现场总线复习

1、电子工程学院-现场总线技术电子工程学院 金戎轩 王瑞琦 现场总线技术现场总线技术 总复习总复习电子工程学院-现场总线技术2DCS（Distributed Control System）集散控制系统集散控制系统/分散控制系统分散控制系统/分布式控制系统分布式控制系统u是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的 u年代：约1976年FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统现场总线控制系统u年代：约1972年，将设备组成网络总结（总结（FCS产生的原因）：产生的原因）：生产力水平的发展所要求；由简到繁、再由繁到简的

2、螺旋式上升发展过程。电子工程学院-现场总线技术FCS与与DCS的详细对比的详细对比(课本第课本第3页页,后祥讲后祥讲)FCSDCS(1)结构一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号。一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。(2)可靠性可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高。可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰。电子工程学院-现场总线技术FCSDCS（3）失控状态操作员在控制室既可以了解现场设备过现场仪表的工作情况，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过程监控与可控状态之中。操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作情况，也不能对其进行参数

3、调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控”状态。（4）控制控制功能分散在各个智能仪器中。 所有的控制功能集中在控制站中。FCS与与DCS的详细对比的详细对比(课本第课本第3页页)电子工程学院-现场总线技术FCSDCS （5） 互换性用户可以自由选择不同制造事故内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，实现“即插即用”。尽管模拟仪表统一了信号标准（420mADC），可是大部分技术参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表不能互换。 （6） 仪表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能力。模拟仪表只具有检测、变换、补偿等

4、功能。FCS与与DCS的详细对比的详细对比(课本第课本第3页页)电子工程学院-现场总线技术6 国际电工委员会制定的国际标准IEC61158对现场总线（Fieldbus）的定义是： 安装在制造制造或过程过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式数字式、串行串行、多点通信多点通信的数据总线数据总线称为现场总线现场总线。 电子工程学院-现场总线技术7 据统计，世界上已有现场总线100多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种，仅国际标准现场总线即达25种。 IEC61158： 工业控制系统用现场总线工业控制系统用现场总线（Fieldbus for use in industrial Con

5、trol System） IEC62026：低压开关设备和控制设备低压开关设备和控制设备（Low-Voltage Switchgear and Controlgear）用现场总线（设备层现场总线）ISO11898：道路交通工具道路交通工具数字信息交换用于高速通信的控制器局域网（CAN） ISO11519：道路交通工具道路交通工具低速串行数据通信电子工程学院-现场总线技术8 按应用行业划分 过程控制用现场总线 如：FF、ROFIBUS-PA 楼宇自动化 如：LonWorks 道路交通工具中用的 如：CAN、VAN 飞机上用的 如：SwiftNet 农业、养殖业中用的 如：P-Net 低压开关设备

6、中用的 如：DeviceNet、AS-i等电子工程学院-现场总线技术第1章 作业 1 、名字解释DCS和FCS并简述其6点区别。 2、 IEC61158给出的现场总线权威定义是什么 ？9电子工程学院-现场总线技术数字数据的数字信号编码：用高低电平的矩形脉冲信号数字数据的数字信号编码：用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的来表达数据的0、1状态。状态。u单极性码：单极性码：信号电平是单极性的。 u双极性编码：双极性编码：信号电平为正、负两种极性的。 u 归零码：每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。归零码：每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。 u 非归零码：在整个码元时间内维持有效电

7、平。非归零码：在整个码元时间内维持有效电平。 电子工程学院-现场总线技术 差分码：用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”。变化为“1” ，不变化为“0” 。注意：“变化与否”为下一位绝对吗相对于当前差分码！考试要会！电子工程学院-现场总线技术u曼彻斯特编码：曼彻斯特编码：码元本身分为两半，前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的反码，后半个时间段传送的是比特值本身。u考试要会！ 电子工程学院-现场总线技术单工、半双工、全双工通信u单工通信：信息流只能沿一个方向传输，不能反向；u半双工通信：可以双向传输，但同一时间内只能单向传输；u全双工通信：允许在同一时刻两个方向同时进行数据传输。u单工通

8、信一般用于无线广播、有线广播及电视广播，数据通信中很少使用；全双工和半双工比：全双工效率高，但结构复杂，成本也比较高。 电子工程学院-现场总线技术 单工半双工通信全双工通信电子工程学院-现场总线技术 电子工程学院-现场总线技术架空明线同轴电缆同轴电缆双绞线双绞线光导纤维电缆光导纤维电缆无线（红外、微波、无线（红外、微波、卫星等）卫星等） 电子工程学院-现场总线技术在随机随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMA/CD（Carrier Sense MultipleAccess with Collision Detection载波监听多路访问/冲突检测）如CAN总线。在控制控制访问方式中常用令牌

9、令牌总线、令牌环 或 称 之 为 标 记 总 线 、 标 记 环 , 如ControlNet。 电子工程学院-现场总线技术 三种CSMA坚持退避算法：不坚持CSMA（也叫0坚持CSMA ）1-坚持CSMA P-坚持CSMA 电子工程学院-现场总线技术 CSMA的访问存在发报冲突问题，产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决冲突问题，可采用有控制的发报方式。令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌（令牌（token）的方法。谁得到令牌，谁才有发报权。如古代军事令牌：虎符令牌访问原理可用于环形网络，构成令牌环形网；也可用于总线网，构成令牌总线网络。 电子工程学院-现场总线技术 电子工程学院

10、-现场总线技术 电子工程学院-现场总线技术 协议数据单元电子工程学院-现场总线技术第2章 作业1、 画出下列数据对应的差分码和曼彻斯特码电子工程学院-现场总线技术2、解释什么是单工、半双工、全双工通信并举实例。3、网络拓扑结构的4种主要类型及其优缺点各是什么？4、解释CSMA/CD及其3种退避算法。5、解释控制访问方式中令牌的作用。6、OSI参考模型包括哪7层？电子工程学院-现场总线技术uCAN（Controller Area Network，控制器局域，控制器局域网）网）是20世纪80年代（1983）德国Bosch（博世）公司为解决众多的测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信

11、总线。 uCAN已成为国际标准ISO11898和ISO11519。 电子工程学院-现场总线技术CAN的十大技术特点：的十大技术特点：.(6)总线长度可达总线长度可达10km（速率为5kbps及其以下）；网络速度可达1Mbps（总线长度为40m及其以下）。(9)最突出特点：采用非破坏性逐位仲裁机最突出特点：采用非破坏性逐位仲裁机制来解决总线访问冲突。制来解决总线访问冲突。 电子工程学院-现场总线技术 电子工程学院-现场总线技术u帧类型数据帧数据帧携带数据由发送器至接收器；远程帧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；错误帧错误帧由检测到总线错误的任何单元发送；超载帧超载帧用于提

12、供当前的和后续的数据帧或远程帧之间的附加延迟。 电子工程学院-现场总线技术u数据帧由7个不同的位场(Bit Frame)组成：帧起始帧起始(Start of Frame) 仲裁场仲裁场(Arbitration Field) 控制场控制场(Control Field) 数据场数据场(Data Field)CRC场场(CRC Field) 应答场应答场(ACK Field)帧结束帧结束(End of Field) 电子工程学院-现场总线技术仲裁场 由标识符和远程发送请求（RTR）位组成。 帧间空间 控制场 帧起始 仲裁场 标识符 RTR 位 电子工程学院-现场总线技术RTR位（Remote Tra

13、nsmission Request Bit）在数据帧中，必须是“显性”的，而在远程帧中，RTR位必须是“隐性”的。 隐性位1，显性位0 电子工程学院-现场总线技术 远程帧由6个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。无数据帧!远程帧中，仲裁场的RTR为隐！ 帧间空间 远程帧 帧间空间或 仲裁场 控制场 帧结束 CRC 场 ACK 场2 帧起始 超载帧 电子工程学院-现场总线技术 标准格式数据帧的最小位数为44，最大位数为108。一般地，将帧起始、仲裁场和控制场作为CAN头部（19位），CRC场、应答场和帧结束作为CAN尾部（25位）。 电子工程学院-现场总线技术硬同步

14、硬同步(Hard Synchronization)硬同步后，内部位时间从SYNC-SEG重新开始。硬同步强迫引起硬同步的沿处于重新开始的位时间同步段之内。 重同步重同步(Resynchronization)当引起重同步的沿的相位误差数值小于或等于重同步跳转宽度编程值时，重同步的作用与硬同步的作用相同。硬同步：连长指挥开始抬左脚，抬右脚，硬同步重同步：发现不齐,进行一二一调整 电子工程学院-现场总线技术 电子工程学院-现场总线技术1.引脚图和功能表2. BasicCAN/PeliCAN两种模式3. 时钟分频：默认状态对Motorola模式是12分频、对Intel模式是2分频电子工程学院-现场总线

15、技术 电子工程学院-现场总线技术思考题 ：CAN现场总线的发送器和接收器均使用SJA1000，采用CAN2.0A规范，发送器发送的4个报文的ID分别为：（1）11001100001；（2）11001101001；（3）11001000001；（4）11001001001。欲使接收器只接收报文（1）、（3），应如何设置接收器SJA1000的ACR和AMR？电子工程学院-现场总线技术总线定时寄存器总线定时寄存器0（BTR0） 总线定时寄存器0的内容确定波特率预引比例因子（BRP）和同步跳转宽度（SJW）的值,用于重同步。若复位模式有效，此寄存器是可以被访问（读/写）的。电子工程学院-现场总线技术总

16、线定时寄存器总线定时寄存器1（BTR1）（2）时间段1（TSEG1）时间段2（TSEG2）(TSEG1)和(TSEG2)决定每一位时间的时钟数目和采样点的位置，这里：位时间=同步段+相位缓冲段1+相位缓冲段2电子工程学院-现场总线技术电子工程学院-现场总线技术1.请写出CAN的中文全称。2.CAN的10个技术特点中哪个技术特点是它最突出的技术特点？3.请列出CAN数据帧的7个位场。4. ISO11898是如何规定CAN总线典型电平的？5.CAN总线中，通过报文标示符ID确定报文的优先级，若4个标准格式数据帧的报文标示符ID分别为11001100001、11001101001、110010000

17、01和11001000010，那么它们争用总线时，哪个报文获得总线的访问权？ 电子工程学院-现场总线技术6.CAN总线的最大通信距离是多少？7.CAN数据帧中的RTR位为显性还是隐性？ CAN远程帧中的RTR位为显性还是隐性？8.PCA82C250是CAN控制器还是CAN控制器接口芯片？电子工程学院-现场总线技术DeviceNet由原AB公司、即现在的罗克韦尔自动化公司于1994年开发，1995年4月交由开放 式 设 备 网 供 货 商 协 会 O D VA （ O p e n DeviceNet Vendors Association）组织和管理。ODVA是一个非盈利的独立组织，它负责Dev

18、iceNet规范的管理、修订、完善和发行，促进DeviceNet在全球的推广与应用。 电子工程学院-现场总线技术图4 -4 对象的一个类 一个DeviceNet节点的一个类中可容纳多个对象实例。 电子工程学院-现场总线技术 11位CAN标识符在DeviceNet上被分为4个不同的报文组：组1、组2、组3和组4。对于基于连接的报文，连接ID被设置在CAN标识符区中。 注：1 报文ID来区别不同报文，如电压值和电流值设置可以不同！2 报文组2的MAC ID不确定是源还是目的！电子工程学院-现场总线技术含有完整显式报文的一次发送的数据场包括：一个报文头、 整个报文体。电子工程学院-现场总线技术电子工

19、程学院-现场总线技术报文头是在一个显式报文的CAN数据场的字节偏移量0中被说明的。Frag指明是否分段XID 发送什么，接受方返回什么电子工程学院-现场总线技术一个报文体包含一个服务区和服务特有论据。 电子工程学院-现场总线技术服务区内容：服务代码 (Service Code) -此数值在服务区字节的低7位中被说明。它表明发送服务的类型。R/R（Request/Response）-服务区中的最高位。它的值决定了一个报文是请求报文还是响应报文。电子工程学院-现场总线技术电子工程学院-现场总线技术每一个到DeviceNet上的物理连接必须被分配一个MAC ID。这种配置将包含人的参与，那么同一链接

20、上的两个模块将被分配相同的MAC ID就是可能的。所有所有DeviceNet模块均被要求要求参与一个重复MAC ID检测算法。电子工程学院-现场总线技术一个特定的报文ID值被定义在组2内以表示重复MAC ID检验报文。 电子工程学院-现场总线技术图4 -39 重复MAC ID检验报文数据区格式 电子工程学院-现场总线技术论据论据： R/R位位-请求/响应标志。此区的数值指示这是一个重复MAC ID检验请求还是一个响应报文。下表为定义的数值。 电子工程学院-现场总线技术物理端口号物理端口号-在内部分配给每一个到DeviceNet上的物理连接的一个标识值。提供到DeviceNet上的多个物理连接的

21、产品（如多路连接器）必须分配给每个单独的连接一个唯一的范围在0-127（10进制）内的值。提供一个单连接的产品（如一个单连接器）应该在此区内设置值0。 电子工程学院-现场总线技术供货商供货商ID-包含分配给发送此报文的设备供货商的标识代码的一个1 6 位整数区（UINT）。 序列号序列号-包含供货商分配给设备的序列号的一个32位整数区（UDINT）。 电子工程学院-现场总线技术下面的例子以图解说明，分配的MAC ID为0A、供货商ID为5、序列号为01020304（16进制）的发送重复MAC ID检验请求报文的模块。 电子工程学院-现场总线技术假定分配的MAC ID为0A的设备在DeviceN

22、et上已经存在。下面的例子以图解说明因收到上面所述的请求报文而将要发送的报文。 电子工程学院-现场总线技术5.1 LonWorks概述LonWorks (Local Operating Networks)总线总线 LonWorksLonWorks是美国是美国埃施朗公司公司19921992年推出的局部操作网络，年推出的局部操作网络，最初主要用于楼宇自动化，但很快发展到工业现场网。最初主要用于楼宇自动化，但很快发展到工业现场网。LonWorksLonWorks技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径。整、开放、成品化的解

23、决途径。 LonTalkLonTalk协议支持协议支持OSIOSI的所有七层模型，这是的所有七层模型，这是LonWorksLonWorks总线的总线的最突出特点。最突出特点。 电子工程学院-现场总线技术神经元芯片概述 LONWORKSLONWORKS技术的核心元件技术的核心元件-NEURON-NEURON /nr:n/(神经元)芯片。主要有两大系列：芯片。主要有两大系列：31203120和和31503150。 CypressMotorolaToshibaCY7C53150MC143150TMPN3150CY7C53120E2MC143120E2TMPN3120FE3主要厂商：Motorla、T

24、oshiba、Cypress（赛普拉斯）。电子工程学院-现场总线技术TMPN3150芯片：三种模式CLK1、CLK2/RESET/SERVICEIO0-IO10D0-D7/E 输出端口，扩输出端口，扩展内存展内存A15-A0VDDVSSNC 悬空悬空CP0CP4双向通双向通信端口信端口图5.3 TMPN3150芯片引脚 WR/电子工程学院-现场总线技术时钟信号 时钟频率：时钟频率：625KHZ10MHZ 有效地输入时钟频率：有效地输入时钟频率： 10MHZ、5MHZ、2.5MHZ、1.25MHZ和和625KHZ。电子工程学院-现场总线技术第 6 章 PROFIBUS现场总线 1987年由德国S

25、IEMENS、ABB公司等13家企业和5家研究机构联合开发； Profibus是德国于20世纪90年代初制定的国家工业现场总线协议标准，代号为DIN19245； PROFIBUS (Process Fieldbus,PROFIBUS (Process Fieldbus,过程现场总线过程现场总线) )是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准。656.1 PROFIBUS概述 电子工程学院-现场总线技术典型的工厂自动化系统为3层网络结构：1、现场设备层：主要功能是连接现场设备，完成现场设备控制及设备间连锁控制。2、车间监控层：完成车间与生产设备之间的连接以及车间级设备监控。3、生产

26、管理层：车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。6.1 PROFIBUS概述 电子工程学院-现场总线技术PROFIBUS由3个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、PROFIBUS-PA(Process Automation)和 PROFIBUS-FMS(FieldbusMessage Specification)。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式 I/O的通信。PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本质安全规范。PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构的实时多主网络。6.1 PROFIBUS概述 电子工程学院-现场总线技术图 Profibu