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解析消费总线技术

    智能家庭要求家用电器经网络（总线）实现互联，总线协议是其精髓所在。目前，国际上占主导地位的家庭网络标准有美国的X10、消费总线（CEBus）、日本的家庭总线HomeBust和欧洲的安装总线（EIB）。
    1. CEBUS简介
    CEBus是专门为家用电子产品通讯而制定的协议标准，又称作EIA-600协议。美国电子工业协会（Electronics Industry Association，EIA）联合其他厂商于1989年制定出一套家庭自动化控制规格的初步草案并在1992年发布，命名为CEBus（Consumer Electronic Bus），目标是建立一个针对家用电子产品的开放性协议；开发一套通用的、廉价的、与制造厂家无关的通讯方法；允许用户以很小的代价实现在系统中加入新的家电产品；减少家用电子产品设备功能的冗余。1997年，CEBus的EIA-600正式成为美国ANSI标准。 
    参与研究开发CEBus的公司多达几百个，像Microsoft，IBM，Compaq Computer Corp，AT &T，Bell Labs，Honeywell，Panasonic，Sony，Thomson Consumer Electronics，Leviton，Pacific Gas & Electric等都是它的会员。 
    CEBus是一个较完整的开放系统，它定义了在几乎所有传送媒体（如电力线、双绞线、同轴电缆线、光纤、红外线和无线电）中信号的传输标准，并要求控制信号在所有的媒体中都要以相同的传送速度（lOKbps）传送，从而有效地避免信号传输中可能出现的“瓶颈”问题，任何符合CEBus标准的电器产品都可以直接互联及通信，其寻址能力超过40亿，足以与互联网相媲美。美国电子工业协会拥有CEBus的商标，但在CEBus步出实验室走向市场时，改由一个名为CIC（CEBus Industry Council）的非盈利机构来主导，目前CIC对于厂商使用CEBus商标并无任何限  制。
    消费总线网络拓扑结构灵活，可以是总线型、星型、树型或混合型。总线中的每个节点的地位是平等的，不需要主控设备。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是采用冲突检测和冲突解决（Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection and Resolution，CS MAICDCR）。网络中各节点的控制关系通过绑定来实现，从而使整个家庭中的电器系统能成为一个智能的整体。
    2. CEBus技术
    1）模型 
    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。其系统模型如下图所示。 
    下图的节点模型中，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。
图：CEBus节点模型
    2）CAL简介
    CEBus在应用层定义了一种面向对象的、严格的设备描述语言CAL（Common Application Language EIA721），简称公共应用语言[1]，其内容涵盖了家庭中可能拥有的家电。公共应用语言采用了面向对象的方法，把任意一个家电设备按照功能分解成几个预定义的对象模型。在面向对象的编程语言中，一个对象由数据和操作这些数据的函数组成。在消费总线中，这些对象也由数据（称为实例变量）和操作（称为方法）组成，不同的设备可以采用相同的对象、用相同的方法操作，但是控制结果随设备的不同而有不同的意义。
    CAL用一种层次关系描述设备的功能，如下图所示。一个设备可以分成几个上下文，它们代表了这个设备按照功能划分的子系统。上下文又被分为几个对象，每个对象代表了上下文中的一种控制功能。对象分为若干类，每一类代表一种共有的功能。CAL预定义了27个对象模型。例如，类号为07的对象是模拟控制对象（Analog Control Object），它可以用来代表音量控制、温度调节或调光器。一个对象的具体功能完全由他所属的上下文决定。它们包含一定数量的实例变量，每个对象都能够解释执行方法，更新实例变量并完成实际操作。
图：CAL的层次关系
    3. CEBUS的层系统
    1）CEBUS的物理层通讯
    消费总线使用五种类型的介质（电力线、无线、红外、双绞线和同轴电缆），其中以电力线的应用最为广泛。鉴于家庭中电力线载波通讯的特殊性，CEBus在以电力线作为物理层的传输介质时采用扩频载波（spectrum spread carrier）通讯来实现控制流。扩频通讯的理论基础是信息论中的香农理论。香农关于噪声信道的主要结论是：任何带宽为WHz、信噪比为S/N的信道，其最大传输速率C为：
C=W×log2(1+S/N)，式中C-最大传输速率，N-噪声功率，W-带宽，S-信号功率。
    这一公式表明，相对于在信道中所存在的信噪比而言，一条信道差错传递信息的能力与传输信息所用的带宽之间所具有的关系。由此可得，为了获得同样的信道容量（用信息速率表示），信号带宽与共信噪比的对数成反比，即信号带宽越宽，则所要求的信号信噪比就越低，甚至信号淹没在噪声之中也能实现可靠通信。
    CEBus在电力线上有四种编码，分别是：“0”、“1”、“EOF”和“EOP”。它们都是扩频扫描范围为100-400kHz的线性扫频chirp信号：从203kHz经过19个周期线性变为400kHz，再在1个周期内变为100kHz，然后在5个周期中变为203kHz，整个时间长度为100μs，也就是1个UST。其波形图如下：
图：CEBus的线性扫频chirp信号
    这种chirps波形具有很强的自相关特性和自同步性。这种逢相关性决定了所有连接在网络上的设备都可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形。
    CEBus物理层的数据帧由帧头、数据体和CRC校验和组成。帧头与数据体内编码有所不同，编码方式如表1所示。
表1：CEBus的物理层编码长度
    帧头用来解决多机共享信道时的竞争问题。没有扫频信号的状态称为劣态（Inferior State），有扫频信号的状态称为优态（Superior）。如果一个节点发送了劣态（实际上什么也没有发送），而它同时却收到了优态，那么就检测到了竞争。这个过程发生在帧头中，所以不会造成数据的丢失。通过这种类似与逻辑中的“线或”方法，对解决通讯信道的竞争有着重要的意义。优态还有两种相反的相位，分别记做φ1和2。为了便于检测，在帧头中，每一个UST是114μs，但是扫描的时间并不变。所有的优态都采用φ1，在帧头中采用振幅移位键技术，优态和劣态交替出现，其中优态仅仅使用第一种相位。优态和劣态统称为某一种状态，某一状态的持续时间就代表了码元，无论是优态或者是劣态都可以代表0或者1。帧头的波形如下图所示，它的编码是1101。
    ■  浙江大学系统工程研究所[Page]
图：帧头的波形图
    在数据体中采用反相键控技术，没有劣态，而是两个相位交替出来，类似于四种码元通过某一个状态持续出现的次数来代表。数据体的波形如下图所示，它的输出是1101。
    2）CEBus的数据链路层
数据链路层的功能是使有噪音和干扰的数据通道看起来成为一个无差错后数据通道。
    CEBus的介质多重访问采用CSMA/CDCR机制，从而使得各节点可以高效地使用通讯信道。CEBus数据包（packet）有三种优先级：高、普通、低，可满足不同的控制信息对时间的要求。数据链路层中每帧最短11字节，最长41字节。最长的发送时间大约是55ms，典型的控制命令只要10ms就可以完成。
    CEBus的数据链路层只提供面向无连接的服务，根据数据帧中是否含源节点地址和是否要求响应分为四种类型服务。这四种类型的服务根据通讯的可靠性依次为：
（1）无地址无响应（UNADD_UNACK）；
（2）带地址无响应（ADD_UNACK）；
（3）无地址要求响应（UNADD_ACK）；
（4）带地址要求响应（ADD_ACK）。
    其中常用到的类型是带地址要求响应型；无响应的服务主要用于广播，并且在数据链路层采用多次重发的机制，可以提高无响应服务的可靠性。
研究表明，在家电控制这种轻负载的网络条件下，CEBus的通讯效率是很高的。
    4. 结束语
    个人计算机正在成为家庭中工作、通信、教育和娱乐的强大平台。与此同时，几乎在一夜间，Internet逐渐成为信息交流的基本方式之一。正如把户外的信息和宽带娱乐资源（如Internet和有线电视）高速接入的需要不断增加一样，在家庭里，把家电设备进行数字化连接的需求也在迅速增长。当然可以通过局域网来实现家庭内部的连接，然而在家中布置一个局域网成本太高，布线也比较复杂。于是，人们设计出利用现有的电话线或者电力线来完成简单、高速和廉价的家庭网络。家庭网络的兴起和推广应用将会带来一场家电市场的革命。    
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-P485、CEWay-Ⅲ等。随着载波通讯技术的进一步成熟，CEBus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。