102三极管。

图2为A点输入5V 1KHz的方波时,A、B、C、D各点的波形图,图2中B点、C点的波形和A点保持同步,C点的波形幅值和A点的波形幅值相同,B点的幅值为4.3V,比A点小0.7V,这是由于三极管导通后be极之间的压降造成的。单总线上传输的是数字信号[7],4.3V已经远远超过了TTL的高电平门限,对后续甄别电路造不会有影响。

图3为B点输入5V 1KHz的方波时,A、B、C、D各点的波形图,图3中A点、D点的波形和B点保持同步,D点的波形幅值和B点的波形幅值相同,A点的幅值为4.3V,比B点小0.7V,这是由于三极管导通后be极之间的压降造成的。这个压降对后续甄别电路造不会有影响。

通过图2、图3的实验仿真结果,验证了2.1中的结论:单总线信号分离电路可以将单总线上A点输入的信号从B点、C点输出,B点输入的信号从A点、D点输出,且对原有时间延迟很小,即没有破坏单总线通信的时序要求,可保持A、B两端原有的通信。

3单总线时序分析仪的设计

采用嵌入式ARM系统,和图1中所示的单总线信号分离电路,就可研制出一种单总线时序分析仪,如图4所示,图中虚线表示原有单总线接口的连接方式。图中ARM微控制器采用的是LPC2114,该微控制器是PHILIPS公司生产的基于ARM7TDMI-S内核的ARM芯片,主频可达60MHz,且为单指令周期,内部自带2个串口,2个32位定时器,带4路捕获功能[8]。

单总线时序周期一般为微秒级,采用LPC2114可提高周期测量的精确度。另外,通LPC2114的捕获功能,可方便实现对周期信号的时间测量。将信号分离电路的C、D输出分别接到LPC2114的定时器0和定时器1的捕获输入引脚,并开启LPC2114的捕获功能,当捕获引脚上信号发生跳变时,CPU会将此时的定时器的计数值保存到内部的寄存器并产生中断,软件中通过将两次跳变时刻的计数值相减,可等到跳变周期的时间宽度,并将这些信息从串口输出,供调试人员查看或高端软件分析时序。

定时器0和定时器1初始化捕获功能的代码如下:

当捕获管脚上的电平发生跳变时,ARM产生捕获中断,捕获中断的程序处理流程如图5所示。

4应用实例

使用本文研制的单总线分析仪,对某单总线设备的主机和温度传感器DS18B20的通信时序进行分析。单总线时序分离电路的A端接主机,B端接DS18B20。图6为使用示波器探测到的总线上的信号波形,表1为经过单总线时序分析仪后,串口输出的C、D两点捕获到的波形周期数据。

5结束语

设计的单总线信号分离电路,电路简单,能有效地将单总线上通信的两端的信号提取并区分出来,对原有通信的延时和信号幅度影响极小,能够保持原有的通信时序。基于嵌入式ARM系统研制的单总线时序分析仪,通过串口输出单总线通信的时序交替过程及时序周期,为单总线软件设计的时序调试提供了方便,本研究也可应用在其他单总线的时序分析中。

参考文献

[1]马峻,林燕雄,李长俊等.单总线技术在测控领域的应用.仪器仪表学报,2001,22(S4):254～256

[2]王晓远,陈益广,冯丽.具有远程故障诊断调试功能的智能温度控制系统.仪器仪表学报,2002,23(S5):167～170

[3]包宇,王连明,邢雪峰.基于TINI平台的嵌入式互联网接入技术研究.电子器件,2007,30(2):683～686

[4]王传军,范玉峰,陈东.基于TINI系统的网络气象站.天文研究与技术,2007,4(3):288～295

[5]李国柱.单总线技术及其应用研究.西安文理学院学报:自然科学版,2006,9(2):62～65

[6]盛文利.C语言开发单线器件的时序问题.东北电力学院学报,2004,24(4):82～85

[7]陈志传.单总线技术应用经验交流.广东公安科技,2006(3):81～84

总线分析仪 第2篇

基于1553B总线的运载火箭控制系统分析

采用1553B总线技术实现运载火箭电气系统的`信息一体化设计已成为运载火箭电气系统的设计方向.作为运载火箭电气系统的核心组成部分,控制系统采用1553B总线互联在设计上将具有许多新的特点.从系统的功能组成、拓扑结构设计、数据流分析和总线性能分析等方面对基于1553B总线的运载火箭控制系统进行了分析讨论.

作 者：顾胜 祝学军 杨华 Gu Sheng Zhu Xuejun Yang Hua 作者单位：北京宇航系统工程设计部,北京,100076刊 名：导弹与航天运载技术 ISTIC PKU英文刊名：MISSILES AND SPACE VEHICLES年，卷(期)：“”(3)分类号：V448关键词：运载火箭 控制系统 总线

总线分析仪 第3篇

关键词：现场总线；自动控制；故障；处理

中图分类号： F626.5 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）17-140-2

0 引言

计算机控制技术迅速发展，特别是现场总线已经渗透到自动控制的各个领域，现场总线必将成为自动控制领域主要的发展方向之一。作为一种国际化通用的标准，广泛应用于汽车制造、冶金、化工、石油、电力纺织等领域。

1 DeviceNet总线简介

Devienet现场总线是由罗克韦尔自动化公司推出的一种开放、低价、可靠、高效的设备层工业控制网络。它是安装在生产过程区域中现场设备与自动控制系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通讯的数据链路，沟通了生产过程领域的现场级设备之间以及更高层次自动控制领域的车间级设备之间的联系。现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互联通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点，在汽车涂装车间广泛使用。

2 现场使用

郑州海马汽车生产基地涂装车间广泛采用Devienet现场总线，来实现对生产过程的控制，尤其是涂装车间的滑撬输送系统。此控制系统的自动化程度高、现场检测信号多、逻辑关系复杂，各区域工艺设备和滚床输送线上有大量的联锁、互锁信号。根据滑撬输送系统的工艺设计要求，此系统分为7个区域，每个区域通过2条DeviceNet现场总线构建整个系统的控制网络，连接生产现场的IP67分布式I/O模块、1734从站和所有的变频传动装置等，使得滑撬输送线控制稳定可靠，在控制性能方面具有极强的实时响应性和灵活性，易于维护和扩展。

输送线电控系统采用ControlLogix5000型PLC控制器，控制器通过以太网网络连接到中央控制室进行工位监控，而PLC控制器与现场设备之间的连接则全部通过DeviceNet网络来实现。每台PLC控制器上配置了2个DeviceNet网络接口模块（1756-DNB），从而将整个控制系统分成14条DeviceNet网络，连接着生产现场不同的工艺段，将各区域的TURCK IP67分布式I/O模块和1734从站以及控制设备电机的SEW变频器、Mitsubishi FR—A700柜装变频器等连接到网络上，实现了对现场各区域的滚床、积放链、电动移行机、滑撬升降机等机械输送设备的精确控制。

3 DeviceNet的现场调试及使用

以下是在海马涂装车间现场接触和学习到的一些现场问题和知识，在这里讲述一下工作中涉及到的一些关于现场总线的使用。

TURCK现场分布式I/O模块的与其他输入输出模块的区别在于其所有的8个I/O点均可以独自任意的被选定为输入点或者输出点，为了实现这个功能，需要在DNB模块中将该功能打开。

对1734—ADN模块进行数据配置时要遵循由下及上的顺序，即先对节点内部的数据进行配置，再在柜内DNB模块上对该总线节点进行数据上的配置。在DNB模块中配置1734—ADN模块要注意耦合器的数据占用，输入输出独自占用2Bytes。

在现场一些调试中，1734—ADN模块有时会出现自身耦合器无法完全扫描出基板上所有的输入输出模块，或者扫描出来的耦合器无法识别和模块相对应的槽号，这些模块会从63开始倒计数编号。此情况多处在耦合器带的模块较多时，可以初步判断为模块与基板通讯不畅，在反复拆卸再安装配置后，情况消失。

然后是SEW—MOVIMOT现场变频器，在对此类设备进行总线通讯的配置时，需要特别注意的是地址拨码正确无误，其会自动选择数据传输类型。

接下来是Mitsubishi FR—A700柜装变频器。该类设备需通过FR—A7ND网卡进行总线通讯，由于这个在现场线缆全部采用线鼻子进行压线，处于经验问题，出现过多次端子接线没有压紧导致通讯不通的情况，检查后全部解决。

在运用NetWorx软件对DeviceNet总线进行设备扫描时，会出现同一条总线上的设备有些无法扫描上来，整条总线呈现断断续续的情况。出现这种情况不一定代表这条总线上出现这样或那样的问题，借助一些方法，可以加以判断并顺利解决。在一段总线的扫描中，如果其中有一个或者几个都没有成功扫描，这个时候先对没有扫描成功的设备进行硬件的检查，确认无误后，将有问题的节点号后面断开，换上终端电阻，然后将控制柜内DNB模块断电再上电，DNB模块将重新对所在的总线节点进行扫描，这时先前未成功扫描的节点所对应的设备会顺利的被DNB模块读取上来。对有类似问题的节点号都采取同样的处理方法，反复断电上电，进行步进式的扫描，最终会全部扫描到。

在DeviceNet总线贯通完毕后，将程序download至PLC模块之后，就是现场与PLC的信号交换调试，要保证现场的数字量I/O信号准确无误地被复制到PLC程序内部，而程序中的输出也要顺利地复制到现场的设备中，让设备动作符合程序控制要求。在Rockwell的PLC中，有一点值得给予注意，就是字长的问题。将现场信号复制入PLC的时候，可以只指定字长为1，程序自身会根据所建UDT的数据长度给予整体顺序的复制，而在将程序输出复制到现场设备的时候，则所复制的字长必须不小于实际的数据字长。

其他还有一些不可忽视的设备保护程序，比如对气动夹紧机构处于关闭状态时，所在的设备不能有任何交接动作，否则极有可能损坏该机构。其实不仅是在这某一地方，机械化运输的安装调试过程中，都要注意对设备的保护。

4 网络出现BUS OFF的原因分析

①设备设置了错误的波特率；②来自于有缺陷的设备垃圾数据包；③在上电或下电时有问题的设备引起CAN错误；④终端电阻太大或是太小；⑤网络电缆靠近高压线出现干扰。

5 总结

以上只是在平时工作和设备改善改造过程中所学习和遇到的，经过分析解决现场的实际问题，收获不少，同时也发现自身有很多不足，还需要进一步的学习和研究。DeviceNet网络作为工业控制中一种广泛使用的控制网络，必定会继续发展和完善，作为工程技术人员和现场调试人员，要充分了解其优点并充分利用，同时采取对应的手段和方法避免或消除可能会出现的一些问题。

参 考 文 献

[1] 唐培林.现场总线技术应用[J].中国劳动社会保障出版社，2007（11）.

[2] 李国强.电力自动化中现场总线技术的应用[J].大科技，2013（11）.

航空数据总线技术分析研究 第4篇

随着航空电子系统的发展, 各类飞行器搭载了越来越多的观测仪器和电子设备, 这些仪器和设备之间的数据交换、信息共享和综合处理的数据总量也在迅猛增长, 对航空电子数据总线提出更高层次的要求。许多发达国家投入了大量的研究, 用来开发新一代航空航天数据总线技术, 并在相关领域取得了较大的进展。国内在20世纪80年代起, 对国际最新数据总线技术及时跟进, 制定了高速数据总线的技术规范, 取得了一些重要成果, 但总线技术应用水平与美国、日本等发达国家相比, 差距仍十分明显。本文概述航空机载数据总线的发展和研究现状, 阐述几种典型的数据总线技术, 对传输协议、拓扑结构、主要技术特点、应用现状进行较详细探讨, 并对其进行比较。

1机载数据总线的概述

机载数据总线技术是用于机载设备、子系统直至模块之间的互连技术, 从计算机网络观点来看, 航空电子设备相当于一台微机, 它们以机载数据总线为纽带, 互连成网络系统, 完成数据信息的传输任务。目前其应用领域已经扩展到舰船、卫星、导弹和坦克等各种机动平台上, 在本质上, 它是一种实时网络互连技术[1]。

机载数据总线技术源于航空电子综合系统的发展[7], 美军航空电子系统经历了先前的四个阶段:第一代分离式航空电子系统, 导航、雷达等系统工作完全独立, 初期的系统在处理任务中甚至依赖飞行员判断;第二代联合式航空电子系统, 各个子系统各个功能相互独立, 不同设备间较少有数据交互;在第三代综合式航空电子系统中, 提出了“模块”概念, 利用计算机构成信息处理模块, 从而取代子系统, 系统具有良好的可扩展性, 功能比较丰富能够处理复杂的任务;目前正过渡到第四代“先进综合式”的研究阶段, 采用“统一网络”实现子系统、模块乃至处理芯片之间的互联, 具有高速、可扩展性、低延迟和可容错的特点。

2典型的机载数据总线

目前已投入使用及研究中的民用的典型机载数据总线有:ARINC-429/629, CSDB, STAN-AG-3838/3910, LTPB, FDDI, AFDX等。

军用典型机载数据总线有:MIL-STD-1553B, 1773, SCI和FC等。

2.1 ARINC-429

ARINC-429总线协议是美国航空电子工程委员会 (Airlines Engineering Committee) 制定的一种串口标准, 规定了航空电子设备与有关系统间的数字信息传输要求[3]。

ARINC-429是点对点式的传输协议, 总线上至多可以有20个接收设备, 如图1所示。一般情况下, 总线长度为53 m以下。

ARINC-429总线系统拓扑结构主要有星型和总线型两种, 如图2所示。

ARINC-429主要特点是:

(1) 传输方式:单向方式, 信息只能从通信设备的发送口输出, 经传输总线传至与它相连的需要该信息的其他设备的接口。

(2) 驱动能力:每条总线上可以连接不超过20个接收器。

(3) 调制方式:采用BNR码, 调制信号由“高”、“零” 和“低”三电平状态。

(4) 传输速率:分高低两档, 高速为100 Kb/s, 低速在12~14.5 Kb/s范围内。

(5) 同步方式:传输的基本单位是字, 每个字由32位组成。

ARINC-429总线结构简单, 性能稳定, 采用非集中控制、传输可靠、错误隔离性好, 缺点表现为带宽有限, 接口不能适应新的微处理器, 异步回路有较大的延迟等。ARINC-429广泛应用在民航客机、兵器领域的科研院所和生产单位中, 如B-737、B-757、B-767, 发展到下一代替代标准有ARINC-629/664和STAN-AG-3838/3910。

2.2线性令牌传递数据总线

近几年来, 光纤数据总线技术成为了机载数据总线研究的热点之一, 其中最具代表性的是光纤数据总线线性令牌传递总线 (LTPB) 。LTPB光纤网络的拓扑结构为星型结构, 网络节点通过星型耦合器连接起来。如图3所示。

LTPB主要特点有:

(1) 传输方式:采用一个限时令牌多优先级传输协议, 网络上的节点共享一条广播式传输介质, 当LTPB工作时, 网络上的节点根据它们的物理地址、编码的大小组成逻辑环路, 令牌沿逻辑环路逐节点传输。

(2) 调制方式:采用曼彻斯特Ⅱ型码。

(3) 传输速率:20 Mb/s。

(4) 同步方式:冗余方式可以有同步和异步之分, 同步方式指系统中冗余的部件和介质同时工作, 接收端按一定的原则取得有效数据;异步方式指系统正常工作时仅有一个通道工作, 如发现错误, 则切换到备份通道上传输。

LTPB总线技术广泛的使用在美国战机上, 如海A -12、空YF-22和YF-23战机, 在第4代F-22“猛禽”战斗机也采用该总线技术, 已被确认在美国下一代军用机上的航空电子局域网上使用。

2.3光纤分布式数据接口

光纤分布式数据接口 (Fibre Distributed Data Inter-face, FDDI) 是由美国国家标准化组织 (ANSI) 制定的在光缆上发送数字信号的一组协议, 标准号为ANSI-X3.229。 ISO和IEEE分别将FDDI技术接纳为国际标准。FDDI协议基于令牌环协议, 如图4可以看出, FDDI将OSI模型的物理层和数据链路层分成两个子层。

物理层包括成两个子层:PHY子层规定了传输编码和译码、时钟要求及符号集合;媒体相关层PMD规定了光纤媒体应具备的条件及连接器等。

数据链路层包括两个子层:媒体访问控制 (MAC) 规定FDDI定时令牌协议所需要的帧格式、寻址和令牌处理;逻辑链路控制 (LLC) 为用户提供了交换数据的方法。

站管理 (SMT) 标准定义如何对物理媒体相关层、物理层协议层和媒体访问控制部分进行控制和管理。

FDDI拓扑结构使用双环令牌, 由主环和备用环组成, 在正常情况下, 主环用于数据传输, 备用闲置, 因而具有较强的容错能量, FDDI拓扑结构如图5所示。

FDDI主要特点有:

(1) 传输方式:采用令牌访问控制协议。

(2) 调制方式:采用BNR码。

(3) 传输速率:达到100 Mb/s, 最多可连接500个节点, 节点间最大距离2 km, 消息最大长度2 250个字。

(4) 同步方式:同步和异步信息两种类型。同步信息指由延迟时间限制的控制、显示、遥测、话音等周期信息, 强调信息的实时性。异步信息指没有延迟时间限制的网络管理、交互任务、大数据块消息等非周期信息。

FFDI技术不仅可靠、可行, 而且能大大提升通信能力, 大量应用于商业, 军事和工业领域, 美国三军联合航空电子系统工作小组 (JIAWG) 根据研究结果制定了AS-4074.2, 美国海军新一代资源 (NGCR) 计划、波音777飞机、“自由号”空间站、“华盛顿”核动力航空母舰、DDG-S1和宙斯盾 (AEGIS) 导弹驱逐舰上都用该总线技术。

2.4 MIL-STD-1553B/1773

MIL-STD-1553B是1973年由美国军方和政府推出的军用标准多路数据传输总线协议, 堪称现代作战飞机电子系统的“脊梁骨”, 是为适应工业和军事的需要而提出, 具有很高的可靠性和灵活性。其核心在于“标准”二字, 使得机载雷达光电探测、导航、传感、控制综合联结, 构成第三代战斗机标志性的分布式集中控制系统。

1553B采用命令/响应式传输协议, 其典型的拓扑结构如图6所示。

MIL-STD-1553B主要特点有:

(1) 传输方式:半双工传输方式。

(2) 驱动能力:可挂接的32个终端按其作用分为: 总线控制器BC、总线监控器BM、远程终端RT。各终端之间信息传输方式有:BC到RT, RT和BC, RT到RT, 广播方式和系统控制方式。

(3) 调制方式:曼彻斯特Ⅱ型码。

(4) 传输速率:1 Mb/s。

(5) 同步方式:总线上的信息流由3种类型的字消息组成:命令字、数据字和状态字。字长为20位, 前三位为3个位长的同步字头, 中间有效信息位是16位, 最后1个奇偶校验位。

1553B从20世纪70年代至今广泛用于军事、工业和科技领域, 美大型运输舰、空间补给站、轰炸机、战斗机F-16A、导弹、直升机及飞机器和导弹之间都使用过该总线技术。我国的“神舟”飞船和“实践5号”小卫星上也采用这种总线技术。

1553B的缺点是总线带宽不足、容错能力有限、维修复杂[4]。在1988年美国军方制定的军用标准MIL-STD-1773是美军航空电子综合系统的标准总线, 是对1553B标准在传输介质上的改进[5], 即利用光纤来取代传统双绞线或电缆, 具有1 Mb/s和20 Mb/s两种速率, 高层协议与1553B相同。其优异的性能已被美国国家航空航天局 (NASA) 和海军使用, 其中F18战斗机也是使用该标准, 有“一网盖三军”之称, 国内也有相应的技术跟进, 制定了国军标“GJB289A”和“GJB2663”标准, 并已应用于国产先进战斗机中。

2.5可变规模互连接口

可变规模互连接口 (Scalable Coherent Interface, SCI) 也称可扩展一致性接口, 是一种可以提供千兆位互连带宽和微秒级传输延迟的高性能系统互连技术, 于1992年正式被称为IEEE标准[6]。

SCI基本协议包括三个层次:物理层、逻辑层和缓存一致层 (可选) 。

物理层对SCI的数据链路规范, 链接方式即网络接口等作规定;逻辑层主要规定SCI的数据包格式, 并描述事务协议, 详细的逻辑协议由C代码表述;缓存一致层主要是针对并行计算机的贡献存储器模型提出的, 该部分在SCI基本协议的正式标准中是可选部分。

SCI拓扑结构如图8所示, SCI主要规定了两种互连链路标准:18-DE-500和1-FO-1250。

SCI主要特点有:

(1) 传输方式:18-DE-500并行链路采用电介质, 差分信号传输;1-FO-1250串行链路采用光纤介质, 主要使用于长距离的互连。

(2) 驱动能力:SCI对接口规范做了规定, 因此SCI可以支持灵活的拓扑形式, 并可互连各种总线的桥。

(3) 传输速率:串行通信通常采用光纤介质, 带宽可达1.25 Gb/s;而并行通信通常采用电介质, 单个信号线提供的带宽为500 Mb/s, 高性能多计算机互连时, 带宽可达8 Gb/s。

(4) 同步方式:并行通信下, SCI链路为18位宽, 其中1位为时钟位, 1位为标志位和16位数据位, 这18位信息称为一个符号。

SCI因其接口灵活, 应用广泛。目前是大部分第三代航电系统使用的数据总线类型, 也已经被美国选定为第四代航空数据总线的候选者之一。

2.6光纤通道

光纤通道 (Fiber Channel, FC) 是美国国家标准委员会ANSI于1998年开始制定的数据通信标准, 它是关于计算机之间以及I/O设备之间的一种开放式高速据通信标准, 部分已成熟的ANSI标准于2005年被ISO/IEC组织采纳为国际标准。它定义了多种硬件系统之间大量数据交换的通信接口, 是一个包含几十个标准文件的庞大的协议簇[7]。

光纤通道按照协议层之间技术相互独立, 留有增长空间, 并且由具有资质的标准化机构进行开发, 其分层结构如图9所示。

FC-0物理链路层定义了光纤通道的物理介质, 连接规定了协议提供的传输速率。

FC-1编码/解码层定义了传输协议, 包括串行编码和解码规则以及差错控制。

FC-2链路控制层规定了数据传输的主要规则和机制, 提供了数据块从一个端口传输到下一个端口的传输机制、通讯模型、拓扑结构、通用交换网模型、以及帧格式、帧序列、通信协议和服务分类等。

FC-3公共服务层对物理和信号层以上的高层协议提供了一套通用的公共通信服务。

FC-4映射协议层是光纤通道协议结构的最高层, 定义了光纤通道的应用接口, 规定了多层上层协议到光纤通道的映射。

光纤通道三种拓扑结构如图所示。

光纤通道具主要技术特点:

(1) 传输速率:码间传输为1.062 Gb/s, 全双工可达2.12 Gb/s, 通过多通道可扩展至高达4.24 Gb/s。

(2) 驱动能力:支持点对点、令牌环、星型等多种拓扑结构, 环路结构最多连接127个设备;星型拓扑最多可连接1 600个设备。

(3) 调制方式:采用8 b/10 b编码。

(4) 能够提供无确认的交付, 适用于低开销、大块数据应用程序的数据传输.支持无错封包传输, 提供有保证的顺次数据帧交付, 适用于任务报文的交付。

(5) 光纤通道不包括本地的上层协议, 而是定义各种传输层之间的协议映射和一系列光纤通道交换和系列。

光纤通道技术受到国外尤其是美国军方的重视, 美国军方专门成立了FC-AC小组, 制定航空电子光纤通道FC-AE标准。目前, FC-AE协议的一部分FC-AE-1553协议于2004年4月制定完毕[8], 该协议定义MIL-STD-1553总线协议和FC高层协议之间的映射关系。光纤通道已在美轰炸机B1-B, U2上使用, 在F-35飞机研制中, 光纤通道技术已成为其高速网络构建的基础。

3分析比较

通过对比上述数据总线的传输速率、单消息字节数, 最大节点数, 可以看出数据总线从早期的ARINC-429到SCI、光纤通道总线技术, 总线的各项性能在逐步增强, 主要表现在传输速率在极大的提高, 达到Gb/s级的带宽, 单消息字节数逐步增加, 最大节点个数更多, 连接更趋灵活, 可以搭载更多的终端, 完成更多的数据传输业务。

数据总线总体朝着功能更强、体积更小、重量更轻、 可靠性更高、维修更方便、成本更低的趋势发展, 数据总线技术在很大程度上提升飞机的性能, 提高了飞机完成任务的能力。

典型机载数据总线各项指标的综合对比见表1。

4结语

数据总线技术是现代先进飞行器操作系统和航空电子综合化最重要的关键技术之一, 数据总线决定航空电子系统综合化程度的高低。

在数据总线的选择和使用上, 应综合考虑其带宽要求、可靠性、实时性、是否是国际标准、军、商业化程度、 性价比及抗恶劣环境等因素。目前ARINC429, 1553B, 1773虽然在稳定性和可靠性方面具有较大的优势, 但由于其数据速率只有10 Kb/s~20 Mb/s, 已远远不能适应未来航空数据总线技术发展的需求, 但仍可用于分布距离较短的机载、舰载环境以及对数据传输要求一般的环境。

在第三代综合式航空电子系统时代, LTPB和FFDI作为高速数据总线传输方案, 使得信息实现更高一层次的综合。在第四代先进综合式航空电子系统中, 传输的数据也不仅仅只是命令与状态控制信息, 中间还有大量的探测及处理信息, 要求具备Gb/s级的传输速率及μs级延迟, SCI、FC均能满足要求, 同时, 经美国航空电子综合产品专家组 (IPT) 对数据总线特性的综合评定, 已将SCI和FC纳入为JSF (第五代联合攻击机项目) 统一互连网络的选择方案, SCI和FC以高带宽、低延迟的特性, 在未来航空电子数据总线领域将具有很大的应用前景。

摘要：数据总线作为航空电子系统的“骨架”和“神经”, 与航空电子技术的发展同步进行, 相互促进, 对航空电子系统起着至关重要的作用。主要概述航空机载数据总线及其发展现状, 介绍目前几种典型的机载数据总线技术, 分析传输协议、拓扑结构、技术特点及应用现状, 并进行比较, 论述了可变规模互连接口 (SCI) 和光纤通道技术在未来航空领域具有广阔的应用前景。

关键词：机载航空电子设备,数据总线,SCI总线,FC总线

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显卡总线接口 第5篇

显示卡需要与主板进行数据交换才能正常工作，所以就必须有与之对应的总线接口，常见的有AGP接口和PCI接口两种，和即将流行的PCI-Express接口。通常所说的AGP是Intel的标准：主要特征是可以调用主内存作为显存，以达到降低成本的目的，不过没有真正的显存性能好，

AGP技术又分为AGP8X，AGP4x,AGP2x和AGP1x等不同的标准。AGP8x,4x,2x技术才支持显示卡调用系统主内存作显存;至于AGP1x嘛，只有采用独立的接口，不占PCI带宽这个好处啦。目前，显卡的总线接口正向PCI-Express过渡。PCI-Express接口将具有更大的传输带宽来满足图形技术日益增加的数据量。

现场总线下煤矿供电自动化系统分析 第6篇

关键词：现场总线；煤矿供电；自动化

中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）9-0079-01

煤矿的供电系统几经发展变革，但现在较多采用的是在现场总线基础上的Profibus网络、嵌入式系统、智能测控设备和工业控制下的基于计算机技术的煤矿供电自动化系统。该系统向煤矿供电是自动化的，没有人值班，由机器和设备进行全自动管理和控制，可以较少值班以及维护人员的使用量，这使得系统的供电效率大幅提高，也减小了人员对于系统的维护量，使供电更加安全、稳定和可靠。

煤矿供电监控系统是煤矿供电系统的重要组成部分之一，监控系统的设备都是分散独立的，基本上采用传统继保装置。这些设备有着复杂的结构，维护量大，故障记录不准确，监控的参数不全，可靠性不高。另外，由于缺乏遥控手段，也不能自我诊断故障，因此无法对生产设备的供电情况进行配置，也不能对其进行及时有效的监控，更加难以集中管理，对煤矿供电系统的安全稳定运行形成了潜在的威胁。

1 必要性

在煤矿经常发生瓦斯积聚和采掘工作面瓦斯超限的事故，而其主要原因是有时会发生无故的停电、开关的损坏、局扇的损坏、电缆发生故障以及供电系统的不稳定，这些都会造成局部的停电；煤矿现有的供电设备很落后，没有及时更换，所以会经常出现无故跳电，但是有些故障较隐蔽又难以发现，再加上停电送电不及时，这些都会使瓦斯超过其限度，随时可能诱发恶性事故。煤矿井下供电系统较为落后，所有的元件都是单个的，并没有形成一个系统，比较先进的系统还只是停留在开关单一元件的微机保护。煤矿供配电系统不同于其他的供电系统，三大供电区域是环环相扣的，要使整个供电系统能够正常工作，三大环节必须同时可靠、稳定、安全的运行。因此，煤矿供电自动化系统的一项重要内容是供电设备监控系统；井下电网在保护控制和事故预警等方面的技术还相当落后。高开保护器不精确，功能没有多样化，实现上下级变电所保护配合困难。煤矿井下在电力保护方面，普遍存在由于电压不稳定导致大面积停电、越级跳闸、不能实现有效的漏电保护、保护机制拒绝或误启动、故障无法迅速定位等现象，只能靠二次故障进行故障定位；在传统供电系统下存在井下电工违章带电作业，在作业过程中很可能产生电火花，而电火花一旦产生，就会点燃煤矿瓦斯，造成重大事故。

2 现场总线

现场总线的出现引起了控制领域的一场革命。未来的控制系统的控制或者调节功能将移向现场，FCS（现场控制系统）将会取代传统的DCS，所以控制系统将是彻底分散的。现场总线国际标准的制定进展缓慢且有一定困难，原因在于近多年来，许多公司都争相提出了自己的现场总线，不过这也使现场总线技术有了长足的进步，同时也使情况特殊的煤矿井下选用现场总线技术时有较大余地，可以在众多的现存标准中选取最适合煤矿使用的标准。煤矿供电运用开放的标准，使用智能化的和自动化的设备是未来发展的必然趋势。

应采用的标准是，总线不一定直接供电，供电总线与本安特性应支持本安或在经简单的改进后能支持本安；井下网络最好设置为以两级即一级主干网下接一级的现场总线。主干网采用同轴电缆或光纤作为传输中介，应该具备同时输送多条媒体信息的能力，总线的传输距离能达10km以上才能满足规模较小的矿井省去主干网而仅用一级现场总线；矿井的温度和湿度都比较高，很容易受电磁干扰，现场总线距离较长，同时收发器上的共模电压可能较高，所以其设备应具有抗干扰能力和适应恶劣环境的能力；应有开发工具，开发容易，还要有完善的硬软件支持， 在我国市场上易于获得。

3 系统设计

3.1 系统功能

为了更准确高效地控制各个供电系统和设施，系统应具有以下功能：实时显示本地和远方的检测信号；当系统局部发生细小的故障或错误时，系统仍可以有条不紊地运转；当系统的监测值超过设置阈值时，要同时在本地和远地进行报警；系统要自动记录故障发生时间和内容以便日后的系统维护。

3.2 系统主站设计

主站主要由2台工控机、西门子CP5611网卡、UPS电源等组成，其中一台工控机是备用计算机，另一台为工作机。在出现故障时，为了证系统的可靠运行需要立即启用备用计算机。

主站选用Windows 2000 Server操作系统。监控软件使用iFix组态软件设计，用图片和动画形式形象地显示整个供电系统的工况。监控软件和硬件设备之间进行数据通信采用用于过程控制的对象链接和嵌入OPC技术。不同供应厂商的应用程序和设备之间的接口是不同的，曾造成了一定的技术难题，OPC技术就实现了不同接口的标准化，使其相互间更容易地数据交换。它对现场设备的开发任务进行访问，继而以标准接口的形式放到设备生产厂家或第三方，并将该接口以服务器形式透明地提供给工控软件开发人员，而这些人员曾经忙于开发底层的通信模块，现在就只需要专注地开发工控软件的功能，得到了解放。

3.3 系统分站设计

分站硬件设计系统分站由嵌入式计算机系统、光电转换器、通信协议转换器、和一些其他相关设备组成。它主要是对现场监控单元的数据进行不间断地采集，并处理数据格式使之适合网络传输，再通过Profibus DP网络传递给系统主站。在接到主站控制命令的时候，再自动控制指挥相关的现场监控设备进行调试和控制。为保证系统分站的工作状态更加稳定和更加安全，由嵌入式计算机和触摸显示屏组成分站，因为煤矿生产现场的环境十分恶劣，普通工控机根本无法可靠运行。嵌入式计算机使用具有防震防潮结构的低功耗芯片和电子硬盘，因此不管煤矿恶劣的生产环境有多么恶劣，它都能够正常运行。触摸显示屏的显示信号从嵌入式计算機的VGA口输入，控制信号由COM3口输出。程序与多个现场测控单元循环地交换数据是通过COM2口，进行数据通信时是通过ABC网关与COM1口。

4 结 语

传统的煤矿供电系统已经存在过于陈旧等问题，并且造成了瓦斯爆炸等许多安全事故的发生，因此亟需对煤矿的供电系统进行革新，由此煤矿供电系的自动化伴随着计算机技术的进步和网络的大力普及进入了人们的视野，而在现场总线下的煤矿供电系统由于比较智能，可以减轻供电系统的管理负担，使煤炭供电更为安全和可靠，也节省了很多的人力，最重要的是它使得供电的成本大幅地降低了，随着基于现场总线的煤炭自动化系统会大力普及，可以为广大煤矿提供更多的便利。

参考文献：

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总线分析仪 第7篇

关键词：ARINC659底板总线协议,协议分析,协议特点

0 引言

ARINC659底板总线是一种具有总线传输时间确定性的多节点串行数据总线,支持鲁棒的时间分区和空间分区,并以其特有的总线校验机制,很好地解决了航空电子系统对于底板总线的高可靠性要求问题[1,2,3]。在目前的航空数据总线中,ARINC659底板总线能够为底板间数据通信提供最高级别的可靠性、完整性和余度等级[3]。开展ARINC659底板总线协议分析和研究,对加速ARINC659底板总线系统在我国航空航天电子系统中的推广应用,提高航空航天电子系统的底板数据通信的可靠性具有非常重要的意义[4,5]。本文首先对ARINC659底板总线体系结构进行了介绍,在此基础上重点分析研究了ARINC659底板总线协议[6,7],总结了ARINC659底板总线的技术特点及局限,并根据航空电子的发展趋势,指出ARINC659总线的未来发展方向[8,9]。

1 总线拓扑

基于ARINC659底板总线的多个LRM所构成的航空电子综合化系统的体系结构如图1所示,多个在线可更换模块(LRM)间通过ARINC659底板总线进行数据通信。数据总线由总线对A和B组成双-双配置,总线对A和B分别具有“x”和“y”两条总线。总线上每一个LRM包括两个总线接口单元(BIUx和BIUy),BIUx经由x总线发送数据,BIUy经由y总线发送数据,每个BIU接收所有4条总线。

图1 ARINC659底板总线体系结构

2 总线协议分析

ARINC659底板总线规范包括概述、技术说明、物理层定义、数据链路层协议、附件、附录等6方面内容,概述了ARINC659底板总线规范的基本体系和与其他标准的关系,说明了ARINC659底板总线的基本结构、数据类型、出错管理、测试和维护等技术特点,定义了接口信号、电气性能、物理隔离、连接器引脚分配等物理特性,详细规范了ARINC659底板总线的同步操作、消息操作、接收数据选择和BIU/主机接口基本调用、调试等总线操作。

ARINC659总线主要面向要求高可靠性、高确定性、强实时性的航空领域应用,其总线协议与传统底板总线相比,具有以下突出特点:

(1)物理层隔离和总线电平

ARINC659总线的物理层协议通过定义一系列的物理隔离要求(包括BIU隔离、供电隔离和布线隔离)保证信号的完整性,来实现对总线物理故障的严格隔离。

ARINC659在总线的传输电平选取了BTL电平标准,BTL电平输出驱动摆幅降至1 V,广泛用于背板传输领域。该电平支持独立的总线地和基准地,可满足总线物理故障的隔离要求。

(2)总线编码和拓扑结构

ARINC659采用4条双-双备份的串行总线传输数据,在同一时刻,4条总线传输相同的数据,但总线编码方式不同,这种总线编码的优点:①4条线的平均直流和交流功率对于所有数据模式都是常数,这减少了对数据模式敏感的故障发生的可能性;②提供了辅助故障检测,这种编码机制可以检测总线开路、短路以及固定电平故障;③B总线与A总线信号反向,使信号具有差分驱动特性,其反向的差分特性提供了良好的EMC特性。④通过将低频转变到高频或是反过来可以检测抖动差错。ARINC659总线编码规则如表1所示。

表1 ARINC659总线编码规则

在接收方,对解码之后的数据按照不同总线对的组合进行比较,根据其定义的总线数据有效表来判断有效的数据。通过双-双余度的设置,总线具有很强的容错能力,能够鉴别并纠正一路总线错误和大部分两路总线错误,通过对总线故障的分析,对协议规定的可纠正故障可分类如表2所示。

(3)同步机制和表驱动机制

通过命令表中预先定义的同步消息,BIU实现状态的切换和保持。为了实现不同BIU工作状态间的同步,ARINC659协议定义了初始化同步、短同步和长同步3种同步消息,通过这3种同步消息来实现总线系统的位级同步和帧级同步,从而实现同一个LRM模块的不同BIU之间以及不同的LRM模块之间的总线同步。通过表驱动协议,保证数据传输时刻确定,不会出现总线冲突,无总线访问等待时延。

表2 可纠正故障分类

(4)实时热备份机制

ARINC659总线支持4余度实时热备份,通过在命令表中定义主模块、备份模块1、备份模块2、备份模块3,当主模块出现故障并在规定时间(△时间)内没有完成总线传输时,可自动切换到备份1模块进行传输;同理,如果备份1,备份2无法完成操作,则切换到备份2模块及备份3模块。通过主-备传输机制,进一步提高了总线的可靠性。

(5)帧切换机制

通常的航空应用通过协议提供的帧切换命令,可实现帧之间的控制和切换。有两种不同类型的帧:版本帧和非版本帧。在版本帧中,底板总线上活动的所有BIU应该具有相同的表版本号。版本帧切换机制保证了所有处于同步状态的BIU会根据接收到的帧切换消息中的版本信息位段与自己的表版本号作比较,如果版本号不一致,它就会失去总线同步。在非版本帧中,表版本号被忽略,只要一个LRM中的BIU对能够与底板同步,它就能够参与非版本帧。帧组织示例如图2所示。

图2 帧组织示例

在所有的总线应用中至少要有一个帧。在初始化同步完成后,总线上活动的模块将会跳转到一个非版本初始帧,此后这些模块既可能永久停留在初始化帧,也可能转入另一个由底板上某个LRM预先定义的帧。

3 协议的局限性

由于ARINC659总线协议主要考虑到背板传输领域以及为系统提供高可靠性的安全传输,所以存在一定的局限性。首先,受到物理层电气特性的限制,ARINC659总线底板的长度较短,一般不超过120 cm,只能用于机架内模块间通信,机架之间的通信要通过网关和其他总线来完成,这对于航空电子系统中需要实现多个机架间冗余设计,以及多个冗余机架之间的总线时间同步造成一定影响。其次为了实现总线双-双余度功能,总线接口要求双-双配置,并且由于物理隔离的需要,底板总线的供电、短接都需要独立完成,因此硬件成本较高。

随着航空电子系统综合化的发展,航电设备内部模块间的数据通信量也迅速增长,根据协议ARINC659总线支持的最高速率为60 Mb/s,在一些应用场合已无法满足系统的通信需求,为了进一步提高ARINC659总线通信速率,需要对ARINC659总线高速通信机制以及物理层电平标准进行探索和研究。ARINC659总线协议拥有良好的容错性及错误检测机制,在使用完整性表的情况下,可保证数据的正确性,当使用可用性表时,有时无法区分总线错误,但数据可以被正常提交,此时可通过软件在数据传增加校验位的方法,当使用可用性表并且发现总线有双位错时,采用软件校验机制对数据进行校验,对数据的正确性进行进一步的判断。

4 总结

ARINC 659总线是满足高可靠性需求的双-双余度配置的串行容错总线,是构建机架式综合模块化系统(I-MA)的关键技术之一。该总线在航空电子、空间飞行器电子、工业安全关键控制领域有广泛的应用需求。国外已在波音777 AIMS(飞机信息管理系统)、波音737等民用飞机通用综合航空电子系统成功应用。本文通过对总线协议的分析,根据航空电子系统在近年来的发展趋势,总结了其协议特点和局限,并提出了未来发展方向,有利于促进该总线在我国航空、航天领域推广和应用。

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总线分析仪 第8篇

关键词：多功能车辆总线,总线分析仪,位同步解码算法,控制逻辑,PC/104

1 引 言

随着高速铁路的迅速发展以及机车车辆的现代化发展趋势,对列车总线的可靠性、安全性、通讯实时性的要求进一步提高,国内的传统的现场总线难于满足要求,而多功能车辆总线(MVB)是快速的过程控制总线,能提供最佳的响应速度,且适合用作车辆总线,这就使得MVB逐渐成为下一代车辆的通信总线标准[1]。随着MVB通信网络应用的日益广泛,我国铁道部已将其作为列车通信的标准平台,国内铁路轨道交通设备制造企业也相继从国外引进装备有MVB网络的列车微机控制系统,一些部门也开展了MVB相关产品的国产化研究和自主研发工作。为了确保不同设备制造厂家生产设备的兼容性,也为了验证所研发的MVB产品的协议一致性,必须对各个MVB设备进行协议一致性测试,以提高MVB设备互连的成功率[2]。在MVB的设计和实施过程中,正确地分析出MVB总线运行状态是一个重要的工作。因此对MVB网络进行分析是进一步研究MVB技术的必备手段。

2 MVB协议简介

MVB在物理层可以使用3种不同的物理介质:无隔离的短距离电气介质ESD、有隔离的中距离电气质EMD和长距离光纤介质OGF,所有的介质均采用1.5 Mb/s的传输速率。MVB对总线的介质访问采用集中控制、周期性分配的主-从方式,由总线上惟一的总线管理器即主设备集中控制介质的存取。工作时主设备将总线带(每个基本周期)分为周期性预先分配(周期相)和非周期性按需分配(偶发相)两部分。周期相用于紧迫性、时性要求高且短小的周期性过程变量数据的传输速度、电机电流、司机命令等;偶发相则用于传输冗长但不频繁的非周期性的消息数据,如设备诊断或旅信息。为满足MVB在链路层上提供的2类数据通信服务的要求,TCN标准在MVB上定义了与总线类无关的实时协议RTP。从应用层看,RTP提供了2种类型的通信服务:过程变量和消息服务。过程变量服务的协议只包含物理层、链路层(分为介质存取控制MAC子层和逻辑链路控制LLC子层)应用层3个层次,用以传输周期性的控制命令和控制变量,以实现控制的实时性要求。其中链路层主要通过链路过程数据接口LPI处理端口和通信缓存的操作,完成协议大部分的工作;应用层则通过应用变量接口AVI处理过程变量的访问[3]。

3 MVB总线分析结构设计

MVB网络上传输的过程变量数据是通过主从帧应答与周期性广播的形式,总线分析仪可连接在MVB网络中时刻监听MVB网络中传输的帧数据。MVB总线分析仪按功能可分为译码模块、控制模块、存储模块和PC/104接口模块4个部分,系统设计总体框图如图1所示。译码模块采集总线上的数据,将数据传送给控制模块,控制模块则根据帧的不同情况写入存储模块,存储模块用于存储帧数据,而对上位机提供PC/104接口[4,5]。

3.1 译码模块

在MVB网络中采用曼彻斯特编码,数据传输速率为1.5 Mb/s,采样频率为数据传送频率的16倍频率即24 MHz(周期为41.67 ns),因而一个完美的数据波形应为8个低电平和8个高电平,如图2(a)所示。在非理想的状态下,曼彻斯特码高低电平的持续时间会在一个有限的范围内随机的变化,当这种变化是连续的变长或者连续的变短时,就有可能造成计数器的失步,如图2(b)所示。

造成这一失步的根本原因是计数器的归零是不受控制的,而采样这一动作的触发又是受制于计数器的,4 b计数器的归零完全是24 MHz时钟驱动下累加的结果(0000～1111的循环累加)。因而当出现电平连续变长或连续变短的情况时,本应该在每个曼彻斯特码周期结束后归零的计数器不能在下个曼彻斯特码周期到来时回复到初始状态即“0000”,这种错误的不断累积将导致译码的失步(位失步)。这里是采取如下措施解决这一问题:检测每位曼彻斯特码中必然出现的电平跳变沿,将这一跳变沿作为计数器的控制信号;当此信号有效即将计数器置于理想状态,这样在每位曼彻斯特码中,计数器都能够进行1次与MVB串行信号的同步。

3.2 控制模块

控制逻辑接收解码器单元解码后的信号,如果帧不完整或者CRC校验错误,则加错误标志2直接与入存储单元;帧完整则需要判断主从帧;如果主帧则可直接加标志0写入存储单元;如果为从帧,则需要判断从帧到达时间是否满足要求;如果符合要求则加标志1写入存储单元。否则加标志2写入存储单元,整个控制逻辑的状态转移如图3所示。

3.3 存储模块

通信存储器是MVB总线分析仪的重要组成部分,它负责存储MVB总线通信的数据,因此MVB与上位机通过PC/104接口模块会频繁的访问通信存储器进行数据的读操作。实现通信存储器有3种方式:用FPGA内部自带的RAM资源实现;用FPGA内部的寄存器实现;用外部存储器,例如SRAM,E2PROM等实现。最终选用FPGA内部自带的RAM资源实现通信存储器。原因包括以下几点:现在高级的FPGA都带有大小不等的片内RAM资源,如果使用外部的存储器,则需要一些扩展电路因此导致电路变的复杂,增加了不稳定性的同时也带来了外部寄存器的访问延迟问题。经过比较,选用FPGA内部RAM实现通信存储器是较好的方案。

3.4 PC104接口模块

PC104接口有4种访问方式:8位存储器、16位存储器、8位I/O和16位I/O。这里是8位存储器方式,逻辑实现和布线都相对简单。通过PC104总线接口,设备可以连接到PC104总线上并作为PC104总线上的一个标准设备使用。上位机可以通过PC104总线访问设备和通信存储器。一类设备只是CPU控制的设备之一,因而分配的内存空间有限制的。内存空间为0xD0000～0xE0000,需要地址译码将设备的通信存储器映射到CPU的该内存区。PC104采用堆栈式结构,单列双排插针和插孔,P1:64针,P2:40针,合计104个总线信号,接口引脚定义如表1所示。

4 实验与应用

实验室里在实验室搭建的MVB网络如图4所示,MVB网络由MVB主设备DUAGON公司的总线管理器D412,MVBC01芯片设计的MVB一类设备1与FPGA设计的MVB一类设备2与设备3。

MVB总线分析仪连接MVB网络,上位机通过PC/104总线读取MVB总线分析仪存储模块,MVB总线分析仪完整存储了总线上数据,其中在所有获得的数据中不完整的从帧数据如表2所示。

根据对采集到的不完整帧数据的分析,帧不完整的原因主要体现在帧头的不正确(存在高电平或低电平时间过长或过短),CRC校验错误(生成的CRC不正确),帧数据不完整,结束符时间过短。对主从帧数据对应关系来看,当总线上传输主帧时,设备应发送但没有发送从帧的现象出现,针对这些问题可以逐一检查FPGA等可编程器件里逻辑设计错误,通过改进减少不完整帧的出现,从而保证自主研发的MVB设备的数据在MVB网络中可靠传输。

5 结 语

本文在研究MVB多功能车辆总线的基础上,开发了具有PC104总线接口的MVB总线分析仪。该MVB总线分析仪已经实现了记录MVB网络传输所有数据,有利于更深一步掌握MVB总线网络数据传输技术,并为验证MVB设备互连与互操作性做好准备。

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总线分析仪 第9篇

ARINC429航空总线是专为航空电子设备间通讯所规定的航空工业标准, 从上个世纪六十年代起开始应用于各国航空电子系统。ARINC429总线分析仪是对航空电子设备ARINC429总线通讯进行激励、监测的一种专用设备, 它可以接收、发送符合ARINC429总线规范的数据, 广泛应用于内、外场机载设备的监控、测试、维护。

传统的ARINC429总线分析仪一般采用两种体制。一种是采用工控机或专用PXI/VXI等测试机箱搭载ARINC429总线通讯板卡, 在Lab CVI或者VC6.0环境下编写总线通讯的应用软件。该类型总线分析仪功能强大、界面友好, 但体积大, 不适用于外场应用;另一种是基于嵌入式芯片设计的手持设备, 该类型总线分析仪体积小, 应用灵活, 但市面上该类型产品普遍采用小尺寸单色显示屏和键盘作为人机界面, 且价格昂贵、功能较单一。为了克服上述两种传统ARINC429总线分析仪产品的缺点, 本设计采用嵌入式设计思想的同时, 以高性能的DSP芯片作为主控制器, 以大屏幕彩色液晶触摸屏幕作为人机交互界面, 使ARINC429总线分析仪可兼具体积重量小、功能强大、界面友好等优点。

2 系统原理

ARINC429总线分析仪由DSP主控制器、DEI1016总线收发器、BD429总线驱动器、非易失存储器、CMOS/TTL信号转换器、液晶触摸屏幕以及其他电源、时钟、通讯电路组成。其原理框图见图1。

ARINC429总线分析仪通过DEI1016总线收发器接收外部ARINC429航空总线信号, DEI1016总线收发器将总线中传输的数据字提取后传输给DSP主控制器进行处理。由于DSP芯片的I/O接口一般为CMOS电平, 因此需通过TTL/CMOS电平转换芯片来连接DSP主控制器和DEI1016总线收发器。当需发送ARINC429总线数据时, 主控制器通过电平转换器将数据字和控制字装订入总线收发器中, 总线收发器将数据字编码后输出的信号电平为TTL电平。需由BD429总线驱动器将信号电平转换至ARINC429总线标准电平后发送至外部总线。

人机交互功能由液晶触控屏幕来完成, 可显示主控制器发送的数据, 并将用户指令传送给主控制器, 其与主控制器之间通讯是通过RS-232全双工异步串行总线来完成的。用户通过液晶触控屏幕来选择功能、设置参数, 使ARINC429总线分析仪完成总线数据接收、发送等功能。

3 硬件设计

3.1 主控制电路

综合考虑分析仪性能要求, 器件的性价比以及使用环境条件, 选择TI公司的TMS320F28335型32位浮点运算DSP作为主控制器。该型处理器运算速度快、接口丰富、性能稳定, 在航空电子产品中应用较广。为达到最大运行频率, 使用了30MHz有源晶振为主控制器提供时钟基准。

3.2 总线收发电路

系统总线收发电路由Device Engineering公司的DEI1016总线收发器和BD429总线驱动器组成。DEI1016的对外提供符合ARINC429航空总线协议的串行数据接口和16位并行数据接口。内部包含了一个总线发送器、两个总线接收器、一个16位的控制寄存器以及8级深度的16位发送FIFO。其中总线接收器可直接接收ARINC429航空总线标准数据, 总线发送器需配合BD429总线接收器发送ARINC429航空总线标准数据, 通过写控制寄存器可实现对总线字长度、校验位选择、100kbps/12.5kbps传输速率等通讯参数进行设置。

DEI1016总线收发器以约定的时序与TMS320F28335主控制器之间通讯。它将接收到的串行ARINC429航空总线数据转换为TTL电平的并行数据输出, 并将从TMS320F28335主控制器接收到的并行数据转换为串行TTL电平数据, 再由BD429总线驱动器转换为符合ARINC429标准电平输出到总线上。

由于TMS320F28335主控制器的I/O是CMOS电平, 因此需要电平转换芯片才能实现TMS320F28335主控制器与DEI1016总线收发器之间的通讯。统计DEI1016总线收发器的通讯I/O需求见表1。一共有27个通讯I/O需要进行电平转换, 其中包含16位双向传输, 8位输出接口, 3位输入接口。

为满足电平转换需求, 选用了两片74LVC164245芯片来实现电平转换。74LVC164245是TI公司的16位双通道电平转换芯片, 有A、B两个通道, 数据在A、B两通道的传输特性由OE和DIR两个输入信号控制, 控制逻辑见表2。系统使用一片74LVC164245实现16位并行数据接口的数据转换, 另一片完成8位输出和3位输入接口的电平转换。实际操作中, 将OE始终置低电平。DIR由TMS320F28335主控制器的I/O直接控制。

3.3 屏幕控制电路

根据TMS320F28335主控制器的硬件资源结合系统需求, 使用了迪文科技的DMT10600T070液晶触控屏幕屏作为人机交互界面, 该显示屏具有7寸显示面积、10240*600分辨率、16bit显示颜色、-30/+85度宽温工作环境。其内建了显示驱动模块可以大大减轻控制芯片的负荷, 特别适合嵌入式应用场合。其采用的RS-232标准串口通讯接口也可以比较方便的与DSP主控制器的UART接口通讯。由于RS-232电平与TMS320F28335主控制器的UART串口电平不一致, 采用MAXIM公司的MAX3232芯片来实现两个电平的转换。

3.4 数据存储电路

系统使用I2C接口的非易失存储芯片存储用户的配置信息以及ICD等数据。存储芯片选用了24LC64型EEPROM非易失存储芯片, 它采用I2C接口, 容量为64Kb。24LC64的A0、A1、A2管脚是地址选择位, 在电路中将3个管脚拉地后其地址为0X000。通讯接口SCL和SDA连接至DSP主控制器的对应接口。

3.5 电源电路

根据外场使用的环境以及元器件电源需求, 系统供电采用双电源两级供电体制。即采用内置锂电池和外接稳压直流电源双电源供电方式, 在外场使用时使用内置锂电池供电, 内场使用时外接稳压直流电源供电, 同时满足内、外场使用需求。为适应下一级稳压电源模块对输入电源的要求, 选择内置锂电池额定电压为12V, 容量4000m Ah (满足4小时外场使用时间) , 要求外接直流稳压电源的输入电压为额定28V。为防止两路电源同时有电时发生短路, 使用1N5825型低压降、高电流肖特基二极管串接在每路电源上进行电源隔离。1N5825最大持续通过电流5A, 隔离电压40V, 压降0.5V, 性能满足隔离和电源供电需要, 压降对供电也无影响。

供电电源下一级选择DC-DC稳压模块产生5V、±15V电源, 通过DSP专用的线性稳压芯片为DSP及其他设备提供3.3V、1.9V电源。统计表1中, 所有5V及以下电源功率需求约为6W, ±15V电源功率需求为1.2W。因此选择TRACE POWER公司的THD15-2411WIN、THD15-2423WIN两型DC-DC电源模块分别将供电电源转换为+5V、±15V电源, 两种DC-DC模块的输出功率都达到了15W, 满足供电需求。选用TPS767D301PWP型线性电源芯片将5V电压转换为3.3V、1.9V电压供主控制器等元器件使用。由于液晶触控屏自带供电模块, 且输入电压范围涵盖双路电源供电范围, 因此采用直接供电的方式。

4 总线分析仪的测试结果

设计、调试完成后的ARINC429总线分析仪通过联试的方式与多型航空电子设备和航空测试设备进行了交联通讯。验证了收、发功能正常, 系统运行稳定、可靠, 可用于航空电子设备的监控、检测、维护工作。

5 总线分析仪的应用效果

本文设计的基于DSP的ARINC429总线分析仪利用嵌入式平台设计, 具有体积、重量小, 使用灵活等优点, 同时, 由于应用了高性能DSP处理器和液晶触控屏, 其性能、功能相比传统产品大大提高, 成本又显著降低, 其人机交互界面友好, 已配发用于内、外场航空电子设备的监控、检测、维护工作。

摘要：本文介绍了一种基于嵌入式系统思想设计, 应用高性能DSP芯片实现ARINC429航空总线通讯的总线分析仪。该总线分析仪以TI公司的TMS320F28335型DSP芯片为核心处理器, 扩展了相应的硬件电路, 采用彩色触控液晶屏作为人机交互界面, 实现了ARINC429航空总线的收/发功能。该总线分析仪改进了ARINC429总线收发设备体积大、成本高、功能单一的缺点, 具备小型、快速、智能、灵活、低成本等优点。

关键词：DSP,ARINC429,DEI1016,总线

参考文献

[1]宾辰忠.基于MCF5206的ARINC429总线通讯板卡设计与实现[C].西北工业大学硕士论文, 2005.

总线分析仪 第10篇

Universal Serial Bus(USB)是连接外部设备和主机的一种标准接口。随着微软在操作系统中内置了对USB接口的支持模块，加上USB设备的日渐增多，USB接口逐步走进了实用阶段。

USB是一种灵活的接口技术，可替代计算机中串行口或并行口，支持许多新型的接口。USB的超强性能意味着要比它所替代的老式串行接口和并行接口都复杂。实现USB接口是一个极大的挑战。不管是USB主机一侧的开发，还是USB设备一侧的开发，从技术角度来讲，都有相当的难度。

2 USB总线信号分析系统的组成及功能分析

USB总线信号分析系统其整体功能的实现是一个软硬件协同工作的过程。USB总线信号分析系统由六部分组成：用户USB总线信号采集电路、CPLD硬件与Verilog程序、FIFO存储器、MCU硬件与固件程序、设备驱动程序和信号分析软件。前四部分装配在一块线路板上，构成系统的硬件;后两部分安装在分析主机上，为系统的高层软件。为使系统正常工作，必须把各种设备正确连接起来，还要安装设备驱动程序和信号分析软件。

2.1 用户USB总线信号获取

USB电缆两端各有一个连接器，中间不允许分叉。连接到用户USB总线上需要使用两个USB连接器，通过板上的布线直接相连。一个通过一条电缆连接到用户USB主机，另一个连接器通过另外一条电缆连接到用户设备。在线路板上放置一个USB收发器，与两个USB连接器相连。在信号传输的时候，就能同时接收USB总线上的信号。

2.2 CPLD编码

CPLD是一种用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。CPLD是整个系统中非常关键的一个部件，它直接决定系统实现的成功与失败。因此，必须认真分析需求，周密设计代码，合理仿真功能，力求最大限度地有效利用CPLD的功能。

2.2.1 CPLD功能

在USB总线信号分析系统中，为了准确地接收USB的数据流，CPLD中设置了去噪声模块，既使接收的数据中混入了噪声，接收器也能正常工作。要正确获得数据，首先要正确恢复时钟。低速USB的发送时钟为1.5MHz，全速USB的发送时钟为12MHz,CPLD也必须生成相应的接收时钟信号，为此，CPLD中设置了一个相位跟踪电路(DPLL)。

2.2.2 相位跟踪电路

DPLL(Digit Phase Lock Loop)是一种使输出信号相位与输入信号相位保持一致的电路，也就是相位跟踪电路。在UPA11中，DPLL根据用户USB总线的速率产生1.5MHz或12MHz数据接收时钟，该电路监视输入信号的变化，一旦发现信号出现了边沿，立即调整接收时钟的相位，确保与发送时钟同步，同时保证了读取数据的准确性。

2.2.3 有限状态机（FSM)

FSM(Finite State Machine)称为有限状态机，是CPLD/FPGA中最常用的部件之一。通常，用FSM实现各种各样的状态转换图。FSM有四个状态，即初始状态、SE0状态、空闲状态和接收状态，用来表示用户USB总线的活动。这四个状态覆盖了所有用户USB总线状态和用户USB总线事件，低速和全速也都支持。

用户USB总线有四种基本状态：SE0状态、空闲状态、J状态和K状态。空闲状态与J状态的差别仅在于驱动器是否驱动，它们对应的DP、DM和RCV都是相同的。为此，把空闲状态与EOP中的J状态合二为一，统称为空闲状态。

用户USB总线传输数据包时，涉及到的状态只有两个，即J状态和K状态。把这两个状态合并为接收状态，为“正在接收用户USB总线上的数据包”之意。接收状态也包括远程唤醒信号，只不过接收到的将是以FE打头，后跟若干个FF的数据包。

用户USB总线的事件有设备插入、设备拔出、设备复位、设备挂起、设备恢复等，对应FSM的一种或几种状态。

综上所述，用户USB总线状态和事件都可以归纳到FSM状态机的一种或几种状态。

根据USB 1.1规范，USB总线的速率是由D+或D-的上拉电阻决定的。识别速率的最准确的位置应该是从SE0状态转换到空闲状态的时刻。如果空闲状态时DP=1，则用户USB总线是全速。否则，如果DM=1，则用户USB总线是低速。

2.2.4 MCU数据包装配

CPLD输入信号是DP,DM和RCV，输出的则是MCU数据包。MCU数据包是对USB数据包的再次封装，其一般格式为：

STX USB数据包ETX

STX是MCU数据包的开始，其值为0F;ETX是MCU数据包的结束，其值为04。为了避免USB数据包中的STX、ETX被误认为MCU数据包的开始结束，特别增加了“字节插入”。“字节插入”符为Byte_Stuff，其值为05。当USB数据包中出现了STX,ETX或Byte_Stuff时，在其前面都要插入一个Byte_Stuff。例如：

USB数据包为：80 C3 03 04 05 06

对应的MCU数据包为：0F 80 C3 03 05 0405 05 06 04

2.2.5 数据输出

数据输出包括输出队列的管理、输出总线和写入信号管理两部分。输出队列的管理包括取数据和指针移动。

在USB数据包结束处，如果最后一个数据正好是STX、ETX或Byte_Stuff之一，则输出顺序应该是Byte_Stuff、数据、ETX。这三个字节在同一时钟周期出现，但输出一个字节要用两个时钟周期，并且输出时一次只能输出一个字节。这时，把同时出现的数据按照既定的Byte_Stuff、数据、ETX的顺序把标志位存放在输出队列中等待输出。

2.3 MCU固件

MCU(Micro Controller Unit)，简称单片机，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机。

MCU主要功能有：MCU初始化;中断服务程序;USB标准请求服务程序;读取FIFO数据;向分析主机转发数据。MCU的主要作用是把CPLD生成的数据转发给分析主机。

MCU固件分中断服务程序和主程序，这两部分程序交叉执行，中断可能在主程序的任何地方发生并开始执行中断服务程序。中断服务程序基本上是线性执行的，主程序除了初始化部分以外则是无穷循环执行。

2.4 分析软件的实现

USB总线信号分析系统必须配合适当的分析软件才能发挥作用。分析软件安装在计算机上，由应用程序、动态连接库、设备驱动程序三部分组成，它们相互协调，完成数据控制、传输、分析等工作。

2.4.1 驱动程序

所有USB设备必须有匹配的设备驱动程序才能正常工作，UPA11的设备驱动程序来自Microchip公司的通用USB驱动程序，当前最新版本是Microchip MCHPFSUSB v2.1，可从该公司网站免费下载。

2.4.2 应用程序对UPA11硬件的访问

应用程序对硬件的访问包括开始捕捉、停止捕捉和读取数据。

控制捕捉是通过向OUT1管道发送一个控制位来实现的，如果向OUT1端点发送的第一个字节的最高位为1，就会打开硬件捕捉功能;否则关闭捕捉。捕捉的数据是通过IN1端点传输到应用软件的。一旦开始捕捉，应用软件必须始终读取UPA11的数据，否则可能丢失数据。

2.4.3 快速读取UPA11的数据

一旦启动捕捉，在短时间内，CPLD可能输出大量数据。为了防止数据丢失，唯一的办法就是使用缓存。当FIFO缓存中存有数据以后，MCU必须尽快取出，并存储到IN1端口的数据区，一旦MCU收到主机发来的IN数据包，可以立即发送出去。为了减少时间延迟，MCU内部设置了14个IN1端口的数据区，作为数据缓冲。

对于从FIFO取来的数据，MCU只是简单地放入某一个IN1数据区，当一个数据区放满，则转到下一数据区，除非所有数据区都存满了数据。

在IN1中断服务程序中，MCU只要让IN1的数据区指针指向下一个数据区，然后等待主机的下一个IN数据包即可，除非所有数据区都无数据。

2.4.4 USB数据包分离、检测、过滤

从硬件得到的是连续的数据流，首先必须从这些数据流中分离出一个一个的USB数据包，然后才能对它们进行分析和显示。CPLD在发送USB数据包时采用了编码，在应用程序中，必须对这种编码后的数据进行解码，还原出原来的USB数据包。

当一个USB数据包被分离出来后，首先必须进行错误检测，找出其中可能存在的各种错误，包括同步错、PID错、CRC5错、CRC16错等。分析出错误的类型以后，用户可以查找错误的原因。

过滤是UPA11的重要功能，通过使用过滤器，可以仅显示那些感兴趣的数据包，而那些SOF、NAK之类的数据包可以被屏蔽。

2.4.5 USB数据包分析

USB包(Packet)是最小的传输单位，其中的数据不容易被人们理解，但显示这些数据却是必需的。如果把一个USB事务的所有包集中为独立的一项，并根据令牌包恰当命名，便很容易让人们在更高的层次上理解其作用。一个USB传输或USB请求可能有1～n个USB事务组成。如果能在USB传输或USB请求的级别上进行归纳分析，并以树状层次显示出来，将有很大的价值。

为实现这些功能，必须跟踪USB主机和USB设备的所有数据包，确定每一个数据包所处的位置，并根据上下文总结出符合逻辑的功能描述。当收到一个USB数据包以后，应用程序需要做以下处理：根据状态机的当前状态和输入的包，决定下一状态;根据当前状态和下一状态，在显示树的不同层次上建立相应的显示节点;如果条件满足，为更高的层归纳出一个概括性的功能。为此，应用软件内部设置了一个USB数据包状态机，该状态机始终描述USB主机与设备之间数据传输的状态，它支持USB的四种传输类型。

3 结束语

本文在USB1.1规范的基础上，根据国内外USB接口的发展现状，做了一些研究，也得到了一些有意义的结果，完成了USB总线信号分析系统的设计与实现。但是USB总线信号分析研究仍处于初级阶段，后期可以进行硬件、固件的升级和应用软件的扩展。

参考文献

[1]蔡军生.USB协议深入分析.[J/OL].

[2]中国IT实验室.USB设备的调试与测试技巧.[J/OL].

浅谈车载总线 第11篇

关键词：网络；控制器；总线；位；数据传输；报文；帧；节点；异步串行通讯

中图分类号：G302 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）09-0083-02

汽车工业是国民经济发展的支柱产业，汽车电子化是夺取汽车市场的重要手段。尤其是微电子技术的迅猛发展和其在汽车上的广泛应用，给汽车工业的进一步发展带来了新的生机。电子控制技术广泛应用在汽车的各个方面：电控发动机、自动变速、防抱死、安全气囊、智能导航等，大量推陈出新的技术使得汽车的性能已经达到了令人满意的程度。汽车电子控制技术和大规模集成电路的广泛应用，减小了汽车电子产品的体积，特别是8位机、16位机的广泛应用，提高了电子装置可靠性和稳定性。另外汽车电子控制装置还解决了机械装置无法解决的复杂的自动控制问题。汽车各部分的电控已成必然。但电子技术在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越来越高，电子设备大量增多又导致车身布线庞大而复杂，安装空间紧缺，运行可靠性低，故障维修困难度增大等一系列问题，为了提高信号的利用率，要求大批的数据信息能在不同的电子单元中共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要交换。目前车载总线种类很多，他们在应用对象和网络性能上各有特色。随着车载网络技术的发展，一些新的总线还会陆续研发出来。各种总线的试用和开发为提高汽车的使用性能提供了可能。比如用于提高汽车动力性、经济性的高中速网络总线，或用于故障诊断的，安全的，电传控制的X-by-wire总线。总之，多种多样的总线使汽车的动力性，经济性安全舒适性都有了大大的提高，线束大幅度减少，车载网络的市场规模在最近乃至未来必将不断发展壮大。其作用远远超过总线设计最初的动机。虽然目前尚处在改进中，在全球市场上仍然处在起始点，但在未来的发展中其潜在的趋势正在稳步增长。由此看来，车载总线显得相当重要。

一、单片机是车载总线的基础和核心，是微型计算机。车载总线由很多单片机共同连接在一个网络系统上，实现信息共享

单片机由硬件和软件组成，硬件有：CPU、存储器、输入输出接口、定时计数器、可编程串行口寄存器、内部总线，共同集成在一个芯片而形成。软件有系统软件和应用软件。CPU为中央处理器。由运算器和控制器组成，它以主振频率为准，控制CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，将各个硬件环节组织在一起。软件就是程序，即计算机处理和运行控制的一条条指令语句集。管理计算机的程序为系统软件，而专门用于某项技术设计和操作的为应用软件。这里边有几个概念，可以帮助我们认识：位：可以理解为一根电线。这根电线可以加上电压，用数字表示1，可以不加电压，用数字表示0.用1和0两个数表示此根电线所处的两种相反的状态。0或1亦可以视着一个位。二进制：数字由0起，加一个为1，再增加一个应为2，但计作10，也就是逢二进一，以此类推。这种以2为满，逢二进一变为10的计数法，为二进制。就像我们十进制数数1、2、3……到十，又从一开始计数一样。这里是数数从0始，到2又从0开始计数。也就是二进制里没有二，只有0、1两个数。字节：八个顺序排列的0或1，规定这八个二进子的字符成为一个字节。由硬件和软件一起组成单片机的控制系统。通过软件编程就可以控制整个系统有目的的工作了。网络中以计算机为为信息处理中心，单片机接收到信息后，经过这样的处理而后再送到执行器去控制系统运行。整个网络中的计算机就可以实现信息交换。

二、CAN车载总线

车载总线是及计算机网络技术和现代控制技术在汽车上的应用，所以先弄清计算机网络。计算机网络是计算机技术与通讯技术相结合产生的。计算机网络按照功能分成7个层次功能模块，从上到下依次是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，这样每一个网络层次就对应一个功能模块各层之间相对独立，其功能实现的具体细节对外是不可见的，每一层完成一个特定功能，相邻层交换是通过接口处规定的服务原语进行，这样每一层的功能易于实现和保护。而当某一层需要改动时只要不改变它上下层的接口规则，其他层都不受到影响，因此具有很大的灵活性。实际中使用网络协议与这个模式都多多少少有差异，据需要确定层次，不一定全是7个层次。例如风靡全球而主宰Intelnet的TCP/IP体系就之划分为应用层、传输层、网络层和网络接口层四个层次。CAN车载总线就是这样一种网络，它为串行通讯，能有效的支持很高安全等级的分布式适时控制。有数据链路层、物理层两个层次。CAN通讯的技术规范也即CAN通讯协议及CAN国际标准是设计CAN总线网络应用系统的基本依据。规范功能的实现基本是由硬件自动完成。这些硬件就是控制器SJA1000和收发器TJA1050。通过对SJA1000编程，CPU能控制SJA1000内部各种寄存器，再由TJA1050发送器发送或接收信息到总线，并完成各种功能控制。SJA1000控制功能非常强大。这里有几个概念要明确：报文：大小不受限制的数据块，是信息转化成的二进制数组。帧：特定格式的数据块。内部含有各种控制通讯的信号。这是异步串行通讯必须的手段。通过SJA1000控制器控制完成。节点：节点分智能节点和非智能节点。智能节点以微控制器为核心，再通过接口连上SJA1000、TJA1050收发器以及传感器、执行器等现场设备组成。非智能节点与智能节点的区别就非智能节点没有微控制器。SJA1000控制器在系统构成节点中的位置如下图1。

图1 CAN节点组成图

由上图可看出，收发器将从总线收到的信息传给控制器，由他送给处理器，实现信息的控制和交换。控制器：目前最优良的为SJA1000，它是一个可编程的仪器。收发器：TJA1050是收发器中性能较优良的它提供CAN控制器与总线之间的接口，影响系统网络性能驱动总线信号接收和发送。最后，由微处理器，控制器，收发器以及现场设备构成节点，各节点通过网线构成的车载网络，如下图2：CAN总线由两根通讯电线组成，一根为CAN-H，另一根为CAN-L，两线之间接的终端电阻。控制节点接在总线上，构成这个网络的节点数可多达120个。各个控制系统可以通过总线进行信息交换，实现信息共享。这种网络传输效率高，使用灵活，是一种开放性网络系统。CAN总线各节点通讯机会平等，没有主从之分，所以此种网络为多主机系统.通讯全由所发送的帧中识别符决定，识别符权限越高，则其通讯的优先度越高。

图2 车载网络系统图（下面为LIN总线）

三、LIN总线

LIN总线是低成本网络中的汽车通讯标准，为一主多从单主机低成本低速率单线串行通讯总线系统。它的使用范围是单主机节点和一组从机节点的A类多点总线。LIN网络将价格低廉的LIN收发器挂在普通的串行口，再配以LIN驱动软件就可以构成LIN节点。它有一个传送位的单通道，从这里节点可以获得数据的重新同步信息。LIN标准包括传输协议规范、传输媒体规范、开发工具接口规范、和用于软件编程的接口。与CAN总线不同，在一些低速的传输系统，仍然用CAN芯片组装网络，则成本高，造成不必要的浪费.比如：车门，方向盘，坐椅，空调，照明灯，交流发电机，湿度传感器，这些信号的控制用低成本网络汽车通讯协议标准，则比较合适。车载总线技术是目前汽车电气较前沿的技术。未来，传统的汽车电气布线终究会被车载总线技术取代，一根或两根网络总线就实现了汽车上的信息传送。每个控制元都是网络上的用户，大大减少了传统点到点布线的数量，简化降低了修理的难度。

参考文献：

[1]南金瑞，刘波澜.汽车电子技术与单片机[U].汽车单片机及车载总线技术[M].北京理工大学出版社，2005：107-130.

[2]江力.单片机结构原理与简单应用[U].单片机原理及应用技术[M].清华大学出版社，2007：20-25.

[3]汪吉.计算机数制转换[U].微机原理与接口技术[M].2006：4-10.

[4]季福坤.计算机网络体系结构[N].计算机网络基础，2008：9-16.

[5]朱建风，李国忠.报文[U].常见车系CAN-BUS原理及检修[M].珠海市欧亚汽车有限公司，2006：30-33.

[6]唐继英.集中有影响的现场总线[N].现场总线技术，2008：15-18.

PLC现场总线的干扰分析及对策 第12篇

一、影响现场总线系统稳定性的主要因素

在PLC控制系统中, 自身的装置是十分可靠的, 对其进行干扰的主要是外部环节及内部硬件配置不当造成的。一旦PLC控制系统受到干扰, 则会直接造成内部信息破坏, 导致控制系统出现混乱、执行机构错误及网络故障出现, 而现场总线受到干扰, 会使得与PLC通信终断, 系统工作异常, 在影响设备正常运用的同时, 还对整个系统造成极大的破坏。PLC及现场总线系统稳定性的主要影响因素, 主要包括以下几个方面:

(一) 由导线引入的传导干扰

在PLC控制系统使用的过程中, 多数不稳定因素的根源是由电源引入的。PLC控制系统在使用的过程中, 一般由相应的电网进行供电, 一旦电网内部发生加大的变化, 大开关操作浪涌、大型电动机设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等, 都通过输电线路传到电源原边。再通过电源变压器的初级耦合到次级, 形成对控制系统的干扰。虽然PLC控制系统使用的是隔离电源, 然而由于受整个控制机制及制造工艺因素的影响, 导致PLC控制系统在使用的过程中, 无法取得理想的隔离性能。

与PLC控制系统连接的各类信号传输线, 通过变送器或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰, 这往往被忽略;但这种信号引入干扰会引起现场总线通信的中断、I/O信号工作异常和测量精度大大降低, 严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统, 还将导致信号间互相干扰, 造成逻辑数据变化、误动和死机。

(二) 通过空间以辐射或感应传入的辐射干扰

现场总线控制系统, 除了由导线引入的传导干扰外, 变压器、MCC柜、电力电缆和动力设备。这些设备均为工频, 频率较低, 干扰一般发生在近场, 而近场中随着干扰源的特性不同, 电场分量和磁场分量有很大差别。特别是动力设备启动时, 瞬间电流能够达到额定电流的6~1倍, 会产生大电流冲击的暂态干扰。

空间的辐射电磁场 (EMI) 主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的, 通常称为辐射干扰, 其分布极为复杂。若PLC系统置于所射频场内, 就回收到辐射干扰, 其影响主要通过两条路径;一是直接对PLC内部的辐射, 由电路感应产生干扰;而是对PLC通信内网络的辐射, 由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小, 特别是频率有关, 一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。

(三) 接地系统的干扰

接地是提高电子设备电磁兼容性 (EMC) 的有效手段之一。正确的接地, 既能抑制电磁干扰的影响, 又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地, 反而会引入严重的干扰信号, 使PLC系统将无法正常工作。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均, 不同接地点间存在地电位差, 引起地环路电流, 影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地, 如果电缆屏蔽层两端A、B都接地, 就存在地电位差, 有电流流过屏蔽层, 当发生异常状态如雷击时, 地线电流将更大。此外, 屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路, 通过屏蔽层与芯线之间的耦合, 干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱, 所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布, 影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。

二、提高系统稳定性和抗干扰能力所采取的措施

在PLC控制系统使用的过程中, 要想从根本上提高系统的稳定性及抗干扰能力, 就必须在原有的基础上采取相应的措施, 在提高PLC控制系统工作效率的同时, 还能推动我国工业化的发展。在提高系统稳定性及抗干扰能力的过程中, 主要包括以下措施:

(一) 隔离电源, 提高抗干扰能力

PLC系统在受到电源干扰的过程中, 可在PLC的交流电源输入端接上隔离变压器和低通滤波器, ;同时也可以根据情况, 将两者与铁芯紧绑在一起, 以此来提高抗高频共模的干扰能力。在其隔离的过程中, 因而在使用的过程中最好使用持续供电的UPS电源。

(二) 使用屏蔽电缆或光缆传输信号

现场总线的稳定工作与信号传输的速率、总线的长度以及总线上连接的节点数量由相当密切地关系, 工作频率越高、总线长度越长, 其抗干扰能力越低、遭受干扰的可能性就越高。

现场总线屏蔽的机理, 一是外来电磁波在金属表面产生涡流, 从而抵消原来的磁场;二是电磁波在金属表面产生反射损耗, 另一部分透射波在金属屏蔽层内传播过程中, 衰减产生吸收损耗。现场总线的屏蔽是利用由导电材料制成的屏蔽并结合接地, 来切断干扰源。

在现场总线传输速度高传输距离远干扰大的情况下, 尽可能地采用光缆。采用光缆后, 有效解决了辐射扰和传导干扰的众多问题。若在不共地两点之间, 或者在接地状况很不好的情况下, 采用光缆传输现场总线信号, 可有效防止接地环流等干扰。特别是纸机控制系统与纸机传动MCC之间, 容易存在接地电位差, 或接地环流, 要特别注意, 选用光缆优于选用双绞线。

(三) 合理布线与安装

在提高系统稳定性和抗干扰能力的过程中, 合理布线与安装, 不仅能从根本上避免外界信号的非法侵入, 同时还能避免不必要的辐射与干扰。在施工过程中, 宜采用双层桥架, 将现场总线电缆单独铺设, 避免与动力电缆混合交叉。尤其对于变频设备, 定可能采用变频电缆。双层桥架可以将PLC系统的信号线、弱电控制线与强电控制线分开, 将静电与电磁感应降到最低, 避免其对PLC系统造成影响。

(四) 完善接地系统

系统接地方式有浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言, 它属高速低电平控制装置, 应采用直接接地方式。接地极的接地电阻小于2Ω, 接地极最好埋在距建筑物10~15m远处, 而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。信号源接地时, 屏蔽层应在信号侧接地;不接地时, 应在PLC侧接地;信号线中间有接头时, 屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理, 一定要避免多点接地;多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时, 各屏蔽层应相互连接好, 并经绝缘处理, 选择适当的接地处单点接地。

三、总结

综上所述, 提高PLC现场总线控制系统的可靠性与抗干扰能力, 不仅能提高PLC控制系统的工作效率, 同时还能避免不良信号对PLC控制程序造成破坏。由此就需要相关人员在使用PLC控制程序的过程中, 能够适时地采取相应的保护措施, 可通过使用隔离电源、安装网络中继器、通讯电缆安装的规范化、确保良好的接地等方法来保证网络通讯正常, 在确保PLC控制系统顺利运行的同时, 推动我国工业化的发展。

参考文献

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