第七章 分散型测控网络技术.ppt

沈阳建筑大学信息与控制工程学院马斌,,计算机控制技术,第7章网络集成式分散控制系统,7.1数据通信技术7.2工业网络技术7.3现场总线控制系统,7.1数据通信技术,7.1.1异步传送与同步传送7.1.2面向字符与面向位的传送7.1.3平衡与不平衡传输技术7.1.4RS-422/RS-485接口及应用,数据编码技术,1.不归零码NRZ2.归零码RZ3.归零码RZ曼彻斯特Manchester编码4.曼彻斯特Manchester编码的改进形式差动曼彻斯特Manchester编码,7.1.1异步传送与同步传送,1．异步传送,2．同步传送,7.1.2面向字符与面向位的传送,1．面向字符的传送,异步传送是面向字符的。,2．面向位的传送,7.1.3平衡与不平衡传输技术,数据传输的线路通常有两种方式，即平衡方式和不平衡方式。不平衡方式是用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器是用单线输入信号的；平衡方式是用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，接收器是用双端差动方式输入信号的。在不平衡方式中，信号线上所感应到的干扰和地线上的干扰将迭加后影响到接收信号；平衡方式中，双绞线上所感应的干扰相互抵消，地线上的干扰又不影响接收端。因此平衡传输方式在抗干扰方面有较良好的性能，并适合较远距离的数据传输。差分接收器可以区分0．20V以上的电位差，因此，可不受对地参考系统之地电位的波动和共模电路电磁干扰的影响。,不平衡传输方式RS-232C标准介绍RS-232C接口电路RS-232C的传输特性数据的传输速率局限于20Kbps；传输距离局限于15米；该标准没有规定连接器，产生25插针、9插针等设计方案；每个信号只有一根导线，两个传输方向只有一个信号地线；接口使用不平衡的发送器和接收器，可能在各信号间产生干扰。,平衡传输方式RS-422A标准介绍RS-422A接口电路,RS-422A的传输特性支持较高的数据传输速率；支持较远的传输距离；制定连接器的技术规范；通过提供平衡电路改进接口电器特性。,7.1.4RS422／RS485接口及应用,1.两点通讯连接方式422两对平衡差分电路，全双工传输电路485422的变形，一对平衡差分电路，半双工通讯，发送电路必须由使能信号控制。,2.组成互连系统RS485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。用RS485可以联网构成分布式系统。RS422A和RS485的驱动／接收电路没有多大区别，在许多情况下，RS422A可以和RS485互连。RS485标准允许最多并联32台驱动器和32台接收器。,3.RS-232C/422A接口转换,7.2工业网络技术,7.2.1工业网络概述7.2.2网络协议及其层次结构7.2.4工业网络的性能评价和选型,邮电通讯网络的目的是信息的传输；局域网络的主要目的是实现资源共享和处理信息；工业网络技术最终的目的是导致了物质或能量的运动。本节主要介绍工业网络技术、网络协议及标准、工业网络的选型等内容。,7.2.1工业网络概述,1．网络拓扑结构网络中互连的点称为结点或站，结点间的物理连接结构称为拓扑，采用拓扑学来研究结点和结点间连线称链路的几何排列。局部网络通常有四种拓扑结构星形、环形、总线形和树形。,（1）星形结构,结构中心结点是主结点，它接受各分散结点的信息再转发给相应结点，具有中继交换和数据处理功能。工作过程当某一结点想要传输数据时，它首先向中心结点发送一个请求，以便同另一个目的结点建立连接。一旦两个结点建立了连接，则在这两点间就象是一条专用线路连接起来一样，进行数据传输。特点①网络结构简单，便于控制和管理，建网容易；②网络延迟时间短，传输错误率较低；③网络可靠性较低，一旦中央结点出现故障将导致全网瘫痪；④网络资源大部分在外围点上，相互结点必须经过中央结点才能转发信息；⑤通讯电路都是专用线路，利用率不高，故网络成本较高。,（2）环形结构,结构各结点通过环接口连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环网中，数据按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一结点。工作过程一个结点按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一个结点，当传送信息的目的地值与环上的某结点的地址相等时，信息才被该结点的环接口接收，否则，继续向下传送。特点①信息流在网络中是沿固定的方向流动，故两个结点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制；②环路中每个结点的收发信息均由环接口控制，控制软件较简单；③环路中，当某结点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性；④环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制。应用环形网络结构较适合于信息处理和自动化系统中使用，是微机局部网络中常用的结构之一。特别是IBM公司推出令牌环网之后，环形网络结构就被越来越多的人所采用。,（3）总线形结构,结构个结点经其接口，通过一条或几条通讯线路与公共总线连接。其任何结点的信息都可以沿着总线传输，并且能被任一结点接收。由于信息传输方向是从发送结点向两端扩散，因此又称为广播式网络。总线形网络的接口内具有发送器和接收器。接收器接收总线上的串行信息，并将其转换为并行信息送到结点；发送器则将并行信息转换成串行信息广播发送到总线上。当在总线上发送的信息目的地址与某一结点的接口地址相符时，传送的信息就被该结点接收。由于一条公共总线具有一定的负载能力，因此总线长度有限，其所能连接的结点数也有限。,特点①结构简单灵活，扩展方便；②可靠性高，网络响应速度快；③共享资源能力强，便于广播式工作；④设备少，价格低，安装和使用方便；⑤由于所有结点共用一条总线，因此总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合。应用总线形结构是目前使用最广泛的结构，也是一种最传统的主流网络结构，该种结构最适于信息管理系统、办公室自动化系统、教学系统等领域的应用。,（4）树形结构,结构分层结构，适用于分级管理和控制系统。特点①通讯线路总长度较短，连网成本低，易于扩展，但结构较星形复杂；②网络中除叶结点外，任一结点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。,网络的传输介质就是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有电话线，同轴电缆，双绞线，光导纤维电缆，无线与卫星通信。对于传输介质，包括以下特性物理特性，传输特性，连通特性，地理范围，抗干扰性和相对价格。介质访问控制各结点通过公共通道传输信息，因此存在如何合理分配信道的问题（既充分利用信道的空间和时间，又防止发生各信息间的互相冲突）。访问控制方式的功能就是合理解决信道的分配。微机局部网络常用的传输访问控制方式有三种，即冲突检测的载波侦听多路访问CSMA／CD；令牌环TokenRing；令牌总线TokenBus。三种方式都得到IEEE802委员会的认可，成为国际标准。,2．介质访问控制技术,冲突检测的载波侦听多路访问CSMA／CD,1）又称为随机访问技术或争用技术适用于总线形和树形网络结构工作原理当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。确定等待时间的方法①当某结点检测到信道被占用后，继续检测，发现空闲，立即发送；②当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，直到信到空闲，开始发送。冲突的解决方法由于传输线上不可避免的有时间的延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。因此，当结点开始发送信息时，该结点继续对网络检测一段时间，且把收到的信息和自己发送的信息进行比较，若相同，则发送正常进行；若不同，说明由其它结点发送信息，引起混乱，应立即停止，等待一个随机时间，在重复上述过程。,结论CSMA／CD方式原理较简单，且技术上较易实现。网络中各结点处于同等地位，无需集中控制，但不能提供优先级控制，所有结点都有平等竞争的能力，在网络负载不重情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发送信息的等待时间加长，效率显著降低。,由于CSMA的访问存在发报冲突问题，而产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决这种由于“随机”而产生的冲突问题，可采用有控制的发报方式。下面，介绍一种有控制的发报方式令牌发送技术,令牌环全称为令牌通行环TokenPassingRing，适用于环形网络结构。令牌是控制标志，网中只设一张令牌，并依次沿各结点传送。令牌的两个状态“空”状态表示令牌没有被占用，当其传至正待发送信息的结点时，该结点立即发送，并置令牌为“忙”状态。“忙”状态表示令牌被占用，即令牌正在携带信息发送，当所发信息环绕一周，由发送结点将“忙”令牌置为“空”令牌。工作过程令牌依次沿每个结点传送，使每个结点都有平等发送信息的机会。当一个结点占令牌期间其它结点只能处于接收状态。当所发信息绕环一周，并由发送结点清除，“忙”令牌又被置为“空”状态，绕环传送令牌。当下一结点要发送信息时，则下一结点便得到这一令牌，并可发送信息。令牌环的特点能提供可调整的访问控制方法；能提供优先权服务；有较强的实时性；需对令牌进行维护，令牌丢失降低环路利用率；控制电路复杂。,（2）令牌环TokenRing,（3）令牌总线TokenBus,将令牌访问原理应用于总线网，构成令牌总线方式。原理这种方式和CSMA/CD方式一样，采用总线网络拓扑，但不同的是在网上个工作站按一定的顺序形成一个逻辑环。每个工作站在环中均有一个指定的逻辑位置，末站的后站就是首战，即首尾相连。每站都有先行站和后继站的地址，总线上各站的物理地址和逻辑位置无关。工作过程当各站都没有帧发送时，令牌的形式为01111111，成为空标记。当一个站要发送帧时，需要等待空标记通过，然后将它改为忙标志，即01111110。紧跟着忙标记，该站把数据帧发送到环上。由于标记是忙状态，所以其他站不能发送帧，必须等待。接收帧的过程是这样的，当帧通过站时，该站将帧的目的地址和本站的地址相比较，如地址不符合，则不接收数据，同时将帧送入环上。如果符合，则将帧放入接收缓冲器，在输入到站内，同时将帧送回到环上。发送的帧在环上循环一周后再回到发送站，将该帧从环上移去，同时将标记改为空闲标记。,不同于令牌环的是，在令牌总线中，信息可以双向传送、任何结点都能“听到”其它结点发出的信息。为此，结点发送的信息中要有指出下一个要控制的结点的地址。由于只有获得令牌的结点才可发送信息此时其它结点只收不发，因此该方式不要检测冲突就可以避免冲突。特点1.网络必须要有初始化功能，即能够产生一个顺序访问的次序。这就是一个争用的过程，争用的结果是只有一个站能够获得标记，并产生次序。2.当网络中的标志丢失或者产生多个标记时，必须有故障恢复功能。3.必须有消除不活动结点或者添加新的结点的功能。4.吞吐能力大，吞吐量随数据传输速率的提高而增加；5.控制功能不随电缆长度的增加而减弱；6.不需冲突检测；,3.信息交换技术,为了提高计算机通信网的通信设备和线路的利用率，有必要研究通信网络上信息交换技术。即如何控制信息传输，才能提高通信效率。在计算机网络中，通信的基本交换方式分为两类线路交换和存储转发交换。存储转发交换中，包括报文存储转发交换和报文分组存储转发交换。报文分组交换技术在实际应用中又分为两类数据报（DG,datagram）方式和虚电路（VC,virtualcircuit）方式。（1）线路交换（2）存储转发交换,交换原理通过网络中的结点在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送，传送结束再“拆除”线路。交换过程建立线路如果主机A要向主机B传输数据，那么首先要通过网络在A与B之间建立线路连接，A首先发送“连接请求包”。“连接请求包”内含有需要建立线路接的源地址与目的地址。工作过程如图7.16所示。当B接受A的呼叫请求，则通过已经建立好的物理线路向A发送“连接应答包”。建立专用线路连接完成。传送数据建立好物理连接后，A与B就可以通过该连接，实时、双向交换报文（或报文分组）。拆除线路传输完成以后，进入线路释放阶段。一般由A向B发出“释放请求包”；B同意结束传输、释放线路后，向它的上一个结点发出“释放应答包”，依次释放。,（1）线路交换,特点结点是电子或机电结合的交换设备，完成输入线路与输出线路的物理连接。交换设备和线路分模拟和数字通信两类。线路连接过程完成后，在两台主机之间建立起直接的物理连接线路，为此次通信专用。结点交换设备不存储数据，不能改变数据内容，不具备差错控制能力。优点通信实时性强，适用于交互式通信。缺点对突发性通信不适应，系统效率低；系统不具备存储数据的能力，也不具备差错控制能力。,（2）存储转发交换,工作原理（存储转发）报文交换不需要在两个站之间建立专用线路，而是把要发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按一定格式组成一个数据单元，即报文或报文分组；通信站点的通信控制处理器要完成数据单元的接收、差错检验、存储、路选和转发功能。下一个结点接收上个结点发来的整个报文，存储下来，根据目的选择下一转发结点，直到目的站。特点线路利用率高，多个报文分时共享一条结点到结点的线路。报文要在结点排队等待，延长报文到达目的时间。,存储转发交换中，包括报文存储转发交换和报文分组存储转发交换。如果在发送数据时，可以不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元，在发送的数据上加上目的地址，源地址和控制信息，按一定的格式打包后组成一个报文，称为报文存储转发交换。而报文分组交换技术是限制数据的最大长度（典型的最大长度是一千或几千比特），在发送站将一个报文分成多个报文分组，在接收站再将多个报文分组按照顺序重新组织成为一个新的报文。在实际应用中，报文分组交换又分为两类数据报（DG,datagram）方式和虚电路（VC,virtualcircuit）方式。,分组交换,数据报分组交换类似于报文交换，各个分组独立传送，选择路径，到目的站后在组装。虚电路分组交换在发送分组织之前，要在源、目的之间建立一条逻辑线路，不同于电路交换，分组仍要存储转发，即建立一条虚电路。虚电路中的每个结点都有虚线路表，以便记录下一个结点。各个分组沿虚电路传送到目的站，因此在传送之前只需做一次路径选择。这样就将数据报方式与线路交换方式结合起来。特点数据报适用于发送一个或几个报文分组。虚电路方法适用于两个站点希望在一段连续的时间内交换数据。,4．差错控制技术,在通信线路上传输信息时，往往由于各种干扰，使接收端收到信息出现错误。提高传输质量的方法有两种第一种方法是改善信道的电性能，使误码率降低；第二种方法是接收端检验出错误后，自动纠正错误，或让发送端重新发送，直至接收到正确的信息为止。通常把第一种方法称为差错控制技术。差错控制技术包括检验错误和纠正错误，下面两种检验方法奇偶校验和循环冗余校验和三种纠错方式重发纠错、自动纠错和混合纠错。,（1）奇偶校验,校验原理一个字符校验一次，在每个字符的最高位附加一个奇偶校验位。适用范围每帧只传送一个字节数据的异步通讯方式。,（2）循环冗余校验CRC校验,校验原理发送端首先发送信息位，与此同时，CRC校验位生成器用信息位除以多项式Gx，信息违发完后，CRC校验位就生成，并紧接其后发送校验位。接收端在接收信息位同时，校验器用接收的信息位除以同一个生成多项式，当信息位接收完后，对接收的CRC校验位也进行计算，当两个字节的校验位接收完，如果除法的余数为0，则认为传输正确；否则，传输错误。适用范围每帧由多个字节组成的同步方式。,（3）纠错方式,重发纠错方式发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收端根据该码的编码规则，判断有无错误，并把错误结果反馈给发送端。如果发送错，则再次发送，直到接收端认为正确为止。自动纠错方式发送端发送能够纠错的信息码，而不仅仅时检错的信息码。接收端收到该码后，通过译码不仅能自动发现错误，而且能自动地纠错。传输效率低，译码设备复杂。混合纠错方式上述两种混合。发送端发送的信息码不仅能发现错误，而且还由一定的纠错能力。接收端收到该码后，如果错误位数在纠错能力以内，则自动纠错，如果错误过多，则要求重发。,7.2.2网络协议及其层次结构,在计算机网络中各终端用户之间，用户与资源之间或资源与资源之间的对话与合作必须按照预先规定的协议进行；分层设计方法与接口；,为了实现计算机系统之间的互连，1977年国际标准化组织ISO提出了开放系统互连参考模型OSIOpenSystemInterconnection／ReferenceModel。这个网络层次结构模型规定了七个功能层，每层都使用它自己的协议。“开放”这个词是指一个系统若符合这些国际标准的话，它将对世界上遵守同样标准的所有系统开放。OSI层次结构如图所示。,1.物理层物理层并不是物理媒体本身，它只是对通讯双方的机械、电气、连接规程进行规定。功能在信道上传输未经处理的信息。连接两个物理设备，为链路层提供透明位流传输所必须遵循的规则，有时也被称为物理接口。物理层的协议主要提供在DTE数据终端设备和DCE数据通信设备之间的接口。协议RS-232C、RS-422A、RS-423A、RS-485等均为物理层协议。2.数据链路层功能将有差错的物理链路改造成对于网络层来说是无差错的传输链路。具体内容将数据组成数据帧，并在接收端检验传输的正确性。协议同步数据链路控制SDLC、高级数据链路控制HDLC以及异步串行数据链协议都属于此范围。,3.网络层网络层是OSI七层协议模型中的第三层，它是主机与通信网络的接口。网络层也称分组层，它的任务是使网络中传输分组。它以链路层提供的无差错传输为基础，向高层（传输层）提供两个主机之间的数据传输服务。网络层规定了分组第三层的信息单位在网络中是如何传输的。具体内容网络层控制网络上信息的切换和路由选择。因此，本层要为数据从源点到终点建立物理和逻辑的连接。功能控制信息交换、路由选择与中继、网络流量控制、网络的连接与管理等。协议X.25协议、IP协议。,4.传送（传输）层传送层是一真正的源目的或端端层。即在源计算机上的程序与目的机上的类似程序使报头和控制报文进行对话。功能从会话层接收数据，把它们传到网络层并保证这些数据全部正确地到达另一端。具体内容在源主机与目的主机进程之间提供可靠的端端通信，确保能够控制端到端的数据完整性。协议TCP协议5.会话层用户即两个表示层进程之间的连接称为会话。为了建立会话，用户必须提供希望连接的远程地址会话地址，会话双方首先需要彼此确认，以证明它有权从事会话和接收数据，然后两端必须同意在该会话中的各种选择项例如半双工或全双工的确定，在这以后开始数据传输。功能控制建立或结束一个通信会话的进程。具体内容检查并决定一个正常的通信是否正在发生。如果没有发生，这一层在不丢失数据的情况下恢复会话，或根据规定，在会话不能正常发生的情况下终止会话。,6.表示层要解决的问题如何描述数据结构并使之与机器无关。功能通过一些编码规则定义在通信中传送这些信息所需要的传送语法，实现不同信息格式和编码之间的转换。表示层提供两类服务相互通信的应用进程间交换信息的表示方法与表示连接服务。具体内容常用的转换有正文压缩、提供加密、解密；文件格式的转换；输入输出格式的转换。,7.应用层应用层是OSI模型的最高层，实现的功能分两大部份，即用户应用进程和系统应用管理进程。系统应用管理进程管理系统资源，如优化分配系统资源和控制资源的使用等。由管理进程向系统各层发出下列要求请求诊断，提交运行报告，收集统计资料和修改控制等。功能规定在不同应用情况下所允许的报文集合和对每个报文所采取的动作。具体内容这一层负责与其它高级功能的通信，如分布式数据库和文件传输。这一层解决了数据传输完整性的问题或与发送／接收设备的速度不匹配的问题。,7．2．3IEEE802标准,电气与电子工程师协会IEEEIEEE802课题组成立于1980年2月IEEEStandardsProject802，于1981年底提出了IEEE802局域网标准，重要的是对数据链路层又划分出两个子层。IEEE802标准将数据链路层分为逻辑链路控制子层LLC和介质访问存取控制子层MAC。逻辑链路控制子层主要提供寻址、排序、差错控制等功能。MAC主要提供传输介质和访问控制方式。IEEE802为局部网络制定的标准，包括以下内容IEEE802.1系统结构和网络互连；IEEE802.2逻辑链路控制；IEEE802.3CSMA／CD总线访问方法和物理层技术规范；IEEE802.4TokenPassingBus访问方法和物理层技术规范；IEEE802.5TokenPassingRing访问方法和物理层技术规范；IEEE802.6城市网络访问方法和物理层技术规范；IEEE802.7为宽带网络标准；IEEE802.8为光纤网络标准；IEEE802.9为集成声音数据网络。,物理信号层PS完成数据的封装／拆装、数据的发送／接收管理等功能，并通过介质存取部件也称收发器收发数据信号。介质存取控制层MAC支持介质存取，并为逻辑链路控制层提供服务。它支持的介质存取法包括载波检测多路存取／冲突检测CSMA／CD、令牌总线TokenBus和令牌环TokenRing。逻辑链路控制层LLC支持数据链路功能、数据流控制、命令解释及产生响应等，并规定局部网络逻辑链路控制协议LNLLC。此外，网络层也有变化。在IEEE802标准中，定义了三种主要的局域网络技术，它们的介质访问控制分别是CSMA／CDIEEE802．3、令牌总线IEEE802．4、令牌环IEEE802．5。,7.2.4工业网络的性能评价和选型,1．工业网络的性能评价2．工业网络的选型1大型系统的工业网络选型2中小型系统的工业网络选型,1．工业网络的性能评价,1.工业网络的性能评价性能评价指标吞吐能力、稳定性、确定性、可靠性和灵活性。工业网络的主流拓扑结构总线形和环形。令牌环与令牌总线的性能比较传输速率环形是点到点连接，传输效率高；总线形是多点连接，在总线上形成逻辑环，逻辑环不固定，令牌传递和维护算法比环形复杂。吞吐能力令牌环数据吞吐能力高于令牌总线，原因在于控制结构上的差异。令牌总线是广播式，数据、令牌、回答都要独占介质；令牌是顺序循环访问，一定条件下有并行工作的特性，其数据、令牌、回答可同时传递。稳定性在负载变化的环境中，令牌环的稳定性较令牌总线好。确定性两种控制结构的通讯方式一样，确定性相同。灵活性总线是无源连接，信息传输又不需转发，增减结点都无须断开原系统，可靠形和灵活性强于令牌环。,2．工业网络的选型,（1）大型系统的工业网络选型分散型控制模式，分三级分散过程控制级集中操作监控级综合信息管理级（2）中小型系统的工业网络选型,1大型系统的工业网络选型,大型系统常采用分散型控制的模式，系统主要分为三级，并采用纵向层次结构，其网络选型可按以下考虑。①分散过程控制级主要完成自动调节和程序控制，可靠性、实时性要求较高。系统一般按调节回路或设备分布，呈典型递阶控制特性，横向联系少。该级数据量不大，数据包较短，地理分布区域也较小。采用令牌总线、主从总线或星形结构比较合适，从性能价格比考虑，主从总线结构最佳。②集中操作监控级该级数据处理量较大，数据包较长且规整，实时性、可靠性、灵活性也较高。系统一般按设备和功能混合分布，横向联系较多。因此，该级采用令牌总线较好。③综合信息管理级该级数据多且传输量大，系统按功能横向分布，地域范围广，灵活性要求较低，工作站容量大。因此，本级宜采用令牌环结构。,2中小型系统的工业网络选型,对只有集中操作监控级和分散过程控制级的中小型系统两级同时使用令牌总线。对传输量大、结点少且分散的场合监控级直接选用令牌环较好。老企业技术改造星形结构。,7.3现场总线控制系统,7.3.1现场总线的产生7.3.2现场总线控制系统的结构与特点7.3.3现场总线控制系统的优点7.3.4现场总线标准,按照IEC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各类自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线。采用现场总线技术可实现一种具有开放式、数字化和网络化结构的新型计算机控制系统，即现场总线控制系统（FCS，FieldControlSystem）。通俗地说，FCS将构成自动化系统的各种传感器、执行机构及控制器通过现场控制网络联系起来，通过网络上的信息传输完成传统系统中需要硬件连接才能传递的信号，并完成各设备的协调，实现自动化控制。,7.3.1现场总线的产生,现场总线是连接智能现场设备和各类自动化系统的数字式、双向传输、多节点、多分支结构的通信网络。现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一个全分布式的控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化控制信息系统，具有基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化等综合自动化功能。因此，现场总线技术综合了智能传感器、自动控制、计算机、数字通信、网络技术等方面的内容。,7.3.2现场总线控制系统的结构与特点,一个按现场总线技术构造的计算机监控系统如图8-1所示。现场总线系统有两个主要部分组成一是现场智能设备，二是系统的传输介质。现场智能设备由微处理器以及外围电路构成；现场总线系统使用最多的传输介质是双绞线。,现场总线的体系结构特点主要表现在以下六个方面,1．现场通信网络2．现场设备互连3．系统的开放性4．功能分散5．互操作性6．通信线供电,7.3.3现场总线控制系统的优点,1）一对N结构2）节省硬件与投资3）准确性和可靠性高4）状态可控5）互换性强,6）互操作性好7）具有综合功能8）可实现分散控制9）可实现统一组态10）开放性好,7.3.4现场总线标准,1．FF现场总线基金会FIT（FoundationFieldBus）是惟一不附属于任何企业的非商业性的国际标准化组织。其宗旨是制定单一的国际现场总线标准。FF标准具有以下特点根据ISO/OSI的模型共设有物理层、数据链路层和应用层。除此之外，还增加了用户层。其中，物理层分为两种H1为低速总线，主要用于过程自动化。波特率为31.25kb/s，最大传输距离为1900m，提供总线供电和本质安全型；H2为高速总线，主要用于制造自动化，波特率为1Mb/s（750m）或2.5Mb/s（500m）。其物理传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤和无线等。,2．PROFIBUS过程现场总线PROFIBUS是德国标准。1991年在DINI9245中公布了此标准。PROFIBUS有几种改进型，分别用于不同的场合。其中，PROFIBUS-PA用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全，可用于危险防爆区域。PROFIBUS-FMS用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化领域。PROFIBUS-DP用于加工自动化。PROFIBUS的协议是开放的，可以由第三方来生产PROFIBUS的产品。PROFIBUS的传输速率为9.6kb/s∽12Mb/s，最大传输距离在9.6kb/s时为1000m，1.5Mb/s时为200m。其传输介质为双绞线、光缆，最多可挂接127个站点。,3．LonWorksLonWorks现场总线技术是近几年异军突起的一种现场总线技术标准，由美国Echelon公司开发，简称LON。LON真正做到了开放性、互操作性、多通信介质、多数据传输速率、多网络结构、多网络拓扑。LON的一个突出特点是提供了一整套从硬件到软件的完整技术。其核心技术Neuron芯片，固化了LONTalk通信协议，而该通信协议完全支持ISO的OSI七层协议。通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300b/s至15Mb/s不等，直接通信距离可达到2700m（78kb/s），支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，被誉为通用控制网络。,4．HARTHART（HighwayaddressableRemoteTransducer）协议为可寻址远程传感器数据通路通信协议。它最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持和加盟，于1963年成立了HART通信基金会。HART通信模型由3层组成物理层、数据链路层和应用层。物理层采用FSK技术在4∽20mA模拟信号上迭加一个频率信号。数据传输速率为1200bit/s，逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz，最大传输距离3000m。它是输入模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争力，得到了较快发展。,5．CANCAN总线是控制器局域网（ControlAreaNetwork）总线的简称，最早是德国BOSCH公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间数据交换而开发的一种串行数据通信协议。由于其本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN已成为国际标准化组织ISO11898标准，被公认为是最有前途的现场总线之一。,CAN总线的技术特点,1）通信距离远。CAN通信速率最高可达1Mbps/40m，直接通信距离最远可达10km（速率小于5Kbps）。传输介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，具有较强的抗干扰能力。2）CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而无主、从之分，通信方式灵活且无需节点信息。利用这一特点，可方便地构成多机备用系统。3）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上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息。CAN是按节点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实际要求，高优先级的数据最多可在134μs内得到传输。,4）CAN支持四类报文帧数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。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，且具有较好的检错效果。5）CAN采用循环冗余校验CRC（CyclicRedundancyCheck）及其它检错措施，保证了极低的信息出错率。6）CAN节点具有自动关闭功能，当节点错误严重的情况下，则自动切断与总线的联系，这样不影响总线正常工作。7）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前最多为110个；报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。8）CAN拥有丰富廉价的CAN总线器件，促进了CAN总线应用的迅速推广。,CAN总线的网络结构,CAN总线是开放系统，但没有严格遵循ISO的开放系统互联的7层参考模型（OSI），出于对实时性和降低成本等因素的考虑，CAN总线只采用了其中最关键的两层，即物理层和数据链路层。,一个CAN总线接口有3个部分组成，如图8-2所示，它们分别对应于CAN总线的物理层、数据链路层和应用层。,典型的CAN总线测控系统,典型的CAN总线测控系统主要由计算机、CAN接口卡、各种CAN功能模块构成，所有CAN模块均并联接在CAN总线上，如图8-3所示。,图8-3典型的CAN总线测控系统,