现场总线A4总结1.doc

现场总线:现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。IEC对现场总线的定义:现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。/涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术。现场总线的特点和优点结构特点：由于采用智能现场设备，能够把DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，在现场直接完成采集和控制。由于不需要其他的模数转换器件，且一对电线能传输多个信号，因而简化了系统结构，节约了设备及安装维护费用。FCS与DCS的对比：1结构：FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号。DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。2可靠性：FCS: 可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高；DCS: 可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰。3失控状态：FCS: 操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的远程监视与可控状态之中；DCS:操作员在控制室既不能了解模拟仪表的工作状态，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控”状态。4互换性：FCS: 用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连；DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准(4-20mA DC)，可大部分参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表互换难度较大。5仪表：FCS: 智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算的能力；DCS: 模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能。6控制：FCS: 控制功能分散在各个智能仪表中；DCS: 所有控制功能集中在控制站中。技术特点：系统的开放性：通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。互可操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性。优点：节省硬件数量与投资、节省安装费用、节约维护开销、用户具有高度的系统集成主动权、提高了系统的准确性与可靠性。现场总线网络的实现：制定标准时参照OSI七层协议标准/大多采用第1层(物理层)、第2层(数据链路层)和第7层(应用层)，并增加第8层用户层。/物理层：定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等/现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。前者采用基带传输，后者采用频带传输。传输介质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。数据链路层:分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；LLC对数据链进行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是主站，也可以是从站。/MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和总线仲裁协议。应用层:分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务；现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接。用户层：定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功能模块”。企业网络信息集成系统的层次结构：统一的企业网络信息集成系统应具有三层结构，从底向上依次是：过程控制层(PCS)、制造执行层(MES)、企业资源规划层(ERP)。过程控制层：依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制等功能。智能转换模块对传统检测仪表的电流电压进行数字转换和补偿。过程控制层的拓扑结构：环形网：时延确定性好，重载时网络效率高；总线网：成本低，时延不确定，重载时效率低；树形网：可扩张性好，频带较宽，但节点间通信不便；令牌总线网：物理上是总线网，逻辑上是令牌网。制造执行层：从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，还包括控制组态的设计和下装。通过总线接口转换器实现现场总线网段和以太网段的连接。企业资源规划层：在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。首先将中间监控层的数据库中的信息转入上层关系数据库中，使远程用户能通过浏览器查询网络运行状态，对生产过程进行实时的远程监控；对数据进行进一步的分析和整理，为相关的各种管理、经营决策提供支持，实现管控一体化。现场总线与数据局域网的区别：用途不同：现场总线主要用于对生产、生活设备的控制；数据网络主要用于通信、办公，提供文字、声音和图像等数据信息。技术要求不同：现场总线要求具备高度的实时性、安全性和可靠性，网络接口尽可能简单，成本尽量降低，数据量一般较小；数据网络则需要大批量数据传输和处理。现场总线与上层网络的互联：第一种方式：采用专用网关完成不同通信协议的转换，把现场总线网段或DCS网段连接到以太网上。第二种方式：将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机插槽上，在PC机内实现数据交换。第三种方式：将Web服务器直接置入PLC或现场总线设备内，借助Web服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互。现场总线网络集成应考虑的因素：控制网络的特点（适应工业控制应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好；网络传输的使测控数据及其相关信息，短帧，传输速率低）、标准支持(国际、国家、地区、企业标准)、网络结构（介质、拓扑结构、节点数等）、网络性能（传输速率、时间同步准确度、访问控制方式等）、测控系统应用考虑、市场及其他因素。现场总线简介：基金会现场总线（以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，介质支持双绞线、光缆和无线发射，传输信号采用曼彻斯特编码）。Profibus现场总线（德国国家标准和欧洲标准；参考模型也是ISO/OSI模型；传输介质为双绞线、光缆）。LonWorks（采用ISO/OSI模型的全部七层协议；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频等多种介质；）CAN（是控制器局域网的简称，采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层；传输介质为双绞线；采用短帧结构传输，传输时间短，受干扰的概率低；）HART（即可寻址远程传感高速通道。特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的工业过程控制的过渡性产品）。总线与总线段：总线是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。一组设备通过总线连接在一起称为总线段。总线的基本概念：总线主设备：可在总线上发起信息传输的设备；总线从设备：不能在总线上主动发起通信，只能挂在总线上，对总线信息进行接收查询；总线协议：管理主、从设备使用总线的规则；总线操作：总线上命令者与响应者之间的“连接-数据传送-脱开”这一操作序列称为一次总线操作。寻址：物理寻址：用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者；逻辑寻址：选择从设备与位置无关；广播寻址：用于选择多个响应者。总线仲裁：用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。某一时刻只允许某一主设备占有总线，等到它完成总线操作，释放总线占有权后才允许其他总线主设备使用总线。总线定时：总线通过定时信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的。模拟信号与数字信号：随时间连续变化的信号称为模拟信号，随时间离散变化的信号称为数字信号。码元：时间轴上的一个信号编码单元称为码元。信源、信宿和信道：在数据通信中，通常将数据的发送方称为信源，数据的接收方称为信宿，在信源与信宿之间传输数据的通道称为信道。通信方式：按照字节使用的信道数，数据通信可以分为串行通信和并行通信两种方式。按照数据在传输线路上的传输方向，可分为单工通信、半双工通信和全双工通信三种方式。性能指标：传输速率是衡量数据传输有效性的指标。指通信系统每秒传送的数据量。工业中常用的标准数据信号速率为：9600bps, 500Kbps, 1Mbps, 2.5Mbps, 10Mbps, 100Mbps。比特(bit)率S指单位时间内所传送的二进制序列的位数，单位：bps波特(Baud)率B - 指信号经过调制后的传输速率，即每秒钟传输的脉冲（波形）信号个数（通过信道传输的码元数）。- 1Baud表示每秒钟传送一个码元或一个波形。- 比特率和波特率之间的关系为： T为发送一位代码的最小单位时间,T=1/B，n为一个脉冲信号所表示的有效状态数，当n=2时，S=B。误码率Pe指二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，又称为出错率。其定义为： 其中，N为传输的二进制位的总数，Ne为被传错的比特数。理论上N趋尽无穷，实际应用中，N应足够大才能把Pe近似为误码率。通信信道的频率特性描述通信信道在不同频率的信号通过以后，其波形发生变化的特性。分为幅频特性和相频特性。幅频特性指不同频率信号通过以后，其幅值受到不同衰减的特性；相频特性指不同频率的信号通过信道后，其相角发生不同程度改变的特性。理想的频率特性是对不同频率产生均匀的幅频特性和相频特性。信号的频率在信道带宽范围内，则传输的信号基本不失真，否则信号的失真将较严重。传输线路上存在的电阻电感和电容会造成信道的频率特性不理想。介质带宽：频谱：通信系统中所传输的数字信号可以分解为无穷多个频率、幅度、相位各不相同的正弦波。信号所含频率分量的集合称为频谱。带宽：频谱所占的频率宽度称为带宽。有效带宽：有效频谱的频带宽度。信道带宽是指物理信道的频带宽度，即可传送信号的最高频率与最低频率之差，单位为赫兹(Hz)（单个矩形脉冲的频谱覆盖了整个频率范围，所以矩形信号的绝对无失真传输是不可能的）如果介质带宽小于信号的有效带宽，信号就可能产生失真而使接收端难以正确辨认。当传输速率升高时，信号的有效带宽会随之增加，因而需要传输介质具有更大的介质带宽。即传输介质的带宽会限制传输速率的增高。信道容量指在某种传输介质中单位时间内可能传送的最大比特率，即该传输介质容许的最大数据传输速率(bps)。按照Nyquist定理，若信号由V级离散值组成， ，L为信号所含比特数，W为带宽，则信道容量C为： 一般电话线带宽3000Hz，L=8时，即使无噪声，信道容量也不会超过48kbps。数据的传输速率应该在信道容量容许的范围之内。只要信号速率低于信道容量，总可以找到一个编码方式，实现低误码率传输。若实际传输速率超过信道容量，则无法进行正确传输。信噪比信号功率S与噪声功率N的比值称为信噪比。一般采用如下方法表示，单位为分贝dB 信道容量C跟信道带宽W和信噪比S/N之间的香农计算公式为： 由香农公式，提高信噪比可以增加信道容量。在信道容量一定时，带宽与信噪比之间可以相互弥补。若介质带宽W为3000Hz，当信噪比为10dB时，S/N=10，信道容量为： 若信噪比提高到20dB，即S/N=100时， 可见，信道容量随信噪比的提高增加了许多。延迟、抖动、吞吐量和丢包率延迟指将一个比特从一端传输到另一端所花费的时间；抖动指在同一条路由上发送数据包之间的时间差异；吞吐量指网络中发送数据包的速率；丢包率指在发送数据包时丢弃数据包的最高比例。数据传输方式：基带传输指在基本不改变数据信号频率的情况下，在数字通信中直接传送数据的基带信号。即按数据波的原样进行传输，不包含任何调制。是目前广泛使用的最基本的传输方式。信号按数据位流的基本形式传输，整个系统不需调制解调器，使得系统价格低廉；可采用双绞线或同轴电缆、光缆作为传输介质，传输介质相对宽带较为便宜；可达到较高的传输速率(一般为1-10Mbps)，但传输距离一般不超过25公里。频带传输：指先用数字信号对载波进行调制，然后进行传输的传输模式。最基本的调制方式有：幅值键控(ASK)，频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。在载波传输中，发送设备首先要产生某个频率的信号做为基波来承载信息信号，这个基波就称为载波信号，基波频率称为载波频率。然后按上述三种方式改变载波信号的幅值、频率、相位行程调制信号后发送。宽带传输使用射频(RF)模拟脉冲，其中，信号被调制到不同频率范围。应用于传输图像文字语音等大数据量信号。与基带传输的主要区别为：数据传输速率不同，基带网的传输速率范围为0-10Mbps，宽带可达0-400Mbps；宽带可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径。数据同步方式：同步：接收端要按照发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据。在通信时，接收端要校准自己的时间和重复频率，以便和发送端取得一致，这一过程称为同步过程。信息传输的同步方法分为 异步传输、同步传输。异步传输又称起止同步方式。它在传送的字符之前设置一个起始位，在信息代码结束后设置1-2位的终止位。在起始位和停止位之间，形成一个需要传送的字符；起始位起到了使该字符内各比特同步的作用；各字符互不同步，字符的间隔是任意的；一个字符的传送时间由起始位和终止位之间的时间来决定。同步传输：同步传输时，需在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾，使得接收方能判定数据块的开始和结束。加有帧头和帧尾的数据称为一帧。在同步传输中，所有设备都使用一个共同的时钟，所有传输数据位都和该时钟信号同步，接收方利用时钟跳变来决定什么时候读取一个输入的数据位。同步传输可用于一个单块电路板元件之间的数据传输，也可用于30-40cm甚至更短距离的数据通信，对于更长距离的数据通信，同步传输代价较高，因为它需要一条额外的线来传输时钟信号，并且容易受到噪声干扰。同步式优点：效率高，一般在高速传输数据的系统中采用同步式。异步式优点：实现简单，频率漂移不会积累。但缺点是线路效率低，每个字符都占用2-3各位的开销。数据调制与编码：数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。模拟数据编：分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0,1状态的编码方式。数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0,1状态的编码方式。单极性码：逻辑1为高电平，0为低电平；双极性码：逻辑0为负电平；归零码(RZ)：每一位传输后均返回0电平；非归零码(NRZ)：整个码元时间内维持有效电平。在基带传输中，数字信号的编码方式主要有3种：不归零码：缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器，不具备自同步机制，必须使用外同步。曼彻斯特编码：用电压变化表示0和1；时间被划分为等间隔的小段，每小段代表一位。每段分为两半，前半段传送位的反码，后半段传送位本身。具有内在时钟信息，无需外同步信号。缺点是需要双倍的传输带宽。差分曼彻斯特编码：用码元开始处有无跳变来表示0和1，有：0，无：1。/模拟数据编码采用模拟信号来表达数据0和1。按照改变幅度、频率和相位三个参数可分为幅度键控ASK，频移键控FSK和相移键控PSK三种方法。多路复用技术：当传输介质的带宽超过了传输单个信号所需的带宽时，就通过在一条介质上同时携带多个传输信号的方法来提高传输系统的利用率，即多路复用。多路复用提高了信道的利用率。通常有：频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用等。频分多路复用(FDM)是将具有一定带宽的信道分割成若干个有较小频带的子信道，每个信道供一个用户使用。这样，在信道中就可以同时传送多个不同频率的信号。FDM适用于模拟信号传输。时分多路复用(TDM)是将一条物理信道的传输时间分成若干个时间片轮流地供多个信号源使用，每个时间片被复用的一路信号占用。这样，当多路信号准备传输时，一个信道就能在不同的时间片传输多路信号。TDM适用于数字信号传输。波分多路复用(WDM)是频率分割技术在光纤介质中的应用，主要用于全光纤网组成的通信系统中。是指在一根光纤上能同时传送多个波长不同的光载波的复用技术。数据交换技术：数据交换是指按照某种方式动态地分配传输线路的资源。在交换型通信网络中，从一个站进入网络的数据通过从节点到节点的交换，被选径送往目的地。实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换。电路交换：两个用户建立通信时，首先建立一条临时的专用线路，用户通信时独占这条线路，不与其它用户共享，直到通信一方释放这条专用线路。电路交换的步骤分为：建立电路、数据传送和切断电路。报文交换：中转节点先把收到的信息存储起来，等到信道空闲时再转发给下一个节点，数据经过多个中转节点的存储转发，最终到达目的节点。分组交换：先把要传输的报文分成若干个小的数据块，成为分组，然后以分组为单位按报文交换方式进行传输。差错产生的原因：噪声；传输失真：信号传输时的幅度衰减、波形畸变及收发端失步等；载波干扰：由于载波的振幅、相位和频率发生抖动；传输反射干扰；线间串扰：相邻信号线间电磁感应引入干扰；静电干扰。错误分类：单个错、突发错（数据传输中的主要出错）差错控制的目的：保证所有的帧按顺序、正确发送到目的主机。解决两个问题：如何检测出错；发现错误后，如何纠正错误。常用的差错控制方法是差错控制编码，包括检错码：码字只有检错功能，接收方只能判断数据块有错，但不能确切知道错误的位置，从而也不能纠正错误。纠错码：码字具有一定得纠错能力，接收方能够检错并判断出错误位置，这时只需将出错位取反即可获得正确数据。海明距离 两个码字的对应比特取值不同的比特数。编码集的海明距离 一个有效编码集中，任意两个码字的海明距离的最小值。或：在信息编码中，两个合法代码对应位上编码不同的位数称为码距，又称海明距离。 检错：如果要能检测出 d 个位差错，则编码集的海明距离至少应为 d+1。纠错：如果要能纠正 d 个位差错，则编码集的海明距离至少应为 2d+1。为了检测d个错误，需要海明距离为d+1的编码方案。因为此时，d个1位错误不可能将一个有效码字改编成另一个有效码字。当接收方看到一个无效码字的时候能判断出传输出错。为了纠正d个错误，需要海明距离为2d+1的编码方案。因为此时，合法码字之间的距离足够远，因而即使发生了d位变化，则还是原来的码字离它最近，从而可唯一确定原来的码字，达到纠错的目的。奇偶校验码：编码规则：将所要传输的数据码元分组，每一数据分组后添加一位奇偶校验位，使该分组数据码元和添加的奇偶校验位组成的码元中”1”的个数为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)奇偶校验码在实际使用时可分为垂直奇偶校验码、水平奇偶校验码和水平垂直奇偶校验码等几种。垂直奇偶校验码：检错能力：可检出某列(一字符)的所有奇数个错,检出率50%。水平奇偶校验码：发送时按列的次序进行，因此能发现长度n（每列长度）的单个突发错。水平垂直奇偶校验码：检错能力：可检出某行、某列的所有奇数个错；能发现大部分偶数个错；可以纠正不能同时满足行、列校验关系的一位错；不能检出某些互相补偿的偶数个错。校验和：发送：如以16位字为单位进行累加，再将最后累加和取“1补码” (即反码)，得该字符串的校验和，将校验和与数据一起发送。接收：当接收者收到该数据块后，同样以16位字为单位对各数据及校验和进行累加，若最后结果为全1，则正确，否则出错。可靠性：能够检测出绝大多数奇数个和偶数个数据位的变化。除非，一个16位字中的0变成1，而另一个16位字中的相同位置由1变成0。 说明：也可用“2补码”(即补码),此时接收校验累加应为0.海明码：一位错纠错编码，其码组长度、冗余校验位长度和码组中的最大数据位长度满足： n：码组位长度，r：冗余校验位长度，k：码组中的最大数据位长度。CRC校验(循环冗余编码)的工作原理：将要发送的数据比特序列当作一个多项式f(x)的系数，在发送方用收发双方预先约定的生成多项式G(x)去除，求得一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收端。接收端用同样的生成多项式G(x)去除接收数据多项式f(x),得到余数多项式。若计算出的余数为0，则数据传输正确。常用的纠错方法：重发纠错：当接收端根据编码检测出错误，或者接收超时时请求发送端再次发送，直到接收正确为止。自动纠错方式：接收端根据纠错码来判别并纠正错误信息。混合纠错：上述两种方法的综合，错误位数在接收端的纠错能力以内的则自动纠错，否则请求重发。流量控制：当通信流量超过网络最大传输能力时，网络吞吐量会下降，数据包丢失。流量控制是一种限制网络访问的机制。流量控制的基本原则是发送端的发送帧速率应不超过接收端接收帧的速率。流量控制方法：停止等待流量控制、滑动窗口流量控制。理想化的数据传输两个假定:1：理想的传输信道，所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。2：不管发送方以多快的速率发送数据，接收方总是来得及收下，并及时上交主机。停止等待流量控制优点：比较简单，缺点：通信信道的利用率不高。滑动窗流量控制：窗口机制：发送方和接收方都具有一定容量的缓冲区（即窗口），允许发送站连续发送多个幀而不需要等待应答。发送窗口是发送端允许连续发送的幀的序号表，发送端可以不等待应答而连续发送的最大幀数称为发送窗口的尺寸。接收窗口是接收方允许接收的幀的序号表，凡落在接收窗口内的幀，接收方都必须处理，落在接收窗口外的幀被丢弃。接收方每次允许接收的幀数称为接收窗口的尺寸。目的：对可以连续发出的最多帧数（已发出但未确认的帧）作限制。网络传输介质：指网络中连接收发双方的物理通道，常用的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维电缆、无线和卫星通信等。传输介质的主要特性包括：物理特性、传输特性、连通特性、地理范围、抗干扰性。双绞线既可以传输数字信号，又可以传输模拟信号。在电话系统和局域网中，双绞线得到了广泛的应用。可以分为屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线。分为1-6类：1类线：在电话系统中使用，只适合传输语音和低速数据，带宽268kHz;2类线：可用于语音和数字通信，最大速率为4Mb/s;3类线：目前电话系统的标准电缆，带宽16MHz,数据传输速率10Mb/s，主要用于10Base-T以太网;4类线：带宽20MHz,传输速率16Mb/s,主要用于10Base-T和令牌局域网；5类线：带宽100MHz,传输速率100Mb/s,主要用于10Base-T和100Base-T局域网；6类线：电缆由十字交叉中心将四对线分开，传输带宽可达250MHz。抗干扰性：取决于相邻线对的扭曲长度和适当的屏蔽。低频时抗干扰能力相当于同轴电缆。同轴电缆：基带同轴电缆：阻抗50欧，通常用来传输数字信号，速率最高可达10Mbps。粗缆的传输距离为500m, 细缆180m；宽带同轴电缆：阻抗75欧，通常用来传输有线电视模拟信号。其带宽可达750MHz以上，通常利用FDM技术。传输距离：基带电缆最大几公里，宽带同轴电缆最大几十公里。抗干扰性：高于双绞线。光纤物理特性：光纤为直径2-125um的导光介质；传输特性：传输速率可达几千Mbps。分为单模和多模两类。单模性能优于多模光纤；连通性：可以用于点-点连接和多点连接；地理范围：衰减极小，可在6-8公里内不使用中继器；抗干扰性：不受外界电磁干扰，误码率极低。光纤通信优点：传输信号的频带宽，通信容量大；信号衰减小，传输距离大。抗干扰能力强，应用范围广。抗化学腐蚀能力强，适用于一些特殊环境下布线。安全性好，信息不易被窃取。光纤通信缺点：成本高，连接时需要专用设备。串行通信通常需要在外设和计算机之间使用一条数据信号线和地线（可能还需要控制线），数据在一根数据信号线上一位一位的传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。优点：数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，缺点：传输速度比并行传输慢。需要使用UART进行并行/串行数据转换。异步通信数据传送以字符为单位，字符与字符间的传送是完全异步的，位与位之间的传送基本上是同步的。接收器和发送器有各自的时钟，它们的工作是非同步的。串行异步通信数据格式：起始位: 逻辑0电平。发送方在任何时刻将传号变成空号（即1跳至0），并持续1位时间表明发送方开始传输数据。与此同时，接收方收到空号后，开始与发送方同步，并期望收到随后的数据；数据位: 5-8位，紧跟在起始位后，是要被传送的数据。传送时，先传送低位，后传送高位；奇偶校验位: 占1位，奇效验或偶效验；停止位: 可以是1位、1.5位或2位，它一定是逻辑1电平。同步通信数据传送以数据块为单位，字符与字符之间、字符内部的位与位之间都同步。接收器和发送器由同一个时钟源控制。克服了在异步通信中，每传输一帧字符都必须加上起始位和停止位而占用的传输时间。保证串行通信有效性的方法：使用轮询或中断来检测、接收信息；设置通信帧的起始、停止位；建立连接握手；实行对接收数据的确认、数据缓存以及错误检查等。常用的串行通信接口标准：RS232：非平衡型接口，3线双工；RS422：二线差分平衡传输，4线双工；RS485：二线差分平衡传输，2线单工。RS-232 串行通信及其应用：是目前最常用的一种串行通信接口，由美国电子工业协会正式公布。用途是定义数据终端设备(DTE)与数据通信设备(DCE)接口的电气特性及它们之间的信息交换的方式和功能。接口包括25针和9针接口。RS232接口标准存在的问题：接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片；因与TTL电平不兼容，故需使用电平转换电路；最高传输速率为20kbps时，最远距离仅为15m；接口使用一根信号线和一根信号返回线构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；传输距离有限，最大传输距离标准值为15.24m，实际也只能用在50m左右。 RS-232逻辑电平”1”的传送电压：-3.-15V；逻辑电平”0”的传送电压：+3.+15V；电平转换芯片：MAX232。RS422：逻辑电平”1”的差分电压信号为+2500.+200mV；逻辑电平”0”的差分电压信号为-2500.-200mV；若差分电压信号为-200.+200mV则为高阻状态。RS485：逻辑电平”1”的差分电压信号为+2500.+200mV；逻辑电平”0”的差分电压信号为-2500.-200mV；若差分电压信号为-200.+200mV则为高阻状态；接口芯片：MAX485等。RS485终端电阻：当终端电阻等于电缆的特征阻抗时，可以削弱甚至消除信号的反射。特征阻抗：导线的特征参数，与导线的直径、绝缘类型、与其它导线的相对距离有关，与导线的长度无关。一般双绞线的特征阻抗为100-150欧；RS485能驱动32个终端。网络分层结构 原因：通信过程复杂。好处：各层之间相互独立, 相邻层间交互只通过接口，整个问题复杂度下降;结构上可分割开，各层都可以采用最合适的技术来实现;每一层功能简单, 易于实现和维护;某一层需改动时, 只要不改变接口服务关系, 其它层则不受影响。基本概念：协议：为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。接口：相邻两层之间的边界，在接口处规定了低层向上层提供的服务，以及服务所使用的形式规范语句(服务原语)。服务：某一层提供的功能，并能通过接口提供给其相邻上层。 网络体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合，是对网络及其组成部分所应完成的功能的精确定义。协议栈：网络各层协议按层次顺序排列而成的协议序列。数据实际传输过程：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。OSI参考模型为异种计算机互联提供的一个共同基础和标准框架。OSI参考模型提供了概念性和功能性结构，将开放系统的通信划分为7个层次，各层次的协议细节由各层次独立进行；分层原则为将相似的功能集中在同一层中，功能差别较大时分层处理，每层只对相邻的上下层定义接口。物理层：功能：在物理媒体上传输原始的数据比特流；内容：同具体的物理媒体有关，定义了设备间的物理接口及比特传输规则。数据链路层：功能：在相邻节点间无差错地传输一帧数据内容：寻址和封装加入头尾信息（如头部的源和目标的物理地址）；同步通知接收者开始接收帧数据；差错控制加入数据校验码；流控制协调收、发双方数据传输速率，以免收方缓冲溢出。网络层目的：数据链路层解决了相邻两直接连接节点之间的通信问题，不涉及数据经过通信子网中多个转接节点的通信问题。设立网络层的目的是要使报文分组以最佳路径通过子网到达目的主机，网络用户不必关心网络拓扑结构及所使用的通信介质，通过网络层的控制作用，实现不同网络之间的数据交换。主要功能：提供虚电路和数据报两种分组传输服务；分组转发和路由更新；拥塞控制。拥塞控制：当注入通信子网中分组太多，受限于处理能力和缓冲能力中间节点来不及处理，而导致网络性能大幅度下降的现象称为拥塞。可采用预先分配缓冲期资源、允许节点在必要时丢弃分组、限制进入通信子网的分组数等方法进行拥塞控制。传输层：传输层在源节点和目的节点之间提供端到端的可靠地传输服务。端到端指的是源节点和目的节点的两个传输层实体之间，不涉及路由器等中间节点。传输层具备功能：传输连接的建立和拆除、流量控制、拥塞控制、差错控制、网络服务质量的选择等。会话层：在传输层服务的基础上增加控制会话的机制，建立、组织和协调应用进程之间的交互过程；表示层：定义用户或应用程序之间交换数据的格式，提供数据表示之间的转换服务，保证传输的信息到达目的端后意义不变；应用层：直接面向用户应用，为用户提供对各种网络资源方便的访问服务。TCP/IP参考模型-模型结构：主机至网络层；互联网层主要功能是使主机可以把分组发往任何网络并使分组独立地传向目标；传输层功能是使源端和目标端主机上的对等实体可以进行会话，包含TCP和UDP两个协议；TCP：传输控制协议，面向连接的协议；UDP：用户数据报协议，是不可靠的，无连接协议。应用层。IEEE 802.3总线局域网网卡功能：网卡完成物理层和数据链路层的大部分功能，包括物理连接、介质访问控制（CSMA/CD）、数据帧的封装与解封、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编码与解码、数据的串、并行转换等功能。MAC地址：每块网卡上都有一个全球唯一的 MAC 地址，存放在网卡的站地址寄存器（PROM）中。MAC 地址是一个 48 位地址，前 24位是IEEE统一分配的网卡制造厂家标识号，后 24 位是生产厂家分配的网卡序列号，如 00-0F-B0-37-A4-E5；工作过程：当网卡收到一个目的地址为非本机的帧或有差错的帧时，它就丢弃该帧，并不通知它所在的计算机；当网卡收到一个正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机并交付给上一层。当计算机要发送高层交下来的数据时，就由协议栈向下交给网卡，组装成帧后，发送到局域网。介质访问方法：通过对介质访问的控制可以解决在同一时间上多个设备同时争用传输介质。在随机访问方式中常用的争用总线技术为CSMA/CD;在控制访问方式中常采用令牌总线、令牌环方式。CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)：需要发送数据时，首先需监听总线，以判断总线上是否存在其他站发送的信号。如果介质是空闲的，则可以发送；否则以某种算法等待一定时间间隔后重试。三种CSMA/CD坚持退避算法：不坚持CSMA：若介质是空闲的，则发送；否则等待一段随机时间再重复检测；1-坚持CSMA：若介质是空闲的，则发送；否则继续监听，直到介质空闲为止；p-坚持CSMA：若介质是空闲的，则发送；否则以概率p发送或以(1-p)概率延迟一段时间后重新检测。令牌访问控制方式：按一定顺序在各站点之间传递令牌，谁得到令牌谁有权发送数据。令牌环方式、令牌总线方式（特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网；应用：工厂自动化和过程控制 (适合总线状的装配线，并具有可预测的时延，能满足实时处理要求)）介质访问方法比较：CSMA/CD 优点：协议简单、安装容易、总线可靠性高，在局域网中获得了广泛应用。该协议给用户提供均等的访问权，在轻负载情况下，CSMA/CD有良好的延迟特性和吞吐能力。缺点：必须进行冲突检测，而且对最小帧长度有一定限制，因而对短报文存在带宽浪费现象。CSMA/CD随负载的增加，冲突增加，性能迅速下降。由于随机竞争发送和延迟等待，无法预知数据传输的最大延迟，又没有优先级，因此不适用于实时系统。令牌环优点：可使用多种传输介质，可采用全数字技术，支持优先级，支持短帧；将令牌环网做成星形环可自动检测和隔离电缆故障；在高负载下可以获得很高的传输效率。缺点：在低负载下时延较大；由于采用集中式控制，对监控站的可靠性要求较高。令牌总线优点：具有极好的吞吐能力，而且其吞吐量随数据传输速率增加而增加，并随介质饱和而稳定下降。它不需冲突检测，可以调节对介质的访问权，既可以公平地访问，又可以提供优先级，而且可以预知数据在网中的最大延迟，适用于实时系统。缺点：要进行逻辑环的维护，而且物理层规范复杂，在轻负载情况下可能要等待许多无用的令牌帧传递，从而减少了对信道的利用率。结论在很重的负载下IEEE 802.3局域网彻底不能用，而基于令牌的局域网则可达到接近于100的效率。若负载范围是从轻到中等，则三种局域网都能胜任。从市场情况看，以太网拥有最大的市场，而令牌总线网则很少使用。网络互联设备：中继器：对信号进行整形放大、重新复制，并将新生成的信号转发至下一网段或其他介质段。中继器使得网络可以跨越一个较大的距离，中继器两端的数据速率、协议(数据链路层)和地址控件相同。网桥：是一种存储转发设备，用来连接同一类型的局域网；网桥将数据帧送到数据链路层进行差错校验，再送到物理层，通过物理传输介质送到另一个子网或网段；它具有寻址与路径选择的功能，在接收到帧之后，要决定正确的路径将帧送到相应的目的站点；网桥可以连接两个采用不同数据链路层协议、不同传输速率、不同传输介质的网络。它要求两个互联网络在数据链路层以上采用相同或兼容的协议。路由器:网络层设备，根据IP地址决定转发；在路由器所包含的地址之间，可能存在若干路径，路由器可以为某次特定的传输选择一条最好的路径；当路由器的一个接收包的目标节点位于这个路由器所不连接的网络中时，路由器有能力决定哪一个连接网络是这个包最好的下一个中继点。一旦路由器识别出一个包所走的最佳路径，它将通过合适的网络把数据包传递给下一个路由器。下一个路由器将继续这种工作直到数据包到达目的地址；路由器连接的所有网段的协议是一致的。网关:传输层设备，又称为网间协议变换器，用于实现不同通信协议的网络之间、包括使用不同网络操作系统的网络之间的互联；一个普通的网关可用于连接两个不同的总线或网络。在报文从一个网段到另一个网段的传送中，网关提供了一种把报文重新封装形成新的报文组的方式；在工业数据通信中网关最显著的应用就是把一个现场设备的信号送往另一类不同协议或更高一层的网络。CAN总线性能特点:多主工作方式，任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息；节点信息分成不同的优先级，可满足不同实时性要求，高优先级的数据最快可在134us内得到传输；采用非破坏性的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送；只需通过报文滤波即可实现点对点、点对多点及广播等传输方式，无需专门的“调度”；节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的验错效果；每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。直接通信距离最远可达10km/5kbps,通信速率最高可达1Mbps/40m；报文标识符可达2032种(CAN2.0A)，而扩展标准(CAN2.0B)的报文标识符几乎不受限制。CAN 的通信介质：双绞线、同轴电缆、光纤。CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。基本概念：报文：当总线开放时，任何连接的单元均可开始发送一个新报文。信息路由：在CAN系统中，一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息(如站地址)。位速率： CAN的数据传输率在不同的系统中是不同的，而在一个给定的系统中，此速度是唯一和固定的。远程数据请求：通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以请求另一个节点发送个相应的数据帧。多主站：当总线开放时，任何单元均可开始发送报文，而发送具有最高优先权报文的单元，赢得总线访问。仲裁：当总线开放时，任何单元均可开始发送报文，若同时有两个或更多的单元开始发送，总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识符ID解决。安全性：为获得尽可能高的数据传送安全性，在每个CAN节点中均设有错误检测、标定和自检的强有力措施。（检错措施：发送自检、循环冗余校验、位填充和报文格式检查。）出错标注和恢复时间：已损报文由检出错误的任何节点进行标注。这样的报文将失效，并自动进行重发送。（如果不存在新的错误，自检出错误至下一个报文开始发送的恢复时间最多为29个位时间。）故障界定：CAN节点有能力识别永久性故障和短暂扰动，可自动关闭故障节点。总线数值表示：总线上具有两种互补逻辑数值：显性电平或隐性电平。在显位与隐位同时发送期间，总线上数值将是显位。应答：所有接收器均对接收报文的相容性进行检查，回答一个相容报文，并标注一个不相容报文。数据相容性：在CAN网络内，可以确保报文同时被所有节点或者没有节点接收。因此，系统的数据相容性是借助于成组和出错处理达到的。总线上具有两种互补逻辑数值：显性电平或隐性电平。在显位与隐位同时发送期间，总线上数值将是显位。在隐性状态下，Vcan-h和Vcan-l被固定在平均电压电平，Vdiff近似为零。显性状态以大于最小阈值的差分电压表示。 当总线电压差小于0.5V时，接收为隐位，隐位电压差的正常值为0V；当电压差大于0.9V时，为显位，显位电压差的正常值为2.0V，合格的显位电压差的最小值为1.2V；0.50.9V为变化的过渡区；共模电压为-2+7 V。 CAN总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关。/报文的传送及帧结构：发出报文的单元成为该报文的发送器。该单元在总线空闲或丢失仲裁前始终为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线不处于空闲状态，则该单元就是接收器。/报文中的位流按照非归零码(NRZ)方法编码，即一个完整的位电平要么是显性，要么是隐性。/报文传送由 4 种不同类型的帧表示和控制：数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。/构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列均借助位填充规则进行编码。当发送器在发送的位流中检测到5位连续的相同数值时，将自动地在实际发送的位流中插入一个补码位。数据帧和远程帧的其余位场采用固定格式，不进行填充。出错帧和超载帧同样是固定格式，也不进行位填充。CSMA/CD非破坏仲裁：CAN网的MAC层采用CSMA/CD的非破坏仲裁技术。总线上当显性位(0)与隐性位(1)进行线与时，隐性位被称为冲突，在竞争中退出。非破坏性优先权逐位仲裁规则：欲发帧的节点当总线在空闲时同时发送帧且同步于SOF的上升沿；各帧的标识字段在总线同时相遇，借助总线使标识字段逐位“线与”，根据其结果进行冲突仲裁；如果发送节点没有监测到冲突，则继续发送下一位；若监测到冲突，则立即中断，不再继续后面位的传送；各标识字段逐位线与后，未监测到冲突的字节便获得优先发送权，可以发送数据帧后面的各字段；监测到冲突的节点，则不能发送后面的数据字段，而等待下一次发送。报文传输和帧结构：数据帧：携带数据由发送器至接收器；远程帧：通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧：由检测出总线错误的任何单元发送；超载帧：用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。帧间空间：数据帧和远程帧通过帧间空间与当前帧分开。/数据帧：由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、 CRC场、应答场和帧结束。数据场长度可为0。数据帧-帧起始：由一个显性位构成，只有在总线处于空闲状态时，才允许站开始发送。所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿。仲裁场:仲裁场由标识符和远程发送请求位组成。标准帧中仲裁场为12位，扩展帧中为32位。控制场:6位，由4位长度码和2个保留位（必须为显性）组成，表示数据码长度；数据场：由控制场确定字节数，可以为0-8个字节，每个字节8位，先发送最高有效位；CRC场：16位，包括CRC校验位和1个CRC界定符（隐性位）；应答场：2位，包括应答间隙和应答界定符，2个隐性位；帧结束：7个连续隐性位。/仲裁场(Arbitration Frame)：由标识符和远程请求发送位(RTR)组成。帧的优先级：隐性位代表1，显性位代表0。在仲裁场的标识符中，若按0、1计算的数值越小，则优先级越高。因此，在整个网络中，每个节点的优先级都是不同的（因为每节点的节点号不同）。按照以上原则，优先级高的帧会自动屏蔽掉优先级低的帧。数据场：由数据帧中被发送的数据组成，它可包括08个字节，每个字节8位。首先发送的是最高有效位。CRC场：包括CRC序列，后随CRC界定符（隐位）。应答场(ACK)：在应答场里，发送站发送两个“隐性”位，当接收器正确地接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙期间向发送器发送“显性”的位以示应答。帧结束：每个数据帧由7个隐位组成的标志序列界定标准帧和扩展帧：在CAN2.0B存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准帧，而包括29位标识符的帧称为扩展帧。远程帧：激活为数据接收器的站可以借助于传送一个远程帧初始化各自源节点数据的发送。远程帧由6个不同分位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。特点：1、不存在数据场2、仲裁场中RTR为隐位； 3、控制场中DLC对应数据场中的DLC。出错帧由两个不同场组成，第一个由来自各帧的错误标志叠加得到，后随的第二个场是出错界定符。错误标志有两种形式：活动错误标志：由6个连续的显位组成认可错误标志：由6个连续的隐位组成，除非被来自其他节点的显位冲掉重写。出错界定符包括8个隐位。错误标志发送后，每个站都送出隐位，并监视总线，直到检测到隐位。此后开始发送剩余的7个隐位。超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符；导致发送超载标志的超载条件：要求延迟下一个数据帧或远程帧的接收器的内部条件；在间歇场检测到显位。超载标志由6个显位组成，超载界定符由8个隐位组成。如何区别四种帧和标准/扩展帧：若存在连续6个显位，则说明是出错帧或超载帧，对于出错帧或超载帧的处理可以相同；否则，为数据帧或远程帧。若在仲裁场的RTR(SRR)位为显位，则为标准格式数据帧；若RTR(SRR)位为隐性，则可能是扩展格式或远程帧。再检查随后的IDE(r1)位，若为显性则为标准格式远程帧；若IDE(r1)位为隐性则为扩展格式帧，此时检查扩展格式的RTR位(即18位标识符后的RTR位)，若为显性则为扩展格式的数据帧，否则为扩展格式的远程帧；帧间空间：数据帧和远程帧前面以帧间空间分开；超载帧和出错帧前面没有帧间空间；帧间空间包括间歇场和总线空闲场；间歇场由3个隐位组成，间歇期间不允许启动发送数据帧和远程帧，它仅起标注超载条件的作用；总线空闲场为任意长度，此时总线开放，任何需要发送的站均可访问总线。在超载帧和出错帧前面没有帧间空间，并且多个超载帧前面也不被帧间空间分隔。CAN通信中的几个问题-5种错误类型-位错误：向总线发送一位的单元同时也在监视总线，当发现总线上数值与送出的位不同时，则在该位时刻检测到一个位错误。填充错误：在应使用位填充方法进行编码的报文中，出现了第6个连续相同的位电平时，将检出一个位填充错误；CRC错误：接收器计算结果与接收到的CRC 序列不相同，则检出一个CRC错误