现场总线考试资料(删减版)

1、第一章 概论1、什么是总线总线是各种部件之间传送信息的公共通信干线，其实质是通信网络。 任何一种总线都包括硬件和软件两部分。2、现场总线现场总线是应用在生产现场，实现自动化控制系统现场设备或仪表之间互连的通信网络，具有的开放性、数字化、多点通信、可靠性强等特点。3、现场总线的内涵a.它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。b.它是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的开放的、全数字化的、双向的、多站的通信系统。c.主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间

2、的信息传递问题。4、现场总线的应用现场总线的产生对工业的发展起着非常重要的作用，对国民经济的增长有着非常重要的影响。现场总线主要应用于石油、化工、电力、医药、冶金、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域。5、现场总线的关键-使自动控制系统与现场设备具有通信能力-连接成网络系统6、现场总线的技术特点a全数字化通信b系统的开放性c互可操作性与互换性 d现场设备的智能化与功能自治性e系统结构的高度分散性 f对现场环境的适应性 两种方式详细对比现场总线方式传统方式结构一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号。一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。可靠性可靠性好：数字信号传输抗

3、干扰能力强，精度高。可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰控制控制功能分散在各个智能仪器中。所有的控制功能集中在控制站中。互换性各智能仪表基于统一的总线标准设计，不同品牌的仪表互连，实现“即插即用”。尽管模拟仪表统一了信号标准，可是大部分技术参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表不能互换。现场总线控制系统的软件1.操作系统2.网络管理软件3.通信软件 4.底层测控软件企业管理层(数据网络)-过程监控层(数据网络)-现场控制层(控制网络)几种典型的现场总线.CAN 总线2.ControlNet 现场总线3.LonWorks 总线4.DeviceNet 总线5.Modbus 总线6.HA

4、RT 总线第二章 数据通信基础2.1 数据通信的基本概念p122.1.1 信息a信息（Information）是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。水温100度、车速80km/h等都是信息；b信息不同于信号，信号是信息的载体，信息则是信号所载荷的内容；c信息不同于数据，数据是记录信息的一种形式，同样的信息也可以用文字或图像来表述。2.1.2 数据a数据（Data）一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”；b数字、字母和符号都是数据；c数据中包含信息，信息通过解释数据而产生；d数据可以分为模拟数据和数字数据两种。e模拟数据表示的信息为随时间变化

5、的连续信号；f数字数据表示的信息为离散的数字信号；2.1.3 信号a信号（Signal）是数据的具体表示形式，简单地讲就是携带信息的传输介质。通信系统使用的信号主要有电信号、磁信号、光信号等；b信号的特性表现为它的时间特性和频率特性；c信号的分类；d信号的分析方法。2.1.3 信道a信道即信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些接口设备；b信道有物理信道和逻辑信道之分；2.2 数据通信系统的构成a数据源(信源)：把待传输的消息或数据转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源；b发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号；c

6、信道：信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。d接收设备：任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。e数据宿(信宿)：将复原的原始电信号转换成相应的消息。2.3 传输方式2.3.1并行传输方式及串行传输方式(1)并行传输字符编码的各个比特同时传输特点：一个比特的时间内可以传输一个字符，传输速度快；每个比特传输要求一个单独的信道支持，通信成本高；远距离传输时，可靠性较低。(2)串行传输将组成字符的各个比特串行的发往线路特点：传输速度慢，一次一个比特；通信成本低，传输只要求一个单独的信道支持2.3.2 基带传输、载带传输与宽带传输(1)基带传输a基带传输是

7、指在基本不改变数据信号频率的情况下，在数字通信中直接传送数据的原码信号，即按数据波的原样进行传输，不采用任何调制措施。它是目前广泛应用的最基本的数据传输方式。b凡按数字信号原码进行的传输称为基带传输。基带传输中传输的是一系列方波电脉冲信号。c目前大部分计算机局域网，包括控制局域网，都采用基带传输方式。其特点是整个系统不用调制解调器，价格低廉。但传输距离一般不超过25km，数据传输速率小于l0Mbit/S。 (2)载带传输p15(3)宽带传输p152.3.3 单工方式、半双工方式与全双工方式 单工:只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互半双工:可以双向通信，但不能双向同时通信。全双工:双向同时

8、通信。2.4 编码2.4.1 码元二进制序列中的每一位称为一个码元,它只有0和1两种状态。表示0和1两种状态的电脉冲波形(即码元波形)可以有多种形式。不同的码元波形形成不同的编码。常见的码元波形有：(a) 为单极性不归零码适用于近距离、低速、抗干扰能力要求不高的场合，如实验室环境下，芯片之间的短距离异步通信；(b) 双极性不归零码通信距离、速度和抗干扰能力稍强，如电路或模块之间的外部通信；(c) 单极性归零码(d) 双极性归零码(e) 曼彻斯特码自同步编码方式，包括数据信息和时钟信息。(f) 差分码抗干扰能力强，适用于复杂环境下，长距离外部通信。 CAN、4852.4.2 内部码与通信码p16

9、2.4.3 编码与解码p172.5 复用技术p17解决一条信道上同时传递多路信号的问题。2.7 同步技术同步技术的定义 a在通信过程中，接收端根据发送端的起止时间和重复频率校正自己的基准时间与重复频率的过程称为同步过程，这种统一收端和发端的措施称为同步技术。b同步技术并不是同步传输时才使用的技术，如异步传输中就使用了外同步法。1在同步传输中，所有设备都使用一个共同的时钟。在时钟的协调下，每一位数据同步收发。传输的每个数据位只在时钟信号的上升沿或者下降沿之后的一个规定的时间内有效。需要一条额外的线来传输时钟信号。2在异步传输中，每个通信节点都有自己的时钟信号，每个通信节点必须在时钟频率上保持一致

10、，并且所有的时钟必须在一定误差范围内相吻合。异步传输时，每一位数据不需要同步收发，但当传输一个字节时，通常会包括一个起始位来同步时钟。一数据帧往往包含帧头和帧尾，用于同步。同步的目的：a保证接收方在时间上与发送方取得同步，以便能够正确地识别和接收发送方发来的数据。同步技术需要解决的主要问题有： b何时开始发送数据；发送过程中的数据传输速率；持续时间的长短；发送时间间隔的大小。 当发送端以某一速率，在一定的起始时间内发送数据时，接收端也必须以同一速率在相同的起始时间内接收数据。否则接收端与发送端就会产生微小误差，随着时间的增加，误差将逐渐积累，并造成收发的失步（不同步），从而出现错误。同步的实现

11、方法p192.8 差错控制方法p20a差错控制编码就是对网络中传输的数字信号进行抗干扰编码，目的是为了提高数字通信系统的容错性和可靠性，它在发送端被传输的信息码元序列中，以一定的编码规则附加一些校验码元，接收端利用该规则进行相应的译码，译码的结果有可能发现差错或纠正差错。 b在差错控制码中，检错码是指能自动发现出现差错的编码，纠错码是指不仅能发现差错而且能够自动纠正差错的编码。当然，检错和纠错能力是用信息量的冗余和降低系统的效率为代价来换取的。2.9 检错编码p211. 字符奇偶校验又称为垂直奇偶校验，一次只能校验一个字符。编码规则：在字符后面附上一位奇偶校验位。若附上奇偶校验位后使形成的数码

12、中“1”的个数为偶数，就称为偶校验。如果使“l”的个数为奇数，则称为奇校验。例如：数码中“1”的个数为奇数，采用偶校验时在数码后面附上偶校验位“1”，成为数码l，使“1的个数为偶数。特点：只需附加一位奇偶校验位，编码效率高；能检出奇数个差错，若发生2个、4个等偶数个差错，接收端就无法检出。2.10 拓扑结构p23星型结构由一个主节点和多个从节点构成。任何两个从节点之间的通信都要经过主节点。该结构对主节点的依赖比较严重，可靠性较低，在分散控制系统中应用得较少。总线型结构由一个总线和多个节点构成。节点之间通过总线可以灵活传输数据，但总线是分时复用的。即只有总线空闲时，节点才能发送数据。该结构灵活、

13、方便、可靠性高，在分散控制系统中应用广泛。环型结构所有的节点通过链路组成一个环形。信息在环上只能按某一确定的方向传输。每个节点都具有中继作用。该结构控制简单，但主要问题是在节点数量较多时会影响通信速度，另外，环是封闭的，不便于扩充。2.11 异步通信与同步通信1、异步通信p25a异步通信依靠起始位、停止位保持通信同步。b异步通信数据传送按字符帧传输，一帧数据包含起始位、数据位、校验位和停止位。c异步通信由各自独立的时钟控制数据的收发。d异步通信适合长距离传输，实现容易，对线路和收发器要求较低；但传输的效率和速度低。e在单片机中主要采用异步通信方式。2、同步通信p25a同步通信依靠同步字符保持通

14、信同步。b同步字符可以由用户约定，也可以采用SYN代码16H。c通信时先发送同步字符，然后是连续的数据块，数据之间没有间隙，也没有起始位和停止位。d同步通信的数据格式。e同步通信要求把时钟信号同时传送，数据收发由统一的时钟控制。f同步通信传输效率高，适合高速传输的要求；适合短距离传输；长距离传输成本高，且时钟信号容易受到噪声的干扰。第三章 简单接口通信技术简单接口通信技术：直接利用微机的标准并行/串行接口实现多微机间的通信。地位及意义：简单接口通信技术是其它通信技术的基础；学好简单接口通信技术，是学习其它通信技术的前提和保障。（1）CAN通信中，SJA1000芯片的控制就是利用标准并行接口实现

15、的；（2）GSM、以太网等通信中，就利用标准串口实现对通信模块的控制和数据收发；3.1 I/0信道的两种基本形式p27单I/O接口信道实例-基于并行I/O的显示系统主从微机间只用一片I/O接口芯片。主机通过对I/O接口的控制与操作就可以实现主机与各从机间的数据交换。双I/O接口信道实例1-RS232通信双I/O接口信道实例2-RS485通信特点：芯片使用数量多，但是提供的硬件环境好，界面清晰，接线规范，不必重新构造联络握手信号。寻址和同步主要靠软件和协议来实现。3.2 简单接口通信基本原理p28通信设备之间控制数据通信与理解通信数据意义的一组规则，称为通信协议。简单接口通信须注意下面事项p28

16、3.3 简单接口通信连接方式3.3.1 主从式结构p291、系统结构1)Slave为从系统，负责参数存储、外设控制及信号检测；Master为主系统，负责数据显示、打印、按键输入、通信等。2)从系统有4个I/O接口，其中两个I/O接口用来扩展片外RAM数据存储器，一个I/O口与输入处理单元相连，接收输入信号，一个I/O口实现与主系统的信息交换。3)主系统的其余三个I/O接口分别扩展为打印机接口、显示器接口及键盘接口。4)从系统的一个并行I/O接口与主系统的一个并行I/O接口组成双I/O接口PIO信道，把两者互连成一个双微机PIO系统。2、通信信道（1）由于单片机受I/O接口数量的限制，系统使用一

17、个并行I/O口的4条双向数据线作PIO信道的双向数据通道；（2）使用并行I/O口的2条双向数据线进行通信控制，作为双方握手联络通道 S-RDY：从系统就绪 M-RDY：主系统就绪（3）使用并行I/O口的1条双向数据线进行子系统复位控制，主系统任何时候都可以用Slave Reset使从系统复位3、通信过程p303.3.2 星型结构p301、系统结构 系统由一个主系统和多个从系统构成。每个从系统都通过点-点式专用信道与主系统相连。星型结构实质是多机主从式结构。 主系统随时有权向任意从系统发送命令和数据，从系统的通信请求必须使用集中式存取控制方法裁决。数据只能在主系统与某台从系统之间传输，从系统之间

18、的通信，必须经过主系统中转才能完成。2、通信方式p303.3.3 菊花链结构和环形结构p311、系统结构菊花链结构：多个系统通过I/O信道依次串联链接，首尾不相连。环形结构：首尾相连的菊花链结构。2、特点p313、通信方式(1)软件寻址法；(2)链式轮询法：主系统发起轮询，只有被询问的系统才有通信权。3.3.4 总线型结构p35采用简单总线：各微机系统利用并/串操作，将并行数据转换成串行数据在总线上传输，采用软件实现寻址和总线使用权分配；采用复杂总线：复杂总线要包括地址线、数据线、控制线等。通过地址总线实现寻址，通过控制总线完成总线使用权分配。1、主从式并行总线型多机通信系统p361）通信信道

19、2）寻址及通信过程(9)各从机确认Sele=0后,把接收的8位编号与自己的从机号比较,对上编号的从机SRDY=0 。 (10)主机确认SRDY=0，置MRDY=0，表明有从机被选中此时总线上只剩下一主一从两站，开始主从式双单片机PIO通信。(11)主机确认SRDY=0后，传送4位数据，并置MRDY=1。被选中从机收到MRDY=1后，接收4位数据，并置SRDY=1。主机确认SRDY=1后，传送后4位数据， 并置MRDY=0。被选中从机收到MRDY=0后，接收4位数据，并置SRDY=0。完成1个字节的数据传送。(12)重新寻址，重新传送数据2、主从式串行总线型多机通信系统（1）主机通过点名，确定进

20、行通信的从机。1)各从机置SM2为1；2)主机发出呼叫帧，呼叫帧从机号，第9位为1；3)所有从机接收到呼叫帧后，对上号的从机置SM2=0，并用应答帧通知主机，呼叫过程完成；4)通信过程中数据的第9位为0，没有对上号的从机全部从总线上切除，只剩下对上号的从机与主机进行通信。 （2）从机在主程序执行过程中，以中断方式响应主机的通信要求 主机通信流程p38从机通信流程p393.4 简单接口通信实例简单接口通信是指直接利用微机的标准并行/串行接口实现多微机间的通信。aMCS-51单片机有四个并行IO口，一个可编程的全双工异步串行接口；b并行通信一次可以将多位数据同时传送。具有传输速度快、效率高等特点。

21、但其抗干扰能力不强，通信成本高，适用于短距离高速通信；c串行通信数据的各位依次在一条传输线上逐个地传送。具有传输线少，成本低、易于实现，可靠性高、适合远距离的数据通信的特点，但其通信速率较低；d寻址和同步是两种通信要解决的关键技术问题。第七章 CAN总线通信技术1、现场总线概述现场总线（Fieldbus）是一种应用在生产现场，在嵌入式测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。它是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，广泛应用在制造业、流程工业、交通、楼宇等领域的自动化系统中。生产现场：不是狭义地指车间工厂，而是泛指需要机器设备之间通信的场合。2、CAN总线简介CAN：Contro

22、ller Area Network，控制器局域网。是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络。CAN总线是现场总线技术的一种，其具有现场总线的一些基本共性：A开放性：总线规范开放，任何厂家都可以设计生产基于CAN总线的产品。B数字化及双向串行传输：以较低的布线成本实现远距离传输。C多点通信：在同一个通信网络上可以挂接多个设备。D能够满足工业控制现场复杂环境、实时通信、抗干扰等方面的要求。 CAN推出之初主要用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。1989年，宝马推出第一款使用CAN-bus通信的汽车。车上电缆长度至少缩短了2000m，质量减少了50kg。极大的促进了汽车行业的发展。现

23、在，几乎每一辆新生产的汽车均装配有CAN-bus网络。1990 奔驰公司发布了第一辆使用CAN-bus的轿车1993 被制定成为国际标准：ISO11898（高速）ISO11519（低速）1994 欧洲和美洲成立协会，专门支持CAN-bus总线的两大应用层协议：CANopen协议与DeviceNet协议1999 接近6000万个CAN控制器投入应用2000 市场销售超过1亿个CAN-bus器件CAN总线基本特点P1353、CAN总线的分层及帧格式CAN收发器负责逻辑信号和物理信号之间的转换。A将逻辑信号转换成物理信号。此收发器转换得到的信号为差分电平信号。B将物理信号转换成逻辑信号。此收发器将差

24、分电平信号转换为逻辑信号。信号电平CAN-bus发布了ISO11898和ISO11519两个通信标准，此两个标准中差分电平的特性不相同。双绞线对抑制共模干扰的抑制原理双绞线上传输差分信号，共模干扰使信号线上产生相同幅度和相位的干扰脉冲。线路受到共模信号干扰后，信号差值不变，信号依然正确传输 波特率误差带来的数据错误如何消除波特率误差产生的通信错误？A提高时钟精度，使波特率尽量接近标准波特率。此方法使设备成本激增，只能减少误差，仍无法消除累计误差。B同步：隔一段时间后所有节点时钟计时归0一次。此方案经济可靠，可以消除累计误差。CAN-bus同步CAN-bus规定信号的跳变沿时刻进行同步。缺点：发

25、送多个相同位时无跳变沿用于同步，导致误差不断累计位填充CAN-bus通过位填充提供同步信号，从而消除累计误差。例如：在连续5个相同位后插入一个相反位，产生跳变沿，用于同步传输速率与距离CAN Control Area Network 的缩写，小范围实时通信网络，通信距离与速率成反比。当通信距离太长时可以使用CAN 网关或网桥等设备划分子网，使子网通信速率与距离在规定范围内终端电阻终端电阻用于减少通信线路上的反射，避免引起电平变化而导致数据的传输信错误。上面：低速CAN-bus终端电阻接法下面：高速CAN-bus终端电阻接法CAN物理层小结CAN-bus规范对物理层的信号电平、信号同步与位填充、

26、通信速率与距离以及终端电阻等进行了详细规定，只用符合相同物理层规定的CAN节点才能互相通信。CAN数据链路层简介CAN-bus帧分类CAN-bus通信帧共分为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔5种类型。A数据帧 用于发送节点向接收节点传送数据，是使用最多的帧类型 B远程帧 用于接收节点向某个发送节点请求数据C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D过载帧 用于接收节点向发送节点通知自身接收能力的帧E帧间隔 用于将数据帧或远程帧与前面的帧分离的帧 数据帧数据帧是使用最多的帧，结构上由7个段组成，其中根据仲裁段ID码长度的不同，分为标准帧（CAN2.0A）和扩展帧（CAN2.0

27、B）。帧起始和帧结束帧起始和帧结束用于界定一个数据帧，无论是标准数据帧或扩展数据帧都包含这两个段。 仲裁段CAN-bus并没有规定节点的优先级，但通过仲裁段帧ID规定了数据帧的优先级。 根据CAN2.0标准版本不同，帧ID分为11位和29位两种。总线仲裁CAN控制器在发送数据的同时监测数据线的电平是否与发送数据对应电平相同，如果不同，则停止发送并做其他处理。假设节点A、B和C都发送相同格式相同类型的帧，如标准格式数据帧，它们竞争总线的过程是：由于数据帧的RTR位为显性电平，远程帧的RTR位为隐性电平，所以帧格式和帧ID都相同情况下，数据帧的优先级比远程帧优先级高：由于标准帧的IDE位为显性电平，扩展帧的IDE位为隐性电平，对于前11位ID相同的标准帧和扩展帧，标准帧优先级比扩展帧高。控制段控制段共6位，标准帧的控制段由扩展帧标志位IDE、保留位r0和数据长度