2.2　现代液压测试系统的总线技术

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。总线的采用使得计算机系统的设计有了统一的标准可循，不同厂商或设计人员只要根据相应的总线标准，即可开发出通用的扩展模块，使得现代液压测试系统模块化成为可能。

2.2.1　总线的基本概念及其标准化

任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线，它实际上是连接多个功能部件或系统的一组公用信号线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。

根据总线上传输信息不同，计算机系统分为地址总线、数据总线以及控制总线。从系统结构层次上区分，总线分为内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互联；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互联。

根据信息传送方式，总线又可分为并行总线和串行总线。并行总线速度快，但成本高，不宜远距离通信，通常用作计算机测试仪器内部总线，如STD总线、ISA总线、CompactPCI总线、VXI总线等；串行总线速度较慢，但所需信号线少，成本低，特别适合远距离通信或系统间通信，构成分布式或远程测控网络，如RS-232C以及近年来广泛采用的现场总线。

由于总线是连接各个部件的一组信号线，它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来约定操作如何实现。总线的主要特性如下。

（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，由主设备发出的信号称为输出信号，送入主设备的信号称为输入信号。数据信号和地址信号通常定义高电平为逻辑1、低电平为逻辑0，控制信号则没有俗成的约定。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，以及部件和设备的通用性，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。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，相应地，采用这些标准的总线为ISA总线、PCI总线、USB总线等。目前，计算机系统中广泛采用的都是标准化的总线，具有很强的兼容性和扩展能力，有利于灵活组建系统。同时，总线的标准化也促使总线接口电路的集成化，既简化了硬件设计，又提高了系统的可靠性。

总线标准化按不同层次的兼容水平，主要分为以下三种。

（1）信号级兼容

对接口的输入、输出信号建立统一规范，包括输入和输出信号线的数量、各信号的定义、传递方式和传递速度、信号逻辑电平和波形、信号线的输入阻抗和驱动能力等。常见的信号级兼容的标准总线有STD、ISA、CompactPCI、VME、PXI和RS-232C等。

（2）命令级兼容

除了对接口的输入、输出信号建立统一规范外，对接口的命令系统也建立统一规范，包括命令的定义和功能、命令的编码格式等。常见的命令级兼容的总线有GPIB（IEEE488）和CAMAC总线等。

（3）程序级兼容

在命令级兼容的基础上，对输入、输出数据的定义和编码格式也建立统一的规范。

不论在何种层次上兼容的总线，接口的机械结构都应建立统一规范，包括接插件的结构和几何尺寸、引脚定义和数量、插件板的结构和几何尺寸等。

2.2.2　总线的通信方式

为了准确可靠地传递数据和系统之间能够协调工作，总线通信通常采用应答方式。应答通信要求通信双方在传递每一个（组）数据的过程中，通过接口的应答信号线彼此确认，在时间和控制方法上相互协调。图2-9给出了计算机测试系统中CPU与外设应答式通信的原理框图。

图2-9中，CPU作为主控模块请求与外设通信，它首先发出“读或写操作请求”信号，外设接收到CPU发出的请求信号后，根据CPU请求的操作，做好相应准备后发出相应应答信息输出给CPU，如当CPU请求读取数据时，外设将数据送入数据总线，然后发出“数据准备好”信息至“读应答输出”信号线；当CPU请求输出（写入）数据给外设时，外设做好接收数据的准备后，发出“准备好接收”应答信息至“写应答输出”信号线，CPU得到相应应答后，即可读入由外设输入的数据或将数据送出给外设。

上述这种由硬件连线实现的应答通信方式通常应用并行总线，对于串行总线，硬件应答线不存在，此时就必须由软件根据规定的通信协议来实现应答信息的交互。

2.2.3　测试系统的内部总线

（1）ISA/PC104/AT96总线

ISA（Industrial Standard Architecture）总线是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，也叫AT总线。它是对IBM PC/XT总线的拓展，以适应8/16位数据总线要求。ISA总线面向特定的CPU，应用于80x86以及Pentium CPU的商用和个人计算机。

随着PC机的飞速发展和普及，其开放式构架和软件的兼容性越来越引起工业测控领域用户的重视，并希望使用与所熟悉的桌面PC机相同的操作系统和开发工具进行工业测控。为此，由桌面PC技术衍生了ISA总线加固型工业计算机（IPC），并在工业上得到了相当广泛的应用。

PC/104总线电气规范与ISA总线兼容。1992年PC/104总线联合会发布PC/104规范1.0版，几经修改，于1996年发布了PC/104规范2.3版。PC/104总线采用自层叠互联方式和3.6in×3.8in的小板结构，抛弃了PC机的大母板，使其更适合在尺寸和空间受到限制的嵌入式环境中使用。PC/104总线工控机的功耗低，但其驱动能力差（4mA），其拓展能力和维护性也受到了限制，使其在工业过程控制和自动化领域的应用范围受到局限。

为了兼容PCI总线技术，1997年PC/104总线联合会发布PC/104-Plus规范1.0版，在PC/104规范2.3版的基础上，通过增加另外的连接器，支持PCI局部总线规范2.1版。目前，许多单板计算机（SBC）都设计有PC/104总线接口，以便通过PC/104总线丰富的I/O模块拓展功能，满足不同的嵌入式应用要求。

AT96总线欧洲卡标准（IEEE996）由德国SIEMENS公司于1994年发起制定，并在欧洲得到了推广应用。AT96总线=ISA总线电气规范+96芯针孔连接器（DIN IEC 41612 C）+欧洲卡规范（IEC297/IEEE1011.1）。AT96总线工控机消除了模板之间的边缘金手指连接，具有抗强振动和冲击的能力；其16位数据总线、24位寻址能力、高可靠性和良好的可维护性，更适合在恶劣工业环境中应用。

研华公司的IPC610L工控机含有4个PCI总线接口和7个ISA总线接口，该公司的ISA总线数据采集卡有：多功能卡PCL-818系列板卡、A/D板卡PCL-813B以及D/A板卡PCL-726、PCL-727、PCL-728等。PC/104总线的板卡有：多功能卡PCM-3718系列、D/A板卡PCM-3712等。AT96总线工控机有80386、80486产品，也有Pentium系列产品。

（2）VME/VXI总线

VME是Versa Module Europe的缩写，其中Versa为Motorola公司为开发其68000处理器定义的一种总线。VMEbus由Motorola公司联合Mostek、Signetics/Philips和Thomson几家公司一起推出。1986年VMEbus成为IEC标准（IEC821），1987年成为IEEE标准（IEEE1014）。VMEbus采用高可靠性的针式连接器，使得系统的可靠性比采用印刷板板边连接器的系统有极大的提高。

VMEbus是一种非复用的32位异步总线。非复用是指它的地址和数据分别有各自的信号线；异步意味着总线上信号的定时关系是由总线延迟和握手信号来确定，而不是靠系统时钟来协调。只要总线信号所表达的功能被确认有效后，信号就立即被激活。这样无论是快的还是慢的器件，新的还是老的技术，都可以用于VMEbus，总线的速度自动与器件的速度相适配，这是其最大的优点。

VMEbus可以传输32位、16位或8位数据，具有数据块传输方式，一个单一的地址周期之后可以跟许多数据周期，使得数据传输大为加快。最大块传输为256字节，在传输单一数据时最大速率为19MB/s，传输数据块的最大速率为30MB/s。1996年的新标准VNE64（ANSI/VITA1-1994）将总线数据宽度提升到64位，最大传输速率为80MB/s。由FORCE COMPUTERS制定的VME64×总线规范将总线传输速率提高到了320MB/s。VMEbus具有7条菊花链中断线，处理机模块上的中断发生器和中断处理器功能部件分别用于请求中断和处理中断请求。

VME总线工控机是实时控制平台，大多数运行的是实时操作系统，如UNIX、VxWorks、PSOS、VRTX、PDOS、LynOS以及VMEXEC，由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。VME总线主要采用Motorola（摩托罗拉）公司的68K系列处理器，从68000到发68060。VME总线工控机因为没有统一的软件标准，所以其软件研制环境是特定的，并依赖于硬件，这一直是VME总线工控机的最大弊端。从时间上看，VME总线工控机诞生于1981年。三十多年来，在高性能的实时应用领域一直处于主导地位。然而，昔日先进的总线架构，今天已经发展到尽头，失去了发展的空间。为了生存，从VME32，改进到VME64、VME64x，直到VME320，但市场接受状况并不理想。

VXI（VMEbus eXtension for Instrumentation）是VME总线在仪器领域的拓展，是在VME总线、Eurocard标准（机械结构标准）和IEEE 488等的基础上，由主要仪器制造商共同制定的开放性仪器总线标准。1993年，VXI规范被采纳为国际标准IEEE 1155。

VXI系统最多可包含256个装置，主要由主机箱、零槽控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统。

目前，国际上有两个VXI总线组织。

①VXI联盟　VXI联盟负责制定VXI的硬件（仪器级）标准规范，包括机箱背板总线、电源分布、冷却系统、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械特性、电磁兼容性以及系统资源管理和通信规程等内容。

②VXI总线即插即用（VXI Plug & Play，VPP）系统联盟　其宗旨是通过制定一系列VXI的软件（系统级）标准来提供一个开放性的系统结构，真正实现VXI总线产品的“即插即用”。

这两套标准组成了VXI标准体系，实现了VXI的模块化、系列化、通用化以及VXI仪器的互换性和互操作性。VXI价格相对过高，适用于尖端的测试领域。

VXI总线工控机规定的操作系统类型有DOS、Windows 3.1、Windows 95、Windows NT、Solaris 1和Solaris 2、HP-UX、MacOS以及SCO Unix。从VXI总线和VME总线工控机运行的操作系统可以看出，VXI总线工控机制造商希望兼容主流计算机市场提供的丰富而廉价的应用软件开发工具包、外设和驱动软件，而VME总线只能利用OS制造商或第三方合作伙伴提供的专用开发环境和外设工作。

（3）PCI/CompactPCI总线

PCI（Peripheral Component Interconnect）局部总线由美国Intel公司提出，由Intel公司联合多家公司成立的PCISIG（PCI Special Interest Group）制定。PCI局部总线是微型机上的处理器/存储器与外围控制部件、外围附加卡之间的互联机构，它规定了互联机构的协议、电气、机械及配置空间范围。在电气方面还专门定义了5V和3.3V的信号环境。特别是PCI局部总线规范的2.1版定义了64位总线扩展和66MHz总线时钟的技术规范。

PCI局部总线规范是当今微机行业事实上的标准，也是业界微型机系统及产品普遍遵循的工业标准之一。PCI局部总线不仅满足高、中、低档台式机的应用需要，而且满足从移动计算到服务器整个领域的需要。PCI局部总线的主要特点是：

①地址、数据多路复用的高性能32位或64位同步总线。总线引脚数目少，对于总线目标设备只有47根信号线，对主设备最多只有49根信号线。

②高性能和高带宽。PCI局部总线支持猝发工作方式，在33MHz总线时钟、32/64位数据通路时可达到峰值132/264MB/s的带宽。66MHz总线时钟下，可达到264/528MB/s。

③通用性强，适用面广，PCI局部总线独立于处理器。当今流行的Intel系列处理器以及其他处理器系列，如Alpha Axp系列、PowerPC系列、SPARC系列以及下一代处理器都可以使用PCI局部总线。

④PCI局部总线的多主能力允许PCI总线的主设备能对等地访问总线上的任何主设备或目标设备。PCI的配置空间规范能保证全系统的自动配置，即插即用，PCI的向上和向后兼容性又使得现存的各种产品能平滑地向新标准过渡，保护了用户的利益。

CompactPCI的意思是“坚实的PCI”，CompactPCI总线=PCI总线的电气规范+标准针孔连接器（IEC-1076-4-101）+欧洲卡规范（IEC297/IEEE1011.1），是当今最新的一种工业计算机总线标准。CompactPCI规范1.0版是在1995年由PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）提出，1997年发展为CompactPCI规范2.1，并制定了CompactPCI热插拔接口规范（CompactPCI Hot Swap Infrastructure Interface Specification）。

设计CompactPCI的出发点在于迅速利用PCI的优点，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统，同时还能充分利用传统的总线产品，如ISA、STD、VME或PC104来扩充系统的I/O和其他功能。因此，CompactPCI不是重新设计PCI规范，而是改造现行的PCI规范，使其成为无源底板总线式的系统结构。例如，原PCI规范最多只能容纳4块附加插卡，这对工业应用往往不够。CompactPCI的基本系统设计成8块卡，并可通过PCI-PCI桥电路芯片进行扩展。同时，利用桥电路技术，也可将CompactPCI与别的总线组成混合系统。

CompactPCI依附于PCI平台，在芯片、软件和开发工具方面可以得到大批量生产制造的PC机资源，有利于自身成本的降低。另外，为了利用最新的技术成果，CompactPCI技术将进一步融合USB和1394技术，并通过PCI-USB和PCI-1394桥进行转换。

CompactPCI总线工控机可以自动识别板卡，并自动配置系统资源，很容易实现即插即用。国际上CompactPCI总线工控机主要生产厂家有美国摩托罗拉、Force Computers、Radisys，德国控创集团（Kontron Embedded Computers）、日本ADTEK公司、英国BVM公司，以及台湾的研华、凌华、大众、磐仪、立端等公司。研华公司研制生产的PCI总线的数据采集卡有：多功能卡PCI-1710、PCI-1711、PCI-1712、PCI-1716等；A/D卡PCI-1713、PCI-1714等；D/A卡PCI-1721、PCI-1723、PCI-1724等。

（4）PXI总线

PXI（PCI eXtension for Instrumentation ）是NI公司1997年9月发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范，是PCI总线在仪器领域的扩展。PXI引脚的定义已在PICMG的仪器分会中注册，以确保与CompactPCI完全兼容，PXI与CompactPCI模块可以在同一系统中共存而不发生冲突。

PXI支持在工业仪器、数据采集及工业自动化应用中要求更高的机械、电气、软件特性。为更适于工业应用，PXI扩充了CompactPCI规范，对提供优异的机械完整性及易装易卸的PCI硬件定义了坚固的结构形式。PXI产品对工业环境中的振动、冲击、温度和湿度等环境性能试验提供了更高更细的要求。PXI在CompactPCI机械规范上增加了必需的测试环境和主动冷却。这样一来，可以简化系统集成并确保多供应商产品的互操作性。

PXI提供了与PCI一样的数据传输速率和即插即用功能的高性能电气特性。对PXI来说，最有诱惑力的是由超过800个供应商供应的PCI占主导的台式PC市场，从而产生大量的基于PCI的硬件、驱动程序、操作系统与应用程序，所有这些都可以有效地应用在PXI系统中。由于运用了CompactPCI，PXI的每个总线提供的扩展槽个数差不多是台式PCI系统的两倍，因此，PXI系统可以提供比台式系统更多的扩展槽，有更强的I/O能力，另外PXI增加了触发总线、用于高速定时的系统参考时钟、用于进行多板精确同步的星形触发总线以及相邻仪器模块进行高速通信的局部总线。故PXI更能满足仪器用户的需要。

PXI系统与PC100%兼容，将Microsoft Windows操作系统定义为其标准的系统软件框架，熟悉台式PC的仪器系统开发商，花很少时间和费用便可将自己的资源应用到更坚固的PXI系统中。另外，所有的PXI外设必须包括相应的设备驱动软件以降低最终用户的开发成本。

由于PXI总线的机械、电气、软件特性是采用成熟PC技术的直接结果，PXI以容易承受的价格提供了其他昂贵测试平台（如VXI）上高精度仪器才具有的同步、定时特性。此外，组合了主流PCI计算机技术和Windows软件及坚固的工业封装、功率、冷却及EMC的系统规范，新的PXI模块仪器在不牺牲测量精度或突破预算的情况下，提供高性能的测试、测量和数据采集。

因为PXI是一种开放的标准，所以任何设备商都可以生产PXI产品。同时因为PXI规范中一个关键的特点就是与CompactPCI之间的互操作性，所以同一个PXI系统中可以同时包含CompactPCI和PXI模块，而不产生任何冲突。美国NI公司是国际上PXI总线工控机和数据采集板卡的主流生产和研制厂家，其研制的PXI嵌入式控制器集成有CPU、硬盘驱动器、RAM、以太网口、视频输出、键盘/鼠标接口、串口、USB和其他一些外围设备，以及已安装好的Microsoft Windows和所有设备驱动。

2.2.4　测试系统的外部总线

（1）RS-232C总线

RS-232C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是“Recommended Standard”（推荐标准）的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。

RS-232C 标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232C 标准规定，驱动器允许有2500 pF 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150 pF/m 的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232C 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题。因此一般用于20m以内的通信。

RS-232C传输的信号电平对地对称，与TTL 、CMOS逻辑电平完全不同，其逻辑0电平规定在+5～+15V之间，逻辑1电平规定在-15～-5V之间。因此计算机系统采用RS-232C通信时需经过电平转换接口。此外，RS-232C未规定标准的连接器，因而同样是RS-232C接口却可能互不兼容。

（2）RS-449/RS-423A/422A/485总线

1977年EIA制定了电子工业标准接口RS-449，并于1980年成为美国标准。RS-449是一种物理接口功能标准，其电气标准依据RS-423A或RS-422A以及RS-485。RS-449除了与RS-232C兼容外，还在提高传输速率、增加传输距离、改进电气性能方面做了很大努力，并增加了RS-232C未用的测试功能，明确规定了标准连接器，解决了机械接口问题。

RS-423A和RS-422A分别给出在RS-449应用中对电缆、驱动器和接收器的要求。RS-423A给出非平衡信号差的规定，采用非平衡（单端）发送、差分接收接口；RS-422A给出平衡信号差的规定，采用平衡（双端）驱动、差分接收接口，如图2-10所示。

RS-423A/422A比RS-232C传输信号距离长、速度快，最大传输速率可达10MB/s（RS-422A电缆长度120m，RS-423A电缆长度15m）。如果采用较低的传输速率，如90000B/s，最大距离可达1200m。

RS-485是RS-422A的变型：后者为全双工，可同时发送与接收；前者则为半双工，在某一时刻，只能有一个发送器工作。RS-485是一种多发送器的电路标准，它扩展了RS-422A的性能，允许双导线上一个发送器驱动多达32个负载设备。负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器（发送器和接收器的组合）。RS-485用于多点互联时非常方便，可以省掉许多信号线，应用RS-485可以非常方便地联网构成分布式测试系统。

（3）GPIB总线

GPIB（General Purpose Interface Bus）是计算机和仪器间的标准通信协议，它是最早的仪器总线，属于命令级兼容的并行总线接口标准，目前多数仪器都配置了遵循IEEE488的GPIB接口。

GPIB通用接口总线最初由惠普（Hewlett-Packard）公司于1965年提出，并称之为HP-IB。1975年被IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers）接纳为标准，并于1978年进行了修订，公布为IEEE-488并行接口标准。1987年，发布了IEEE-488.2，并将原有标准改称为IEEE-488.1。IEEE-488.2在IEEE-488.1的基础上增加了通信协议和通用命令方面的新内容。1990年，IEEE-488.2进一步加入SCPI（Standard Commands for Programmable Instrumentation）程控仪器标准命令，全面加强了GPIB接口总线在编码、格式、协议和命令方面的标准化。

典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件做相应改动。

GPIB按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需要中介单元。GPIB总线上最多可连接15台设备，最大传输距离为20m，信号传输速率一般为500kB/s，最大传输速率为1MB/s，不适合对系统速度要求较高的应用。为了解决这个缺陷，NI公司于1993年提出了HS-488高速接口标准，将传输速率提高到8MB/s，该标准与IEEE-488.1和IEEE-488.2兼容，具有HS-488接口的仪器可以与具有IEEE-488.1/2接口的仪器共同使用。

（4）USB/IEEE-1394

USB（Universal Serial Bus）是由Intel、Compaq、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的串行接口标准。1995年11月正式发布了USB0.9规范，1997年开始有真正符合USB技术标准的外设出现。USB版本经历了多年的发展，已经发展为3.1版本。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能，可以连接多个不同设备。在软件方面，为USB设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无须用户干预。USB设备也不涉及中断冲突等问题，它单独使用自己的保留中断，不会同其他设备争用计算机有限的资源，为用户省去了硬件配置的烦恼。

USB接口连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用Hub，把多个设备连接在一起，再同PC机的USB口相接。在USB方式下，所有的外设都在机箱外连接，不必打开机箱，不必关闭主机电源。USB采用“级联”方式，即每个USB设备用一个USB插头连接到一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB插座供下一个USB外设连接用。通过这种类似菊花链式的连接，一个USB控制器理论上可以连接多达127个外设，而每个外设间距离（线缆长度）可达5m。USB还能智能识别USB链上外围设备的接入或拆卸，真正做到“即插即用”。USB接口还提供了内置电源，能向低压设备提供5V的电源，从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。

继USB之后，另一种称为FIREWIRE（即IEEE-1394）的接口技术正被应用在众多的领域，这种新型的接口比USB功能更为强大而且性能稳定，是一种高效的串行接口标准。IEEE-1394可以在一个端口上连接多达63个设备，设备间采用树形或菊花链拓扑结构。IEEE-1394标准定义了两种总线模式，即：Back-plane模式和Cable模式。其中Back-plane模式支持12.5MB/s、25MB/s、50MB/s的传输速率；Cable模式支持100MB/s、200MB/s、400MB/s的传输速率。目前正在开发1GB/s的版本。但是，IEEE-1394的主机和外设的复杂性远远高于USB系统，因而成本也远远比USB高。

（5）现场总线

现场总线是一种工业数据总线，主要解决智能化仪表、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。从1984年起，ISA（美国仪表学会）开始制定关于现场总线的规范ISA SP50，并于1992年完成了物理层标准的制定。在1992～1993年之间，形成了关于现场总线标准制定的两大国际化组织：ISPF和WorldFIP。到1994年后期，两大组织合并成唯一的现场总线标准化组织：现场总线基金会（Fieldbus Foundation，FF）。FF组织包括了100多个公司，著名的现场设备制造商及控制系统供应商都在其中，例如FisherRosemount、Brooks、Honeywell、Yokogawa、Foxboro等。FF是一个非盈利和非商业化的国际学术和标准化组织，其宗旨是致力于满足过程业和制造业自动化需求的国际化现场总线。

根据IEC标准和FF的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。其技术特点有以下几个方面。

①现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，利用数字信号代替模拟信号，其传输抗干扰性强、测量精度高，大大提高了系统的性能。

②现场总线网络是开放式互联网络，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备有机地融合为一体，构成统一的现场总线控制系统。

③所有现场设备直接通过一对传输线（现场总线）互连，双向传输多个信号，可大大减少连线的数量，降低使用费用，易于维护。与分布式控制系统相比，现场总线减少了专用的I/O装置及控制站，降低了成本，提高了可靠性。

④增强了系统的自治性，系统控制功能更加分散，智能化的现场设备可以完成许多先进的功能，包括部分控制功能，促使简单的控制任务迁移到现场设备中来，使现场设备既有检测、变换功能，又有运算和控制功能，一机多用，既节约了成本，又使控制更加安全和可靠。现场总线控制系统把分布式控制系统的功能块分散到现场设备，彻底实现了分散控制。

现场总线标准的制定和实施十分缓慢，在IEC/ISA SP50小组制定总线标准的过程中，不少厂家已捷足先登，形成了多种总线标准，影响广泛的有FIP、Profibus、World FIP、LONWORK、CAN-bus等。FF现场总线体系结构是参照国际标准化组织（ISO）的开放系统互联协议（OSI）而指定的。OSI共有7层，FF提取了其中的3层：物理层、数据链路层和应用层，而且对应用层进行了较大改动，分成了现场总线存取和应用服务两部分，另外又在应用层上增加了含有功能块的用户层。功能块的引入使得用户可以摆脱复杂的编程工作，而直接简单地使用功能块对系统及其设备进行组态。这样使得FF总线标准不仅仅是信号标准和通信标准，更是一个系统标准，这也是FF总线与其他现场总线系统标准的关键区别。

FF给出了两种速率的现场总线：低速的H1总线和高速的H2总线。H1传输速率为31.25kB/s，传输距离为200～1900m，最多可串接4台中继器；H2传输速率为1MB/s，传输距离为750m，或2.5MB/s，传输距离为500m。H1每段节点数最多为32个，H2每段节点数最多为124个。H1支持使用信号电缆线向现场装置供电，并能满足本征安全要求。

FF总线系统中的装置可以是主站，也可以是从站。主站有控制发送、接收数据的权利，从站仅有响应主站访问的权利。为实现对传送信号的发送和接收控制，FF总线系统采用了令牌和查询通信方式为一体的技术。在同一个网络中可以有多个主站，但在初始化时只能有一个主站。

为了支持不同厂商之间功能块的标准化和互操作性，FF定义了两个工具：设备描述语言DDL（Device Description Language）和对象字典OD（Object Dictionary）。OD是一个“基于方案”工具，用于定义字典以及设备和其中功能块的目录信息。设备应用的OD由设备描述来补足，而设备描述又由设备描述语言DDL生成。DDL是一种解释语言，用于描述应用进程对象的行为和操作接口。这些措施使不同厂家的设备互操作成为可能。