《智能仪表原理与设计》课件第五章 （二）

本章主要内容一、概述二、多单片机系统的结构与通信三、智能仪表的对外通信与标准总线四、现场总线与智能仪表五、TCP/IP协议与智能仪表上网四、现场总线与智能仪表现场总线（FieldBus）国际标准为IEC6-ll58。IEC6-1158拟制定现场总线的物理层、数据链路层、应用层和用户层标准，分别包括：IEC1158-1，现场总线总论IEC1158-2，物理层规范IEC1158-3，数据链路层服务定义IEC1158-4，数据链路层协议规范IEC1158-5，应用层服务定义IEC1158-6，应用层协议规范IEC1158-6，系统管理1.国际标准2.通过8种类型：

类型1IEC技术报告(即FFH1)类型2ControlNet(美国Rockwell公司支持)类型3Profibus(德国Siemens公司支持)类型4P-Net(丹麦ProcessData公司支持)类型5FFHSE(即原FFH2，美国FisherRosemount公司支持)类型6SwiffNet（美国Boeing公司支持）类型7WorldFIP（法国Alstom公司支持）类型8Interbus（德国PhoenixContact公司支持）四、现场总线与智能仪表3.现场总线的定义与特点

根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线的本质含义表现在现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散功能块、通信线供电和开放式互连网络。

本质含义：四、现场总线与智能仪表现场总线的优点

经济性可靠性可控性综合性互换性和互操作性开放性四、现场总线与智能仪表3.现场总线的定义与特点4.现场总线仪表（智能仪表）

现场仪表的特点

现场总线的节点是现场仪表或现场设备，如传感器、变送器、执行器等。它们的特点是：都有一个（或以上）微机，既有CPU、内存、I/O接口、通信接口等，也有非电量信号检测、变换、放大、处理等模拟电路，还有数据采集、控制输出等模数混合电路，具有硬、软件结合的技术优势和比传统仪表优越的性能。四、现场总线与智能仪表

温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能，而且有PID调节和其它运算功能；调节阀不但能进行信号驱动和执行，还能做输出特性补偿，自校验和自诊断。举例：四、现场总线与智能仪表4.现场总线仪表（智能仪表）

现场仪表的特点

温度变送器调节阀用于过程自动化的基本现场仪表或设备如下：①变送器。分为温度、压力（差压）、流量、物位和分析五大类。既有检测、变换和补偿功能，又有PID控制和运算功能。②执行器。常用电动、气动两大类。基本功能是驱动和执行，但内含调节阀输出特性补偿、PID控制和运算等功能，还有阀门特性、状态自校验和自诊断功能。四、现场总线与智能仪表4.现场总线仪表（智能仪表）

现场仪表的特点

执行器压力变送器③服务器和网桥。服务器下接H1和H2，上接局域网LAN(LocalAreaNetwork)，网桥上接H2、下接H1。④辅助设备。有H1/气压、H1/电流和电流/H1转换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等。⑤监控设备。工程师站提供现场总线组态，操作员站供工艺操作与监视，计算机站用于优化控制与建模。四、现场总线与智能仪表4.现场总线仪表（智能仪表）

现场仪表的特点

便携式编程器监控设备服务器1.用多变量、双向、数字通信方式代替传统仪表的单变量、单向、模拟传输方式；

2.一对信号线只能连接一台模拟仪表的形式将变成一对信号线连接多台微机化仪表的形式；

3.多功能的智能现场仪表代替单功能的现场模拟仪表。四、现场总线与智能仪表4.现场总线仪表（智能仪表）

现场仪表的特点

总之，现场总线将使仪表的发展产生以下根本的变化：

例中，针对美国SMAR公司第一代现场总线仪表LD302，通过对其原理及应用的分析，可以帮助我们进一步了解现场总线仪表的基本情况。详情见课本第171～172页。四、现场总线与智能仪表4.现场总线仪表（智能仪表）

现场仪表的应用举例

LD302实物图

现场总线标准采用国际标准化组织ISO的开放系统互联模型OSI的简化型，即1、2、7层。此外，它增加了第8层---用户层。图5.25现场总线标准层次四、现场总线与智能仪表5.现场总线通信技术

5.现场总线通信技术

图5.26DCS与FCS的区别（1）DCS系统与FCS系统结构的主要区别：四、现场总线与智能仪表DCS中控制站的功能分解到现场仪表和操作站中，从而减少了一个层次，原来不开放的内部总线变为开放的现场总线。表现在：（2）总线上两个设备间通信过程：四、现场总线与智能仪表5.现场总线通信技术

（3）各个层次介绍物理层（physicallayer）

主要任务是将接收来自数据链层的数据经再次加工后变为电信号进行传输，或接受到信号后进行相反的处理并将数据送交数据链层。编码方式：曼彻斯特双相L0

以同步时钟为参数，编码有四种可能，正跳沿表示逻辑“0"，负跳沿为“1"，正电平和负电平分别表示无数N+和N-。四、现场总线与智能仪表5.现场总线通信技术

四、现场总线与智能仪表5.现场总线通信技术

图5.28曼彻斯特编码物理层（physicallayer）四、现场总线与智能仪表物理层（physicallayer）5.现场总线通信技术

数据帧格式如下：

序言信号：10101010

起始界符：1N＋N-10N-N＋0

终止界符：1N＋N-N＋N-101FF低速现场总线H1支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型拓扑结构，而高速现场总线H2只支持总线型拓扑结构。图5.29低速总线网络拓扑四、现场总线与智能仪表5.现场总线通信技术

物理层（physicallayer）数据链层（datalinklayer）

数据链路层(DLL)位于物理层与总线访问子层(FAS)之间，为系统管理内核和总线访问子层访问总线媒体提供服务。

现场总线的通信活动被归纳为两类：

受调度通信与非调度通信。

数据链层数据帧格式如下：FF现场总线上每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器(LAS，LinkActiveScheduler)。四、现场总线与智能仪表5.现场总线通信技术

应用层（applicationlayer）应用层的主要任务是定义现场总线的命令、响应、数据或事件的信息。四、现场总线与智能仪表5.现场总线通信技术

应用层被划分成两个子层：1.上面子层是应用服务（applicationlayerservices），它被FMS(FieldbusMessagingSpecication)

定义，并为用户层提供服务；2.下面子层是现场总线存取子层(FAS,FieldbusAccessSublayer)，与数据链层连结。用户层（userlayer）

用户层是现场总线标准在OSI模型之外增加的一层。用户层规定了标准的“功能模块”供用户组态成为系统。图5.33功能方框图四、现场总线与智能仪表5.现场总线通信技术

FF规定了如下基本功能模块：模入AI，控制选择CS，模出AO，开入DI,P、PD控制PD,开关出DO，手动ML,PID、PI、I控制PID，偏置/增益BG，比率RA。

它还规定了如下先进功能块：脉冲输入、步进输出PID、输入选择、复杂模出、装置控制、信号特征、复杂开关出、设定值程序发生、定时、分离器、运算、模拟接口、超前滞后补偿、积算、开关量接口、死区、模拟警报、算术运算、开关量报警等。四、现场总线与智能仪表5.现场总线通信技术

用户层（userlayer）

五、TCP/IP协议与智能仪表上网

1.TCP/IP协议与以太网概述

以太网符合IEEE802.3

标准，采用总线型网络拓扑结构，介质访问控制方式采用CSMA/CD规则，传输介质可以选择铜缆、双绞线、光缆等，数据传输采用基带方式，曼切斯特编码（ManchesterEncoding），网络机理从早期的共享式发展到目前盛行的交换式。

TCP/IP协议是现今最流行的网际互联协议，是由TCP和IP协议为主构成的一个协议簇。TCP指传输控制协议IP指互联网协议TCP/IP协议分为五层，即：应用层传输层网络层数据链路层物理层五、TCP/IP协议与智能仪表上网

1.TCP/IP协议与以太网概述

2.协议与标准

计算机网络可分为点到点连接的网络和采用广播信道的网络两类。

用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的子层，称作介质访问控制MAC

(mediumaccesscontrol)子层。

介质访问子层的中心论题是如何给竞争的用户各分配一个单独的广播道。

目前,分配方法有静态分配和动态分配两种。五、TCP/IP协议与智能仪表上网

（1）载波侦听多路访问协议

(carriersensemultipleaccessprotocol)

网络节点侦听载波是否存在（即有无传输）并作出相应动作的协议，被称为载波侦听协议。CSMA/CD（carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection）协议是一种带冲突检测的载波侦听多路访问协议。

1-持续CSMA非持续CSMAp-持续CSMA

3种类型：五、TCP/IP协议与智能仪表上网

2.协议与标准

（2）IEEE802.3标准

IEEE802.3标准适用于1-持续CSMA/CD局域网。其工作原理是：当节点希望传送时，它就等到线路空闲为止，否则就立即传输。如果两个或多个节点同时在空闲的电缆上开始传输，它们就会冲突。于是所有冲突节点终止传送，等待一个随机的时间后，再重复上述过程。概况：

五、TCP/IP协议与智能仪表上网

2.协议与标准

（2）IEEE802.3标准

拓扑结构

建筑物内的不同走线方式:五、TCP/IP协议与智能仪表上网

2.协议与标准

（2）IEEE802.3标准

中继器

中继器是一个物理层设备，它双向接收、放大并重发信号。五、TCP/IP协议与智能仪表上网

2.协议与标准

一个系统中可拥有多个电缆段和多个中继器，但两个收发器间不得超过2.5km，任意两个收发器间的路径上不得有4个以上的中继器。

中继器实物

（2）IEEE802.3标准

帧格式：

先导字段：7字节的开头，每字节的内容为10101010。帧开始标志：内容为10101011的一字节。目的地址和源地址：2字节或6字节，但是10Mb/s基带只使用6字节。（目的地址的最高位为0是普通地址，为1时是组播地址，全1时为广播地址）。长度字段：2字节（0~1500）。数据部分：来自上层。填充字段：数据部分最短长度46字节。校验和：循环冗余校验。五、TCP/IP协议与智能仪表上网

2.协议与标准

（3）交换式802.3局域网

交换式局域网的心脏是一个交换机。

当一个节点想发送一802.3帧时，它就向交换机输出一标准帧。插板检查该帧的目的地是否为连接在同一块插板上的另一节点。如果是，就复制该帧。如果不是，该帧就通过高速背板被送向连有目的节点的插板。通常，背板通过采用适当的协议，速率高达1Gb/s。

因为交换机只要求每个输入端口接收的是标准802.3帧，所以可将它的端口用作集线器，如果所有端口连接的都是集线器，而不是单个节点，交换机就变成了802.3到802.3的网桥。五、TCP/IP协议与智能仪表上网

2.协议与标准

交换机实物3.智能仪表接入Internet

举例该智能仪表硬件电路以C8051F022单片机为核心。

智能仪表由数据采集模块和嵌入式以太网接口模块两部分组成。图5.36智能仪表原理框图五、TCP/IP协议与智能仪表上网

数据采集模块利用单片机内部集成模拟和数字电路完成模拟信号处理与模数转换，数据经处理后通过8位总线方式对网络控制模块进行控制调度和数据交换。单片机程序的下载和功能调试分别通过JTAG和RS232接口来完成。

以太网接口模块主要由W3100A和RTl8201两芯片组成，完成两个功能：（1）解析来自以太网的数据包并将解析后的数据传送给单片机；（2）对本地数据进行分组打包并按指定的IP和端口号向以太网传输。五、TCP/IP协议与智能仪表上网

3.智能仪表接入Internet

举例以太网接入模块接口设计

单片机C8051F022从W3100A内部的控制寄存器读出各状态并以此写入各种命令字，协调各种状态之间的转换，以达到建立各种连接（TCP、UDP）的目的。五、TCP/IP协议与智能仪表上网

3.智能仪表接入Internet

举例

首先设置W3100A各寄存器初始值，设定各个通道的收发数据缓冲区大小；然后设定网络模块的IP地址（静态分配的地址）、子网掩码、端口号、通道号等参