《智能仪器设计基础》课件 第8章 总线与通信接口电路设计2

智能仪器设计基础1第8章总线与通信接口电路设计

目录第8章总线与通信接口电路设计 8.1总线与数据通信概述 8.1.1概述 8.1.2串行通信中的差错检测与控制 8.2同步串行通信接口 8.2.1IIC总线 8.2.2SPI总线 8.3异步串行通信接口 8.4Modbus通信协议 8.5USB通用串行总线 8.5.1USB的特点 8.5.2USB接口芯片与电路设计 8.6现场总线 8.6.1现场总线的概述 8.6.2CAN总线 8.6.3工业以太网 8.7短距无线数据传输技术 习题8

28.5USB通用串行总线3USB（UniversalSerialBus），通用串行总线，是Intel主导，联合Compaq，Microsoft，IBM，DEC，NorthernTelecom以及NEC等七家公司,于1995年制定的串行接口标准。起初USB接口主要用于规范计算机及其外围设备的连接和数据交换，由于体积小、速度快，支持热插拔，使用方便等优点，逐渐得到了广泛应用，现已深入到计算机、手机、家电、仪器设备等各领域。USB经历了USB1.0、USB2.0到现在最新的USB4V2.0等多种版本，功能、速度逐步提升。由于USB-IF组织的商业成分存在，USB的命名比较混乱，给USB设备厂家和最终用户都带来一定的困扰。在2022年9月1日，该组织预告了USB42.0版本部分特性，通过USBType-C线缆来实现最高80Gbps的数据性能，同时从传输速度和供电标准等方面，重新规范了USB产品标识。这不是一个技术规范，在以后的USB产品中，我们仍然会看到像USB3.1Gen1、USB3.2Gen2x2这样眼花缭乱的版本，但USB标识更为直观，用户可以直接看出接口的速度和供电功率。概述8.5.1

USB的特点4USB总线具有以下主要特征：（1）支持热插拔，即插即用。USB设备的数据线上有1.5kΩ的上拉或下拉电阻，主机可以检测设备的连接和断开事件和速度，自动配置，动态加载驱动程序，可以在带电不关机的情况下插拔USB设备。（2）速度配置齐全。USB1.0版本速度最高1.5Mbps，可以工作在几Kbps情况下，适合鼠标、键盘等低速的设备。USB2.0支持480Mbps，USB3.0支持5Gpbs，到现在USB4V2.0可以达到80Gbps的高速，可以满足各种设备速度要求。8.5.1

USB的特点5（3）内置电源供给。USB设备有两种供电方式，小功率设备可以由USB主机提供电能，无需额外电源，也可以由USB设备自己电源供电。包括USB1.0、USB2.0，都可以提供5V、500mA的电源，USB3.0可以提供5V，900mA电源，USB3.1则可以提供100W（20V/5A）的电源，可以作为充电接口。（4）资源丰富，通用性强。USB是由Intel、Microsoft、IBM等这些计算机巨头联合开发和推广，他们本身就占领了大部分市场份额，给USB的推广提供了很好的基础。由于USB的简单易用等优良性能，一经推出，迅速受到广大用户的接受和应用，大量的设备商纷纷使用了该接口，以实现与计算机及外设的兼容。经过几代版本的发展，USB已具有了丰富的资源，形成了良好的生态。另外USB接口向下兼容，也方便了升级和应用。8.5.1

USB的特点61.USB系统描述一个USB系统由USB主机（USBHOST）、USB集线器（Hub）和USB设备（USBDEVICE）三个部分构成。USB主机一般制作在主板上，包含主控制器和一个嵌入的集线器（称为根集线器）(Roothub)，根集线器连接在主控制器上。通过根集线器，主机可以提供一个或多个接入点（端口）。在一个系统中，有且仅有一个USB主机，处于中心地位，对USB接口及其连接的设备进行管理、控制数据和信息的流动。USB集线器,是USB系统的关键部件，集线器通过端口的电气变化可检测出连接在总线上的设备的插、拔操作，并可通过响应USB主机的数据包将端口状态告知USB主机。8.5.1

USB的特点71.USB系统描述USB设备通过接入点与主机相连，内部需要有对应的设备端的驱动程序，实现对应的设备端的USB所完成的任务。USB系统类似一种金字状的树型拓扑结构，从下往上最多可以连接7个层级，最上层是主机（Host），向下有USB功能设备（Function）和USB集线器（Hub）。USB主机是整个系统的大脑，提供USB接口及接口管理能力的硬件、软件及固件的复合体，可以是PC，也可以是OTG设备，一个USB系统中仅有一个USB主机。一个USB主机设备最多可以支持127个设备（7位地址），包括功能设备和集线器，每个设备分配一个地址。由于HUB也占用一个地址，所有一个USB系统实际上功能设备小于127。8.5.1

USB的特点8USB集线器提供了USB连接的接口。根集线器不可能同时提供127个设备接口，在金字塔的每一层中还可以设置USB集线器，每个集线器处于星形布局的中心，与其他集线器或功能部件点对点连接，这样一个USB系统中最大允许5个Hub级联。USB设备是具有一定功能的外围设备，比如计算机的鼠标、键盘等。还有些是多个功能设备和内置集线器复合的USB设备，将会同时占据拓扑结构中的两层或多层。USB2.0通过一种四线的电缆传送信号和电源，如图8-20所示。Vbus（红）、GND（黑）两条线用来向USB设备提供电源。Vbus的电压为+5V，为了保证足够的输人电压和终端阻抗，重要的终端设备应位于电缆尾部。D+（绿）和D-（白）为一对数据线，其差分信号实现0和1逻辑。尽管使用了差分信号，但USB数据线不宜太长，即使带有屏蔽层的双绞线也不宜超过5m。8.5.1

USB的特点9USB3.0共有9根线，如图8-17所示，其中Vbus、GND、D+、D-与USB2.0兼容，另外2对共4根线为高速差分线，收发分开，可以全双工差分传输，另外还有一根屏蔽地未画。8.5.1

USB的特点10在外形上，USB有多种类型，分A型、B型和C型，每种还分插头（公头）和插座（母头），另外为了适应手持设备，还有MicroUSB和MiniUSB。常用的是USBA型，一般电脑上、U盘、鼠标等多为A型。近年来手机上的充电接口均为USBtype-C。该接口体积小，不分正反面，功能强大，使用方便，可用作充电接口，可提供最大100W的电源。如果智能仪器需要附带USB接口，则C型接口为首选接口。以下简单介绍Type-C接口的信号及单片机中的应用。8.5.1

USB的特点11Type-C的引脚为12P，为全功能的USB3.0引脚。但为了满足正反插时仍能正常工作，线的数量总体多了一倍。共有24根线，分别是4对TX/RX，2对USBD+/D-，4对VBUS和GND，另外还有1对SBU（SBU1和SBU2），1对CC（CC1和CC2)。其中D+/D-兼容USB2.0，TX/RX是为了视频和高速大容量数据传输。CC线用于判断设备插入的方向，正插时用CC1，反插时用CC2。SBU1和SBU2为备用的低速信号线，可以传输非USB协议信号。图8-18给出了USBtypeC的插座和插头引脚分布，可以看出正插与反插时，相应的引脚一一对应，保证了正常应用。8.5.1

USB的特点12TypeC接口除了有24P接口外，还有6P和16P二种，6P只能供电，16P只有USB2.0的功能，在不涉及视频与大容量数据传输时，可以采用16P接口（如图8-19），16P接口只是信号线的数量少，其它外形都与标准C接口相同。16P的信号为2对D+/D-（正反面各一对），正面CC1、反面CC2，正、反面电源各2对（Vbus和GND）共8个脚，SUB1和SUB2共2个脚。在作为设备接口应用时，CC1和CC2分别用5.1KΩ电阻下拉到地即可。SUB1和SUB2不必连接，其它按照USB2,0的信号与电源连接即可。主机可以通过CC1和CC2识别是否有设备插入以及是正面插入还是反面插入。8.5.1

USB的特点132.USB数据格式USB数据的最小单位是域，域构成包，包构成事务，事务最后构成传输。传输是指一次完整的发出请求到该请求被完整的处理结束的整个过程。事务是传输中的一个基本元素，每一次传输由一个或多个事务组成。事务由包组成，包又由同步域、标识域(PID)等域组成。域：是USB数据的最小单位，由若干位二进制数字组成，不同的域二进制位数不同，有七种域：同步域（SYNC），标识域（PID），地址域（ADDR），端点域（ENDP），帧号域（FRAM），数据域（DATA），校验域（CRC）。包：由域构成，是USB传输的基本单位，单向传送，从主机发出或发回给主机。USB总线完成一次传输至少需要3个包。包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包。数据交换时，首先由主机发出令牌包，然后数据源向数据目的发送数据包或无数据传送的指示信息。最后数据接收方向发送方发送握手包，提供数据是否正常发送出去的反馈信息，如果有错将重发。不同的包其域结构不同。不同目标的包可组合在一起共享总线，不占用系统中断和输入/输出地址空间，节约系统资源。8.5.1

USB的特点14令牌包(token)：所有交换都以令牌包为开始，定义了要传输交换的类型。有输入包、输出包、设置包和帧起始包四种类型。输入包用于设置输入命令，输出包用于设置输出命令。数据包(data)：若主机请求设备发送数据则送输入令牌包到设备某一端点，设备以数据包形式加以响应。若主机请求目标设备接收数据，则送输出数据包到目标设备的某一端点，设备将接收数据包。握手包(handshake)：设备使用握手包报告交换的状态，由数据的接收方发送到数据的发送方。握手包有应答包、无应答包、挂起包、和接收设备还没有响应包4种类型，不同类型的握手包传送不同的状态结果。特殊包（special）：当主机希望在低速方式下与低速设备通信时，主机将送预告包作为开始包，然后与低速设备通信事务(transactions)：按照事务的目的和数据流方向可以分为设置（SETUP）事务：主机发送数据给某个设备；8.5.1

USB的特点15输入（IN）事务：从一个备接收数据；输出（OUT）事务：主机发送数据给某个设备；它们都由一个令牌阶段，一个数据阶段和一个握手阶段组成。在令牌包阶段启动一个输入、输出或设置事务；数据包阶段按输入、输出发送相应的数据；握手包阶段返回数据接收情况，只有控制传输可以使用SETUP事务。8.5.1

USB的特点163.USB的数据传输类型传输(transfers)：传输由事务构成，有中断传输、批量传输、同步传输、控制传输等四种传输类型。其中中断传输和批量转输的结构一样，同步传输结构最简单，控制传输是最复杂也是最重要的传输。中断传输：中断传输由OUT事务和IN事务构成，用于数据量少但数据需要及时处理的情况。适合低速设备数据传输，如键盘、鼠标等外部设备。USB的中断是查询类型，主机需频繁的请求端点输入。同步传输：同步传输由OUT事务和IN事务构成，适于传输连续的、实时的、对正确性要求不高而对时间敏感的数据。如电话、麦克风等外部设备的数据传输。该方式以固定的传输速率连续不断地在主机与USB设备之间传输数据，传输过程中发生错误时，不进行处理，继续传输数据。8.5.1

USB的特点17批量传输：批量传输由OUT事务和IN事务构成，用于传输连续的、批量的、非实时的、要求正确无误的数据。没有固定的传输速率，也不占用带宽，当总线忙时，USB会优先进行其他类型的数据传输，暂时停止批量转输。如打印机、扫描仪等以此种方式与主机进行大量数据的传输。在硬件中有差错检测功能，并且有选择的进行一定的硬件重试操作，可以在硬件层次上保证数据的可靠交换。控制传输方式：控制传输用于处理主机到USB设备的数据传输，包括对USB设备的控制命令、设备状态查询和确认命令，也可用于传送用户自定义的命令。当USB设备收到数据和命令后，将依据先进先出的原则处理到达的数据，使主机识别设备，安装相应的驱动程序。这种传输方式不会丢失数据。USB接口需要专用的芯片完成，目前有不少带有有USB接口的微处理器，如Silabs公司的C8051F360/1带有一个USB接口，ARM系列微控制器等。这类芯片只要按照其使用手册编程即可实现USB接口功能。对于不具备USB接口的微处理器，可通过专用芯片实现USB接口功能，有多各类型的USB接口专用芯片。8.5.2USB接口芯片与电路设计18基于USB接口的诸多优点，越来越多的智能仪器需要设置USB接口。USB接口功能的芯片很多，主要分为3大类。第1类是需要外接微处理器的USB芯片。如CH374/375、USS820／825、USBN9602/USBN9603USBN9604及PDIUSBD11/12等，其优点是芯片价格便宜，便于用户使用熟悉的微控制器进行开发，其缺点是会受所选控制器的限制且需要开发底层驱动。第2类是集成了微处理器的芯片。现在很多单片机厂商都开发了带有USB模块的的控制器，例如ST的STM32、PIC的16C7X5系列等，其优点是开发者熟悉这些通用微控制器的结构，且指令集的资料丰富，易于开发。其缺点是需要单独开发系统，成本较高，并且需要编写底层驱动程序。这种单片机的价格也较为昂贵，芯片的可选范围较小。第3类是USB桥接芯片。例如CH340、Silicon公司的USB转UART桥接芯片CP2102系列等，此类芯片价格便宜、开发简单。芯片CP2102是一种高度集成的USB转UART桥接器，它包含有USB2.0全速功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部的调制解调器控制信号的异步串行数据总线(UART)。8.5.2USB接口芯片与电路设计19

前两类芯片通常都需要自己开发驱动程序，为开发的工作增加了许多的工作量。采用桥接芯片进行USB接口开发的好处在于可以省去驱动程序的开发工作，利用虚拟串口的驱动程序，USB接口在客户端以标准串口的形式呈现，这样应用程序便可使用串口控件进行USB接口的开发。

如果微控制器集成有USB接口，则可以简化电路设计，但有些只支持USB设备。以下以CH374为例说明USB接口设计。CH374是一个USB总线通用接口芯片，支持USB-HOST方式和USB-DEVICE方式，支持低速和全速的控制传输、批量传输、中断传输以及同步/等种传输方式。CH374具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到MCU的系统总线上。

CH374还支持SPI串行通讯方式，通过3线或者4线SPI串行接口以及中断输出与MCU连接。SPI接口时，D3为SPI接口的SCS，D5为SPI接口的SCK，D6为SPI接口的SDI，D7为SPI接口的SDO，SPI接口连接少，电路相对简单一引起。8.5.2USB接口芯片与电路设计20图8-20给出了基于CH374的USB总线与MCU连接的主要部分电路，（a）为并行接口，（b）为SPI接口。并行接口时CH374占用两个地址位，当A0为高电平时选择地址，可以写入新的索引地址，为低电平时选择数据端口，通过并行接口写入数据。对SPI接口，MCU的IO口控制SCS片选，其它按照SPI接口连接。USB软件方面，可参考厂家提供的适用于各种MCU的软件。8.5.2USB接口芯片与电路设计21图8-20给出了基于CH374的USB总线与MCU连接的主要部分电路，（a）为并行接口，（b）为SPI接口。并行接口时CH374占用两个地址位，当A0为高电平时选择地址，可以写入新的索引地址，为低电平时选择数据端口，通过并行接口写入数据。对SPI接口，MCU的IO口控制SCS片选，其它按照SPI接口连接。USB软件方面，可参考厂家提供的适用于各种MCU的软件。8.6现场总线22在实际的测量和控制过程中,智能仪器和智能仪器之间、智能仪器与计算机之间需要进行各种信息的交换和传输，这种信息的交换和传输通过仪器的通信接口按照一定的协议来实现。通信接口是各仪器之间或仪器与计算机之间进行信息交换和传输的联络装置，主要有并行通信接口、串行通信接口、现场总线接口和以太网接口等。为方便各种仪器之间的通信，一般采用标准通信接口。本节介绍现场总线的概述并对常用的标准总线进行介绍，重点对CAN总线进行分析。238.6.1现场总线的概述现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术。现场总线技术即现场总线控制系统(fieldbuscontrolsystem,FCS)是20世纪80年代在国际自动化控制领域兴起的一项突破性技术。它集网络技术、通信技术、计算机技术、智能化仪表技术和自动控制技术之大成，组成双向、多节点、全数字的开放式通信系统。现场总线是在现场仪表和控制单元及其他设备与控制间建立起来的一种连接方式。具备高度数字化、离散化、双向智能化、互联互通、多数据种类、多站点数量等特征的通讯网络。现场总线与采用一对一的设备连线的控制系统的传统组网方式相比，将数字信号完全替换模拟信号的用以传输信息，在同一网络中可同时传输多个不同类型的信号，常见的传输信号种类包括运行参数值、设备实时状态、当前设备故障等。248.6.1现场总线的概述（1）现场通信网络。现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场中的现场设备，使过去采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单向并行传输变为多点一线的双向串行数字式传输。（2）现场设备互连。现场设备是指位于生产现场的传感器、变送器和执行器等。这些现场设备可以通过现场总线直接在现场实现互连，相互交换信息。而在计算机集散控制系统中，现场设备之间是不能直接交换信息的。（3）互操作性。所谓互操作性是指来自不同厂家的设备可以相互通信，并且可以在多厂家的环境中完成功能的能力。用户可以自由地选择设备，而这种选择独立于供应商、控制系统和通信协议。制造商具有增加新的、有用的功能的能力。不需要专有协议和特殊定制驱动软件和升级软件。258.6.1现场总线的概述（4）分散功能块。现场总线控制系统把功能块分散到现场仪表中执行，因此取消了传统的计算机集散控制系统中的过程控制站。例如，现场总线变送器除了具有一般变送器的功能之外还可以运行控制功能块。类似地，现场总线执行器除了具有一般执行器的功能之外，还可以运行控制功能块和输出特性补偿块，甚至还可以实现阀门特性自校验和阀门故障自诊断功能。（5）现场总线供电。现场总线除了传输信息之外，还可以完成为现场设备供电的功能。总线供电不仅简化了系统的安装布线，而且还可以通过配套的安全栅实现本质安全系统，为现场总线控制系统在易燃易爆环境中应用奠定了基础。（6）开放式互连网络。现场总线为开放式互联网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联。现场总线协议是一个完全开放的协议，是采用公开化、标准化、规范化的通信协议。这就意味着来自不同厂家的现场总线设备，只要符合现场总线协议，就可以通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化。268.6.1现场总线的概述（4）分散功能块。现场总线控制系统把功能块分散到现场仪表中执行，因此取消了传统的计算机集散控制系统中的过程控制站。例如，现场总线变送器除了具有一般变送器的功能之外还可以运行控制功能块。类似地，现场总线执行器除了具有一般执行器的功能之外，还可以运行控制功能块和输出特性补偿块，甚至还可以实现阀门特性自校验和阀门故障自诊断功能。（5）现场总线供电。现场总线除了传输信息之外，还可以完成为现场设备供电的功能。总线供电不仅简化了系统的安装布线，而且还可以通过配套的安全栅实现本质安全系统，为现场总线控制系统在易燃易爆环境中应用奠定了基础。（6）开放式互连网络。现场总线为开放式互联网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联。现场总线协议是一个完全开放的协议，是采用公开化、标准化、规范化的通信协议。这就意味着来自不同厂家的现场总线设备，只要符合现场总线协议，就可以通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化。278.6.2CAN总线CAN(ControllerAreaNetwork)总线，即控制局域网总线，是国际上应用最广泛的现场总线之一。它是由德国Bosch公司最先提出的。Bosch公司为了实现汽车电子控制装置之间的信息交换，设计了控制局域网CAN总线。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。288.6.2CAN总线（1）CAN总线特点①CAN总线采用了多主竞争式总线结构，即多主机工作方式。网络上任意一个节点可以在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，不分主从，通信方式灵活。②CAN网络上的节点可以分为不同的优先级，即具有不同的总线访问优先权。CAN采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点自动停止发送，CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据。这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和灵活性。③CAN可以点对点、点对多点、点对网络的方式发送和接收数据，通讯距离最远10km(5Kbit/s)，节点数目可达110个。④CAN采用的是短帧结构，每-帧的有效字节数为8个，具有CRC校验和其他检测措施，数据出错几率小。CAN节点在错误严重的情况下，具有白动关闭功能，不会影响总线上其他节点操作。298.6.2CAN总线⑤CAN能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等，最常用的就是廉价的双绞线。用户接口简单，容易构成用户系统。CAN总线数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。它不仅在汽车领域得到广泛应用，而且向自动控制、仪器仪表、传感器等众多领域发展。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。（2）CAN节点CAN节点通常由三部分组成：CAN收发器、CAN控制器和MCU。CAN总线通过差分信号进行数据传输，CAN收发器将差分信号转换为TTL电平信号，或者将TTL电平信号转换为差分信号，CAN控制器将TTL电平信号接收并传输给MCU，如图8-21所示。目前，常用的单片机内部就集成了CAN控制器外设，通过配置就可实现对CAN报文数据的读取和发送。308.6.2CAN总线在发送数据时，CAN控制器把要发送的二进制编码通过CAN_TX线发送到CAN收发器，然后由收发器把这个普通的逻辑电平信号转化成差分信号，通过差分线CAN_H和CAN_L输出到CAN总线网络。接收数据过程，相反。采用差分信号，可以取得更好的电磁兼容效果。因此，CAN总线物理传输媒介只需要两根线。318.6.2CAN总线在发送数据时，CAN控制器把要发送的二进制编码通过CAN_TX线发送到CAN收发器，然后由收发器把这个普通的逻辑电平信号转化成差分信号，通过差分线CAN_H和CAN_L输出到CAN总线网络。接收数据过程，相反。采用差分信号，可以取得更好的电磁兼容效果。因此，CAN总线物理传输媒介只需要两根线。328.6.2CAN总线（2）CAN总线结构CAN总线是一种广播类型的总线，可支持线形拓扑、星形拓扑、树形拓扑和环形拓扑等。CAN网络中至少需要两个节点设备才可进行通信，无法仅向某一个特定节点设备发送消息，发送数据时所有节点都不可避免地接收所有流量。但是，CAN总线硬件支持本地过滤，因此每个节点可以设置对有效的消息做出反应。虽然CAN总线可以支持多种网络拓扑，但在实际应用中比较推荐使用线形拓扑，且在IOS11898-2中高速CAN物理层规范推荐也是线形拓扑。在ISO11898-2和ISO11898-3中分别规定了两种CAN总线结构，如图8-22所示。ISO11898-2中定义了通信速率为125Kbps～1Mbps的高速闭环CAN通信标准，当通信总线长度≤40米，最大通信速率可达到1Mbps。

ISO11898-2要求在高速CAN总线两段安装端接电阻，以消除反射。端接电阻一般为120Ω，因为电缆的特性阻抗为120Ω，为了模拟无限远的传输线。低速CAN最高速度只有125Kbps，所以ISO11898-3没有端接要求。当传输速率为40Kbps时，总线距离可达到1000米。低速CAN在CAN_H和CAN_L上串入2.2kΩ的电阻，使线路连续，信号完整。338.6.2CAN总线（2）CAN总线结构CAN总线是一种广播类型的总线，可支持线形拓扑、星形拓扑、树形拓扑和环形拓扑等。CAN网络中至少需要两个节点设备才可进行通信，无法仅向某一个特定节点设备发送消息，发送数据时所有节点都不可避免地接收所有流量。但是，CAN总线硬件支持本地过滤，因此每个节点可以设置对有效的消息做出反应。虽然CAN总线可以支持多种网络拓扑，但在实际应用中比较推荐使用线形拓扑，且在IOS11898-2中高速CAN物理层规范推荐也是线形拓扑。在ISO11898-2和ISO11898-3中分别规定了两种CAN总线结构，如图8-22所示。348.6.2CAN总线（2）CAN总线结构ISO11898-2中定义了通信速率为125Kbps～1Mbps的高速闭环CAN通信标准，当通信总线长度≤40米，最大通信速率可达到1Mbps，高速闭环CAN（高速CAN）通信如下图所示。ISO11898-2要求在高速CAN总线两段安装端接电阻，以消除反射。端接电阻一般为120Ω，因为电缆的特性阻抗为120Ω，为了模拟无限远的传输线。低速CAN最高速度只有125Kbps，所以ISO11898-3没有端接要求。当传输速率为40Kbps时，总线距离可达到1000米。低速CAN在CAN_H和CAN_L上串入2.2kΩ的电阻，使线路连续，信号完整。358.6.2CAN总线（3）CAN总线电气特性在CAN总线上，利用CAN_H和CAN_L两根线上的电位差来表示CAN信号。CAN总线上的电位差分为显性电平（逻辑0）和隐性电平（逻辑1）。高速和低速的CAN总线电平特性不一样，如图8-23所示。对于高速CAN总线：显性状态，CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V，差分线的压差为2.0V，为逻辑数据为0；隐性状态，CAN_H=CAN_L=2.5V，差分线的压差为0V，为逻辑数据为1。对于低速CAN总线：显性状态，CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V，差分线的压差为2.0V，为逻辑数据为0；隐性状态，CAN_H=0V，CAN_L=5.0V，差分线的压差为-5.0V，为逻辑数据为1。368.6.2CAN总线（4）CAN总线帧格式CAN总线上传输的信息称为报文，当总线空闲时任何连接的单元都可以开始发送新的报文。CAN通信是通过帧进行的，共有五种帧：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧、帧间隔。数据帧用于发送节点向接收节点传送数据（最常用），远程帧用于接收节点向某个发送节点请求数据，错误帧用于当某节点检测出错误时向其他节点通知错误的帧，过载帧用于接收节点向发送节点通知自身接收能力的帧，帧间隔将数据帧或远程帧与前面的帧分离的帧。数据帧一般由7个段组成，其中标准帧和扩展帧的仲裁段和控制段有所差别，如图8-24所示。378.6.2CAN总线1）帧起始，表示数据帧开始的段。2）仲裁段，表示该帧优先级的段。3）控制段，表示数据的字节数及保留位的段。4）数据段，数据的内容，一帧可发送0~8个字节的数据。5）CRC段，检查帧的传输错误的段。6）ACK段，表示确认正常接收的段7）结束段：表示帧的结束。388.6.2CAN总线（5）CAN节点接口电路设计CAN节点在硬件连线上只有两根线，但CAN总线的协议较复杂，需要专门的控制芯片完成，这种芯片称为独立的CAN控制器。独立的CAN控制器与单片机的连接通常比较复杂，但随着微控制器的发展，很多微控制器上集成了CAN控制器，方便了电路设计。较典型的独立CAN控制器如SJA1000,有28个引脚，需要外加晶振，与单片机的连接是通过8位并行数据总线连接，这里不深入介绍。这里只简单介绍微控制器集成有CAN接口的电路设计。ST8系列8位单片机、STC系列单片机，PIC系列单片机等有部分型号带有CAN控制器，多数ARM系列微控制器如STM32等，也带有CAN控制器。CAN节点除了控制器，还需要驱动电路，典型是驱动电路如TJA1050，连接电路如图8-25所示。398.6.3工业以太网工业以太网(IndustrialEthemmet)，是在以太网技术和TCP/IP技术的基础上开发的一种工业网络，即应用于工业自动化领域的以太网技术。将以太网延伸到工业应用领域具有一定的优势，如以太网应用广泛、成本低、通信速率高、软硬件资源丰富、易于与Internet连接等，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成，但不能简单或直接将传统的以太网应用于工业领域。1.以太网到工业以太网的适应性要求工业以太网源于以太网而又不同于普通的以太网。办公与生活中的计算机以太网有些不适应控制网络和工业环境的应用需要，需要对普通以太网技术进行通信实时性改造和工业应用环境应用性改造，并添加一些控制应用功能后，形成应用于自动化领域的工业以太网技术。工业以太网在继承和部分继承以太网原有核心技术的基础上，应对适应工业环境性、通信实时性、时间发布、各节点间的时间同步、网络的功能安全与信息安全等问题，提出相应的解决方案，并添加控制应用功能，还要针对某些特殊的工业应用场合提出的网络供电、本安防爆等要求给出解决方案。408.6.3工业以太网以太网和互联网原有的核心技术是工业以太网的重要基础，而对以太网实行环境适应性、通信实时性等相关改造、扩展的部分，成为工业以太网的专门技术。目前工业以太网的代表技术有：FF中高速网段HSE，PROFIBUS的上层网段PROFINET，EtherNet/IP和Modbus/TCP。在控制器、PLC测量变送器、执行器、I/O卡等设备中嵌入以太网通信接口，嵌入TCP/IP协议，嵌入WebServer后形成支持以太网、TCP/IP协议和Web服务器的Internet现场节点。借助IE等通用的网络浏览器实现对生产现场的监视与控制，进而实现远程监控。以太网的物理层与数据链路层采用IEEE802.3的规范，网络层和传输层采用TCP/IP协议组，应用层采用简单邮件传送协议SMTP、简单网络管理协议SNMP、域名服务DNS、文件传输协议FTP、超文本链接HTTP等应用协议，这些是以太网已有的核心方法。工业以太网经过改造以适应工业现场的应用。以太网应用于工业领域，需要解决的问题有环境适应性、通信不确定性、网络供电和本安防爆等问题。418.6.3工业以太网（1）对环境适应性工业以太网需要具备对环境的适应性。对工业应用环境具有相应的工业级防护等级，工业级产品对材质、元器件工作温度范围等具有较高要求。如机械环境适应性(如耐振动、耐冲击)、气候环境适应性(工作温度要求为-40~85ºC，至少为-20~70ºC，并要耐腐蚀、防尘、防水)、电磁环境适应性或电磁兼容性EMC应符合EN50081-2、EN50082-2标准等。由于工业控制现场环境恶劣，对工业以太网产品的可靠性也有更高的要求。需要密封性好、坚固、抗震动的以太网设备与连接件，如网络收发器、集线器、交换机、带锁紧机构的接插件等，需要适合在工业环境中使用。（2）对通信非确定性的适应性控制网络应满足控制作用对实时性的要求。以太网技术难以满足控制系统准确定时通信的实时性要求，一直被称之为非确定性(non-deterministic)网络，在工业自动化领域的应用受到限制。普通以太网采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的媒体访问控制方式，这种平等竞争的非确定性网络，不能满足控制系统对通信实时性、确定性的要求，被认为不适合用于底层工业控制，这是以太网进入控制网络领域在技术上的最大障碍，解决方法是采用实时以太网。实时以太网是在应对工业控制中通信实时性、确定性而提出的解决方案。428.6.3工业以太网2.工业以太网的构成（1）工业以太网的物理连接。工业以太网与以太网的机械接口与电气连接是相同的（RJ45接口），但工业以太网有较高的防护要求，一般会加有防护外壳等。网络线中的双绞线导线功能分配，以及排序等与以太网相同，但网卡接口会有所区别。（2）工业以太网协议结构。工业以太网的网络结构，只定义了物理层和数据链路层，均采用了IEEEE802.3标准；在网络层和传输层则采用了TCP/IP协议，但通常都省略了会话层、表示层，而定义了用户层。438.6.3工业以太网3.智能仪器的以太网接口设计智能仪器或控制器如果需要接入以太网，可以通过串行接口或无线网络接入工控计算机，然后接入到以太网，但如果需要将由单片机或嵌入式控制器构成的智能仪器直接接入到以太网，需要专门的接口芯片，一般计算机网络中的以太网通信控制芯片，也是一些专用芯片，速度高，接口复杂，不太适用智能仪器中的应用。目前有应用于单片机或嵌入式的以太网控制芯片，有并行接口和串行接口，如CS8900A、W5300、W5100等为8位或16位并行接口，ENC28J26（SPI接口）、W5500/5200（高速SPI接口）、CH9120/21/26（USART接口）为串行接口，智能仪器中的以太网通常数据量不大，因此可以采用串行接口芯片，简化电路设计和降低成本。以下以W5500为例说明与单片机的接口设计。W5500是一款工业级以太网控制芯片，内部集成了TCP/IP协议栈、10/100M以太网数据链路层（MAC）及物理层（PHY），支持硬件TCP/IP协议，支持8个独立端口（Socket）同时通讯，支持掉电模式和网络唤醒，高速串行外设接口（SPI），内部有32K字节收发缓存，内嵌10BaseT/100BaseTX以太网物理层（PHY），支持自动协商（10/100-Based全双工/半双工），3.3V工作电压，支持5V信号电压，LED状态显示（全双工/半双工，网络连接，网络速度，活动状态），支持TCPCLEINT/SERVER,UDPCLIENT/SERVER传输。448.6.3工业以太网

W5500可实现网络数据包和串口数据的双向透明传输。W5500有48个引脚，具体引脚图与功能这里不一一给出。W5500的集成度较高，因此电路连接比较简单，需要外加晶振，网络部分引脚可直接与RJ45网口连接。与单片机的连接需要4根线，即SPI接口：SCLK、MOSI、MISO、SCSn，如果主机的SPI总线只连接W5500，SCSn可直接接地，则只需要3根连线。如图8-26给出了W5500与单片机的连接电路，W5500的其它部分电路没有给出，可参考数据手册或其它资料，RJ45也给出了主要连接，根据不同的接口模块可能会稍有不同。458.7短距无线数据传输技术无线数据传输是数据通信系统中经常采用的另一种传输方式。在某些应用场合，利用无线技术更方便。例如，对于运动构件上的传感器信号的采集，由于传感器空间位置不固定，使得通过电缆引出信号变得不可靠，甚至无法连接等。这种情况下，比较好的解决方案就是采用无线数据传输技术。常见的无线通信（数据）传输方式及技术有2种：短距无线通信和远距离无线通信。短距无线通信是指通信双方通过无线电波传输数据，并且传输距离在较近的范围内，其应用非常广泛，有时在智能仪器与数据采集中也会用到，因此，这里简单介绍一下短距无线通信。常用的短距无线通信标准有：Zig-Bee、蓝牙（Bluetooth）、WiFi、超宽带（UWB）和近场通信(NFC）等。468.7短距无线数据传输技术1.Wi-Fi技术WI-FI是指应用无线通信技术将计算机设备进行互联，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。Wi-Fi包含一系列无线网络协议，基于IEEE802.11系列标准，通常用于设备的局域网和Internet访问，IEEE802.11标准系列有802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等。WiFi实际上为WLAN、IEEE802.11系列标准的代名词。WiFi技术使用2.4GHz和5GHz附近的频段，将有线网络外接一个无线路由器，把有线信号转换成WiFi信号，达到网络延伸的目的，扩展了无线上网的多样性，WiFi技术在掌上设备上应用极其广泛，智能手机、平板电脑都是其中的典型代表，而传统计算机中，笔记本电脑全部支持WiFi功能，新型的台式电脑也越来越多的具备了WiFi无线上网功能。478.7短距无线数据传输技术WiFi的优势在于，覆盖半径则可达100米，比蓝牙等有较远的距离，传输速度比较快，可以达到9.6Gbps，或以满足大多需求。另外成本较低，覆盖面广。WiFi的缺点在于，由于接入了局域网，因此会存在一定的安全问题。相对于4G或5G无线通信，覆盖范围较近，一般为约为30到100m。WiFi信号，可能会受到干扰或阻碍，存在连接不畅，或信号强度较弱，降低传输速度。WiFi通过无线方式进行数据通信，集成多种协议，因此需要专门的芯片完成，目前Qualcomm、Broadcom、TI、乐鑫、Realtek等公司都生产WiFi芯片，Intel公司有芯片组，台湾联发科MTK等公司更有系统单芯片解决方案。由于使用量庞大，多种WiFi模块物美价廉，可以根据具体需求进行选用，也有不少WiFi模块可以选用，这里不一一介绍。488.7短距无线数据传输技术2.Bluetooth技术蓝牙（Bluetooth）是一种无线通讯技术标准，用来让固定与移动设备，在短距离间交换数据，以形成个人局域网（PAN）。蓝牙能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换，蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段，使用IEEE802.11协议。1994年由电信商爱立信推出该技术。它最初的设计是希望创建一个RS-232数据线的无线通信替代版本。它能够链接多个设备，以克服同步的问题。至今，蓝牙技术已经历了20多年的发展，从最初的BluetoothV1.0到BluetoothV5.3，经历了10多个版本的修订后，发展为当前的状况。蓝牙技术目前由蓝牙技术联盟（SIG）来负责维护其技术标准，其成员已超过三万，分布在电信、电脑、网络与消费性电子产品等领域。Bluetooth需要集成复杂的协议，因此需要专门的芯片完成，大致有如下几种蓝牙芯片解决方案：498.7短距无线数据传输技术（a）SOC蓝牙单芯片方案，半导体厂商半开源协议栈，把开发的蓝牙协议栈直接烧写到蓝牙芯片中，比如CSRBC4/5、CSR8670、CSR8675、TICC2540、NRF51xxx、NRF52xxx、乐鑫ESP32等，此类芯片一般可以直接作为MCU用，这类产品一般用于消费类电子，集成度很高，调调部参数可以直接使用，常见的有蓝牙耳机。（b）SOC蓝牙+MCU方案在集成好的蓝牙芯片基础上，通过特定的接口（UART居多），发送自定义的command来达到想要的功能。比如发送0x01代表搜索周围设备。此部分的应用，将蓝牙作为一个外设使用，用于远程通信。（c）蓝牙host+controller分开方案这种应用算是蓝牙最复杂的应用，客户需要使用蓝牙的场景有很多，牵涉到的蓝牙协议也有很多，需要将Host与Controller分开，集成更多的蓝牙协议，比如蓝牙电话（HFP）、蓝牙音频（A2DP）、蓝牙音乐控制（AVRCP）、蓝牙电话本（PBAP）、蓝牙短信（MAP）等。其中Transport是一个协议，H2就是在USB的基础上的协议，H4、H5、BCSP是UART基础上的协议，当然还有SDIO。此部分应用，将定制蓝牙的各种服务，实现蓝牙多功能需求。508.7短距无线数据传输技术3.ZigBee技术ZigBee技术是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag之字型的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee过去又称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为Zigbee技术。首先ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。518.7短距无线数据传输技术4.NB-IOT技术窄带物联网（NarrowBandInternetofThings,NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。528.7短距无线数据传输技术4.NB-IOT技术NB-IoT具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。其具有覆盖广、连接多、速率低、成本