工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)3

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)

（現(xiàn)場(chǎng)總線）許勇xuy@主要教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配第一章工業(yè)通信概述 2第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 4第三章通信總線技術(shù)及應(yīng)用 8計(jì)算機(jī)接口總線工控機(jī)與測(cè)控儀器接口總線常用工業(yè)通信總線第四章現(xiàn)場(chǎng)總線/控制網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù) 8現(xiàn)場(chǎng)總線概述FF/Lonworks/Profibus等

網(wǎng)絡(luò)集成式控制系統(tǒng)第五章汽車網(wǎng)絡(luò)和CANbus

14第六章工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用 4合計(jì)

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任何一個(gè)控制處理器都要與一定數(shù)量的部件和外圍設(shè)備連接。簡(jiǎn)單通信任務(wù)可以用一組線路實(shí)現(xiàn)，而多點(diǎn)之間的多任務(wù)通信，連線將會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至不能實(shí)現(xiàn)。用一組線路，配置以適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?，與各部件和外圍設(shè)備連接，這組線路被稱為總線。換句話說，總線是系統(tǒng)的各插件間(或插件內(nèi)部芯片間)傳送規(guī)定信息的公共通道。采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴(kuò)充，尤其制定了統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)則容易使不同設(shè)備間實(shí)現(xiàn)互連。總線的概念從計(jì)算機(jī)內(nèi)部通信開始，現(xiàn)在擴(kuò)展應(yīng)用到通信系統(tǒng)的各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，特別是在工業(yè)通信領(lǐng)域。。1.

什么是總線電子設(shè)備內(nèi)，主板通過各種總線來達(dá)到將CPU和各種部件有機(jī)地連接起來的目的?？偩€的基本工作方式是由發(fā)送信息的部件分時(shí)地將信息發(fā)往總線，再由總線將這些信息同時(shí)發(fā)往各個(gè)接收信息的部件。究竟由哪個(gè)部件接收信息，要由CPU給出的設(shè)備地址經(jīng)譯碼產(chǎn)生的控制信號(hào)來決定?？偩€是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，實(shí)際上也是所有圍繞計(jì)算機(jī)處理器芯片構(gòu)成系統(tǒng)的核心，比如是工業(yè)控制和儀器測(cè)試行業(yè)的核心技術(shù)?？偩€簡(jiǎn)化通訊電路、減少連接線。統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)則可以方便系統(tǒng)的構(gòu)成、擴(kuò)充或更新?？偩€技術(shù)使設(shè)計(jì)、生產(chǎn)走向標(biāo)準(zhǔn)化。各生產(chǎn)廠家可以按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)算機(jī)的部件，這些部件具有通用性和互換性，因而可大批量生產(chǎn)。總線的性能指標(biāo)主要有下面幾條：1）總線帶寬，即最大數(shù)據(jù)傳輸速率，是最重要指標(biāo)：在計(jì)算機(jī)總線中用B/s表示，其它常用bps（bp/s）。例如，PCI總線的寬度為32位，總線時(shí)鐘頻率為33MHz，則最大數(shù)據(jù)傳輸速率為:(32/8)×4=132MB／s；2）總線時(shí)鐘：總線中各種信號(hào)的定時(shí)基準(zhǔn)。；3）總線寬度：總線中數(shù)據(jù)總線的數(shù)量，用Bit(位)表示，總線寬度有8位、16位、32位和64位之分；4）信號(hào)線數(shù)：總線中信號(hào)線的總數(shù)，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；5）負(fù)載能力：總線中信號(hào)線帶負(fù)載的能力。該能力強(qiáng)表明可接的總線板卡可多一些。當(dāng)然，不同的板卡對(duì)總線的負(fù)載是不一樣的，所接板卡負(fù)載的總和不應(yīng)超過總線的最大負(fù)載能力。總線的性能2.串行通訊及其接口并行通信:數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送。

優(yōu)點(diǎn)：傳送速度快缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)線多，成本較高，且由于并行數(shù)據(jù)傳輸線的耦合和共模干擾，傳輸距離短。主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳送量很大的場(chǎng)合，如打印機(jī)，液晶屏等。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，并行通信的應(yīng)用在逐漸減少。串行通信：將數(shù)據(jù)按順序分解為一位（或幾位，一般不大于4位）的序列，按順序傳送。優(yōu)點(diǎn)：傳送線路簡(jiǎn)單，成本低，傳送距離長(zhǎng)缺點(diǎn)：傳送速度比并行通信低隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，傳送速度越來越快，應(yīng)用越來越廣泛。如USB、1394、Profibus、SERCOS、各種網(wǎng)絡(luò)等串行通訊的一般概念a.異步通信在異步通信中，沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，各設(shè)備使用自己的時(shí)鐘信號(hào),各設(shè)備時(shí)鐘必須在頻率上保證一致（誤差允許范圍很?。總€(gè)傳送字節(jié)必須用其始位來同步時(shí)鐘，用1~2個(gè)停止位來表示傳送字節(jié)的結(jié)束。由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位等4部分組成的串行數(shù)據(jù)稱為字符幀（CharacterFrame）也叫數(shù)據(jù)幀。

異步通信的優(yōu)點(diǎn)是不需要傳送同步時(shí)鐘，字符幀長(zhǎng)度不受限制，故設(shè)備簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是字符幀中因包含起始位和停止位而降低了有效數(shù)據(jù)的傳輸速率。

D0PD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3…起始位空閑位停止位

異步串行通信的字符幀格式串行通信格式照串行數(shù)據(jù)的時(shí)鐘控制方式，串行通信可分為同步通信和異步通信。起始位檢測(cè)異步通信中，每秒鐘傳送二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)為波特率(BaudRate),單位為bps。異步串行通信的收發(fā)設(shè)備，必須使用相同的波特率。異步通信設(shè)備，都具有自己的波特率時(shí)鐘發(fā)生器，其時(shí)鐘頻率一般為波特率的16倍，在檢測(cè)到起始時(shí)位跳變時(shí)，接收方同步其接收時(shí)鐘，然后，間隔24個(gè)時(shí)鐘，檢測(cè)第一個(gè)數(shù)據(jù)位，以后每間隔16個(gè)時(shí)鐘檢測(cè)一位，直到停止位，1幀數(shù)據(jù)結(jié)束。用起始位同步接受時(shí)鐘，消除了時(shí)鐘誤差的累積，降低了對(duì)收發(fā)時(shí)鐘頻率的一致性要求，一般，時(shí)鐘誤差<3%即可。

發(fā)送時(shí)鐘接收時(shí)鐘數(shù)據(jù)讀取第1個(gè)數(shù)據(jù)位讀取第2個(gè)數(shù)據(jù)位b.同步通信

在通信的設(shè)備中,采用同一時(shí)鐘信號(hào),這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可以是其中一臺(tái)設(shè)備產(chǎn)生的,也可以采用外部時(shí)鐘信號(hào)源。00111101由于具有同步時(shí)鐘,傳送速度快;但若傳送距離較長(zhǎng)時(shí),時(shí)鐘信號(hào)易受干擾,且不經(jīng)濟(jì)。多用于板內(nèi)芯片間的數(shù)據(jù)通信和短距離設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信。如：I2C、SPI、LVDS等在同步通信中，除了位同步，還需要幀（字符）同步，幀同步可以由單獨(dú)的硬件信號(hào)實(shí)現(xiàn)，也可以用數(shù)據(jù)線上的同步字符來實(shí)現(xiàn)（非2進(jìn)制數(shù)據(jù)）微處理器常用串行總線：通用異步接收器傳輸總線UART（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter）同步外設(shè)接口(SPI-SerialPeripheralInterface)、內(nèi)部集成電路(I2C-Inter-IntegratedCircuit)?？偩€類型線數(shù)通信類型多主支持?jǐn)?shù)據(jù)率總線上器件的數(shù)量線纜長(zhǎng)度（米）UART2異步不支持3Kbps到4Mbps21.5@128KbpsSPI3同步不支持>1Mbps<10<3I2C2同步支持<3.4Mbps<10<31）I2C

同步串行總線標(biāo)準(zhǔn)I2C總線采用2線制全雙工串行通信。主站從站0A2A1A0……000001111從站1A2A1A0從站7A2A1A0SDASCL12串行外圍設(shè)備接口SPI（serialperipheralinterface）總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強(qiáng)總線上可以連接多個(gè)可作為主機(jī)的MCU，裝有SPI接口的輸出設(shè)備，輸入設(shè)備如液晶驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換等外設(shè)也可以簡(jiǎn)單連接到單個(gè)TTL移位寄存器的芯片總線上允許連接多個(gè)能作主機(jī)的設(shè)備，但在任一瞬間只允許有一個(gè)設(shè)備作為主機(jī)2）SPI

同步串行總線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘發(fā)生器主器件MOSI從器件MISONSSSCK2）SPI

同步串行總線標(biāo)準(zhǔn)

SPI總線采用3線制全雙工串行通信。7654321076543210MSBbit6bit5bit4bit3bit2bit1LSBSCKMISO/MOSINSSRS232C

RS232是應(yīng)用最早,最廣泛的雙機(jī)異步串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)。是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)的推薦標(biāo)準(zhǔn)RS=recommendedstandard

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)間串行通信接口的物理(電平)、信號(hào)和機(jī)械連接標(biāo)準(zhǔn)常用異步串行通訊接口標(biāo)準(zhǔn)DCE計(jì)算機(jī)DTEDCEDCEDTE電話線

Modem

Modem計(jì)算機(jī)

RS232C

RS232C計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)

TXD

TXD

RXD

RXD

GND

GNDRS232C的電氣標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)械連接DTE插針式DCE內(nèi)孔式25針DB插連接器DTE插針式DCE內(nèi)孔式9針DB插連接器RS232C的電氣標(biāo)準(zhǔn)：3V~15V:邏輯0-3V~-15V:邏輯150ft@9600bpsTTL/CMOS-RS232電平轉(zhuǎn)換芯片：MAX232、MAX202等RS232C接口信號(hào)定義引腳(9針)引腳(25針)信號(hào)信號(hào)源類型描述18CDDCE控制載波信號(hào)檢測(cè)23RxDDCE數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)32TxDDTE數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)420DTRDTE控制終端準(zhǔn)備好57GND--信號(hào)地66DSRDCE控制數(shù)據(jù)機(jī)準(zhǔn)備好74RTSDTE控制請(qǐng)求發(fā)送85CTSDCE控制清除以便發(fā)送922RIDCE控制振鈴信號(hào)計(jì)算機(jī)間RS232C通信的常用連接方法全握手無握手計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)

TXD

TXD

RXD

RXD

GND

GNDTxDRxDRTSCTSDTRDSRCDRIGNDTxDRxDRTSCTSDTRDSRCDRIGNDRS422和RS485平衡和非平衡線路非平衡線路（單端收發(fā)器）平衡線路（差分收發(fā)器）RS422和RS485接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格RS422RS485傳輸模式平衡平衡差動(dòng)輸出（V）±2±1.5接收器敏感度（V）±0.2±0.2驅(qū)動(dòng)器負(fù)載，最?。é福?0060最大驅(qū)動(dòng)器數(shù)量132最大接收器數(shù)量1032最大傳輸速度(bps)10M10M最大電纜長(zhǎng)度@90Kbps(ft)40004000最大電纜長(zhǎng)度@10Mbps(ft)5050RS422的連接線路……R主站RRS422多采用1:N的全雙工連接方式從站1從站NRS485的連接線路……RRRS485多半雙工的連接方式38051的串行通訊端口3-18051串行口結(jié)構(gòu)8051具有一個(gè)全雙工的通用異步接收器/發(fā)送器UART（UniversalAsychronousReceiver/Transmitter）,接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，是通過對(duì)兩個(gè)獨(dú)立收發(fā)引腳RXD(P3.0)、TXD(P3.1)來實(shí)現(xiàn)的。CPU則通過3個(gè)特殊功能寄存器(SBUF、SCON、PCON)來實(shí)現(xiàn)對(duì)UART的控制。a.收發(fā)緩沖器SBUF8051的UART，包含兩個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送寄存器SBUF，一個(gè)用于存放接收到的數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)，二者共用一個(gè)字節(jié)地址（99H），發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出，接收緩沖器只能讀出不能寫入，當(dāng)對(duì)SBUF進(jìn)行寫操作時(shí)，操作的目標(biāo)是發(fā)送寄存器，當(dāng)對(duì)SBUF進(jìn)行讀操作時(shí)，操作的目標(biāo)是接收寄存器如：

MOV A，SBUF ；A接收寄存器

MOV SBUF，A ；發(fā)送寄存器A

b.電源和波特率控制寄存器

PCON（87H）

SMOD1SMOD0-POF2GF1GF0PDIDLD7D6D5D4D3D2D1D0SMOD1為波特率倍頻選擇位。在方式1、2和3時(shí)，串行通信的波特率與SMOD有關(guān)。當(dāng)SMOD=1時(shí)，通信波特率乘2；當(dāng)SMOD=0時(shí)，通信波特率不變。SMOD0用于選擇串口控制寄存器SCON最高位的功能：當(dāng)SMOD0=0時(shí)，SCON的最高位為工作方式選擇（SM0）；當(dāng)SMOD0=1時(shí)，SCON的最高位為幀錯(cuò)誤標(biāo)志（FE）。c.串行控制寄存器SCONSCON用來控制串行口的工作方式和狀態(tài)，可以位尋址，字節(jié)地址為98H。SM0/FESM1SM2RENTB8RB8TIRID7D6D5D4D3D2D1D0SM0、SM1：串行方式選擇位

SM0SM1工作方式功能波特率00方式08位同步移位寄存器fOSC//1201方式18位UART可變(T1或T2溢出率/n)10方式29位UART

fOSC//64或fOSC//3211方式39位UART可變(T1或T2溢出率/n)FE:

幀錯(cuò)誤標(biāo)志。當(dāng)UART檢測(cè)到停止位為0時(shí)，置位FE。需軟件清除。SM2：主-從式多機(jī)通信控制位，用于方式2和方式3中。在以方式2和方式3處于接收方式時(shí)，若SM2=1：當(dāng)接收到的第9位數(shù)據(jù)RB8為0時(shí)，則RI=0；當(dāng)接收到的第9位數(shù)據(jù)RB8為1時(shí)，則RI=1。若SM2=0：不論接收到的第9位RB8為0還是為1，RI都以正常方式被激活。主-從式多機(jī)通信：在通訊開始時(shí)，各從機(jī)都應(yīng)置位SM2。因?yàn)橹鳈C(jī)發(fā)出的第一幀數(shù)據(jù)是地址幀(RB8=1)，各從機(jī)都激發(fā)中斷，并進(jìn)入各自的中斷服務(wù)程序。只有地址相符的從機(jī)才在中斷服務(wù)程序中使SM2=0，為以后接收或發(fā)送數(shù)據(jù)作準(zhǔn)備；其他從機(jī)仍保持SM2=1，對(duì)數(shù)據(jù)幀不予理睬。這樣就實(shí)現(xiàn)了主機(jī)只能與被尋址的從機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。在方式1處于接收時(shí)，若SM2=1，則只有收到有效的停止位后，RI=1。在方式0中，SM2應(yīng)為0。REN:允許接收。REN=0時(shí)，禁止接收。由軟件置位或清零。TB8:

發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位。在方式2和方式3中，由軟件設(shè)置，可做奇偶校驗(yàn)位。在多機(jī)通信中，可作為區(qū)別地址幀或數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)位。一般約定地址幀時(shí)，TB8為1，數(shù)據(jù)幀時(shí)，TB8為0。RB8:接收數(shù)據(jù)的第9位。功能同TB8。TI：發(fā)送中斷標(biāo)志位。發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志，由硬件置位,軟件清除，可觸發(fā)CPU中斷。RI：接收中斷標(biāo)志位。接收完一幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志，由硬件置位,軟件清除，可觸發(fā)CPU中斷。

3-28051串行口的工作方式根據(jù)SCON中SM0、SM1：8051的UART有4中工作方式，用于不同場(chǎng)合。1）方式0

——移位寄存器方式串行數(shù)據(jù)從RXD(P3.0)端輸入或輸出，同步移位脈沖由TXD(P3.1)送出。這種方式常用于擴(kuò)展I/O口。2）方式1——

波特率可調(diào)的10位通用異步接口UART。

發(fā)送或接收一幀信息，包括1位起始位0，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。傳送的波特率取決于定時(shí)器T1或T2的溢出率和PCON中的SMOD位。c）方式2——

固定波特率的11位UART通信方式。

傳送波特率只與SMOD

有關(guān)。發(fā)送或接收一幀數(shù)據(jù)包括1位起始位0，8位數(shù)據(jù)位，1位可編程位(用于奇偶校驗(yàn))和1位停止位1。d）方式3——

波特率可變的11位UART通信方式。傳送的波特率取決于定時(shí)器T1或定時(shí)器T2的溢出率和PCON中的SMOD

位。除了波特率以外，方式3和方式2完全相同。

8051串行口的波特率對(duì)于串口的工作方式1、3，波特率通常由定時(shí)器T1或T2的溢出脈沖來確定。１）定時(shí)器T1用做波特率發(fā)生器時(shí)波特率的計(jì)算定時(shí)器T1的工作方式2常用作波特率發(fā)生器：２）定時(shí)器Ｔ２用做波特率發(fā)生器時(shí)波特率的計(jì)算EIA-232-E接口標(biāo)準(zhǔn)DTE(DataTerminalEquipment)是數(shù)據(jù)終端設(shè)備，是具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備。DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)是數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備，它在DTE和傳輸線路之間