數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)綜述及發(fā)展趨勢(shì)展望

王林?韓凱?羅興科?張霖

摘 要：近年來(lái)，總線技術(shù)因?yàn)榫哂懈邘?、低延遲、高可靠性、控制靈活等特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一。本文簡(jiǎn)要介紹了總線技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并對(duì)新一代總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和在數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò);總線協(xié)議;下一代總線技術(shù)

隨著數(shù)據(jù)鏈技術(shù)、數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)及高速采集技術(shù)在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用，下一代通信系統(tǒng)對(duì)高速大容量數(shù)據(jù)通信和信息過程控制有了更高的需求。目前，總線技術(shù)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備高速互連起著至關(guān)重要的作用，下一代總線技術(shù)具有的開放式結(jié)構(gòu)、模塊化與高綜合化是數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。

1 總線技術(shù)在數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用總線技術(shù)的目的是實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間、模塊之間的資源共享、降低介質(zhì)的質(zhì)量和復(fù)雜性，支持系統(tǒng)過程控制和狀態(tài)管理，強(qiáng)調(diào)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。目前數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用的總線技術(shù)主要包括CAN總線、1553B總線等。

1）CAN總線。CAN總線是國(guó)內(nèi)外各領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的總線之一。CAN總線是一種多主總線，通信速率可達(dá)1Mbps，距離可達(dá)10km。CAN具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）CAN可以以多主方式工作。（2）CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)（信息）可分成不同的優(yōu)先級(jí)。 （3）CAN采用非破壞性基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)。

其工作原理框圖如圖1所示。

CAN總線經(jīng)證實(shí)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、互操作性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

2）1553B總線。1553B總線的全稱為時(shí)分制指令/響應(yīng)多路傳輸數(shù)據(jù)總線，具有雙向輸出特性，實(shí)時(shí)性和可靠性高，應(yīng)用廣泛。1553B數(shù)據(jù)總線上連接有三種不同的終端類型：總線控制器（BC）、遠(yuǎn)程終端（RT）和總線監(jiān)控器（BM）。BC是總線上執(zhí)行建立和啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的唯一終端;RT是用戶子系統(tǒng)到數(shù)據(jù)總線上的接口，它在BC的控制下提取數(shù)據(jù)或吸收數(shù)據(jù);BM負(fù)責(zé)監(jiān)控總線上的信息傳輸，完成對(duì)總線上數(shù)據(jù)的記錄和分析。1553B總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其傳輸速率可達(dá)1Mbps。

2 下一代總線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展望

總線技術(shù)正進(jìn)入一個(gè)技術(shù)變革和高速發(fā)展期，開放式結(jié)構(gòu)、模塊化與高綜合化是下一代總線技術(shù)的重要特征。一方面，高速數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和各種新型終端的不斷涌現(xiàn)，對(duì)總線互連技術(shù)提出了更高的要求;另一方面，總線技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是下一代總線的成熟和廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)向更先進(jìn)的技術(shù)方向發(fā)展。下面介紹幾種下一代總線技術(shù)和未來(lái)在數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1）FlexRay總線。FlexRay總線是CAN總線的下一代總線，包括一個(gè)控制器部件和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器部件?？刂破鞑考ㄒ粋€(gè)主機(jī)處理器（CPU）和一個(gè)通信控制器（CC），驅(qū)動(dòng)器部件包括一個(gè)總線驅(qū)動(dòng)器（BD）和一個(gè)總線監(jiān)控器（BG）[2]。其具有以下幾個(gè)特點(diǎn);（1）高速率。FlexRay總線支持兩個(gè)通信信道，最高傳輸速率為2*10Mbps。（2）確定性。FlexRay總線可以保證在固定的時(shí)隙傳輸特定的消息。（3）容錯(cuò)性。FlexRay總線提供多個(gè)級(jí)別的容錯(cuò)功能。

2）IEEE-1394b總線。IEEE-1394技術(shù)飛速發(fā)展，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。目前，美國(guó)NPOESS和FPT等航天器采用了IEEE-1394b網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備間的通訊[3]。

IEEE 1394b總體性能特點(diǎn)如下：

（1）高度的靈活性：支持熱插拔，具有即插即用功能。（2）高度的可擴(kuò)展性：?jiǎn)我豢偩€最多可連接63個(gè)設(shè)備。（3）低延遲、實(shí)時(shí)性好：同時(shí)支持等時(shí)和異步2種傳輸模式。

3）空間光纖數(shù)據(jù)總線SFODB（ Spaceborne FiberOptic Data Bus）。SFODB標(biāo)準(zhǔn)是NASA開發(fā)制定的一種下一代總線技術(shù)。SFODB可非常靈活支持200Mb/s～1Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。SFODB還具有容錯(cuò)、高可靠性、低延時(shí)、長(zhǎng)壽命以及能夠適應(yīng)空間惡劣環(huán)境的特點(diǎn)，解決了上一代數(shù)據(jù)總線不支持大容量實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸?shù)膯栴}[4]。

4）SpaceWire IEEE 1355。SpaceWire是歐洲航天局開發(fā)的一種高速的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、全雙工的串行總線網(wǎng)絡(luò)，在錯(cuò)誤檢測(cè)、異常處理、故障保護(hù)和故障恢復(fù)及時(shí)間確定性方面有自己的優(yōu)勢(shì)。SpaceWire最高速度可以達(dá)到400Mbps[5]。

5）TTEthernet。TTEthernet總線實(shí)現(xiàn)了在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)中高精度的時(shí)間同步。TTEthernet作為時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)，可以滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的需要，同時(shí)高傳輸帶寬也可以滿足下一代主干網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰猍6]。

6）Open VPX總線。VPX標(biāo)準(zhǔn)專門針對(duì)VME總線在圖像處理、智能信號(hào)處理等領(lǐng)域中存在的通信帶寬不足的缺陷，進(jìn)行了創(chuàng)新性的改進(jìn)和優(yōu)化，并引入了高速串行總線來(lái)替代并行總線，傳輸帶寬得到了有效提升[7]。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著高速通信技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，總線技術(shù)已經(jīng)不僅僅局限在傳統(tǒng)領(lǐng)域，具有開放式結(jié)構(gòu)、模塊化與高綜合化特征的下一代總線協(xié)議將成為未來(lái)總線技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。在保證可靠性、兼具經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，將采用“模塊化、組合化、系列化”的設(shè)計(jì)思路[8]，采用更少的模塊組合的同時(shí)，提高通信速率將是測(cè)量系統(tǒng)總線技術(shù)未來(lái)一段時(shí)間的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1]沈?qū)W東等.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中綜述.東北電力科學(xué)研究院.

[2]FlexRay Consortium. FlexRay Communications System Protocol Specification Version2.1 [S]， December 2005. Version 2.1 Revision A.

[3]楊威.IEEE 1394總線技術(shù)研究[J].科技資訊，2007，08：2-3

[4]IEEE 1393-1999. IEEE Standard for Spaceborne Fiber-Optic Data Bus[S]，1999

[5]Steve Parkes， Chris McClements. The SpaceWire Onboard Network for Spacecraft[C]. Conference and Exhibit， Portland，Or.，28 June 2004.

[6]IEEE 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].IEEE，2008.

[7]Ji Yujie， Zhang Xiaolin. Research of VPX bus standard and prospects of its application on unmanned aerial vehicles[J]. Computer Measurement & Control. volume：20， issue：4.

[8]王小軍，徐利杰.我國(guó)新一代中型高軌運(yùn)載火箭發(fā)展研究[J].宇航總體技術(shù)，2019，3（5）：1-9.