现场总线(第6讲)LON现场总线与Ethernet的集成技术
第6章 现场总线技术简介ppt课件
2018/10/31
第5讲 现场总线技术简介
18
浙江大学控制科学与工程学系
—计算机控制系统—
5-2-1 现场总线的七层模型
2018/10/31 第5讲 现场总线技术简介 16
第二节 Unit 2 现场总线标准 Standard of Field Bus
2018/10/31 第5讲 现场总线技术简介 17
浙江大学控制科学与工程学系
—计算机控制系统—
本节主要内容
现场总线的七层模型
现场总线物理层标准简介 现场总线其它层次协议简介
5
浙江大学控制科学与工程学系
—计算机控制系统—
5-1-1 现场总线简介（1）
现场总线
– 是用于自动化等领域最底层的、具有开放、 统一的通信协议的通信网络 – 实现微机化的现场测量控制仪表或设备间的 双向串行多节点数字通信
现场总线技术
– 现场总线技术把单个分散的仪表或设备变成 了网络的节点
2018/10/31
第6章 现场总线技术简介
浙江大学控制科学与工程学系
—计算机控制系统—
本讲主要内容
现场总线概述
– 简介、发展与趋势、技术特点、优点、FCS
现场总线标准
– 七层模型、物理层标准、其它层次协议
目前几类有影响的现场总线
– FF、Lonworks、HART、CAN 、 Profibus等
现场总线的应用举例
2018/10/31
第5讲 现场总线技术简介
8
浙江大学控制科学与工程学系
—计算机控制系统—
5-1-2 现场总线的发展与趋势（1）
历史的回顾
– – – –
具备简单测量控制功能的就地式气动仪表 气动、电动单元组合式仪表和集中控制室 集中式计算机控制系统 计算机集散控制系统DCS
现场总线技术
INTERBUS
• 支持单位:PhoenixContact公司、INTERBUS用 户协会和行业标准化协会(INTERBUS-CLUB)
• 标准:IEC61158;IEC61784; EN50254;DIN19258。
• 应用领域:工业控制，用于PLC、IPC等现场设备 的连接。汽车制造、生产线、食品工业、煤矿输 送线、合成纤维、自来水厂。
第12页/共43页
现场总线系统安全规范
第13页/共43页
功能块与设备描述规范
• 现场设备信息格式及功能描述规范 称为”行规”(Profile), 行规可有效 实现各种现场设备应用层互联。
• 功能块的应用 • 功能块的结构
第14页/共பைடு நூலகம்3页
现场总线的标准化
•现场总线标准化情况——多标准并存 现场总线国际标准IEC61158中采用的8 种类型，以及其他一些现场总线，如 Lonworks等，将在今后一段时间内共 同发展，并相互竞争相互取长补短。 此外；国际跨国公司除了从事他们所 支持的现场总线技术的研究与开发， 还兼顾其他总线的应用。
·用于连接现场仪表，可本质安全防爆; ·可通过耦合器与Profibus-DP相连;
第25页/共43页
Profibus-FMS
• Profibus-FMS 支 持 单 位 : 西 门 子 公 司 Profibus国际组织(PI)，我国有用户组 织或专业委员会(CPO)。
• 标准:IEC61158; IEC61784; DIN19245;EN50170。
• 现场总线控制系统是建立在现场总线技术基础 上的网络结构扁平化，具有开放性、可互操作 性、常规控制功能彻底分散、有统一的控制策 略组态方法的新一代的分散型控制系统。
现场总线技术简介
演讲人
目录
0现场总线技术的概念
现场总线技术的定义
1
2
3
4
现场总线技术是一种 用于工业自动化领域
的网络通信技术
现场总线技术可以 实现设备之间的实 时数据交换和监控
现场总线技术可以 应用于各种工业控
制系统和设备中
现场总线技术可以 提高生产效率和降
Modbus等。
建筑自动化现场总线：用于建筑自动化 和控制系统的现场总线技术，如 LonWorks、BACnet等。
汽车电子现场总线：用于汽车电子控制 系统的现场总线技术，如CAN、LIN等。
智能家庭现场总线：用于智能家庭控制 系统的现场总线技术，如KNX、 ZigBee等。
现场总线技术的优缺点
01
现场总线技术的应用领域
工业自动化：用于控制和监测工业 生产过程
交通自动化：用于控制和监测交通 设施，如交通信号灯、交通监控等
楼宇自动化：用于控制和监测楼宇 设备，如照明、空调、安防等
医疗自动化：用于控制和监测医疗 设备，如医疗仪器、医疗监控等
现场总线技术的分类
现场总线技术的种类
工业现场总线：用于工业自动化和控制 系统的现场总线技术，如Profibus、
优点：实时性好，传输速度快，可靠性高，易于维护和扩展
02
缺点：成本较高，需要专门的硬件和软件支持，兼容性较差
03
适用场景：工业自动化、智能建筑、智能交通等领域
04
发展趋势：随着技术的不断发展，现场总线技术将更加智能化、集成化和网络化。
谢谢
低生产成本
现场总线技术的特点
01 实时性：现场总线技
术可以实现实时数据 传输，满足工业控制 对实时性的要求。
LonWorks网络与LAN、Internet互连的解决方案
LonWorks网络与LAN、Internet互连的解决方案杨斌杨国才罗木平摘要介绍了基于LonWorks现场总线技术的控制系统与LAN、Internet互连的一种解决方案，提出了LonTalk/IP路由器的技术方案。
关键词 LonWorks 局域网 Internet 路由器协议LonWorks是一种具有强劲实力的现场总线技术，LonWorks控制网络在开放性、互操作性等方面所具有的优良性能已使它广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。
实现LonWorks网络与LAN、Internet的集成将为企业综合自动化与信息化创造有利的条件。
．建立综合实时信息库，为企业优化控制、生产调度、计划决策提供依据。
．建立分布式数据库管理功能，保证数据一致性、完整性和可互操作性。
．有关人员可在任何地方通过Internet浏览了解企业的生产情况。
．能够实现对控制网络工作状态的远程监控，优化调度，也能实现控制网络的远程诊断与维护等。
．可进行控制网络的远程软件维护与下载新版本软件。
1 LonWorks网络与LAN、Internet互连的系统结构我们可以把一个企业综合的控制系统分解为两个子系统：第一个是基于LonWorks技术的实时控制(Input/Output，IO)子系统，包括智能传感器，传动装置和微控制器；第二是基于局域网、Internet技术的信息传输(Information Transfer，IT)子系统。
图1便是这样一个系统。
图1IT子系统基于局域网技术(Ethernet，IEEE802.xx)和TCP/IP，而IO子系统使用LonTalk协议、LonWorks技术及支持LonMark互操作性标准。
IT子系统和IO子系统之间的通讯有两种方法：一种方法是可以发展一种IT和IO之间的路由器。
这种方法要求IT上的设备具有多协议栈；另一种方法是可以发展一种IT的协议与IO的协议之间的网关。
LonWorks(现场总线)
现场总线现场总线结构图现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。
也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。
原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。
目录现场总线简介按照IEC的解释定义主要用于典型的现场总线技术现场总线的特点及优点发展趋势展开现场总线简介按照IEC的解释定义主要用于典型的现场总线技术现场总线的特点及优点发展趋势展开编辑本段现场总线简介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。
编辑本段按照IEC的解释现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。
简单说，现场总线就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。
编辑本段定义是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。
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的信息传递问题。
编辑本段主要用于制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。
编辑本段典型的现场总线技术2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。
Type 1 TS61158现场总线Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线Type 3 Profibus现场总线CC-LinkType 4 P-NET现场总线Type 5 FF HSE现场总线Type 6 SwiftNet现场总线Type 7 World FIP现场总线Type 8 Interbus现场总线Type 9 FF H1现场总线Type 10 PROFInet现场总线国内工业总线EPA，G-link,Symotion与NCUC-BUSSymotion是一种用于运动控制的实时工业总线，基于10/100M以太网物理层，应用层使用canopen及精简协议。
现场总线技术
发展趋势
现场总线技术的发展应体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的继续发展和完善；另一个是高速现场总 线技术的发展。
现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对络的性能要求不是很高。从应用状况看， 无论是FF和Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。因此，在速率要求较 低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一 是所有用户的愿望。今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。
基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为 31.25Kbps，通信距离可达 1900m （可 加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为 1Mbps和 2 5Mbps两种，其通信距 离为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC 1158-2标准。其物理媒介的传 输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表0，负跳变代表1，从 而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。
优点
节省硬件数量与投资
发展趋势由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因 而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技 术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少， 还可减少控制室的占地面积。
一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动 信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称 为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系 统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统 所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻 底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
现场总线技术概述
现场总线技术概述现场总线技术（Fieldbus）是指在工业自动化系统中，用于连接现场设备和控制系统的一种通信协议和架构。
它通过将数据和控制命令从控制系统传输到现场设备，并将现场设备反馈的数据传输回控制系统，实现实时监控和控制。
现场总线技术的发展起源于20世纪80年代，旨在解决传统控制系统中布线复杂、成本高昂、可靠性低等问题。
与传统控制系统相比，现场总线技术具有可编程、分布式、开放性强等优点，是实现工业自动化和智能化的重要手段之一现场总线技术的核心是通信协议，常见的现场总线协议包括Profibus、Modbus、FOUNDATION Fieldbus、DeviceNet等。
这些协议定义了数据格式、通信速度、错误检测和纠正等通信规范，保证了不同设备之间的互通性和稳定性。
现场总线技术的架构通常由控制层、总线层和现场设备层组成。
控制层包括控制器和上位机，负责发送控制命令和接收反馈数据；总线层是控制器与现场设备之间的通信介质，包括总线线缆、连接器和信号转换设备；现场设备层包括传感器、执行器等各种设备，负责感知和执行现场操作。
现场总线技术在工业自动化中的应用广泛，涵盖了各个行业和领域。
它可以实现对现场设备的远程监控和控制，提高了系统的可靠性和灵活性。
同时，现场总线技术还可以对现场设备进行参数配置和诊断，减少了故障排除时间和维护成本。
然而，现场总线技术也存在一些挑战和限制。
首先，不同的现场总线协议之间，通常不能直接互联互通，需要通过网关或转换器进行数据的转换和交换。
其次，现场总线技术对硬件设备的要求较高，需要选择与总线兼容的设备进行接入。
此外，现场总线技术的通信速度相对较慢，对于一些对实时性要求较高的应用场景可能不够满足。
总的来说，现场总线技术是工业自动化领域的重要技术和工具，具有广泛的应用和发展前景。
随着工业互联网的兴起，现场总线技术将继续推动工业自动化向智能化、高效化的方向发展。
_现场总线(LonWorks技术)
7层:
6层: 5层: 4层: 3层: 2层: 1层:
应用层
陈述层 会话层 传输层 授权传输控制子层 网络层
网络变量 SNVT
Non-Lonwork 应用层
Lontalk 协议 Neuron 芯片
链接层
MAC 子层 物理层
多媒体传输
OSI层定义
LonTalk寻址体系
域
子网1
……….
子网255
节点1 …. 节点127
现场总线的原理和发展概况
• 现场总线的结构
现场总线网络结构是按照OSI参考模型建立的，OSI参考模 型共分7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话 层、表达层和应用层，现场总线将上述7层简化为3层，分 别由OSI参考模式的第一层物理层、第二层数据链路层和第 七层应用层组成，并增加了用户层
◆
现场总线的原理和发展概况
LonWorks技术概述
（1）是通用测控总线网 （2）同时应用在Sensor Bus、Device Bus、 Field Bus 等任何一层总线中。 （3）ISO的OSI七层协议上实现。 （4）神经元芯片（Neuron)和LonTalk协 议是LonWorks技术的核心。 （5）LON网中可有3~30000个节点或更多。
（3）路由器
LonWorks是唯一支持多种传输介质的系统，它 允许开发者选择那些最能满足他们的要求的传输介 质和通讯方法。（介质转换） 路由器是一个特殊的节点，由两个Neuron芯片组 成，用来连接不同通讯媒介的LON网络。路由器能够 控制网络流量，增加网络的吞吐量和网络速度。 （交通控制）
2 神经元芯片硬件结构
1.2 LonTalk协议
LonTalk协议遵循ISO定义 (OSI)模型，并提供了 OSI所定义的全部7层服务。它的特点： (1) 支持双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和 光纤在内的多种传输介质。 （2）可以运行在任何主处理器(Host Processor)上 （3） LonTalk协议使用网络变量与其它节点通信。网络变 量可以是任何单个数据项也可以是结构体。 （4） LonTalk协议支持总线型、星型、自由拓朴等多种 拓朴结构类型 。 （5）LonTalk寻址体系（分级：域、子网、节点）
LonWorks现场总线
用于对LonWorks节点设备进行调试和故障排除， 提高开发效率。
04
LonWorks应用案例
智能家居系统
智能家居系统是利用LonWorks技术 的典型应用之一。通过LonWorks总 线，各种智能家居设备可以互联互通 ，实现集中控制和远程监控。
智能家居系统可以实现的功能包括： 自动控制家电、远程监控家庭安全、 调节室内环境等，从而提高居住的舒 适度和便利性。
03
LonWorks设备与工具
LonWorks节点设备
智能节点设备
具备数据采集、控制和通 信功能的设备，如传感器、 执行器等。
网关节点设备
用于连接不同总线网络的 设备，实现不同总线协议 之间的转换。
路由器节点设备
用于扩展总线网络的通信 范围，实现多跳通信。
LonWorks网络设备
总线网络
由多个节点设备组成的通信网络， 采用LonWorks技术实现设备间
城市照明系统还可以根据天气、交通等因素自动调节灯光亮 度、开关时间等，提高城市照明的智能化水平。
楼宇自动化系统
01
楼宇自动化系统是利用 LonWorks技术实现楼宇设备的 集中监控和管理的应用。通过 LonWorks总线，可以实现设备
02 的互联互通和智能化控制。
楼宇自动化系统可以提高楼宇的 能源利用效率和管理效率，降低 运营成本，提高楼宇的安全性和 舒适性。
应用编程接口
为了方便设备开发，LonWorks提 供了应用编程接口（API），开发人 员可以通过API进行设备开发。
通信速率与距离
通信速率
LonWorks网络的通信速率可以根据实际需要进行配置，常见的通信速率为 1.25-500kbps。
通信距离
《现场总线技术》课件
3 提高系统可靠性
4 降低系统运行成本
现场总线采用分布式结构，能够在某个设备 出现故障时实现自动切换，提高系统可靠性。
通过降低设备数量和布线成本，现场总线可 以降低系统的运行成本。
现场总线技术的应用场景
工业自动化
现场总线技术广泛应用于工业自动化系统，用于 实现设备之间的数据传输和通信。
建筑自动化
现场总线技术在建筑自动化中起到重要作用，用 于控制和监测建筑内的各种设备。
环境控制
现场总线技术可用于环境控制系统，实现对温度、 湿度、照明等因素的监测和控制。
家庭自动化
现场总线技术也可以应用于家庭自动化，实现对 家庭设备的自动控制和监测。
现场总线技术的实现方式
现场总线协议
现场总线技术的实现需要一种统一的通信协议，常见的现场总线协议有Modbus、Profibus 等。
协议栈
实现现场总线技术需要使用相应的协议栈，用于处理通信协议的各个层级和功能。
硬件实现方案
现场总线技术的硬件实现方式有多种选择，可以根据实际需求进行选型。
现场总线技术的发展趋势
1 物联网技术的发展
随着物联网技术的发展， 现场总线技术将逐渐与其 他技术结合，结合
机器学习和人工智能将为 现场总线技术带来新的应 用和优化方向。
《现场总线技术》PPT课 件
现场总线技术是一种用于实现系统内部设备通信的技术。它简化了设备之间 的连接，降低了系统成本，提高了可靠性。
什么是现场总线技术？
现场总线技术是一种用于设备之间进行数据交换和通信的技术。它简化了设备之间的连接，降低了系统的成本 和维护费用。
现场总线技术的分类
数字现场总线
以数字信号进行通信，具有较高的数据传输速率和抗干扰能力。
计算机网络与通信ppt第6讲 现场总线技术
依据OSI模型的CAN的分层结构
逻辑链路子层LLC 接收滤波 超载通知 恢复管理 介质访问控制子层MAC 数据包装/解包 帧编码 介质访问管理 错误监测 出错标定 应答 串并转换 位编码/解码 位定时 同步 驱动器接收器特性 监控器
数 据 链 路 层
故障界定
物 理 层
总线故障管理
位数值表示
“显性”位0和“隐性”位1 若总线上有两个以上驱动器同时分别发送“0”和 “1”，其结果是总线数值为显性“0” 。
数据帧
帧间空间 数据帧 帧间空间
仲裁场 帧起始
控制场
数据场
CRC场
帧结束 ACK场
由7个不同的位场组成。数据场长度可为0 CAN2.0B存在标准和扩展两种帧格式 为了设计简单，可以对标准格式执行部分扩展， 不一定要完全扩展 可以用整个标识符进行报文滤波，也可以把标识 符屏蔽一部分进行报文滤波
◆
现场总线系统组成
— 从物理结构来看，现场总线系统有两个主要组成部分： 现场设备和传输介质，其中现场设备由现场微处理芯片及 外围电路构成，传输介质可以使用双绞线、同轴电缆、光 纤等 — 现场总线的拓扑结构有很多种，如总线型、环型、树 型、星型等
◆
现场总线主要的优点： — 节省硬件数量与投资 — 节省安装费用 — 节省维护开销
制定一个统一的现场总线一直没能实现的原因：
• 每种总线的产生都有其一定的应用背景，如Profibus在制造业， WorldFIP、FF在过程控制行业，P_Net在农业自动化领域。
• 每种总线都有一个或多个大公司，且多是大型跨国公司为背景。 如WordFIP主要由Alstom公司支持，Profibus以Siemens公司 为主要支持，ControlNet则以Rockwell公司为主要背景。 • 每种总线都力图开发其应用领域，以扩张其势力范围。 • 每种总线大多将自己作为国家或者地区标准，以加强自己的竞 争地位，如P-Net以成为丹麦标准，Profibus已成为德国标准， WorldFIP已成为法国标准。
现场总线及其应用技术
现场总线及其应用技术一、引言现场总线（Fieldbus）是指在工业自动化控制系统中，用于连接现场设备的一种通信总线技术。
它通过集成控制器和现场设备之间的数据交换，实现工业自动化系统的控制与监测。
本文将介绍现场总线的基本概念、工作原理以及在实际应用中的一些技术。
二、现场总线的基本概念现场总线是一种将传感器、执行器等现场设备与控制器相连的通信系统。
它能够提供双向通信、实时数据传输和分布式控制等功能，极大地简化了工业自动化系统的布线和维护工作。
常见的现场总线包括Profibus、Modbus、CAN等。
三、现场总线的工作原理现场总线的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1. 传感器或执行器将采集到的数据通过现场总线发送给控制器。
2. 控制器接收到数据后，进行处理并发送相应的控制指令给现场设备。
3. 现场设备接收到控制指令后，执行相应的动作，并将执行结果反馈给控制器。
四、现场总线的应用技术1. 实时性技术现场总线要求具有较高的实时性，能够在短时间内完成数据的传输和处理。
为了提高实时性，现场总线采用了一系列技术，如时间触发、通信速率调整和数据压缩等。
2. 安全性技术现场总线在工业自动化系统中承担着重要的控制和监测任务，因此安全性是其应用中的重要考虑因素。
现场总线采用了多种安全技术，如数据加密、身份认证和访问控制等，保障系统的安全运行。
3. 故障诊断技术现场总线能够实时监测现场设备的状态，并提供故障诊断功能。
通过采集设备的运行数据和故障信息，现场总线可以及时判断设备的工作状态，并进行故障定位和排除。
4. 网络管理技术现场总线通常由多个设备组成一个网络，因此需要进行网络管理。
网络管理技术包括网络拓扑结构的设计、数据包的路由和转发、网络性能的监测和调优等，保证网络的稳定和可靠运行。
5. 数据采集与处理技术现场总线能够实时采集大量的数据，并进行处理和分析。
数据采集与处理技术包括数据采样、滤波、数据压缩和数据存储等，为后续的控制和决策提供可靠的数据支持。
现场总线及其网络集成
现场总线及其网络集成本文介绍了控制系统向着分散化、网络化、智能化方向发展的趋势，探讨了现场总线技术发挥的重要作用，以及控制网络和数据网络的结合为自动化技术所产生的影响。
随着网络技术的不断发展，Internet正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路，形成公用数据网络。
而现场总线技术的兴起，改变了控制系统的结构，使其向着网络化的方向发展，形成了对人类生产、生活有重要影响的另一类网络——控制网络。
由于现场总线技术适应了控制系统向智能化、网络化、分散化的发展趋势，显示出强大生命力，得到了迅速发展，成为控制领域的热点技术。
随着现场总线控制网络的进一步发展，控制网络与数据网络的结合提上了日程，为开放型、全分布式控制系统与网络系统的进一步开拓提供了新的领域。
现场总线作为控制设备之间实现数字通信的联系纽带，把具有通信能力的测控仪表作为网络节点，连接成开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，并通过网络将节点连接为控制系统。
由于它位于网络结构的底层，因而被称之为底层网Infranet。
在某些场合，Infranet 已成为现场总线控制网络的代名词。
具有开放的通信协议，担负着测量控制任务，是它作为网络系统最显著的特征。
控制网络Infranet与互连网Internet、企业内部网Intranet的连接，使控制网络与数据网络融为一体，让控制信息汇入到数据网络，从而进一步拓宽了控制系统的范围与视野，丰富了网络系统的信息内容与应用领域。
1数据网络数据网络是指已在办公和通信等领域广为采用的计算机网络，通过数据网络人们可以直接获取信息。
这类网络的特点是：数据通信量较大，需要经常传送文档、报表、图形，以及信息量更大的音频、视频等多媒体数据。
数据网络从最初的局域网（LAN），局域网与局域网互连而逐步发展，导致Internet的出现。
而当企业看到Internet的巨大商业价值之后，将局域网与Internet成功结合为Intranet，使数据网络的发展和应用进入到一个崭新的阶段。
现场总线(第6讲) LON现场总线与Ethernet
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传输层(TCP/UDP协议)
TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流传送服务，它具有5个特征：面 向数据流、虚电路连接、有缓冲的传送、无结构的数据流和全双工连接。 一旦数据报被破坏或丢失，则由TCP将其重新传输。TCP数据报的结构:
TCP协议栈支持同时建立两个TCP连接：一个为主动连接，另一个为被动连接。 TCP是基于连接的协议。只有建立了TCP连接，才可以发送或接收数据。
PAD：填充位。由于以太网帧传输的数据包最小不能小于60字节, 除去DA、SA和TYPE 共14字节，还必须传输46字节的数据，当数据段的数据不足46字节时，后面补0。
FCS：32位数据校验位。为32位的CRC校验，该校验由网卡自动计算，自动生成，自 动校验，自动在数据段后面填入。
IP数据报的格式
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随着Internet技术的不断发展，以太网已成为事 实上的工业标准，TCP/IP的简单、实用特性已为广 大用户所接受，基于TCP/IP协议的以太网可以满足 工业网络各个层次的需求。 (1) 全开放 (2) 成本低 (3) 实时性 (4) 资源共享 (5) 易与Internet连接
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服务器方
客户方
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典型套接字调用过程
无连接协议的套接字调用如下页图所示。 无连接服务器也必须先启动，否则客户请求传不到 服务进程。 无连接客户不调用connect()。因此在数据发送之前， 客户与服务器之间尚未建立完全相关，但各自通过 socket()和bind()建立了半相关。 发送数据时，发送方除指定本地套接字号外，还需 指定接收方套接字号，从而在数据收发过程中动态 地建立了全相关。
Ethernet与现场总线
Ethernet与现场总线引言随着以知识经济为特征的信息时代的到来和现代工业文明的发展，企业综合自动化在现代工业大生产中的作用也越来越重要，它把工厂内各个孤立的局部自动化子系统在新的管理模式与工艺指导下，综合运用信息技术、自动化技术、计算机网络及其支持软件技术等有机地结合起来，构成一个完整的系统，对生产过程的物质流、管理过程的信息流、决策过程的决策流进行有效的控制和协调，以适应新的竞争形势下市场对生产管理过程提出的高质量、高速度、高灵活性和低成本的要求。
工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础，从结构上看可分为三个层次：即管理层、监控层和现场设备层。
如图1所示。
其中，最上层的企业管理层网络，主要用于企业的计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。
管理层上各终端设备之间一般以发送电子邮件、下载网页、数据库查询、打印文档、读取文件服务器上的计算机程序等方式进行信息的交换，数据报文通常都比较长，吞吐量较大，而且数据通信的发起是随机的、无规则的，因此要求网络必须具有较大的带宽。
管理层层网络主要由快速Ethernet（100M、1G、10G等）组成。
中间的制造执行层网络主要用于监控、优化、调度等方面信息的传输，其特点是信息传输具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大，因此要求网络具有较大的带宽，以前由专用网络如令牌网组成，如今这一层网络则主要由传输速率较高的网段（如10M、100M Ethernet 等）组成。
而最底层的现场设备层网络则主要用于变送器、执行机构等现场设备之间、以及现场设备与控制室仪表之间的信息传输。
它具有以下特点：（1）传输的信息长度较小。
这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。
其长度一般都比较小，通常仅为几位（bit）或几个、十几、几十个字节（byte），对网络传输的吞吐量要求不高。
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request
bind() recvfrom() 处理请求
recvfrom()
repley
sendto()
Socket函数与四元组的建立 本地 ipaddr, port server client bind() sendto/bind()
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嵌入式网络协议栈实现原理
FTP SMTP TCP协议 协 议 栈 POP3 HTTP
文件传输协议
UDP协议
简单邮件传输协议
电子邮件协议(V3)
IP协议 ICMP协议 ARP协议 Ethernet
超文本传输协议
传输控制协议
用户数据协议 网际协议
Internet控制消息协议
地址解析协议
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版本号是指每个数据报所属的IP协议的版本号。目前的协议版本号是4。 首部长度指的是首部占32位字的数目。首部最长为60个字节。 服务类型字段包括一个3位的优先权子字段(现在已被忽略)、4位的TOS子字段和1位未用 位但必须置0。4位的TOS分别代表:最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。4位中 只能置其中1个位。如果所有4位均为0，那么就意味着是一般服务。
l 支持UTP（STP）、AUI、BNC（RJ45）自动检测，还支持 对10BaseT拓扑结构的自动极性修正；
l 允许4个诊断LED引脚可编程输出； l 100脚的PQFP封装，缩小了PCB尺寸。
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内部结构
RTL8019AS内部可分为远程DMA接口、本地DMA接口、 MAC(介质访问控制)逻辑、数据编码/解码逻辑和其它端口。
面向连接与 socket 函数
TCP server socket() TCP client socket() connect() 建立连接(三次握手) request reply end of file socket 函数与四元组的建立 本地 ipaddr， port server client bind()
sendto ()/recvfrom() ，通过套接 字 s 交换数据 closesocket() ，关闭套接字，结 束对话
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4. 硬件设计概述
选用AT89C55作为网络处理MCU 选用MC143150神经元芯片作为LonWorks 网络的通信MCU 双CPU间的数据交换通过双口RAM实现 与Ethernet的网络接口采用RTL8019器件 用10/100 BaseT电缆作为传输介质 设计时可考虑在线编程功能 必须实现嵌入式TCP/IP网络协议栈
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PR：同步位，是56位的二进制数1010……10。用于收发双方的时钟同步，同时也指明 了传输的速率，10M和100M的时钟频率不一样，100M网卡可以兼容10M网卡。 SD: 分隔位。表示下面跟着的是真正的数据,而不是同步时钟,为8位的10101011,跟同 步位不同的是最后2位是11而不是10。 DA：目的地址。以太网的地址为48位(6个字节)二进制地址，表明该帧传输给哪个网 卡。如果为FFFFFFFFFFFF，则是广播地址，广播地址的数据可以被任何网卡接收到。 SA：源地址。48位，表明该帧的数据是由哪个网卡发的,即发送端的网卡地址,同样是 6个字节。 TYPE：类型字段。表明该帧的数据是什么类型的数据，不同协议的类型字段不同。如 0800H表示数据为IP包；0806H表示数据为ARP包；814CH是SNMP包；8137H为IPX/SPX包； 小于0600H(1536)的值是用于IEEE 802.3的表示数据包的长度。 DATA：数据段。该段数据不能超过1500字节，因为以太网规定整个传输包的最大长度 不能超过1514字节。14字节为DA、SA和TYPE字段。
数据报长度字段是指整个IP数据报的长度，以字节为单位。利用首部长度字段和总长度 字段，就可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。
标识字段惟一地标识主机发送的每一份数据报；标志字段用来指定目的地址是一个完整 的主机地址还是一个网络地址；生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数；首 部校验和字段是根据IP首部计算的检验和码；源地址和目的地址都是32位的数据；选择项 定义安全和处理限制、记录路径、时间戳、宽松的源站选路、严格的源站选路等信息。
远地 ipaddr, port
recvfrom() sendto()
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典型套接字调用过程
如前所述，TCP/IP协议的应用一般采用客户/服务 器模式，因此在实际应用中，必须有客户和服务器 两个进程，并且首先启动服务器，其系统调用时序 图如下。 面向连接的协议（如TCP）的套接字系统调用如下 页图示。 服务器必须首先启动，直到它执行完accept()调用， 进入等待状态后，方能接收客户请求。假如客户在 此前启动，则connect()将返回出错代码，连接不成 功。
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服务器方 socket()，建立数据报式套接字， 返回套接字号 s bind()，将套接字 s 与本地地址 相连
客户方 socket()，建立数据报式套接字， 返回套接字号 s bind()，将套接字 s 与本地地址 相连
recvfrom()/sendto()，通过套接字 s 读/写数据，直到数据交换完。 closesocket()，关闭套接字 s，结 束服务
本地主机和远程主机用IP地址来定义，而定义进程可用端口号(一个0～65535之间 的整数)。
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ARP是地址解析协议，用来将一个逻辑地址映射为物理地址， 这是属于网络接口层的协议模块。当主机有数据包要发送给 另一个主机时，如果只知道对方的逻辑地址(IP地址)而不清楚 对方的物理地址(MAC)，则无法将数据完整地封装成以太网 帧格式的数据包。ARP的作用就是实现上层的IP地址与底层 的物理地址进行绑定。
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ARP处理过程
(1)根据目标IP地址产生一个请求ARP报文，填入发送站的物 理地址，发送站的IP地址及目标IP地址。目标物理地址为全0。
(2)将报文传给数据链路层。在此层它被封装成帧，使用发送 站的物理地址作源地址，使用物理广播地址为目的地址。
(3)每一个主机或路由器都收到这个帧。所有站都将此报文送 交给自己的ARP处理程序，除目标机器外，所有机器都丢弃这 个分组，目标机器识别这个IP。 (4)目标机器用ARP报文进行回答。此报文包含它的物理地址， 报文用单播。 (5)发送站收到回答报文，得到目标物理地址。 (6)发送站用单播将IP数据报发给目的站。
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传输层(TCP/UDP协议)
TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流传送服务，它具有5个特征：面 向数据流、虚电路连接、有缓冲的传送、无结构的数据流和全双工连接。 一旦数据报被破坏或丢失，则由TCP将其重新传输。TCP数据报的结构:
TCP协议栈支持同时建立两个TCP连接：一个为主动连接，另一个为被动连接。 TCP是基于连接的协议。只有建立了TCP连接，才可以发送或接收数据。
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2. 系统结构
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3. 预备知识
相关协议 套接口与套接字
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(1) 协议和数据帧格式
采用IEEE802.3标准，以太网的物理传输帧格式
数据
7 1
6
6
2
4
前同步码 起始界符 目的地址 源地址 类型字段 LLC帧 （填充） 帧校验序列 MAC帧 802.3以太网帧的结构图
ISA ISA总线接口 即插即用 （PnP） Boot ROM 端口 EEPROM ROM 端口 ENA（编码译码）逻辑 8K×16 RAM
MAC逻辑
AUI 接口
双绞线 接口
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远程DMA接口是指单片机对RTL8019AS内部RAM进行读写 的总线，即ISA总线的接口部分。单片机收发数据只需对远程 DMA操作。 本地DMA接口是把RTL8019AS与网线的连接通道，完成控制 器与网线的数据交换。 MAC(介质访问控制)逻辑完成以下功能：当单片机向网上发 送数据时，先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS 中的发送缓存区，然后发出传送命令；当RTL8019AS完成了 前一帧的发送后，再开始此帧的发送。RTL819接收到的数据 通过MAC比较、CRC校验后，由FIFO存到接收缓冲区；收 满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。FIFO 逻辑对收发数据作16字节的缓冲，以减少对本地DMA请求的 频率。
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随着Internet技术的不断发展，以太网已成为事 实上的工业标准，TCP/IP的简单、实用特性已为广 大用户所接受，基于TCP/IP协议的以太网可以满足 工业网络各个层次的需求。 (1) 全开放 (2) 成本低 (3) 实时性 (4) 资源共享 (5) 易与Internet连接
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服务器方
客户方
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典型套接字调用过程 Nhomakorabea
无连接协议的套接字调用如下页图所示。 无连接服务器也必须先启动，否则客户请求传不到 服务进程。 无连接客户不调用connect()。因此在数据发送之前， 客户与服务器之间尚未建立完全相关，但各自通过 socket()和bind()建立了半相关。 发送数据时，发送方除指定本地套接字号外，还需 指定接收方套接字号，从而在数据收发过程中动态 地建立了全相关。
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UDP协议（用户数据报协议）和TCP相似，同属传输层协议，都作为 应用程序和网络传输的中介。 UDP是一个简单的面向数据报的运输层协议， 其进程的每个输出操作都正好产生一个UDP数据报，并组装成一份待发送 的IP数据报 。UDP与面向连接的协议TCP不同，它不提供可靠性：它把应 用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。