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1、目 錄,第1章 概 述 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 第6章 通信功能與總線接口 第7章 智能技術(shù)在傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用 第8章 智能傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 第9章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述,第6章 通信功能與總線接口,要 點(diǎn)： 現(xiàn)場總線與智能傳感器； CAN接口技術(shù)； IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)； 工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。,第6章 通信功能與總線接口,一個(gè)龐大的多點(diǎn)、多參數(shù)測控系統(tǒng)是由為數(shù)眾多的現(xiàn)場設(shè)備及傳感器或變送器組成。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，基于傳統(tǒng)技術(shù)的分散型控制系統(tǒng)（DCS

2、）越來越表現(xiàn)出它的許多不足之處：不能適應(yīng)龐大的復(fù)雜系統(tǒng)控制的需要；隨著規(guī)模增大，系統(tǒng)變得過于復(fù)雜，成本較高。 為解決上述問題，通過向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制擴(kuò)展，將過程控制、監(jiān)督控制和管理調(diào)度進(jìn)一步結(jié)合起來，加強(qiáng)系統(tǒng)功能。采用專家系統(tǒng)，制造自動(dòng)化協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以及硬件上諸多新技術(shù)。乃致二十世紀(jì)八十年代中后期陸續(xù)出現(xiàn)了多種不同形式的現(xiàn)場總線，如：HART、CAN、PROFIBUS、FF、LONWORKS等。 在多種現(xiàn)場總線共存的情況下，主要的問題就是：尚無一個(gè)最完善、最具有權(quán)威性、一致公認(rèn)、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。為解決上述問題，在多方的共同努力下，目前基本上有望以IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議作為控制領(lǐng)域針對

3、底層和控制層及其以上層統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。,6.1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的智能傳感器與現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)是生產(chǎn)與管理自動(dòng)化、信息網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的一種必然結(jié)果。 FCS的典型結(jié)構(gòu)： 現(xiàn)場總線的節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)場設(shè)備 或現(xiàn)場儀表。監(jiān)控機(jī)用于管理掛 接在現(xiàn)場總線上的各種智能儀表 或傳感器、執(zhí)行器等。,6.1 現(xiàn)場總線與智能傳感器,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的傳感器與儀表 1、特點(diǎn) 1）傳感器與儀表是智能化的，智能儀表為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)； 2）具有自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償功能；

4、3）具有自我管理的功能； 4）成為對單一量的自行測量、自行數(shù)據(jù)處理、自行分析判斷、決策的控制系統(tǒng)，亦即就地控制； 5）具有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字總線接口。 2、與傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的比較 1）傳統(tǒng)控制系統(tǒng)是信息集中處理分散控制，而現(xiàn)場總線中設(shè)備本身兼具處理與控制功能，亦稱分散智能。如同現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的宏觀調(diào)控（相對于計(jì)劃經(jīng)濟(jì)）。 2）與上位機(jī)的關(guān)系僅僅是通報(bào)信息，接受宏觀調(diào)控。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場總線 它是用于現(xiàn)場總線儀表與控制室系統(tǒng)之間的一種全數(shù)字化、串行、雙向、多站的通信網(wǎng)絡(luò)。 實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及管控一體化的綜合自動(dòng)化功能。 物理層：一般采用雙絞線。 1、 特點(diǎn)

5、：全數(shù)字化通信；通信線供電，開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 1）全數(shù)字化通信 “DCS”是“半數(shù)字”系統(tǒng)，現(xiàn)場總線是“純數(shù)字”系統(tǒng)，因此它具有強(qiáng)的抗干擾能力，通過校驗(yàn)檢驗(yàn)可進(jìn)一步提高信號(hào)傳輸?shù)恼_性，這樣可使得過程控制的準(zhǔn)確性和可靠性更高，從而使整個(gè)控制水平進(jìn)入到一個(gè)高的層 次，產(chǎn)生間接的經(jīng)濟(jì)效益。 2）通信線供電,類似于電話，可進(jìn)一步提高控制現(xiàn)場的安全性。 前提：低功耗現(xiàn)場儀表；基礎(chǔ)：集成化和智能化。 3）開放式互連網(wǎng)絡(luò) 可實(shí)現(xiàn)同層網(wǎng)絡(luò)相連和不同層網(wǎng)絡(luò)相連。 前提：統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化總線接口；遵守統(tǒng)一的通信協(xié)議。 問題：現(xiàn)場總線儀表、設(shè)備種類繁多。 最終的效果：即插即用，自由組態(tài)。 4）專門為過程控制而設(shè)計(jì)

6、工業(yè)過程控制的要求：高完整性、高可靠性、本質(zhì)安全。 工業(yè)環(huán)境的特點(diǎn)：高溫、高壓、有毒、爆炸性、電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)、放射性等。 2、現(xiàn)場總線的優(yōu)越性 1）成本低。節(jié)省硬件數(shù)量與投資；減少變送器的數(shù)量；不需要DCS系統(tǒng),的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及復(fù)雜接線；可用工控PC作操作站。 2）節(jié)省安裝費(fèi)用，可節(jié)約安裝費(fèi)用60以上。 3）節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，由于現(xiàn)場設(shè)備具有自診斷及簡單故障處理能力。 4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成自主權(quán)。 5）提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。 6.1.2 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模式 我們前面講到現(xiàn)場總線的推廣應(yīng)用，需要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化總線接口和通信協(xié)議。 那么這個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議模式應(yīng)該是什

7、么樣的呢？ 我們先了解一下按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的開放系統(tǒng)互連（OSI）的參考模型： 見下圖,開放系統(tǒng)互連是指：在終端設(shè)備、 節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)之間借助于通信線路交換信 息時(shí)，所需遵循的那些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 OSI模型的主要結(jié)構(gòu)思想之一是功 能結(jié)構(gòu)分層的原則。任何一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn) 相對于另一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)的同等層之間， 都有對應(yīng)的通信協(xié)議。同等層之間的通 信是每一層把數(shù)據(jù)和控制信息送到下一 層，這樣層層下傳，各層分別執(zhí)行本層 特有的功能，直到最低物理層將信息傳 送給另一節(jié)點(diǎn)主機(jī)的物理層，進(jìn)行實(shí)際的物理通信，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)高層之間只存在著虛擬的通信。 低三層可以用 （通信子網(wǎng)協(xié)議）分組交換網(wǎng)協(xié)議。,1）物理層：通

8、過系統(tǒng)的連接透明地傳送比特流，不考慮信息的意義和構(gòu)成。有四個(gè)主要特性： a）機(jī)械特性：各種機(jī)械接口，插頭座的結(jié)構(gòu)，針腳數(shù)； b）電氣特性：規(guī)定分界點(diǎn)處的電器性能，電平的高低； c）功能特性：數(shù)據(jù)、控制、定時(shí)、接地、交換電路的交換功能； d）規(guī)程特性：規(guī)定如何使用上述接口線。 作用：在數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間建立、維護(hù)和拆除物理連接。 2）數(shù)據(jù)鏈路層：針對數(shù)據(jù)傳送，并使其達(dá)到無差錯(cuò)傳輸，它對物理層的要求： a）在兩結(jié)點(diǎn)之間能建立數(shù)據(jù)電路的連接； b）收站發(fā)站都是逐比特地傳送信息，而且已經(jīng)建立了位的同步。 本層解決的問題：,a）數(shù)據(jù)鏈路的建立和拆除：字符同步、站地確認(rèn)、收發(fā)關(guān)系確立、傳輸結(jié)束的表示。 b）

9、信息的傳輸：信息幀的格式、大小、順序編號(hào)，曼徹斯特編碼。 c）傳輸差錯(cuò)的控制，CRC校驗(yàn)。 d）異常情況的處理 糾正差錯(cuò)采用計(jì)時(shí)器恢復(fù)和自動(dòng)請求重發(fā)等技術(shù)。 控制規(guī)程分兩種：面向字符型，面向比特型。 3）網(wǎng)絡(luò)層：完成控制通信子網(wǎng)的工作，并解決每個(gè)節(jié)點(diǎn)中通信控制處理機(jī)同其主機(jī)之間的接口，從而完成通信控制處理機(jī)同主機(jī)的協(xié)議。 功能：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)之間的連接。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，還具有多路復(fù)用的功能。網(wǎng)絡(luò)的交換技術(shù)、路由選擇、流量控制、擁塞控制和差錯(cuò)控制。,4）傳送層：給用戶提供一個(gè)端到端的傳輸服務(wù)，起著底層與高層之間接口層的作用，完成開放系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送控制。 功能：開放系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的收發(fā)確認(rèn)，對

10、經(jīng)過下三層之后仍然存在的傳輸差錯(cuò)進(jìn)行恢復(fù)，進(jìn)一步提高可靠性。 編址與尋址；連接的建立與終止；流量控制、緩沖；多路復(fù)用；分流和合流；差錯(cuò)校正。主要是提高吞吐量和服務(wù)質(zhì)量。 5）會(huì)話層：面向用戶的服務(wù)，用于用戶標(biāo)識(shí)識(shí)別、登錄、故障恢復(fù)等。 標(biāo)識(shí)的典型方法是通過主計(jì)算機(jī)號(hào)和進(jìn)程號(hào)來標(biāo)識(shí)報(bào)文的出處，會(huì)話層的目的在于為表示實(shí)體提供組織和同步它們之間的對話手段，交替改變發(fā)信端的傳送控制；在傳送數(shù)據(jù)中需給數(shù)據(jù)打上標(biāo)記，以便出現(xiàn)意外時(shí)，由打標(biāo)記處重發(fā)。,提供的服務(wù)有： a）建立會(huì)話連接； b）釋放會(huì)話連接； c）正常的數(shù)據(jù)交換； d）隔離服務(wù)； e）加速數(shù)據(jù)交換； f）交互式管理； g）會(huì)話連接同步； h）例

11、外報(bào)告。 6）表示層 作用：用戶進(jìn)程若要向第6層送入一個(gè)報(bào)文流，表示層便將此報(bào)文壓縮、加密、而后發(fā)送給目的地主機(jī)，而且目的地主機(jī)第6層則把它們解密和擴(kuò)展復(fù)原之后，再把這些報(bào)文轉(zhuǎn)交給目的地用戶進(jìn)程。,提供的服務(wù)：提供表達(dá)信息，它包括： 提供字符代碼、數(shù)據(jù)格式、控制信息格式、加密等的統(tǒng)一表示，僅對應(yīng)用層的信息內(nèi)容的形式進(jìn)行變換，而不改變內(nèi)容本身。 7）應(yīng)用層：是用戶同計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)真正的界面。它沒有被精確定義，其應(yīng)用進(jìn)程分為三種類型： a）系統(tǒng)管理應(yīng)用進(jìn)程：用于執(zhí)行所需的系統(tǒng)功能，以便控制和監(jiān)視系統(tǒng)的操作。 b）應(yīng)用管理進(jìn)程：用于監(jiān)視和控制應(yīng)用進(jìn)程的操作。 c）用戶應(yīng)用進(jìn)程：供終端用戶去執(zhí)行實(shí)際要

12、進(jìn)行的信息處理。 在應(yīng)用層需要考慮的問題： 分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：完成分布式數(shù)據(jù)庫的存取功能，達(dá)到在網(wǎng)絡(luò)上的用戶能共享數(shù)據(jù)的目的。,分布式操作系統(tǒng)：用統(tǒng)一的方法去管理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和運(yùn)行程序。 以ISO/OSI參考模型簡化的IEC/ISA現(xiàn)場總線通信結(jié)構(gòu)模型，為滿足過程控制實(shí)時(shí)性的要求，僅為三層結(jié)構(gòu)體系：應(yīng)用層；數(shù)據(jù)鏈路層；物理層。 應(yīng)用層（FAL ） 功能：為過程控制用戶提供一系列的服務(wù)，它包括：實(shí)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程之間的通信；提供應(yīng)用接口的操作標(biāo)準(zhǔn)。 進(jìn)程：任務(wù)執(zhí)行過程中的環(huán)節(jié)、步驟和事件。 1、幾個(gè)概念 1）應(yīng)用進(jìn)程（AP）：概念化的分布式系統(tǒng)的信息處理部件（軟件和硬件）資源的集合，由用戶部分及通信部分組

13、成，它以應(yīng)用進(jìn)程目標(biāo)來表達(dá)。 這就像有一些實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和操作規(guī)程，要想做個(gè)實(shí)驗(yàn)，就把所需的儀器設(shè)備組合起來，按照操作規(guī)程來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后得到所需的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。,2）應(yīng)用進(jìn)程目標(biāo)（APO）：為應(yīng)用進(jìn)程處理活動(dòng)和處理信息的網(wǎng)絡(luò)表達(dá)。它靠應(yīng)用實(shí)體（AE）來支持，由應(yīng)用實(shí)體提供對APO的訪問。 3）應(yīng)用實(shí)體（AE）：為一些通信服務(wù)功能，它是現(xiàn)場總應(yīng)用服務(wù)元素的集合。多個(gè)應(yīng)用服務(wù)元素（ASE）提供一組傳遞應(yīng)用層及其APO的請求和應(yīng)答的服務(wù)。每個(gè)ASE都是特定的，它包括變量、事件、裝載區(qū)域、功能請求等，它相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)中的具有特定功能的儀器。 應(yīng)用進(jìn)程之間的信息交換是在相似的應(yīng)用服務(wù)元素之間以應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（

14、APDU）來實(shí)現(xiàn)的。 應(yīng)用進(jìn)程之間的關(guān)系是通過邏輯鏈接來實(shí)現(xiàn)的（稱為應(yīng)用關(guān)系A(chǔ)R），應(yīng)用關(guān)系表示了一種兩個(gè)或多個(gè)應(yīng)用實(shí)體之間的關(guān)系，系統(tǒng)通過一個(gè)特殊的應(yīng)用服務(wù)元素（ARASE）提供建立、維持這種應(yīng)用關(guān)系。并提供在多個(gè)AP之間傳送應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元服務(wù)。,2、現(xiàn)場總線通信結(jié)構(gòu)模型中兩種不同的單向數(shù)據(jù)交換模式： 1）PUSH模式 由發(fā)布方來啟動(dòng)向索取方的數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)通信不需要應(yīng)答。 2）PULL模式 由單獨(dú)的發(fā)布管理器決定數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)刻，并強(qiáng)迫發(fā)布方發(fā)送相關(guān)的信息，同時(shí)需要確認(rèn)。 3、客戶/服務(wù)器類型 方式：客戶請求，服務(wù)器響應(yīng)請求并進(jìn)行相應(yīng)操作。 分為：確認(rèn)服務(wù)和非確認(rèn)服務(wù)。 數(shù)據(jù)鏈路層 上下層

15、之間的接口，通過它進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，來協(xié)調(diào)不同應(yīng)用進(jìn)程的工作過程。,為保證實(shí)時(shí)性，現(xiàn)場總線采用集中式管理方式，可有效利用物理通道，減少或避免實(shí)時(shí)通信的延遲。 特點(diǎn)： 1）建立一個(gè)特殊的站點(diǎn)，該站點(diǎn)給需要傳送信息的站點(diǎn)分配帶寬（數(shù)據(jù)通道），稱為鏈接調(diào)度器。 2）周期性數(shù)據(jù)的兩種發(fā)送方式： a）PULL模式； b）令牌，規(guī)定了使用時(shí)間。 3）非周期性數(shù)據(jù) a）實(shí)時(shí)性要求高采用相應(yīng)的管理策略，如中斷； b）實(shí)時(shí)性不是很高采用“盡快”策略，令牌的使用。 4）具有調(diào)度表修改的功能，亦即優(yōu)先級(jí)的管理策略。,物理層 同ISO/OSI模型中物理層的概念，但具體要求不一樣。 介質(zhì)：雙絞線，光纖，射頻 傳輸速度：31

16、.25Kb/s（用于支持本質(zhì)安全的環(huán)境），1Mb/s，2.5Mb/s 通信距離：1900m（31.25Kb/s），750m（1Mb/s），500m（2.5Mb/s）。 6.1.3 幾種典型的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) 書中介紹的幾種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)基本上都包括了前面我們介紹的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，它們之間的主要差別也就是在應(yīng)用層上的差別。 具體的協(xié)議內(nèi)容要結(jié)合相應(yīng)的產(chǎn)品應(yīng)用才能領(lǐng)會(huì)其實(shí)質(zhì)。 各種總線標(biāo)準(zhǔn)的比較,FF（Foundation Fieldbus）現(xiàn)場總線 為適應(yīng)自動(dòng)化系統(tǒng)，特別是過程自動(dòng)化系統(tǒng)在功能環(huán)境與技術(shù)上的需要而專門設(shè)計(jì)的。它可以工作在工廠生產(chǎn)的現(xiàn)場環(huán)境下，能適應(yīng)本質(zhì)安全防爆的要求，還可通

17、過傳輸數(shù)據(jù)的總線為現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。 它使自動(dòng)化系統(tǒng)具備了網(wǎng)絡(luò)化特征。 傳輸速率的典型值為：（ ）31.25Kb/s；（ ) 1Mb/s和2.5Mb/s。 1）FF現(xiàn)場總線的通信技術(shù) 通信模型、協(xié)議、控制器芯片、網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)管理 2）標(biāo)準(zhǔn)化功能塊與功能應(yīng)用進(jìn)程 提供了一個(gè)通用結(jié)構(gòu)，把實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)所需的各種功能劃分為功能模塊，使其公共特征標(biāo)準(zhǔn)化，并可組成為在某個(gè)現(xiàn)場設(shè)備中執(zhí)行的應(yīng)用進(jìn) 程。,3）設(shè)備描述與設(shè)備描述語言（指進(jìn)行設(shè)備描述的標(biāo)準(zhǔn)編程語言） 目的：實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的互操作性，支持標(biāo)準(zhǔn)的功能塊操作，可理解為系統(tǒng)或主機(jī)對某個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。 4）現(xiàn)場總線通信控制器與智能儀表或工業(yè)計(jì)算機(jī)之間的接

18、口技術(shù) 通信控制芯片、通信棧軟件 5）系統(tǒng)集成技術(shù) 通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的集成。如網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、配線、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)管理、控制系統(tǒng)組態(tài)、人機(jī)接口、系統(tǒng)管理維護(hù)等。 6）系統(tǒng)測試技術(shù) 通信系統(tǒng)的一致性與互操作性測試技術(shù)、總線監(jiān)聽分析技術(shù)、系統(tǒng)的功能和性能測試技術(shù)。,LON總線（Local Operating Networks） 采用Echelon公司開發(fā)的Lonworks技術(shù)，主要應(yīng)用在工業(yè)、樓宇、家庭、能源等自動(dòng)化領(lǐng)域。 最大特點(diǎn)：對OSI七層協(xié)議的支持 采用開放式通信協(xié)議LonTalk，為設(shè)備之間變換控制信息建立了一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)。具體實(shí)現(xiàn)采用了網(wǎng)絡(luò)變量這一形式。 神經(jīng)元芯片（neuro

19、n chip）是Lonworks技術(shù)的核心，不僅可作LON總線的通信處理器，還可作為采集和控制的通用處理器。 Lonworks技術(shù)由以下幾個(gè)部分組成： 1）Lonworks節(jié)點(diǎn)和路由器； 2）LonTalk協(xié)議； 3）Lonworks收發(fā)器； 4）Lonworks網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具。,由于Lonworks總線采用了路由器，所以它對多種通信介質(zhì)均支持，從而使得LON總線可以根據(jù)不同的現(xiàn)場環(huán)境選擇不同的收發(fā)器和介質(zhì)。 通信介質(zhì)：雙絞線（直接驅(qū)動(dòng)，EIA485，變壓器耦合）、電源線、電力線、無線、光纖。 PROFIBUS（Process Fieldbus） 它是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，即E

20、N50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于加工制造、過程和樓宇自動(dòng)化，是成熟的技術(shù)。 有三個(gè)兼容版本： PROFIBUSFMS，PROFIBUSDP，PROFIBUSPA。 具體見下圖。 提供三種傳輸技術(shù)： 1）DP和FMS的RS485傳輸；,通常稱為 ，采用屏蔽雙絞銅線電纜，適用于需要高速傳輸和設(shè)施簡單而又便宜的各個(gè)領(lǐng)域。 2）遵從IEC11582要求的PA傳輸 通常稱之為 ，可保持其本質(zhì)安全性，使現(xiàn)場設(shè)備通過總線供電，31.25Kb/s。 3）光纖傳輸 應(yīng)用于電磁干擾很大的環(huán)境，通過專用的總線插頭可將RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換成光纖信號(hào)，反之亦然。 HART通信協(xié)議（Highway Addressable

21、Remote Transduser） 最初由美國Rosemount公司開發(fā)，已應(yīng)用了多年，目前有HART通信基金會(huì)。它可使模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)雙向通信能同時(shí)進(jìn)行，而不相互干擾。 HART協(xié)議被認(rèn)為是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是一種過渡性的協(xié)議。,6.2 CAN接口技術(shù),最初由德國的BOSCH公司為汽車監(jiān)測系統(tǒng)而設(shè)計(jì)?，F(xiàn)已形成國際標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于汽車行業(yè)、過程行業(yè)、機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域。屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)。近年來，國內(nèi)已有很多領(lǐng)域大量應(yīng)用CAN技術(shù)，特別是在大型儀器設(shè)備、傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)控制中。 主要特點(diǎn)：具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。 1）為多主方式工作，

22、可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。 2）網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)可在134uS內(nèi)得到傳輸。 3）采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)，可使網(wǎng)絡(luò)避免出現(xiàn)癱瘓的情況（以太網(wǎng)則有可能）。 4）通過報(bào)文濾波可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全面廣播等傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。,5）直接通信距離達(dá)10Km（5Kbps），最高1Mbps（40m）。 6）理論節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)，實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，一般可達(dá)19個(gè)；報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2032種（CAN2.0A),擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（CAN2.0B）的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。 7）采用短幀結(jié)構(gòu)（8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)），具有極好的檢錯(cuò)效果。 8）通信介質(zhì)可為雙絞線

23、、同軸電纜、光纖。 9）節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，使其它節(jié)點(diǎn)操作不受影響。,6.2.1 CAN的技術(shù)規(guī)范 1、標(biāo)準(zhǔn) 1991.9發(fā)布CAN技術(shù)規(guī)范； 1993.11ISO頒布國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898； 有2種CAN總線協(xié)議：CAN1.0， CAN2.0； CAN2.0 規(guī)范有2種形式：2.0A（標(biāo)準(zhǔn)格式）和2.0B（標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展）。 CAN1.0 和CAN2.0A僅支持11位標(biāo)識(shí)符，而CAN2.0B在支持29位標(biāo)識(shí)符的基礎(chǔ)上，兼容11位標(biāo)識(shí)符。 11位和29位標(biāo)識(shí)的信息所適用的CAN協(xié)議：,由于這2種格式必須能夠共存于同一條總線上，協(xié)議規(guī)定，當(dāng)出現(xiàn)相同的基本標(biāo)識(shí)，但格式不同的信

24、息所引起的總線接入沖突時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)格式信息總是優(yōu)先于擴(kuò)展格式信息。 2、協(xié)議層次結(jié)構(gòu)及屬性 按照OSI參考模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為2層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層（見下圖）。 物理層采用雙線差動(dòng)，包括物理層信令（PLS）和媒體訪問單元（MAU），它定義了傳輸媒體、信號(hào)電平和位表示。 鏈路層是CAN的核心，定義了不同的信息類型、總線訪問的仲裁規(guī)則及故障處理的方式，由LLC子層和MAC子層構(gòu)成。 LLC子層的主要功能是為數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求提供服務(wù)，確認(rèn)由LLC子層接收的報(bào)文已被接收，并為恢復(fù)管理和通知超載提供信息。 MAC子層的功能主要是傳送規(guī)則，亦即控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢,測、出錯(cuò)標(biāo)定和故障界定。

25、在實(shí)際應(yīng)用中，需要在這2層之外附加一層來支持應(yīng)用過程。,故障界定,總線故障管理,監(jiān)控器,由于所有的錯(cuò)誤檢測、糾錯(cuò)、傳輸和接收等都是通過CAN控制器硬件完成的，所以用戶組建這樣的兩線網(wǎng)絡(luò)，僅需要極少的軟件。 3、報(bào)文傳送及其幀結(jié)構(gòu) 報(bào)文傳送有4種不同類型的幀表示和控制。 數(shù)據(jù)幀；數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器到接收器； 遠(yuǎn)程幀：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請求發(fā)送具有同一識(shí)別符的數(shù)據(jù)幀； 錯(cuò)誤幀：任何單元檢測到一總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀； 過載幀：用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供附加的延時(shí)。 數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）通過幀間空間與前述的各幀分開。 構(gòu)成一幀的幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場和CRC序列均借助位

26、填充規(guī)則進(jìn)行編碼。 當(dāng)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)據(jù)值時(shí)，將自動(dòng)的在發(fā)送的位流中插入一個(gè)補(bǔ)碼位。,出錯(cuò)幀和超載幀是固定格式，不進(jìn)行位填充。 報(bào)文位流按非歸零（NRZ）方法 編碼（如右圖所示）。 1）數(shù)據(jù)幀 數(shù)據(jù)幀的組成見下圖： 由7個(gè)不同的位場組成，即幀起始、 仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。,具有11位標(biāo)識(shí)符的幀為標(biāo)準(zhǔn)幀；包括29位標(biāo)識(shí)符的幀為擴(kuò)展幀（如下圖所示）。,CAN2.0B對報(bào)文濾波特別加以描述，報(bào)文濾波以整個(gè)標(biāo)識(shí)符為基準(zhǔn)。屏蔽寄存器可用于選擇一組標(biāo)識(shí)符，以便映像至接收緩存器中，屏蔽寄存器每一位都須是可編程的，其長度既可以是整個(gè)標(biāo)識(shí)符，也可以是其中一部

27、分。 a）幀起始：標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，由一個(gè)顯位構(gòu)成。只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，才允許站開始發(fā)送。所有站都必須同步于首先開始發(fā)送的那個(gè)站的幀起始前沿。 b）仲裁場：由標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（RTR）組成，如下圖所示。 CAN2.0A的標(biāo)識(shí)符長度為11位，這些位以從高位到低位的順序發(fā)送。其中，最高7位：ID.10ID.4不能全為隱位。RTR位在數(shù)據(jù)幀中必須是顯位，而在遠(yuǎn)程幀中必須是隱位。 CAN2.0B中，標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的仲裁場格式不同。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，仲裁場的標(biāo)識(shí)符位為： ID.28ID.18；而在擴(kuò)展格式中，仲裁場的標(biāo)識(shí)符位為： ID.28ID.0。,IDE位用于區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格

28、式，IDE位對于擴(kuò)展格式屬于仲裁場,對于標(biāo)準(zhǔn)格式屬于控制場。IDE在標(biāo)準(zhǔn)格式中以顯性電平發(fā)送，而在擴(kuò)展格式中以隱性電平發(fā)送。SRR位為隱位，在擴(kuò)展格式中，它替代標(biāo)準(zhǔn)格式中的RTR位。 c）控制場：如上圖所示，由6位組成。包括2個(gè)保留位和4個(gè)數(shù)據(jù)長度編碼，2個(gè)保留位必須發(fā)送顯性電平，但接收器認(rèn)可顯位與隱位的全部組合。數(shù)據(jù)字節(jié)允許使用的數(shù)目為08，不能使用其它數(shù)目。 d）數(shù)據(jù)場：可包括08個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)8位，最高有效位先發(fā)送。 e）CRC場：包括CRC序列和CRC界定符（一個(gè)隱位），如下圖所示。 實(shí)現(xiàn)CRC計(jì)算的范圍包括：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場在內(nèi)的無填充的位流，生成多項(xiàng)式為： f）應(yīng)答

29、場：包括ACK間隙和ACK界定符。 在應(yīng)答場中，發(fā)送器送出兩個(gè)隱位。一個(gè)正確的接收到有效位的接收,器，在應(yīng)答間隙將此信息通過發(fā)送一個(gè)顯位報(bào)告給發(fā)送器，應(yīng)答場的第二位是應(yīng)答界定符，必須是隱位。,g）幀結(jié)束：每個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由7個(gè)隱位組成的標(biāo)志序列界定。 2）遠(yuǎn)程幀 激活為數(shù)據(jù)接收器的站可以借助于傳送一個(gè)遠(yuǎn)程幀初始化源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，與數(shù)據(jù)幀相比，僅少一個(gè)數(shù)據(jù)場。 3）出錯(cuò)幀 由兩個(gè)場組成：錯(cuò)誤疊加標(biāo)志（長度612位）、錯(cuò)誤界定符（8個(gè)隱位）。 錯(cuò)誤標(biāo)志具有2種形式：活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志和認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志?；顒?dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志由6個(gè)連續(xù)的顯位組成；認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志一般由6個(gè)連續(xù)的隱位組成，除非被來自其它節(jié)點(diǎn)的顯位沖掉

30、重寫。 出錯(cuò)界定符包括8個(gè)隱位，錯(cuò)誤標(biāo)志發(fā)送后，每個(gè)站都送出隱位，并監(jiān)視總線，直到檢測到隱位，然后發(fā)送剩余的7個(gè)隱位。,4）超載幀 由兩個(gè)場組成：超載標(biāo)志（6個(gè)顯位）、超載界定符（8個(gè)隱位）。,有兩種導(dǎo)致發(fā)送超載標(biāo)志的超載條件：一是要求延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的接收器的內(nèi)部條件；二是在間歇場檢測到顯位。由前一個(gè)超載條件引起的超載幀起點(diǎn)，僅允許在期望間歇場的第一位開始；而由后一個(gè)超載條件引起的超載幀在檢測到顯位的后一位開始。 超載標(biāo)志形式對應(yīng)于活動(dòng)標(biāo)志形式；超載界定符與錯(cuò)誤界定符具有相同的形式,5）幀間空間：包括間歇場（3個(gè)隱位，間隙期間，不允許啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程幀）和總線空閑場。 任何傳輸相鄰

31、的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀之間均被稱為幀間空間分開；而在超載幀和出錯(cuò)幀前面沒有幀間空間。 對于發(fā)送“錯(cuò)誤認(rèn)可”報(bào)文的站在其發(fā)送的幀間空間中還包含有暫停發(fā)送場；而對于非“錯(cuò)誤認(rèn)可”或已經(jīng)完成前面報(bào)文的接收器，其幀間空間只包含間歇場和總線空閑場。具體結(jié)構(gòu)參見下圖。 暫停發(fā)送場是指錯(cuò)誤認(rèn)可站發(fā)完報(bào)文后，在開始下一次報(bào)文發(fā)送或認(rèn)可總線空閑之前，緊隨間歇場后送出8個(gè)隱位。如果其間開始一次發(fā)送（由其它站引起），本站將變?yōu)閳?bào)文接收器。,4、錯(cuò)誤類型和界定 有5種類型的錯(cuò)誤。 1）位錯(cuò)誤：指某個(gè)單元在監(jiān)測出總線上的位數(shù)據(jù)值與送出的位數(shù)據(jù)值不同時(shí)。下列情況不屬于位錯(cuò)誤：在仲裁場的填充位流期間；應(yīng)答間隙期間；錯(cuò)誤疊加標(biāo)志期

32、間。 2）填充錯(cuò)誤：在應(yīng)該使用位填充方法進(jìn)行編碼的報(bào)文中，出現(xiàn)了第6個(gè)連續(xù)相同的位電平時(shí)，即為一個(gè)位填充錯(cuò)誤，一般出現(xiàn)在數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。 3）CRC錯(cuò)誤：當(dāng)接收器在接收到一個(gè)完整的報(bào)文幀后，其CRC的計(jì)算結(jié)果與接收到的CRC序列不相同時(shí)，即檢出一個(gè)CRC錯(cuò)誤。 4）形式錯(cuò)誤：當(dāng)固定形式的位場中出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)非法位時(shí)，即檢出一個(gè)形式錯(cuò)誤。 5）應(yīng)答錯(cuò)誤：在應(yīng)答間隙，當(dāng)發(fā)送器未檢測到顯位時(shí)，即檢出一個(gè)應(yīng)答錯(cuò)誤。,檢測到出錯(cuò)條件的站通過發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)任何站檢出位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤或應(yīng)答錯(cuò)誤時(shí)，由該站在下一位開始發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志；當(dāng)檢測到CRC錯(cuò)誤時(shí)，出錯(cuò)標(biāo)志在應(yīng)答界定符后面那一位開始發(fā)送

33、。 在CAN總線中，任何站點(diǎn)可能有3種故障狀態(tài)：錯(cuò)誤激活、錯(cuò)誤認(rèn)可、總線關(guān)閉。其中錯(cuò)誤激活狀態(tài)節(jié)點(diǎn)和錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)節(jié)點(diǎn)均參與總線通信，而總線狀態(tài)關(guān)閉節(jié)點(diǎn)僅接收總線位流信息。 站點(diǎn)的錯(cuò)誤狀態(tài)由單元內(nèi)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值確定。當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)均小于或等于127時(shí)，為錯(cuò)誤激活節(jié)點(diǎn)；當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)大于127時(shí)，為錯(cuò)誤認(rèn)可節(jié)點(diǎn)；當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值等于或大于256時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于總線關(guān)閉狀態(tài)。 5、位定時(shí)與同步 CAN總線一個(gè)數(shù)據(jù)位的組成部分如下圖所示：,在位時(shí)間中，時(shí)間分額的總數(shù)通過編程設(shè)定可在825之間，圖示為10。,同步調(diào)治寬度（SJW

34、）：考慮節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的分散性，定義了在重同步事件中被增加或縮短了的位時(shí)間Tq的數(shù)量。,6、CAN高層協(xié)議 指應(yīng)用層協(xié)議，它是在CAN規(guī)范的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。目前有代表性的應(yīng)用層協(xié)議有：CANopen、DeviceNet等。 DeviceNet適合于工廠自動(dòng)化控制；而CANopen協(xié)議適合于所有機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)，如汽車電子系統(tǒng)。 6.2.2 CAN總線通信介質(zhì)及收發(fā)裝置特性 CAN最常用的物理媒體是雙絞線。信號(hào)使用差分電壓傳送。2條信號(hào)線被稱為“CAN-H”、“CAN-L”，靜態(tài)時(shí)電壓都是2.5V左右。此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯“1”，稱為“隱性”。在CAN-H上的電壓為3.5V，CAN-L上的電壓

35、為1.5V時(shí)，此時(shí)總線的狀態(tài)表示為邏輯“0”,稱為“顯性”。 ISO 11898建議的電氣連接如下圖所示，連接于總線上的節(jié)點(diǎn)稱為電子控制單元（ECU），總線末端均接有用于抑制反射的終端電阻RL。 總線驅(qū)動(dòng)可采用單線上拉、單線下拉或雙線驅(qū)動(dòng)；接收采用差分比較器。,若所有的ECU的晶體管均被關(guān)閉，則總線處于隱性狀態(tài)；若成對晶體管至少有一個(gè)被接通，則總線處于顯性狀態(tài)。,1、總線電氣參數(shù)（雙絞線） 2、總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù),根據(jù)ISO 11898建議的總線媒體電氣性能，總線在發(fā)生某些故障時(shí)應(yīng)不至于使通信中斷，并為故障的定位提供可能。,6.2.3 CAN總線的接口器件 目前，一些主要的CAN總線器件產(chǎn)品如

36、下表所示。 1、帶有CAN總線接口的微控制器及I/O器件：P8XC592 這是一款將常規(guī)微控制器和CAN通信控制器功能結(jié)合在一起的器件，其,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。,4個(gè)特殊功能寄存器的位功能如下表所示：,2、CAN總線I/O器件：82C250 1）功能框圖如下圖所示：,2）82C250真值表,6.2.4 CAN總線的應(yīng)用 1）大型儀器設(shè)備（如CT斷層掃描儀） 2）在傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用 MTS公司的磁致伸縮長度測量傳感器； MTZ公司的4通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ccc4。 3）在工業(yè)控制中的應(yīng)用。利用它的多主通道機(jī)制。,具體應(yīng)用舉例： 1、通過SPI接口與ARM處理器的連接 CAN控制器采用

37、的是微芯公司的帶SPI接口的獨(dú)立的CAN控制器MCP2510，支持CAN 總線V2.0A/B技術(shù)規(guī)范。CAN節(jié)點(diǎn)速率可達(dá)1Mbps。MCP2510的特性如下： 08字節(jié)的報(bào)文長度； 標(biāo)準(zhǔn)幀和數(shù)據(jù)擴(kuò)展幀，支持遠(yuǎn)程幀； 兩個(gè)接收緩沖器，可優(yōu)先儲(chǔ)存報(bào)文； 六個(gè)完全驗(yàn)收濾波器，兩個(gè)完全驗(yàn)收屏蔽濾波器； 三個(gè)發(fā)送緩沖器，可進(jìn)行發(fā)送優(yōu)先級(jí)設(shè)定并可中止發(fā)送； 有用于自檢的巡回功能； 高速的SPI總線（最高速率可達(dá)5MHz）。,CAN總線接口連線圖,MCP2510的中斷采用處理器的外部中斷0，TX0RTS、TX1RTS、TX2RTS三個(gè)輸入引腳可用于分別啟動(dòng)相應(yīng)三個(gè)發(fā)送緩沖器中報(bào)文的發(fā)送。當(dāng)接收緩沖器0和1中

38、接收到有效報(bào)文時(shí)，可以RX1BF和RX0BF這兩個(gè)輸出引腳向處理器發(fā)送中斷信號(hào)。CLKOUT是MCP2510時(shí)鐘分頻輸出引腳，可以向MCU提供時(shí)鐘 。 由于MCP2510的總線驅(qū)動(dòng)能力有限，必須外加CAN總線收發(fā)器，可以采用Philips 公司的總線收發(fā)器PCA82C251。但是并沒有直接把MCP2510的總線信號(hào)TXCAN和RXCAN接到82C251上，而是分別經(jīng)過光隔器件6N137隔離之后與收發(fā)器相連，這樣可以大大提高總線的抗干擾和抗高壓能力。 2、通過并口與8位單片機(jī)的連接 采用的CAN控制器是廣泛應(yīng)用于8位單片機(jī)系統(tǒng)中的獨(dú)立的CAN控制器,SJA1000。和MCP2510一樣，SJA1

39、000同樣也支持兩種模式：BasicCan和PeliCan模式。特性如下： 靈活的微處理器接口； 可編程的CAN輸出驅(qū)動(dòng)器； 位頻率最高可達(dá)1Mbps； 64字節(jié)的接收FIFO，接收FIFO可以儲(chǔ)存高達(dá)21個(gè)報(bào)文，延長了中斷復(fù)位時(shí)間，避免了數(shù)據(jù)超載； 接收比較器旁路，可以減少內(nèi)部延遲，改進(jìn)位定時(shí)編程，使CAN總線線路更長。 CAN總線接口連線如下圖所示。SJA1000具有8位地址數(shù)據(jù)復(fù)用并行I/O口AD0-AD7，接51芯片的P0口，P0口正好也是數(shù)據(jù)地址復(fù)用，ALE接51的地址鎖存信號(hào)?？刂破鞯闹袛噍敵鯥NT接51的外部中斷0。SJA1000支持直接連接兩個(gè)微型處理器系列：80C51和68X

40、X，MODE引腳用來配置接口模式，Intel模,CAN總線接口電路,式：MODE=高，Motorola模式：MODE=低。若采用51單片機(jī)，MODE接高電平。 SJA1000有兩路總線接口：TX0，RX0；TX1，RX1。這里只用了一路TX0和RX0。 同樣設(shè)備節(jié)點(diǎn)在CAN控制器和收發(fā)器之間也加了光隔電路，因?yàn)樵O(shè)備節(jié)點(diǎn)單片機(jī)系統(tǒng)的電源直接來自與之相連的設(shè)備，而各個(gè)設(shè)備的電位往往相差較大，為了保持總線上數(shù)據(jù)信號(hào)的正常傳輸必須要將總線電平和設(shè)備內(nèi)部電平隔離，同時(shí)這樣也能提高總線的抗干擾性。,問題10： 結(jié)合CAN總線的一般電氣連接結(jié)構(gòu)形式和協(xié)議規(guī)范，說明CAN所采用的多主通信和非破壞性總線仲裁技術(shù)

41、的機(jī)制。, 6.3.1 通用智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE1451簡介 IEEE1451的目標(biāo)是要定義一套通用的通信接口，以使傳感器與現(xiàn)有基于微處理器的系統(tǒng)、儀器儀表和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相連，并最終實(shí)現(xiàn)傳感器到網(wǎng)絡(luò)的互換性和互操作性。其標(biāo)準(zhǔn)系列是IEEE1451.1，IEEE1451.2，IEEE1451.3，IEEE1451.4。 1）IEEE1451.1：網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器信息模式標(biāo)準(zhǔn)； 2）IEEE1451.2：變換器、微處理器通信協(xié)議和變換器電子數(shù)據(jù)表（TEDS）標(biāo)準(zhǔn)； 3）IEEEP1451.3：分布式多點(diǎn)系統(tǒng)的變換器信息格式和數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)； 4）IEEEP1451.4：混合型變換器信息格式和通信

42、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 它把傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分隔開來，這其中包括傳感器自識(shí)別、自配置、遠(yuǎn)程自標(biāo)定、長期自身文檔維護(hù)、簡化傳感器升級(jí)維護(hù)以及增加系統(tǒng)與數(shù)據(jù)的可靠性等。,6.3 IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn),IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)間的相互關(guān)系,IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)定義的功能框架包含了一系列數(shù)據(jù)與對象模型，以使傳感器數(shù)據(jù)能夠通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。 IEEE1451的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通過網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器NCAP把智能變換器接口模塊STIM、總線接口模塊以及混合型模塊等單元聯(lián)系在一起。 將節(jié)點(diǎn)功能分成兩種結(jié)構(gòu)模塊， 第一種模塊結(jié)構(gòu)用來運(yùn)行網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議棧（network protocoal stack）和應(yīng)用固件（applica

43、tion firmware）即網(wǎng)絡(luò)匹配處理器 NCAP（network capable application process）；第二種模塊為智能變送器接口模塊 STIM（smart transducer interface module），,智能變送器接口,其中包括變送器輔助電子系統(tǒng)和變送器電子數(shù)據(jù)單TEDS（transducer electronic data sheet)。 IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)的比較, 6.3.2 IEEE1451.1,IEEE1451.1定義了智能變換器的對象模型，用面向?qū)ο蟮恼Z言對傳感器的行為進(jìn)行描述。通過這個(gè)模型，原始傳感器數(shù)據(jù)借助標(biāo)定數(shù)據(jù)來進(jìn)行修正并產(chǎn)生一個(gè)

44、標(biāo)準(zhǔn)化的輸出。通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用編程接口（API）來實(shí)現(xiàn)從模型到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的映射，并以可選的方式支持所有通信接口。 網(wǎng)絡(luò)匹配處理器（NCAP）包含一個(gè)帶有嵌入式操作系統(tǒng)的處理器，在NCAP的功能模塊中，有基本傳感器模塊、非IEEE1451對象、數(shù)個(gè)軟件程序、一個(gè)對象的NCAP模塊。區(qū)分對象是依據(jù)對象的類別ID、類別名稱、對象ID、對象標(biāo)簽、對象名稱和對象發(fā)送地址等6個(gè)指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。 IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)提供了兩種網(wǎng)絡(luò)通信模式：客戶/服務(wù)器模式和發(fā)布/訂閱模式，分別對應(yīng)一對一通信和一對多或多對多。網(wǎng)絡(luò)軟件提供一個(gè)代碼庫，代碼庫含有IEEE1451.1與網(wǎng)絡(luò)之間的呼叫例程。, 6.3.3 IEEE

45、1451.2 IEEE1451.2定義了智能變換器接口模塊（包括TEDS）和一個(gè)10線的數(shù)字接口變換器獨(dú)立接口（TII）。傳感器的TEDS包含了產(chǎn)品相關(guān)信息，如制造商名稱、傳感器類型、序列號(hào)和標(biāo)定數(shù)據(jù)等，并在系統(tǒng)上電或有命令請求時(shí)立刻發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)或儀器上。變換器數(shù)據(jù)首先轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，然后通過TII發(fā)送給NCAP。,1、變換器獨(dú)立接口TII,2、變換器接口模塊STIM 在變換器接口模塊中包含了變換器（XDCR）、信號(hào)調(diào)理器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、數(shù)字I/O接口、存儲(chǔ)器、TEDS等。STIM包括1255個(gè)不同類型的變換器，由一個(gè)NCAP模塊通過精密的數(shù)字接口來控制。在一個(gè)STIM中，可以只有

46、一個(gè)傳感器或執(zhí)行器，也可以有多個(gè)通道的變換器。STIM具有一個(gè)適當(dāng)格式的TEDS、一個(gè)TII和適當(dāng)?shù)膮f(xié)議。 IEEE1451.2定義了6種變換器，其中有4種傳感器、一個(gè)執(zhí)行器和一個(gè)事件探測器。4種傳感器包括：傳感器、緩沖傳感器、數(shù)據(jù)序列傳感器、緩沖數(shù)據(jù)序列傳感器。它們都可以讀取變量并將數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以獲得微處理器能夠處理的有效數(shù)據(jù)。 3、變換器電子數(shù)據(jù)單TEDS TEDS包含了變送器本身的重要信息：變送器信息（生產(chǎn)商、模型號(hào)、版本,號(hào)、系列號(hào)、設(shè)備型號(hào)、日期）、數(shù)據(jù)模型（信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模型、模型長度、重要二進(jìn)制位）、用戶單位、校準(zhǔn)參數(shù)（校準(zhǔn)時(shí)間、變量、類型和使用局限、校準(zhǔn)常數(shù)）、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)

47、置（通道讀/寫時(shí)間設(shè)置、采樣周期、預(yù)熱時(shí)間、刷新時(shí)間、電源要求（電壓和電流、TEDS的長度和通道的數(shù)目）等。 IEEE1451.2定義了8種不同的TEDS，它們分別是：Meta-TEDS、Channel-TEDS、Calibration-TEDS、Meta-identification TEDS、Channel-identification TEDS、Calibration-identification TEDS、End Users Application-Specific TEDS和Industry Extensions TEDS，其中Meta-TEDS、Channel-TEDS是必需的，其

48、他是可選的。 Meta-TEDS描述TEDS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、STIM的極限時(shí)間參數(shù)和通道組信息等有關(guān)STIM的總體信息； Channel-TEDS主要定義每個(gè)通道的具體信息，如函,數(shù)模型、校準(zhǔn)模型、物理單位、量程上下限、使用時(shí)限等參數(shù)； End Users Application-Specific TEDS用來為最終用戶額外提供所需要的特殊信息，如STIM所處的位置、維護(hù)人員的姓名、電話等。,4、校正/糾錯(cuò) IEEE1451.2描述了一個(gè)糾錯(cuò)算法，讓用戶將ADC輸出轉(zhuǎn)換為工程單元給變換器，再將工程單元轉(zhuǎn)換為DAC的輸出給執(zhí)行器。真值表、線性變換、多輸入多項(xiàng)式校準(zhǔn)都包括在傳感器可能使用的數(shù)據(jù)之中。

49、5、STIM的電源 一般規(guī)定為直流5V（0.20V），STIM接口控制電路的電源主要由通信接口來提供，如果傳感器和執(zhí)行器的電流或電壓超出NCAP所能提供的水平。則由外界提供。 6、STIM的結(jié)構(gòu)類型、舉例, 6.3.4 IEEE P1451.3 IEEE P1451.3定義了分布式多點(diǎn)系統(tǒng)的變換器信息格式和數(shù)字通信，是一種物理上相互獨(dú)立的、連接多個(gè)傳感器的數(shù)字總線接口。它允許數(shù)字信息存儲(chǔ)于變換器內(nèi)，且通過變換器總線傳輸，是一種微型總線模式。 變換器總線控制器TBC負(fù)責(zé)管理微型總線接口與數(shù)據(jù)交換。, 6.3.5 IEEE P1451.4 IEEE P1451.4定義了混合型變換器信息格式與高級(jí)I

50、EEE1451目標(biāo)進(jìn)行數(shù)字信息通信的協(xié)議及簡化的TEDS，也定義了自識(shí)別、測試和可編程信號(hào)規(guī)范的雙向數(shù)字通信， IEEE P1451.4可以與傳統(tǒng)的系統(tǒng)兼容。 IEEE P1451.4混合模式網(wǎng)絡(luò)對TEDS進(jìn)行重新定義，以使存儲(chǔ)單元最小化。, 6.4.1 Ethernet協(xié)議概述 1、Ethernet技術(shù)規(guī)范與IEEE802.2、IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)兩者之間的比較： 物理規(guī)范 服務(wù) 幀格式 802.3 幀格式： Ethernet 幀格式：,6.4 工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù),2、Ethernet的體系結(jié)構(gòu) 三層結(jié)構(gòu)：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、用戶層。 物理層功能 數(shù)據(jù)鏈路層的主要邏輯功能 Ethernet網(wǎng)

51、的協(xié)議自識(shí)別功能 Ethernet是IEEE802.3協(xié)議的一種具體實(shí)現(xiàn) Ethernet地址實(shí)行全球編址，其站地址具有全球唯一性 。 6.4.2 工業(yè)Ethernet的特點(diǎn)及要求 工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)） 兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、 可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。,Ethernet技術(shù)的迅速發(fā)展，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技 術(shù)的發(fā)展，給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來了希望，并使Ethernet 全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域成為可能。 目前

52、，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 1、通信的確定性和實(shí)時(shí)性 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)在于它必須滿足控制作用 對實(shí)時(shí)性的要求，即信號(hào)傳輸要足夠的快和滿足信號(hào)的確定性。實(shí)時(shí)控制往 往要求對某些變量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定時(shí)刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢 測方式，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要 求，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確定時(shí)通信的實(shí)時(shí)性要 求，一直被視為非確定性的網(wǎng)絡(luò)。 然而，快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定 性問題帶來了新的契機(jī)，使這一應(yīng)用成為可能。,1）Ethernet的通信速率從10M、100M增大到如今

53、的1000M、10G，在數(shù)據(jù) 吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延 時(shí)的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞機(jī)率大大下降。 2）采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分若干個(gè)網(wǎng)段。Ethernet 交換機(jī)由于具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀 能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時(shí)交換機(jī)還可對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過 濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過主 干網(wǎng)，也不占用其它網(wǎng)段帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。 3）全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上分別同時(shí)接 收和發(fā)送報(bào)文幀，也不會(huì)發(fā)生沖突。 因此，采用交換式集線器和

54、全雙工通信，可使網(wǎng)絡(luò)上的沖突或不復(fù)存在 （全雙工通信），或碰撞機(jī)率大大降低（半雙工），因此使Ethernet通信確 定性和實(shí)時(shí)性大大提高。,2、穩(wěn)定性與可靠性 為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定工作的 問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann、Jetter AG等公司專 門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、交換機(jī)產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有 冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。臺(tái)灣Moxa科技在2002年6月推 出工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品MOXA EtherDevice Server(工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器)， 特別設(shè)計(jì)用于連接工業(yè)應(yīng)用中具有以太網(wǎng)絡(luò)接

55、口工業(yè)設(shè)備（如 PLC、HMI、 DCS系統(tǒng)等）。 最近剛剛發(fā)布的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，對Ethernet的總線供電規(guī)范也進(jìn) 行了定義。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接 則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以此提高網(wǎng) 絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。,3、工業(yè)Ethernet協(xié)議 工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)除了完成數(shù)據(jù)傳輸之外，往往還需要依靠所傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令，執(zhí)行某些控制計(jì)算與操作功能，由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)完成 自控任務(wù)。因而它需要在應(yīng)用、用戶等高層協(xié)議與規(guī)范上滿足開放系統(tǒng)的要 求，滿足互操作條件。 對應(yīng)于ISO/OSI七層通信模型，以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范只映

56、射為其中的物理層 和數(shù)據(jù)鏈路層；而在其之上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，目前以TCP/IP協(xié)議為主 （已成為以太網(wǎng)之上傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層“事實(shí)上的”標(biāo)準(zhǔn)）。而對較高的層次 如會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層等沒有作技術(shù)規(guī)定。目前商用計(jì)算機(jī)設(shè)備之間是 通過FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）、SMTP（簡單郵件傳 送協(xié)議）、HTTP（WWW協(xié)議）、SNMP（簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）等應(yīng)用層協(xié)議進(jìn) 行信息透明訪問的，它們?nèi)缃裨诨ヂ?lián)網(wǎng)上發(fā)揮了非常重要的作用。但這些協(xié) 議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域現(xiàn)場設(shè)備之間的,實(shí)時(shí)通信。 為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，必須在Ethernet+TCP/

57、IP協(xié)議之 上，建立完整的、有效的通信服務(wù)模型，制定有效的實(shí)時(shí)通信服務(wù)機(jī)制，協(xié) 調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信息的傳輸服務(wù)，形成為廣大工控生 產(chǎn)廠商和用戶所接收的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議，進(jìn)而形成開放的標(biāo)準(zhǔn)。為此， 各現(xiàn)場總線組織紛紛將以太網(wǎng)引入其現(xiàn)場總線體系中的高速部分，利用以太 網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)，以及原有的低速現(xiàn)場總線應(yīng)用層協(xié)議，從而構(gòu)成了所謂的 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。 1） HSE(High Speed Ethernet，高速以太網(wǎng)) HSE是現(xiàn)場總線基金會(huì)在摒棄了原有高速總線H2之后的新作。FF現(xiàn)場總 線基金會(huì)明確將HSE定位成實(shí)現(xiàn)控

58、制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)Internet的集成。由HSE鏈 接設(shè)備將H1網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)的主干上并進(jìn)一步送到企業(yè)的ERP和管理 系統(tǒng)。操作員在主控室可以直接使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看現(xiàn)場運(yùn)行情況。現(xiàn)場設(shè),備同樣也可以從網(wǎng)絡(luò)獲得控制信息。 HSE在低四層直接采用以太網(wǎng)+TCP/IP，在應(yīng)用層和用戶層直接采用FF H1的應(yīng)用層服務(wù)和功能塊應(yīng)用進(jìn)程規(guī)范，并通過鏈接設(shè)備(Linking Device) 將FF H1網(wǎng)絡(luò)連接到HSE網(wǎng)段上，HSE鏈接設(shè)備同時(shí)也具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)功能， 它的網(wǎng)橋功能能用來連接多個(gè)H1總線網(wǎng)段，使不同H1網(wǎng)段上的H1設(shè)備之間能 夠進(jìn)行對等通信而無需主機(jī)系統(tǒng)的干預(yù)。HSE主機(jī)可以與所有的鏈接設(shè)備和 鏈接設(shè)備上掛接的H1設(shè)備進(jìn)行通信，使操作數(shù)據(jù)能傳送到遠(yuǎn)程的現(xiàn)場設(shè)備， 并接收來自現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和報(bào)表功能。監(jiān)視和控制參數(shù)可 直接映射到標(biāo)準(zhǔn)功能塊或者“柔性功能塊”(FFB)中。 2）PROFInet Profibus國際組織針對工業(yè)控制要求和Profibus技術(shù)特點(diǎn)，提出了基于 以太網(wǎng)的PROFInet，它主要包含3方面的技術(shù)： a） 基于通用對象模型(COM)的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)；,b）規(guī)定了Profibus和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之間的開放、透明通信； c）提供了一個(gè)包括設(shè)備層和