总线及应用概念

1一、总线总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。1.总线按功能和规范可分为五大类型:数据总线（DataBus）：在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。地址总线（AddressBus）：用来指定在RAM（RandomAccessMemory）之中储存的数据的地址。控制总线（ControlBus）：将微处理器控制单元（ControlUnit）的信号，传送到周边设备，一般常见的为USBBus和1394Bus。扩展总线（ExpansionBus）：可连接扩展槽和电脑。局部总线（LocalBus）：取代更高速数据传输的扩展总线。其中的数据总线DB（DataBus）、地址总线AB（AddressBus）和控制总线CB（ControlBus），也统称为系统总线，即通常意义上所说的总线。2.总线特性由于总线是连接各个部件的一组信号线。通过信号线上的信号表示信息，通过约定不同信号的先后次序即可约定操作如何实现。总线的特性如下（1）物理特性：物理特性又称为机械特性，指总线上部件在物理连接时表现出的一些特性，如插头与插座的几何尺寸、形状、引脚个数及排列顺序等。（2）功能特性：功能特性是指每一根信号线的功能，如地址总线用来表示地址码。数据总线用来表示传输的数据，控制总线表示总线上操作的命令、状态等。（3）电气特性：电气特性是指每一根信号线上的信号方向及表示信号有效的电平范围，通常，由主设备（如CPU）发出的信号称为输出信号（OUT），送入主设备的信号称为输入信号（IN）。通常数据信号和地址信号定义高电平为逻辑1、低电平为逻辑0，控制信号则没有俗成的约定，如WE表示低电平有效、Ready表示高电平有效。不同总线高电平、低电平的电平范围也无统一的规定，通常与TTL是相符的。（4）时间特性：时间特性又称为逻辑特性，指在总线操作过程中每一根信号线上信号什么时候有效，通过这种信号有效的时序关系约定，确保了总线操作的正确进行。为了提高计算机的可拓展性，以及部件及设备的通用性，除了片内总线外，各个部件或设备都采用标准化的形式连接到总线上，并按标准化的方式实现总线上的信息传输。而总线的这些标准化的连接形式及操作方式，统称为总线标准。如ISA、PCI、USB总线标准等，相应的，采用这些标准的总线为ISA总线、PCI总线、USB总线等。3.技术指标1)总线的带宽（总线数据传输速率）总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量，即每钞钟传送MB的最大稳态数据传输率。与总线密切相关的两个因素是总线的位宽和总线的工作频率，它们之间的关系：总线的带宽=总线的工作频率*总线的位宽/8或者总线的带宽=（总线的位宽/8）/总线周期22)总线的位宽总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数，或数据总线的位数，即32位、64位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽，每秒钟数据传输率越大，总线的带宽越宽。3)总线的工作频率总线的工作时钟频率以MHZ为单位，工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽。二、现场总线现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线的产生对工业的发展起着非常重要的作用，对国民经济的增长有着非常重要的影响。现场总线主要应用于石油、化工、电力、医药、冶金、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域。1、特征(1)全数字化通信(2)开放型的互联网络(3)互可操作性与互用性(4)现场设备的智能化(5)系统结构的高度分散性(6)对现场环境的适应性2、总线特点现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。3、总线优点现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。4、总线缺点网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析与综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。5、控制组成现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。1)现场总线控制系统：它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。32)现场总线的测量系统：其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。3)设备管理系统：可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。例如Fisher—Rosemoune公司，推出AMS管理系统，它安装在主计算机内，由它完成管理功能，可以构成一个现场设备的综合管理系统信息库，在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构，在现场服务器上支撑模块化，功能丰富的应用软件为用户提供一个图形化界面。4)总线系统计算机服务模式：以客户机/服务器模式是较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示数据源（提供者），应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并进一步进行处理。客房机运行在PC机或工作站上。服务器运行在小型机或大型机上，它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。5)数据库：它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分共享、交叉访问，具有高度独立性。工业设备在运行过程中参数连续变化，数据量大，操作与控制的实时性要求很高。因此就形成了一个可以互访操作的分布关系及实时性的数据库系统，市面上成熟的供选用的如关系数据库中的Oracle，sybas，Informix，SQLServer；实时数据库中的Infoplus，PI，ONSPEC等。6)网络系统的硬件与软件：网络系统硬件有：系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器，用户计算机等及底层智能化仪表。网络系统软件有网络操作软件如：NetWarc，LANMangger，Vines，服务器操作软件如Lenix，os/2，WindowNT。应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等。6、总线现状由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。三、测控系统(一)测控系统的概述1.1测控系统的概念测控系统是现代检测技术与现代控制技术发展的必然和现实的需要，是以检测为基础，以传输途径，以处理为手段，以控制为目的的闭环系统。1.2测控系统的基本构成由四个部分构成：传感检测部分：感知信息（传感技术、检测技术）信息处理部分：处理信息（人工智能、模式识别）信息传输部分：传输信息（有线、无线通信及网络技术）信息控制部分：控制信息（现代控制技术）1.3测控系统的基本特点设备软件化：简化硬件、缩小体积、降低功耗、提高可靠性。过程智能化：以计算技术和人工智能为核心。高度灵活性：实现组态化、标准化、分布式。高度实时性：采集、传输、处理、控制高速化。高度可视性：图形编程、三维技术、虚拟现实。4测控一体化：测量、控制、管理。(二)测控系统的分类和组成1.检测系统又称数据采集系统。以通用计算或嵌入式计算系统为核心，单纯实现系统信号的检测、处理、记录和显示为目的的系统。2.控制系统以通用计算机或嵌入式计算系统为核心，单纯以实现控制为目的的系统。3.测控系统以通用计算机或嵌入式计算机系统为核心，以实现检测、传输、处理和控制为目的的系统4.局域分布式测控系统以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在局部区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统5.广域分布式测控系统以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在大范区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统(三)测控技术的发展方向微型化：向微机电系统方向发展网络化：向无线网、自组织网、物联网、泛在网方向发展智能化：向人工智能化方向发展虚拟化：向虚拟现实方向发展(四)测控系统的网络化（1）有线测控网络工业总线、局域网络、广域网（2）无线测控网络ADhoc自组织网络、传感网（3）混合测控网络物联网、泛在网