现场总线前4章习题答案

1、现场总线前四章作业 电气工程及其自动化 胡淑彦 102600传统控制系统与网络化控制系统的优缺点比较？在哪些应用情况下应考虑使用现场控制系统的结构进行通信？答：问题一：优点：相比于传统的点对点数据传输的控制系统 ，网络化控制系统各部件之间通过一个公共的通信网络连接，相关的数据通过通信 网络进行传输，避免了彼此间铺设专线 ，并且可以实现资源共享、远程操作和控制，降低了系统的成本、重量和电力消耗，简化了系统的安装和维护，提高了系统的灵活性和可靠性。另外在信息处理的现场化方面，如参数调整、故障诊断、采集阀门开关的动作次数等综合自动化的需求方面，网络化控制系统也具有不可代替的优势。缺点：1.通信网络引

2、入控制系统会使系统的分析和综合变得相对复杂，网络化控制系统的复杂性由通信网络自身的特点决定，主要表现在：网络诱导时滞问题，数据包丢失，多包传输问题，通信约束问题等方面。2.在节点数不够多的情况下，其成本往往高过传统控制系统。问题二：在通信节点数较多或者对信息的处理要求现场化的情况下应考虑使用现场控制系统的结构进行通信。2.如果有一路压力信号需要采样，取值范围在0-500Mpa，要求精度为0.1 Mpa，应采用哪种方式采集，采样精度可选用多少？答：至少需要5001个数据才能表示精度为0.1的0-500Mpa的数据，所以可选用模拟量采集卡，可以选用采样精度为12位以上的采集卡，由于采集卡精度一般为

3、12位、14位、16位、32位，最低可选用精度为14位的模拟量采集卡。3.查阅相关资料，列举几种方法保证通信的实时性和确定性？答：实时性可通过冲突避免的方法来实现1.可以通过网络层及以上层次的服务预先实现通信调度及管理，每一个节点都预先分配一个固定的时间片发送数。2.硬件上可通过优先级划分，确保高优先级的任务的实时性。1.确定性可通过避免任务冲撞来完成，避免碰撞的第一种方式位将不同的任务的安排在不同的时间点发送。2.避免碰撞的第二种方式，可通过发生碰撞时低优先级的任务在发送过程中主动退出通信，而不是等发完再退出。3.保证确定性也可通过冲突解决的方法来实现。4. 通信的传输时延由哪几部分组成？答

4、：包含数据块从节点送上传输介质所用的发送时间，信号通过一定长度的介质所需要的传播时间，途经路由器交换机一类网络设备所需要的排队转发时间。5. 总线中主机和从机的概念答：主机、从机主要是针对网络中的设备而言，在一个网络中要通讯就得有发送请求、响应请求的过程。那些能发送请求的设备在网络中就称之为主机，而那些只是应答的设备则称之为从机。2 Z; B( s" a X( C像通用的MODBUS、PROFIBUS总线够成的网络都需要设置主从设备。6.查阅资料，比较ascii编码和unicode编码的区别？Ascii是单字节编码，也就是最多能编出256个不同的字符，主要用于显示现代英语和其他西欧语

5、言。Unicode编码标准用于基于文本的计算机数据的编码构架。Unicode 使用 2 个字节表示每个字符，这种方法允许分派 65,536 个可能的唯一的字符。这样数量的可能的字符数值允许用单个字符集表示几乎世界上所有的可书写语言。并且 Unicode编码兼容ASCll编码。7.绘出11000110的 曼切斯特编码、差分曼切斯特编码、双极性归零码的波形11000110曼切斯特编码差分曼切斯特编码双极性归零码8.控制网络的任务和工作环境有何特点答：控制网络的任务是要将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，在把生产现场设备的运行参数、

6、状态以及故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令等送往位于现场的测量控制现场设备，起着现场级控制设备之间的数据联系与沟通作用。同时在操作终端、上层管理网络的数据连接和信息共享中发挥作用。甚至有参数的网络浏览和远程监控的要求。工作环境要面临工业生产的强电磁干扰，面临各种机械震动，面临严寒酷暑的野外工作环境。工作环境比较恶劣。9.影响控制网络性能的因素有哪些？答：影响控制网络性能的因素有网络的拓扑结构、传输介质的种类及特性、介质访问控制方式、信号传输方式及网络与系统管理等。10.列举三种网络拓扑结构，分析其优缺点答：环形拓扑，通过网络节点的点对点链路连接，构成一个封闭的环路。信号在

7、环路上从一个设备到另一个设备单向传输，直到信号传输到目的地为止。优点：若采用保证实时传输的令牌传递方式，令牌的控制简单，可顺序传递。缺点：信号只能单向传输。环路中一个设备的故障可能导致网络瘫痪。星型拓扑，每个节点通过点对点连接到中央节点，任何两节点之间通信都通过中央节点进行。一个节点要传送数据，首先向中央节点发出请求，要求与目的站建立连接。连接建立后，该节点才向目的节点发送数据。优点：可实现数据通信量的综合，每个终端节点只承担较小的通信处理量，适合用于终端密集的地方，如果一条线路受损不会影响其他线路的正常工作。缺点：中央节点的结构很复杂。总线拓扑，由一条主干电缆作为传输介质，各网络节点通过分支

8、与总线相连的网络拓扑结构。优点：易于安装，更节约电缆。缺点：随着信号在总线段上传输距离的增加，信号会逐渐变弱。将一个设备连接到总线时，其分支也会引起信号反射而降低信号的传输质量。11.什么是导体的特性阻抗？双绞线和同轴电缆的特性阻抗分别是多少？答：特性阻抗是指当电缆无限长时所具有的阻抗，是阻止电流通过导体的一种电阻名称，区别于传统意义上的直流电阻。双绞线的特性电阻是100±10，同轴电缆的特性阻抗分为50或者75两种。12计算机网络与控制网络的介质访问控制方式的差别？答：在计算机网络中普遍采用的是载波监听多路访问/冲突检测的随机访问方式。而在控制网络中采用的是主/从，令牌总线，并行时

9、间多路存取等受控的介质访问控制方式。13.令牌总线的介质访问控制方式包含哪几项功能？答：令牌传递算法：逻辑环按递减的站地址次序组成，刚发完帧的站将令牌传给后继站，后继站应立即发送数据或令牌帧，原先释放令牌的站监听到总线上的信号后，便可以确认后继站已获得令牌。逻辑环的初始化：网络开始启动时，或由于某种原因，在运行中，所有站点不活动的时间超过规定的时间时，都需要进行逻辑环的初始化。初始化的过程是一个争用的过程，争 用的结果只有一个站能获得令牌，其它的站用插入的算法插入。站插入算法：逻辑环上的每个站应周期性地使新的站有机会插入环中。当同时有几个站要插入时，可以采用带有响应窗口的争用处理算法。退出环路

10、：一个工作点应能将其自身从逻辑环推出，并将其先行站点和后行站点联系起来恢复：网络应能发现差错，丢失令牌应能恢复，在多重令牌情况下应能识别处理。14.简述实令牌、虚令牌的实现原理？实令牌是指在网络传递的数据帧中有一种专门起令牌作用的令牌帧。虚令牌是指不存在专门的令牌帧，而在普通数据帧中隐含着令牌的情况。网络管理者给每个节点分配唯一的地址。每个站点监视收到的每个报文帧的源地址，并为接受到的源地址设置一个隐形令牌寄存器，让隐形令牌寄存器的值为收到的源地址加1，这样所有站点的隐形令牌寄存器在任一时刻的值都相同。如果隐形令牌寄存器的值与某个站点自己的MAC地址相等，就意味着该站点获得了令牌，可立即发送数

11、据。虽然网络中并没有真正的令牌帧传递，但能起到与实令牌相同的作用，因而也不会引发介质访问冲突。15，中继器与信号放大器的差别？答：放大器不能分辨信号和噪声，对输入信号的所有部分都进行放大；而中继器收到一个微弱或损坏的信号时，并不是放大信号，而是按信号的原始波形，一位一位的再生复制，是一个再生器的作用。16.CAN通信如何实现其优先级？答：CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突通过位仲裁解决。17.CAN中的“地址”是如何实现的？答：CAN总线的数据链路层中的

12、逻辑链路控制子层LLC主要功能之一是对总线上传送的报文实行接受滤波，判断总线上传送的报文是否与本节点有关，哪些报文应该为本节点所接收。其“地址”由数据帧中的仲裁场的标识符确定，对于CAN2.0A标准，标识符的长度为11位；而在CAN2.0B中，根据标准格式和扩展格式的仲裁场，分别有11位标识符和29位标识符。18.CAN中的报文滤波是如何实现的？答：以82C200为例，分别有接收码寄存器ACR和接收屏蔽寄存器AMR，只有满足(ID.10 ID.3 ) (AC.7 AC.0 )OR (AM.7 AM.0 )=11111111B，才接受报文。19.CAN总线在CAN-H断开、CAN-H与电源电压短

13、接、CAN-L与地短接、CAN-H与CAN-L短接的情况下，对网络状态的影响？故障 网络状态CAN-H断开 所有节点以低噪声比继续通信CAN-H与电源电压短接 所有节点以低噪声比继续通信CAN-L与地短接 所有节点以低噪声比继续通信CAN-H与CAN-L短接 整个系统停止工作20.CAN总线的出错检测及报告是如何实现的？答：由检测到出错条件的活动节点发送由6个连续的显位表示的出错标志来指示出错，该出错标志与由帧起始到CRC界定符的位填充格式相违背，其他节点将检测到出错条件并且也发送出错标志，从而形成出错标志的叠加。出错标志发送完毕后，每个节点都会送出隐位，并监视总线，直到检测到隐位，才发送剩余

14、的7个隐位。21.CAN总线的流量控制是如何实现的？答：CAN总线的流量控制通过发送超载标志来实现，若一个接收器因内部条件要求推迟接收数据帧或远程帧，或者在间歇场检测到显位，都可发送由6个连续的显位表示的超载标志来通知其他节点，由于其破坏了间歇场的格式，所有节点将检测到超载条件，并且也发送超载标志，节点在发送完超载标志后，每个节点都会送出隐位，并监视总线，直到检测到隐位，才发送剩余的7个隐位。22.查阅相关资料，说明单总线系统与双总线系统的差别单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线适用

15、于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从机设备时，系统则按多节点系统操作。单总线网络具有严谨的控制结构，在没有主机呼叫的情况下，任何从机不得应答、不能与主机通信，通过创建长、短时隙对二进制1和0进行编码，利用一条总线双向传输数据。而且不需要额外的供电电源，为低速率数据传输提供了一种简单、低廉的解决方案。双总线至少包含一条时钟线，一条数据线。有的系统还分为一条时钟线，一条数据线输入线，一条数据输出线。23.简述SAE J1939的传输协议功能中的消息拆装和重组机

16、制？拆装：数据域大于8字节的消息，无法用一个单独的CAN数据帧全部装载。应使用参数组功能来完成，参数组号可标注是需要一个、还是多个CAN数据帧来传输该消息。数据的第一个数据传送包含序列编号1和字符串的头7个字节，其后的7个字节跟随序列编号2存放在另一个SAE1939/CAN数据帧中，再随后的7个字节与编号3一起，就这样知道原信息中所有的字节都被存放到SAE1939/CAN数据帧中并被发送。每个数据传送包（除了传送队列的最后一个数据包）都装载着原数据中的7个字节，而最后一个数据包的数据域的8个字节包含：数据包的序列编号和与参数群相关数据的至少一个字节，余下未使用的字节全部设置为（FF16）重组：

17、数据包被陆续地接收后，多组消息的数据包将会按照序列编号的顺序重新组合成一长串字节，这一长串字节将被传送给负责处理长数据的应用程序模块。24.SAE J1939中数据包的最大长度是多少？CAN数据帧包含一个8字节的数据域。由于那些重组成长信息的单独数据包必须要能够被一个个识别出来，才可以正确重组，因此把数据域的首字节定义为数据包的序列编号。每个数据包都会被分配到一个从1到255的序列编号。由此可知，最长的数据长度是（255包×7字节/包=）1785个字节。25.CAN协议中数据域中最先发送的第1个字节的高位还是低位？第一个字节的最高位首先被发送。26.SAE J1939中可用的参数群的

18、最大数目？写出其计算公式当PF域的值是240255时，则PDU细节域表示的是一个组扩展（GE）的值。组扩展域与PDU格式域的最低四位一起，共同为每个数据页提供4096个参数组号，这4096个参数组仅在使用PDU2格式时可用。另外PDU1格式下每个数据页可提供240个参数组号。因此可用参数组的总数为（240+（16*256）*2=8672其中，240为每个数据页可获得的PDU1格式域的数量；16为每个组扩展的PDU格式值，属PDU2格式；256为可能的组扩展的数量；2为数据页数。因而两个数据页共可容纳8672个参数组。27，SAE J1939中使用参数群地址的目的是什么？答：采用参数组PGN这个

19、词是因为把他们规定为一组特定的参数。由参数组号来唯一识别出每个参数组，参数组号用于标识命令、数据、某些请求、确认和否定确认，参数组号还标注了需要一个、还是多个CAN数据帧来传输该信息。一个参数组号能一个或多个参数，例如一个发动机的转速可以作为一个参数。可以让每个参数都有一个参数组标签，但为了使数据域的8个字节都可得到有效利用，在许多应用场合让多个参数组编程一组，共享一个参数组号，会成为更为合理的一种选择28.描述PDU1格式与PDU2格式的差别？PF值低于240为PDU1格式，其值为240255为PDU2格式。PDU1格式允许将参数组发送给一个指定目标或全局目标，这时在PDU细节（PS）域中是

20、目标地址（DA）。PDU1格式报文可被请求也可作为主动报文进行发送。PF值为239（保留位=0，数据位=0）时指定为专用，这个专用PGN为61184.PF值为240255的报文为PDU2格式，PDU2格式仅用于作全局报文即广播通信的参数组。PDU2格式报文可被请求发送，也可作为主动报文发送，不能选用PDU2格式将PGN传送给特定目标。PF等于255（保留位=0，数据页位=0）被指定为专用，专用PDU的细节域由制造商定义，这时专用PGN的范围是从65280到65535.29.PDU2格式的PF值的范围？PF值240255的报文为PDU2格式30.描述SAE J1939中全局目标的实现方式目的地址

21、DA是指报文应发送到的节点地址，该地址以外的其他设备应忽视这个报文，当目的地址DA的值是255时，表明是全局目的地址，这时要求网段上的所有设备都成为报文接收方，监听该报文并对此作出响应。31.描述LIN总线的主从机通信调度机制。LIN网络中由主节点控制整个网络的时间，控制不同节点的传输时间，每个报文帧的长度预知。主节点的一个任务就是给所以报文帧提供足够长的传输时间，一个通信活动首先由主节点发起，发送报文头，经过一段应答时隙，只有一个从节点接收并过滤此标识符从而被激活，发送响应报文。当总线处于睡眠状态时，任何节点可以请求唤醒总线，通过使总线的显性状态维持250微秒到5ms来请求唤醒。每个节点会检

22、测到唤醒请求（大于150微秒的显性脉冲），并在100ms内开始监听总线命令。主节点被请求唤醒后，发送帧头来查明唤醒请求的原因。总线处于唤醒状态。如果在唤醒请求后的150ms内主节点没有发送报文头，发布唤醒请求的节点会重新发送唤醒请求。32.LIN总线的通信技术特点。1.单总线。LIN是基于SCI/UART通用异步收发接口的单总线串行通信协议。2.低传输速率。LIN总线的最高传输速率为20Kb/s。3.主从通信。在总线型拓扑结构的LIN网络中，由主节点控制对传输介质的访问，从节点只是应答主节点的命令。4.同步机制简单。主节点在报文帧的头部发送同步间隙，以此标记报文帧的开始。5.通信确定性。在LI

23、N网络中由主节点控制整个网络的通信，控制不同节点的传输时间，而且每个报文帧的长度都是预知的。6.报文的数据长度可变。LIN应答帧报文的数据域长度可在0到8个字节之间变化，便于不同任务的通信应用。7.采用奇偶校验与求和校验相结合的双重校验机制。33.LIN与CAN总线在汽车领域的应用里如何结合起来使用？举例画出其通信网络图、接口设计图汽车内ECU 间的数据传输特征主要差别在于数据传输频率，美国汽车工程师协会（SAE） 将汽车网络根据速率划分为A （ 低速： 1kbps 10kbps） 、B （ 中速： 10kbps 100kbps） 、C（高速：最高位速率可达1Mbps） 3个等级。将数据传输速

24、率较高的CAN 总线（1Mbps） 用于B、C 类网络，其控制对象为：发动机控制器、自动变速器、驱动防滑系统、牵引力控制系统、ABS/ ASR、安全气囊控制器及组合仪表信号的采集系统等。L IN 总线用于A 类系统，最高传输速率可达20kbps.其控制对象主要为：前后车灯控制开关、电动座椅开关、中央门锁与防盗控制开关、后视镜、空调、车窗控制开关等。这些控制对象对信息传输的实时性要求不高，但数量较多。采用L IN 总线可提高抗干扰能力、增加总线传输距离、降低成本。以门窗控制为例，在车门上有门锁、车窗玻璃开关、车窗升降电机、操作按钮等，只需一个L IN 网络就可以实现。CAN 总线和L IN 总线相互独立，通过中央控制器实现资源共享并进行数据交换。中央控制器是整车管理系统的核心，它同时也是CAN 总线和L IN 总线的网关服务器，它的主要功能就是对各种信息进行分析处理并发出指令