基于PLC的移动机器人控制系统研究与开发

1、分类号：密级：编号：工学硕士学位论文基于的移动机器人控制系统研究与开发硕士研究生：马指导教师专业领域：岩李艳杰教授机械电子工程沈阳理工大学年月翟分类号：煳擎工学硕士学位论文基于的移动机器人控制系统研究与开发硕士研究生：马岩指导教师：李艳杰教授学位级别：工学硕士学科、专业：机械电子工程所在单位：机械工程学院论文提交曰期：年月日论文答辩日期：年月日学位授予单位：沈阳理工大学：，：，：沈阳理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他

2、个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：乃名日期：列尹年；月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：玛名日指导教师签名：李影日期：矽批了期：矽帜沈阳理工大学硕士

3、学位论文摘要随着机器人技术的发展，作为机器人的一个分支，移动机器人越来越受到关注和重视。目前，移动机器人已经进入社会的各个领域，并在其中发挥着重要的作用，尤其在一些人类不易工作或危险的区域，例如：煤矿事故救援，核工业生产，有毒以及易爆危险品的处理，海底作业等等。移动机器人控制系统的构成较为复杂，主要包括了运动控制系统、导航系统、传感器系统等一系列子系统，这些子系统是保证移动机器人实现复杂动作的基础，也是移动机器人控制系统的研究重点。本文以“灾害应急救援系列装备研制”项目（项目编号：）为依托，在满足实际应用的基础上，设计并实现了以为控制器的移动机器人控制系统。本文的研究重点包括以下三个方面内容：

4、（）移动机器人控制系统通讯网络的设计与实现；（）控制系统硬件搭建与软件的设计；（）移动机器人运动控制的初步实现。论文首先综述了控制系统的体系结构和未来的发展趋势，指出控制系统正朝着网络化、智能化与集成化的方向发展，并给出了智能分级控制系统的结构及特点：然后对通信接口和现场总线技术做了分析和总结，对基于一和总线的协议和协议做了详细的分析，设计并实现了以现场总线和以太网为基础的通讯网络系统；之后针对实际需要，利用现有的移动机器人平台，具体设计了一种新的基于的移动机器人控制系统，并对该控制系统的硬件及软件系统作了详细的介绍；最后完成了基于和程序的移动机器人运动控制程序的设计及实验测试。实验结果证实，

5、本文设计的移动机器人控制系统具有很高的可靠性和准确性，可用于多种移动机器人的控制场合，能够实现预期的控制目标，很好的完成控制任务。关键词：移动机器人；现场总线；控制系统；运动控制沈阳理工大学硕士学位论文，”（：），：（）（）（），沈阳理工大学硕士学位论文，：；目录目录第章绪论。引言课题的研究背景和意义课题的研究背景课题的研究意义控制系统的体系结构与发展方向控制系统的体系结构控制系统的发展方向控制系统的应用的定义及其发展历程分级递阶智能控制系统课题的研究内容与安排第章总线技术及以太网网络网络通讯标准协议总线通信协议协议协议简介对象字典。通讯报文预定义连接集以太网技术通讯通讯沈阳理工大学硕士学位论

6、文通讯通讯本章小结第章控制系统硬件设计控制系统总体设计方案控制系统硬件结构控制系统硬件结构控制系统硬件连接实物图下位机控制系统硬件组成车体控制器电机驱动器一智能协议转换器一网络转换器温湿度传感器上位机控制系统硬件组成上位机控制器一接口转换器操纵杆模拟量输入模块数字量输入输出模块本章小结第章控制系统软件设计控制系统软件任务下位机控制系统软件设计编程软件简介下位机控制程序流程控制信息的接收与发送移动机器人运动控制软件设计。传感器控制程序目录上位机控制程序软件设计程序介绍通信控件上位机与下位机的数据交换模拟量数字量处理速度控制指令的转换算法电机状态查询移动机器人运行控制策略本章小结第章移动机器人控制

7、系统实验研究车体控制器与电机驱动器通讯测试运动控制测试车体直行测试差速转向测试传感器测试网络摄像机测试本章小结结论参考文献攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果致谢第章绪论第章绪论引言机器人技术的出现和发展，彻底颠覆了传统工业的生产面貌，极大的推动了人类的工业生产进程。机器人在工业生产中的应用情况，是衡量一个国家工业生产自动化水平的重要标志。社会经济的快速发展和各行业对自动化程度要求的提高都大大地推动了机器人技术的发展。移动机器人作为机器人应用领域的热点之一，受到了各行业的广泛关注。本章将简要综述移动机器人控制系统的体系结构与发展趋势。课题的研究背景和意义课题的研究背景机器人的应用几乎渗透

8、到所有领域，在工农业、国防等领域有着广泛的应用前景。作为机器人学中的一个重要分支，移动机器人将多种功能集中到一个移动平台上，能够实现运动控制、环境感知、路径规划、任务执行等功能，在某些危险的工作环境中移动机器人的应用很好的保证了人类的安全。合适的运动系统、可靠的导航系统、精确的传感器系统以及良好的人机交互能力是移动机器人实现以上功能需求的基础。自主性、适应性及交互性是机器入的三大智能指标。自主性是指机器人在不需要人为干预的情况下，能够根据任务需要自己决定工作内容；适应性是指机器人在复杂环境下的工作能力，机器人需要对所处的环境进行感知，并且根据识别和测量的结果做出正确的控制和移动等操作；交互性是

9、机器人智能产生的基础，交互能力包括人一机一环境三者之间的交互，主要涉及信息的获取、处理及理解。使用传统手段开发的移动机器人结构、控制功能较为简单，这已经不能满足移动机器人应用领域迅速扩大的要求。因此，仍需要继续探索研究机器人体系结构这一机器人领域的基础课题。当代遥控移动机器人系统的发展特点是机器人与操作者之间的人机交互操作，而不是追求机器人的全自治系统，即监控遥控操作系统。这种由局部自主操沈阳理工大学硕士学位论文作加遥控操作的系统使得移动机器人进入了实用化阶段。美国向火星发射的“索杰纳机器人就是一种典型的监控遥控操作系统机器人。与此同时，虚拟现实技术的应用推动了监控遥控系统的发展。在虚拟现实技

10、术的帮助下，操作者在操纵机器人的过程中如同置身于真实的远端作业环境中，从而更好的完成遥控机器人的任务嘲。遥控移动机器人控制系统除了采用传统的传感器技术外，还同时采用了多传感器融合配置技术，这些技术包括视觉、声觉、触觉、力觉等传感器技术，多传感器融合配置技术的应用很好的解决了遥控移动机器人的环境感知和决策控制等问题。课题的研究意义在各种灾难场所，如火灾、爆炸等会造成建筑物的坍塌和人员伤亡，特别是由于近年来我国对煤炭资源需求量的不断增长，高瓦斯矿井多，煤层地质条件差，瓦斯爆炸、着火、透水等事故造成了大量的人员伤亡。矿井瓦斯发生爆炸后，随时有发生二次灾害的可能，同时伴随着烟雾、有害气体、高温和缺氧等

11、不利条件，救援人员无法直接进入灾害现场营救被困人员，而且在煤矿瓦斯爆炸事故中有相当的一部分伤员是救援人员。由此可见，为了保证矿井救援任务的顺利进行、减少人员伤亡，迫切需要研发一种能够进入灾害现场的移动机器人，该种移动机器人应能够替代救援人员进行现场环境的探测和人员搜救任务，这对于煤矿安全生产、减少国家和人民的生命财产损失具有巨大的意义脚。灾难救援机器人是一种典型的“人一机一环境”交互系统，控制系统作为整个移动机器人系统的核心部分具有不可替代的地位，移动机器人对复杂环境的适应能力与任务的执行效率都取决于控制系统的优劣。通过多通道信息融合的方式，控制系统将操作者、移动机器人本体和救援现场从信息层面

12、上连接在闭环回路中，通过人机交互操作的方式监督操控机器人在现场执行任务，实现搜救人员感知与行动能力的延伸。因此，控制系统对于整个机器人系统具有重要的意义，控制系统的优劣对机器人系统的整体性能有着决定性的作用。本文主要针对移动机器人控制系统进行了分析和研究，结合灾害应急救援机器人和煤矿井下探测救援机器人项目需求，采用模块化设计方法，设计了一种用于遥控移动机器人的控制系统。该控制系统有较强的环境适应能力，安全稳定，交互性强，操作灵活，同时该控制系统具有良好的移植性，可用于不同类型的移第苹绪论动机器人平台中。控制系统的体系结构与发展方向控制系统的体系结构计算机控制系统是伴随着现代工业自动化的不断兴起

13、而产生的，其依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术，在自动控制系统发展的历史长河中扮演了重要的角色。控制系统从低级到高级、从简单到复杂的发展过程在很大程度上推动了自动化控制水平的发展。由于一系列最新技术的应用，以计算机为控制核心的控制系统发生了巨大的改变。目前，控制系统的结构已从最初的计算机集中控制系统发展到第二代的集散式控制系统，其结构特点经历了“集中”、“分散”和“集散几个变化。当前出现了一种较为流行的现场总线控制系统（），这表明控制系统正朝着网络化的方向发展。随着因特网（）技术的不断发展及应用，通信系统和办公系统已经被因特网组合到一起，这样通过因特网就可以实现对底层信息进行远

14、程的控制和访问。同时现场总线把底层控制网络（）连接起来，这就为远程控制底层信息奠定了基础。与的集成使得远程监控变为了现实忙。、计算机集中控制系统（）作为第一代控制系统是随着数字计算机的发展而发展的，传统的模拟仪表被中更为先进的数字计算机所取代，而数字计算机的应用导致了控制系统发生了翻天覆地的变化。但是一种直接面向对象的控制、控制简单，并没有形成真正意义上的控制网络体系；同时的控制有很高的集中性，进行控制的同时将系统中的危险也都集中起来，这大大的降低了的可靠性。系统越大，可靠性越低。、分散式控制系统（）第二代控制系统称为（也称为集散式控制系统），的出现标志了真正意义上的工业控制网络体系出现了。的

15、控制特点是“集中管理、分散控制”，典型的分为操作站级、过程控制级和现场仪表级。控制功能由过程控制机实现，位于上层的工作站负责对整个系统进行监督管理；操作站负责系统的管理功能，包括编程、操作、监视、报警等，通常操作站选用机；控制站选一一用可编程序控制器（），完成数据的采集、处理和控制的功能。作为一种分散式系统，￥将系统中的局部故障对整体的破坏性降到了最低，这极大的提高了整个系统的可靠性。分散式控制系统结构图如图所示。一一一一沈阳理工大学硕士学位论文图分散式控制系统结构图图现场总线控制系统结构图控制系统是一种多级的主从控制结构，底层设备之间进行数据交换时必须经由主机，这必然导致控制系统的执行效率低

16、下：同时作为控制系统“大脑”的主机一旦出现故障就会使整个控制系统崩溃。、现场总线控制系统（）为了进一步满足现场的需要，以现场总线技术为基础的现场底层设备控制网络（）应运而生，该控制网络能够实现现场设备和控制设备之间的双向串行通信，是一种多节点、数字式的通信网络。是一种直接面向生产过程的控制网络，这与及（内部网络）等信息网络不同，这就对数据的实时性、可靠性及完整性提出了很高的要求。现场总线控制系统（）很好的满足了以上要求，是一种综合了计算机技术、自动控制技术、数字通信技术、网络技术及智能仪表技术等多种技术的通信与控制系统，具有智能、双向、互连、全分散、全数字化等特点，的应用从根本上打破了传统模拟

17、信号控制的局限性。的网络结构分为两个层面：操作管理层和现场设备。取消了系统的控制站、元件和信号转换器，网络中的智能化设备替代了控制站，构成虚拟控制站，通过现场总线仪表就可以构成控制回路。的控制结构分为层：设备层、控制层和信息层，￥的层控制结构如图所示。控制网络具有以下特点：、的核心为总线标准。基于现场总线的系统是新一代生产自动化系统的代表，它全分散、全数字化、全开放的结构将会彻底取代一对一的模拟信号线，必然会导致工业自动化控制体系的革命性变革。第章绪论、身处现场的智能设备是构成的硬件基础。控制功能由身处现场的智能设备完成，控制室只需对这些现场设备进行监督、协调控制，保证各现场设备的正常运行。、

18、的本质是信息处理的现场化。使用现场总线并不会减少系统的信息总量，相反还会增加从现场得到的信息。但是由于相当一部分信息是在现场处理的，因此用于传输信息的线缆大大减少了。数据的采集、处理和传送等任务由现场智能设备完成，现场总线将现场设备的数据发送到位于控制室的控制设备中，这样通过控制室中的控制设备就可以实现对现场设备的远程监控，同时实现更加高级的控制功能。系统同样存在不足之处，现场总线式的设备和仪表的种类繁多，但国际上还没有统一的现场总线标准，因此现场总线系统还没有形成真正意义上的工业自动化领域的开放互联，这严重限制了现场总线系统的应用嘲。控制系统的发展方向、控制系统的网络化各种层次的计算机网络技

19、术的应用彻底颠覆了传统的回路控制系统，目前控制系统正朝着网络化的方向发展。现场级网络技术的产生及应用是导致控制系统网络化的原因，现场级网络技术将所有的网络接口转移到仪表单元，使得仪表单元具有了直接通讯的功能，这使得网络得以延伸到控制系统的末端，实现了从底层到最高层的网络化连接。仪表单元是控制网络的最小组成部分，原有数字仪表单元增加网络通讯功能后构成了现场总线系统。现场总线控制系统中，各控制仪表进行独立的控制任务，控制仪表之间的数据交换通过网络完成，最终完成总体的控制任务。、控制系统的智能化智能控制是机器人通过模拟人类的思维判断过程，在各种层次上对人类智能进行学习进而实现机器人的“自我”控制。智

20、能控制系统是机器人系统的一个重要领域，由一系列复杂的子系统组成，如专家系统、模糊控制系统等。智能控制技术和自动控制理论的发展推动了计算机控制系统的进步，这有力地推动了科学技术进步，提高了工业生产系统的自动化水平。可以说，智能控制系统的发展决定了计算机控制系统的发展前景与优势。沈阳理工大学硕士学位论文、控制系统的集成化随着网络通讯能力的提高和网络连接规模的扩大，在一个网络环境中便可以实现原本在分布式网络环境中较难实现的数据传输。特别是现场级网络技术实现了现场级设备和仪表单元的网络化，这样通过网络就可以实现控制系统底层设备之间的相互连接。同时，现场级网络技术的发展丰富了网络中可添加设备的类型与数量

21、，使得不同控制系统中的现场级设备能够连接在同一网络中。不同网段中网桥的应用进一步提高了控制系统的集成度。控制系统的应用（可编程控制器）是一种综合了自动控制技术、通信技术和微型计算机技术的通用工业自动控制装置，具有功能强、程序设计简单、体积小、灵活通用、维护方便等优点，特别是具有很高的可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力。的定义及其发展历程作为一种专门应用于工业环境中的数字运算操作电子系统，采用可编程序的存储器存储执行各种操作的指令，并通过相应的输入或输出控制各种类型的生产过程。可编程控制器及相关设备，都应当遵照易于与工业控制系统联合统一、易于扩充其功能的原则。在工业生产中需要对各种动作进行控制

22、以及对大量的离散量数据进行采集，这些工作需要一系列按照一定逻辑关系动作的开关量来实现。传统上这些开关量的功能是由电气控制系统或气动系统完成的。年美国通用汽车公司提出了取代继电器控制装置的要求。第二年，美国数字公司研制出了第一代可编程控制器（），并成功应用于通用汽车公司的生产线上，这种控制装置采用了集成电路和电子技术，并首次采用了程序化控制手段与电气控制。目前随着各种技术的发展，可编程控制器的功能早已不局限于逻辑控制的范围，已成为一种真正意义上的工业控制装置。由于可编程控制器采用的是计算机处理技术并且具备继电器的功能特点，同时为了方便描述，将其定名为，即。世纪年达至年代中期的数字运算能力、人机接

23、口能力、模拟量处理及网络通讯能力等得到了飞速的发展，逐渐进入了过程控制领域，在某些应用上已经取代了处于统治地位的系统。第章绪论分级递阶智能控制系统在用于工业控制时，的可靠性和适应恶劣工作环境的能力远远优越于计算机，因此，人们想到将作为现场控制的下位机，将计算机作为的上位机，将与计算机两者结合在一起，两者之间的数据传输和交换通过通信线路完成，这样就构成了一个功能强大且可靠的的控制系统。控制系统有集中结构和分布式结构两种基本控制结构。集中控制结构的优点是控制直接、效率高、便于系统分析和设计。但集中控制结构的经济性差，控制中心影响着整个系统的性能与稳定。分布式控制结构是由控制中心连接若干，每个都有各

24、自的控制对象和目标，之间可进行数据的传输和交换。分布式控制的优点是局部的故障不至于影响全局，经济性好。但分布式控制结构的全局控制性能差，不利于系统整体的协调运行。为了弥补以上两种控制系统的缺点，满足控制系统信息化、网络化、智能化的发展趋势，提出了一种智能分级控制技术。图给出了智能分级控制技术的结构图。该分级控制技术将控制系统分为组织级、监控协调级和执行级，兼有集中控制结构和分布式控制结构的优点：每一个就是一个独立的单元，负责各自的任务，保证了较高的局部控制性能；同时每一个又能够与其他各级设备进行信息交换，具有较高的全局控制性能，可靠性高阳，。二疆二。市下广图智能分级控制系统结构课题的研究内容与

25、安排本文针对移动机器人控制系统的硬件与软件部分进行了研究与分析，设计出了一套以作为控制核心的移动机器人控制系统，并将其应用于实际的系统一一沈阳理工大学硕士学位论文中，取得了良好的效果。本文结构安排如下：第一章分析本课题的研究背景和意义，介绍控制系统的体系结构及发展现状，最后对分级控制系统进行简要的介绍。第二章重点介绍本文中所涉及的关键通信技术，包括现场总线、一通信接口和以太网网络。着重介绍基于总线和通信接口的通讯协议、通讯协议以及以太网控制网络的应用特点。第三章详细阐述控制系统硬件设计过程。首先分析控制需求，根据需求提出总体方案，然后根据提出的总体方案进行控制系统硬件的搭建。第四章详细论述控制

26、系统软件设计过程。首先根据控制任务及硬件组成，提出软件系统总体设计方案。然后根据总体方案分别进行上位机与下位机控制软件的设计。第五章介绍移动机器人控制系统的实验，通过测试控制系统的各项功能验证控制系统的可行性与实用性。第章总线技术及以太网网络第章总线技术及以太网网络现场总线（）作为一种新兴的工业数据总线具有简单、可靠、经济适用等一系列突出优点，受到国际上许多标准团体及自动化控制领域的高度重视。现场总线主要应用于底层现场设备之间的数字通讯、高级控制系统与现场控制设备之间的信息传递等。现场总线的特点如下：、系统的开放性：、互可操作性与互用性；、智能化与功能自治性；、系统结构的高度分散性；、对现场环

27、境的适应性；自现场总线出现以来，有几种现场总线技术已经逐渐的走向成熟并在一些领域得到较大规模的应用。但短时间内完全统一的现场总线标准仍然很难推出，各种现场总线标准并存的现象依然会存在。目前常见的现场总线标准有：总线、总线、总线、基金会现场总线、一、和一总线等。在本控制系统中使用了总线与两种总线结构，下面给出简要的介绍。一网络通讯标准标准由（电子工业协会）制订，全称为一串行通讯标准，习惯称为一标准。由于通讯标准存在通信距离短、速率低等缺点，制定标准就是为了弥补的上述缺点，标准具有传输距离远、传输速率较高、有相当高的噪声抑制及相对经济等优点。标准数据信号的传输方式称为差分传输，或者称作平衡传输。图

28、与图给出了发送器与接收器的示意图。沈阳理工大学硕士学位论文囊蜊释爱翻图发送器示意图扩锢杵潮缃魄孚黼图接收器示意图网络采用直线拓扑结构，在短距离或低波特率（距离在以下、波特率低于）数据传输时不必使用终端电阻“。在进行远距离或高波特率数据传输时需要在引脚之间安装两个的终端匹配电阻。一标准的最大传输距离约为，最大传输速率为。使用光纤介质可以大大的增加传输的距离，通过加装光电转换器，单模光纤的传输距离可达公里。表给出了通信标准的相关技术参数。表通讯方式的性能规格传输模式电缆长度电缆长度数据传输速度最大差动输出最小差动输出接收器敏感度发送器负载最大发送器数量最大接收器数量驼鲤，蚴黜。瀚一幸；一眦懒喊缄撇

29、协议一标准只对接收器和发送器的电特性作出了规定，却没有对应用层通信协议作出规定，因此在实际使用中需要建立合适的应用层通信协议。本文使用的协议就是一种基于一网络的一种通信协议。协议简介协议由公司提出，作为一种应用于电子控制器上的通用语第章总线技术及以太网网络言，得到了大多数公司的实际应用与认可，现在协议已经成为一种标准的通讯协议。只要按照协议进行数据传输，就能够将各种不同厂商生产的控制设备接入同一工业网络，进行集中监控。目前，在通讯过程中，更是广泛采用这种协议。常用的通讯协议分为两种，一种是协议，另一种是协议。协议适用于通讯数据量少而且主要是文本的通讯；协议针对的是二进制通讯数据且数据量较大的通

30、讯“。协议格式协议对诸如数据序列、校验码等进行数据交换的必要内容进行了详细的定义。协议采用半双工的通讯方式，即主从应答式的连接。首先，主机的寻址信号找到唯一的的终端设备，然后，被寻找的终端设备会向主机传输一个响应信号。终端设备收到主机的数据帧时，终端设备中的一个设备负责去掉该数据帧的数据头，然后进行数据的读取。确认没有错误之后，该终端设备将执行主站的数据请求任务，之后会把包含响应数据的数据帧发送回主站。返回的数据结构由以下四部分组成：地址域（）、功能域（）、数据域（）和校验域（）。数据传送成功后会收到相应的响应，有错误发生时是不会有响应的，但会收到一个错误指示帧。协议数据帧格式如表所示：表协议

31、数据格式（）地址（）域地址域由一个字节组成，位于帧的开头。用于指定的被询问的终端设备的地址，这个地址与终端设备对应并且是唯一的，终端设备根据接收到的地址域决定是否响应主站的查询。当有终端发回响应时，主站通过地址域便可判断出是哪台终端设备发出的响应数据。（）功能（）域功能域指定终端设备需要执行的具体功能。功能域中的功能码指定了主站希望终端设备具体执行的动作，例如当主站向温度传感器查询当前温度值时，需要沈阳理工大学硕士学位论文向传感器发送一个表示请求温度的功能码，传感器收到该功能码后会正确执行查询温度的功能，并将得到的当前温度值发送回主站。（）数据（）域数据域中包含具有特定含义的数据。例如：主机通

32、过功能码要求终端设备进行数据处理时需要提供待处理的数据，这些待处理数据就包含在数据域中。同样终端设备将数据处理的结果置于数据域中发送至主站。（）错误校验（）域错误校验域能够检查在数据传输过程中发生的错误，该域占用位的二进制数据（两个字节）。传送设备在进行数据传输前自动计算校验值并将其添加到数据帧中，接收设备会根据接收到的数据帧重新计算校验值，然后与接收到的校验值比较。如果接收到的值与计算得到的值不同设备就会认为该次数据传输发生了错误。在数据传输过程中由于电噪声等干扰会导致数据出错，通过出错校验可以保证接收设备忽略这些错误的数据，因此校验极大的提高了通信的可靠性与安全性。总线（，控制器局域网）是

33、由国际标准化组织定义的一种串行通讯总线标准，规范具有抗电磁干扰能力强、通讯速率高、能够检测出通信过程中的任何错误等特点。目前，总线已经在工业控制领域得到了广泛的应用，成为公认的最有前途现场总线之一，。总线具有如下特点：（）是少数拥有国际标准的现场总线之一。（）网络上的节点没有主节点、从节点之分，每一个节点随时都可以向其他节点发送数据。（）通过对报文设置不同的优先级，优先级高的报文优先安排发送，在内就可以完成最高优先级的报文传送，满足不同类型报文的实时性要求。（）采用的是非破坏性总线仲裁技术，该技术能大大的减少冲突的仲裁时间。（）通过对报文进行滤波可实现多种报文传送方式，如点对点传送、一对多传送

34、方式和全局广播等。（）通讯可实现高达的通信速率或最远的通信距离。第章总线技术及以太网网络（）节点数可达个，不限制标识符的格式。（）采用短帧数据结构，因此具有很强的抗干扰能力，传送速度快，适应工业环境。（）数据出错率极低，采用检错措施以保证每一帧数据的准确性。（）可选择双绞线、同轴电缆或光纤进行数据传输，通信介质选择灵活。（）节点在出现严重错误时会自动进行隔离，不会对总线上的其他节点造成影响。（）性价比高，总线结构简单，开发技术容易掌握。总线通信非常适用于模块化的设计思想，只需要两个线缆就能够使模块连接到通讯网络中，这些模块能够很简便的应用到分布式体系结构的机器人系统中”。通信协议总线有标准帧与

35、扩展帧两种帧格式，报文传输时使用种不同类型的帧：数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。（）数据帧（）：发送器通过数据帧向接收器发送数据。（）远程帧（）：远程帧由总线单元发出，用于请求发送具有相同标识符的数据帧。（）错误帧（）：当总线发生通信错误时就会产生错误帧。（）过载帧（）：过载帧的功能是在相邻的数据帧或远程帧之问提供延时。协议并不是一个完整的协议，这是因为现场总线仅仅定义了网络模型的第层与第层，即物理层与数据链路层，但并没有对中的应用层进行定义。由于在实际设计中，物理层与数据链路层完全通过硬件实现，软件设计人员无需对此做额外的工作。为了能够真正的应用协议，需要一个高层协议对报文的标识符及数据字节

36、进行定义，这个高层协议还应该具备网络管理功能、提供设备功能的描述方式等功能。同时为了满足各种设备的互换性与互用性要求，这个高层协议必须能够提供统一的、标准的通讯模式。在满足开放性、标准化的背景下，协议诞生了”。沈阳理工大学硕士学位论文协议简介协议是由（）定义的标准协议，使用的是的服务与通讯子集，在发布后不久就得到了广泛的承认。协议为分布式控制系统提供了一种实现方案，许多重要设备类型，例如可编程控制器、控制器、驱动设备、数字和模拟的输入输出模块或编码器，都在其“设备描述”协议中进行描述。协议的出现使得通过总线对不同厂商、不同类型的设备进行配置成为了可能，协议实现了网络节点的互换、互用，同时允许节

37、点进行一系列的功能扩展。图给出了总线标准与协议之间的关系。基于总线的通讯具有如下特点：（）设备功能的描述是通过对象字典完成的。（）设备及参数配置描述存放在电子数据文档和设备配置文件中。（）数据交换和系统管理服务由中的提供。（）中提供了系统和节点保护服务。（）定义了整个系统的同步操作与节点特定的应急报文。，己鲫玲辩噼、霉一嚣矗“。：糊黼酣磐。耕姆稍：鉴裁卜刊篡图模型中与协议的关系对象字典对象字典（）是所有设备的核心，是设备规范中最重要的部分。对象字典实际上是一个有序的对象组，每一个节点设备的对象字典可以在电子数据文档中描述，包含了设备的网络状态及设备描述等所有参数，每个对象都可以通过一个位的索引

38、值和一个位的子索引进行寻址，对象字典的通用结构如表所示。对象字典中描述通讯参数的部分适用于第章总线技术及以太网网络所有的设备，但设备相关功能的描述对于不同种类的设备是不同的。表。对象字典通用结构索弓一对象不使用数据类型保留通讯规范区域制造商特定规范区域标准设备规范区域标准设备接口规范区域保留一一一一一一通讯报文通讯模型定义了种通讯对象，分别为管理报文、服务数据对象（）、过程数据对象（）和预定义报文或者特殊功能对象。、管理报文管理报文能够提供层管理、网络管理和分配三种服务。本章将详细介绍网络管理（）。基于主从结构的概念，用于实现管理和控制网络设备的目的。在一个网络的全部节点中，只有两个节点为主节点，其余的都是从节点。的功能包括参数配置、节点状态控制和错误控制等等。通过服务可以完成网络节点状态的转换，网络节点状态结构框图如图所示。图网络节点状态结构沈阳理工大学硕士学位论文在节点完成初始化之后，便直接进入了预操作状态。预操作状态下不能进行实时数据传送的服务，但可以通过进行节点的参数配置信息。在完成参数配置之后，节点便进入操作状态。无论在任何状态下，节点都可以进行初始化操作。同