數據綜合網絡總線技術綜述及發展趨勢展望

王林?韓凱?羅興科?張霖

摘 要：近年來，總線技術因為具有高帶寬、低延遲、高可靠性、控制靈活等特點，已經逐漸成為數據綜合網絡的核心技術之一。本文簡要介紹了總線技術在該領域的應用情況，并對新一代總線技術的發展趨勢和在數據綜合網絡領域的應用前景進行了展望。

關鍵詞：數據綜合網絡;總線協議;下一代總線技術

隨著數據鏈技術、數據綜合網絡及高速采集技術在通信領域中的應用，下一代通信系統對高速大容量數據通信和信息過程控制有了更高的需求。目前，總線技術對整個網絡內設備高速互連起著至關重要的作用，下一代總線技術具有的開放式結構、模塊化與高綜合化是數據綜合網絡發展的必然趨勢[1]。

1 總線技術在數據綜合網絡中的應用

數據綜合網絡中應用總線技術的目的是實現各子系統之間、模塊之間的資源共享、降低介質的質量和復雜性，支持系統過程控制和狀態管理，強調信息傳輸的實時性和可靠性。目前數據綜合網絡主要應用的總線技術主要包括CAN總線、1553B總線等。

1）CAN總線。CAN總線是國內外各領域應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1Mbps，距離可達10km。CAN具有以下優點：（1）CAN可以以多主方式工作。（2）CAN網絡上的節點（信息）可分成不同的優先級。 （3）CAN采用非破壞性基于優先權的總線仲裁技術。

其工作原理框圖如圖1所示。

CAN總線經證實具有實時性強、可靠性高、結構簡單、互操作性好、價格低廉等優點。

2）1553B總線。1553B總線的全稱為時分制指令/響應多路傳輸數據總線，具有雙向輸出特性，實時性和可靠性高，應用廣泛。1553B數據總線上連接有三種不同的終端類型：總線控制器（BC）、遠程終端（RT）和總線監控器（BM）。BC是總線上執行建立和啟動數據傳輸任務的唯一終端;RT是用戶子系統到數據總線上的接口，它在BC的控制下提取數據或吸收數據;BM負責監控總線上的信息傳輸，完成對總線上數據的記錄和分析。1553B總線拓撲結構如圖2所示，其傳輸速率可達1Mbps。

2 下一代總線技術發展趨勢展望

總線技術正進入一個技術變革和高速發展期，開放式結構、模塊化與高綜合化是下一代總線技術的重要特征。一方面，高速數據綜合網絡的發展和各種新型終端的不斷涌現，對總線互連技術提出了更高的要求;另一方面，總線技術的不斷進步，尤其是下一代總線的成熟和廣泛應用，推動了數據綜合網絡向更先進的技術方向發展。下面介紹幾種下一代總線技術和未來在數據綜合網絡領域的應用前景。

1）FlexRay總線。FlexRay總線是CAN總線的下一代總線，包括一個控制器部件和一個驅動器部件。控制器部件包括一個主機處理器（CPU）和一個通信控制器（CC），驅動器部件包括一個總線驅動器（BD）和一個總線監控器（BG）[2]。其具有以下幾個特點;（1）高速率。FlexRay總線支持兩個通信信道，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隙傳輸特定的消息。（3）容錯性。FlexRay總線提供多個級別的容錯功能。

2）IEEE-1394b總線。IEEE-1394技術飛速發展，在計算機網絡和工業控制領域有著廣泛應用。目前，美國NPOESS和FPT等航天器采用了IEEE-1394b網絡進行設備間的通訊[3]。

IEEE 1394b總體性能特點如下：

（1）高度的靈活性：支持熱插拔，具有即插即用功能。（2）高度的可擴展性：單一總線最多可連接63個設備。（3）低延遲、實時性好：同時支持等時和異步2種傳輸模式。

3）空間光纖數據總線SFODB（ Spaceborne FiberOptic Data Bus）。SFODB標準是NASA開發制定的一種下一代總線技術。SFODB可非常靈活支持200Mb/s～1Gb/s的數據傳輸速率。SFODB還具有容錯、高可靠性、低延時、長壽命以及能夠適應空間惡劣環境的特點，解決了上一代數據總線不支持大容量實時信號傳輸的問題[4]。

4）SpaceWire IEEE 1355。SpaceWire是歐洲航天局開發的一種高速的、點對點、全雙工的串行總線網絡，在錯誤檢測、異常處理、故障保護和故障恢復及時間確定性方面有自己的優勢。SpaceWire最高速度可以達到400Mbps[5]。

5）TTEthernet。TTEthernet總線實現了在標準的以太網中高精度的時間同步。TTEthernet作為時間觸發網絡，可以滿足實時應用的需要，同時高傳輸帶寬也可以滿足下一代主干網絡數據傳輸的需要[6]。

6）Open VPX總線。VPX標準專門針對VME總線在圖像處理、智能信號處理等領域中存在的通信帶寬不足的缺陷，進行了創新性的改進和優化，并引入了高速串行總線來替代并行總線，傳輸帶寬得到了有效提升[7]。

3 結束語

隨著高速通信技術的發展和數據綜合網絡技術的進步，總線技術已經不僅僅局限在傳統領域，具有開放式結構、模塊化與高綜合化特征的下一代總線協議將成為未來總線技術發展的重點。在保證可靠性、兼具經濟性的基礎上，將采用“模塊化、組合化、系列化”的設計思路[8]，采用更少的模塊組合的同時，提高通信速率將是測量系統總線技術未來一段時間的發展方向。

參考文獻

[1]沈學東等.現場總線技術中綜述.東北電力科學研究院.

[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.我國新一代中型高軌運載火箭發展研究[J].宇航總體技術，2019，3（5）：1-9.