計算機測控技術(shù)與系統(tǒng)于微波電子課件第7章節(jié)計算機測控系統(tǒng)的總線技術(shù)

1、2024/4/3,1,第7章 計算機測控系統(tǒng)的總線技術(shù),學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握測控系統(tǒng)總線技術(shù)的基本概念熟悉常用的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)熟悉常用的串行通信總線了解現(xiàn)場總線技術(shù),2024/4/3,2,7.1 總線技術(shù)的概述,,1. 總線的產(chǎn)生,為了使插件與插件間、系統(tǒng)與系統(tǒng)間能夠正確連接，就必須對連接各插件或各系統(tǒng)的基礎(chǔ)——總線，制定出嚴格的規(guī)約，即總線標(biāo)準(zhǔn)，為各廠商設(shè)計和生產(chǎn)插件模塊提供統(tǒng)一的依據(jù)。,2. 總線的定義及分類,（1）總線的定

2、義,總線是一組信號線的集合。這些線是系統(tǒng)的各插件間(或插件內(nèi)部芯片間)、各系統(tǒng)之間傳送規(guī)定信息的公共通道，有時也稱數(shù)據(jù)公路，通過它們可以把各種數(shù)據(jù)和命令傳送到各自要去的地方。,2024/4/3,3,,（2）總線的分類,根據(jù)總線不同的結(jié)構(gòu)和用途，總線有如下的2種類型,a.專用總線 我們將只實現(xiàn)一對物理部件間連接的總線稱為專用總線。專用總線的基本優(yōu)點是其具有較高的流量，多個部件可以同時發(fā)送或接受信息，幾乎不會出現(xiàn)總線爭用的現(xiàn)象。在全

3、互連或部分互連以及環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)中使用的總線就是專用總線。 b.非專用總線 非專用總線可以被多種功能或多個部件所共享，所以也稱之為共享總線。每個部件都能通過共享總線與接在總線上的其他部件相連，但在同一時刻，卻只允許2個部件共享通信，其他部件間的通信要分時進行，因此準(zhǔn)確地應(yīng)稱之為分時共享總線。,2024/4/3,4,根據(jù)總線的用途和應(yīng)用環(huán)境，總線可以有如下3種類型,a.局部總線,b.系統(tǒng)總線,c.外總線,2024/4/3,5

4、,根據(jù)總線傳送信號的形式，總線又可分為2種,a.并行總線 如果用若干根信號線同時傳遞信號，就構(gòu)成了并行總線。并行總線的特點是能以簡單的硬件來運行高速的數(shù)據(jù)傳輸和處理。 b.串行總線 串行總線是按照信息逐位的順序傳送信號。其特點是可以用幾根信號線在遠距離范圍內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)或信息，主要用于數(shù)據(jù)通信。 顯然，上面提到的總線和局部總線均屬于并行總線范疇。而現(xiàn)場總線(Fieldbus)則是連接工業(yè)過程現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)

5、之間的全數(shù)字化、雙向、多站點的串行通信網(wǎng)絡(luò)。,2024/4/3,6,7.2 系統(tǒng)總線,1. PCI總線,典型PCI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,2024/4/3,7,2. PXI總線,PXI總線是 1997年美國國家儀器公司（NI）發(fā)布的一種高性能低價位的開放性、模塊化儀器總線，是一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與儀器儀表測量應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計的模塊化儀器自動測試平臺。 PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與Compact PCI的堅固性、模塊化及Eu

6、rocard機械封裝的特性，采用標(biāo)準(zhǔn)高性能IEC連接器，并增加了專門的同步總線。這使得它成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺，廣泛應(yīng)用于制造測試、航空航天、軍事國防、汽車生產(chǎn)等各種工業(yè)測試領(lǐng)域中。,PXI系統(tǒng)主機組成,2024/4/3,8,,PXI系統(tǒng)由三個基本部分組成——機箱、系統(tǒng)控制器和外圍模塊。圖所示的是一個標(biāo)準(zhǔn)的8槽PXI機箱中，包括一個嵌入式系統(tǒng)控制器和七個外圍模塊。,PXI機箱為系統(tǒng)提供了堅固的模塊化封裝。機箱中具有

7、高性能的PXI背板，該背板包括PCI總線，定時總線以及觸發(fā)總線。,2024/4/3,9,,PXI模塊化儀器系統(tǒng)中增加了專用的10MHz系統(tǒng)參考時鐘、PXI觸發(fā)總線、星形觸發(fā)總線和槽與槽之間的局部總線。,PXI在其背板上，將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PC機組件（如PCI總線）與高級觸發(fā)和同步擴展組合在一起，從而在保持PCI總線所有優(yōu)勢的同時，滿足高級定時、同步和相鄰槽直接通信等應(yīng)用中的需求。,2024/4/3,10,,按機械、電氣及軟件體系結(jié)構(gòu)用方框圖匯

8、總了PXI規(guī)范的基本內(nèi)容。,2024/4/3,11,7.3 串行通信總線,1.串行通信的基本概念,（1）數(shù)據(jù)傳送方式,串行通信中數(shù)據(jù)傳送方式有三種：單工方式、半雙工方式和全雙工方式。,單工方式,半雙工方式,全雙工方式,2024/4/3,12,,（2）數(shù)據(jù)傳輸率,數(shù)據(jù)傳輸率是指單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，可用比特率和波特率來表示?比特率：是指每秒傳輸?shù)亩M制位數(shù)，用bps（bit/s)表示。,波特率：是指每秒傳輸?shù)姆枖?shù)，若每個符號所含的

9、信息量為1比特，則波特率等于比特率。,位時間：是指傳送一個二進制位所需時間，用Td 表示。 Td = 1/波特率 = 1/B,2024/4/3,13,,（3）發(fā)送時鐘和接收時鐘,在串行通信中，二進制數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的信號形式出現(xiàn)，不論是發(fā)送還是接收，都必須有時鐘信號對傳送的數(shù)據(jù)進行定位。在TTL標(biāo)準(zhǔn)表示的二進制數(shù)中，傳輸線上高電平表示二進制1，低電平表示二進制0，且每一位持續(xù)時間是固定的，由發(fā)

10、送時鐘和接收時鐘的頻率決定。,發(fā)送時鐘,2024/4/3,14,接收時鐘,波特率因子,接收時鐘和發(fā)送時鐘與波特率有如下關(guān)系：F=n×B 這里F是發(fā)送時鐘或接收時鐘的頻率；B是數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩籲稱為波特率因子。在實際串行通信中，波特率因子可以設(shè)定。在異步傳送時，n = 1，16，64，實際常采用n = 16。在同步通信時，波特率因子n必須等于1。,2024/4/3,15,2. 串行通信的同步和異步方式,（1）異步通信

11、,異步通信方式（Asynchronous Data Communication，ASYNC），又稱起止式異步通信，是計算機通信中最常用的數(shù)據(jù)信息傳輸方式。它是以字符為單位進行傳輸?shù)?，字符之間沒有固定的時間間隔要求，而每個字符中的各位則以固定的時間傳送。收、發(fā)雙方取得同步的方法是采用在字符格式中設(shè)置起始位和停止位。在一個有效字符正式發(fā)送前，發(fā)送器先發(fā)送一個起始位，然后發(fā)送有效字符位，在字符結(jié)束時再發(fā)送一個停止位，起始位至停止位構(gòu)成一幀。,

12、2024/4/3,16,異步通信具有如下特點,1、起止式異步通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)對收發(fā)雙方的時鐘同步要求不高，即使收、發(fā)雙方的時鐘頻率存在一定偏差，只要不使接收器在一個字符的起始位之后的采樣出現(xiàn)錯位現(xiàn)象，則數(shù)據(jù)傳輸仍可正常進行。 2、實際應(yīng)用中，串行異步通信的數(shù)據(jù)格式，包括數(shù)據(jù)位的位數(shù)、校驗位的設(shè)置以及停止位的位數(shù)都可以根據(jù)實際需要，通過可編程串行接口電路，用軟件命令的方式進行設(shè)置。 3、串行異步通信中，為發(fā)送一個字符需要一

13、些附加的信息位，如起始位、校驗位和停止位等。這些附加信息位不是有效信息本身，它們被稱為額外開銷或通信開銷，這種額外開銷使通信效率降低。 4、串行異步通信依靠對每個字符設(shè)置起始位和停止位的方法，使通信雙方達到同步。,2024/4/3,17,（2）同步通信,同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信只傳送一幀信息。因此，在同步通信中，收發(fā)雙方必須有準(zhǔn)確的位定時信號，即雙方的時鐘頻率要嚴格一致。在數(shù)據(jù)格式上，這里的信息幀與異步

14、通信中的字符幀不同，通常含有若干個數(shù)據(jù)字符。每個字符不增加任何附加位，字符和字符是連續(xù)發(fā)送的。,它們均由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗字符（CRC）組成。其中同步字符位于幀開頭，用于確認數(shù)據(jù)字符的開始。數(shù)據(jù)字符在同步字符之后，個數(shù)沒有限制，由所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊長度來決定；校驗字符有1到2個，用于接收端對接收到的字符序列進行正確性的校驗。同步通信的缺點是要求發(fā)送時鐘和接收時鐘保持嚴格的同步。,2024/4/3,18,3.串行通信的差錯控制技術(shù),,

15、（1）糾錯編碼,糾錯編碼是差錯控制技術(shù)的核心。所謂糾錯編碼方法是在有效數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上附加一定的冗余信息位，利用每個信息位的組合來監(jiān)督信息碼的傳送情況。糾錯編碼的方法很多，最常用的有兩種：奇偶效驗碼和循環(huán)冗余校驗碼。,奇偶效驗碼,數(shù)據(jù)6的奇偶校驗碼數(shù)據(jù)格式,2024/4/3,19,循環(huán)冗余校驗碼,循環(huán)冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check，CRC）是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯校驗碼，其特征是信息字段和校驗字段的長

16、度可以任意選定。 循環(huán)冗余校驗碼就是在K位信息碼后，再拼接R位的校驗碼，整個編碼長度為N位。,校驗碼生成的具體過程為：設(shè)發(fā)送信息用多項式C(x)來表示，將C(x)左移R位，則可以表示為C(x)ⅹ2R(左移一位相當(dāng)于乘2，左移R位相當(dāng)于乘2R）。這樣，在C(x)的右邊會出現(xiàn)R位空位，這些空位就是校驗碼的位置。通過C(x)ⅹ2R除以生成多項式G(x)得到余數(shù)就是校驗碼。,2024/4/3,20,下面通過一個例子說明CRC碼的生成過程

17、。 已知要發(fā)送的二進制信息碼為11101010001，設(shè)生成多項式為G(x) ，則可以利用如下所示的多項式模2除法求出余數(shù)，即校驗碼。,余數(shù)1010即為校驗碼，于是可求得該信息碼的循環(huán)校驗碼為：111010100011010。,2024/4/3,21,,（2）糾錯方法,重發(fā)糾錯,重發(fā)糾錯的工作原理是發(fā)送端發(fā)送能校驗錯誤碼的信息碼（如奇偶校驗碼），接收端根據(jù)該碼的編碼規(guī)則，判斷信息傳輸中有無錯誤，并把判斷結(jié)果反饋給發(fā)送端。如果發(fā)現(xiàn)

18、有錯誤，則請求再次發(fā)送，直到接收端認為正確為止。,自動糾錯,自動糾錯原理是發(fā)送端發(fā)送的信息碼中要包含檢錯的信息碼和糾錯的信息碼。接收端收到這些編碼后，進行譯碼，通過譯碼能夠自動發(fā)現(xiàn)錯誤，而且要能夠自動糾正傳輸中的錯誤。,混合糾錯,混合糾錯方式是重發(fā)糾錯和自動糾錯兩種方式的結(jié)合。其工作原理是發(fā)送端發(fā)送的信息編碼中有一定的檢錯和糾錯能力；接收端接收到編碼后，進行解碼，若發(fā)現(xiàn)錯誤位數(shù)，且在糾錯能力范圍內(nèi)，則自動糾錯；如果錯誤位數(shù)較多，超過了糾

19、錯能力，則發(fā)出反饋信息，要求發(fā)送端重新發(fā)送。,2024/4/3,22,4. 常用串行通信標(biāo)準(zhǔn)總線,（1）RS-232C總線,RS-232C是由美國電子工業(yè)協(xié)會（Electronic Industry Association，EIA）在1969年頒布的一種的串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，也是在計算機系統(tǒng)中最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用于實現(xiàn)計算機與計算機之間、計算機與外設(shè)之間的同步或異步通信。采用RS-232C作為串行通信時，通信距離可達12m，傳輸數(shù)據(jù)的

20、速率可任意調(diào)整，最大可達20kbps。,2024/4/3,23,RS-232C總線的電氣特性,電氣連接方式,主要特點：非平衡的連接方式采用點對點通信公用地線,2024/4/3,24,最高通信速率為115200bpsRS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通信距離應(yīng)小于15m。,電氣參數(shù),引線信號狀態(tài) RS-232C標(biāo)準(zhǔn)引線狀態(tài)必須是以下三種之一，即SPACE/ MARK(空號/傳號)、或ON/OFF(通/斷)、或邏輯0/邏輯1。,引線邏輯電平,

21、用-3～-15V表示邏輯1用+3～+15V表示邏輯0,短路抑制性能 RS-232C的驅(qū)動電路必須能承受電纜中任何導(dǎo)線短路,通信速率,2024/4/3,25,RS-232C串行通信的典型連接形式有兩種：一種是數(shù)據(jù)終端計算機（DTE）之間，零調(diào)制解調(diào)器的連接形式；另一種是數(shù)據(jù)終端PC機（DTE）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）的通信。,當(dāng)通信距離較近時，可不需要Modem，通信雙方可以直接連接，這種情況下，只需使用三根線（發(fā)送線、接收線、信號地線

22、）便可實現(xiàn)全雙工異步串行通信。,2024/4/3,26,RS-232C邏輯狀態(tài)定義的正負電壓范圍與TTL高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠使計算機接口與終端的TTL器件連接，必須在RS-232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關(guān)系變換。 MAX232是MAXIM公司生產(chǎn)的，包含兩路驅(qū)動器和接收器的RS-232C轉(zhuǎn)換芯片。芯片內(nèi)部有一個電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5V電壓轉(zhuǎn)換為RS-232C接口所需的±12V電壓

23、，尤其適用于沒有±12V的單電源系統(tǒng)。,2024/4/3,27,（2）RS-422A總線,為了解決RS-232C的一系列不足，在1977年EIA公布了 “平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)”，即RS-422A串行總線標(biāo)準(zhǔn)。 與RS-232C的關(guān)鍵區(qū)別在于把單端輸入改為雙端差分輸入，信號地不再公用，雙方的信號地也無須相連；數(shù)據(jù)傳送首先通過驅(qū)動器，把邏輯電平轉(zhuǎn)換為平衡驅(qū)動的差分信號，通過雙絞線傳送至接收器，接收器把差分信號

24、的電位差轉(zhuǎn)換回邏輯電平，實現(xiàn)信號的傳輸。,差分信號,,2024/4/3,28,（3）RS-485總線,EIA于1983年在RS-422A的基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，全稱為TIA/EIA-485-A。RS-422A為雙通道的全雙工結(jié)構(gòu)，可同時實現(xiàn)接收和發(fā)送，而RS-485則為半雙工，在某一時刻，數(shù)據(jù)流單向傳輸。除此之外，RS-485增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護功能，允許多個驅(qū)動器連接在同一條總線上，擴展了總線共模范圍。 R

25、S-485總線網(wǎng)絡(luò)一般采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，即采用一條總線將各個節(jié)點串接起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。,2024/4/3,29,串行總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器,2024/4/3,30,RS485具有以下特點：,RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+2V~+6V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-2V~ -6V表示。,RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps,RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強。

26、,RS-485接口的最大傳輸距離為1200m，在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器,即具有多站能力和多機通信功能。,2024/4/3,31,RS-232C、RS-422與RS-485總結(jié),外形不是區(qū)別點，都可能有各種形式的接插件如9、15和25針 RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議?？偨Y(jié)：RS232的傳輸是點對點的,

27、并且傳輸距離只有15米(有條件限制). ，RS422的傳輸支持一點對多點，RS485的傳輸支持多點對多點,傳輸距離達到1200米.(采用半雙工傳輸)  RS422跟485的區(qū)別在于它傳輸方式是全雙工傳輸  注意：一般的電腦只配有RS232串口，若要想用它和工控裝置的RS-485串口相接，就需使用外置RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換頭，對RS-232口轉(zhuǎn)換后即可相連了。,2024/4/

28、3,32,（4） USB總線,USB（Universal Serial Bus)是一種通用串行總線，是由Conpaq，DEC，IBM，Inter，Microsoft，NEC和Northen Telecom等公司為簡化PC與外設(shè)之間的互連而共同研究開發(fā)的一種免費的標(biāo)準(zhǔn)化連接器，它支持各種PC與外設(shè)之間的連接，還可實現(xiàn)數(shù)字多媒體集成。 USB主要特點是：即插即用，可熱插拔。USB連接器將各種各樣的外設(shè)I/O端口合而為一，使之可熱插

29、拔，具有自動配置能力，用戶只要簡單地將外設(shè)插入到PC以外的總線中，PC就能自動識別和配置USB設(shè)備。 USB技術(shù)的另一個特點是傳輸速度快。USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的最高傳輸率可達480Mbps。對于高速且需要高帶寬的外設(shè)，USB以全速12Mb/s的速率傳輸數(shù)據(jù)；對于低速外設(shè)，USB則以1.5Mb/s的速率傳輸數(shù)據(jù)。USB總線會根據(jù)外設(shè)情況在兩種傳輸模式中自動地動態(tài)轉(zhuǎn)換。,2024/4/3,33,USB總線結(jié)構(gòu)簡單，采用4線電纜，其中2根

30、是用來傳送數(shù)據(jù)的串行通道，另外2根為下游設(shè)備提供電源。,USB是基于令牌的總線，USB主控制器廣播令牌，總線上設(shè)備檢測令牌中的地址是否與自身相符，通過接收或發(fā)送數(shù)據(jù)給主機來響應(yīng)。,2024/4/3,34,USB系統(tǒng)采用級聯(lián)星型拓撲結(jié)構(gòu)，由主機（Host）、集線器（Hub）和功能設(shè)備三個基本部分組成。,主機，也稱為根、根結(jié)或根Hub，它做在主板上或作為適配卡安裝在計算機上，主機包含有主控制器和根集線器（Root Hub），控制著USB總線

31、上的數(shù)據(jù)和控制信息的流動，每個USB系統(tǒng)只能有一個根集線器，它連接在主控制器上。,集線器是USB結(jié)構(gòu)中的特定組成部分，它提供端口將設(shè)備連接到USB總線上，同時檢測連接在總線上的設(shè)備，并為這些設(shè)備提供電源管理，負責(zé)總線的故障檢測和恢復(fù)。,2024/4/3,35,USB連接設(shè)備和主機的連接方法,USB 集線器和設(shè)備的電阻連接,2024/4/3,36,USB連接設(shè)備和主機的連接方法,USB集線器通過監(jiān)視差分數(shù)據(jù)線來檢測設(shè)備是否已連接到集線器的

32、端口上.,當(dāng)沒有設(shè)備連接到USB端口時，D+和D-通過下拉電阻Rpd電平是近地的。,USB設(shè)備必須至少在D+和D-線的任意一條上有一個上拉電阻Rpu,由于Rpu=1.5KΩ,Rpd=15K Ω,所以數(shù)據(jù)線上會有90%的Vcc電壓,集線器通過檢測不同的數(shù)據(jù)線電壓接近Vcc來判別是哪一類USB設(shè)備連接到其端口上,如D+電平接近Vcc，D-近地，則所連設(shè)備為全速設(shè)備如D-電平接近Vcc，D+近地，則所連設(shè)備為低速設(shè)備當(dāng)D+和D-的電壓都降

33、到0.8V以下，并持續(xù)2.5微妙以上的話，就認為該設(shè)備斷開連接了。,2024/4/3,37,7.4 現(xiàn)場總線技術(shù),1. 現(xiàn)場總線概述,（1）現(xiàn)場總線的定義,現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。簡單說，現(xiàn)場總線就是以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)4-20mA模擬信號及普通開關(guān)量信號的傳輸，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。 按照國際電工委員會IE

34、C61158的標(biāo)準(zhǔn)和FF(Fieldbus Foundation，現(xiàn)場總線基金會)的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。簡單地說就是從控制室連接到現(xiàn)場設(shè)備的雙向全數(shù)字通信總線。它是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機化測控設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)。,2024/4/3,38,（2）現(xiàn)場總線的特點,簡單地概括現(xiàn)場總線技術(shù)的特點是：信號傳輸全數(shù)字，控制功能全分散，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開放。,系統(tǒng)的開放

35、性,開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。,互可操作性與互用性,這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進行互換而實現(xiàn)互用。,2024/4/3,39,它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完

36、成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。,智能化與功能自治性,由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性,工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，

37、能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。,對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性,2024/4/3,40,（3）現(xiàn)場總線的優(yōu)點,現(xiàn)場總線是用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備。因而接線簡單、費用低廉、維護方便。,節(jié)省硬件數(shù)量與投資,由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不

38、再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。,2024/4/3,41,節(jié)省安裝費用,現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了

39、投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。,由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護工作量。,節(jié)省維護開銷,2024/4/3,42,用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的

40、協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)完全掌握在用戶手中。,系統(tǒng)集成主動權(quán),由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強：減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點。,準(zhǔn)確性與可靠性,2024/4/3,43,2.幾種流行的現(xiàn)場總線,（1

41、） PROFIBUS總線,PROFIBUS（Process Field Bus，過程現(xiàn)場總線）是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS系列總線項技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其它自動化領(lǐng)域。它是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)prEN 50170的現(xiàn)場總線。 它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩

42、部分形成了其標(biāo)準(zhǔn)第一部分的子集，DP型隱去了3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口，F(xiàn)MS型只隱去第3～6層，采用了應(yīng)用層，作為標(biāo)準(zhǔn)的第二部分。,2024/4/3,44,PROFIBUS的傳輸速率為96～12kbps，最大傳輸距離在12kbps時為1000m，15Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接 127個站點。,一個典型的工廠自動化系統(tǒng)采用三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 基于

43、現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP/PA控制系統(tǒng)位于工廠自動化系統(tǒng)中的底層，即現(xiàn)場級與車間級。 現(xiàn)場總線PROFIBUS是面向現(xiàn)場級與車間級的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)。,PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖,2024/4/3,45,（2） CAN總線,CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)的簡稱，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。20世紀80年代由德國Bosch公司用于汽車內(nèi)部測試和控制儀器之間

44、的數(shù)據(jù)通信。 目前CAN總線主要用于汽車自動化領(lǐng)域，如發(fā)動機自動點火、注油、復(fù)雜的加速剎車控制（ASC）、抗鎖定剎車系統(tǒng)（ABS）和抗滑系統(tǒng)等。BENZ、BMW等著名汽車上已經(jīng)采用CAN來滿足上述功能。在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，CAN也得到了廣泛的應(yīng)用。 CAN協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，不過，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂上層的應(yīng)用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高

45、可達 1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達 1 0km/kbps，可掛接設(shè)備最多可達 110個。,2024/4/3,46,CAN在物理結(jié)構(gòu)上屬于總線式通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)由上位監(jiān)控PC機、智能節(jié)點和現(xiàn)場設(shè)備三部分組成。,上位監(jiān)控PC機主要負責(zé)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接受與管理、控制命令的發(fā)送以及各控制單元動態(tài)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的實時顯示。 智能節(jié)點可以使現(xiàn)場設(shè)備方便地連接到CAN總線上，主要負責(zé)對現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)測，對采集來的數(shù)據(jù)進

46、行打包處理并將處理后的數(shù)字信號通過CAN通信控制器SJA1000發(fā)送到CAN總線。,2024/4/3,47,（3）基金會現(xiàn)場總線,基金會現(xiàn)場總線，即Foudation Fieldbus，簡稱FF，這是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子Siemens等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的

47、150家公司制訂的WordFIP協(xié)議。 以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。 基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為 3125Kbps，通信距離可達 1900m （可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為 1Mbps和 2 5Mbps兩種，其通信距離為750m和500m。,20

48、24/4/3,48,（4）LonWorks總線,LonWorks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù)，它是由美國Ecelon公司推出并由它們與摩托羅拉Motorola、東芝Hitach公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而形成的。 它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達到2700m（78kbps，雙

49、絞線），支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品，被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。,2024/4/3,49,（5）HART總線,HART是Highway Addressable Remote Transduer的縮寫。最早由Rosemout公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)

50、字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發(fā)展。 HART通信模型由3層組成 ：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層采用FSK(Frequency Shift Keying）技術(shù)在4～20mA模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用Bell202國際標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps，邏輯0的信號頻率為2200Hz，邏輯1的信號傳輸頻率為 1200Hz