第八章 自动检测技术的发展方向

现场总线控制系统的典型结构如图8-1所示。图中现场总线的节点式 现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、调节器、调节阀、步进 电机、记录仪、条形阅读器 等。
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图8-1 现场总线系统结构图
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一、CAN（控制器局域网络）
控制器局域网络CAN（Controller Area Nerwork）是由德国Bosch公 司从20世纪80年代初为解决现代汽车种众多的控制与测试仪器之间的 数据交换而开发的一种串行数据通信协议，是一种有效支持分布式控制 或实时控制的串行通信网络。其发展目标是逐步用于其他工业领域控制 的现场总线。它定义了网络互连模型的物理层、数据链路层和应用层， 其中，物理层符合国际标准化组织ISO11898标准。
PROFIBUS-DP用于加工自动化，适用于分散的外围设备。 PROFIBUS为开放系统协议。为了保证产品质量，在德国建立了
FZI信息研究中心，对制造厂和用户开放，可对其产品进行一致
性检测和实验性检测。
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四、HART（可寻址远程传感器数据通路）

HART是美国Posemount公司研制的。其协议可参照ISO/OSI模型的 物理层、数据链路层和应用层。它主要有如下特性：
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一、虚拟仪器的发展与特点

1、虚拟仪器的发展 随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的发展，电子测 量仪器也随之不断地发展，大体可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、
智能仪器和虚拟仪器。

第一代模拟仪器。其基本结构是电磁机械式结构，其测量结果是依靠 指针显示。如指针式万用表、集体管电压表等。

(4)用户层：获取传输信息并完成相应的任务。规定了标准的功能模 块，利用功能模块数据结构执行数据采集、处理、控制和输出，因 而给用户带来极大的方便。 综上所述，现场总线的发展趋势为：在保证数据传输高可靠性的基 础上，尽量简化网络协议；在保证较高性能价格比的基础上，不断

增加网络的传输带宽，加大传输距离；网络结构由单一主从式向多
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三、PROFIBUS（过程现场总线）

过程现场总线PROFIBUS是德国标准，是1991年在DIN19245中公布 的标准。PROFIBUS有几种改进型，分别用于不同的场合，比如， PROFIBUS-PA用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全型，
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可用于危险防爆区域；PROFIBUS-FMS用于一般自动化；
（1）物理层：采用基于Bell 202通信标准的FSK技术，即在直流4～ 20mA模拟信号上叠加FSK数字信号，逻辑1为1200Hz,逻辑0为2200Hz， 波特率为1200bit/s，调制信号为±0.5mA或Up-p=0.25V(250Ω 负载)。 用屏蔽双绞线单台设备距离为3000m，而多台设备互连距离为1500m （2）数据链路层：数据帧长度不固定，最长为25个字节。寻址为0～ 15，当地址为0时，由处于直流4～20mA与数字通信兼容状态；当地址 为1～15时，则处于全数字通信状态。通信模式为“问答式”或“广 播式”。 （3）应用层：应用层规定了三种命令：第一种式通用命令，适用于 遵守HART协议的所有产品；第二种式普通命令，适用于遵守HART协议 的大部分产品；第三种是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品。
CAN具有如下特性：
（1）CAN的通信速率为5Kbps(10km),1Mbps(40m),节点数为110个，传输 介质为双绞线或光缆等。 （2）CAN采用点对点，一点对多点及全局广播等几种方式发送和接受数 据。 （3）CAN采用循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）及其他 检错措施，保证了极低的信息出错率。
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（3）应用层：定义了如何应用读、写、中断和操作信息及命令，同
时也对网络进行控制，统计失败和检测新加入或退出网络的装置。 应用层由访问子层FAS和报文规范FMS组成。FAS提供3类服务：发布/

索取、客户机/服务器和报文分发。FMS规定了访问应用进程AP和报
文的格式及服务。
其主要特性如下：
（1）物理层：传输介质采用有线电缆、光纤、无线通信和双绞线。通 过有线电缆传送信号定义了两种速率标准：H1和H2.H1为用于过程自动 化的低速总线，波特率为31.25kbit/s，传输距离200～1900m（取决于 传输介质），总线供电，提供本质安全型；H2为用于制造自动化的高速 总线，波特率为1.0(Mbit/s)/750m或2.5(Mbit/s)/500m。 （2）数据链路层：DLL低层（介质访问）功能有：基本设备不能主动发 起通信，智能接受查询；链路主设备在得到令牌时可以发起一次通信； 每个网段的链路主设备中有一个活动调节器，发起周期和非周期通信。 DLL高层数据传输功能：无连接数据传输，发行数据定向连接传输，请 求/响应数据定向连接传输 。
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第一节 现场总线技术
概述 CAN（控制器局域网络） LonWorks（局部操作网络） PROFIBUS（过程现场总线） HART（可寻址远程传感器数据通路） FF（现场总线基金会现场总线）

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现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域中计算机通信体系 最低层的低成本网络。根据国际电工委员会（IEC）的标准和现场 总线基金会（FF）的定义，“现场总线是连接智能现场设备和自 动化测试系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络”。现场 总线技术的基本内容包括：以串行通信方式取代传统的4～20mA 的模拟信号；一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点链 接支持低层的现场智能设备与高层的系统利用公用传输介质交换信 息；现场总线技术的核心是它的通信协议，这些协议必须根据国际 标准化组织ISO的计算机网络开放系统互连的OSI参考模型来制定。
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（4）Neuron芯片的编程语言为Neuron C，它是从ANSI C派生出来的。
（5）LonTalk协议提供5种基本类型的报文服务：确认、非确认、请 求/响应、重复、非确认重复。

（6）LonTalk协议的介质访问控制子层对CSMA作了改进，采用一种 新的称为Predictive P-Persistent的CSMA，根据总线负载随机调 整时间槽n(1～63)，在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负 载较重时使冲突的可能性最小化，从而使传输介质发挥它的最大传 输容量。
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虚拟仪器技术的开发和应用源于1986年美国的国家仪器公司 （National Instruments Corporation,简称NI）设计的LabVIEW， 它是一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，实现了
虚拟仪器的概念。NI公式认为，虚拟仪器技术就是利用高性能的模
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现场总线在智能现场设备、自动化系统之间提供一个全数字化的、 双向的、多节点的通信链接。现场总线的出现促进了现场检测系统 的数字化和网络化，并且使现场控制的可靠性高，稳定性好，抗干 扰能力强，通信速率快。一个传统的 4 ～20mA 控制回路通常只能 传输代表过程变量的一个信号。现场总线能够在传送多个过程变量 的同时，一并传送仪表的标识符和简单的诊断信息，具有监视与控 制能力强、可靠性与故障容限高、实时响应好和对环境要求低等优 点。数字信号的精确性是现场总线的另一优点，数字信息可排除模 拟信息传输和转换中所产生的误差。
（3）LonWorks的核心是Neuron（神经元）芯片（MC143150和MC143120）, 内含3个8位的CPU：第一个CPU为介质访问控制处理器，实现LonTalk协议的第 1层和第2层；第二个CPU为网络处理器，实现LonTalk协议的第3层和第6层；第 三个CPU为应用处理器，实现LonTalk协议的第7层，执行用户代码及用户代码 所调用的操作系统服务程序。

第二代数字化仪器。它是将模拟信号转换位数字信号，以数字形式输
出与显示最终结果。如数字万用表、数字频率计等。 第三代智能仪器。这种仪器内部设置微处理器，既可以进行自动检测，

又具有一定的数据处理能力，其功能模块是硬件与固化的软件形式存
在，对开发和应用不灵活。
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第四代虚拟仪器。是基于计算机的软硬件测试平台，在必要的数据
块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的 应用，并能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提 供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用 的需求。
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主要有如下特点：
（1）LonWorks通信速率为78Kbps(2700m)、1.25Mbps(130m),字节数是 32000个传输介质为双绞线、同轴电缆、光缆、电源线等。 （2）LonWorks采用LonTalk通信协议，该协议遵循国际标准化组织ISO 定义的开放系统互连OSI（Open System Interconnection）全部7层 模型。
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二、LonWorks(局部操作网络）

局部操作网络LonWorks是美国Echelon公司研制的，其设计成本低， 具有通信与操作功能，主要应用于工业自动化、机械设备控制，是 低层次工业网络最有希望的一种网络。LonWorks是集控制器和网络 通信处理器为一体的芯片Neuron的串行总线，它是一种对等网络。
采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部
功能。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面 和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。虚拟仪器完 全采用新的检测理念、新的仪器结构、新的检测方法和新的开发手
段，其先进技术十分复合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，
因而常被称做“软件仪器”。是电子测量技术与仪器领域中的一次 技术飞跃。
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五、FF（现场总线基金会现场总线）

现场总线基金会（Fieldbus Foundation,FF）是国际公认的唯一不附属 于某企业的公正的非商业化的国际标准化组织。其宗旨是制订统一的 现场总线国际标准，无需专利许可，可供任何人使用。它定义了网络 互连模型中的物理层、数据链路层、应用层和用户层。
主方式进化；并试图采用同一根传输电缆实现数据传送和向现场装 置供电。因此，现场总线标准的统一式必然的。
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第二节 虚拟仪器
虚拟仪器的发展与特点 虚拟仪器的结构组成

随着计算机技术的不断发展，自动化测试仪器系统开始向计算机化 的方向发展。虚拟仪器（Virtual Instrument ,VI）就是其中最具 有代表性的一种。它是现代计算机技术、仪器技术及其他新技术完 美结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。虚拟 仪器技术的提出与发展，标志着21世纪自动检测与电子测量仪器技 术发展的一个重要方向。
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（4）CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术。当两个节点同时向网 络发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，优先级高的节 点可不受影响地继续发送信息。因此，按节点类型分成不同的优先 级字节数为8个，可以满足不同的实时要求。 （5）CAN可实现全分布式多机系统，且无主、从机之分，每个节点 均可主动发送报文，用此特点可以方便地构成多机备份系统。 （6）CAN节点具有自动关闭功能，当节点错误严重时，则自动切断 与总线的联系，这样不影响总线的正常工作。 （7）CAN支持四类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。它 采用短帧结构，每帧有效字节数为8个。这样，传输时间短，受干扰 的概率低，具有较好的检错结果。 （8）CAN采用多主竞争式结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行 总线和广播通信特点。信道访问方式为带优先级的CAMA/CD技术。采 用位填充的不归零制信号编码方式，其数据传输速率为1Mbit/s，最 大传输距离为1000m。以位仲裁方式（11位标示码）确定数据块的优 先级。