计算机控制系统 第七章总线技术

第七章总线技术,第一节总线技术概论第二节RS-232C/485总线第三节I2C总线第四节SPI总线第五节现场总线技术第六节组态软件,第一节总线技术概述,一、总线的定义总线是一组信号线的集合。这些线是计算机系统的各插件间(或插件内部芯片间)、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。为了使计算机系统插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对各插件或各系统的连接制定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产插件模块的标准提供统一的依据。,二、总线的分类1根据总线不同的结构和用途分类（1）专用总线。只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线，可同时完成收发。（2）非专用总线。非专用总线可以被多种功能或多个部件所共享，所以也称之为共享总线，可分时复用。2根据总线的用途和应用环境分类（1）局部总线。局部总线又称为芯片总线。它是微处理器总线的延伸，是微处理器与外部硬件接口的通路，如图7-1所示。（2）系统总线。由于微处理器芯片总线驱动能力有限，所以大量的接口芯片不能直接挂在微处理器芯片上。一般微型机系统总线如图7-2所示。,图7-1微处理器总线示意图,它是构成中央处理机或子系统内所用的总线。局部总线通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类。,系统总线又称内总线和板级总线，即微型计算机总线，用于各微处理机之间、模块之间的通信，可用于构成分布式多机系统，如STD总线、PC总线等。,图7-2系统总线示意图,（3）外总线。外总线又称为通信总线，用于微处理机与其它智能仪器仪表间的通信。外总线通常通过总线控制器挂接在系统总线上，外总线如图7-3所示。常用的外总线有：连接智能仪器仪表的IEEE-488通用接口总线、RS-232C、RS-422、RS-485、USB串行通信总线等。,图7-3通信总线示意图,3根据总线传送信号的形式分类（1）并行总线。如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。并行总线的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。（2）串行总线。串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。其特点是可以用几根信号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。上面提到的系统总线和局部总线均属于并行总线范畴。而现场总线(Fieldbus)则是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。,第二节RS-232C/485总线,一、RS-232C总线EIARS-232C串行总线是国际电子工业学会正式公布的串行总线标准，也是在计算机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通信。采用RS-232C作为串行通信时，通信距离可达12m，传输数据的速率可任意调整，最大可达20kbps。现在的计算机一般至少有两个RS232串行口COM1和COM2，通常COM1使用的是9针D形连接器，而COM2使用的是老式的DB25针连接器，如图7-4所示。,图7-4RS-232C连接器引脚,1电气特性在数据线TXD和RXD上：逻辑高电平为-3V-15V，逻辑低电平为+3V+15V；在控制线和状态线RTS、CTS、DSR、DTR和DCD上：信号有效电平为3V15V，信号无效电平为-3V-15V。2串行通信的典型连接形式RS-232C串行通信的典型连接形式有两种：一种是数据终端计算机（DTE）之间，零调制解调器的连接形式；另一种是数据终端PC机（DTE）与数据通信设备（DCE）的通信，如图7-5所示。当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。最简单的情况，在通信中根本不需要RS-232C的控制联络信号，只需三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信，如图7-5（a）所示。,图7-5串行通信的典型连接,3RS232C与TTL转换RS232C逻辑状态定义的正负电压范围与TTL高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够使计算机接口与终端的TTL器件连接，必须在RS232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系变换。MAX232是MAXIM公司生产的，包含两路驱动器和接收器的RS-232C转换芯片。芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的+5V电压转换为RS-232C接口所需的12V电压，尤其适用于没有12V的单电源系统。接口电路如图7-6所示。,图7-6RS-232C与TTL电平转换电路,二、RS-485总线1RS-485总线简介RS-232C既是协议标准又是电气标准，它描述了在终端和通信设备之间信息交换的方式和功能。然而，RS-232C有一系列不足：(1)数据传输速率局限于20kbps；(2)传输距离较短；(3)该标准没有规定连接器，因而设计方案不尽相同，这些方案有时互不兼容；(4)每个信号只有一根导线，两个传输方向共用一个信号地线；(5)接口使用不平衡的发送器和接收器，可能在各信号成分间产生干扰。,针对RS-232C串口标准的局限性，又提出了RS-485、RS-422接口标准。RS-485/422采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号，通过两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以有极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测200mV电压。RS-485/422最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100kbps的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。RS-485总线网络一般采用终端匹配的总线型结构，即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。,2单片机与计算机远程通信接口电路单片机与计算机的远程通信的电路原理图如图7-7所示，图中IC1是单片机，IC2、IC3是TTL电平至RS-485总线电平转换芯片，IC4是TTL电平至RS-232总线电平转换芯片。,图7-7单片机与计算机的远程通信电路,第三节I2C总线,一、I2C总线特点I2C总线最主要的优点是它的简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可达25英尺，并且能够以10kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)模式，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。,二、I2C总线工作原理1总线的构成I2C总线是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控集成电路之间、集成电路与集成电路之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址。在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量用来传输控制数据。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不影响。,2总线基本操作I2C总线在硬件连接基础上，还包括总线上数据传输的通信方式和通信格式。它采用主从通信方式时，由主器件确定和控制与某一从器件一次通信过程。而通信格式则按照主器件接收和发送数据两种情形，可分为两种格式(见图7-8)。其中S为开始信号，A为应答信号，P为停止信号。,一个标准的I2C通信过程由四个部分组成:申请总线、建立通信路径、数据传送和释放总线。图7-9描述了标准的通信过程时序。,（a）主器件发送数据给从器件格式,（b）主器件接受从器件数据格式图7-8数据通信格式,图7-9标准的通信过程时序,第四节SPI总线,SPI(SerialPeripheralInterface串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，允许微控制器与各种外围设备以串行方式进行通信、交换信息。外围设备包括简单的TTL移位寄存器(用作并行输入或输出口)至复杂的LCD显示驱动器或A/D转换器等。SPI系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，它使用4条线：串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线。因而SPI总线的使用可以简化电路设计、省掉了很多常规电路中的接口器件、提高设计的可靠性。,一、SPI总线的组成SPI总线可在软件的控制下构成各种简单的或复杂的系统，如：一个主微控制器和几个从微控制器；几个从微控制器相互连接构成多主机系统(分布式系统)；一个主微控制器和一个或几个从I/O设备。在大多数应用场合中，使用一个微控制器作为主机，它控制数据向一个或多个从外围器件的传送。从器件只能在主机发命令时才能接收或向主机传送数据。其数据的传输格式是高位(MSB)在前，低位(LSB)在后。SPI典型结构如图7-12所示。,图7-12SPI典型结构,在把SPI与几种不同的串行I/O芯片相连时，必须用每片的允许控制端与微控制器的I/O端口输出线连接。此时应特别注意这些串行I/O芯片的输入输出特性。,二、SPI总线的时序在实际应用中，各I/O芯片只能在收到CPU发出的使能命令后，才能向CPU传送数据或从CPU接收数据，并遵循“高位(MSB)在前，低位(LSB)在后”的数据传输格式。典型的时序如图7-13所示。,图7-13SPI串行总线时序图,第五节现场总线技术,现场总线(Fieldbus)是迅速发展起来的一种工业数据总线,它主要解决现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备与高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线具有简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而成为当今计算机控制领域技术发展的热点之一。它的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。,根据国际电工委员会IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)标准和现场总线基金会FF(FieldbusFoundation)的定义，现场总线是指连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。,一、现场总线的特征1现场通信网络传统的集散控制系统(DistributedControlSystem，简称DCS)的通信网络截止于控制站或输入/输出单元，现场仪表仍然是一对一模拟信号传输。现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，把通信线一直延伸到生产现场或生产设备。2.互操作性互操作性的含义是来自不同制造厂的现场设备，不仅可以相互通信，而且可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略。也就是说，用户选用各种品牌的现场设备集成在一起，实现“即接即用”。现场设备互连是基本要求，只有实现操作性，用户才能自由地集成现场控制系统(FieldControlSystem，简称FCS)。,图7-14传统DCS控制层,图7-15第一代FCS控制层,3.分散功能块FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散给现场仪表，从而构成虚拟控制站。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可以统一组态，因此用户可以灵活选用各种功能块，构成所需要的控制系统，实现彻底的分散控制。,图7-16现场总线的分散功能,4.通信线供电现场总线的传输线常用双绞线，并使用通信线供电方式，采用低功耗现场仪表，允许现场仪表直接从通信线上获取电能，这种低功耗现场仪表可以用于本质安全环境，与其配套的还有安全栅。5.开放式网络互连现场总线为开放式互连网络，既可与同类网络互连，也可与不同类网络互连。开放式互连网络还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的现场总线控制系统。,二、OSI参考模型与现场总线通信模型,典型的现场总线协议模型如图7-17所示。它采用OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层和应用层，并增加一个现场总线访问子层，以取代OSI模型中第36层的部分功能，以满足工业现场应用的要求。,图7-17现场总线协议模型,三、基金会现场总线(FoundationFieldbus，简称FF),FF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的现场总线技术，它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。FF分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kbps，通信距离可达1900m，可加中继器延长，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境；H2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC11582标准。其物理介质的传输信号采用曼彻斯特编码。,FF的主要技术内容包括:FF通信协议；用于完成开放互连模型中第27层通信协议的通信栈(CommunicationStack)；用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构成集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。FF现场总线模型结构如图7-18所示。它采用了OSI模型中的物理层、数据链路层和应用层这三层，隐去了第36层。其中物理层、数据链路层采用IEC/ISA标准。应用层有两个子层：现场总线访问子层FAS和现场总线信息规范子层FMS，并将从数据链路到FAS、FMS的全部功能集成为通信栈(CommunicationStack)。,图7-18FF现场总线模型与OSI,四、局部操作网络(LocalOperatingNetworks，简称LONWORKS),LONWORKS是又一具有强劲实力的现场总线技术。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300bps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达2700m(78kbps，双绞线)；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质防爆安全产品，被誉为通用控制网络。LONWORKS采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，被誉为通用控制网络。这七层的作用和所提供的服务如图7-19所示。,图7-19LONWORKS模型分层,LONWORKS技术产品已被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。在开发智能通信接口、智能传感器方面，LONWORKS神经元芯片也具有独特的优势。,五、过程现场总线(ProcessFieldbus，简称PROFIBUS),PROFIBUS过程现场总线是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUSDP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA组成了PROFIBUS系列。DP型用于分散的外围设备之间的高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS意为现场信息规范，FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC11582标准。它是由Siemens公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用层。传输速率为9.6kbps12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为100m，1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点，可实现总线供电与本质安全防爆。,PROFIBUS的参考通信模型列于图7-20中。它采用了OSI模型的物理层和数据链路层，外设间的高速数据传输采用DP型，隐去了第37层，而增加了直接数据连接拟合，作为用户接口，FMS型则只隐去了第36层，采用了应用层。PA型的标准目前还处于制定过程之中，与IEC11582(H1)标准兼容。,图7-20PROFIBUS通信模型分层,六、控制器局域网络(ControlAreaNetwork简称CAN),CAN控制局域网络是由德国Bosch公司推出的，用于汽车检测与控制部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制定为国际标准，它广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型的基础之上，不过其模型结构只有三层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。CAN的通信速率为5kbps(10km)、1Mbps(40m)，可挂接设备数最多达110个，信号传输介质为双绞线或光纤等；CAN采用点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据；CAN可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文。,CAN总线遵循开放系统互联OSI模型，工作在物理层、数据链路层和顶层的应用层，CAN协议只规定了最下面两层的协议规范，对最高层即应用层的协议没有规定。物理层又分为物理信令(PhysicalSignaling，简称PLS)、物理媒体附件(PhysicalMediumAttachment，简称PMA)与媒体接口（MediumDependentInterface，简称MDI）三个部分。可以完成电气连接、实现驱动器/接收器特性、定时、同步、位编码解码。数据链路层分为逻辑链路控制(LogicLinkControl，简称LLC)子层与媒体访问控制(MAC，MediumAccessControl)子层两部分。它们分别完成接收滤波、超载通知、恢复管理以及应答、帧编码、数据封装拆装、媒体访问管理、出错