现场总线

第一章现场总线概述
一、现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智
能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。

二、IEC对现场总线的定义：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实行双向、串行、多节点数字通信的技术。

它不仅是一个基层
网络，而且还是一种开放式，新型全分布式的控制系统。

三、经历了几代控制系统第一代控制系统：以20世纪50年代前的气动信号控制系统PCS
为主；
第二代控制系统：把4～20mA等电动模拟信号控制系统；
第三代控制系统：把数字计算机集中式控制系统称为第三代;
第四代控制系统：把70年代中期以来的集散式控制系统DCS(Distributed Control System)称作第四代。

四、现场总线的本质含义主要表现在以下6个方面：
1、现场通信网络：用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络
2、现场设备互连：现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互联，传输线可以使用双绞线、同轴电缆。

光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。

3、互操作性，
4、分散功能块，
5、通信线供电，
6、开放式互联网络。

五、现场总线的特点与优点：
1，结构特点：
现场总线控制系统（FCS）打破了传统控制系统的（DCS）的结构形式。

FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号；DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。

1），系统的开放性；2），互可操作性与互用性；3），现场设备的智能化与功能自治性；4），系统结构的高度分散性；5），对现场环境的适应性。

3，优点：1）节省硬件数量与投资；2）节省安装费用；3）节约维护开销；4）用户具有高度的系统集成主动权；5）提高了系统的准确性与可靠性。

六、基金会现场总线(FF)，CAN，DeviceNet，LonWorks，PROFIBUS，HART，INTERBUS，CC-Link，ControlNet，WorldFIP，P-Net，SwiftNet．
第二章数据通信系统与网络互联
一、总线的基本术语：
1，总线与总线段。

从广义来说，总线就是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。

一组设备通过总线连在一起成为“总线段”。

2，总线主设备。

可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”。

3，总线从设备。

不能在总线上发起通信，只能挂接在总线上，对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备，也称基本设备。

4，控制信号。

总线上的控制信号通常有三种类型：一类控制连在总线上的设备，让它进行所规定的操作，如设备清零、初始化、启动和停止等；一类用于改变总线操作的方式，如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等；还有一些控制信号表明地址和数据的含义，如对于地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现了广播动作，对于数据，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。

5，总线协议。

管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”。

二、总线仲裁：总线在传送信息的操作过程中有可能会发生“冲突”。

为解决这种冲突，就需进行总线占有权的“仲裁”。

总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。

三、总线定时：总线操作用“定时”信号进行同步。

定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的。

四、通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。

它一般由信息源和信息接收者，发送设备，接收设备，传输介质几部分组成。

1、2、发送设备的基本功能是将信源和传输介质匹配起来，即将信源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输介质。

接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。

它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。

五、通信系统的信道编码和信源编码的作用是什么？
信源编码是把连续消息变换为数字信号；而信道编码则使数字信号与传输介质相匹配，提高传输的可靠性或有效性。

六、数据编码
是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。

分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0,1状态的，称为模拟数据编码；用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0,1状态的，称为数字数据编码。

常用码型有：单极性码、双极性码、归零（RZ）码、非归零（NRZ）码、差分码、曼彻斯特编码（Manchester）、模拟数据编码等。

单极性码：信号电平是单极性的，如逻辑1用高电平，逻辑0用零电平的信号表达方式。

双极性码：信号电平是正、负两种极性的。

如逻辑1用正电平，逻辑0用负电平的信号表达方式。

归零码：在每一位二进制的信息传之后均返回到零电平的编码。

如逻辑1只在该码元时间中的某段维持高电平后就恢复到低电平。

非归零码：在整个码元时间内维持有效电平。

差分码：差分码利用前后码元电平的相对极性来传送信息，是一种相对码。

差分码分为“0”差分码和“1”差分码两种码型。

“0”差分码是利用相邻前后码元电平极性改变来表示“0”，不变表示“1”。

“1”差分码则与“0”差分码的规定相反。

七、通信系统的性能指标：有效性和可靠性。

有效性是指所传输信息的内容有多少；而可靠性是指接受信息的可靠程度。

八、数据传输速率是单位时间内传送的数据量。

传输速率：Sb=1/Tlbn (T为发送一位代码所需的最小单位时间，n为信号的有效状态)
比特是数据信号的最小单位。

通信系统每秒传输数据的二进制位数被定义为比特率，记作bit/s。

波特是指信号大小方向变化的一个波形。

把每秒传输信号的个数，即每秒传输信号波形的变化次数定义为波特率，单位为波特（baud）。

每个信号可包含一个或多个二进制位。

例：若单比特信号的传输速率为9600bit/s，则其波特率为9600baud；若信号波形由两个二进制位组成，则其波特率为4800baud。

九、对于数字通信系统的可靠性指标主要用误码率Pe来衡量。

误码率的定义的接收端收到的错误码元数在发送端发出总码元数中所占的比例。

Pe≈Ne/N（Ne为被传输错的码元数，N 为传输的二进制码元总数。

）
十、局域网拓扑结构：星形拓扑，环形拓扑，总线拓扑，网状拓扑和树形拓扑。

十一、网络传输介质
定义：传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传输信息的载体。

常用的传输介质：电话线，同轴电缆，双绞线，光导纤维，无线和卫星通信。

传输介质的主要特性：物理特性，传输特性，连通特性，地理范围，抗干扰性。

1、双绞线
（1）物理特性：它由按规则螺旋结构排列的2根或4根绝缘线组成。

（2）传输特性：可以通过使用频分多路复用技术进行多路复用。

使用双绞线或调制解调器传输模拟数据信号时，数据传输速率可达9600bps，24条音频通道总的传输速率可达
230kbps。

（3）连通性：可以用于点-点连接和多点连接
（4）地理范围：在10Mbps局域网中，与集线器之间大最大距离100m
（5）抗干扰性：取决于相邻线对的扭曲长度和适当的屏蔽。

低频时抗干扰能力相当于同轴电缆
2、同轴电缆
（1）物理特性：它由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外部保护层组成。

（2）传输特性：分为基带和宽带同轴电缆。

基带同轴电缆一般仅用于数字数据信号，宽带同轴电缆可以使用频分多路复用方法划分成多条通信通道。

特征阻抗分为50欧的以太网电缆(传输速率10Mbps)和75欧的CATV电缆(带宽达400MHz)。

（3）连通性：可以用于点-点连接和多点连接；
（4）地理范围：基带电缆最大几公里，宽带同轴电缆最大几十公里；
（5）抗干扰性：高于双绞线。

十二、介质访问控制方式：1，CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）
2，令牌（标记）访问控制模式
十三、局域网（LAN），是处于同一建筑、同一大学或方圆几公里远地域内的专用网络。

城域网（MAN），基本上是一种大型的LAN，通常使用和LAN相似的技术。

它可能覆盖一组附近的公司办公室和一个城市，既可能是私有的也可能是公用的。

广域网（WAN），是一种跨越大的地域的网络，通常包含一个国家或州。

无线网
互联网，互联的网络集合就称为互联网，常见的互联网是通过WAN连接起来的LAN集合。

十四、网络互联设备的作用：
在物理层使用中继器，通过复制位信号延伸网段长度；
在数据链路层使用网桥，在局域网之间存储或转发数据帧；
在网络层使用路由器，在不同网络间存储转发分组信号；
在传输层级传输层以上使用网管，进行协议转换，提供更高层次的接口。

十五、OSI参考模型：1~7层分别为，物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。

（作用看一下书58页）
第三章串行通信接口技术
一、数据格式
字符帧由四部分组成，分别是起始位、数据位、奇偶校验位、停止位。

通信数据格式
字符帧说明
1 起始位：位于字符帧的开头，只占一位，始终位逻辑低电平，表示发送端开始发送一帧数据。

2 数据位：紧跟起始位后，可取5、6、7、8位，低位在前，高位在后。

3 奇偶校验位：占一位，用于对字符传送作正确性检查，因此奇偶校验位是可选择的，共有三种可能，即奇偶校验、偶校验和无校验，由用户根据需要选定。

4 停止位：末尾，为逻辑“1”高电平，可取1、1.5、2位，表示一帧字符传送完毕。

异步串行通信的字符帧可以是连续的，也可以是断续的。

连续的异步串行通信，是在一个字符格式的停止位之后立即发送下一个字符的起始位，开始一个新的字符的传送，即帧与帧之间是连续的。

而断续的异步串行通信，则是在一帧结束之后不一定接着传送下一个字符，不传送时维持数据线的高电平状态，使数据线处于空闲。

其后，新的字符传送可在任何时候开始，并不要求整倍数的位时间。

二、连接握手
连接握手过程是指发送者在发送一个数据块之前使用一个特定的握手信号来引起接收者的注意。

连接握手可通过软件或硬件实现。

三、确认：接收者为表明数据已经接收到而向发送者确认回复信息的过程，称为确认。

四、中断：向cpu发出一个信号，通知cpu需要立即响应任务。

五、轮询：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。

六、差错校验
1.冗余数据校验
发送者对每条报文发送两次或两次以上，并由接收者根据接收到的数据信息的一致性判断通信的有效性。

2.奇偶校验
奇校验：添加奇数个零---填写校验位
偶校验：添加偶数个零---填写校验位
3. 校验和
对一条报文中的所有字节进行数学或逻辑运算，计算出校验和，将校验和形成的差错检验字节作为该报文的组成部分。

典型方法：将报文中所有字节的值相加，用结果的最低字节作为校验和。

CRC循环冗余校验也是串行通信中常用的检验方法。

七、串行总线标准——RS-232C
RS-232C电气规格：
数字信号电平：0 +3~+15V 1 -5~-15V；
控制信号电平：0 +3~+15V 1 -5~-15V；
在计算机系统中， RS-232C与TTL电平不兼容，要实现与TTL电路的连接必须进行信号转换。

常用芯片有1488（发送），1489（接收）、MAXIM232、ILC232。

（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL 电路连接。

（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps ；
（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱
（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。

八、串行总线标准RS －485
1：电气标准（+5V 供电）
逻辑“0”：差分电压-2500mv — -200mv
逻辑“1”：差分电压+2500mv — +200mv
高阻状态：差分电压-200mv —+200mv
2：RS-485的数据最高传输速率为10Mbps
3：RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。

九、RS485 收发器
管脚1：RO —接收端
管脚2：/RE —接收使能，低有效
管脚3：DE —发送使能，高有效
管脚4：DI ——发送端
管脚5：GND
管脚6： A ——差分正输入端
管脚7：B ——差分负输入端
管脚8：+5V
TTL
十、位于总线两端的差分端口之间应跨接120Ω匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声，有效地抑制了噪声干扰。

但匹配电阻要消耗较大电流，不适用于功耗限制严格的系统
十一、Modbus网络上转输
控制器通信使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。

其他设备（从设备）根据设备查询提供的数据作出响应。

典型的主设备有：主机和可编程仪表。

典型的从设备：可编程控制器。

十二、ASCII模式
当控制器设为在ModBus网络上以ASCII模式通信，在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。

这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。

代码系统
十六进制，ASCII字符0...9，A...F
消息中的每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成 .
每个字节的位
▪• 1个起始位
▪• 7个数据位，最小的有效位先发送
▪• 1个奇偶校验位，无校验则无
▪• 1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）
错误检测域
• LRC(纵向冗长检测)
十三、RTU模式
▪当控制器设为在Modbus网络上以RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。

这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。

▪代码系统
▪ 8位二进制，十六进制数0...9，A...F
▪消息中的每个8位域都是一个两个十六进制字符组成
每个字节的位
▪1个起始位
▪8个数据位，最小的有效位先发送
▪1个奇偶校验位，无校验则无
▪1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）
错误检测域
• CRC(循环冗长检测)
第四章 CAN
一、CAN规范概述
CAN总线为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布式实时控制。

CAN总线的技术规范目的：为了在任何两个CAN协议仪器之间建立兼容性，如电气特性
和数据转换等。

为了达到设计透明度以及实现柔韧性，CAN被细分为以下不同的层次： CAN 对象层；CAN传输层；CAN物理层。

依据OSI模型的CAN的分层结构
CAN对象层和传输层包括所有由ISO/OSI模型定义的数据链路层的服务和功能。

对象层的作用范围包括：查找被发生的报文；确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文
二、位数值表示和通信距离
显性位
隐性位隐性位
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”。

三、数据帧
由7个不同的场组成。

(1) 帧起始(2) 仲裁场(3) 控制场(4) 数据场(5) CRC场(6) 答应场（ACK）(7) 帧结束。

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
思考：CAN2.0A与CAN2.0B的区别和联系
四、CAN总线器件
CAN作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本低廉的远程网络通信控制方式，已广泛应用于汽车电子、电力系统、楼宇自控、安防监控、自动控制、机电一体化、医疗仪器等自动化领域。

五、思考：CAN BUS器件的功能和作用。

答：1、CAN通信控制器，CAN 总线嵌入系统的开发主要以Philips 开发的CAN 总线芯片SJA1000 为研究内容.
CAN控制器的作用：（1）完成CAN规范所规定的物理层和数据链路层大部分功能。

（2）有微处理器接口，易于连接单片机。

（3）结构分两种类型，独立IC或与单片机集成在一起，SJA1000属于前者。

（4）属于后者的有：PHILIPS的87C591、LPC2119，西门子的C167C，INTEL的80C196CA等.（5）都遵循CAN2.0规范，掌握其中一种就可触类旁通。

功能：SJA1000 有一系列先进的功能适合于多种应用，特别在系统优化、诊断和维护方面非常重要。

2、CAN收发器PCA82C250/ PCA82C251:
▪符合ISO11898标准，最高速率1Mbps；
▪抗汽车环境瞬间干扰，具有保护总线能力；
▪斜率控制，降低射频干扰RFI；
▪热保护以及电源和地短路保护；
▪低电流待机模式；
▪未上电的节点对总线无影响；
▪可连接110个节点；
▪工作温度-40～+125℃。

产品分类
六、控制器不能直接连在单片机上？
PC机是无法直接接入CAN的，必须用单片机转换为232或者USB才行的。

做一个CAN 转232或者USB转换器即可。

七、CAN控制器SJA1000
第五章LonWorks
1、LonWorks是美国Echelon公司1992年推出的局部操作网络
2、LonTalk协议支持OSI的所有七层模型，这是LonWorks总线的最突出特点。

3、LonTalk协议通过神经元芯片上的硬件和固件实现提供介质存取、事物确认和点对点
通信服务；还有一些如认证、优先级传输、单一/广播/组播消息发送等高级服务。

4、LonWorks技术核心元件：Neuron芯片内部装有3个8位CPU和34种I/O对象及定时器/计数器，另外还有RAM、ROM、EEPROM、LonTalk通信协议等。

5、LONWORKS技术的核心元件-NEURON芯片。

主要有两大系列：3120和3150。

（P208-214）
8、神经芯片I/O时序既相互独立，又受结构重叠的3个部分的影响：调度器、I/O功能
模块固件和芯片硬件。

9、直接I/O对象主要包括bit（位）I/O对象、leveldetect（电平）检测输入对象和nibble （半字节）I/O对象。

10、Io—in（）函数返回值的数据类型为unsigned int；对于位输出，输出值被作为布尔类型，所以任何非零值均被当做1.
11、Neuron c是专门为Neuron芯片设计的编程语言。

它是从ANSI C中派生出来的，并对ANSI C的扩展直接支持Neuron芯片的固件，使之成为开发LON WORKS应用的强有力工具。

12、Neuron芯片有三个CPU ，分别有各自分工。

（1）介质访问控制处理器：实现LONTALK协议的第1和第2层，这包括驱动通信子系统硬件和介质访问控制(MAC)算法。

（2）网络处理器：实现LONTALK协议的第3到第6层，包括处理网络变量、寻址、事务处理、权限证实、背景诊断、软件计时器、网络管理和路由等。

（3）应用处理器：执行用户编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令。

13、LonWorks智能节点
•Neuron芯片：包括一套完整的LONTALK通信协议，可以传输传感器检测值或控制设备的状态、执行控制算法、和其他Neuron芯片进行数据交换等。

•收发器：网络总线中传递过来的数据转换成芯片所能接收的数据格式，可连接双绞线、同轴电缆、光纤及电力线等多种媒介。

•I/O执行机构：输入执行机构完成对实际控制参数的采集和变换，输出控制机构将芯片处理后的数据变换成为实际控制量来驱动控制设备
6、网络通信端口可将5个通信端口引脚配置为三种不同的接口模式：单端模式、差分模式和专用模式。

单端模式：在LON总线中使用最广泛的一种模式，无线、红外、光纤和同轴电缆都使用该模式。

（接图）
专用模式：在一些专用场合，需要神经片直接提供没有编码和不加同步头的原始报文。

在这种情况下，需要一个智能的收发器处理从网络上或从神经元芯片上来的数据。

发送的过程是：从神经元芯片接收到这种原始报文，重新编码，并插入同步头；接收的过程是：从网络收到数据，去掉同步头，重新编码，然后送到神经元芯片。

7、收发器分别有双绞线收发器和PLT-22电力收发器。