现场总线总复习

现场总线控制网络

总复习第1章现场总线概述基本概念现场总线——现场总线是应用在生产现场、在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实现双向、串行、多节点数字通信的技术，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线的技术特点现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。现场总线技术是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。第1章现场总线概述现场总线的技术特点现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。现场总线技术是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。现场总线的现状多种总线共存每种总线各有其应用领域每种总线各有其国际组织每种总线均有其支持背景设备制造商参加多个总线组织多种总线均作为国家和地区标准协调共存工业以太网引入工业领域第1章现场总线概述企业信息网络的层次结构第1章现场总线概述几种有影响的现场总线CANLonWorksPROFIBUSFFDeviceNet通信系统模型传输介质通信速率通信距离网络大小数据帧的长度控制器芯片收发器工作方式第2章网络与通信基础基本概念总线

——总线就是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。总线主设备——可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备。总线从设备——不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备。某一设备既可以是主设备，也可以是从设备，但不能同时既是主设备又是从设备。总线协议——管理主、从设备使用总线的一套规则称为"总线协议"。这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。第2章网络与通信基础基本概念（续）总线仲裁——总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。总线定时——总线操作用"定时"(timing)信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的。容错——设备在总线上传送信息出错时，如何减少故障对系统的影响。信源编码——信源编码是把连续信号变换为数字信号。信道编码——信道编码则是使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。第2章网络与通信基础基本概念（续）数据编码——数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。模拟数据编码——分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0，1状态的，称为模拟数据编码。数字数据编码——用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0，1状态的，称为数字数据编码。基带传输——采用数字数据编码，在基本不改变数据信号频率的情况下，直接传输数据信号的传输方式，称为基带传输。基带传输可以达到较高的数据传输速率，是目前广泛应用的数据通信方式。第2章网络与通信基础基本概念（续）单极性码——信号电平是单极性的，如逻辑1用高电平，逻辑0为低电平的信号表达方式。双极性码——信号电平为正、负两种极性的。如逻辑1用正电平，逻辑0为负电平的信号表达方式。归零码(RZ)——在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。非归零码(NRZ)——在整个码元时间内维持有效电平。差分码——用电平的变化与否来代表逻辑“1”和”0“。电平变化代表”1“，不变化代表”0“，按此规定的码称为传号差分码。根据初始状态为高电平或低电平，差分码有两种波形(相位恰相反)。显然，差分码不可能是归零码，第2章网络与通信基础基本概念（续）平衡传输和非平衡传输——根据信息传输方式，还可分为平衡传输和非平衡传输。平衡传输指无论“0”或“1。都是传输格式的一部分;而非平衡传输中，只有”1“被传输，”0“则以在指定的时刻没有脉冲来表示。曼彻斯特编码(ManchesterEncoding)——这是一种常用的基带信号编码。它具有内在的时钟信息，因而能使网络上的每一个系统保持同步。在曼彻斯特编码中，时间被划分为等间隔的小段，其中每小段代表一个比特。每一小段时间本身又分为两半，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。可见在一个时间段内，其中间点总有一次信号电平的变化。因此携带有信号传送的同步信息而不需另外传送同步信号。第2章网络与通信基础基本概念（续）数据传输速率——

数据传输速率是单位时间内传送的数据量。二进制信号的数据传输速率用每秒比特(bps)作单位，常称为比特率。协议效率——

协议效率是衡量通信系统软件有效性的指标之一。协议效率是指所传输的数据包中的有效数据与整个数据包长度的比值。一般是用百分比表示。通信效率——

通信效率被定义为数据帧的传输时间同用于发送报文的所有时间之比。误码率——

误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标。它是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率。第2章网络与通信基础基本概念（续）频率特性——频率特性描述通信信道在不同频率的信号通过以后，其波形发生变化的特性。频率特性分为幅频特性和相频特性。幅频特性——指不同频率信号，通过信道后其幅值受到不同的衰减的特性。相频特性——是指不同频率的信号通过信道后，其相角发生不同程度的改变的特性。带宽——通信系统中所传输的数字信号可以分解为无穷多个频率、幅度、相位各不相同的正弦波。这意味着传输数字信号相当于传输无数多个简单的正弦信号。信号所含频率分量的集合称为频谱。频谱所占的频率宽度称为带宽。。第2章网络与通信基础基本概念（续）信道容量——信道容量指信道在单位时间内可能传送的最大比特数，或称为最大数据传输速率。信噪比——信道功率S与噪声功率N的比值，称为信噪比。信噪比一般用10lgS/N来表示，单位为分贝(dB)。幅频特性——指不同频率信号，通过信道后其幅值受到不同的衰减的特性。第2章网络与通信基础基本概念（续）在总线上传送信息时会因噪声和串扰而出错，因此在高性能的总线中一般设有出错码产生和校验机构，以实现传送过程的出错检测。通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者。信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源。模拟信息源输出幅度连续变化的信号；离散信息源输出离散的符号序列或文字。模拟信息源可通过抽样和量化变换为离散信息源。第2章网络与通信基础基本概念（续）发送设备的基本功能是将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。传输介质指设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的，也可以是有线的。接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好。对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制码元，则要折合成二进制码元来计算。第2章网络与通信基础基本概念（续）理想信道的频率特性应该是对不同频率产生均匀的幅频特性和线性相频特性。信道频率特性不理想是由于传输线路并非理想线路造成的。信道的频率特性不仅与介质相关，而且和中间通讯设备的电气特性有关。如果介质带宽小于信号的有效带宽，信号就可能产生失真而使接收端难以正确辨认。当传输速率升高时，信号的有效带宽会随之增加，因而需要传输介质具有更大的介质带宽。换句话说，传输介质的带宽会限制传输速率的提高。第2章网络与通信基础基本概念（续）随着带宽W的增大，噪声功率N也会增大。所以，增加带宽W并不能无限制地使信道容量增大。随着带宽W的增大，噪声功率N也会增大。所以，增加带宽W并不能无限制地使信道容量增大。信号按位流形式传输，整个系统不用调制解调器。载波传输采用数字信号对载波进行调制后实行传输。最基本的调制方式有上述的幅度键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)三种。在载波传输中，发送设备首先要产生某个频率的信号作为基波来承载信息信号，这个基波就称为载波信号，基波频率就称为载波频率。网络拓扑结构、信号方式、访问控制方式，传输介质是影响网络性能的主要因素。第2章网络与通信基础基本概念（续）网络中常用的同轴电缆有特征阻抗为5O欧姆的Ethernet使用的同轴电缆，用于基带传输，速率可达10Mbps。另一类为公用天线电视CATV电缆，特征阻抗为75欧姆。CATV电缆既可以用于模拟信号传输，也可以用于数字信号传输。

解决在同一时间有几个设备同时争用传输介质，需有某种介质访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序，在设备之间交换数据。

载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。一个站要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。如果介质是空闲的，则可以发送。如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。

第2章网络与通信基础基本概念（续）令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌(token)的方法。谁得到令牌，谁才有发报权。

现场控制网络的节点大都是具有计算与通信能力的测量控制设备。

相互连接的网络可以是同种类型网络，也可以是运行不同网络协议的异型系统。通过网络互连技术使原来因所用协议不同不能相互通信的网络间实现相互通信。一条总线上容许挂接的自控设备节点有严格的限制。一般同种总线的网段采用中继器或网桥实现连接与扩展。第2章网络与通信基础基本概念（续）不同类型的现场总线网段之间采用网关。

采用中继器、网桥、网关、路由器等将不同网段、子网连接成企业应用系统。

在物理层，使用中继器(repeater)在不同网段之间复制位信号;在数据链路层，使用网桥(bridge)在局域网之间存储或转发数据帧;在网络层，使用路由器(router)在不同网络间存储转发分组信号;在传送层及传送层以上，使用网关(gateway)进行协议转换，提供更高层次的接口。第2章网络与通信基础基本概念（续）ISO/OSI参考模型由物理层、数据链路层、物理层、传输层、会话层、表示层和应用层7层组成。

现场控制网络的单个节点面向的控制信息量不大，信息传输的任务相对也比较简单，但对实时性、快速性的要求较高。

为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通信模型大都在OSI模型的基础上进行了不同程度的简化。第2章网络与通信基础分析计算CRC校验

第3章串行通信接口技术基本概念在串行通信中，参与通信的两台或多台设备通常共享一条物理通路。发送者依次逐位发送一串数据信号，按一定的约定规则为接收者所接收。串口通讯的两种方式：中断和轮询。冗余数据校验——发送者对每条报文都发送两次，由接收者根据两次收到的数据是否一致来判断本次通信的有效性。偶校验——按数据位加上校验位共有偶数个0的规则填写校验位的方式称为偶校验；奇校验——按数据位加上校验位共有奇数个0的规则填写校验位的方式称为奇校验。第3章串行通信接口技术基本概念（续）校验和——校验和方法是在通信数据中加入一个差错检验字节。对一条报文中的所有字节进行数学或逻辑运算，计算出校验和。将校验和形成的差错检验字节作为该报文的组成部分一起发送到接收端。

RS-232C的逻辑电平:5V~-l5V，逻辑"1"电平+5V~+l5V，逻辑"0"电平RS-232C的逻辑电平与TTL电平不兼容，为了与TTL器件相连必须进行电平转换。RS-232C采用电平传输，在通信速率为19.2kbps时，其通信距离只有15m。若要延长通信距离，必须以降低通信速率为代价。第3章串行通信接口技术基本概念（续）校验和——校验和方法是在通信数据中加入一个差错检验字节。对一条报文中的所有字节进行数学或逻辑运算，计算出校验和。将校验和形成的差错检验字节作为该报文的组成部分一起发送到接收端。

RS-232C的逻辑电平:5V~-l5V，逻辑"1"电平+5V~+l5V，逻辑"0"电平RS-232C的逻辑电平与TTL电平不兼容，为了与TTL器件相连必须进行电平转换。RS-232C采用电平传输，在通信速率为19.2kbps时，其通信距离只有15m。若要延长通信距离，必须以降低通信速率为代价。第3章串行通信接口技术3TXD2RXDTXD3RXD27RTS8CTSRTS7CTS86DSR4DTRDSR6DTR45GND5GNDModem信号计算机19D插座计算机29D插座使用Modem信号的RS-232C接口不使用Modem信号的RS-232C接口3TXD2RXDTXD3RXD27RTS8CTSRTS7CTS86DSR4DTRDSR6DTR45GND5GND计算机19D插座计算机29D插座第3章串行通信接口技术第3章串行通信接口技术基本概念（续）RS-485接口采用二线差分平衡传输，其信号定义如下当采用+5V电源供电时：若差分电压信号为-2500~-200mV时，为逻辑“0”；若差分电压信号为+2500~+200mV时，为逻辑“1”；若差分电压信号为-200~+200mV时，为高阻状态。RS-485实际上是RS-422的变型。RS-422采用两对差分平衡线，而RS-485只用一对。差分平衡电路接收发送AVBVAB第3章串行通信接口技术基本概念（续）RS-485标准没有规定连接器、信号功能和引脚分配。Modbus协议是应用于PLC或其它控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器之间、控制器经由网络（如以太网）和其它设备之间可以实现串行通信。标准的Modbus接口使用一RS-232C兼容串行接口。RS-485的半双工通信方式(连线方式)RS-485的全双工连接(连线方式)第4章CAN基本概念CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域网络。

CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。CAN的直接通信距离最远可达10km(速率5kbps以下);通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)

。CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤。第4章CAN基本概念（续）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。

控制器局域网（CAN）为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。当总线开放时，任何单元均可开始发送报文，若同时有两个或更多的单元开始发送，总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识符ID解决。当发送器在发送的位流中检测到5位连续的相同数值时，将自动地在实际发送的位流中插入一个补码位。报文中的位流按照非归零(NRZ)码方法编码，这意味着一个完整位的位电平要么是显性，要么是隐性。第4章CAN基本概念（续）对于CAN2.0A标准，标识符的长度为11位，这些位以从高位到低位的顺序发送，最低位为ID.0，在CAN2·0B中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准帧，而包括29位标识符的帧称为扩展帧。SJA1000独立的CAN控制器有2个不同的操作模式−BasicCAN模式（和PCA82C200兼容）−PeliCAN模式。第4章CAN标准帧格式扩展帧格式发送缓冲器的标准帧和扩展帧格式第4章CAN基本概念（续）RX缓冲器起始地址寄存器（RBSA）CAN地址30反映了在接收缓冲器窗口存放被接受的报文的第一个字节的内部RAM地址。内部RAM起始于CAN地址32，可以被CPU读/写访问。如果RBSA被设置为24（十进制），则CAN地址=RBSA+32=24+32=56如果报文超过RAM地址63，地址又从0继续。第4章CAN硬件电路设计与分析CAN控制器、收发器扩展电路软件设计与分析CAN应用节点程序分析第5章LonWorks智能控制网络基本概念目前采用LonWorks技术的产品广泛地应用于过程控制、电梯控制、能源管理、环境监测、污水处理、火灾报警、采暖通风和空调控制、交通管理、家庭网络等自动化领域，LON总线也成为当前最为流行的现场总线之一。LonWorks使用的开放式通信协议LonTalk为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。LonTalk协议最大的特点是通过网络变量实现对OSI的七层协议的支持，是直接面向对象的网络协议。通信介质支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线和电力线等。应用程序采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信的设计简化为参数设置，大大缩短了产品开发周期。第5章LonWorks智能控制网络基本概念（续）神经元芯片(NeuronChip)是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，同时也可作为采集和控制的通用处理器，LonWorks技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。LonMark是与Echelon公司无关的LonWorks用户标准化组织，按照LonMark规范设计的LonWorks产品，均可非常容易地集成在一起，用户不必为网络日后的维护和扩展费用担心。通信的每帧有效字节可从0~228个字节。通信速率可达1.25MBit/s，此时有效距离为130m；78Kbit/s的双绞线，直接通信距离长达2700m。LonWorks网络控制技术在一个测控网络上的节点数可达32000个。第5章LonWorks智能控制网络基本概念（续）LonWorks技术包括以下几个组成部分：LonWorks节点和路由器LonTalk协议LonWorks收发器LonWorks网络和节点开发工具LonWorks技术的核心是神经元芯片。神经元芯片不仅是Lon总线的通信处理器，同时也可以作为采集和控制的通用处理器。在神经元芯片内部有三个处理器:MAC处理器、网络处理器和应用处理器。神经元芯片和现场设备的互连是通过它的11个I/O口实现的。。第5章LonWorks智能控制网络基本概念（续）一个神经元芯片再加上几个现场传感器、执行器等外部器件，就是一个DCS系统中独立的控制单元。神经元芯片有一个多功能通信端口（CP0~CP4），可支持不同的通信介质，可配置三种不同的接口模式：单端模式、差分模式和专用模式。LON总线收发器有：双绞线收发器、电力线收发器、无线收发器、光纤收发器等。差分曼彻斯特编码

。双绞线与Neuron芯片的接口有以下三种类型：直接驱动接口RS-485变压器耦合接口第5章LonWorks智能控制网络第5章LonWorks智能控制网络第5章LonWorks智能控制网络基本概念（续）LON节点有两种类型基于Neuron芯片的节点（NeuronChip-BasedNode）基于主机的节点（HostBasedNode）一个神经元芯片再加上几个现场传感器、执行器等外部器件，就是一个DCS系统中独立的控制单元。第5章LonWorks智能控制网络网络变量的应用例子10IO4Neuron芯片nv_switchnv_lampIO0Neuron芯片开关节点灯节点第5章LonWorks智能控制网络基于控制模块的节点开发实例第6章PROFIBUSDP/FMS(RS485)依据RS485，异步NRZ传输波特率从9.6kbit/s到12Mbit/s，可选双绞屏蔽电缆每段32个站，最多允许126个站距离:12Mbit/s=100m;1.5Mbit/s=400m;<187.5kbit/s=1000m有中继器距离可延长到10公里9针,D型插头第6章PROFIBUS第6章PROFIBUSPA的物理层同步Manchester编码（H1编码），31.25kbit/s本质安全(可选)和通过总线供电(可选)屏蔽或非屏蔽的双绞电缆每段距离达1900米，用中继器可延长到10公里最多126个站,每段10-32个设备(依赖于供电装置、导线类型和供电消耗)第6章PROFIBUSRS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术，这种技术通常称之为H2，采用的电缆是屏蔽双绞线。IEC1158-2是一种同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。PROFIBUS总线存取协议，主站之间采用令牌传输方式，主站与从站之间采用主从方式。波特率(kbit/s)9.619.293.75187.5500150012000距离(段/m)1200120012001000400200100传输速率与电缆长度的关系第7章基金会现场总线概述基金会现场总线作为工厂的底层网络，它是低速网段，其传输速率的典型值为31.25Kbit/s通信模型的构成物理层数据链路层应用层用户层传输