軍工現場總線技術發展趨勢與展望

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

0 前言

目前，電子設備已經成為各行各業重要的生產、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備?，F在國家在引領和提倡很多新的技術發展領域，比如說人工智能、“互聯物+”、物聯網、大數據、智能制造、云計算等等，這些技術必將在不久的未來成為國家經濟、國防安全最重要的技術支撐。通常情況下，談到這些技術的時候，人們想到的首先會是服務器、路由器、智能手機、工業化機器人等等——把它定位在一個設備上，而忽略了把這些設備連接在一起的數據傳輸介質。事實上數據的傳輸環節，在整個電路與系統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中的水和空氣，從它發展的歷史、當前的現狀和未來的發展方向來綜述這一容易被忽略其重要性的技術——設備的總線互聯技術。

1 總線的分類和特性

1.1 總線的定義

系統中總線的定義是：計算機/智能儀器/自動測試系統內部、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/自動測試系統重要的組成部分，其性能在計算機或自動測試系統中具有舉足輕重的作用?？偩€有兩個特點，(1)部件與部件之間共享通訊線路；(2)所有在線設備均可以相互“通訊”訪問?？偩€技術的存在，大大簡化了整個系統的結構，增加了系統的兼容性、開放性、靈活性、可靠性以及可維護性。

1.2 總線的分類

通常從計算機系統角度分類，總線分為內部總線、系統總線和外部總線。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)系統總線是各擴展板與系統板之間的總線，用于板一級的互連；

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

目前的計算機結構中，CPU與外部芯片、模塊通過總線來完成數據交換，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(內存)、AGP端口、和南橋芯片之間的通信，是典型的內部總線。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，比如PCI、SATA等，是典型的系統總線。串口、USB、以太網用于外部設備間的連接，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。

內部總線：數據、地址、控制總線、AGP、I2C、SPI；

系統總線：(ISA、EISA、VESA)、PCI、PCI-E、CPCI；

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

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

現場總線：HART、CAN、FF、ProfiBus……；

特殊總線：IEEE1451(TEDS，智能傳感器互聯標準)。

此外隨著大規模集成電路的發展，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，內部總線、系統總線和外部總線的概念出現一些模糊，以計算機結構為基礎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，現在的單片機上也直接集成了大量外設接口，比如IIC、CAN、USB；AGP總線因其特殊性，往往在概念上徘徊于內部總線和系統總線之間。

1.3 儀器總線與現場總線

在前一節的分類中，出現了三類特殊的分類：工業系統總線、現場總線、特殊總線。它們本質上仍然屬于系統總線和外部總線，只是這些總線經過專門的設計優化和功能增強，成為能夠適應和滿足工業應用需求的專用總線。工業系統總線最具代表性的是當前得到大量應用的PXI、CPCI，主要應用領域是工業測量儀器和數據處理；現場總線是一類網絡化的外部總線，往往具有較高的實時性和可靠性，用于工業現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絡化數據傳輸的軟硬件接口標準，也完全可以按外部總線來對待。

目前總線技術的兩大工業應用領域分別是工業控制與儀器儀表。

儀器總線是隨著計算機技術的發展，業界將儀器技術與計算機技術相結合而產生的，這種結合最早有三種結合方式，第一種是將處理器內置到儀器中，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，儀器僅作為數據采集的硬件，數據被上傳到計算機，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，這種結合產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據的總線就叫儀器總線，如GPIB、PXI。

近三十多年來，儀器技術的發展重點在儀器的模塊化、模塊的通用化、功能的軟件化，這三種技術的深度結合就產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。

區別于一般系統總線，儀器總線除了基本的數據傳輸——傳送地址、數據、控制信號外，還要傳送測量所需要的觸發信號、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，同步觸發是實現多核心協同處理任務的必要機制。

儀器總線未來的發展仍然是3種模式：(1)儀器設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，模塊嵌入到被測設備，以網絡形式進行分布式協同測試，如LXI。

工業現場測量領域，大量的儀表廣泛地分布在生產現場各個區域，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。這些儀表產生的信號或數據需要匯集到中控系統中再集中處理；此外，還有大量執行器分布在生產現場，它們需要來自中控系統的指令從而同步地相互協作與配合，完成較為復雜的生產。為此，工業界研制了很多網絡化外部總線來滿足以上需求，用于儀表數據收集的就叫儀表總線，而用于現場控制的叫工業控制總線，二者合稱現場總線。

根據國際電工委員會IEC1158定義，現場總線是“安裝在生產過程區域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線”。從現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)儀器總線追求大數據量傳輸與存儲，追求高速和復雜的分析處理能力；

2)現場總線帶寬有限，能傳輸的數據量小，但追求高可靠性、實時性；

3)二者出發點、目的、背景有顯著的不同；

4)儀器總線存在于儀器內部，主要采用大規模并行總線；而現場總線分布式存在于一個較大的空間區域，主要采用串行通訊。

2 現場總線的重要地位及發展現狀

2.1 現場總線網絡和控制系統

總線是多個節點共享的數據傳輸通道，所以總線本質上就是網絡。常用的網絡拓撲有環型、總線型、星型、樹型結構。

20世紀七八十年代以來，隨著計算機在工業控制領域的應用推廣，業界出現了由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術的分布式控制系統(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、組態方便。

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

目前市場上大部分采用過渡性的DCS和FCS相結合的混合控制系統形式。

2.2 現場總線的優點

使用現場總線的一個實際的好處就是可以全方位診斷設備問題，節省維修費用，提供更豐富的管理信息，允許在設備級水平控制和使用智能設備[2]。某原油公司曾做了一個統計，在使用現場總線后在以下幾個方面得到了巨大的改善[3]：(1)與傳統的布線方式相比，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的技術而被控制柜占據著。(3)現場檢查和質量保障時間減少了83%。改進后安裝一個發射器的時間只需要20多分鐘，而使用非現場總線技術則會需要2個小時。(4)采用現場總線后，主系統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 現場總線標準的發展極其在測控領域的重要地位和作用

制定行業標準對影響市場和產業布局具有重要意義，國際電工委員會極為重視現場總線標準的制定。

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現場總線國際標準；

1993年，IEC61158-2現場總線物理層規范；

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

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

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

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

目前世界上存在著大約四十余種現場總線，例如：德國西門子公司Siemens的ProfiBus；國際標準組織-基金會現場總線(FF，FieldBus 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]。

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

通常情況下，很少有一個工業標準會吸引全球這么多的巨型企業和組織參與制定，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。正是因為經常容易被人們忽略的現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備的選用，所以小小的現場總線其實隱藏著遠大于工業設備本身的影響力和決策力。這也成為國際上巨型企業不惜任何代價紛爭的誘因。下面是我們經常見到的一些競爭方式。

1)拉幫結派：大多數的現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品的適用范圍，同時參與支持多個總線組織，提高設備產品兼容性；

4)以退為進：由于競爭激烈，很多重要總線企業都同時開發各類接口適配技術，使自己的總線能和其它總線方便橋接兼容，實現一個系統中多種總線彼此協調共存。

CC-Link的發展很好地印證了這一現象。CC-Link是Control & Communication Link(控制與通信鏈路系統)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文件。類似的大量區域性的支持使得2007年該技術成為 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通信網絡推薦性國家標準。

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

3 國內測控領域總線研發與應用現狀

3.1 國內儀器總線應用情況

到目前為止，國內市場上沒有自主知識產權的儀器總線。應用上主要是跟隨國際趨勢，針對一些已經得到普及的技術進行大規模的應用開發。當前出貨量最大的總線產品是基于PXI、CPCI總線標準的模塊，因為這些模塊的設計和生產技術目前已經在國內得到普及，大量公司可以自行研發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。在軍用儀器總線方面，軍工領域與工業領域沒有顯著區別。

關于儀器總線下一步的走向，隨著網絡化發展趨勢，分布式測量將成為方向，目前世界范圍內一致看好的是2005年安捷倫等公司聯合推出的LXI總線，該總線的底層是基于以太網的，應用上具有較大的優勢。另外，隨著測量數據的急劇膨脹，業界對高速數據傳輸和存儲的技術需求也迅速增大，VITA組織于2007年在其VME總線的基礎上推出了新一代高速串行總線標準VPX，基于RapidIO、PCI-Express和萬兆以太網等高速串行協議，目前可以支持8GByte/s的背板帶寬。

3.2 國內現場總線的應用情況

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，工業現場總線市場出現了負增長的情況。由于傳統行業低迷，未來幾年工業現場總線市場也將是處于一個平穩低增長率的階段[11]。

與歐美發達國家相比，中國的工業通訊技術一直處于引進和應用的狀態，至今沒有一種被全球廣泛認可并廣泛采用的自主知識產權的現場總線標準。后文介紹到的EPA(Ethernet for Plant Automation)是浙江中控聯合近十家單位研發的基于以太網的現場總線標準，被列入現場總線國際標準IEC 61158(第四版)中的第十四類型，但是與其它種類的工業以太網標準一樣，受以太網本身架構的局限，在某些技術參數上的不足一直得不到徹底的解決[12]。雖然中國在現場總線協議開發方面進展緩慢，但是在應用方面發展非常迅速。最早的現場總線運用主要來自引進的先進生產線，主要在汽車、冶金、電子制造、煙草等行業。曾有作者自豪地撰文指出，“相對其它自動化產品，中國在現場總線運用方面起點較高，國際上最主要的現場總線技術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現場總線項目都在中國[13]” ?！耙驗榭春弥袊鴿摿薮蟮默F場總線市場，各個主要的現場總線組織都在中國建立了分支機構?？梢哉J為，在現場總線運用方面中國保持了與國際同步的水平[14]?！边@種建立在別人技術上的“浮華”實在令人扼腕。

與民用領域高速成長的應用市場相比，軍工行業領域內現場總線的應用情況落差極大。下面簡單介紹一下部分行業的總線應用情況。

航空領域，國內航電系統最常用的單向總線設計的依據是“ARINC429規范MARK33數字式信息傳輸系統”。蘇-33采用的還是老式ARINC429單向低速數據總線的分立式航電系統，只能交聯火控系統和導航系統。90年代初，中國開始大量采用基于MIL-STD-1553B雙向數據總線的聯合式航電系統；在某型戰斗機上還采用了加入光纖高速數據總線的綜合式航電系統，可以實現火控、導航、飛控三種不同功能電子系統的交聯；據報道國內最新研發的C919的航電系統使用了目前最先進的ARINC664(Avionics Full-Duplex Switched Ethernet，AFDX)網絡集成技術。ARINC664網絡是一種航空總線通信協議。相比于之前被廣泛應用但帶寬有限的老版本網絡，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。目前國外新型的商業和軍用航空航天項目中的電子系統逐漸推廣的總線還有SpaceWire和Time-triggered Ethernet(TTE)。新一代總線技術相比于傳統的總線可以提供更高帶寬、更高可靠性和低延遲性。

航天領域，總線化程度非常低。為了最大化降低技術狀態改變帶來的潛在風險，航天型號更注重成熟技術的沿用，所以一些新技術的應用相對滯后。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；部分產品的控制系統或測量系統采用了現場總線，使用最多的是1553B總線和CAN總線；天舟一號的數管分系統采用了1553B總線[15]；又比如實踐5號衛星也采用了1553B總線[16]。

船舶領域，中國幾乎所有船舶設計制造企業，采用的船舶自動化網絡系統基本上是CANBUS, PROFIBUS兩者為主，此外在電站自動化信號處理方面大多數采用MODBUS通訊協議進行通訊，沒有形成一個統一的標準。比如上海船舶運輸研究所開發的STI2VC2船舶機艙監控系統就自行采用了LonWorks總線。也有文獻認為，DeviceNet現場總線是基于CAN的一種低成本的通信鏈接，具有全數字化通信、抗干擾能力強、測量及控制精度高等優點，能夠適應船舶機艙復雜的現場環境，將它應用于機艙監控系統是船舶機艙自動化發展的主流方向[17]。

鐵路交通，目前國內還沒有形成成熟的高速列車網絡控制系統，采用的控制網絡也沒有一致性，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協議。引進的高速動車組CRH1、CRH3、CRH5采用的核心網絡都是TCN網絡，CRH2采用是ARCNET網絡[18,19]。

3.3 國內現場總線的研發情況

1)國內具有自主知識產權的現場總線研發只有幾種，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的一套基于高速以太網的系統結構與通信規范，主要用于工業生產自動化領域。主要包含一套協議標準，但是由于以太網先天的協議限制，在確定性、實時性、同步性方面存在一些瓶頸[20-21]。

NCUC-BUS是由數控系統現場總線技術聯盟(NC Union of China Field Bus )于2010年左右推出的面向數控系統應用的現場總線規范，主要用于數控加工設備領域，已在部分行業產品中得到了一定的推廣和應用。GSK-Link是廣州數控自主開發的現場總線，主要應用領域也是面向數控加工[22-24]。

SharkBus(沙克總線)是由山西省新型工業總線工程技術研究中心(中北大學)研發的新一代網絡總線，全稱有限級聯自動重構網絡總線，提供網絡路由器及終端接口模塊，主要面向高精度軍用測控領域，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)國內基于芯片級的研發主要處在仿制階段，目前沒有自主創新的產品。見諸報道的有沈陽中科博微開發出的國內第一個、國際第三個通過國際認證的FF H1現場總線協議棧，國內第一套工業以太網協議(HSE)；另有成都恩菲特、東方泰佳等部分企業自行研發了針對MIL-STD-1553B協議IP核，及其仿真測試板卡。

3)國內基于設備級的現場總線產品研發已經基本沒有什么較大的技術障礙，但是由于國內沒有自主知識產權的現場總線接口芯片，核心總線接口芯片全部采用國外的技術標準，且產品質量參差不齊，企業各自為戰，沒有形成較大的市場影響力。

4 軍用現場總線的應用需求

4.1 軍用現場總線的應用特點

一般的工業生產自動化現場都分布在一個較大的區域，網絡節點有的地方密集，有的地方離散，但是一旦布設好，整個網絡是靜態的，較長時期內不會改變。這種物理拓撲需求直接影響選用總線的參數。與之相比，軍用現場總線更多地應用在一個相對獨立和密閉的空間內，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、高沖擊、強烈變化的環境溫度、噪聲條件下保證可靠性。在一些多節點協同完成任務的場合，尤其是采用無線網絡的情況下，整個網絡的拓撲都可能是動態變化的。隨著軍事信息化發展趨勢，將本來為工業現場設計的通信總線與高動態軍用場合相結合，二者應用背景的巨大差距就對現有總線提出了許多新的技術要求，所以未來軍用領域對現場總線的需求具有其特殊性，對這些新興技術需求的研究會產生許多革命性的成果。

4.2 不同裝備場合的應用需求

通過各類技術發展的狀況可以分析出，未來軍用領域在以下裝備場合會對總線和網絡提出挑戰：

4.2.1 戰場快速機動組網

這是戰場信息化發展的首要需求。未來戰場是海陸空天一體化作戰，參與戰斗的主角大都是機動單元。戰場信息，瞬息萬變。隨著戰場態勢的動態演變，各節點間快速組網，快速脫離，整個網絡必須是快速變化的。

4.2.2 多節點協同攻擊

這是未來戰場網絡化以后必然的需求。多個節點可能是特種兵、車輛、機群，甚至是導彈。最大的特點就是極速互聯，協同工作。網絡拓撲不斷變化，在節點進入可組網范圍時快速組網并完成信息的可靠交互，交互結束，短時間內可能就會再次脫離網絡。

4.2.3 航天器

航天器單體內部可以看成是一個密集型監控布點的工業現場，比如某大型火箭的全箭測量系統設備總數近千臺。采用箭載總線可以有效降低電纜重量，改變設備連接的拓撲結構，改善測試性，適應測量系統數據量極速膨脹、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域。但是隨著技術的發展，航空總線發展較快。民用方面，機上娛樂音視頻需求強勁，軍用機或現在快速發展的無人機方面，測控數據量增加迅猛，都對現場總線帶寬、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

民用領域車輛的總線應用已經普及，但軍用領域未來的需求遠超民用。主要體現在隨著信息化的發展，多媒體信息、本體狀態監控、集群化協同作戰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

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

4.2.7 軍工車間生產線

生產制造業是現場總線的發源地，據McKinsey(麥肯錫公司)的最新報告[25]，未來各行各業都會受到智能制造的沖擊：59%的制造業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/膳宿業工作能夠全自動化，大量使用機器人；53%的零售業工作適合自動化；86%的會計、審計員可能被機器人替代。軍事工業生產制造同樣是工業總線的重要應用領域。而顯而易見，現場總線是支撐以上自動化的基礎技術之一。

4.3 測控總線與現場總線的融合趨勢

當前，技術發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，用戶希望把現場越來越多的信息上傳到控制中心；

2)隨著通信技術的發展，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)隨著大規模集成電路、片上系統、嵌入式系統、智能前端的發展計算機通信技術越來越向下延伸。

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

5 新一代軍用現場總線發展方向

5.1 自主研發的重要性

前沿技術的推廣具有以下規律：在技術欠發達的地區，越是開放的技術，越難以突破——不是技術問題，而是意識和能力問題，這也是很多國家在某些領域實施技術保護的原因。在世界范圍內，一項創新性技術標準的市場發展要經過培育期、寡益期、泛益期、茍延期。在高科技領域，國外就是通過不斷更新標準來保證其技術領先我們數十年。這四種時期的闡述如下。

培育期：少數企業和聯盟依據當時技術水平制定規則，并宣傳推廣；

寡益期：具有一定市場影響后，少數企業生產產品，賺取高額利潤；

泛益期：大眾企業跟蹤該技術并獲得突破，分享微薄利潤；

茍延期：底層技術過時，等待新的技術標準產生。

在近三十年測控總線和現場總線的發展及市場化運作上看，國內沒有原創性標準，大量的人力財力物力都用于跟蹤國外技術，因為對新技術需求強勁，在寡益期大量購入別人的產品，等到自身掌握了該技術，已經到了泛益期，當國內開始大量生產該類產品時，國外已經又培育出了下一代技術。因為底層技術在不停地進步！這一現象告訴我們，原創性的具有自主知識產權的技術一定要在舊的技術即將進入泛益期前就開始下功夫研發，這樣才能從時間上不落后于別人。現場總線目前就正好處于一個新舊交替的時期。

總線在工業生產領域的地位越來越重要，表現為以下幾點：(1)總線可以決定系統性能；(2)總線可以影響用戶選擇設備；(3)總線可以大幅度優化系統整體性能；(4)基于總線可提供全系統設備的集中測試；(5)應用上用戶對總線的掌握程度可能會影響整個系統的性能。

一種新型工業總線的誕生，會從多個方面影響和帶動相關產業的發展，這些方面包括制定標準、接口芯片研發、相關應用系統研發、相關軟件開發等，推廣較好的產品會對該領域的產業布局帶來深刻影響。所以，抓住時機，自主研發現場總線是非常重要的。

5.2 研發下一代總線必須考慮的附加因素

影響一種工業總線市場推廣的主要因素是什么呢？Fieldbus Foundation官網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現場總線的發展和市場情況。在2016年秋季的期刊中，給出了北美156家企業單位對現場總線的應用情況的問卷調查。其中問到“設備集成面臨的最大挑戰是什么”時，被調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是現有設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！在新一代現場總線研發方案的設計上，要特別對本因素加以關注。

表1 影響用戶選用現場總線的因素調查[26]

鑒于目前國內沒有具有競爭力的產品出現，在跟蹤使用國外產品的同時，根據底層技術和未來應用需求的發展，研發新一代現場總線必須考慮以下因素：(1)面向未來數十年，為未來儲備指標；(2)兼容多種物理介質，核心性能指標不能受外圍因素變化影響；(3)弱化底層技術的時效性，延長產品生命期；(4)尊重用戶體驗，降低用戶門檻。

5.3 下一代現場總線軍事應用指標和功能預期

以上是現有現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，但是隨著光纜技術的進步，價格低廉的光纜在遠程數據傳輸時逐漸凸顯出其傳輸優勢，已經基本完全取代了電纜。

綜合以上對各種應用場合的未來發展需求，結合當前底層支撐技術發展水平，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；(2)快速組網；(3)用戶接口簡單；(4)自我保障健壯性；(5)協議效率優化；(6)協議兼容性強；(7)對傳輸介質不敏感；(8)接口自適應能力，易與現有系統拼接；(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)異構網橋接能力；(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)測控數據分離或混合傳輸能力；(4)調度優先級；(5)安全性；(6)抗毀性；(7)可恢復性；(8)可維護性；(9)是否需要主控節點；(10)握手與重發機制；(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)數據緩沖與延時。

表2 當前常用現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據傳輸方式；** 航空領域正在使用或正在推廣的總線；*** 工業生產領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，國內研制的沙克總線是針對車載、彈載、機載高動態應用現場需求，采用LVDS底層技術，具備強實時動態網絡重構能力，具有自動路由、自適應雙通道冗余、強制命令優先、接口碼率自適應、自動負載均衡、高精度時間同步等特點。網絡對用戶透明，能夠針對應用現場快速構架通訊鏈路，為實現多兵種、多單位快速協同作戰提供通用技術支撐。

6 結尾語

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

現場總線是下一代智能制造、物聯網的基石，在全球工業化發展浪潮中必將占有越來越重要的地位。軍用領域現場總線的發展非常緩慢，國外已經得到應用的也為數不多。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展，對總線的使用成為必然的趨勢。受到底層技術過時的影響，現有總線大都難以適應未來軍用需求，世界范圍內正在醞釀研發下一代高速、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，踏踏實實自主研發屬于自己的新型總線無疑是具有重大戰略眼光和戰略布局的行動，可以為未來軍用總線和工業控制總線的大面積普及應用奠定重要基石。