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1、测控系统通信与网络,主讲：武汉大学电子信息学院 王泉德,第七章 现场总线,1983年，Honeywell推出了一款崭新的智能化仪表Smar变送器。这个带有微处理器芯片的仪表在输出端的4-20mA直流信号上首次迭加了数字信号，这一革新使生产现场与控制室之间的通信就可以使用数字信号了。 1984年开始，美国仪表协会和国际电工委员会相继开始了现场总线体系结构与标准的研究制定工作，研究具有通信功能的、传输信号全数字化的控制仪表和系统。 1986年，德国推出了世界上第一个现场总线标准-过程现场总线标准PROFIBUS。 从此，国际大公司及各联合体掀起了现场总线的标准制定及相关产品开发与应用的高潮。,一.
2、 概述,是一种应用在生产现场，在嵌入式测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。它是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，广泛应用在制造业、流程工业、交通、楼宇等领域的自动化系统中。 现场总线可与因特网（Internet）、企业内部网（Intranet）相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而将其归为底层网络。,现场总线（Fieldbus）定义:,现场总线技术就是把单个分散的测量控制设备变成测控网络节点，以现场总线为纽带，联结成可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统。因此，现场总线也称为现场总线控制系统。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布
3、控制系统，要完成基本的控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控制管理等功能，是一个新型综合自动化系统。,1过程现场总线PROFIBUS(PROcess Field BUS) Profibus现场总线标准既是德国国家标准DIN19245，也是欧洲标准EN50170。PROFIBUS由三部分组成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。 FMS（Fieldbus Message Specification）是用于车间级监控的令牌方式实时多主网络，用于连接控制系统中的工程师工作站、操作员站、PLC或DCS控制站。FMS总线还可以连接区域控制器，并通过区
4、域控制器接入工厂级的局域网络。,二. 现场总线类型,DP用于控制系统与分散式IO的通信。在控制系统中，PLC或DCS控制站和现场开关设备之间的互连和通信是用DP总线完成的。PA专为生产过程自动化而设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上。 PROFIBUS的传输速率为9.6Kbps12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为100M，1.5Mbps时为400M，可用中继器延长至10Km。传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。,2可寻址远程传感器数据通路HART HART是美国Rosemount公司研制的。HART协议参照ISO/OSI模型的第1、2、7层，即物理层、数据链
5、路层和应用层。 物理层采用基于Bell 202通信标准的FSK技术，用屏蔽双绞线作介质，单台设备通信距离为3Km，多台设备互连距离为1.5Km。 数据链路层规定数据帧长度最长不超过25个字节，可寻址16个。 应用层规定三类命令：通用命令、普通命令和特殊命令，分别用于遵守HART协议的全部、大部和特殊产品。,3基金会现场总线FF 基金会现场总线，即Foudation Fieldbus，简称FF FF的体系结构也参照ISO/OSI模型的第1、2、7层，另外增加了用户层。 FF提供两种物理标准：H1和H2。H1为用于过程控制的低速总线，速率为31.25kbps，传输距离为200m、400m、1200
6、m和1900m四种。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，通信距离分别为750m和500m。 物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆、光纤和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。,基金会现场总线的主要技术内容包括FF通信协议；用于完成开放互连模型中第2、7层通信协议的通信栈；用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL（Device Description Language）设备描述语言；设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑综合自动化系统、网络系统的系统集成技术等。
7、,4控制器局域网络CAN(Controller Area Network) CAN是由德国BOSCH公司最初为汽车工业的监视和控制而设计的。 5局部操作网络LON（Local Operating Network） LON是美国Echelon公司研制的。,CAN网络是现场总线技术的一种。CAN推出之初主要用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。例如汽车刹车防抱死系统、安全气囊等。实际上，机动车辆总线和工业现场总线的要求有许多相似之处，即成本要低，实时处理能力要强，抗强电磁干扰，可靠性高等。因此CAN总线可广泛应用于离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的底层监控，以完成控制与监测设备
8、之间可靠和实时的数据交换。,三. CAN总线,1. 概述,协议采用3层模型：物理层、数据链路层和应用层。拓扑结构为总线型。 以多主方式工作。网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从。通信方式灵活，无需站地址等节点信息。 采用非破坏性仲裁技术。当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，有效避免了总线冲突。 采用短帧结构。每帧的有效字节数为8个（CAN技术规范2.0A），数据传输时间短，受干扰的概率低，具有较好的检错效果。,2. CAN总线基本特点,数据帧都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高
9、可靠性。适于在高干扰环境中使用。 节点在严重故障的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其它操作不受影响。 可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播方式传送和接受数据。 支持的传输介质为双绞线、同轴电缆和光纤等。采用双绞线通信时，速率为1Mbps40m ,5Kbps/10km，结点数可达110个。 采用不归零码编码/解码方式，并采用位填充（插入）技术。,(1) 基本概念 帧是数据链路层的传输单位。场是CAN总线技术中的专用名词。 场是指定义好了的逻辑数据，是一条信息的基本单位或一部分，是帧的基本组成单位。场可以包含数据、数据集合、指针或连接。一个帧则由帧起始场、仲裁场、
10、控制场、数据场、CRC校验场、帧结束场等场组成。 信号的传输采用差分电压。静态时，两条信号线上的电压均为2.5V，状态表示为“1”，称为“隐性”，相应的位为隐位。用一条信号线上的电压比另一条信号线上的电压高表示状态“0”，称为“显性”，相应的位则为显位。在显位与隐位同时传输期间，总线上将是显位。,3. CAN的分层及帧格式,(2) CAN分层及帧格式 CAN协议共分三层：物理层、数据链路层和应用层。 物理层是最底层的协议，涉及通信系统的驱动电路、接收电路及通信介质之间的接口问题。 物理层协议主要包括如下内容： 1）接插件的类型以及插针的数量和功能； 2）数字信号在通信介质上的编码方式，如电平的
11、高低和逻辑“1”、“0”的表示方式； 3）确定与链路控制有关的硬件功能。,数据链路层分逻辑链路控制LLC和媒体访问控制MAC两个子层。 LLC子层的功能包括帧接收滤波，超载通告和恢复管理。 LLC帧结构：标识符场 DLC场 数据场 标识符长度为11位，最高7位不能全为1。 DLC（Data Length Code）是数据长度码，指出数据场字节个数。DLC由4位构成，其值可以为零，数据帧允许数据字节数范围为08。 数据场指被发送的数据。可包括08个字节，每个字节包括8位。 在LLC子层还有另外一种帧叫远程帧。远程帧只有两个场，标识符场和DLC场，内容和上面的定义相同。,MAC子层的功能包括帧的发
12、送和接收两部分。发送功能包括发送数据封装与发送介质访问。接收功能包括接收介质访问与接收数据卸载。 MAC帧由7个场组成。包括帧起始场，仲裁场，控制场，数据场，CRC场，应答场，帧结束场。 帧起始场标志数据帧和远程帧的开始，仅由一个显位构成。只有在总线处于空闲状态时才允许站开始发送。所有站都必须同步于开始发送的那一个站的帧起始前沿。,仲裁场由标识符和远程发送请求位组成。标识符占11位，不能全为隐位。远程发送请求位在数据帧中必须是显位，在远程帧中必须是隐位。 控制场有6位，包括数据长度码和2位保留位。数据长度码指示数据场的长度，保留位用于发送显位。接收器认可显位与隐位的组合。 数据场是要发送的数据
13、。 CRC场包括CRC循环校验码和CRC定界符。CRC定界符只包含一个隐位。 应答场为两位：应答间隙和应答界定符。在应答场中，发送器发送两个隐位。正确接收数据帧的接收器在应答间隙将正确接收的信息通过显位报告给发送器。所有接收到匹配CRC序列的站，通过在应答间隙内把显位写入发送器的隐位来报告。应答界定符必须是隐位。 每个数据帧与远程帧均由7位隐位组成的标志序列界定。,(3) 应用层 实际上，CAN的协议非常简单，只定义了物理层与数据链路层。但CAN的技术特点就是允许各厂商在CAN协议的基础上自行开发自己的高层应用软件，CAN只给高层应用层提供了一个清晰接口。较成熟的CAN应用层有DeviceNe
14、t，CANopen，CAN Kingdom，SDS等。 DeviceNet用于PLC与现场设备之间的通讯网络。它可连接开关、拖动装置、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界面等，传输速率为125-500kbps。 DeviceNet通过一个开放的网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连，而无需通过专线将它们与I/O模块连接。DeviceNet支持多种网络模型：主/从式（Master/Slave）、对等式（Peer to Peer）和多主式（Multimaster）等。 应用层完成CAN协议标识分配、节点地址侦测和设备组态等功能。,CAN的通信介质访问为带有优先级的CSMA/CD，采用多
15、主竞争方式。网络上任意节点均可以在发现总线空闲时主动地往其它节点发送信息。 在发生冲突时，采用非破坏性总线优先仲裁技术：当几个节点同时向网络发送消息时，根据帧中开始部分的标识符，逐位仲裁，优先级低的节点主动停止发送数据，优先级高的节点继续发送信息。 CAN的传输信号采用短帧结构（有效数据最多为8个字节），对高优先级的通信请求来说，在1Mbps通信速率时，最长的等待时间为0.15ms，完全可以满足现场控制的实时性要求。,4. CAN总线通信介质访问控制方式,CAN的通信协议主要由CAN总线控制器完成。CAN总线控制器主要由CAN总线协议实现部分和与微控制器接口电路组成。通过简单的连接即可完成CA
16、N协议的物理层和数据链路层的所有功能，应用层功能由微控制器完成。CAN总线上的节点即可以是基于微控制器的智能节点，也可以是具有CAN接口的IO器件。CAN总线控制器结构示意图如图7-3。,图7-3 CAN总线控制器结构图,LON（Local Operating Networks）总线是美国Echelon公司1991年推出的局部操作网络，为集散控制系统（DCS）提供了很强的实现手段。为支持LON总线，Echelon公司开发了LonWorks技术，它为LON总线的设计、成品化提供了一套完整的开发平台。LON总线也成为当前最为流行的现场总线之一。在其支持下，诞生了新一代的智能化低成本的现场测控产品。,四. LON总线,1. 概述,LonWorks的技术特点,LonWorks技术的核心部件是神经元芯片-Neuron芯片。这种芯片同时具备了通信与控制功能，并且固化了ISO/OSI的全部七层通信协议以及 34种常见的I/O控制对象。 采用改进的CSMA介质访问控制协议。LonWorks称之为Predictive P-Persi
