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总线技术在电力电子系统中的应用

信息来源:gkong.biz  时间:2010-04-21  浏览次数:130

  作者:王宝诚 张伟单位:燕山大学电力电子系
  总线作为数据传输的通路,在通信过程中扮演了重要的角色,但由于时代发展阶段的不同、应用场合的不同及各利益团体对利润的争夺使得目前的总线类型很多。如何选用适当的总线也就成为—个不得不面对的问题。
  总线概念及其分类
  所谓总线,就是各部件间进行信息传输的公共通道,它是各种信号线的集合(包括数据总线、地址总线、控制总线、电源线等)。微软百科辞典定义“总线”为:计算机系统中各部件之间用于数据传输的一组硬件连线。IBM公司将总线简称为“用于传输信号或功率的一根或多根导线”。总线的特点在于其公用性,即它同时连接多个部件,如果是某两个部件间专用的信号连线,就不能称作总线。
  总线是连接各部件的纽带,它为电力电子系统的设计提供了新的方式——面向总线的设计,系统的设计者只需根据总线的规则去设计,将各部件按照总线接口标准与总线连接而无需单独设计连线,从而简化了系统软件和硬件的设计,并使系统更加易于扩充和升级。
  根据应用场合不同,总线可分为芯片总线、系统总线、设备总线、局部总线。按数据传输形式的不同,总线又可分为串行总线和并行总线。
  现场总线(Field bus)是指现场设备与自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线;由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统(Fieldbus Control System简称FCS);把这种集通信、计算机、控制和现场智能设备为一体的技术称为现场总线技术。
  使自动控制领域步人数字通信时代的现场总线技术,目前是电力电子技术研究的热点,并在智能电源、智能变频器、自然能发电、电动车辆等领域得到广泛应用。如国家“863”计划“关于电动车辆发展规划”中已经明确规定:新申报的电动车开发项目必须采用基于CAN总线的整车通信控制系统。
  并行总线
  表1为并行总线性能对比表。XT总线是最早的系统总线之一,它是IBM公司针对Intel8088微处理器而设计,有62条信号线,以适应8088的8位数据线和20位地址线。为了和Intel80286等高性能16位微处理器兼容,IBM公司在XT总线基础上增加一个36引脚的AT扩展插座而形成AT总线,即ISA总线,以此标准制定的体系结构称为ISA(Industry Standard Architecture)工业标准体系结构。
  MCA(Micro Channel Architecture)微通道标准,是IBM公司在推出386微机时采用的与ISA标准完全不同的系统总线标准,该标准因与ISA的兼容问题未能在市场上得到推广。
  EISA(Extension Industry Standard Architecture)扩展工业标准体系结构是Compaq公司等9家兼容机制造商在Intel公司推出486微处理器后,为解决功能强大的CPU处理能力与低性能系统总线之间的矛盾而推出的总线标准。
  VESA局部总线是视频电子协会(Video Electronic Standards Association)基于486主板针对图形卡设计,为提高硬盘和显示器等快速外设的工作速度而开发,主要解决了图形处理速度问题,又称为VL(Video Local bus)总线。
  PCI(Peripheral Component Intelconnect)外部设备互联局部总线,是Intel公司在1991年推出的高性能局部总线,它支持多个外围设备,总线时钟与CPU时钟无关,有良好的可靠性和兼容性。实验表明,对于相同的系统,PCI的性能是EISA的3倍以上,比VESA也要超出10%~20%。Compact PCI总线是PCI总线的扩展,增加了Hot Swap即带电热插拔功能,适合于工业及嵌入式系统中应用。PXI总线,1997年由美国NI(National Instruments)公司推出,它也是PCI总线的扩展,是一种测试仪器总线的开放平台,不仅与Compact PCI总线在机械结构、电气方面兼容,而且为适应测试仪器的需要,增加了系统参考时钟、触发总线、星型触发器总线和各槽的内部总线。
  VEM是一种高性能总线,支持多处理器系统,其模型有A型(单高板100mm×160mm,地址线24位,数据线16位)和B型(双高板233.35mm×160mm,地址线、数据线都为32位)。VXI总线是一种仪器系统总线,在VEM总线所包括的A型、B型模板基础上增加了C型(双高板233.35mm×340mm),D型(三高板366.7mm×340mm)两种模板。
  SCSI(Small Computer System Interface)小型计算机系统接口,是系统级接口,也是一种双向并行设备总线,SCSI常用于网络服务器和工作站,也可用于PC机。SCSI标准最初于1986年形成SCS-1,后在1994年完成SCSI-2,根据计算机发展需要又推出支持多种物理接口的SCSI-3,它不仅支持并行接口,还支持光纤信道接口、IEEE1394和串行存储结构3种串行接口。
  1965年美国HP公司设计了用于可编程仪器与计算机互联的接口HPIB(HP Interface Bus,惠普接口总线)又称GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口总线。1975年IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers,电气与电子工程师学会)接受GPIB为IEEE-488标准。GPIB有16根信号线,3条挂钩线(Hand shake line),5条管理线,考虑到各仪器间差异,GPIB的数据通信可灵活选用位并行、字节串行、三线挂钩和双向异步方式,通信速率一般在250~500Kbit/s之间。目前GPIB已成为自动测试系统中应用最广泛的总线。(1byte/s=8bit/s;1字节/s=8位/s)。
  IEEE1284标准为个人计算机双向并行外设接口信号标准。该标准为解决传统的并行端口Centronics在双向高速并行通信上的困境而开发,它能够与原有的并行端口软件及外
  设完全兼容,同时使并行端口的输入输出通信速率都能在1Mbit/s以上。IEEE1284定义了5种数据传输模式,可实现正向(由PC到外设)、反向(由外设到PC)、双向(PC与外设双向,半双工)数据传输。正向为兼容模式,也即Centronics或标准模式SPP。反向又分为半字节模式和字节模式:半字节模式使用4位状态线作为数据线向PC输入数据;字节模式使用8位数据线向PC机输入数据。双向模式分为增强并行口EPP(Enhanced Parallel Port,主要用于非打印机类外设,如硬盘、CDROM等)和扩容并行口ECP(Extended Capability Port,用于打印机和扫描仪)。
  串行总线
  表2为串行总线性能对比表。RS232C由EIA(Electronic Industry Association)美国电子工业协会在1962年公布,1969年最后修订而成。RS232C是使用最早、应用最广泛的一种异步串行数据传输接口标准。需强调的是RS232C并不是一个总线的标准,因为它定义的是一台计算机系统的数据终端设备(DTE)与另一台数据通信设备(DEC)的互联接口,同一时刻只能连接2台设备,但为其他串行总线提供了可借鉴的传输模式。
  RS449是EIA为弥补RS232C缺点而设计,于1977年推出,并在1980年成为美国标准。RS449不仅提高了通信速率、通信距离,使用平衡信号差传输高速信号降低了噪声,而且可以实现多点通信或使用公用线通信。RS422A和RS423A是RS449的标准子集,都可在传输线上连接多个接收器。RS423A采用差分电路接收器,大大减少了地线干扰。RS422A规定了差分平衡的电气接口,从根本上消除了地线干扰,能在较长距离上明显提高数据通信速率。RS485是将RS422信号线精简后的变形。二者的区别在于:RS422为全双工,采用两对平衡差分信号线;RS485为半双工,只有一对平衡差分信号线,且可用于多站互联。
  I2C(Inter Integrated Circuit)是PHILIPS公司推出的具备总线裁决和高低速设备同步等多主机系统所需功能的高性串行总线,它仅用一条串行数据线(SDA)和一条串行时钟线(SCL)便实现了完善的全双工数据传输,标准通信速率为100kbit/s,快速方式下可达400kbit/s。
  SPI(Serial Peripheral Interface)串行外设接口总线是一种串行外设接口,允许MCU(Micro Controlling Unit,嵌入式单片机控制器)与各种外围设备以串行方式通信。SPI总线只需3~5位数据线和控制线即可在软件控制下实现扩展外设、数据交换等功能。
  Microwire由美国国家半导体(NS)公司推出,该总线为三线同步串行总线,由一根数据输出线(SD),一根数据输入线(SI),一根时钟线(SK)组成。目前NS公司生产的COP系列和HPC系列单片机内都有该总线。
  SMBus是1995年由SBS-IF(智能电池实现者论坛)发布,最初用于智能电池与充电器间的通信,目前也用于与电源相关的设备、传感器等设备中,并在手提电脑中得到广泛应用。SUBus以2根线为介质将众多的设备连接到SMBus的节点上,有多种寻址方式并支持即插即用。
  1-wire单总线是MAXIM和DALLAS公司联合开发的串行总线,其构成非常简单,一般情况下只包括一根电源线、一根地线和一根信号线。由于总线上所有器件都通过一条信号线传输信号,在1-wire器件制作时都编制了惟一的芯片序列号用以区分总线上不同的器件,通信采用码分多址、单线分时的数据交换。1-wire的通信速率为16.3kbit/s,超速模式下可达100kbit/s,通信距离可达200m,允许挂接上百个器件。
  USB(Universal Serial Bus)通用串行总线在1995年被提出,并由Compaq、IBM、Intel、Microsoft、NEC等七个在计算机与通信工业领先公司所组成的联盟定义和推广,同年该联盟建立了实施者论坛USB-IF来加速USB的开发。1996年USB-IF公布了USB1.0,1998年发布USB1.1,1999年发布USB2.0。USB统一了各种接口设备的连接头,支持即插即用(Plug and Play)和热插拔,并能自动检测与配置系统资源。USB1.1可选用全速12Mbit/s和慢速1.5Mbit/s。USB2.0利用传输时序的缩短(微帧)及相关技术将通信速率提高到480Mbit/s。目前,USB1.1主要用于鼠标、键盘等低速设备,USB2.0用于视频会议、CCD、刻录机等高速设备。
  Fire wire是由美国德州仪器公司与苹果公司共同开发的高速低成本串行总线,1995年被IEEE认定为串行数据总线工业标准IEEE1394,后被IEC接受为IEC1883。Fire wire用于连接计算机外设或作为计算机底板总线的备份。它用于连接外设,使用电缆通信时通信速率可达393Mbit/s,通信距离为4.5m,并可跨接16次达到72m。当它作为计算机底板并行总线备份时,在TTL总线底板上通信速率为24.576Mbit/s;在BTL(Backplane Transceiver Logic,总线底板收发器逻辑)总线底板上为49.152Mbit/s。Fire wire(IEEE1394)还支持热插拔和总线供电。目前它仍处于发展之中,不久前发布的IEEE1394b已将通信速率提高到800Mbit/s~32Gbit/s。
  现场总线
  FF(Foundation Field bus)基金会现场总线,1994年由Fisher-Rosemount公司为首的80家公司和Honeywell公司为首的150家欧洲公司合并为现场总线基金会。目前该基金会有120多个成员,包括AB、ABB、Electric、Fuji、Fisher-Rosemount、Honeywell、Smar等自动化设备供应商。
  FF总线包括低速总线和高速总线。低速总线即FF H1,通信速率31.25kbit/s,通信距离1.9km,可采用中继器延长至9.5km,支持总线供电,本质安全防暴;非总线供电时最多可连接32个节点,总线供电时可连接13个节点,本质安全要求下可接6个节点,加中继器可连接240个节点;其灵活的通信方式(令牌传送、申请/立即响应、总线时间调度)及检错措施保证了通信的实时性和可靠性;FF采用的功能模块和设备描述语言DDL(Device Description Language)使它具有出色的互换性和互操作性。高速总线协议原定为H2协议,由于种种原因被FF HSE(High Speed Ethernet)高速以太网代替,其通信速率为10Mbit/s,更高速为100Mbit/s,并计划向1Gbit/s主干网络通信速率发展。
  Profibus(Process fieldbus)原为德国国家标准DIN19245,在1996年被批准为欧洲标准EN50170,1999年成为国际标准化组织IEC/TC65所通过IEC61158标准中的8种现场总线之一。Profibus包括Profibus-DP(Decentralized Periphery,分布式外围设备)、Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification,现场总线报文规范)、Profibus-PA(Process Automation,过程自动化)三个兼容部分。Profibus-DP用于设备级的高速数据传输,专为中央主控制器与分散的现场智能设备通信设计。Profibus-FMS是针对车间级管理任务的通用解决方案。Profibus-PA专为过程自动化设计,采用标准的本质安全传输技术,即可总线供电,也可用于危险防爆区域。
  CAN(Control Area Network)控制局域网络总线由德国Bosch公司推出,最初用于汽车内部测量与执行部件间的数据通信。目前CAN已成为一种具有高度可靠性,支持分布式控制系统的串行通信网络,适用于中小规模工业过程监控和车船电气系统的监控,并在智能电源、电动车辆等领域得到实际应用。目前Honeywell、Intel、Motorola、NEC、PHILIPS、SIEMENS等公司都在支持CAN总线规范。CAN芯片分为两种,一种是包含CAN控制器及微处理器的芯片,如TI公司的TMS320F243内有8路A/D,6路PWM输出,芯片内还有完全符合CAN2.0B协议的控制器,与TI公司的CAN发送器SN75LBC031相连,通信速率可达500kbit/s,因而可用于开关电源的监控系统;另一种是独立的CAN控制器芯片,如PHILIPS公司生产的SJA1000,它是一种独立控制器,用于工业环境CAN总线。在文中该芯片与Inte180C196KC构成了通信逆变电源的中心控制电路及监控网络。
  CAN总线协议可采用多主站、点对点、一点对多点、全局广播几种方式发送和接收数据,以满足不同的实时要求。其信号传输采用短帧结构,每帧有效字节数为8个,因而传输时间短,受干扰概率低,再加上每帧信息均有循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check),所以通信误码率极低,从而保证了数据传输的可靠性和实时性。当系统节点出现错误时,CAN有判别暂时错误和永久故障节点的功能;如果节点出现严重错误时,可自动切断该故障节点与总线的联系,避免影响总线其他节点的正常工作。
  Lon Works(Local Operating Network)局部操作网络于1991年由美国Echelon公司推出,用Lon Talk通信协议,该协议采用了国际标准化组织ISO为实现开放系统互联建立的分层模型ISO/OSI(Open System Interconnection)完整的7层。Lon Works的硬件核心为三个CPU构成的神经元芯片(Neuron Chip),该芯片将Lon Talk通信协议固化其中,使之同时具备通信和控制功能。Lon Works最高通信速率为1.25Mbit/s,通信距离180m;通信速率为78kbit/s时,通信距离可达2700m;节点数可达32000个。目前Lon Works主要用于楼宇自动化及电力系统自动化。
  结束语
  以上仅介绍对比了总线的基本技术性能和特点,在实际选用总线时还需根据所设计电力电子系统的应用环境要求和其本身对实时性、可靠性、安全性、成本及安装维护等方面的要求给予全面考虑,以期满足要求,并达到较高的性价比。

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