CEBus通讯协议标准及技术分析

收稿日期:2002-01基金项目:云南省自然科学基金资助项目F0003Q作者简介:刘在强(1976 ),男,硕士研究生,主要从事信息检测技术及信号处理的研究;施心陵(1956 ),男,教授。

CEBus 通讯协议标准及技术分析刘在强,李,陈建华,施心陵(云南大学信息学院电子工程系,云南昆明650091)摘要:介绍CEBus 协议栈结构和标准,分析CEBus 在电力线传输介质上实现所采用的技术及应用。

关键词:CEBus;电力线;扩频载波CEBus Transport Protocol Standard and Technology AnalysisLIU Zai qiang,LI Su,C HEN Jian hua,SHI Xin ling(Electronic &Engineering Department of Information College,Yunnan University,Kunming 650091,China)Abstract:This article discusses the protocol stack architecture and standards of Consu mer Electronic Bus(CEBus),analyses the technology and application used by CEBus of Power Line mediu m.Key words:CEBus;power line,spread spectrum carrier1 CEBus 体系结构CEBus 采用了简化的OSI 模型。

它分为物理层、数据链路层、网络层和应用层四层。

除此以外,CEBus 还包括层系统管理部件。

其系统模型如图1所示。

图1 CEBus 节点模型图1节点模型中,整个物理层的功能已经芯片化,某些芯片还包括了数据链路层的功能。

数据链路层中的介质访问控制子层提供带或不带应答的无连接数据传输服务,有时还承担查错任务,同时还要生成数据分组的控制域以表明数据分组的类型、优先级、服务级别和序列号。

数据链路层中的逻辑链路控制子层是个空壳,只转发命令无实质性的工作。

网络层具有路由、路桥功能,负责确定网址、流量控制、数据分段以及丢弃传输介质收到的重复数据分组等。

应用层可以通过原语向网络层指明:优先级、是否需要应答、是否使用流量控制、传输介质类型以及选择路桥和路桥的网址。

层系统管理是一个CEBus 部件而不是一个层,它可以与网络节点中的所有协议层进行通讯。

层系统管理负责层的复位、层参数的初始化以及接收和发布层故障信息。

层系统管理也能访问各层的参数,如介质访问控制子层中的统计计数器。

2 物理层技术分析CEBus 支持7种不同的物理传输介质:电力线、射频、双绞线、红外线、同轴电缆、光纤以及AV 。

物理层分为两个子层:介质依赖物理子层和符号编码子层。

2.1 介质依赖物理子层CEBus 的电力线介质依赖物理子层通过接收和发送传输介质上的线性调频 chirps !波进行载波来对信号进行扩频,增强信号传输的鲁棒性和抗干扰能力。

使用线性调频 Chirp !波进行扩频载波(Spread Spec trum Carrier,简SSC)的技术多用于类似于以太网的CSMA 网络,它利用一系列短促的,可自同步的线性调频Chirp !波作为载体(见图2)。

每个线性调频 Chirp !波一般持续100 s,它代表了最基本的通信符号时间(UST)。

其输出的最大幅值对120V 设备是7V pp ,对240V 的设备为14V pp 。

这些Chirps 覆盖了100kHz~400kHz 的频带,并总是以200kHz~400kHz 的频率开始,以100kHz ~200kHz 的频带结束。

由于Chirp 信号的线性调频带宽比信号带宽要大得多,其线性加速度较高,而等幅振荡波干扰(Conitnuous Wave ja mming)的频率加速度一般图2 线性调频Chirps 波形7 2002年第3期仪表技术是稳定的,所以只要将滤波器设计成只能通过具有特定角加速度的信号就可将等幅振荡波干扰排除。

另外,此种Chirp 波形还具有很强的自相关特性,这种模糊逻辑的相关性决定了所有连接在网络上的设备可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形,并且不需要在收发和接收设备间进行同步。

接收信号时,介质依赖物理子层接收来自传输介质上的线性调频 Chirp !波信号并把它们翻译成劣态(Inferior)、优态(Superior)(见图4b)。

劣态表示在传输介质上没有线性调频 Chirp !波信号,仅用于数据分组包头传输及两个数据分组间隙传输。

有线性调频信号的状态为优态。

优态还有两种相反的相位,分别为优图3 CEBus 数据分组结构1态(Phase 1)、优2态(Phase 2)(见图4a)。

优1态与传输数据分组包的第一个线性调频 Chirp !波相位相同;而优2态指与优1态相位相反的线性调频 Chirp !波。

由这些状态组成的信息被传输到符号编码子层并进行处理。

在发送信号时,介质依物理子层接收来自符号编码子层的信号,并将其转变为相应的线性调频 Chirp !波进行发送。

2.2 符号编码子层符号编码子层的主要功能:在信号发送、接收时分别进行符号编码和解码。

CEBus 在电力线介质上有四种编码符号,分别为: 0!、 1!、 EOF !、 EOP !。

表示扩频范围为100kHz~400kHz 的线性调频 Chirp !波信号,其符号及编码长度如表1所示。

表1 C EBus 物理层编码码元数据分组报头数据体UST时间UST 时间111141100022282200EOF 88003300EOP无无44002.3 CEBus 数据分组CEBus 物理层的数据分组由报头、数据体和CRC 校验和组成,其中,报头与数据体编码方式不同。

数据分组格式如图3所示。

报头(Prea mble)用来解决多机共享信道时的竞争问题。

为了便于检测,在报头中每个UST 为114 s,扫描时间不变。

在报头中采用幅移键控(ASK)技术,优劣和劣态交替出现。

其中优态仅使用第一相位(Phase 1)。

无论是优态还是劣态都可以代表 0!或 1!;在数据体中CEBus 采用反相键控(PRK)技术,没有劣态,而是两个相位交替出现。

例如:对于编码 1101!,其在数据分组报头与数据体中的波形不同。

波形如图4。

图4 CEBus 数据体中 1101!的波形图(a)和数据分组报头中 1101!的波形图(b)3 数据链路层及网络层数据链路层分为两个子层;介质访问控制子层和逻辑链路控制子层。

其中,逻辑链路子层不具有任何功能,只用于传输命令。

介质访问控制子层的主要功能是控制对传输介质的访问、目的地址的校验和过滤,以及提供可靠的信息传输,使网络层成为一个无差错的数据通道。

C EB us 的介质多重访问采用C SMA/CD CR 机制。

网络层管理网络拓扑结构并处理高层优先级请求。

在CEBus 中网络层具有数据分段和流量控制功能。

网络层拓扑结构的维护功能主要由网络中的路由、路桥等基础设备所使用。

由于网络层已超然于传输介质之上,所以有信息的跨介质传输问题。

又因为CEBus 覆盖了多种物理传输介质,既包括有线的也包括无线的。

所以它有路桥(Brouters)的概念。

(下转第43页)8 仪表技术2002年第3期说,设备网是这三种类型中最好的一种,而以太网是最差的。

对于大尺寸数据来说,控制网与以太网都比设备网好一些,设备网的效率只有58%,控制网与以太网的效率几乎接近98%。

对于控制系统来说,数据通常是小尺寸的。

因此,以上的分析表明尽管设备网的传输率较低,但它仍然更可取。

但是,在做出决定之前,必须对网络的平均和总的时间延迟以及流量进行检查。

图4 三种网络在不同数据大小下的传输时间比较图4和图5中曲线的突变是由数据的分段引起的,以太网,控制网和设备网的最大数据尺寸分别是1500字节,504字节和8字节。

图4中对应于小尺寸的以太网曲线图中水平部分是由于最小数据尺寸46字节要求。

图5 三种网络在不同数据大小时的编码效率比较参考文献:[1]Charles E.Spurgeon.Practical Networking wi th Ethernet [M ].International Thomson Computer Press,1997.[2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M ].北京:清华大学出版社,1999.[3]邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计[M ].北京:北京航空航天大学出版社,1996.(许雪军编发)(上接第8页)4 应用层CEBus 应用层由信息传输部件和公共应用语言组成。

4.1 信息传输部件信息传输部件的主要功能:提供端到端的信息传输服务、信息加密以及身份验证。

由于网络层具有信息分段功能,因此对这一层传输的信息单位大小没有限制。

信息传输部件提供了传输公共应用语言信息的4种服务类型:隐式调用;显式调用;条件调用;显式重发。

4.2 公共应用语言公共应用语言是CEBus 专为设备之间相互通讯而设计的面向对象的应用控制语言。

它以开发商定义的上下文数据模型(Context Model)为基础。

各种各样的上下文数据模型是构成公共应用语言的基石。

每一个上下文数据模型代表一个消费电子设备(如灯开关)或者代表电子产品的某项主要功能(如计时)。

4.3 上下文数据模型结构目前存在多个上下文数据模型组,如:照明组、环境组、安全组等。

每一个组称为上下文数据模型类;每一个类是由各种对象组成的。

这些对象代表了设备的特征或资源;而每一个对象包含各种事例变量,这些事例变量代表了资源的某些特征。

除此以外在公共应用语言中还包含了一个方法集对各种上下文数据模型对象进行操作。

例:图5为一个模型结构事例。

其中,照明、环境为两个上下文组。

照明组由灯光、光场景等上下文类组成;灯光类由光等级、特征选择等上下文对象组成,而光等对象由步长、电流值等事例变量组成。

同样环境组也有类似照明组的层次结构。

图5 上下文数据模型结构层次图5 结束语CEBus 以其简便的协议、日臻完善的技术正日益成为消费电子设备互操作的企业标准。

CEBus 通讯的低层功能已实现了芯片化,所以接入设备比较便宜。

目前,市场上此类芯片有LM1893、ST7536、SSC P300、SSC P485、CE Way ∀等。

随着载波通讯技术的进一步成熟,C EB us 将在仪器仪表、家庭自动化、智能楼宇建设、智能小区建设以及工业厂区建设中得到更为广泛的应用。

(许雪军编发)43 2002年第3期仪表技术。