EIB总线协议研究刘威南昌航空工业学院电子工程系 (330063)E-mail: anew_flyfree@摘 要：简要介绍了EIB（European Installation Bus）系统的概念、拓扑结构、通讯协议、通讯媒质、以及EIB网络管理和寻址。

并对欧洲安装总线的层次进行了分析。

关键字：EIB（欧洲安装总线），网络拓扑，通讯协议，网络管理与寻址，OSI参考模型传统的电气安装技术中，各个功能模块有各自的系统，这就造成大量的线缆敷设，大量的管线不仅使安装调试工作复杂，还相应带来一系列问题：安装时间和调试时间增长；可靠性降低；火灾风险加大；不同系统难以兼容；运营和维护费用较高；建筑物使用功能变化时相应改动困难等等。

所以面对现代建筑所要求的方便性、经济性、灵活性、安全性、兼容性和功能多样性，传统的电气安装技术已不能完全满足其要求，随着人们生活水平的提高， 计算机和信息技术的发展，人们对家庭楼宇的智能化、网络化、个性化的需求越来越高。

最新的传感技术、微处理器技术、总线技术、计算机及网络技术都可以找到用武之地。

家庭楼宇自动化系统的发展可以说经历了三个阶段：最初，温度、照明等被控量往往由各个独立的电气自动化设备进行调节；第二阶段，总线技术得到广泛应用,各种设备构成一个集散控制系统；当前，随着Internet技术的飞速发展，家庭楼宇自动化技术与网络迅速集成，实现了设备的远程监控。

新型的家庭楼宇自动化系统比较理想地满足了人们对高质量生活的需求。

它体现出来的优越性主要有：总线制使设计师工作更加快捷简便；电缆根数大大减少，安装更加简易；施工和安装完成时间减少；结构简单使火灾风险降低；维护简单；适应房屋功能变化，易于扩展，无须对现有电缆改动；最大限度降低能源费用。

1. EIB协议概况1990年5月8日，由110多个欧洲电气制造商联合成立了EIBA(EIB Association,欧洲安装总线协会)[1]，总部设于比利时的布鲁塞尔，并制订了欧洲安装总线规范European Installation Bus。

EIBA会员占据了欧洲楼宇、家庭自动化设备销售额的80%。

EIB系统在欧洲被称为European Installation Bus，即欧洲安装总线。

在亚洲则是指Electrical Installation Bus，即电器安装总线。

鉴于其优秀表现，该协议已被美国消费电子制造商协会（CEMA）吸收作为家庭网络EIA-776标准[2]。

经过十多年的发展，EIB不仅成为事实上的欧洲规范，并在2000年在IEC国际现场总线标准大会上提名为国际标准之一。

欧洲设备安装总线协议专注于楼宇家居管理，这就使得它完全并有效的处理该领域的所有的任务以及挑战。

EIB是一个覆盖了所有楼宇自动化特点的开放，全面的系统。

尽管标准的总线访问单元（BAU）可以从许多公司获得，但EIB是一种规格，而不一种设备（如芯片或收发器）。

所以EIB是一个以用户为导向，具有开放性、互操性和灵活性的现场总线。

它具有分布性、互操性、灵活性等特点[3]。

2. EIB网络拓扑EIB网络是一个完全对等（peer-to-peer）的分布式网络。

可容纳多达65536个设备。

接1入网络的每个设备具有同等的地位。

其网络拓扑参见图1。

从图中可以看出，网络采用了域（Domain）、区（Area）、线（Line ）的分层结构。

每一条Line上最多可以连接255个设备；一个Area 内最多可容纳15条Line； 而一个Domain 则可容纳15个Area。

在开放媒介中的互相邻近的Domain在逻辑上用16位的SystemID区分。

耦合器不需要预留地址。

（255*16）*15+255=61455终端设备可接入一个EIB网络。

连接通过特殊的线耦合器（Line Coupler） 和区耦合器（Area Coupler）实现。

相应的设备的地址也分为区地址（4位）、线地址（4位）和设备地址（8 位）。

从网络结构角度看， 独立的、分散的、单体测量与家用电器仅仅是EIB的一个分布式网络节点，任何一个网络节点的失效都不会使系统瘫痪， 同时避免因信息量过大而形成的控制中心瓶颈问题。

因此,EIB具备高度自治的优良特性。

图1 EIB网络拓扑3. EIB OSI通讯协议[4]EIB通信协议栈的结构遵循OSI Reference Model。

这可从它的数据帧结构反映出来。

物理层和链路层显然要依赖于物理媒质的特性，对媒质访问控制，EIB通过带有优化的冲突避免（CA）的载波侦听多路存取（CSMA）以控制媒质接口；该精确的机制在某个特定的传输媒质可得到最大的优化。

网络层通过网络协议控制信息（NPCI）控制跳跃数；传输层的逻辑通讯关系包括一对多无连接（ 多终点组传输）、一对所有无连接（ 广播）、一对一无连接、一对一导向连接， 它提供了地址与抽象内部表达之间的映射通讯访问标识符（cr-id）；所有的服务都以透明的映射方式通过了保留的会话层和表达层。

应用层实现了EIB网络用户/服务器管理的API( 应用程序接口)功能，应用层把组通信访问标志符（cr_id）分配到组通信对象（或共享变量）的本地实例中以完成收（ 一对多）和发（ 一对一）功能。

4. 通讯媒质[4]EIB 通讯协议支持的通讯媒质包括双绞线、输电线、无线频率传输。

EIB双绞线自由拓扑结构成本较低，控制逻辑0 的位级别冲突检测提高传输的可靠性，每个双绞线物理段可长2达1000米； EIB无线频率传输由不同载波频率作物理区分，在空旷的地方传输距离约为300米；EIB输电线运用新型扩展频率调制技术，通过相应数量的匹配筛选，保证足够多的可靠工作的组寻址通信。

媒质访问由报文头序列和随机的重传时间间隔控制的。

两个设备间的最大传输距离为600米（不考虑安装过程中的电磁污染）。

对单个媒质来说，EIB媒质访问控制得到了高度优化。

可用的实现媒质进一步优化了收发性能和减少成本。

5. EIB网络管理和组寻址5.1 网络管理EIB通过联合点对点（peer-to-peer）和广播通讯实施对网络资源的管理。

通过广播通信，为每一个设备分配一个唯一的物理地址。

以后，该物理地址被用来点对点通信。

通过寻址，作为一个本地EIB管理状态控制和可视化的机制可能对EIB分布式对象进行无连接访问。

5.2 组寻址EIB支持完全多址寻址（组）寻址。

完全意味着：EIB并不限于组设备中，每个设备可单独公布几个变量，也就是组通信对象，这些对象可以独立于其他对象编组，使之成为网络有效共享通信对象。

此外，分布式对象的属性也可以作为共享的变量发布。

正如上面在以组为导向的EIB通信栈的描述中，一个共享变量可以完全双向读写。

因此，所有设备可以主动发送多址通讯帧。

6. 数据格式与交互工作EIB数据帧可携带多达14个字节，EIB指定的基本数据格式包括：布尔型（1bit）、无/有符号短整型（16bit）、无/有符号长整型（32bit）、浮点型（16bit）、IEEE 浮点型（32bit）、日期型（24 bit）、时间型（24bit）、控制型（4bit）等等。

几乎为所有的物理量都定义了标志符，例如温度，长度，速度，能量，功率等等。

类型信息主要用在配置阶段：为了更好的性能和避免不必要的设备联合的限制，类型信息不被传输。

这些基本数据类型的属性被编组为分布式对象，通过网络来访问。

EIB交互工作标准（EIS）为楼宇自动化建筑的各个领域提供了一个标准，例如灯光（明暗控制）, 时间和事件管理（日程安排处理器，事件处理器）。

7. EIB总线协议的层次分析[5]欧洲安装总线所使用的通信模型是基于OSI参考模型[6]。

参考模型见图2。

通过OSI参考模型可以把你的产品通信能力扩展到你要实现的应用中去。

EIB通信系统可以被分成不同的组织层。

由于这些分离的组织层，所以就与其它系统的互连和通信来说，有许多优点。

你可以去掉EIB通信系统的顶层（例如应用层）并且取而代之为你自己的应用程序。

换句话说，你可以更换底层以改变传输媒质。

层与层之间的分离是由软件模块实现的，仅有物理层由硬件实现。

这些层通过消息机制与临近的层通信。

因为通信发生在操作系统中，所以应用程序不能直接访问层之间的通信。

总线上的报文开始于物理层，结束于应用层。

另一种报文传输机制是从应用层开始直到物理层。

不是所有的OSI模型七层都体现在EIB总线上。

它不包括会话层和表达层。

3图2 EIB通信的OSI参考模型7.1 物理层物理层控制和实现物理的比特流在介质中的传输。

EIB协议允许多种不同的介质，如双绞线，电力线，RF等等。

这里讨论的最常用的双绞线通信的物理层规范，在双绞线系统中，EIB采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance 带冲突避免的载波侦听多路存取）机制。

在CSMA/CA机制中，若一总线应用单元（BAU）已经开始发送信号，则系统禁止其他总线应用单元占用信道，避免信号发生冲突。

若两个总线应用单元同时发送信号，以终端总线节点的优先级决定信道的使用。

起始信号用来解决多机共享信道时的竞争问题。

起始信号为1的状态称为劣态（Inferior State）,起始信号为0的状态为优态（Superior）。

信道竞争过程发生在帧头中，所以不会造成数据的丢失。

如果多个总线节点同时要传送数据，总线节点侦听总线状态，当一个劣态的总线节点检测到优态状态时，它就停止传递，具有较高优先级的设备占用信道。

低优先级的总线节点保持侦听网络，等到信号传输结束后再传输数据。

7.2 数据链路层在EIB系统数据链路中，二进制数据结合起始和结束标志位组成数据帧。

数据链路层同时还要处理接受数据后的应答。

一个字符由一个起始位（0-bit）、八个数据位、一个优先级标志位以及一个停止标志位组成。

两个相邻的字符之间有一个2bits长的间隔。

传输的数据是从字节的最低位（the Least Significant Bit,LSB）开始，到最高位（the Most Significant Bit,MSB）结束的。

一个数据包包含若干个字符，最后一个字符是一个校验字节，采用位模式的奇校验方式。

如果发送结束，被寻址的总线设备会在13个bit的间隔之后发送一个应答字符。

如果有多个节点被寻址，则这些节点会完全同时发送这个应答帧，但是在总线上只有一个应答帧是可见的。

如果一个设备接受失败，则会发送一个负的应答帧（INAK），接受正确的节点发出的是一个正的确认（IACK）。

IACK可以覆盖所有的IACK。

发送方收到一个INAK时会重新发送。

应答帧是4没有地址信息的，因此发送方并不关心一个还是多个组成员没有接收到报文。

EIB数据链路层中的数据包具有一定的优先级。