工业通信网络技术与应用复习(含作业版).doc

What？工业数据通信系统：在生产设备之间传递数字信息,工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分。也是工业控制内的局域网， 是生产企业的底层网络；Why？自动化系统“读”“算”“写”和“连”；How? 协议体系：层次-设备-算法。工业通信系统协议模型现场总线一般都是作为工业局域网应用的，在常用的现场总线技术中，重要的是物理层、链路层和应用层，有时候还有用户层。- 物理层：比特流的产生和处理，包括信号电平、编码方式、硬件接口和比特流同步问题；- 数据链路层：数据流产生即成帧方式，或数据流结构，检错重传机制，流量控制机制以及信道接入控制方式等等；应用层：如何生成和使用数据；用户层：功能块（设备）工业自动控制网络通信技术需要考虑：（1）传输及时性和系统实时性：比较制造化系统响应时间要求在0.010.5s，过程控制系统响应时间为0.52s。而信息网络响应时间是26s。显然，工业通信网络的实时性要求高。（2）高可靠性：环境恶劣下工业生产现场的通信网络必须适应环境，包括电磁环境适应性或电磁兼容性（EMC）、气候环境适应性（耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（耐冲击、耐振动）。在易爆或可燃的场合，应有本质安全的性能。（3）工业通信需要解决不同厂商的产品和系统相互兼容问题，强调互操作性，在ISO/OSI 参考模型上，加了用户层，通过标准功能块和装置描述（DD）功能来保证开放性通信。（4）总线供电：工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。（5）现场控制层设备间传输的信息长度都比较小，通常仅为几位比特或几个、几十个字节，对带宽要求不高。这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。不过，现在随着工业现场传输多媒体信息增加，网络传输的带宽要求也在增加。（6）工业现场设备向网络上发送数据都遵循严格的时序。周期与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期性信息（如过程测量与控制信息、监控信息等）较多，而非周期信息（如突发事件报警、程序上下载等）较少。（7）信息流向的单一性较强，如测量信息由变送器向控制器传送，控制信息由控制器向执行机构传送，过程监控与突发信息由现场仪表向操作站传送。正是由于以上特点和特殊性，目前现场设备层网络主要由低速现场总线网络（如Profibus、Can、DeviceNet等）组成，而正在向高速网络发展。为有效而可靠地通信，通信双方必须按一定的规程进行，如双方的同步、差错控制、传输链路的建立、维护和拆除及数据流量控制等。通信系统：硬件（信道+结点/设备）；软件（通信协议）1) 使数字数据能在模拟信道上传输三种常用的调制技术：幅移键控ASK （Amplitude Shift Keying）频移键控FSK （Frequency Shift Keying）相移键控PSK （Phase Shift Keying）原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号 S(t) = Acos(t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、初相位j调制就是要使A、 或随数字基带信号的变化而变化ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1FSK：用载波的两个不同频率表示0和1PSK：用载波的起始相位的变化表示0和12) 数字编码:NRZManchester差分Manchester3）使模拟数据能在数字信道上传输采样定理：如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。要转换的模拟数据主要是电话语音信号模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号（脉码调制, Pulse Coded Modulation）。数据传输的同步技术目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：同步脉冲频率数据从什么时候开始，什么时候结束位边界数据块边界数据通信中需要在三个层次上实现同步：位位同步字符字符同步帧(Frame)帧同步工业通信系统的可靠性:可靠性要求：1）控制错误，和2）容错。即系统有足够的抗干扰措施，同时要求在无法完全避免错误的情况下，有差错控制机制。以保证系统能正常地工作。干扰的抑制解决噪声干扰问题的硬件方法：屏蔽：屏蔽共分两种，即电场屏蔽及磁场屏蔽。隔离：隔离是使电路相互独立，不成回路。有效地切断噪声通道，常用方法有三种：采用光电耦合器件；用继电器隔离（因为继电器的信号动作与控制触点动作分在两个电路中）；用隔离变压器隔离。滤波：用RC或LC滤波电路，消除或抑制直流电源传递的噪声。接地：“地线” 指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以接大地，也可以与大地隔绝。比如有信号地、模拟地、数字地和系统地等。软件抗干扰技术数字滤波：加一段数字滤波程序， 有中位值法、平均值法和限幅滤波等；软件冗余/软件陷阱“看门狗”（watchdog）：控制器受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”。当指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境时，通常采用程序监视技术，又称，使失控的程序摆脱“死循环”。“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合实现。第3章 通信总线技术及应用总线的性能指标主要有下面几条：1）总线带宽，即最大数据传输速率，是最重要指标：在计算机总线中用B/s表示，其它常用bps（bp/s）。例如，PCI总线的宽度为32位，总线时钟频率为33 MHz，则最大数据传输速率为: (32/8)33=132 MBs； 2）总线时钟：总线中各种信号的定时基准。；3）总线宽度：总线中数据总线的数量，用Bit(位)表示，总线宽度有8位、16位、32位和64位之分；4）信号线数：总线中信号线的总数，包括数据总线、地址总线和控制总线；5）负载能力：总线中信号线带负载的能力。该能力强表明可接的总线板卡可多一些。当然，不同的板卡对总线的负载是不一样的，所接板卡负载的总和不应超过总线的最大负载能力。微处理器常用串行总线：通用异步接收器传输总线UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）同步外设接口(SPI-Serial Peripheral Interface)、内部集成电路(I2C-Inter-Integrated Circuit) 。常用异步串行通讯接口标准 RS232C RS232是应用最早,最广泛的双机异步串行通信总线标准。是美国电子工业协会的推荐标准 RS = recommended standard 标准规定了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)间串行通信接口的物理(电平)、信号和机械连接标准RS232C的电气标准： 3V15V : 逻辑0 -3V-15V: 逻辑150ft 9600bpsRS422 和 RS485 其它常用工业通讯技术1） FireWire串行总线(IEEE1394) IEEE一项视频传输串行接口标准。早期由苹果开发，索尼曾参与开发（6线改4线），注册为iLINK商标。2）USB：支持外接设备热插拔、同时可为外设提供电源，省去了外设自带的电源、支持同步数据传输。3）工业无线 ZIGBEE-RFID4）PLC第三章 通信总线技术及应用计算机接口总线XT-AT-ISA-PCI-PCIe工控机与测控仪器接口总线STD总线-PC/104总线-AT96总线-VME-CompactPCI/PXI总线工控机。测量仪器接口总线：GPIB-VXI-PXI-LXI第四部分：常用工业现场总线1.概述现场总线应用在生产现场1、在测控设备间2实现双向3串行4多节点5数字通信6 。现场总线本质体现：现场通信网络：现场设备互联：使用不同介质把不同现场设备或仪表相联。互操作性 ：用户可选不同产品构成所需的控制回路。分散功能块 ：FCS 把DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表, 实现了分散控制。通信线供电：通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。开放式互联网络：可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。基金会总线FF （Foudation Fieldbus）FF前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。 ISO/OSI模型中的物理层、数据链路层、应用层，并在应用层上增加了用户层。FF超过了现场总线范围，是一个完整的工业网络体系。 新增用户层的主要功能：定义信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定通用的功能模块集，对使用总线的用户应用进行规范。虽然协议变得复杂，但却带来设备间的可相互操作性。 3）物理层：低速H1， （H2后来被HSE-High Speed Ethernet取代）。IEC1158-2（MBP）双线信号传输技术，两种供电方式：非总线供电和总线供电。数字信号以31-25KHz的频率、0. 75-1V的峰值电压被调制到9-32V直流电压上。传输信号采用曼彻斯特编码。4）数据链路层：将集中调度式通信（LAS）与令牌循环的通信控制方式（LAS管理），可保证周期性变量的准确定时传输，同时又通过令牌予每一节点设备在定周期传输的间隙时间内自主通信的权利，保证了实时性。链路主设备能够成为 LAS，总线上至少有一个链路主设备，但同一时刻成为 LAS的主设备只有一个。LAS的产生可以是竞标方式或组态方式。 LAS通过优先级的动态管理和更新优先级来控制报文的传输5）应用层分为两个子层：FAS 和FMS 。前者管理数据的传输，后者负责对用户层命令进行编码与解码。 现场总线访问子层FAS利用数据链路层的确定性的受调度通信与不受调度的非周期型通信，为上层应用提供了三种通信模型，即客户-服务器(C-S)模型、发布者-预定接收者(P-S)模型及源方-收存方(Source-Sink)模型。现场总线报文规范子层FMS描述用户应用所需要的通信服务、报文格式及协议行为等，采用“对象描述（OD-Object Discription）”来说明总线上传输数据对象的格式与意义。把对象描述收集成“对象字典”（OD-Object Dictionary），用来解释对象。6）用户层由预先定义的标准功能块和用户自定义的柔性功能块FFB构成。功能块是一个以数据结构为核心的软件逻辑处理单位，能完成一个独立而完整的控制功能。通过功能块模型及其参数，可以组态、维护以及定制用户应用，易于实现基本的分布式控制功能。4. LonWorksLonWorks（Local Operating Network）Echelon1990年12月推出。是一个开放系统，可使不同厂家生产的符合LonTalk协议的设备及产品进行互连。相比其它主流总线，Profibus下包含着几十年甚至上百年的技术和应用技术积累，FF则是很多流行技术的一次整理好更新，而LonWorks是独立全新的现场总线技术：从协议到设备，甚至核心芯片都是精心设计的结果。主要技术特点为：通信协议LonTalk符合ISO-OSI7层模型；LonTalk协议封装于专门的Neuron芯片；为总线应用提供了一套完整的开发平台，包含所有设计、配置和支持控制网元素。LonWorks技术构成1）物理层支持LonWorks通信介质可使用双绞线、电缆、光纤、电力线等；通信速率：300b/s1.25Mb/s，130m-2700m；每帧长：0228字节；2）介质访问控制（MAC）子层LonTalk的属于带预测的P-坚持CSMA ，节点根据网络的忙碌程度确定等待时间，忙时多等，空闲时少等，以避免碰撞。LonTalk还可以提供：优先级和认证（Authentication）服务；3）LonWorks网络的节点LonWorks设备由s节点(Node)和现场设备构成，网络节点上接LonWorks网络，下接现场设备（传感器或执行器）。LonWorks控制网络中的现场控制节点有两类：直接用神经元芯片作为通信处理器和测控处理器，和基于Host based的节点。神经元芯片（Neuron Chip）Neuron具有通信和控制功能，内部有3个8位微处理器及RAM、ROM、E2PROM、和定时器/计数器等，已固化可编程的34种I/O对象和LonTalk通信协议（只有第7层需用户编程）。Neuron Chip加上收发器和电源可构成一个典型现场控制节点。11个可编程的I/O引脚，可组成34种工作模式，5个通信引脚可组成3种通信模式，最高时钟10MHZ，2个16位定时器/计 数器，1个48位标识符Neuron ID，1个远程标识和诊断的Service引脚。5. Profibus 技术Profibus系列分为三个兼容部分，分别应用不同工业领域：(1）Profibus-DP（Decentralized Periphery）用于控制器(如PLC、PC、NC)与现场设备或设备级I/O间（如驱动器、检测设备、HMI等）通信。取代24V或420mA的串联式信号传输；(2）Profibus-PA（Process Automation）过程自动化，也可作设备层总线；(3）Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification）用来解决车间级通用性通信任务。完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。物理层： MBP ; 485链路层: 通信为主从式：主站获得令牌时，可主动发信息。从站能回答；所有主站按地址构成逻辑环，令牌依次在主站间传递。在总线系统初建制定站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电主站从环中排除，新上电主站加入逻辑环。Profibus系列分为三个兼容部分，分别应用不同工业领域：(1）Profibus-DP（Decentralized Periphery）用于控制器(如PLC、PC、NC)与现场设备或设备级I/O间（如驱动器、检测设备、HMI等）通信。取代24V或420mA的串联式信号传输；(2）Profibus-PA（Process Automation）过程自动化，也可作设备层总线；(3）Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification）用来解决车间级通用性通信任务。完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。物理层： MBP ; 485链路层: 通信为主从式：主站获得令牌时，可主动发信息。从站能回答；所有主站按地址构成逻辑环，令牌依次在主站间传递。在总线系统初建制定站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电主站从环中排除，新上电主站加入逻辑环。应用层和用户层用户层定义不同设备行为规范，行规（Profiles ）是有关设备和系统的特征、功能特性和行为的规范，是对特殊应用领域中用到的非主流设备其总线参数的规范。系统的实现方案采用基础的软件协议栈和硬件ASICs (Application Specific Integrated Circuits) 解决方案。有广泛的标准化组件(Profibus ASICs)如Profibus 堆栈存储器，监控器和调试工具，及服务可供使用。开发人员常常使用专用的通信处理芯片，这样可以完全不考虑复杂的协议。Profibus通信协议芯片已形成广泛系列。使用这些芯片可达到快速提供产品的目的。HART可寻址远程传感高速通道HART（Highway Addressable Remote Transduer），最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。特点420mA模拟信号与数字信号双向通信兼容，在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品。采用了Bell202标准的FSK频移键控技术； 实现了4-20mA模拟信号与数字通信的兼容； 单台设备通信距离3000m，多台设备互联通信距离1500 m；数据链路层规定数据帧最长可达25个字节，是主从式的通讯协议；应用层规定了HART通讯命令的内容。第五部分 汽车网络和CANbus控制器局域网CAN（Control Area Network）总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车控制与测试仪器间数据交换而开发的串行数据通讯协议（1986）。最早成为国际标准（ISO11898），也是目前事实上的汽车总线协议标准。国际半导体厂商开发CAN总线专用芯片的有：Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、Honeywell等。CAN属于总线式通讯网络。CAN总线规范了任意两个CAN节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，CAN的物理层决定了实际位传送过程中的电气特性，在同一网络中，所有节点的物理层必须保持一致，但可以采用不同方式的物理层。CAN的数据链路层功能包括帧组织形式，总线仲裁和检错、错误报告及处理，确认哪个信息要发送的，确认接收到的信息及为应用层提供了接口。CAN总线技术的特点：CAN协议模型结构只有OSI底层的物理层和数据链路层。CAN属于总线式串行通信网络通过ID-报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全网广播几种方式发送接收数据为多主方式工作，通信方式灵活CAN网络按节点类型分成不同的优先级CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术CAN总线的数据传递方式以报文为单位进行，短帧结构（8字节），每个报文的标志符ID起始部分有一个11位的标志符ID传输速率： 可达到1Mbps/40m（5k/10km）差错控制：机制充分，可靠性高CAN的物理层特性： 拓扑结构：总线式通信网络机械参数及传输介质：用一个9针的D型插头连接到CAN总线上电气参数及信号表示：总线数据采用不归零编码方式（NRZ），有两种互补的逻辑值：显性（0 -Dominant ）及隐性（1- Recessive ）。CAN总线各节点位速率相同。CAN链路层1. 链路层功能：1) 访问管理：谁占用信道。2) 帧定界： 帧同步，帧的区分和识别帧的开始和结束。3) 差错控制：变不可靠的物理连接为可靠的数据链路。4) 流量控制：解决速度不匹配的问题。5) 透明传输：将数据和控制信息区分开 6) 寻址： 数据帧的正确发送。CAN总线报文中含有标示符（ID），描述数据含义，表明报文优先权。CAN总线上各节点都可主动发数据。两个或以上的节点发送报文时，由CAN控制器根据ID进行仲裁。发送具有最高优先权报文的节点获得总线使用权，其他节点自动停止发送，总线空闲后，这些节点将自动重发报文。CAN的帧CAN支持四类信息帧类型：数据帧、远程帧 、错误指示帧 和超载帧。数据帧和远程帧 有两种格式：2.0A和标准2.0B。两者本质的不同在于ID的长度不同。在2.0A类型中，ID的长度为l l位；在2.0B类型中ID为29位。数据/信息帧（Data Frame)包括7个主要域（bit field）： 帧起始域（SoF）：数据帧开始，一个显性位组成。仲裁域（Arbitration)：内容由标示符和远程传输请求位（RTR）组成，RTR表明此信息帧是数据帧还是远地请求帧（不含任何数据）。当2.0A的数据帧和2.0B的数据帧在同一条总线上传输时，如果ID相同，则非扩展数据帧的优先权高于扩展数据帧。控制域（Control)：r0、r1是保留位，作为扩展位，DLC表示一帧中数据字节的数目。数据域：包含08字节的数据。校验域（CRC）：检验位错用循环冗余校验，15位。应答域（ACK）：包括应答位和应答分隔符。正确接收到有效报文接收站在应答期将总线值为显性电平。帧结束（EoF) ：由七位隐性电平组成。基于CAN的应用层应用层概述CAN协议定义的是物理层及数据链路层规范，而应用层协议定义与实际应用相关的通讯参数, 特别是要定义CAN 报文中的11/29 位标识符、8 字节数据的使用。常用的通用系统开放标准有CANopen、DeviceNet和SAE J1939等。但也有一些专用的标准, 专门用于特定的系统。作用：完善地定义标准设备模型；开放扩充自定义设备的接口；对总线仲裁、数据交换、错误处理有明确的限定缩短产品开发时间，降低产品的开发成本和开发风险。能够支持不同生产厂家设备的互用性和可交换性。目前市场上有大量的支持基于标准高层协议开发的工具。Can网络设备CAN-BUS系统主要包括以下部件：CAN控制器、CAN收发器、CAN-BUS数据传输线和CAN-BUS终端电阻。CAN控制器CAN-BUS上的每个控制单元中均设有一个CAN控制器和一个CAN收发器。CAN控制器主要用来接收微处理器传来的信息，对这些信息进行处理并传给CAN收发器，同时CAN控制器也接收来自CAN收发器传来的数据，对这些数据进行处理，并传给控制单元的微处理器。 CAN收发器用来接收CAN控制器送来的数据，并将其发送到CAN数据传输总线上，同时CAN收发器也接收CAN数据总线上的数据，并将其传给CAN控制器。 执行CAN 协议需要的通信设备是收发器和控制器, 车内设备ECU则是用户设计/配置的。CAN总线收发器是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。CAN 通信控制器与汽车设备的ECU或者微处理器相连，也可以嵌入到微处理器中，作为一个外设/模块。SAE J1939概述SAE( Society of Automotive Engineer)为中重型道路车辆上电子部件间的通讯提供标准体系结构基础于 CAN 2.0B协议，覆盖应用: 客车和载重货车；工程机械、农业机械、船舶等非路面设备；也适用于柴油发电机等固定动力设备重要内容：SAE J1939 车辆网络串行通信的控制总标准 SAE J1939/15 物理层，250K 比特/秒，非屏蔽双绞线RevisedSAE J1939/21 数据链路层SAE J1939/71 车辆应用层SAE J1939/73 诊断应用层 SAE J1939/81 网络管理层报文:指CAN数据帧。包（Packet）:一个单一的CAN数据帧就是一个包。参数组 PG（Parameter Group）：在一消息中传送参数的集合。参数组编号PGN（ Parameter Group Number）：3 字节，24 位，包括保留位、数据页、PDU 格式和组扩展域等。参数组编号唯一标识一个参数组。可疑参数编号(SPN)：给每个参数分配了一个19位的可疑参数编号(SPN)。SPN用来标识与ECU相关的故障诊断元素、部件或参数组中参数。CAN帧中29位的ID的分为3个部分：优先级，PGN（部分）和SA。PGN包括：保留位或扩展数据页位（EDP)（1b），数据页DP（1b），PDU 格式PF（8b），PDU特定域PS（8b，可作为目标地址、组扩展或专用），图. J1939的CAN帧、PDU与PGN关系示意图参数组（PG）与分组原则PG（Parameter Group)参数组：在一报文中传送参数的集合，包括：参数类型和数据等。与源地址无关，可以从任何源地址发送任意的参数组 参数用来描述具体物理量，可分为连续型参数和离散参数。参数组定义的原则：按照参数的功能分组而不是按照参数的类型分组按照参数的刷新频率分组按照参数所属的子系统一个参数组需定义以下属性：刷新周期（频率）数据长度参数组编号缺省优先级参数表诊断故障代码DTC（Diagnostic Trouble Code）J1939故障诊断主要采用诊断故障代码 DTC来识别故障类型、相关故障模式以及它的发生次数。诊断故障代码DTC由4 个独立部分构成，共用4个字节：- 可疑参数的编号(SPN) 19位；- 故障模式标志(FMI) 5位：该 FMI 定义了为SPN 所识别的子系统中发现的故障类型；- 发生次数(OC) 7位；- 可疑参数编号的转化方式(CM) 1 位，这个指与SPN发送的格式有关。这些独立的参数不是一个单独的数，而是一组4个字节的描述故障的信息。诊断测试工具通过控制模块地址和名字，确定诊断信息的来源。车辆网络及其应用概述汽车网络技术是现代汽车电子技术的重要组成部分，也是现代汽车通信与控制的基础。伴随着汽车网络技术的日趋成熟，汽车电子技术开始向信息化时代迈进。车联网可以实现车内网络与车外网络之间的信息交换，全面解决人车外部环境之间的信息交流问题。功能1）车辆定位：通过GPS/北斗，结合电子地图实现导航、路况报导、目标查找和道路救援等服务；车辆远程监控和调度管理，包括：根据汽车电脑所收集的发动机等设备信息，进行车况诊断、行车效率最佳化、远程发动机调整或零件预定等；个人信息服务，包括多媒体娱乐，音响视听系统、随选视频资讯、数字广播与数字电视等。 车载CAN网络应用 车载网络可分为：车身系统、动力传动系统、安全系统、信息系统。 1)动力传动系统: 动力CAN数据总线主要连接3块电脑：发动机、ABS/ASR及自动变速器电脑（ATM）。此外可以连接安全气囊、四轮驱动与组合仪表等电脑。2）车身系统:整个汽车车身系统电路主要有三大块：主控单元电路、受控单元电路、门控单元电路。3）安全系统: 包括安全气囊，偏离控制，防撞系统等。涉及到人的生命安全，要求安全系统必须具备通信速度快、通信可靠性高等特点。 4）信息系统:信息系统在车上的应用很广泛，例如车载电话、音响等系统的应用。对信息系统通信总线的要求是：容量大、通信速度非常高。通信媒体一般采用光纤或铜线，因为此两种介质传输的速度非常快，能满足信息系统的高速化需求。车辆其它网络通信技术1)LIN: 动力CAN数据总线主要连接3块电脑：发动机、ABS/ASR及自动变速器电脑（ATM）。此外可以连接安全气囊、四轮驱动与组合仪表等电脑。2）Flexray和线控系统。3）GPS。 4）多媒体传输系统:Most，以太网，光纤。第六部分 工业以太网 Ethernet进军工业自动化的主要动力是：成本低；速度的提高，因普通遍应用所形成的硬件资源、软件资源和广泛支持。Ethernet是世界上应用最多的网络，超过93%的网络节点为Ethernet。 以太网已成功的应用于工业自动化诸多方面，以太网技术入工业过程控制底层，即设备层，甚至取代现有的现场总线技术成为统一的工业网络标准？物理层：TP， Manchester编码， 10M +以太网与传统工业通信总线技术比较(1) 物理层现场总线A. 传输介质：多数采用屏蔽双绞电缆（RS-485）、光纤、同轴电缆，以解决长线传输、数据传输速率和电磁干扰等问题。也有无线传输方案，以适应不同场合需要。 B. 插件：各种防护等级工业级的接插件。 B 线供电及本质安全：如IEC61158-2，用于流程控制及要求防爆功能的场合。 D. 编码：异步 NRZ、位同步曼彻斯特编码等。 E. 传输速率：9.6k12M 以太网A. 传输介质：UTP3类线、UTP5类线、 屏蔽双绞电缆、光纤、同轴电缆, 无线传输的解决方案。 B. 插件：RJ45、AUI、BNC C. 总线供电及本质安全：无。 D. 编码：同步、曼彻斯特编码。 E. 传输速率：10M、100M 数据层：载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CDCSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不发送数据，以免发生碰撞。 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。 Ethernet用于工业自动化需要解决的问题Ethernet用于工业自动化有以下4个问题需解决。实时性问题 Ethernet如何满足现场环境问题 工业控制中使用Ethernet如何获得技术支持Ethernet与网络安全问题以太网技术改进路线以太网全面进入工厂底层成为设备连接主要网络技术，需要： (1) 改进物理层 A. 传输介质应包括多种工业级护套和铠装电缆、光纤等. B. 各种防护等级工业级的接插件。 C. 应该具有总线供电及本质安全的解决方案, 用于流程控制及要求防爆功能的场合。(2) 如何满足实时性和确定性要求? 提高带宽、减少碰撞是最直接的办法。以太网在CSMA/CD技术基础上也有一些改进，如应用智能集线器、交换机技术等，但没有从机理上保证通信的实时性和确定性。 进一步解决这个问题有软件和硬件两种思路；硬件方案是设计新型智能网络交换设备，不走增加带宽的老路；软件解决是在一定带宽资源基础上，由软件调度实现实时、确定性通信功能。 (3) 成本：以太网进入现场层，单站点成本是必需考虑的因素；与目前现场总线产品竞争。 课程复习题目一。分析讨论题1。工业通信的特点；（实时、周期与非周期、短帧、方向比较固定。）（1）传输及时性和系统实时性：工业通信网络的实时性要求高。（2）高可靠性：在易爆或可燃的场合，应有本质安全的性能。（3）工业通信需要解决不同厂商的产品和系统相互兼容问题，强调互操作性，在ISO/OSI 参考模型上，加了用户层，通过标准功能块和装置描述（DD）功能来保证开放性通信。（4）总线供电：工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。（5）现场控制层设备间传输的信息长度都比较小，通常仅为几位比特或几个、几十个字节，对带宽要求不高。（6）工业现场设备向网络上发送数据都遵循严格的时序。周期与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期性信息（如过程测量与控制信息、监控信息等）较多，而非周期信息（如突发事件报警、程序上下载等）较少。（7）信息流向的单一性较强，2。串行总线为什么大部分采用差分电压信号传输？这种技术具有低功耗、低误码率、低串扰、低辐射等特点，其传输介质可以是铜质PCB连线，也可以是平衡电缆，最高传输速率可达1.923Gb/s。在差分传输电路中，干扰信号会同时进入相邻的两条信号线中，在接收端，相同的干扰进入差分放大器的两个反相输入端会相互抵消，所以差分信号有较好的抗干扰能力3。比特率和波特率有什么不同？信号在信道中的传播速度是？.比特率 在数字信道中，比特率是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示，其单位为每秒比特数bit/s(bps)、每秒千比特数(Kbps)或每秒兆比特数(Mbps)波特率 波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，其单位为波特(Baud)。 波特率与比特率的关系为：比特率=波特率X单个调制状态对应的二进制位数。 数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一。数据传输速率在数值上等于每秒种传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒(bitcond)，记作bps。4。现场总线系统与工业通信系统与什么内容不同？（前者包括企业上层的信息通信，后者主要是底层的设备间通信）5。串行技术232和485的主要区别？由于RS-232 接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：（1） 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL 电路连接。（2） 传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。现在由于采用新的UART 芯片16C550 等，波特率达到115.2Kbps。（3） 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式， 这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。（4） 传输距离有限，最大传输距离标准值为50 米，实际上也只能用在15米左右。（5）RS-232 只允许一对一通信，而RS-485 接口在总线上是允许连接多达128个收发器。6。USB2.0的基本速率是多少？USB2.0除了拥有USB1.1中规定的1.5Mbps和12Mbps两个传输模式以外，还增加了480Mbps高速数据传输模式7。CAN的物理层？Profibus的物理层主要是？CAN控制器、CAN收发器、CAN-BUS数据传输线和CAN-BUS终端电阻。Profibus：MBPRS-485RS-485-IS光纤8。Canbus的冲突仲裁如何实现？9。J1939的常用技术内容（名词）。报文:指CAN数据帧。包（Packet）:一个单一的CAN数据帧就是一个包。参数组 PG（Parameter Group）：在一消息中传送参数的集合。参数组编号PGN（ Parameter Group Number）：3 字节，24 位，包括保留位、数据页、PDU 格式和组扩展域等。参数组编号唯一标识一个参数组。可疑参数编号(SPN)：给每个参数分配了一个19位的可疑参数编号(SPN)。SPN用来标识与ECU相关的故障诊断元素、部件或参数组中参数。诊断故障代码DTC（Diagnostic Trouble Code）J1939故障诊断主要采用诊断故障代码 DTC来识别故障类型、相关故障模式以及它的发生次数。诊断故障代码DTC由4 个独立部分构成，共用4个字节：- 可疑参数的编号(SPN) 19位；- 故障模式标志(FMI) 5位：该 FMI 定义了为SPN 所识别的子系统中发现的故障类型；- 发生次数(OC) 7位；- 可疑参数编号的转化方式(CM) 1 位，这个指与SPN发送的格式有关。10.以太网的最大（短）帧长是？1.以太网帧的最短长度为64字节，或者帧中的数据不得少于46个字节,其中以太网帧头有18字节(以太网2的值为:MAC+2类型+4CRC,注意,如果是802.3的规范,它支持SNAP和802.3以太,其中的2个字节的类型字段就变为帧的长度),小于以上长度的帧或数据需要在帧中加入“填充数据(pad)” 。 2.以太网帧的最长长度为1518字节。我们所说的MTU 以太网一般为1500，加上以太网帧头18字节。(1500数据+18以太网帧头,注意,802.3规范已经把最大长度改为1536(0x0600)了)。一。分析讨论题1。信号传输中受到信道影响的分析？信号通过信道会存在损耗、延迟、噪声干扰。损耗引起信号强度减弱，噪声会破坏信号，产生误码。由于信道有限带宽限制，方波的高频成分会衰减严重，相当于被滤掉。2。现场总线系统通信模型一般有几层？一般有四层，物理层，数据链路层，应用层，用户层3。画出“”的Mancheste编码示意图。4。FF，Profibus和CANbus如何处理多个设备站点占用信道时冲突问题。FF：将集中调度式通信（WorldFip）与令牌循环的通信控制方式(Profibus)有机结合起来，（使得网络节点设备间的通信能够最有效地使用总线带宽，既可保证周期性变量的准确定时传输，同时又通过令牌循环调度机制赋予每一节点设备在定周期传输的间隙时间内自主通信的权利，保证了整个现场网络的实时性。数据链路层涉及到数据、地址、优先级、介质访问控制以及其它与报文传输有关的信息。 ）Profibus：通信为主从式：主站获得令牌时，可主动发信息。从站能回答；Profibus协议满足介质存取控制的两个基本要求：确切时间间隔中，保证主站点有足够的时间来完成通信任务；主从站间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。CANbus：5。防止信号干扰有哪些主要技术？硬件？软件？解决噪声干扰问题的硬件方法：屏蔽：屏蔽共分两种，即电场屏蔽及磁场屏蔽。隔离：隔离是使电路相互独立，不成回路。有效地切断噪声通道，常用方法有三种：采用光电耦合器件；用继电器隔离（因为继电器的信号动作与控制触点动作分在两个电路中）；用隔离变压器隔离。滤波：用RC或LC滤波电路，消除或抑制直流电源传递的噪声。接地：“地线” 指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以接大地，也可以与大地隔绝。比如有信号地、模拟地、数字地和系统地等。软件抗干扰技术数字滤波：加一段数字滤波程序， 有中位值法、平均值法和限幅滤波等；软件冗余/软件陷阱“看门狗”（watchdog）：控制器受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”。当指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境时，通常采用程序监视技术，又称，使失控的程序摆脱“死循环”。“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合实现。6。以太网的优势和缺点（特别是在工业环境下），如何实现工业以太网技术？优点：（1） 开放性好（2） 数据传输率高（3） 远程技术的应用（4） 容易与信息网络集成（5） 支持多种物理介质和拓扑结构（6） 成本和费用低（7） 可持续发展潜力大缺点：（1） 信息传输存在实时性差和不确定性（2） 以太网在工业现场环境中应用可靠性低（3） 缺乏应用于工业控制领域的应用层协议以太网全面进入工厂底层成为设备连接主要网络技术，需要： (1) 改进物理层 A. 传输介质应包括多种工业级护套和铠装电缆、光纤等. B. 各种防护等级工业级的接插件。 C. 应该具有总线供电及本质安全的解决方案, 用于流程控制及要求防爆功能的场合。(2) 如何满足实时性和确定性要求? 提高带宽、减少碰撞是最直接的办法。以太网在CSMA/CD技术基础上也有一些改进，如应用智能集线器、交换机技术等，但没有从机理上保证通信的实时性和确定性。 进一步解决这个问题有软件和硬件两种思路；硬件方案是设计新型智能网络交换设备，不走增加带宽的老路；软件解决是在一定带宽资源基础上，由软件调度实现实时、确定性通信功能。 (3) 成本：以太网进入现场层，单站点成本是必需考虑的因素；与目前现场总线产品竞争。重要名词： 1.信号-数据-信息：数据是数据链路层的概念，他讲究在介质上传输的信息的准确性。信息是应用层的概念，他讲究你要表达的意思。信号是物理层的概念，他讲究电平的高低，线路的通断等。2.波特率-比特率：比特率在数字信道中，比特率是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示，其单位为每秒比特数bit/s(bps)、每秒千比特数(Kbps)或每秒兆比特数(Mbps)来表示(此处K和M分别为1000和1000000，而不是涉及计算机存储器容量时的1024和1048576)。波特率 波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，其单位为波特(Baud)。3. 信道：信道是指传送信息的线路4. 干扰：（1）器件工作的噪声干扰（2）高频信号噪声干扰（串扰和回损）（3）电源噪声干扰（4）地线噪声干扰5. 失真:当信号通过一个系统后，其输出波形与输入波形不相同，我们就说信号在传输过程中产生了失真。6. 带宽（band width）又叫频宽，是指在固定的的时间可传输的资料数量，亦即在传输管道中可以传递数据的能力。7. 时延：是指信号从发送方开始发送到接收方接受完毕需要的时间。8. 总线：为了简化硬件电路和系统结构，常用一组线路，配置以适当接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。9. 计算机总线：PC采用开放式的结构，为连接外部设备，在底板上设置了一些标准扩展插槽这些插槽又称PC总线10. 测试总线：测试仪器之间，以及测试仪器与PC机之间进行数据通信的信息通道。11. 现场总线：工厂底层设备之间的通信网络。12. 总线供电：工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且能够为现场设备传输工作电源13. 本质安全：指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。14. 控制器：主要是用来将上层信息传给收发器，将收发器的信息传给上层15. 收发器：将电缆上的信息传给控制器，将控制器的信息传给电缆16. 网卡：又叫网络适配器，是计算机网络中最重要的连接设备。17. CSMA/CD：表示载波监听多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Det