现场总线控制技术作业.doc

现场总线控制技术作业1. 为了实现数据的可靠传输，在通信过程中常采取一些差错检测措施。常用的检错方式有奇偶校验、求和校验、纵向冗余校验、循环冗余校验等。说简要明这些检错方式的原理及其实现方法，并编写程序代码(C语言编写)。答：（1）奇偶校验：奇偶检验是常用的检错方法。其原理是在7单位的ASCII代码后增加一位，是码中“1”的个数成奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。经过传输后，如果其中一位（包括奇数个位）出错，则接收端按同样的规则就能发现错误。例如，规定收发双方采用偶校验，在接收端收到的包括校验位在内的各单位数据域中，如果出现的1的个数是偶数，就表明传输是正确的，数据可用。如果某个数据域中1的个数不是偶数，就表明出现传输错误。程序代码：int even_parity（int value，int n_bits）；%party初始值为0while（n_bits0）parity+=value&1;value=1;n_bits-=1;return(parity%2)=0;（2）求和检验：求和校验在发送端将数据分为k段，每段均为等长的n比特。将分段1与分段2做求和操作，再逐一与分段3至k做求和操作，得到长度为n比特的求和结果。将该结果取反后作为校验和放在数据块后面，与数据块一起发送到接收端。在接收端对接收到的、包括校验和在内的所有k+1段数据求和，如果结果为零，就认为传输过程没有错误，所传数据正确，如果结果不为零，则表明发生了错误。程序代码：unsigned short checksum(unsigned short *buf,int nword) unsigned long sum; for(sum=0;nword0;nword-) sum += *buf+; sum = (sum16) + (sum&0xffff); sum += (sum16); return sum; （3）纵向冗余校验：纵向冗余校验(LRC)是一种从纵向通道上的特定比特串产生校验比特的错误检测方法。在行列格式中（例如，在磁带中），LRC经常是与VRC一起使用，这样就会为每个字符校验码。程序代码：Set LRC = 0 For each character c in the string do Set LRC = LRC XOR c end do（4）循环冗余检查（CRC）：循环冗余检查（CRC）是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性。若CRC校验不通过，系统重复向硬盘复制数据，陷入死循环，导致复制过程无法完成。程序代码：8位数据CRC查表viod CRC16_Table(unsigned char*pMsg.unsigned char len)unsigned char j;Unsigned int CRCindex;For(j=0;j8)*pMsg;CRC16Temp=8;CRC16Temp=CRC16TableCRCindex;2. 描述通过硬件方式实现CAN总线通信的方法(要求画出结构框图，并加以说明)？查阅资料，列出当前市面上常用的实现CAN总线通信的控制器、集成有CAN控制器的处理器、CAN收发器等与CAN总线通信的芯片，并简要说明使用方法。（1）硬件方式实现CAN通信结构图CAN 总线接口电路主要包括：单片机、控制器接口、总线收发器。SJA1000 在电路中是一个总线接口芯片，通过它实现上位机与现场微处理器之间的数据通信。该电路的主要功能是通过 CAN总线接收来自上位机的数据进行分析组态，然后下传给下位机的控制电路实现控制功能，当 CAN总线接口接收到下位机的上传数据，SJA1000 就产生一个中断，引发微处理器产生中断，通过中断处理程序接收每一帧信息并通过 CAN总线上传给上位机进行分析。AT89C51是 CAN总线接口电路的核心，其承担 CAN控制器的初始化、CAN的收发控制等任务。（2）Intel 制造商：82526 CAN 通信控制器，符合CAN2.0A协议82527 CAN 通信控制器，符合CAN2.0B协议(独立的CAN控制器，它可以通过并行总线与各种微控制器连接，也可以通过串口（SP1）与无并行总线控制器如M68HC05连接。)87C196CA/CB 扩展的87C196+CAN 通信控制器，支持CAN2.0A的协议Philips 制造商：82C200 CAN 通信控制器，实现CAN2.0A的标准格式通信帧的通信控制。SJA1000 CAN 通信控制器，82C200 的替代品，支持CAN2.0B的协议。82C250 通用CAN 总线收发器（82C250是CAN通信控制器与物理总线之间的接口，器件可以提供对总线的差动发送和接收功能）TJA1040 高速 CAN 总线收发器TJA1054 容错的 CAN 总线收发器8XC592 8XC552+CAN 通信控制器，去掉IIC 符合CAN2.0AP8XCE598 提高了电磁兼容性的P8XC592P51XA-C3 16 位微控制器+CAN 通信控制器，符合CAN2.0BP8XC592 带有CAN的微控制器，符合CAN2.0AMotorola 制造商：68HC05X4 系列 68HC05 微控制器+CAN 通信控制器，符合CAN2.0ASiemens：81C90/91 CAN 通信控制器，符合CAN2.0BC167C 微控制器+CAN 通信控制器，符合CAN2.0A/BNec制造商：72005 CAN 通信控制器 CAN2.0A/BSILIONI制造商：SI9200 CAN总线收发器TA7V 带32位ARM7处理器内核、可编程逻辑、存储子系统、CAN接口、以太网接口、I/O接口等的片上系统TA7V（TA7V是一个完整的32位现场可配置片上系统，集成了广泛流行的32位ARM7处理器内核、可编程逻辑、存储子系统和专用内部总线。适合于工业现场和控制领域的应用 ）82C150 带CAN通信控制器的CAN总线I/O器件（82C150是一种具有CAN总线接口的模拟和数字I/O器件，可用于传感器、执行器接口。主要功能包括：CAN接口功能和I/O功能）Can总线通信芯片一般用 单片机+SJA1000T+PCA82C250或者MCP2515+MCP2551集成CAN控制器的高性能微处理器P8XC5923. OSI通信参考模型分为哪几层，简要说明其功能划分；说明几种典型的控制网络(CAN，Profibus，profinet，FF，LonWorks)的通信参考模型，并说明各层的功能划分。(20分)答：OSI通信参考模型分为应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层，物理层。 物理层：提供用于建立、保持和断开物理连接的机械、电气、功能和规程条件。提供有关信号同步和数据流在物理媒体上的传输手段。物理层规定与网络传输介质连接的机械和电气特性，并把数据转换为在通信链路上传输信号。包括节点与传输线路的连接方式，连接器的尺寸与排列，数据传输是单向还是双向，数据如何通过信号表示，如何区分信号的0、1状态。 数据链路层：用于链路连接的建立、维持和拆除，实现无差错传输。在点到点或一点到多点的链路上，保证报文的可靠传递。该层实现访问仲裁、数据成帧、同步控制、寻址、差错控制等功能。数据链路层实现流量控制，使数据的发送速率不大于接收节点的接收能力、防止因接收缓冲能力不足造成报文溢出。为数据帧加源地址与目的地址，采用差错检测措施与重发机制实现错误恢复等。 网络层：规定网络连接建立、维持和拆除的协议。主要功能是利用数据链路层所提供的功能，通过多条网络连接将数据包从发送节点传输到接收节点。实现分组转发和路由选择。在网络连接中存在多于一条的路径可选时，通过路由选择，在收发双方之间选择最佳路径。通过限制进入子网的分组数、以致丢弃分组，实现拥塞控制。网络层还用于在包头部加入源地址和目的地址信息，实现逻辑地址、并将逻辑寻址转换成对应的物理地址 传输层：完成数据收发之间的数据传送控制，在源节点到目的节点提供端到端的可靠传输服务，保证整个信息无差错、按顺序地到达目的地。 会话层：网络通信的会话控制器，负责会话管理与控制。包括建立、验证会话双方的连接，维护通信双方的交互操作，控制数据交换是双向进行还是单向进行，哪一方在何时发送，在单向进行时如何逐次交替变 表示层：可实现用户或应用程序之间交换数据的格式转换。在发送端将数据转化为收发双方可接收的传输格式，在接收端再将这种格式转化为接收者使用的格式。也可用于把应用层的信息内容交换为能够共同理解的形式，通过对不同控制码、数据字符等的解释，使收发双方传输内容的理解一致。 应用层：是OSI参考模型的最高层。其功能是实现各种应用进程之间的信息交换，为用户提供网络访问接口，提供如文件传输访问与管理、邮件服务、虚拟终端等服务功能。 CAN是一种应用广泛、可以封装在集成电路芯片中的协议。要用它实际组成一个控制网络，还需要增添应用或用户层的其他约定。而且CAN只采用了OSI模型的下面两层，物理层和数据链路层。数据链路层又包括逻辑链路控制层LLC和媒体访问控制层MAC。在LLC中的主要功能是对总线上传送的报文实行接受滤波，超载通知，恢复管理等功能。在MAC中主要功能是负责数据封装/拆装、帧编码（填充/解除填充）、媒体访问管理、错误监测、出错标定、应答、串行化/解除串行化等。 PROFIBUS是IEC的标准子集之一，并属于德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170。它采用了OSI模型的物理层，数据链路层。其DP型标准隐去了第三层至第七层，而FMS型标准则只隐去第三至第六层，采用了应用层，并增加了用户层作为应用过程的用户接口。物理层提供了用于传输的RS-485传输技术或光纤。数据链路层采用了Token-Passing的主从分时轮询协议，完成总线访问控制和可靠的数据传输。用户层规定了用户、系统以及不同设备可以调用的应用功能。使第三方的应用程序可以直接被调用，并详细说明了各种不同的PROFIBUS-DP设备的设备行为。Profinet的网络拓扑形式可为星型，总线型，树型，环型以及混合型。但以switch支持下的星型分段以太网为主。而且profinet成功的实现了工业以太网和实时以太网技术的统一，并在应用层使用大量的软件新技术，如microsoft的com技术、opc、xml、TCP/IP and Active等。由于profinet能够完全透明的兼容各种传统的现场工业控制网络和办公室以太网，因此，通过使用profinet可以在整个工厂内实现统一的网络架构，实现一网到底。 FF现场总线是一项完整的控制网络技术，它除了具备像CAN那样的数据通信技术外，还包括有像标准化功能块那样的的能集成控制应用功能的规范内容，即基于FF就可以构建执行自动化功能的控制网络。FF技术包括通信模型、通信协议、通信控制器芯片、通信网络与系统管理等。FF的核心技术之一是数字通信。为了实现通信系统的开放性，其参考了ISO/OSI参考模型。FF的参考只具备ISO/OSI参考模型七层中的三层，即物理层，数据链路层和应用层，并按照现场总线的实际要求，把应用层划分为两个子层总线访问子层与总线报文规范子层，省去了中间的3至6层。而且还加了一层用户层。这样可以将通信模型看做四层。其中，物理层规定了信号如何发送；数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度；应用层规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式；用户层用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块，设备描述，实现网络管理、系统管理等。LonWorks采用了ISO模型的全部七层通信协议，为通用控制网络。在应用层，应用程序，表达层用于数据解释，会话层用于请求响应确认，传输层用于端到端的传输，网络层用于报文传递寻址，数据链路层用于媒体访问与成帧。物理层用于物理电气连接。4. 计算机网络与控制网络有何区别？计算机网络技术应用于控制网络必须要从那几个方面进行改进？列举几种典型的实时以太网，它们各有什么特点？分别简要介绍其通信参考模型。答：（1）、网络节点不同：计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端控制网络：除了以上设备之外，还有PLC、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有CPU、单片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备 工作环境不同：计算机网络：办公室控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求任务不同：计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有人参与。控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。许多情况下要求自动完成。控制网络是一类特殊的网络，广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以至农、林、牧、渔等各行各业。访问方式不同：计算机网络中普遍采用载波监听多路访问/冲突监测的随机访问方式。而控制网络则采用主/从、令牌总线、并行时间多路存取等受控的介质访问控制方式。（2）、几种典型的实时以太网：PROFINET、Modbus/TCP、EtherNet/IP、Powerlink、EtherCAT。PROFINET有标准通道和实时通道，所以PROFINET具有软实时SRT和等时同步IRT实时功能。其中实时通道按软实时SRT或等时同步IRT的实时通信方式传输数据帧，其通信参考模型在物理层和数据链路层上有别于普通以太网，意味着这种在实时以太网上不能采用普通以太网通信控制器的ASIC芯片，需要有特殊的实时以太网通信控制器ASIC支持。标准通道是使用TCP/IP协议的非实时通道。 Modbus/TCP在应用层以下的部分使用了一般的以太网技术。因此可以在普通