軍工現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展趨勢與展望

(1.中北大學 儀器與電子學院,太原 030051； 2.山西省新型工業(yè)總線工程技術(shù)研究中心,太原 030051)

0 前言

目前，電子設(shè)備已經(jīng)成為各行各業(yè)重要的生產(chǎn)、管理工具，也深度融入人們的生活，成為每個人日常生活娛樂不可缺少的設(shè)備。現(xiàn)在國家在引領(lǐng)和提倡很多新的技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域，比如說人工智能、“互聯(lián)物+”、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能制造、云計算等等，這些技術(shù)必將在不久的未來成為國家經(jīng)濟、國防安全最重要的技術(shù)支撐。通常情況下，談到這些技術(shù)的時候，人們想到的首先會是服務器、路由器、智能手機、工業(yè)化機器人等等——把它定位在一個設(shè)備上，而忽略了把這些設(shè)備連接在一起的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。事實上數(shù)據(jù)的傳輸環(huán)節(jié)，在整個電路與系統(tǒng)中起到了一個最底層最基本的作用，它就跟人類生活在自然界中與水和空氣的關(guān)系相似，因為它太常見了，所以反而把它忽略了。本文就是針對電路與系統(tǒng)中的水和空氣，從它發(fā)展的歷史、當前的現(xiàn)狀和未來的發(fā)展方向來綜述這一容易被忽略其重要性的技術(shù)——設(shè)備的總線互聯(lián)技術(shù)。

1 總線的分類和特性

1.1 總線的定義

系統(tǒng)中總線的定義是：計算機/智能儀器/自動測試系統(tǒng)內(nèi)部、或者相互之間傳遞信息的公共通信干線，是計算機/智能儀器/自動測試系統(tǒng)重要的組成部分，其性能在計算機或自動測試系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。總線有兩個特點，(1)部件與部件之間共享通訊線路；(2)所有在線設(shè)備均可以相互“通訊”訪問?？偩€技術(shù)的存在，大大簡化了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的兼容性、開放性、靈活性、可靠性以及可維護性。

1.2 總線的分類

通常從計算機系統(tǒng)角度分類，總線分為內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。此處的計算機是廣義的概念，包含單片機等各類處理器、FPGA、SOC。

1)內(nèi)部總線是各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級的互連；

2)系統(tǒng)總線是各擴展板與系統(tǒng)板之間的總線，用于板一級的互連；

3)外部總線則是計算機和外部設(shè)備之間的總線。計算機作為一種設(shè)備，通過該總線和其它設(shè)備進行信息與數(shù)據(jù)交換，它用于設(shè)備一級的互連。

目前的計算機結(jié)構(gòu)中，CPU與外部芯片、模塊通過總線來完成數(shù)據(jù)交換，管理總線的芯片組習慣上分為北橋和南橋。北橋靠近CPU，被用來處理高速信號，比如RAM(內(nèi)存)、AGP端口、和南橋芯片之間的通信，是典型的內(nèi)部總線。南橋通過北橋與CPU通信，用來連接處理大量速度相對較低的I/O接口和外設(shè)，比如PCI、SATA等，是典型的系統(tǒng)總線。串口、USB、以太網(wǎng)用于外部設(shè)備間的連接，原則上分類為外部總線，但是它們的接口在計算機內(nèi)部通過南橋來工作。

以下是一些常見的按照以上分類整理的總線。

內(nèi)部總線：數(shù)據(jù)、地址、控制總線、AGP、I2C、SPI；

系統(tǒng)總線：(ISA、EISA、VESA)、PCI、PCI-E、CPCI；

外部總線：RS232、RS485、IEEE1394、USB、SATA、SCSI、LVDS、LXI、以太網(wǎng)；

工業(yè)系統(tǒng)總線：IEEE488(GPIB)、VME、PC104、VXI、PXI、CPCI、VPX；

現(xiàn)場總線：HART、CAN、FF、ProfiBus……；

特殊總線：IEEE1451(TEDS，智能傳感器互聯(lián)標準)。

此外隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，芯片集成能力越來越強，很多總線接口被直接集成到處理器中，內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線的概念出現(xiàn)一些模糊，以計算機結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的總線分類不再清晰，比如PCI演變成PCI-Express后，為了提高處理速度，一般都把他集成到了北橋；又比如為了增強性能，現(xiàn)在的單片機上也直接集成了大量外設(shè)接口，比如IIC、CAN、USB；AGP總線因其特殊性，往往在概念上徘徊于內(nèi)部總線和系統(tǒng)總線之間。

1.3 儀器總線與現(xiàn)場總線

在前一節(jié)的分類中，出現(xiàn)了三類特殊的分類：工業(yè)系統(tǒng)總線、現(xiàn)場總線、特殊總線。它們本質(zhì)上仍然屬于系統(tǒng)總線和外部總線，只是這些總線經(jīng)過專門的設(shè)計優(yōu)化和功能增強，成為能夠適應和滿足工業(yè)應用需求的專用總線。工業(yè)系統(tǒng)總線最具代表性的是當前得到大量應用的PXI、CPCI，主要應用領(lǐng)域是工業(yè)測量儀器和數(shù)據(jù)處理；現(xiàn)場總線是一類網(wǎng)絡(luò)化的外部總線，往往具有較高的實時性和可靠性，用于工業(yè)現(xiàn)場控制或分布式測量儀表；而TEDS嚴格地說不是一種總線，但是它完整地定義了一套網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浻布涌跇藴剩餐耆梢园赐獠靠偩€來對待。

目前總線技術(shù)的兩大工業(yè)應用領(lǐng)域分別是工業(yè)控制與儀器儀表。

儀器總線是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，業(yè)界將儀器技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的，這種結(jié)合最早有三種結(jié)合方式，第一種是將處理器內(nèi)置到儀器中，形成具有一定分析處理能力的儀器；第二種是將計算機和儀器用特定的外部總線連接起來，儀器僅作為數(shù)據(jù)采集的硬件，數(shù)據(jù)被上傳到計算機，由計算機存儲和處理；第三種方式是把儀器做成板卡，連接到計算機的系統(tǒng)總線。三者都是利用了計算機強大的計算和處理能力，這種結(jié)合產(chǎn)生的儀器叫智能儀器。而用以在計算機和儀器部件間傳遞數(shù)據(jù)的總線就叫儀器總線，如GPIB、PXI。

近三十多年來，儀器技術(shù)的發(fā)展重點在儀器的模塊化、模塊的通用化、功能的軟件化，這三種技術(shù)的深度結(jié)合就產(chǎn)生了一種柔性的可高度重定義功能的通用儀器，這就是虛擬儀器。虛擬儀器使用的總線也叫儀器總線。

區(qū)別于一般系統(tǒng)總線，儀器總線除了基本的數(shù)據(jù)傳輸——傳送地址、數(shù)據(jù)、控制信號外，還要傳送測量所需要的觸發(fā)信號、時鐘信號、識別信號等。其中最重要的是板卡間的高精度同步信號，同步觸發(fā)是實現(xiàn)多核心協(xié)同處理任務的必要機制。

儀器總線未來的發(fā)展仍然是3種模式：(1)儀器設(shè)計成板卡嵌入到計算機，比如常用的工控機，因為可靠性較低，面臨市場縮減；(2)計算機和儀器都設(shè)計成板卡公用一套總線，比如PXI，目前得到大面積推廣，但價格昂貴；(3)計算機嵌入模塊，模塊嵌入到被測設(shè)備，以網(wǎng)絡(luò)形式進行分布式協(xié)同測試，如LXI。

工業(yè)現(xiàn)場測量領(lǐng)域，大量的儀表廣泛地分布在生產(chǎn)現(xiàn)場各個區(qū)域，這些儀表有些功能較弱，僅作為傳感器來使用；但也有一些具有較為復雜的處理能力。這些儀表產(chǎn)生的信號或數(shù)據(jù)需要匯集到中控系統(tǒng)中再集中處理；此外，還有大量執(zhí)行器分布在生產(chǎn)現(xiàn)場，它們需要來自中控系統(tǒng)的指令從而同步地相互協(xié)作與配合，完成較為復雜的生產(chǎn)。為此，工業(yè)界研制了很多網(wǎng)絡(luò)化外部總線來滿足以上需求，用于儀表數(shù)據(jù)收集的就叫儀表總線，而用于現(xiàn)場控制的叫工業(yè)控制總線，二者合稱現(xiàn)場總線。

根據(jù)國際電工委員會IEC1158定義，現(xiàn)場總線是“安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線”。從現(xiàn)場總線與儀器總線的定義和背景需求可以看出，二者間有著明顯的不同：

1)儀器總線追求大數(shù)據(jù)量傳輸與存儲，追求高速和復雜的分析處理能力；

2)現(xiàn)場總線帶寬有限，能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，但追求高可靠性、實時性；

3)二者出發(fā)點、目的、背景有顯著的不同；

4)儀器總線存在于儀器內(nèi)部，主要采用大規(guī)模并行總線；而現(xiàn)場總線分布式存在于一個較大的空間區(qū)域，主要采用串行通訊。

2 現(xiàn)場總線的重要地位及發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)

總線是多個節(jié)點共享的數(shù)據(jù)傳輸通道，所以總線本質(zhì)上就是網(wǎng)絡(luò)。常用的網(wǎng)絡(luò)拓撲有環(huán)型、總線型、星型、樹型結(jié)構(gòu)。

20世紀七八十年代以來，隨著計算機在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用推廣，業(yè)界出現(xiàn)了由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)(DCS，Distributed Control System)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。

20世紀九十年代開始，逐漸產(chǎn)生了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS，F(xiàn)ieldbus Control System)。它是一種全分布式系統(tǒng)架構(gòu)，采用了基于開放式、標準化的現(xiàn)場總線通信技術(shù)，將控制功能下放到現(xiàn)場智能設(shè)備完成，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運算和數(shù)據(jù)輸出等功能，所有數(shù)據(jù)和指令通過雙向現(xiàn)場總線傳輸,實現(xiàn)信息資源共享[1]。

目前市場上大部分采用過渡性的DCS和FCS相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)形式。

2.2 現(xiàn)場總線的優(yōu)點

使用現(xiàn)場總線的一個實際的好處就是可以全方位診斷設(shè)備問題，節(jié)省維修費用，提供更豐富的管理信息，允許在設(shè)備級水平控制和使用智能設(shè)備[2]。某原油公司曾做了一個統(tǒng)計，在使用現(xiàn)場總線后在以下幾個方面得到了巨大的改善[3]：(1)與傳統(tǒng)的布線方式相比，可以減少98%的電纜；(2)在控制室里，空出大約三分之二的空間，這些空間以前因為傳統(tǒng)的技術(shù)而被控制柜占據(jù)著。(3)現(xiàn)場檢查和質(zhì)量保障時間減少了83%。改進后安裝一個發(fā)射器的時間只需要20多分鐘，而使用非現(xiàn)場總線技術(shù)則會需要2個小時。(4)采用現(xiàn)場總線后，主系統(tǒng)的配置工具提高了效率，當增加油井時，減少了92%的制圖時間。

2.3 現(xiàn)場總線標準的發(fā)展極其在測控領(lǐng)域的重要地位和作用

制定行業(yè)標準對影響市場和產(chǎn)業(yè)布局具有重要意義，國際電工委員會極為重視現(xiàn)場總線標準的制定。

1984年，成立IEC/TC65/SC65C/WG6工作組，由17個國家的代表組成，開始起草IEC61158現(xiàn)場總線國際標準；

1993年，IEC61158-2現(xiàn)場總線物理層規(guī)范；

1998年，IEC61158-3和IEC61158-4鏈路服務定義和協(xié)議規(guī)范(FDIS)；

1997年，IEC61158-5和IEC61158-6應用層服務定義和協(xié)議規(guī)范(FDIS)；

1999年6月15日提交給IEC執(zhí)委會裁決，對IEC61158技術(shù)報告進行了全面的修改，原來的IEC技術(shù)報告作為Type 1，其它總線遵照IEC原技術(shù)報告格式作為Type2～Type8。

最新版本為IEC61158-6-20(2007年發(fā)布)，總共有20種現(xiàn)場總線加入該標準。

目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場總線，例如：德國西門子公司Siemens的ProfiBus；國際標準組織-基金會現(xiàn)場總線(FF，F(xiàn)ieldBus Foundation)；Rosemounr公司的HART；法國的FIP；PeterHans公司的F-Mux；挪威的FINT；Echelon公司的LONWorks；英國的ERAP；henixContact公司的InterBus；丹麥ProcessData公司的P-net； CarloGarazzi公司的Dupline；RoberBosch公司的CAN； ASI(Actratur Sensor Interface)；MODBus；SDS；Arcnet；WorldFIP；BitBus；美國的DeviceNet與ControlNet等等[4]。

這些現(xiàn)場總線中，大部分的市場被少數(shù)幾種總線占有[5]。據(jù)ARC Advisory Group咨詢集團表示，F(xiàn)oundation現(xiàn)場總線是現(xiàn)在的“主流”，在過程工業(yè)中持有68%的市場份額。在過程控制系統(tǒng)中，市場由FOUNDATION現(xiàn)場總線和PROFIBUS PA 主導。一般而言，由PLC(可編程邏輯控制器)控制和監(jiān)控的應用趨向于PROFIBUS，由DCS控制和監(jiān)視的應用更趨向基金會現(xiàn)場總線。此外，HSE是發(fā)展最快的總線。

通常情況下，很少有一個工業(yè)標準會吸引全球這么多的巨型企業(yè)和組織參與制定，很少有一個標準在制定出來后仍然包含這么多種子類型(Type)！而且這些子類型的擴充腳步到目前還看不到停止的跡象。正是因為經(jīng)常容易被人們忽略的現(xiàn)場總線實際上有著釜底抽薪的作用，往往反過來會影響和決定設(shè)備的選用，所以小小的現(xiàn)場總線其實隱藏著遠大于工業(yè)設(shè)備本身的影響力和決策力。這也成為國際上巨型企業(yè)不惜任何代價紛爭的誘因。下面是我們經(jīng)常見到的一些競爭方式。

1)拉幫結(jié)派：大多數(shù)的現(xiàn)場總線都有一個或幾個大型跨國公司為背景并成立相應的國際組織，力圖擴大自己的影響并得到更多的市場份額[6]。比如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，并成立了PROFIBUS國際用戶組織；而WorldFIP以Alstom公司為主要后臺，成立了WorldFIP國際用戶組織；

2)農(nóng)村包圍城市：很多新生的總線為了得到IEC的承認，往往先在多個國家和地區(qū)推廣擴大影響力，得到地方支持，形成事實標準，倒逼國際標準；

3)倒逼廠商：配合設(shè)備制造商的市場推廣，影響或脅迫制造商，使之為了擴大自己產(chǎn)品的適用范圍，同時參與支持多個總線組織，提高設(shè)備產(chǎn)品兼容性；

4)以退為進：由于競爭激烈，很多重要總線企業(yè)都同時開發(fā)各類接口適配技術(shù)，使自己的總線能和其它總線方便橋接兼容，實現(xiàn)一個系統(tǒng)中多種總線彼此協(xié)調(diào)共存。

CC-Link的發(fā)展很好地印證了這一現(xiàn)象。CC-Link是Control & Communication Link(控制與通信鏈路系統(tǒng))的縮寫，在1996年11月，由三菱電機為主導的多家公司推出，其增長勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額，目前在歐洲和北美發(fā)展迅速[7]。2005年7月CC-Link被中國國家標準委員會批準為中國國家標準指導性技術(shù)文件。類似的大量區(qū)域性的支持使得2007年該技術(shù)成為 IEC 61158 和 IEC 61784 標準的一部分。反過來，挾國際標準之力，2017年4月，CC-Link IE 正式成為了中國工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)推薦性國家標準。

總結(jié)以上內(nèi)容不難看到，現(xiàn)場總線是下一代智能制造、物聯(lián)網(wǎng)的基石，在全球工業(yè)化發(fā)展浪潮中必將占有越來越重要的地位，預計到2022年，全世界工業(yè)通訊市場將達到130.33億美元[8]。相較設(shè)備標準之爭，總線有釜底抽薪的作用。它在減少系統(tǒng)線纜，簡化系統(tǒng)安裝、維護和管理，降低系統(tǒng)的投資和運行成本，增強系統(tǒng)性能等方面有著重要作用。高速現(xiàn)場總線的設(shè)計、開發(fā)勢成競爭焦點[9-10]。

3 國內(nèi)測控領(lǐng)域總線研發(fā)與應用現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)儀器總線應用情況

到目前為止，國內(nèi)市場上沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的儀器總線。應用上主要是跟隨國際趨勢，針對一些已經(jīng)得到普及的技術(shù)進行大規(guī)模的應用開發(fā)。當前出貨量最大的總線產(chǎn)品是基于PXI、CPCI總線標準的模塊，因為這些模塊的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)目前已經(jīng)在國內(nèi)得到普及，大量公司可以自行研發(fā)各類不同用途的新型模塊，也能利用各類模塊集成各類用途的大型測試系統(tǒng)。在軍用儀器總線方面，軍工領(lǐng)域與工業(yè)領(lǐng)域沒有顯著區(qū)別。

關(guān)于儀器總線下一步的走向，隨著網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢，分布式測量將成為方向，目前世界范圍內(nèi)一致看好的是2005年安捷倫等公司聯(lián)合推出的LXI總線，該總線的底層是基于以太網(wǎng)的，應用上具有較大的優(yōu)勢。另外，隨著測量數(shù)據(jù)的急劇膨脹，業(yè)界對高速數(shù)據(jù)傳輸和存儲的技術(shù)需求也迅速增大，VITA組織于2007年在其VME總線的基礎(chǔ)上推出了新一代高速串行總線標準VPX，基于RapidIO、PCI-Express和萬兆以太網(wǎng)等高速串行協(xié)議，目前可以支持8GByte/s的背板帶寬。

3.2 國內(nèi)現(xiàn)場總線的應用情況

2016年受到投資放緩和國際需求下滑的影響，整個自動化市場遭遇寒冬，工業(yè)現(xiàn)場總線市場出現(xiàn)了負增長的情況。由于傳統(tǒng)行業(yè)低迷，未來幾年工業(yè)現(xiàn)場總線市場也將是處于一個平穩(wěn)低增長率的階段[11]。

與歐美發(fā)達國家相比，中國的工業(yè)通訊技術(shù)一直處于引進和應用的狀態(tài)，至今沒有一種被全球廣泛認可并廣泛采用的自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線標準。后文介紹到的EPA(Ethernet for Plant Automation)是浙江中控聯(lián)合近十家單位研發(fā)的基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線標準，被列入現(xiàn)場總線國際標準IEC 61158(第四版)中的第十四類型，但是與其它種類的工業(yè)以太網(wǎng)標準一樣，受以太網(wǎng)本身架構(gòu)的局限，在某些技術(shù)參數(shù)上的不足一直得不到徹底的解決[12]。雖然中國在現(xiàn)場總線協(xié)議開發(fā)方面進展緩慢，但是在應用方面發(fā)展非常迅速。最早的現(xiàn)場總線運用主要來自引進的先進生產(chǎn)線，主要在汽車、冶金、電子制造、煙草等行業(yè)。曾有作者自豪地撰文指出，“相對其它自動化產(chǎn)品，中國在現(xiàn)場總線運用方面起點較高，國際上最主要的現(xiàn)場總線技術(shù)都可以在中國找到使用的案例目前世界上最大的兩個流程行業(yè)現(xiàn)場總線項目都在中國[13]” ?！耙驗榭春弥袊鴿摿薮蟮默F(xiàn)場總線市場，各個主要的現(xiàn)場總線組織都在中國建立了分支機構(gòu)?？梢哉J為，在現(xiàn)場總線運用方面中國保持了與國際同步的水平[14]?！边@種建立在別人技術(shù)上的“浮華”實在令人扼腕。

與民用領(lǐng)域高速成長的應用市場相比，軍工行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)場總線的應用情況落差極大。下面簡單介紹一下部分行業(yè)的總線應用情況。

航空領(lǐng)域，國內(nèi)航電系統(tǒng)最常用的單向總線設(shè)計的依據(jù)是“ARINC429規(guī)范MARK33數(shù)字式信息傳輸系統(tǒng)”。蘇-33采用的還是老式ARINC429單向低速數(shù)據(jù)總線的分立式航電系統(tǒng)，只能交聯(lián)火控系統(tǒng)和導航系統(tǒng)。90年代初，中國開始大量采用基于MIL-STD-1553B雙向數(shù)據(jù)總線的聯(lián)合式航電系統(tǒng)；在某型戰(zhàn)斗機上還采用了加入光纖高速數(shù)據(jù)總線的綜合式航電系統(tǒng)，可以實現(xiàn)火控、導航、飛控三種不同功能電子系統(tǒng)的交聯(lián)；據(jù)報道國內(nèi)最新研發(fā)的C919的航電系統(tǒng)使用了目前最先進的ARINC664(Avionics Full-Duplex Switched Ethernet，AFDX)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)。ARINC664網(wǎng)絡(luò)是一種航空總線通信協(xié)議。相比于之前被廣泛應用但帶寬有限的老版本網(wǎng)絡(luò)，ARINC664最大的好處就是帶寬高且資源共享。國際上只有B787、A380等較新機型采用這種技術(shù)。目前國外新型的商業(yè)和軍用航空航天項目中的電子系統(tǒng)逐漸推廣的總線還有SpaceWire和Time-triggered Ethernet(TTE)。新一代總線技術(shù)相比于傳統(tǒng)的總線可以提供更高帶寬、更高可靠性和低延遲性。

航天領(lǐng)域，總線化程度非常低。為了最大化降低技術(shù)狀態(tài)改變帶來的潛在風險，航天型號更注重成熟技術(shù)的沿用，所以一些新技術(shù)的應用相對滯后。當前相當多的型號并沒有采用總線，仍然采用原始的點對點傳遞模式；部分產(chǎn)品的控制系統(tǒng)或測量系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線，使用最多的是1553B總線和CAN總線；天舟一號的數(shù)管分系統(tǒng)采用了1553B總線[15]；又比如實踐5號衛(wèi)星也采用了1553B總線[16]。

船舶領(lǐng)域，中國幾乎所有船舶設(shè)計制造企業(yè)，采用的船舶自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本上是CANBUS, PROFIBUS兩者為主，此外在電站自動化信號處理方面大多數(shù)采用MODBUS通訊協(xié)議進行通訊，沒有形成一個統(tǒng)一的標準。比如上海船舶運輸研究所開發(fā)的STI2VC2船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)就自行采用了LonWorks總線。也有文獻認為，DeviceNet現(xiàn)場總線是基于CAN的一種低成本的通信鏈接，具有全數(shù)字化通信、抗干擾能力強、測量及控制精度高等優(yōu)點，能夠適應船舶機艙復雜的現(xiàn)場環(huán)境，將它應用于機艙監(jiān)控系統(tǒng)是船舶機艙自動化發(fā)展的主流方向[17]。

鐵路交通，目前國內(nèi)還沒有形成成熟的高速列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，采用的控制網(wǎng)絡(luò)也沒有一致性，一般都采用485總線、CAN總線、以及MVB作為車輛總線等，列車總線采用WTB總線、FSK協(xié)議。引進的高速動車組CRH1、CRH3、CRH5采用的核心網(wǎng)絡(luò)都是TCN網(wǎng)絡(luò)，CRH2采用是ARCNET網(wǎng)絡(luò)[18,19]。

3.3 國內(nèi)現(xiàn)場總線的研發(fā)情況

1)國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線研發(fā)只有幾種，見諸報道的有EPA、NCUC-BUS、GSK-link、SharkBus。

EPA是浙江大學、浙江中控等單位研發(fā)的一套基于高速以太網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范，主要用于工業(yè)生產(chǎn)自動化領(lǐng)域。主要包含一套協(xié)議標準，但是由于以太網(wǎng)先天的協(xié)議限制，在確定性、實時性、同步性方面存在一些瓶頸[20-21]。

NCUC-BUS是由數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)聯(lián)盟(NC Union of China Field Bus )于2010年左右推出的面向數(shù)控系統(tǒng)應用的現(xiàn)場總線規(guī)范，主要用于數(shù)控加工設(shè)備領(lǐng)域，已在部分行業(yè)產(chǎn)品中得到了一定的推廣和應用。GSK-Link是廣州數(shù)控自主開發(fā)的現(xiàn)場總線，主要應用領(lǐng)域也是面向數(shù)控加工[22-24]。

SharkBus(沙克總線)是由山西省新型工業(yè)總線工程技術(shù)研究中心(中北大學)研發(fā)的新一代網(wǎng)絡(luò)總線，全稱有限級聯(lián)自動重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)總線，提供網(wǎng)絡(luò)路由器及終端接口模塊，主要面向高精度軍用測控領(lǐng)域，可用于彈箭、車輛、船舶等場合的離散控制、過程控制、運動控制以及復雜測量。

2)國內(nèi)基于芯片級的研發(fā)主要處在仿制階段，目前沒有自主創(chuàng)新的產(chǎn)品。見諸報道的有沈陽中科博微開發(fā)出的國內(nèi)第一個、國際第三個通過國際認證的FF H1現(xiàn)場總線協(xié)議棧，國內(nèi)第一套工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(HSE)；另有成都恩菲特、東方泰佳等部分企業(yè)自行研發(fā)了針對MIL-STD-1553B協(xié)議IP核，及其仿真測試板卡。

3)國內(nèi)基于設(shè)備級的現(xiàn)場總線產(chǎn)品研發(fā)已經(jīng)基本沒有什么較大的技術(shù)障礙，但是由于國內(nèi)沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線接口芯片，核心總線接口芯片全部采用國外的技術(shù)標準，且產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，企業(yè)各自為戰(zhàn)，沒有形成較大的市場影響力。

4 軍用現(xiàn)場總線的應用需求

4.1 軍用現(xiàn)場總線的應用特點

一般的工業(yè)生產(chǎn)自動化現(xiàn)場都分布在一個較大的區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有的地方密集，有的地方離散，但是一旦布設(shè)好，整個網(wǎng)絡(luò)是靜態(tài)的，較長時期內(nèi)不會改變。這種物理拓撲需求直接影響選用總線的參數(shù)。與之相比，軍用現(xiàn)場總線更多地應用在一個相對獨立和密閉的空間內(nèi)，比如航天器、坦克車輛、飛機等場合。這些場合一個顯著的應用需求就是能夠在高動態(tài)、高沖擊、強烈變化的環(huán)境溫度、噪聲條件下保證可靠性。在一些多節(jié)點協(xié)同完成任務的場合，尤其是采用無線網(wǎng)絡(luò)的情況下，整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲都可能是動態(tài)變化的。隨著軍事信息化發(fā)展趨勢，將本來為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計的通信總線與高動態(tài)軍用場合相結(jié)合，二者應用背景的巨大差距就對現(xiàn)有總線提出了許多新的技術(shù)要求，所以未來軍用領(lǐng)域?qū)ΜF(xiàn)場總線的需求具有其特殊性，對這些新興技術(shù)需求的研究會產(chǎn)生許多革命性的成果。

4.2 不同裝備場合的應用需求

通過各類技術(shù)發(fā)展的狀況可以分析出，未來軍用領(lǐng)域在以下裝備場合會對總線和網(wǎng)絡(luò)提出挑戰(zhàn)：

4.2.1 戰(zhàn)場快速機動組網(wǎng)

這是戰(zhàn)場信息化發(fā)展的首要需求。未來戰(zhàn)場是海陸空天一體化作戰(zhàn)，參與戰(zhàn)斗的主角大都是機動單元。戰(zhàn)場信息，瞬息萬變。隨著戰(zhàn)場態(tài)勢的動態(tài)演變，各節(jié)點間快速組網(wǎng)，快速脫離，整個網(wǎng)絡(luò)必須是快速變化的。

4.2.2 多節(jié)點協(xié)同攻擊

這是未來戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)化以后必然的需求。多個節(jié)點可能是特種兵、車輛、機群，甚至是導彈。最大的特點就是極速互聯(lián)，協(xié)同工作。網(wǎng)絡(luò)拓撲不斷變化，在節(jié)點進入可組網(wǎng)范圍時快速組網(wǎng)并完成信息的可靠交互，交互結(jié)束，短時間內(nèi)可能就會再次脫離網(wǎng)絡(luò)。

4.2.3 航天器

航天器單體內(nèi)部可以看成是一個密集型監(jiān)控布點的工業(yè)現(xiàn)場，比如某大型火箭的全箭測量系統(tǒng)設(shè)備總數(shù)近千臺。采用箭載總線可以有效降低電纜重量，改變設(shè)備連接的拓撲結(jié)構(gòu)，改善測試性，適應測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)量極速膨脹、實時性可靠性要求極高的需求。航天彈、箭、星的總線化、集成化是必然趨勢。

4.2.4 航空器

與航天器相比，航空器是總線使用最為成熟的領(lǐng)域。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，航空總線發(fā)展較快。民用方面，機上娛樂音視頻需求強勁，軍用機或現(xiàn)在快速發(fā)展的無人機方面，測控數(shù)據(jù)量增加迅猛，都對現(xiàn)場總線帶寬、可靠性提出了更高要求，亟待擴展提高總線性能。

4.2.5 軍用車輛、艦船

民用領(lǐng)域車輛的總線應用已經(jīng)普及，但軍用領(lǐng)域未來的需求遠超民用。主要體現(xiàn)在隨著信息化的發(fā)展，多媒體信息、本體狀態(tài)監(jiān)控、集群化協(xié)同作戰(zhàn)對總線的需求更加迫切。利用總線能夠大幅度降低車輛、船舶故障率，提高維修性和故障檢測能力。

4.2.6 智能化單兵系統(tǒng)

未來智能化單兵系統(tǒng)要求戰(zhàn)士單體即裝備近百種傳感、測控裝置和模塊，單體之間具備網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)能力，使用總線無疑能夠有效減輕戰(zhàn)士負重，降低單兵系統(tǒng)復雜性，提高可靠性和可維修性。

4.2.7 軍工車間生產(chǎn)線

生產(chǎn)制造業(yè)是現(xiàn)場總線的發(fā)源地，據(jù)McKinsey(麥肯錫公司)的最新報告[25]，未來各行各業(yè)都會受到智能制造的沖擊：59%的制造業(yè)活動都可以被全自動化；90%的電焊切割工作能夠被機器人替代；73%的食品業(yè)/膳宿業(yè)工作能夠全自動化，大量使用機器人；53%的零售業(yè)工作適合自動化；86%的會計、審計員可能被機器人替代。軍事工業(yè)生產(chǎn)制造同樣是工業(yè)總線的重要應用領(lǐng)域。而顯而易見，現(xiàn)場總線是支撐以上自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

4.3 測控總線與現(xiàn)場總線的融合趨勢

當前，技術(shù)發(fā)展和用戶需求的演變有以下3個趨勢：

1)隨著聲音、視頻、圖像等高碼率測量的需求，用戶希望把現(xiàn)場越來越多的信息上傳到控制中心；

2)隨著通信技術(shù)的發(fā)展，有線無線信道的傳輸速度、帶寬、距離、可靠性得到大幅度提高；

3)隨著大規(guī)模集成電路、片上系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、智能前端的發(fā)展計算機通信技術(shù)越來越向下延伸。

在以上發(fā)展趨勢影響下，儀器總線也越來越多地提供了實時和同步性能，向分布式發(fā)展，并大量應用在一些測控共存的場合。而現(xiàn)場總線也在逐漸提高帶寬，兼顧部分較大的測量數(shù)據(jù)的傳輸。測控總線與現(xiàn)場總線相向發(fā)展，呈現(xiàn)出融合的趨勢。

5 新一代軍用現(xiàn)場總線發(fā)展方向

5.1 自主研發(fā)的重要性

前沿技術(shù)的推廣具有以下規(guī)律：在技術(shù)欠發(fā)達的地區(qū)，越是開放的技術(shù)，越難以突破——不是技術(shù)問題，而是意識和能力問題，這也是很多國家在某些領(lǐng)域?qū)嵤┘夹g(shù)保護的原因。在世界范圍內(nèi)，一項創(chuàng)新性技術(shù)標準的市場發(fā)展要經(jīng)過培育期、寡益期、泛益期、茍延期。在高科技領(lǐng)域，國外就是通過不斷更新標準來保證其技術(shù)領(lǐng)先我們數(shù)十年。這四種時期的闡述如下。

培育期：少數(shù)企業(yè)和聯(lián)盟依據(jù)當時技術(shù)水平制定規(guī)則，并宣傳推廣；

寡益期：具有一定市場影響后，少數(shù)企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品，賺取高額利潤；

泛益期：大眾企業(yè)跟蹤該技術(shù)并獲得突破，分享微薄利潤；

茍延期：底層技術(shù)過時，等待新的技術(shù)標準產(chǎn)生。

在近三十年測控總線和現(xiàn)場總線的發(fā)展及市場化運作上看，國內(nèi)沒有原創(chuàng)性標準，大量的人力財力物力都用于跟蹤國外技術(shù)，因為對新技術(shù)需求強勁，在寡益期大量購入別人的產(chǎn)品，等到自身掌握了該技術(shù)，已經(jīng)到了泛益期，當國內(nèi)開始大量生產(chǎn)該類產(chǎn)品時，國外已經(jīng)又培育出了下一代技術(shù)。因為底層技術(shù)在不停地進步！這一現(xiàn)象告訴我們，原創(chuàng)性的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)一定要在舊的技術(shù)即將進入泛益期前就開始下功夫研發(fā)，這樣才能從時間上不落后于別人。現(xiàn)場總線目前就正好處于一個新舊交替的時期。

總線在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的地位越來越重要，表現(xiàn)為以下幾點：(1)總線可以決定系統(tǒng)性能；(2)總線可以影響用戶選擇設(shè)備；(3)總線可以大幅度優(yōu)化系統(tǒng)整體性能；(4)基于總線可提供全系統(tǒng)設(shè)備的集中測試；(5)應用上用戶對總線的掌握程度可能會影響整個系統(tǒng)的性能。

一種新型工業(yè)總線的誕生，會從多個方面影響和帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這些方面包括制定標準、接口芯片研發(fā)、相關(guān)應用系統(tǒng)研發(fā)、相關(guān)軟件開發(fā)等，推廣較好的產(chǎn)品會對該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)布局帶來深刻影響。所以，抓住時機，自主研發(fā)現(xiàn)場總線是非常重要的。

5.2 研發(fā)下一代總線必須考慮的附加因素

影響一種工業(yè)總線市場推廣的主要因素是什么呢？Fieldbus Foundation官網(wǎng)04年以來以每年2期的速度推出一款名為《Fieldbus Report》的刊物，2015年以來改成了《Control》的補充刊物。該刊物不定期地給出一些相關(guān)現(xiàn)場總線的發(fā)展和市場情況。在2016年秋季的期刊中，給出了北美156家企業(yè)單位對現(xiàn)場總線的應用情況的問卷調(diào)查。其中問到“設(shè)備集成面臨的最大挑戰(zhàn)是什么”時，被調(diào)查單位的答復非常值得思考。

從表1中可以看出，除因素3、4、7是現(xiàn)有設(shè)備和客戶資金限制因素外，其余因素1、2、5、6、8都指向一個共同的原因——用戶使用的準入門檻太高！在新一代現(xiàn)場總線研發(fā)方案的設(shè)計上，要特別對本因素加以關(guān)注。

表1 影響用戶選用現(xiàn)場總線的因素調(diào)查[26]

鑒于目前國內(nèi)沒有具有競爭力的產(chǎn)品出現(xiàn)，在跟蹤使用國外產(chǎn)品的同時，根據(jù)底層技術(shù)和未來應用需求的發(fā)展，研發(fā)新一代現(xiàn)場總線必須考慮以下因素：(1)面向未來數(shù)十年，為未來儲備指標；(2)兼容多種物理介質(zhì)，核心性能指標不能受外圍因素變化影響；(3)弱化底層技術(shù)的時效性，延長產(chǎn)品生命期；(4)尊重用戶體驗，降低用戶門檻。

5.3 下一代現(xiàn)場總線軍事應用指標和功能預期

以上是現(xiàn)有現(xiàn)場總線的一些基本指標的對比。主要可以參考總線帶寬和節(jié)點容量。傳輸距離在過去也是非常重要的指標，但是隨著光纜技術(shù)的進步，價格低廉的光纜在遠程數(shù)據(jù)傳輸時逐漸凸顯出其傳輸優(yōu)勢，已經(jīng)基本完全取代了電纜。

綜合以上對各種應用場合的未來發(fā)展需求，結(jié)合當前底層支撐技術(shù)發(fā)展水平，可以大致描繪出未來十到二十年軍用總線的指標和功能需求。

下一代軍用總線功能預期：(1)自動重構(gòu)；(2)快速組網(wǎng)；(3)用戶接口簡單；(4)自我保障健壯性；(5)協(xié)議效率優(yōu)化；(6)協(xié)議兼容性強；(7)對傳輸介質(zhì)不敏感；(8)接口自適應能力，易與現(xiàn)有系統(tǒng)拼接；(9)局部負載自動均衡能力；(10)不確定性低；(11)互操作性高；(12)分散性高；(13)易測；(14)異構(gòu)網(wǎng)橋接能力；(15)滿足多種應用背景。

下一代總線必須考慮的可靠性措施和性能：(1)校驗方式；(2)包冗余或通道冗余；(3)測控數(shù)據(jù)分離或混合傳輸能力；(4)調(diào)度優(yōu)先級；(5)安全性；(6)抗毀性；(7)可恢復性；(8)可維護性；(9)是否需要主控節(jié)點；(10)握手與重發(fā)機制；(11)信息編碼方式；(12)誤碼處理機制；(13)非法指令檢測與處理機制；(14)數(shù)據(jù)緩沖與延時。

表2 當前常用現(xiàn)場總線主要性能指標[27]

注：* 當前在航天彈箭上大量使用的數(shù)據(jù)傳輸方式；** 航空領(lǐng)域正在使用或正在推廣的總線；*** 工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應用的總線。

表3 下一代軍用總線基本指標范圍預期

目前，國內(nèi)研制的沙克總線是針對車載、彈載、機載高動態(tài)應用現(xiàn)場需求，采用LVDS底層技術(shù)，具備強實時動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)能力，具有自動路由、自適應雙通道冗余、強制命令優(yōu)先、接口碼率自適應、自動負載均衡、高精度時間同步等特點。網(wǎng)絡(luò)對用戶透明，能夠針對應用現(xiàn)場快速構(gòu)架通訊鏈路，為實現(xiàn)多兵種、多單位快速協(xié)同作戰(zhàn)提供通用技術(shù)支撐。

6 結(jié)尾語

本文重點針對軍用領(lǐng)域現(xiàn)場總線應用需求背景，結(jié)合儀器總線對國內(nèi)外現(xiàn)場總線的研發(fā)與應用現(xiàn)狀進行了較為全面的綜述。通過用戶需求和支撐技術(shù)的發(fā)展研究，提出了兩種總線相向發(fā)展的趨勢。并對軍用領(lǐng)域現(xiàn)場總線的應用特點、應用需求、下一代現(xiàn)場總線的指標和功能需求進行了分析。

現(xiàn)場總線是下一代智能制造、物聯(lián)網(wǎng)的基石，在全球工業(yè)化發(fā)展浪潮中必將占有越來越重要的地位。軍用領(lǐng)域現(xiàn)場總線的發(fā)展非常緩慢，國外已經(jīng)得到應用的也為數(shù)不多。主要原因是一種新型總線從培育到成熟需要大量的研究與應用驗證。但是隨著軍隊信息化的發(fā)展，對總線的使用成為必然的趨勢。受到底層技術(shù)過時的影響，現(xiàn)有總線大都難以適應未來軍用需求，世界范圍內(nèi)正在醞釀研發(fā)下一代高速、可靠、具有廣泛適應性或特定應用特性的新型總線。在這種背景下，踏踏實實自主研發(fā)屬于自己的新型總線無疑是具有重大戰(zhàn)略眼光和戰(zhàn)略布局的行動，可以為未來軍用總線和工業(yè)控制總線的大面積普及應用奠定重要基石。