现场总线教程第4课

1、2011年05月18日 东北大学秦皇岛分校几种流行的现场总线几种流行的现场总线2011年05月18日 通用串行端口数据通信通用串行端口数据通信 EIA-232-D接口标准接口标准 EIA-485-D接口标准接口标准 控制器局域网 基金会现场总线 Profibus现场总线2011年05月18日 EIA-232-D接口标准接口标准 EIA-485-D接口标准接口标准2011年05月18日 美国电子工业协会EIA制订的物理接口标物理接口标准准，也是目前数据通信中应用最广泛的一种标准。 前身是RS-232-C物理接口标准。2011年05月18日 DB25连接器 DB9连接器连接器2011年05月18日

2、 EIA-232-D电气特性采用负逻辑。 515V，表示逻辑“1”； 515V，表示逻辑“0”。 EIA-232-D的逻辑电平与TTL电平不兼容，必须进行电平转换。 2011年05月18日非平衡电气连接方式非平衡电气连接方式地线地线信号线信号线2011年05月18日发送端发送端接收端接收端噪声噪声地线地线2011年05月18日2011年05月18日 最简接线（最简接线（3线制）线制） 标准接线标准接线 （7 7线制）线制）2011年05月18日无硬件握手方式无硬件握手方式2011年05月18日 最简接线（最简接线（3线制）线制） 标准接线标准接线 （7线制）线制）2011年05月18日全握手方

3、式全握手方式甲甲乙乙2011年05月18日 EIA-232-D接口标准接口标准 EIA-485-D接口标准接口标准2011年05月18日 EIA-232最大传输距离15m，最大传输速率19.2Kbps，最多2个节点。 EIA-485最大传输距离1200m，最大传输速率10Mbps，最多32个节点。 EIA-485更适合工业通讯。2011年05月18日 EIA-485-D电气特性采用正逻辑。 26V，表示逻辑“1”； 26V，表示逻辑“0”。 接口信号电平比EIA-232-D降低了，不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 2011年05月18日 平衡差分电

4、路，能够抑制噪声。串音串音2011年05月18日 RS485的信号发送端会先分解成正负的两条线路；当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号。 这种方式可以有效的抑制噪声，适用于工业数据通讯。2011年05月18日 发送端信号： DT=(D+)(D-) DT：发送端原始信号； D+、D-：差分后信号。如果无噪声干扰，接收端信号： DR(D+)(D-) = DT 2011年05月18日 如果存在噪声干扰，传输线上信号电压分别成为 (D)Noise和(D-)Noise； 如果接收端接收此信号，并计算电压差：DR(D)+Noise-(D-)Noise(D+)-(D-)DT 与发送端信号相同2011

5、年05月18日 EIA-485的全双工连接 EIA-485的半双工连接(重要) EIA-232到EIA-485端口的转换2011年05月18日2011年05月18日2011年05月18日 主要用于将PC机接入EIA-485网络2011年05月18日 网络拓扑2011年05月18日 半双工通信时，采用总线形或树形拓扑。 EIA-485规定，每个网段最多连接32个负载。如果超过32个，需要添加中继器。2011年05月18日 网段的一个节点被指定为主节点，其他节点为从节点。 由主节点负责控制网段上所有的通信连接。从节点不能主动发起通信。 为保证每个从节点都有机会传送数据，主节点需要对从节点依次逐一轮

6、询。 主节点不停地传送报文给从节点，并等待从节点的应答报文。2011年05月18日Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionALLEN-BRADLEY789456123.0- F1F6F2F7F3F8F4F9F5F10P Pa an ne el lV Vi ie ew w 5 55 50 0vHMIAnalog I/O 2011年05月18日 计算机和MicroLogix1000控制器处于同一EIA-485网络，通过配置实现PC机与多台MicroLogix1000的主从通讯。 计算机作为主设备 MicroLogix1000作为从设备

7、 在水处理、冶金等行业得到广泛应用2011年05月18日DF1 SlaveDF1 SlaveDF1 MasterDF1 Slave2011年05月18日1、建立已知类型(如DF1全双工)的通讯，并启动RSLogix500软件，在线MicroLogix1000控制器。2011年05月18日2、选择、选择Channel Configuration（通道组态）（通道组态）2011年05月18日3、将程序下载到MicroLogix控制器中，此时与PC机的原有通讯丢失，等待建立新通讯。2011年05月18日1、启动RSLinx软件，选择组态驱动.2011年05月18日2、选择驱动类型为DF1 Polli

8、ng Master Driver.协议类型2011年05月18日3、设置计算机的节点地址为1。PC机节点地址2011年05月18日4、定义轮询列表，将从节点地址加入。从节点地址2011年05月18日5、设置计算机串口，定义物理层。2011年05月18日6、设置、设置DF1主从协议规定部分，超时和差主从协议规定部分，超时和差错检测模式。错检测模式。2011年05月18日2011年05月18日 详述EIA-232和EIA-485在抗噪声干扰方面的不同点，并分析原因。 详述主从通讯过程。2011年05月18日 通用串行端口数据通信 EIA-232-D接口标准 EIA-485-D接口标准 控制器局域网

9、 基金会现场总线 Profibus现场总线2011年05月18日 背景与应用背景与应用 CAN与ISO 7层模型 物理层 数据链路层2011年05月18日 由欧洲由欧洲 Bosch 开发开发 要求来自要求来自 BMW 与与 Mercedes 应用于汽车内部的通讯应用于汽车内部的通讯 减少配线的数量减少配线的数量 衔接各个分布式控制器衔接各个分布式控制器 可靠可靠 通过通过EMC测试测试 可靠的错误检测机制可靠的错误检测机制 应用于工业领域应用于工业领域 不仅仅是汽车行业不仅仅是汽车行业 过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床2011年05月18日车尾灯车尾灯发动机发动机控制控

10、制门门车前灯车前灯ABS仪表板仪表板CAN2011年05月18日 ISO 道路交通运输工具数据信息交换高速通信控制器局域网（CAN）国际标准ISO 11898。 CAN总线仅定义物理层和数据链路层，基于CAN总线又开发了新的协议：如DeviceNet、SDS、CANopen等。2011年05月18日 背景与应用 CAN与与OSI 7层模型层模型 物理层 数据链路层2011年05月18日逻辑链路控制子层超载通知接收滤波介质访问控制子层故障限定错误检测确认报文帧仲裁物理层位定时同步位编码/解码ISO OSI 7 层模型层模型CAN 层次结构层次结构表述层表述层应用层应用层会话层会话层传输层传输层网

11、络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层2011年05月18日 背景与应用 CAN与OSI 7层模型 物理层物理层 数据链路层2011年05月18日 CAN组网组网 CAN总线速率与距离的关系 电气特性 位编码 位定时 同步2011年05月18日CAN总线常用物理介质为UTP。2011年05月18日 CAN组网 CAN总线速率与距离的关系总线速率与距离的关系 电气特性 位编码 位定时 同步2011年05月18日2011年05月18日 CAN的直接通信距离最远可达10km（传输速率为5kbps）；最高通信速率可达1Mbps（传输距离为40m）。 CAN的节点数最多为110个。2011年05月1

12、8日 CAN总线的速率与距离的关系 电气特性电气特性 位定时 位编码 同步2011年05月18日采用差分传输的方式。采用差分传输的方式。双绞线中一根为双绞线中一根为CAN-H,另一根为另一根为CAN-L.V-CAN_HCAN_LCAN_H/CAN_L2.5V1.5V3.5V地线地线102011年05月18日 逻辑“1” 时，总线呈现“隐性”状态。 VCAN-H和VCAN-L固定在平均电压2.5V，即Vdiff近似为0。 逻辑“0” 时，总线呈现“显性”状态。 VCAN-H为3.5V,VCAN-L为1.5V，即Vdiff为2V。2011年05月18日 电气特性 CAN总线的速率与距离的关系 位编

13、码位编码 位定时 同步2011年05月18日 采用全宽单极性不归零码（NRZ）2011年05月18日 NRZ 技术的优势 信号变换越少，噪音信号就越少 适用于逐位仲裁技术适用于逐位仲裁技术 (Bit-Wise Arbitration) NRZ 技术的劣势 不确定性同步 (Non-determinant Synchronisation) 采用位填充位填充技术 (Bit-Stuffing)解决2011年05月18日 位填充：在每五个连续的同电位(或逻辑)之后，嵌入一个位的反相电位(或逻辑)。 实例 : 传输数据 = 1100000000100000000111S2011年05月18日 电气特性 C

14、AN总线的速率与距离的关系 位编码 位定时位定时 同步2011年05月18日 理想的发送器是在没有进行同步的情况下，每秒发送的位数定义为正常位速率。 在一个给定的CAN系统里，位速率是唯一的，并且是固定的。 位时间指一位的持续时间。2011年05月18日同步段同步段传播段传播段相位缓冲段相位缓冲段1 相位缓冲段相位缓冲段2采样点采样点2011年05月18日 同步段用于同步总线上的各个节点或设备。在此段内，等待一个跳变沿。 传播段用于补偿网络内的物理延迟时间。 相位缓冲段1和2用于补偿相位边沿的误差。2011年05月18日2011年05月18日 硬同步硬同步 重同步2011年05月18日 仅在总

15、线空闲时通过一个跳变沿（帧起始）完成； 硬同步的效果是强迫该跳变沿位于重新开始计时的位时间的同步段之内。 2011年05月18日 在信息帧的随后位中，每当有跳变沿出现，且该跳变落在了同步段之外，就会引起一次重同步。 重同步机制根据跳变沿的位置延长或者缩短位时间以调整采样点的位置，保证正确采样。 2011年05月18日 相位误差：跳变沿相对同步段的位置。 如果跳变沿处于同步段内，则相位误差为0； 如果跳变沿位于采样点之前，同步段之后，则相位误差大于0； 如果跳变沿位于当前的采样点之后，下一个位的同步段之前，则相位误差小于0。2011年05月18日 跳变沿落在了同步段之后采样点之前，为正的相位误差

16、，接收器会认为是一个慢速发送器发送的滞后边沿。 2011年05月18日 跳变沿落在了采样点之后同步段之前，为负的相位误差，接收器认为这是一个快速发送器发送的下一个位时间的提前边沿。 2011年05月18日 背景与应用背景与应用 CAN与OSI七层模型 物理层 数据链路层数据链路层2011年05月18日 介质访问控制子层（介质访问控制子层（MAC） 逻辑链路控制子层（LLC）2011年05月18日 介质访问控制介质访问控制 报文分帧 错误检测2011年05月18日 载波监听多路访问载波监听多路访问/冲突检测冲突检测 (Carrier Sense Multiple Access /Collisio

17、n Detect) 允许多个节点进行总线访问 用于以太网 (Ethernet), CAN 等. 非破坏性的位元形式仲裁非破坏性的位元形式仲裁 (None-Destructive Bit-wise Arbitration) 利用 NRZ (不归零码) 技术 信号冲突时不会破坏信号 不浪费带宽 (bandwidth) 保证很高的信号吞吐率 (throughput)2011年05月18日 如果网络上正在发送一帧报文，另一个节点必须等待，直到发送如果网络上正在发送一帧报文，另一个节点必须等待，直到发送结束后才能开始发送自己的报文结束后才能开始发送自己的报文.节点节点1节点节点1发送的报文发送的报文帧间

18、隔帧间隔Time 3 位时间位时间节点节点1想要发送报文想要发送报文它侦听网络上有报文发送，于是等待此次发送结它侦听网络上有报文发送，于是等待此次发送结束，直到结束后，还要间隔至少束，直到结束后，还要间隔至少3个位时间个位时间节点节点X正在发送正在发送2011年05月18日节点节点 A节点节点 B节点节点 C总线总线隐隐显显t1t2SOF t1 & t2 , 节点节点 C 和节点和节点 B 丢失仲裁丢失仲裁RDRDRD2011年05月18日000100000001xxxx11EOF101101101000节点节点A 发送发送: - CAN ID 1460总线上所看到的信号总线上所看到的信号:0

19、00100000001xxxx01EOF101101101000节点节点B 发送发送: - CAN ID 1464010110111节点节点B 裁定失败，终止发射裁定失败，终止发射 节点节点B认可信号认可信号01裁定区裁定区 认可区认可区2011年05月18日 介质访问控制 报文分帧报文分帧 错误检测2011年05月18日 标准帧：含有11位标识符，称为BASIC-CAN。 扩展帧：含有29位标识符，称为Peli-CAN。2011年05月18日 数据帧：将数据由发送器传输到接收器。数据帧：将数据由发送器传输到接收器。 远程帧：由节点发出，请求发送具有相同标识符的数据帧。 错误帧：检测到总线错误

20、后发出。 过载帧：相邻数据帧间提供附加的延时。 帧间空间：分隔多个数据帧。2011年05月18日2011年05月18日 帧起始标志位帧起始标志位(SOF) 标志数据帧的起始，一个显性位。 在此进行硬同步。 仲裁域（Arbitration Field） 由标识符和远程发送请求位RTR标志组成。 2011年05月18日 控制域 四位数据长度码（DLC）和两个保留位。 数据域 由数据帧中被发送的数据组成，包括08个字节。 2011年05月18日 循环冗余码（CRC）域CRC域包括CRC校验码和界定符(一个隐性位)。生成多项式：生成多项式：X X1515+X+X1414+X+X1010+X+X8 8+

21、X+X7 7+X+X4 4+X+X3 3+1+1 应答域（ACK） 应 答 隙 （ A C K S L O T ） 和 应 答 界 定 （ A C K DELIMITER）。当接收器正确地接收到有效的报文，就会在应答隙位发送一显性位。 2011年05月18日 帧结尾 每个数据帧和远程帧均由7个“隐性位”构成标志序列界定。2011年05月18日 每个接收节点可以通过发送远程帧启动发送节点传送数据。多用于点对点通信。2011年05月18日 由帧起始、仲裁域、控制域、CRC域、应答域、帧结尾组成。 与数据帧相反，仲裁域中的RTR位是隐性的。且没有数据域。2011年05月18日 错误标志：错误主动标志和错误被动标志 错误界定符：由8个隐性位构成。2011年05月18日 错误主动标志：连续6个显性位。 优先级高，违反了位填充规则 错误被动标志：连续6个隐性位。 优先级低，可被其他节点显性位覆盖。2011年05月18日 超载标志和超载定界符2011年05月18日 发送超载帧条件：接收器要求延迟下一数据帧或远程帧的到达。 超载标志由6个显性位组成。 超载定界符由8个隐性位组成。2011年05月18日 间歇域和总线空闲2011年05月18日 间歇域包括3个隐性位。在此期间，不允许发送数据帧或远程帧，用于标示一个超