《现场总线机工业控制网络》课件（共十章）

1现场总线及工业控制网络第1章概述主要内容۞

1.1现场总线与控制网络简介۞

1.2控制网络在企业网络系统中的作用۞

1.3控制网络的应用现状与标准化1.1现场总线与控制网络简介现场总线的定义：现场总线是当今自动化技术发展的热点之一，被称为自动化领域的计算机局域网。过去对现场总线有很多种不同的定义，国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）在IEC61158中给现场总线的定义是：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。可以认为它是关于现场总线的标准定义。1.1.1

现场总线现场总线的分类：在工业数据通信领域中，人们通常按数据通信帧的长短，把数据传输总线分为：传感器总线：属于数据位级的总线，其通信帧的长短只有几个或十几个数据位，如AS-i总线；设备总线：属于字节级的总线，其通信帧的长度一般为几个到几十个字节，如CAN总线；现场总线：属于数据块级的总线，它所传输的数据块长度可达到几百个字节，当要传输的数据块更长时，可支持打包分批传送。但现场总线中传输的与控制直接相关的数据帧的长度一般也只有几个到几十个字节，如FoundationFieldbus、Profibus、ControlNet等都属于典型的现场总线。现场总线的核心及基础：核心：现场总线的核心是总线协议。虽然目前现场总线协议并不统一，但是对于各种总线，协议的基本原理都是一样的，都是为了实现串行双向数字化通信。每一种总线协议，只要其协议已经确定，则包括通信速度、节点容量、各系统相关的网关、网桥、体系结构、现场智能仪表及网络供电方式等相关的关键技术和软硬件设备也都会确定。基础：现场总线的基础是现场总线仪表，或称为智能现场设备。现场总线技术的发展带来了总线仪表在通信及检测控制功能上的革新，微电子技术的发展也为仪表的智能发展带来了技术支撑。现场总线的发展现状：国际电工技术委员会/国际标准化协会（IEC/ISA）于1984年开始着手现场总线标准化工作，但统一的标准至今仍未完成。世界上许多国家都提出了自己的现场总线技术，但是由于存在太多标准和协议的差异，给工程实践和应用推广带来了诸多不便，影响了系统的开放性和互操作性，因而在最近几年里开始标准统一工作，减少现场总线协议的数量，以达到单一标准协议的目标。各种协议标准合并的目的是为了达到国际上统一的总线标准，以实现各家产品的互操作性。控制系统的发展历程与控制网络的兴起：基地式和单元组合式的气动、液动仪表控制阶段；集中式电动模拟仪表阶段；以PLC为核心的逻辑控制和顺序控制阶段；以计算机为控制核心的计算机控制系统阶段；以大规模集成电路和微型处理机为基础的DCS控制时代；以微芯片技术为核心、智能仪表为基础的FCS控制时代。1.1.2

控制网络课堂思考与讨论：如下的仪表和仪表控制盘，能代表控制系统发展历程的何阶段？控制网络及其发展趋势：工业企业网络一般包含两部分：信息网络：处理工业控制系统管理与决策信息。一般处于企业中上层，处理大量的、变化的、多样的信息，具有高速综合的特征。控制网络：处理控制现场实时测控信息。主要位于企业中下层，处理实时的、现场的信息，具有实时性强、可靠安全性要求高等特征。控制网络与信息网络的集成：将控制网络和信息网络集成，主要基于以下几点考虑：可建立企业综合实时信息库，为企业的优化控制、调度决策提供依据；可建立分布式数据库管理系统，保证数据的一致性、完整性和可操作性；可实现对现场设备及控制网络的远程监控、优化调度及远程诊断等功能；可实现控制网络的远程软件维护与更新功能；可将测控网络连接到更大的网络系统中，如Intranet、Extranet和Internet。管控一体化的网络集成式控制系统：管控一体化集成系统（Management-ControlIntegrationSystem，简称MCIS系统）是采用计算机、网络、工业电视、数据库、自动控制和接口通信等诸多先进技术，以生产过程控制系统和工厂安全监控系统为基础，通过对企业生产管理、过程控制、安全监控等信息的处理、分析、优化、整合、存储和发布，应用现代化企业管理模式建立覆盖企业生产管理与基础自动化的综合系统。开放互连网络管控一体化系统集成原理示意图1.2控制网络在企业网络系统中的作用1.2.1

企业网络系统企业网络（EnterpriseNetwork）：一般是指在一个企业范围内将信号检测、数据传输、处理、存储、计算、控制等设备或系统连接在一起，以实现企业内部的资源共享、信息管理、过程控制、经营决策，并能够访问企业外部信息资源，使得各项事务协调动作，从而实现企业集成管理和控制的一种网络环境。企业网是一个企业的信息基础设施，它涉及局域网、广域网、现场总线以及网络互联等技术，是计算机技术、信息技术和控制技术在企业管理与控制中的有机统一。企业网络具有以下几种特性：范围确定性：具有特定的地域和服务范围，并能实现从现场实时控制到管理决策支持的功能；集成性：企业网络通过对计算机技术、信息与通信技术和控制技术等技术的集成，达到了现场信号检测、数据处理、实时控制到信息管理、经营决策等功能上的集成，从而构成了企业信息基础设施的基本骨架；安全性：作为相对独立单位的某个企业的内部网络，在企业信息保密和防止外部入侵方面要求高度的安全性，要确保企业能通过企业网络获取外部信息和发布内部公开信息，相对独立和安全地处理内部事务；相对开放性：企业网络是作为internet的一个组成部分出现的，它具有开放性，但这种开放性是在高度安全保障措施下的相对的开放性。企业网络的划分：

按网络连接结构，一般将企业的网络系统划分为3层：控制网（infranet）：位于底层，为基础层；企业内部网（intranet）：位于中间层；互联网（internet）：位于顶层。企业网络系统层次结构1.3控制网络的应用现状与标准化1.3.1

应用现状将DCS列为一类非开放性系统，则可以认为控制网络技术起源于现场总线。现场总线技术产生于20世纪80年代，但对它的研究开发之热却是近年之举。一方面是因为信息时代各项技术的发展对自动化系统提出了更新的要求，促进了该领域的网络化、信息化进程；另一方面也是由于它本身所蕴含的技术经济潜力。据资料分析，世界上已经出现的各式各样的总线有100多种，其中宣称为开放性的总线就有40多种。同时也出现了各种以开发推广现场总线技术为目的的组织，例如现场总线基金会（FieldbusFoundation，FF）、LonMark协会、工业以太网协会(IndustrialEtherNetAssociation，IEA）、Profibus协会、工业自动化开放网络联盟（IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance，IAONA）等。1.3.2

控制网络的标准化伴随着技术的发展，在许多国家、企业、地区形成了各式各样的现场总线标准。就国际标准而言，国际标准化组织ISO、IEC都卷入了该项标准的制定：最早成为现场总线国际标准的是CAN，它属于ISO11898标准；IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C/WG6，是最先开始现场总线标准化工作的组织；IEC/17B负责制定的低压开关装置与控制装置作为控制设备之间的接口标准，即IEC62026国际标准已获通过。小结现场总线与控制网络简介控制网络在企业网络系统中的作用控制网络的应用现状与标准化作业：

1.从企业网络的连接层次、功能层次两个方面说明控制网络在企业网络系统中的作用和地位。2.企业网络具有哪几种特性？其系统层次结构如何？第2章数据通信与控制网络基础本章主要内容۞

2.1

数据通信۞

2.2通信系统的性能指标۞

2.3数据编码۞

2.4

通信线路的工作方式۞

2.5差错控制۞

2.6通信参考模型۞

2.7介质访问控制方式۞

2.8控制网络的特性数据通信：两点或多点之间借助某种传输介质以二进制形式进行信息交换的过程，它是计算机与通信技术结合的产物。数据通信系统组成：由数据信息的信息源、发送设备、传输介质、接收设备、信息接收者等几部分构成۞

2.1

数据通信信源发送器信道接收器信宿噪声广义通信模型：信息源与信息接收者发送和接收设备信息源：信息源是信息的生产者。分为模拟信息源和离散信息源。信息接收者：信息的接收者是信息的使用者。在数字通信系统中传输的信息是数据，是数字化了的信息。发送设备：用于匹配信息源和传输介质。接收设备：需要发送设备的反变换，从带有干扰的信号中正确恢复出原有信号，并进行解码、解密等。传输介质有线：电缆、光缆、双绞线、光纤无线：电磁波、红外线通信软件报文：需要传送的信息称报文。通信协议：通信设备之间控制数据通信与理解通信数据的一组规则。۞

2.2通信系统的性能指标通信系统的性能指标主要包括：信息传输的有效性、可靠性、适应性、经济性、保密性、标准性及维护使用方便等。有效性指标：码元传输速率：简称码元速率，单位时间内即每秒传输的码元数，单位为波特（Baud）。

信息传输速率：简称信息速率（传信率、比特率），单位时间即每秒钟内传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s）。频带利用率：定义为单位频带内所能实现的码元速率或信息速率，单位为Band/Hz。

可靠性指标：

误码率Pe：二进制码元在数据传输系统中被传错的概率。

Pe=接收错误的码元数/传输的码元总数

误信率Pb：码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。

Pb=错误的信息数/传输的信息总数通信系统的有效性和可靠性两者之间是相互联系、相互制约的，可通过降低有效性的方法来提高系统的可靠性，或反之。۞

2.3数据编码编码方式：采用最广泛的编码是美国标准信息交换码(AmericanStandardCodeforInformationIntercharge，ASCII)。0123456789ABCDEF01234567What？Ha…Isee!Awonderfulplace.Let’sgo!ASCII的编码信息传输数字编码波形分为单极性码、双极性码、归零码、非归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。单极性码:信号电平是单极性的编码。双极性码:信号电平为正、负两种极性。归零码：在每一位二进制信息传输之后返回到零电平的编码称为归零码。非归零码：整个码元时间内都维持有效电平，称为非归零码。۞

2.3数据编码单极性非归零码和单极性归零码双极性非归零码和双极性归零码几种数据编码波形差分码:用每个周期起点电平变化与否来代表逻辑“1”和逻辑“0”的编码。电平变化代表“1”，不变化代表“0”，按此规定的编码方式形成的编码称为差分码。差分码按初始状态为高电平或低电平，有截然相反的两种波形。差分码几种数据编码波形几个“0”晕！曼彻斯特编码:在曼彻斯特码中，把时间划为等间隔的小段，其中每小段代表一个比特（即一位）。每个比特时间又被分为两段，前半个时间段所传输的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。曼彻斯特编码过程与波形几种数据编码波形差分曼彻斯特编码:是曼彻斯特编码的一种变形。它既具有曼彻斯特编码在每个比特时间间隔中间信号一定会发生跳变的特点，也具有差分码用电平变化代表“1”，不变化代表逻辑“0”的特点。曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码的波形分析：差分码、差分曼彻斯特码的好处？几种数据编码波形۞

2.4通信线路的工作方式半双工通信：可以双向传输，但同一时间内只能单向传输；全双工通信：允许在同一时刻两个方向同时进行数据传输。单工通信：信息流只能沿一个方向传输，不能反向传输；۞

2.5差错控制⑴差错的检测方法：①冗余。②回送。③精确计数编码（可规定每个字符中的“1”的数量是相同的，接收端中校验‘1’的个数)。④奇偶校验（多加1个位，用于添“1”，若“1”的总数为偶数叫做偶校验，为奇数叫做奇校验。）。⑤求校验和（发送前将数据按位求和，附在发送数据信息之后）。⑥循环冗余校验（CRC）。⑵差错的纠正方法：重新传输、前向差错纠正（FEC）、CRC检错码。CRC检错码的工作原理：将要发送的数据位序列当做一个多项式的系数，在发送方用收发双方预先约定的生成多项式去除，求得一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式之后再发送到接收端。接收端用同样的生成多项式去除接收数据多项式，得到计算余数多项式。如果计算余数多项式跟接收余数多项式相同，则表示传输无差错；如果计算余数多项式不等于接收余数多项式，则表示传输有差错，由发送方重发数据，直至正确为止。۞

2.5差错控制۞

2.6通信参考模型OSI参考模型:OSI参考模型把开放系统的通信功能划分为7个层次。从连接物理介质的层次开始，分别赋予1、2、…、7层的顺序编号，相应的称之为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。TCP/IP参考模型:TCP/IP参考模型分为主机至网络层、互联网层、传输层和应用层。现场总线的通信模型: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多都在OSI模型基础上进行了不同程度的简化。۞

2.7介质访问控制方式载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）:采用载波监听多路访问/冲突检测的介质访问控制方式时，网络上的任何节点都没有预定的通信时间，节点随机向网络发起通信。介质访问控制的令牌方式:这种方法按一定的顺序在各站点间传递令牌，得到令牌的节点才有发起通信的权力，从而避免了几个节点同时发起通信而产生的冲突。۞

2.7介质访问控制方式时分复用（TDM）：时分复用对每个节点预先分配好特定的一段时间，让每个节点在这段时间内占有总线。多个节点按划分的时间顺序占用总线的工作方式称为时分多路复用。并行时间域多路存取（CTDMA）：并行时间域多路存取所发送的报文按内容辨识，当节点接收数据时，仅需识别与此报文相关联的特定标识符，数据包不再需要目的地址，数据源只需将数据发送一次。多个需要该数据的节点通过在网上识别此标识符，同时从网络中获取来自同一生产者的报文数据，因而称之为并行时间域多路存取。۞

2.8控制网络的特性控制网络属于一种特殊类型的计算机网络，是用于完成自动化任务的网络系统。从控制网络节点的设备类型、传输信息的种类、网络所执行的任务、网络所处的工作环境等方面，控制网络都有别于由普通PC机或其它计算机构成的数据网络。控制网络的节点：大多都是具有计算与通信能力的测量控制设备，它们可能具有嵌入式CPU，但功能比较单一，其计算与其它能力也许远不及普通PC机，没有键盘、显示等人机交互接口，甚至不带有CPU、单片机，只带有简单的通信接口。۞

2.8控制网络的特性控制网络的任务与工作环境：任务：控制网络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、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中，起着现场及控制设备之间数据联系与沟通的作用。工作环境：与工作在办公室的普通计算机网络不同，控制网络要面临工业生产的强电磁干扰、各种机械振动和严寒酷暑的野外工作环境，因此要求控制网络能适应此类恶劣的工作环境。۞

2.8控制网络的特性控制网络的实时性要求：

控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足对控制的实时性要求。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新，这种对动作时间有实时性要求的系统称为实时系统。

实时系统的运行不仅要求系统动作在逻辑上的正确性，同时要求满足时限性。实时系统又分为硬实时和软实时两类。硬实时系统要求实时任务必须在规定的时限完成，否则会产生严重的后果；而软实时系统中的实时任务在超过了截止期后的一定时间内，系统仍可以执行处理。数据通信性能指标数据编码工作方式差错控制参考模型介质访问控制方式控制网络的特性小结数据通信与控制网络基础作业：⒈给出01001110序列的曼彻斯特编码及差分曼彻斯特编码的信号波形。2.发送数据比特序列为110011，生成多项式比特序列为11001，采用二进制模二算法，说明CRC校验码的生成过程。第3章通用串行端口的数据通信主要内容۞

3.1串行通信技术基础۞

3.2

EIA-232-D的接口标准۞

3.3

EIA-485串行通信技术۞

3.4

EIA-485的端口连接۞

3.1串行通信技术基础⑴串行通信帧的起始、停止位备注：1个起始位，8个数据位，1个校验位，1个停止位，串行通信的帧结构。⑵连接握手

确认连接关系。⑶确认接受者为表明数据已经收到而向发送者回复信息的过程称为确认。⑷中断通知CPU有需要立即相应任务，每一个中断请求对应一个连接到中断源和中断控制器的信号。⑸轮询通知周期性地获取特征或信号来读取数据或发现是否有事件发生的工作过程。⑹差错检查①冗余数据校验多次重发，判断一致性。②奇偶校验数“1”的个数。③校验和将发送对象求和附加发送、收到后校验。④出错处理重发、停发。۞

3.2

EIA-232-D的接口标准EIA-232-D是美国电子工业协会EIA(electronicindustriesassociation)制定的物理接口标准，也是目前较为广泛使用的一种标准。⑴接口的物理特性⑵接口的电气特性信号速率限于20kbps,19.2kbps；电缆长度限于15m之内；电性能用±12v标准脉冲；EIA-232-D采用负逻辑。其中25芯插针、插座DB-25是EIA-232中规定使用的标准连接器在数据线上：传号Mark=-5~--15V，逻辑“1”电平

空号Space=+5~+15V,逻辑“0”电平在控制线上：通On=+5~+15V,逻辑“0”电平

断Off=-5~-15V,逻辑“1”电平⑶接口的功能特性DB-25各条引线的功能分配如右图所示：14151618171920222324252112354781011121396辅信道发送数据发送时钟辅信道接收数据未用辅信道请求发送数据终端就绪信号质量检测振铃指示数据信号速率指示发送时钟未用接受时钟发送数据保护地接收数据请求发送允许发送调制解调器就绪信号地微波检测留作测试留作测试未用辅信道载波检测辅信道允许发送⑸DB-9连接器⑹EIA-232-D端口的直接连接在工业数据通信中，许多场合不采用Modem，而将每台计算机的EIA-232端口连接起来，称为Modem连接。⑷EIA-232-D的规程特性EIA-232-D规定了在数据终端设备DTE与数据通信设备DCE之间控制信号与数据信号的发送时序，应答关系及操作过程。①建立物理连接②数据传输③物理连接释放EIA-232端口的直接连接۞

3.3

EIA-485串行通信技术工业采用场合的通信节点多，位置分散，通信距离远，因此要求采用最少的连接完成通信任务。

EIA-485传输技术的基本特性①网络拓扑为总线型结构，两端带有终端电阻；②传输速率为9.6kbit/s~12Mbit/s，电缆长度取决于传输速率；③介质为屏蔽/非屏蔽双绞线，这取决于环境条件；④站点数，每段32个站（不带中继器），最多127个站（带中继器）；⑤插头连接，最好使用9针D型插头。规范EIA-232EIA-422EIA-485最大传输距离15m1200m(100kbps)1200m(100kbps)最大传输速度20kbps10Mbps(12m)10Mbps(12m)驱动器最小输出/V±5±5±5驱动器最大输出/V±15±10±6接收器敏感度/V±3±0.2±0.2最大驱动数量1132单位负载最大接收器数量11032单位负载传输方式单端差分差分（1）EIA-485接口EIA-485接口采用二线差分平衡传输，采用+5V电源供电。（1）若差分电压信号为-2500～-200mV时，为逻辑“0”；（2）若差分电压信号为+200～+2500mV时，为逻辑“1”；（3）若差分电压信号为-200～+2000mV时，为高阻状态。差分电路的最大优点是抑制噪声，由于在它的两根信号线上传递着大小相同、方向相反的电流，一根导线上出现的噪声电压会被另一根导线上出现的噪声电压抵消。差分电路的另一个优点是不受节点间接地电压差异的影响。（2）EIA-485收发器EIA-485收发器种类较多，如Maxim公司的MAX485，TI公司的SN75LBC184、SN65LBC184、高速型SNALS1176等。SN75LBC184为差分收发器，具有瞬变电压抑制功能，SN75LBC184为商业级，其工业级产品为SN65LBC184。SN75LBC184引脚图（2）EIA-485收发器SN75LBC184和SN65LBC184具有如下特点：(1)具有瞬变电压抑制能力，能防雷电和抗静电放电冲击；(2)限斜率驱动器，使电磁干扰减到最小，并能减少传输线终端不匹配引起的反射；(3)总线上可挂接64个收发器；(4)接收器输入端开路故障保护；(5)具有热关断保护；(6)低禁止电源电流，最大300μA；(7)引脚与SN75176兼容。۞

3.4

EIA-485的端口连接(1)半双工连接广泛采用，多个节点共享一条信号通路485总线收发器：如SN75176TTL信号与485信号的电平转换限流和过热关闭提高负载能力终端电阻EIA-485的半双工连接(2)全双工连接较少采用，信号的发送和接收各有自己的通路两点连接485驱动器或接收器：75179多点连接对网络控制权进行管理TTL到485的转换75176、75179等232到TTL的转换MAX233等方向控制信号RTS高电平：232端口接收数据低电平：232端口发送数据

(3)EIA-232到EIA-485端口的转换EIA-232到EIA-485端口的转换小结串行通信EIA-232-D的接口标准EIA-485串行通信技术EIA-485的端口连接作业：

1.为什么EIA-485接口采用二线差分平衡传输？2.EIA-485的两种通信方式有何优缺点？第4章LonWorks控制网络主要内容۞

4.1

LonWorks技术特点۞

4.2

LonTalk协议۞

4.3

LonWorks通信控制处理器——神经元芯片۞

4.4通信收发器۞

4.1

LonWorks技术特点LonWorks概况美国Echelon公司1991年推出的一种现场总线和控制网络技术。现状：第三代LonWorks技术充分利用互联网资源。应用情况：LonWorks技术嵌入到现场设备中，设备之间对等通信，控制网络又通过各种互联网的连接设备，通过LNS控制网络操作系统建立上层的企业解决方案。与ERP、CRM等应用相结合。LonWorks控制网络的基本组成基本要素：LonWorks现场控制节点、通信介质、LonTalk通信协议。按功能划分组成部分LonWorks节点。LonWorks路由器。LonWorksInternet连接设备。LonWorks收发器。LonTalk协议。LonWorks网络和节点开发工具。LNS网络工具。4.1.1

LonWorks控制网络的基本组成4.1.2

LonWorks技术特点LonTalk通信协议：LonWorks技术有支持OSI七层模型的LonTalk通信协议，LonTalk通信协议是一种直接面向对象的网络协议，这是LON总线最突出的特点。神经元芯片：神经元芯片是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，而且是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。基于LNS（LonWorksNetworkOperatingSystem）的软件工具：LonWorks技术有多种基于LNS的工具，用于LON网络的维护和组态。互操作性：为了更好地推广LonWorks技术，1994年5月，世界许多大公司，如Motorola、IBM、TOSHIBA、ABB、HP、Honeywell等，组成了一个独立的行业协会LonMark，用来负责定义、发布和确认产品的互操作性标准。۞

4.2

LonTalk协议特征和优点以数据包为基础的对等的通信协议。短报文：几个到几十个字节。实时性高：带预测的P-坚持CSMA算法。通信带宽不高：几千到2Mb/s。节点多是低成本、低维护费用的单片机。多通信介质，支持混合介质和不同通信速度的网络可靠性高：防范未经授权使用系统等。对节点的透明接口。网络规模任意伸缩。产品互操作性的有效机制。实施协议内网络管理的解决方案。基本通道S&F中继器传输一个通道或两个通道的所有数据网桥连接两个通道(x和y)；传输在一个域中的从x到y的所有数据子网一系列节点的集合路由器传输从一个子网到另一个子网的数据网关传输从一个域到另个域的数据۞

术语解释—符合通用网络教材的术语基本概念协议数据单元（PDU）MPDU和LPDU（帧），MAC层和链路层（称为帧）NPDU（packet），网络层TPDU（massage/ACK），传输层SPDU（request/response），会话层Session网络管理协议数据单元NMPDU、网络检测协议数据单元DPDUAPDU，应用层LonTalk七层协议包含网络操作系统，通过网络开发工具生成固件，采用网络变量直接面向对象通信，节点间的通信通过网络变量互联即可完成。LonTalk与OSI的七层协议的比较LonTalk网络地址结构及对大网络的支持域(domain)：不同的域中通信是彼此独立的。网络中的域最多248个。域ID为0,1,3或6个字节。子网(subnet)：每个域中最多255个子网，每个子网中最多127个节点。智能路由器实现子网间的数据交换。节点(node)：一个节点可分属一个或二个域，可作为两个域之间的网关。节点号是7位。组(group)：一个域中最多256个组，一个节点可分属15个组，节点分组不用考虑它的物理位置。分组结构使一个报文同时为多个节点所接收；组中需应答服务的节点最多64个。组号是8位。通道(channel)：一个通道最多有32385个节点。域、子网和组都可以跨越几个通道。物理层支持多种通信协议；为适应不同的通信介质需支持不同的数据解码和编

码；支持在通信介质上的硬件碰撞检测۞网络地址结构报文地址结构MAC子层MPDU/LPDU格式①带预测的P坚持CSMA网络积压参数BL是对当前发送周期中有多少个节点需要发送报文的估计。每个节点都有一个BL值，当侦测到一个MPDU或发送一个MPDU时BL加一；同时每隔一个固定的报文周期BL减一。保持BL≥１。随机时间片Beta2节点根据BL值等待0～W个随机时间片后访问介质。W=BL*WBase，WBase=16。MAC算法节点首先在Beta1周期地检测通道是否空闲。若空闲随后产生随机等待T，T为０～W个时间片。延时结束网络仍空闲则节点发送报文；否则重复MAC算法。②带预测的P坚持CSMA试验表明，带预测的P坚持CSMA在轻负载时，发送速度快；重负载时有效避免碰撞，支持大型网络。支持多介质的通信，支持低速率的网络。带预测的P-坚持的CSMA示意图③可选择的优先级机制为优先级节点在P-概率时间片之前分配优先级时间片0～127个。优先级节点在等待优先级时间片后将优先级数据报文发送出去。低优先级的节点需要等待较多的优先级时间片。非优先级的节点必须等待优先级时间片都完成之后，才能在P-概率时间片后发送。优先级带预测的P-坚持CSMA示意图链路层提供子网内LPDU帧顺序的无响应传输。CRC检错：生成多项式X16+X12+X5+1（CCITTCRC-16）网络层5种网络地址格式、网络地址分配、路由器机制。出错处理、网络认证、流量控制等；传输层和会话层：LonTalk协议的核心传输层：无连接的一对一、一对多传输。实现报文服务、信息认证。会话层：提供请求－响应方式报文服务。4种类型的报文服务端到端的应答服务(ACKD)请求-响应方式(REQUEST)非应答重发方式(UNACKD_RPT)非应答方式(UNACKD)表示层和应用层网络变量服务：输出网络变量改变时，自动转换成APDU下传；输入网络变量改变时，激活相应处理。显式报文服务网络跟踪服务：跟踪网络上的所有操作，记录错误信息。外来帧传输服务：LWks网络外的其它信息转换成LonTalk报文。网络管理和网络诊断地址分配：域、子网、节点号；组名、组员号。节点查询：查询状态及通信错误统计。节点测试：发送测试命令。设置路由器配置表。神经元芯片的结构框图۞

4.3

LonWorks通信控制处理器

神经元芯片主要有：日本TOSHIBA公司、美国Cypress公司。两大系列：3150系列；3120系列。神经元芯片的主要性能特点:(1)所需外部器件较少，高度集成。(2)内含3个8位CPU，分别实现不同的功能，输入时钟范围可选：625kHz~10MHz。(3)两个16位定时计数器，15个软定时器。(4)网络通信端口可设置为3种工作方式：单端模式、差分模式和专用模式。(5)48位的内部神经元ID，用于唯一识别神经元芯片。(6)提供服务引脚，用于远程识别和诊断。(7)在外部存储器中，可固化LonTalk协议、事件驱动多任务调度程序和I/O驱动程序等固件。(8)有11个可编程I/O引脚，可设置为34种预编程工作方式，其中IO0~IO3带有20mA高电流接收；IO0~IO7可设置为低电平检测锁存；IO0~IO10可设置为TTL标准输入；IO4~IO7可以通过编程设置成带上拉电阻。MAC处理器：处理LonTalk协议的第1和2层，它包括驱动通信子系统硬件和执行冲突避免算法。网络处理器：处理LonTalk协议的第3到6层，处理网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等。应用处理器：执行用户程序及其调用的操作系统服务。芯片内3个处理器和存储器结构的框图神经元芯片的处理单元EEPROM：至少512字节，存储网络配置、地址表、ＮeuronID、可下装的应用程序和非易失数据。RAM：用于堆栈、数据区、协议应用缓冲区和网络缓冲区。EPROM（3120系列）：至少10KB，包含一个操作系统、LonTalk协议和I/O功能库。可靠性高，但不满足扩展性要求。存储器地址空间：最多64KB，外部存储器用于存储操作系统、用户应用代码、数据区等。内部使用16K，外部可寻址52K。在以神经元芯片为核心的节点设计中，多采用外扩EPROM。存储器11个可编程I/O口（IO0~IO10）实现测量、计时和控制功能。2个硬件定时计数器。编程语言NeuronC提供I/O定义，将11个I/O口配置成不同的I/O对象；通过函数io_in（）和io_out对定义的I/O进行输入输出操作。34种预编程设置：直接I/O对象并行I/O对象串行I/O对象计时计数器输入对象计时计数器输出对象神经元芯片定时计数器外部链接输入输出输入输出34种预编程设置：神经元芯片11个I/O的34种预编程设置

为适合不同的通信介质，将5个通信管脚CP0~CP4配置成3种不同的接口模式。通信端口通信管脚的不同配置单端模式数据通信是通过单端输入输出管脚CP0、CP1。差分模式神经元芯片支持内部的差分驱动。采用差分曼彻斯特编码。专用模式专用场合需要神经元芯片直接提供没有编码和不加同头的原始报文。通信端口通信端口-神经元芯片的典型收发器类型神经元芯片的典型收发器类型时钟系统一个分频器，通过外部的一个输入晶振来输入时钟。睡眠唤醒机制ServicePin

节点配置、安装和维护时使用。Watchdog定时器3个Ｗatchdog定时器：每个CPU一个。输入时钟频率为10MHz时，定时器周期为0.84s。ServicePin电路۞

4.4通信收发器双绞线收发器：3类，使用最广泛。电力线收发器：利用已有的电力线进行数据通信。智能收发器：速率为78Kb/s，支持双绞线自由拓扑和总线型拓扑，布线非常灵活，使系统安装简便，系统成本降低，同时提高了系统的可靠性。电源线收发器：采用的是直流供电，所以它可以和变压器耦合的双绞线直接互联。光纤收发器：美国雷神公司产品，通信速率1.25Mb/s，最长通信距离3.5km。通信端口配置成单端方式。无线收发器：典型频率300MHz、450MHz、900MHz，需要大功率的发射机，通信端口配置成单端方式。①直接驱动使用Neuron芯片的通信端口作为收发器，同时加入限流电阻和瞬态抑制器。低成本。最高通信速率1.25Mb/s，最多接入64个节点，距离长度达30m。通信端口配置成差分方式。②双绞线收发器：EIA-485波特率300b/s～1.25Mb/s；通信端口配置成单端方式。典型配置：通信速率39Kb/s，接入32个节点，最长距离660m（2000ft）。4.4.1双绞线收发器۞双绞线收发器：直接驱动神经元芯片1神经元芯片2直接驱动的网络接口EIA-485接口的典型配置电路③变压器耦合高性能、高共模隔离、噪声隔离。种类采用变压器隔离方式的几种收发器FTT-10A自由拓扑双绞线收发器

包含一个隔离变压器、一个差分曼彻斯特编码通信收发器以及信号处理器件。支持无极性、自由拓扑互联方式。总线拓扑要求节点和总线的距离不超过3m。Ｎeuron芯片的通信端口配置成单端模式。电源线收发器LPT-10通信线和电源线共用一对双绞线。所有节点通过一个48VDC中央电源供电。Ｎeuron芯片的通信端口配置成单端模式。FT3120和FT3150智能收发器۞双绞线收发器：变压器耦合--收发器FTT-10AFTT-10A和神经元芯片互联的框图FT3120和FT3150智能收发器：结构框图基于FT3120或FT3150智能收发器的节点原理：将通信数据调制成载波信号或扩频信号，通过耦和器耦和到220V或其它交直流电力线上，甚至没有电力的双绞线上。两类：载波电力线收发器和扩频电力线收发器。关键问题：电力线间歇性噪声大；信号衰减快；信号畸变；线路阻抗经常波动。Echelon的先进技术每个收发器包含一个DSP；短报文纠错技术；根据噪声动态调整收发器灵敏度算法；三态电源放大、过滤合成器。4.4.2电力线收发器PLT-22性能最佳，使用最广泛双载波频率：主频段（125～140KHz）到备用频段(110～125KHz)自动切换。对外部电源的要求低。电力线收发器的结构框图3种电力线收发器4.4.3智能线收发器LonWorks收发器是LonWorks智能设备中一个重要组成部分。FT3120和FT3150智能收发器将神经元芯片3120及3150的核心与自由拓扑的收发器数字信号处理电路合成在一起，生成一个低成本的智能收发器芯片。该收发器符合ANSI/EIA709.3标准，速率为78Kb/s，支持双绞线自由拓扑和总线型拓扑，因而在布线上非常灵活，使系统安装简便，系统成本降低，同时提高了系统的可靠性。该收发器在性能上有了极大的提高，尤其是在对电磁场的干扰隔离方面特别明显，可用在恶劣的环境中，它能够防御来自电动机和开关电源等方面的磁场干扰，并且在一些典型的工业和交通现场，在出现了强大的共模干扰时也能可靠地工作。FT3120或FT3150智能收发器结构框图4.4.4其它收发器电源线收发器：电源线指的是通信线和电源线共用一对双绞线。使用电源线的意义在于所有节点通过一个48VDC中央电源供电，这对于一些电力资源匮乏的地区（如，长距离输油管线的检测，每隔一段距离就设置一个电源对节点供电，显然是不经济的；使用电池也有经常替换的问题）具有非常重要的意义；另一个方面，通信线和电源线共用一对双绞线，可以节约一对双绞线。光纤收发器：目前通常使用的LonWorks光纤收发器是美国雷神公司开发的一系列LonWorks光纤产品，其中包括光纤和双绞线的路由器。通信速率是1.25Mb/s，最长的通信距离是3.5km，采用LonWorks标准的SMX收发器接口，每一个收发器包含两路独立光纤端口，可以方便地实现光纤环网，增加系统的可靠性。4.4.4其它收发器无线收发器：由于LonWorks技术，使得无线收发器可以使用的频率范围很宽。对于价格低廉的无线收发器，频率的典型值是350MHz（Motorola提供这样的收发器）。要使用无线收发器，还需要一个大功率的发射机，神经元芯片的通信口配置成单端模式，速率是4800b/s。小结LonWorks技术概述及应用系统结构LonTalk协议LonWorks通信控制处理器——神经元芯片通信收发器作业：1.简述LonWorks中的通信控制器——神经元芯片的结构及功能。2.比较三种类型的双绞线与神经元芯片的接口。主要内容۞

4.5路由器和网络接口۞

4.6LNS网络技术۞

4.7LonWorks开发工具۞

4.8LonWorks地铁车辆监控应用实例۞

4.5路由器和网络接口同一网络中，连接不同的两个通信信道。网络流量控制。对网络的操作是透明的。网络工具能够自动配置路由器。组成：两个互联的神经元芯片、适用于两个信道的收发器。4.5.1路由器路由器连接示意图路由算法：路由器有4种路由算法：配置型路由器、学习型路由器、桥接器或中继器，这些选项以降低系统性能来换取安装的方便。4种路由算法符合如下规则：要转发的报文必须进入路由器的输入和输出缓冲队列，因此转发较为频繁的报文必须等待空的输入或输出缓冲区。要转发的报文必须要有有效的CRC校验码。优先级报文优先转发，这里优先级指的是转发端的优先级，而不是报文原发端的优先级。中继器：中继器是能转发经过两端的所有报文的路由器。无论报文的目标地址和域是什么，只要是接收到有效报文（即带有效CRC码的报文），中继器都能转发。桥接器：桥接器能转发桥接器两个域之一的报文。符合这一规则的报文不论其目标是什么，桥接器都能转发，桥接器可以用来跨越一个或两个域。配置型路由器：配置型路由器只转发路由器两个域之一的报文。路由器两端每一端的每一个域都对应一个转发表（即每一个路由器有四张转发表），每个转发表实际上是一组分别对应于一个域中的255个子网和255个组的转发标志。学习型路由器：学习型路由器只转发路由器两个域之一的报文。除子网转发表是通过路由器固件自动更新，而不是由网络管理工具设置外，子网转发表的使用与配置路由器相同。组转发表被置为转发所有带组目标地址的报文。报文缓冲区：当路由器接收到报文时，就将其放在输入缓冲器队列中。为了确保优先级报文永远不会排在多于一个非优先级报文的后面，队列设置了两个报文缓冲器。当优先级报文被转发到路由器的发送端时，优先级报文有其自己的优先输出缓冲器队列，发送端优先发送、优先输出缓冲器队列中的报文，这就保证了这些输出报文的优先处理。缓冲器输入输出队列流程4.5.2网络接口网络接口是连接PC机的一个特殊的网络节点，应能与LonWorks总线上所有分布在现场的智能节点进行对等的数据通信。当现场有数据送到网上后，网络接口要负责把所有发送给它的信息接收下来，并立即转发给PC进行监视和处理；当PC有监控命令或所设参数需要下达时，网络接口也应实现转发功能，及时准确地将PC的信息发送给分布在现场的相关智能节点。同时，为减轻PC的部分数据处理任务，提高系统的实时性，网络接口也应提供对部分通信数据的打包、拆包和整理等功能。Echelon公司提供了多种类型的LonWorks网络接口卡

U10/U20USB网络接口设备：适用于任何具备USB接口计算机。PCLTA-21网络接口：适用于任何带有3.3V或5V32位PCI总线接口以及可兼容操作系统的计算机。

PCC-10PC卡：可用于任何具有II型PC卡插槽及兼容操作系统的笔记本电脑、掌上电脑或嵌入式PC。

i.LON接口：i.LONLonWorks互联网连接设备系列包含不同的产品，如i.LON600、i.LON100、i.LON10、i.LONSmartServer等。微处理器接口程序：微处理器接口程序（MIP）是将神经元芯片作为其它微处理器的通信协议处理器的转换固件。ShortStack微服务器软件：ShortStack软件通过在现有的微控制器内部增加极少的附加码，就可以使得产品制造商在他们的产品中增加新的功能，并保留他们原有的开发投资。۞

4.6

LNS网络技术LNS（LonWorksNetworkOperatingSystem）是Echelon公司开发的专为LonWorks网络服务的网络操作系统，它提供给用户一个强大的客户/服务器网络构架，是LonWorks总线的可互操作性的基础。使用LNS提供的网络服务，可以保证多个网络管理工具，可以一起执行网络安装、网络维护和网络监测，而众多的客户则可以同时申请服务器所提供的网络功能。采用LNS技术可以给网络使用者带来下列好处：减少开发时间和费用。简化了系统集成。访问数据不受限制。4.6.1

LNS编程模式与LNS构架目前，LNS支持两种编程模式，以适应更多的应用：平台独立编程模式。LNS构架和主机是无关的，它支持任何平台的客户，这些平台可以是嵌入式的微处理器、PC机，还可以是UNIX工作站。主机可以通过LNS的API（ApplicationProgrammaticInterface）来操作LNS。Windows编程模式。在Windows环境下，LNS提供了基于ActiveX和COM组件方式的开发接口，开发人员可以在此基础上进行简单、快速的开发。这里LNS称之为组件架构（LonWorksComponentArchitecture，LCA）。LNS构架：LNS构架的4个主要组件为：网络服务器（NSS）：NSS提供网络服务，它维护一个网络数据库，并允许和协调多个客户节点访问服务器的服务和数据。网络服务接口（NSI）：LNS的网络服务接口包含两部分：LNS网络接口硬件组件和LNS网络接口软件驱动。

LCA对象服务：对象服务实际上是在NSS上加了一层外壳，其目的是为了方便Windows下的用户使用NSS。LCA数据服务：LCA数据服务（LCADataServer）提供一个高性能的监控网络数据的引擎，能够直接提供数据服务，访问网络变量和显式报文。۞

4.7

LonWorks开发工具4.7.1

节点开发工具为了使LonWorks总线的使用者快速方便地开发节点和联网，LonWorks技术中还包含了一系列的开发工具，包括基于节点的开发工具NodeBuilder和基于网络的开发工具LonBuilder，一系列的网络管理工具以及LNS技术。LonBuilder开发工具。LonBuilder开发系统功能齐全，集成了一整套开发LonWorks设备和系统的工具。这些工具包括：开发多个设备、系统应用程序的环境、安装配置设备的网络管理程序、检查网络流量以确定适当的网络容量和调试改正错误的协议分析仪。NodeBuilder开发工具。NodeBuilder开发工具体积小巧、便于携带，和其它产品配合也可以完成完整的网络开发任务。NodeBuilder使用Windows开发环境为用户提供便于使用的联机帮助。4.7.2网络工具网络工具软件用于网络设计、安装、配置、监视、监督控制、诊断和维护，主要是以下工具软件的结合：网络集成工具：提供设计、配置、测试和维护网络的基本功能；网络诊断工具：用于观察、分析和诊断网络流通状态，并监视网络的负载情况；

HMI开发工具：用来创建人-机接口（Human-MachineInterface，HMI）应用程序；I/O服务器：用来为HMI应用程序提供对LonWorks网络的访问功能。LNSDDE服务器：LNSDDE服务器是一个很好的软件包，它允许任何与DDE相兼容的MicrosoftWindows应用程序监视和控制LonWorks网络而无需编程。用于LNSDDE服务器的典型的应用程序包括人机界面应用程序、数据记录和趋势分析应用程序以及图像处理显示接口。LonScanner协议分析软件：LonScanner协议分析软件为LonWorks产品制造商、系统集成商和最终用户提供一个简单易用的、基于Windows操作系统的工具，使得用户可以观察、分析和诊断所安装的LonWorks网络的行为。这个工具所提供的先进的能力在数据网络分析中起到重要的作用，适合控制网络的独特需求。۞

4.8LonWorks地铁车辆监控应用实例本系统采用LonWorks作为地铁车辆总线，实现各节车厢之间的数据传输。一级网络是整体地铁总线，可以实现对整体车厢的统一控制，二级网络是车厢级的LonWorks总线及车厢级应用节点。每一节车厢的控制单元为地铁车辆总线上的一个控制节点，通过EIA-485将分布在各节车厢的车门控制器、空调控制器、供电监控器的数据通过LonWorks网络传输给主处理板，各车厢的主处理板通过LON网关与车辆总线通信，从而实现整车的联网功能。4.8.1概述LonWorks网络地铁车厢监控系统组成列车主控计算机：地铁车辆主控计算机采用带有EIA-485通信接口的薄型触摸屏工控机，主控计算机是地铁车辆监控系统的核心，负责接收各种数据指令并自动执行相应的操作步骤，显示并记录各节车厢的运行状态，对运行过程中出现的故障及时进行诊断、显示并报警。主控计算机的控制软件使用VisualStudio开发，可以以数字、指示灯和数字仪表的形式选择性地显示全车车厢和每节车厢的车厢号、车门开关情况、车厢温度和通电照明情况，界面简洁直观、操作方便。地铁“车厢控制单元”界面代理节点：代理节点是联接地铁车辆网和车厢网的桥梁，一般分为车厢网络和整车网络两层，有两个独立的LonWorks通信接口。上行LonWorks通讯接口负责列车级网络通信，接收并将车辆主机的信息转发给下行LonWorks通讯模块。下行LonWorks通讯接口负责车厢级网络通讯，转发集中控制命令，接收各车厢应用节点传输的参数、工作状态等信息。电源供电和照明控制功能：为了保证供电的可靠性，地铁车辆的供电系统分为两路，在正常运行的情况下，一路给奇数号车厢供电，另一路给偶数号车厢供电。一旦某一路发生故障，供电转换器自动转换为正常一路供电，同时车上的所有负载会减半运行并报告故障。故障解决后，供电转换器又会自动切换到正常情况下的供电状态。适配器主要由LonWorks控制模块、协议转换和EIA-485通信模块构成，其中LonWorks控制模块用于LonWorks现场总线的网络通信管理，主CPU89C52加上EIA-485通信模块来实现通信协议的转换和485的通信。4.8.2

总体框架结构框图4.8.2

总体框架工作原理：Neuron芯片选用从A操作方式，即在主处理器的控制下工作，在通信前，89C52和Neuron芯片之间建立握手信号，即HS信号有效，然后主机再发送CMD_RESYNC，表示要求Neuron芯片同步，而Neuron芯片接到芯片信号后，则发送CMD_ACKSYNC，表明已经同步可以通信，这时虚写令牌就可以在主机与芯片之间无限制地交替传递。4.8.3

处理器89C52与外围电路设计部分外部电路设计连接图主处理器STC89C52：主处理器选用由宏晶公司推出的兼容性较好的STC89C52小型单片机。STC89C52主要特性为：8K字节程序存储空间；

512字节数据存储空间；内带4K字节EEPROM存储空间；可直接使用串口下载。DS18b20数字温度传感器：车厢温度控制采用DS18b20数字温度传感器，其接线方便、体积小，可以根据应用场合的不同而封装成不同的外部形状，如管道式、螺纹式和磁铁吸附式等。DS18b20EIA-485通讯模块：EIA-485通讯模块主要功能是实现通信协议的转换和EIA-485的通信，可采用MAX485芯片，它所构成的485总线采用的是半双工的工作方式，数据最高传输速率为10Mbps，接口是采用平衡驱动器与差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强。MAX485芯片4.8.4

神经元和收发器的选择神经元3150芯片：神经元3150芯片作为一种多处理器结构的神经元芯片，有着完整的系统资源，集成了三个管线CPU，最高工作频率可达10MHz。它配备有11个编程输入、输出引脚（IO1~IO10），编程方法多达34种，应用方便。收发器的选择：收发器选用FFT-10A，FT-10A主要由一个隔离变压器和一个差分曼彻斯特编码器组成。NET-A、NET-B是两个网络接口，此接口没有极性要求。RXD、TXD分别是数据接收和发送端口，CLK为收发器时钟输入端，T1、T2则用来提供钳位和瞬时电压保护。实例总结：在上述案例中，每节车厢的主处理器和LON网络适配器的组合就相当于LonWorks列车总线的一个智能节点，并且是基于主机的现场控制节点。主处理器通过LON网络适配器完成与列车总线的通信，而主处理器与网络控制器之间的通信依靠EIA-485完成。主处理器将从各个子系统收到的数据以及本身处理好的数据传送给网络适配器，网络控制系统再将数据传送到列车总线上；同样，主处理器也可以从网络适配器接收到来自列车总线上其它车厢的控制信息。由于LonWorks网络的互操作性和智能节点之间的对等性，就能完成车厢之间的相互控制与信息显示。小结

路由器和网络接口LNS网络技术LonWorks开发工具LonWorks地铁车辆监控应用实例作业：1.试说明LonWorks互操作性的应用程序准则及意义。2.举例说明LonWorks的应用。第5章FF总线技术主要内容۞

5.1

FF主要技术概述۞

5.2物理层及控制网络的物理连接۞

5.3

FF的链路活动调度۞

5.4总线访问子层的功能与服务۞

5.5

现场总线报文规范子层FF数据通信与控制网络技术是由现场总线基金会FF(fieldbusfoundation)组织开发的，已被列入IEC61158标准；为适应自动化系统，特别是过程控制自动化系统在功能、环境和技术上的需要专门设计的；本质安全。FF通信技术的早期方案设立：

低速网段H1(31.25Kbps)和高速网段H2(1M\2.5M)【夭折】۞

5.1FF主要技术概述FF主要技术特色：最大特征就在于它不仅仅是一种总线，而且是一个系统，是网络系统，也是自动化系统；FF系统又是通信网络；FF作为工厂的底层网络和全分布自动化系统。减少接线与安装简化操作和维护易于集成实现与地点无关的控制对等实体间高速通信灵活的拓朴结构真正的可互操作性FF的优点FF-H1的主要技术：FF-H1是底层网络，与一般的广域网、局域网相比，它是低速网：通信技术：FF-H1的通信技术主要包括通信模型、通信协议、网络管理和系统管理等。功能块技术：FF-H1借鉴了DCS的功能块及功能块组态技术，在现场总线仪表或设备中定义了多种标准功能块（FB），每种功能块可以实现某种算法或应用功能。设备描述技术：FF-H1为了支持标准的功能块操作，实现现场总线仪表或设备的互操作性，共享不同制造商总线设备中的功能块，采用了设备描述（DD）技术。系统集成技术：FF-H1是通信系统和控制系统的集成，是集通信、网络、计算机、控制于一体的综合性技术，如网络技术、网络系统组态技术、控制技术、控制系统组态技术、人机接口技术、网络管理技术、诊断维护技术和OPC（OLEforProcessControl）技术等。系统测试技术：FF-H1为了保证系统的开放性和通用性，规定了一致性测试技术，互操作性测试技术、系统功能和性能测试技术、总线监听和分析技术。FF-H1主要技术特点：适应于过程自动化的低速部分（FF-H1）是参考了ISO/OSI参考模型并在此基础上根据过程自动化系统的特点进行演变而得到的：支持总线供电；支持本质安全；令牌总线访问机制；内容广泛的用户层。HSE高速以太网：现场总线基金会放弃了其原来规划的H2高速总线标准，并于2000年3月29日公布了基于以太网的高速总线技术规范，即HSEFS1.0版，该版本迎合了控制和仪器仪表最终用户对可互操作的、节约成本的、高速的现场总线解决方案的要求。HSE充分利用低成本和商业可用的以太网技术，并以100Mbit/s到1Gbit/s或更高的速度运行。HSE支持所有的FF低速部分31.25kbit/s的功能，如功能模块和设备描述语言，并支持H1设备与基于以太网的设备通过链接设备接口进行连接。(1)FF通信系统的主要组成部分及其相互关系FF核心技术之一是控制网络的数字通信。FF的参考模型只具备ISO/OSI参考模型7层中的三层即物理层、数据链路层和应用层。变送器，执行器等都属于现场总线的物理设备。通信实体贯穿从物理层到用户层的所有各层，由各层协议与网络管理代理共同组成。通信模型的主要组成部分及其相互关系在相应的软硬件开发过程中，往往又把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间部分作为一个整体，统称为通信栈。系统管理内核在模型分层结构中只占有应用层和用户层的位置。功能块应用进程在模型分层结构中位于应用层和用户层。(2)协议数据的构成层次现场总线协议数据的生成(3)FF网络通信中的虚拟通信关系(1)虚拟通信关系的类型

①客户服务器虚拟通信关系②报告分发型虚拟通信关系③发布——预定接收型虚拟通信关系(2)虚拟通信关系设置FF由物理层、数据链路层和应用层共同作用，来支持这种虚拟通信关系。

物理层负责物理信号的产生与传送。

数据链路层负责网络共享与通信调度。

应用层规定各种报文格式，以便交换命令、应答数据和事件信息。۞

5.2物理层及控制网络的物理连接⑴物理层的功能①实现现场物理设备与总线之间的连接②一方面接受数据链路层信息——总线③另一方面接受来自总线的物理信号转换成数据信——数据链路层⑵物理层的结构①媒体相关子层负责处理导线、光纤、无线介质等不同传输媒体的信号转换问题，也称为媒体访问单元。②媒体无关子层是媒体访问单元与数据链路层之间的接口。注：上述有关信号编码，增加或除前导码、定界码的工作均在物理层的媒体无关子层定义。⑶传输介质H1网段支持多种介质：双绞线、电缆、光缆和无线介质。电缆类型电缆型号传输速率/Kbps最大传输距离/mA屏蔽双绞线#18AWGH131.251900B屏蔽多对双绞线#22AWGH131.251200C无屏蔽双绞线#22AWGH131.25400D多芯屏蔽电缆#16AWGH131.25200⑷FF的物理信号波形FF现场设备的两种供电方式：总线供电和单独供电H1的物理信号波形与网络配置通信信号频率31.25KHz幅值峰-峰0.75至1V加载到9至32伏的直流供电电压上终端器由100Ω电阻和一个1μf的电容串联组成⑸基金会现场总线的信号编码H1的几种编码波形H1的通信信号由以下几种信号码制组成协议报文编码

前导码

帧前定界码

帧结束码⑹H1网段的拓扑结构H1网段的基本构成H1网段的拓扑结构示意图低速现场总线H1支持点对点、总线型、菊花链型和树形拓扑结构۞

5.3链路活动调度⑴链路活动调度器LAS及其功能每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称之为链路活动调度器(LAS)。其功能：①向设备发送强制数据CD。②向设备发送传递令牌。③向新入网的设备探测未被采用过的地址。④定期对总线段发布数据链路活动时间和调度时间。⑤监视设备对传递令牌PT的响应。⑵通信设备类型按照设备通信能力，FF通信设备分为三类：①链路主设备——那些有能力成为链路活动调度器的设备。②基本设备——只能接受令牌环并作出响应。③网桥——将单个总线段组合连接在一起的设备。H1总线上的LAS转交⑶数据链路协议数据单元DLPDUDLPDU提供数据链路的协议控制信息协议控制信息由三部分组成：第一部分是帧控制信息第二部分是数据链路地址第三部分则指明了该类DLPDU的参数帧控制（字节）数据链地址参数用户数据目的地址源地址第二源地址14442DLPDU的结构⑷链路活动调度器的工作过程（自学）链路活动调度框图⑸数据传输的连接方式基金会现场总线提供三中数据连接方式：一种无连接数据传输，两种有向数据传输。无连接数据传输的特点是数据传输前不需要单独为数据传输发送创建连接的报文，也不需要数据接收者的应答响应信息。有向连接数据传输的特点是数据传输前发布某种信息来建立连接关系。⑹链路时间在FF网段上存在着两种意义上的时间：一是应用时间；另一种是网络时间。

应用时间用于对网络上发生的事件做时