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河海大学计算机与信息学院(常州)课程总结报告题 目 现场总线课程总结 专业、学号 授课班号 学生姓名 指导教师 完成时间 2011年12月28 第一章:概述一、现场总线基本概念1、现场总线的基本概念(原始思想):用一个开放的、互可操作的、多点的数字通信系统代替已使用很久的4~20mA 标准。(4-20mA信号是国际通用标准信号,是连接仪表、变送设备、控制设备、计算机采样设备的一种标准。与此相对应的信号有:0-10mA、0-5V、0-10V等 )2、现场总线的由来:1、 数据采集与处理系统 ;2、 直接数字控制系统;3、 监督计算机控制系统;4、 集散控制系统;5、 现场总线控制系统(Field Control System)。二、现场总线的定义1、现场总线的定义:安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。是一种用于底层工业控制和测量设备,如变送器(transducers)、执行器(actuators)和本地控制器(local controllers)之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线是一种串行的数字数据通信链路,它沟通了生产过程领域的基本控制设备(现场设备)之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备(车间级设备)之间的联系,现场总线一般应被看作是一个系统、一个网络或一个网络系统,它应用于现场测量和/或控制目的。2、现场总线的特点(1)、开放性;(2)、互可操作性与互换性;(3)、现场设备的智能化与功能自治性 ;(4)、系统结构的高度分散性 ;(5)、对现场环境的适应性 ;(6)、系统可靠性;(7)、信息一致性;(8)、经济性;(9)、易于安装维护。3、现场总线与计算机网络区别(1)实时性;(2)环境适应性和安全性;(3)额外开销;(4)逻辑链路控制形式 ;(5)通信要求; 三、现场总线的现状 按照国际标准化组织(ISO)制定的开放系统互连(OSI)参考模型建立的。将七层简化成三层,分别由OSI参考模型的第一层物理层,第二层数据链路层,第七层应用层组成,网络通信流量与差错控制由数据链路层完成。1、现场总线国际标准现场总线的国际标准共有 25 种,其中包括 :IEC61158 的 20 种IEC62026的4种ISO的CAN 1种2、现场总线标准的共性与分类共性:(1)、ISO/OSI 模型作为通信任务的分解参考;(2)、层规范化;(3)、服务和协议的差异处理;(4)、工程应用能力分类:3、现场总线的未来(1)、寻求统一的现场总线国际标准;(2)、Industrial Ethernet走向工业控制网络;(3)、从排他到兼容4、现场总线的典型应用汽车工业、继电保护与电力监控、半导体芯片和半导体产品制造、水处理、食品饮料制造 、机器人、物流业/搬运业、智能楼宇、制药业、暖通空调、包装业、轨道交通/城市交通、石油与化工、能源与环境监控及管理、钢铁/冶金、(煤矿)安全、造纸业 、家庭用品……第二章 数据通信基础一、通信模型信源信宿、发送器、信道、接收器。二、数据传输1、概念(1)、数据:数据被定义为传达某种意义的实体;(2)、信号:数据的电气或电磁编码;(3)、传输:包括模拟传输和数字传输;(4)、传输速率:指信道在单位时间内传输的信息量,数据传输比特率表示,位/秒,bit/s或bps;(5)T 为电脉冲信号(码元)的宽度或周期;(6) 、n 为电脉冲信号所有可能的有效状态数,是 2 的整幂数;(7)、调制速率,码元速率,用波特率表示。2、传输模式(1)、并行传输n 速度快、无需同步n 通道多、成本高、设备复杂、距离短(2)、串行传输n 一条通道、易于实现n 应用广泛(3)、异步传输p 异步传输方式也叫起止方式,数据的传输是一次一个字符,每个字符的传输中都使用同步信息p 在每个字符代码的前面增加一个起始位(逻辑0),在接收端收到起始位后,立即启动一个内部时钟,按要求接收一个字符的代码,字符代码之后跟一个或多个停止位(逻辑1),表示该字符传输结束,然后等待下一个字符的开始。p 优点是实现字符同步比较简单,收发双方的时钟信号不需要严格同步,缺点是对每个字符都需加入起始位和终止位,因而传输效率低。(4)、同步传输p 同步传输时,数据块以稳定的位流形式传输,p 没有起始位和停止位p 数据块的长度可能是很多位,效率高p 可以用独立时钟线路实现同步,或者将时钟信息嵌入到数据信号中p 另一级同步:每个数据块以一个“前同步码”的位模式开始,并用一个“后同步码”的位模式结束(5)、单工、半双工、全双工三、传输媒体1、定义:传输媒体是在数据传输系统中位于发送器和接收器之间的物理通,输媒体可分为有线的和无线的两类。1、 有线传输媒体(1) 双绞线;(2) 同轴电缆;(3) 光缆2、 无线传输(1)、地面微波(2)、卫星微波(3)、广播无线电波(4)、红外线四、传输数据编码1、模拟信号传输数字数据(1)、使用调制解调器通过电话线路传输计算机数据时,采用的就是这种编码方式(2)、交变弦信号作为载波可用Acos(ωt+Φ)来表示,其中A 为振幅,ω为角频率,Φ为相位,三者的任何变化都将影响波形,以区分二进制数字0和1(3)、幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)2、数字信号传输数字数据定义:数字信号是一串离散的不连续的脉冲序列 ,每个脉冲都是一个信号码元。(1)、不归零码NRZ;(2)、NRZI;(3)、曼彻斯特编码;(4)、差分曼切斯特编码3、模拟信号传输模拟数据p 使用模拟信号对模拟数据进行调制的方法有3种 p 幅度调制AM:调幅p 频率调制FM:调频p 想为调制PM:调相4、数字信号传输模拟数据p 抽样:每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值,作为从这一抽样到下一次抽样之间该模拟数据的代表,抽样的频率大于或等于模拟数据的最大主频率的两倍(采样定理)p 量化:量化即分级处理,得到整数p 编码:把量化的结果转换为对应的二进制码p 例如PCM编码(Pulse Coded Modulation,脉码调制)五、数据通信接口1、EIA-232-D串行通信接口2、RS-485串行通信接口3、IEC61158.2串行通信接口六、差错检测与校正1、奇偶检验码p 先将所需要传送的数据比特序列分组,并且在每—组的数据后面附加一个检验位,使得该组连同检验位在内的码字中“ 1”的个数为偶数(偶检验)或奇数(奇检验)2、CRC检验码p 发送器将要发送的数据比特序列表示为一个多项 f(x)的系数,并在发送之前用收发双方预先选取的生成多项式 G(x)去除,求得一 个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式f(x)之后发送到接收器。p 接收器用同样的生成多项式G(x)去除接收到的数据多项式 f’(x),得到计算余数多项式p 如果计算余数多项式与接收器收到的余数多项式相同,则表示传输无差错;否则,表示传输有差错,可要求发送器重发数据p CRC 码求余数的除法运算规则是:作减法不产生借位,加法不产生进位。除此之外,与二进制除法相同第三章 现场总线体系机构一、 网络体系机构概述1、网络协议(1)、在一个网络中,有许多相互连接的节点,在这些节点之间要不断地进行数据的交换。(2)、每个节点就必须遵守事先约定好的规则,这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的时序问题。(3)、这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定就称为网络协议。二、OSI参考模型若干概念(1)、物理层提供网络通信接口的机械、电气、功能和过程特性,以便在数据链路实体之间建立、维护和拆除物理连接。物理层通过物理连接在数据链路实体之间提供透明的位流传输(2)、数据链路层现场总线的实时通信主要由数据链路层提供。所谓实时,在这里可以理解为提供一 “时间窗”,在该时间窗内,需要完成具有某个指定级别确定性的一个或多个动作(3)、网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。 (4)、传输层是第一个端到端,即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外,传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。 (5)、会话层管理主机之间的会话进程,即负责建立、管理、终止进程之间的会话。(6)、表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。(7)、应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。 三、现场总线体系结构的建立及特点1、工业通信网络的特殊性(1)、效率(2)、确定性(3)、鲁棒性(4)、节点成本(5)、本质安全性2、现场总线通信模型具体层介绍见上面。数据链路层分成两个功能子层:逻辑链路控制(LLC)子层和媒体访问控制(MAC)子层 LLC 子层:负责控制节点间帧的发送和接收,同时检验传输差错 MAC子层:实现对共享总线媒体的“交通”管理,并检测传输线路的异常情况。四、现场总线网络的拓扑结构1、总线型结构2、星型结构3、环型结构4、树型结构5、菊花链型结构第四章 媒体访问控制技术一、媒体访问控制技术概述1、 受控访问(1)、集中控制方式,集中控制的代表是探询;(2)、分散控制方式2、随机访问纯ALOHA、时隙ALOHA、预约ALOHA、载波监听多路访问(CSMA)、载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)。二、 集中控制型受控访问方法1、 轮叫探询主机轮流呼叫各节点,询问有无数据要传送。2、 传递探询主节点先向节点N 发出探询分组,节点 N 在发送数据完毕时,或在告诉主节点暂时没有数据发送时,就将其相邻节点(即节点 N﹣1)的地址附上,节点 N﹣1 检测到自己的地址,知道节点 N 把发送权转移到自己这方面来了。于是它就开始向主机发送数 。三、 ALOHA随机访问方法1、 概念每一个节点均自由地发送分组,当任何一个节点发现发出的分组与其他节点的分组相冲突 ,不能马上重发,可以使冲突的分组先退避,即各自延迟一段随 机的时 ,然后再重发。如再发生冲突,则继续退 ,直到发送成功为止。2、 时隙ALOHA为了提高随机访问系统的吞吐量,可以将所有各节点都同步起来,并且将时间划分为一段段等长的时隙,不论分组何时到达节点,它只能在每个时隙开始时才发送出去,每个分组正好在一个时隙内发送完。四、 CSMA随机访问方法1、 载波监听多路访问(CSMA)载波监听多路访问(CSMA),每个节点都能在发送前监听其他节点是否在发送分组。如果是在发送分组,这个节点就暂时不发送数据,从而减少了发生冲突的可能。这样就提高了整个系统的吞吐量。(1)、非持续CSMA(2)、持续CSMA2、CSMA/CD (载波监听多路访问/冲突检测 )(1)、CSMA 由于在发送分组之前进行载波监听,所以减少了冲突的机会。但由于传播延时的存在,冲突还是不可避免的。只要发生冲突,信道就被浪费时间。(2)、CSMA/CD比CSMA 增加了一个功能,这就是边发送边监听。只要监听到发生冲突,则冲突的双方都停止发送。这样,信道很快地进入空闲期,因而提高了信道的利用率。(3)特点:a、原理比较简单,技术上较易实现,网络中各工作节点处于同等地位,不要集中控制;b、但这种方式不能提供优先级控制,各节点争用总线,不能满足远程控制所需要的确定延时和绝对可靠性的要 。c、此方式效率高,但当负载增大时,发送信息的等待时间较长。第五章 输入输出位传输现场总线一、位传输总线概述1、概述位传输总线主要应用对象是具有开关量特征的传感器和执行器系统,传感器可以是各种原理的位置接近开关及温度、压力、流量、液位开关等,执行器可以是各种开关阀,声、光报警器,也可以是继电器、接触器等低压开关电器,I/O 现场总线的特点是采用位(bit)传输,其种类有很多,如应用于汽车领域的CAN总线,食品加工领域的P-Net,航空航天领域的SwiftNet,以及电气现场总线AS-i、DeviceNet、SDS、Seriplex 等。二、CAN总线体系结构及协议1、 介绍(1)、Bosch公司在80年代初为解决汽车中大量的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议(2)、1991年9月Bosch公司制定并发布了CAN技术规范(Version2.0)。该技术规范包括A 和B 两部分。2.0A 给出了CAN 技术规范中定义的CAN 报文格式,而2.0B 给出了标准的和扩展的两种报文格式2、特点(1)、采用面向报文的优先级控制方式,用标识符定义静态的报文优先权。(2)、采用短帧格式,总线上的报文以不同的固定报文格式发送,但长度受限。(3)、非破坏性的总线仲裁多主系统。(4)、通信服务简便,阻隔期短。 (5)、错误检测和错误处理机制先进。(6)、整个系统范围内保持数据一致 。(7)、延迟时间短,出错恢复快。(8)、总线驱动电路决定总线可接节点数,目前可达110个。(9)、通信距离与通信速率有关。最低 40m,相应的通信速率是1Mbps;最远可达10km,相应的通信速率在 5kbps 以下。3、体系结构(1)、 CAN 的体系结构中只定义了 ISO/OSI 模型的最低两层:数据链路层和物理层(2)、 应用层主要使用的三个协议:a、自动化用户组织(CiA,CAN in Automation Users Group)的CANopen b、 Allen Bradley公司推出的DeviceNet c、Honeywell公司开发 SDS(Smart DistributedSystems)。4、CAN报文格式(1)、数据帧:使用标识符确定报文的优先级而不是定义接收器的地址(2)、远程帧:远程帧可以启动源节点发送各自的数据。需要数据的节点可以请求另一节点发送相应数据帧(3)、出错帧:出错帧包括两个场。第一个场由来各个节点的错误标志叠加得到,第二个场是错误界定符(4)、超载帧:超载帧包括两个位场:超载标志的由6个显性位组成,超载界定符由8个隐性位组成5、帧编码及其发送/接收(1)、CAN 帧的位流采用非归零码(NRZ),在整个位时间内维持有效电平,要么为显性,要么为隐性(2)、其缺点是:在连续数值相同的位较多时,没有用于各个网络节点同步的边沿。(3)、正是由于这个原因,帧起始、仲裁场、控制场、数据场和 CRC 序列中使用了位填充,即发送器在5个相同极性的位后插入一个相反极性的附加位(4)、数据帧或远程帧的其余位场(CRC 界定符、确认场和帧结束)格式固定,不进行位填充6、总线访问(1)、N 的总线访问控制采用了由 CSMA/CD 发展而来的 CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突避免,Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)方法(2)、对总线状态进行检测(载波监听),只要一定时间内总线未被占用,就可以发送报文(3)、当许多节点一起开始发送时,只有发送具有最高优先权帧的节点变为总线主站(4)、解决总线访问冲突的机理是基于竞争的仲裁,仲裁期间,每个发送器将自身发送的位电平同总线上检测到的电平进行比较。若相等,则节点可以继续发送。当送出一个隐性电平(逻辑“1”),而检测到的为显性电平时(逻辑“0”),表明节点丢失仲裁,并且不应再送更多位。当送出显性电平,而检测到的为隐性电平时,表明节点检测出位错误,拥有高优先权的帧具有较低的标识符。因此,帧会保留在总线上,数据并不被损坏(冲突避免)。7、错误检测与错误处理(1)、工作机制:监测、填充规则校验、帧校验、15位CRC 检验和应答检验(2)错误类型:a、位错误 b、填充错误 c、CRC 错误d、形式错误 e、确认错误 f、节点状态转换8、CAN总线的电气连接(1)、总线驱动可采用单线上拉、单线下拉或双线驱动,接收采用差分比较器;(2)、总线电平用显性和隐性表示。“显性(dominant)”表示逻辑数值“0”,而“隐性(recessive)”表示逻辑数值“1”。(3)、设V CAN-H 、V CAN-L分别表示总线输出电压,V diff表示总线差分输出电压。则显性状态以大于最小阈值的差分电压Vdiff表示,而隐性状态的V CAN-H 和V CAN-L被固定于平均电平,V diff近似为0。(4)、CAN 总线上连接节点的最大数量取决于总线驱动器;(5)、最大传输距离与数据传输速率有关。三、 CAN控制器四、CAN总线收发器1、 介绍(1)、CAN收发器(总线驱动器)是CAN协议控制器和CAN 物理总线之间的接口(2)、TJA1050是Philips公司推出的总线收发器,它是PCA82C250高速CAN收发器的后继产品,应用在通信速率为 60kbps~1Mbps 的高速自动化系统中。TJA1050 可以为 CAN 控制器提供不同的发送/接收功能,而且与 ISO11898标准完全兼容2、主要特点第七章 Modbus通信协议一、Modbus协议简介1、简介 Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程,如何回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。 二、控制器传输方式控制器能设置为两种传输模式(ASCII或RTU)中的任何一种在标准的Modbus网络通信。用户选择想要的模式,包括串口通信参数(波特率、校验方式等),在配置每个控制器的时候,在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。1、ASCII模式(1)、当控制器在Modbus网络上以ASCII模式通信,在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。(2)、十六进制,ASCII字符0...9,A...F 消息中的每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成(3)、1个起始位;7个数据位,最小的有效位先发送1个奇偶校验位,无校验则无 ,1个停止位(有校验时),LRC(纵向冗长检测)。2、RTU模式(1)、当控制器设为在Modbus网络上以RTU(远程终端单元)模式通信,在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是:在同样的波特率下,可比ASCII方式传送更多的数据。(2)、十六进制,ASCII字符0...9,A...F 消息中的每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成;(3)、1个起始位,8个数据位,最小的有效位先发送,1个奇偶校验位,无校验则无,1个停止位(有校验时),2个Bit(无校验时),LRC(纵向冗长检测) 。三、Modbus消息帧1、 ASCII帧(1)、ASCII模式,消息以冒号(:)字符(ASCII码 3AH)开始,以回车换行符结束(ASCII码 0DH,0AH)。2、RTU帧(1)、RTU模式,消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿隔开,以此标定了消息的结束,一个新的消息可在此停顿后开始。3、功能代码功能码 名称 作用 01 读取线圈状态 取得一组逻辑线圈的当前状(ON/OFF) 02 读取输入状态 取得一组开关输入的当前状(ON/OFF) 03 读取保持寄存器 在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值 04 读取输入寄存器 在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值 05 强置单线圈 强置一个逻辑线圈的通断状态 06 预置单寄存器 把具体二进值装入一个保持寄存器四、错误检测方法1、LRC检测(1)、使用ASCII模式,消息包括了一基于LRC方法的错误检测域。LRC域检测了消息域中除开始的冒号及结束的回车换行号外的内容。(2)、LRC域是一个包含一个8位二进制值的字节。LRC值由传输设备计算后放到消息帧中,接收设备在接收消息的过程中计算LRC,并将它和接收到消息中LRC域中的值比较,如果两值不等,说明有错误。2、CRC检测(1)、使用RTU模式,消息包括了一基于CRC方法的错误检测域。CRC域检测了整个消息的内容。CRC域是两个字节,包含一16位的二进制值。它由传输设备计算后加入到消息中,接收设备重新计算收到消息的CRC,并与接收到的CRC域中的值比较,如果两值不同,则有误。学习体会:通过半学期现场总线课程的学习,让我对现场总线有了更多的了解,还有更多的是对其工业各方面应用的了解及其前景。自己对自动化这个专业有了更多的了解和认识,自己专业意识和素养都有很多的增加。特别从老师那里学到那种精神,要有专业素养和意识,不仅要学好书上的知识,自己的那种专业敏感度,和实际动手编程都要好好培养,我感觉自己从中感受到很多。最后的Modbus设计,让我锻炼了自己的能力,对现场总线也有了跟多的了解。
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