《現(xiàn)場總線及其應用技術》第3版試卷C及答案

一．簡答題1．現(xiàn)場總線的本質(zhì)是什么?答：現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義主要表現(xiàn)在以下六個方面現(xiàn)場通信網(wǎng)絡、現(xiàn)場設備互聯(lián)、互操作性、分散功能塊、通信線供電、開放式互聯(lián)網(wǎng)絡2．數(shù)據(jù)編碼分幾種？什么是差分碼？答：數(shù)據(jù)編碼有單極性碼、雙極性碼、歸零碼、非歸零碼、差分碼、曼徹斯特碼和模擬數(shù)據(jù)碼。差分碼：用電平的變化與否代表邏輯"1""0"，電平變化代表"1"，不變化代表"0"按照此規(guī)定的碼稱為信號差分碼。3．IEC61158標準中采用的是哪8類現(xiàn)場總線？IEC61158(FF的H1)ControlNet(美國Rockwell公司支持)PROFIBUS(德國Siemens公司支持)P-Net(丹麥ProcessData公司支持)FFHSE(原FF的H2，F(xiàn)isher-Rosemount公司支持)SwiftNet(美國波音公司支持)WorldFIP(法國Alstom公司支持)INTERBUS(德國PhoenixContact公司支持)4．什么是網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)？答：傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡中連接收發(fā)雙方的物理通路，也是通信中實際傳送信息的載體網(wǎng)絡中常用的傳輸介質(zhì)有電話線、同軸電纜、雙絞線、光導纖維、無線與通信衛(wèi)星通信。5．現(xiàn)場總線網(wǎng)絡是如何實現(xiàn)的？答：現(xiàn)場總線的基礎是數(shù)字通信，通信就必須有協(xié)議，從這個意義上講，現(xiàn)場總線就是一個定義了硬件接口和通信協(xié)議的標準。國際標準化組織(ISO)的開放系統(tǒng)(OSI)協(xié)議，是為計算機互聯(lián)網(wǎng)而制定的七層參考模型，它對任何網(wǎng)絡都是適用的，只要網(wǎng)絡中所要處理的要素是通過共同的路徑進行通信。目前，各個公司生產(chǎn)的現(xiàn)場中線產(chǎn)品沒有一個統(tǒng)一的協(xié)議標準，但是各公司在制定自己的通信協(xié)議時，都參考OSI七層協(xié)議標準，而且大多采用了其中的第1層、第二層、和第七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，并增設了第8層，即用戶層6．畫出企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的結構圖。互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)Internet內(nèi)部網(wǎng)Intranet(Ethernet)現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡企業(yè)資源規(guī)劃層ERP制造執(zhí)行層MES過程控制層FCS7．現(xiàn)場總線一般采用OSI的哪幾層模型？為什么?答：.現(xiàn)場總線通訊模型采用了OSI七層協(xié)議標準的第1層、第2層、和第七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，并增設了第八層，即用戶層。物理層定義了信號的編碼與傳送方式、傳送介質(zhì)、接口的電器及機械特性、信號傳輸速率等。數(shù)據(jù)鏈路層又分為兩個子層，即介質(zhì)訪問控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）。應用層可以分為兩個子層，上面子層是應用服務層（FMS層），它為用戶提供服務；下面子層是現(xiàn)場總線存取層（FAS層），它實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的連接。用戶層是現(xiàn)場總線標準在OSI模型外新增加的一層，是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)開放與可互操作性的關鍵。8．現(xiàn)場總線與上層網(wǎng)絡互聯(lián)的方式有哪幾種？答：一是采用專用網(wǎng)關完成不同通信協(xié)議的轉換，把現(xiàn)場總線網(wǎng)段或DCS連接到以太網(wǎng)上。二是將現(xiàn)場總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都植入工業(yè)PC機的PCI插槽在PC機內(nèi)完成數(shù)據(jù)交換。三是將Web服務器直接植入PLC或現(xiàn)場控制設備內(nèi)，借助Web服務器和通用瀏覽工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動態(tài)交互。9．什么是總線從設備？答：不能在總線上主動發(fā)起通信，只能掛接在總線上，對總線信息進行接收查詢的設備稱為總線從設備。10．什么是總線仲裁？答：總線在傳送信息的操作過程中有可能發(fā)生沖突。為解決這一問題，就需要進行總線占有權的仲裁?？偩€仲裁用于裁決哪一個主設備是下一個占有總線的設備。11．什么是NRZ編碼？答：NRZ編碼即為非歸零編碼，也即是說在整個碼元時間內(nèi)維持有效電平12．什么是位填充技術？答：當發(fā)送器在發(fā)送的位流中檢測到5位連續(xù)的相同數(shù)值時，將自動地在實際發(fā)送的位流中插入一個補碼位。這既是位填充技術13．現(xiàn)場控制網(wǎng)絡的任務是什么？答：現(xiàn)場控制網(wǎng)絡以具有通信能力的傳感器、執(zhí)行器、測控儀表為網(wǎng)絡節(jié)點，并將其連接成開放式、數(shù)字化，實現(xiàn)多節(jié)點通信，完成測量控制任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)?，F(xiàn)場控制網(wǎng)絡要將現(xiàn)場運行的各種信息傳送到遠離現(xiàn)場的控制室，在把生產(chǎn)現(xiàn)場設備的運行參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息等送往控制室的同時，又將各種控制、維護、組態(tài)命令等送往位于現(xiàn)場的測量控制現(xiàn)場設備中，起著現(xiàn)場級控制設備之間數(shù)據(jù)聯(lián)系與溝通的作用。同時，現(xiàn)場控制網(wǎng)絡還要在與操作終端、上層管理網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)連接和信息共享中發(fā)揮作用。今年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展。已經(jīng)開始對現(xiàn)場設備提出了參數(shù)的網(wǎng)絡瀏覽和遠程監(jiān)控的要求。在有些場合，需要借助網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)為現(xiàn)場設備提供工作電源14．簡述串行異步通信中的連接握手過程？答：連接握手過程是指發(fā)送者在發(fā)送一個數(shù)據(jù)塊之前使用一個特定的握手信號來引起接收者的注意，表明要發(fā)送數(shù)據(jù)，接收者則通過握手信號回應發(fā)送者，說明它已經(jīng)做好了接收數(shù)據(jù)的準備。連接握手可以通過軟件，也可以通過硬件來實現(xiàn)。在軟件連接握手中發(fā)送者通過發(fā)送一個字節(jié)表明它想要發(fā)送數(shù)據(jù)；接收者看到這個字節(jié)的時候，也發(fā)送一個編碼來聲明自己可以接收數(shù)據(jù)；當發(fā)送者看到這個信息時，便知道它可以發(fā)送數(shù)據(jù)了。接收者還可以通過另一個編碼來告訴發(fā)送者停止發(fā)送。在普通的硬件握手方式中，接收者在準備好了接收數(shù)據(jù)的時候將相應導線帶入到高電平，然后開始全神貫注的監(jiān)視它的串行輸入端口的允許發(fā)送端。這個允許發(fā)送端與接收者的已準備好接收數(shù)據(jù)的信號端相連，發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)之前一直在等待這個信號的變化。一旦得到信號說明接收者已處于準備好接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，便開始發(fā)送數(shù)據(jù)。接收者可以在任何時候將這根導線帶入到低電平，即便是再接收一個數(shù)據(jù)塊的過程中間也可以把這根導線帶入到低電平。當發(fā)送者檢測到這個低電平信號時，就應該停止發(fā)送。而在完成本次傳輸之前，發(fā)送者還會繼續(xù)等待這跟導線再次回到高電平，以繼續(xù)被中止的數(shù)據(jù)傳輸。15．CAN總線的數(shù)值是如何表示的？答：CAN總線上用"顯性"（Dominant）和"隱性"（Recessive）兩個互補的邏輯值表示"0"和"1"。當在總線上出現(xiàn)同時發(fā)送顯性位和隱性位時，其結果是總線數(shù)值為顯性（即"0"與"1"的結果為"0"）16．CAN的數(shù)據(jù)幀有哪些位場組成？答：CAN現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場和幀結束。17．簡述PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的特點。答：PROFIBUDS-DP使用了第1層、第2層和用戶接口層。第3到7層未使用，這種精簡的結構確保高速數(shù)據(jù)傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路映像程序（DDLM）提供對第2層的訪問。在用戶接口中規(guī)定了PROFIBUDS-DP設備的應用功能，以及各種類型 的系統(tǒng)和設備的行為特性。這種為高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的PROFIBUDS協(xié)議特別適用于可編程控制器與現(xiàn)場級分散I/O設備之間的通信。18．什么是DP一類主站和二類主站？什么是DP從站？答：1類DP主站循環(huán)的與DP從站交換用戶數(shù)據(jù)。2類DP主站是編程裝置，診斷和管理設備。DP從站只與裝載此從站的參數(shù)并組態(tài)它的DP主站交換用戶數(shù)據(jù)。DP從站可 以向此主站報告本地診斷中斷和過程中斷。19．GSD文件的功能是什么？答：PROFIBUS設備具有不同的性能特性，特性的不同在于現(xiàn)有功能的不同或可能的總線參數(shù)，如波特率和時間的監(jiān)控不同。這些參數(shù)對每種設備類型和每家生產(chǎn)廠商來說均各有差異，為達到PROFIBUS簡單的即插即用配置，這些特性均在電子數(shù)據(jù)單中具體說明，有時稱為設備數(shù)據(jù)庫文件或GSD文件。標準化的GSD數(shù)據(jù)將通信擴大到操作員控制一級，使用居于GSD的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設備集成在一個總線系統(tǒng)中，簡單，用戶界面友好。對一種設備類型的特性GSD以一種準確定義的格式給出其全面而明確的描述。GSD文件由生產(chǎn)廠商分別針對每一種設備類型準備并以設備數(shù)據(jù)庫清單的形式提供給用戶，這種明確定義的文件格式便于讀出任何一種PROFIBUS-DP設備的設備數(shù)據(jù)庫文件，并且在組態(tài)總線系統(tǒng)時自動使用信息。在組態(tài)階段，系統(tǒng)自動地對輸入與整個系統(tǒng)的有關的數(shù)據(jù)的輸入誤差和前后一致性進行檢查核對。20．什么是工業(yè)以太網(wǎng)？答：工業(yè)以太網(wǎng)不僅包含了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的以太網(wǎng)規(guī)范，而且包含TCP/IP協(xié)議組，既包含網(wǎng)絡層的網(wǎng)絡互聯(lián)協(xié)議IP、傳輸層的TCP、用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議UDP等。有時甚至把應用層的簡單郵件傳送協(xié)議SMTP、域名服務DNS、文件傳輸協(xié)議FTP、超文本鏈接HTTP等應用協(xié)議都與以太網(wǎng)捆綁一起。二、SPC3從站接口電路設計畫出SPC3與AT89S52的接口電路圖。答：SPC3通過一塊內(nèi)置的1.5kB的雙口RAM與CPU接口，它支持多種CPU，包括Intel、Siemens、Motorola等。SPC3與AT89S52的接口電路如下圖所示，SPC3中雙口RAM的地址為1000H~15FFH。1K1KΩ×474HC043KΩ×5AB7AB6AB5AB4AB3AB2AB1AB0DB7DB6DB4DB3DB2DB1DB0DB5ALEXWRXRDXINTRESETCLK0.47μF+5V1KΩ光電隔離驅動器65ALS1176148MHzP27P26P25P24P23P22P21P20P07P06P05P04P03P02P01P00ALEWRRDINT0P17AT89S52SPC3XINT/MOTXCSMODEXTEST0XTEST1XDATAEXCHDIVIDERAB8AB9AB10VDDVSSXCTSCLKOUTXREADY/XDTACKRTSTXDRXDSPC3與AT89S52硬件接口圖三CANBUS硬件節(jié)點設計（共20分）采用你熟悉的一種單片機或單片微控制器設計一CANBUS硬件節(jié)點電路，使用SJA1000獨立CAN控制器,假設節(jié)點號為16，通訊波特率為125Kbps。畫出硬件電路圖。簡述工作原理。畫出CAN初始化程序流程圖編寫CAN初始化程序答：22pF422pF4.7kΩNC0.1μF0.1μFAT89S5210kΩ10μF+5V+5VP10P27P11P26P12P25P13P24P14P23P15P22P16P21P17P20RXDTXDP00INT1P01P34P02P35P03P04VCCP05P06GNDP07WRXTAL1XTAL2CSVSS1VSS2VSS3CLKOUTAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7RDWRALEINT22pFfosc216MHzRESETMRRESETVCCNCGNDPFOPFITXDRSGNDCANHVCCCANLRXDVref+5V+5V+5V+5V+5V+5V+5VNCNCS0.1μF4.7kΩ10kΩ10kΩ10kΩ120ΩSJA1000IMP708PCA82C250+RX0RSTMODERSTVDD3VDD2VDD1XTAL1XTAL2TX1TX0RX1ALERDINT0EACANHCANL18pF×212MHzfosc1硬件電路圖2.原理如下采用AT89S52單片微控制器、獨立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線驅動器PCA82C250及復位電路IMP708的CAN應用節(jié)點電路其中AT89S52作為微控制器，用于本節(jié)點的功能的程序實現(xiàn)。當上電復位后，AT89S52首先對SJA1000進行初始化，包括節(jié)點號、通訊波特率等。初始化結束，將進入監(jiān)控狀態(tài)。當有數(shù)據(jù)下傳時，AT89S52接收到下傳的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整本節(jié)點的狀態(tài)。當采集完信息后，可以通過P1口向上位機傳送。獨立的CAN通信適配器SJA1000支持CAN2.0B協(xié)議，能完成高性能通信要求的全部必要特征，可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。為增強CAN總線的差動發(fā)送和接收能力，設計中采用了CAN總線接收接口電路82C250。82C250是CAN總線控制器和物理總線的接口。該芯片可以提供對CAN總線的差動發(fā)送和接收能力。在SJA1000與82C250之間接入光電耦合器可增強系統(tǒng)的抗干擾能力IMP708芯片提供復位和上電檢測功能。3.CAN初始化子程序流程圖開始開始置復位請求為高（置CR.0為1）置驗收碼寄存器ACR置驗收屏蔽寄存器AMR（決定節(jié)點號）總線定時設置設置總線定時寄存器0（BTR0）設置總線定時寄存器1（BTR1）決定位周期設置輸出控制寄存器OCR(FAH)(定義總線驅動特性)設置時鐘分頻寄存器CDR設置CAN工作模式和時鐘分頻開放中斷源定時再同步置CR.0為0返回4.編寫CAN初始化程序NODEEQU10H；節(jié)點號緩沖區(qū)NBTR0EQU03H；總線定時寄存器0緩沖區(qū)NBTR1EQU1CH；總線定時寄存器1緩沖區(qū)TXBFEQU40H；RAM內(nèi)發(fā)送緩沖區(qū)RXBFEQU50H；RAM內(nèi)接收緩沖區(qū)CREQU0BF00H；控制寄存器CMREQU0BF01H；命令寄存器SREQU0BF02H；狀態(tài)寄存器IREQU0BF03H；中斷寄存器ACREQU0BF04H；接收碼寄存器AMREQU0BF05H；接收碼屏蔽寄存器BTR0EQU0BF06H；總線定時寄存器0