第05章总线接口技术

1、计算机控制系统计算机控制系统自动化教研室自动化教研室自动化专业主干课程自动化专业主干课程华北科技学院华北科技学院电子信息工程学院电子信息工程学院第第5 5章章 总线接口技术总线接口技术n5.1串行通信的基本概念n5.2 串行通信标准总线 n5.3 SPI总线n5.4 I2C总线n5.5现场总线技术5.1串行通信的基本概念串行通信的基本概念 通信实际上是由一地向另一地传送含有信息的消通信实际上是由一地向另一地传送含有信息的消息。通信中所传递的消息，有各种不同的形式，如息。通信中所传递的消息，有各种不同的形式，如符号、文字、语言、数据等，因而根据所传递消息符号、文字、语言、数据等，因而根据所传递消

2、息的类别，在通信业务上中分为电报、电话、数据传的类别，在通信业务上中分为电报、电话、数据传输及可视电话等。输及可视电话等。通信系统的一般框图通信系统的一般框图信息信息信号信号信号信号信息信息 信源信源发信器发信器传输线路传输线路受信器受信器信宿信宿干扰干扰/ /噪声噪声5.1.1 数据传送方式数据传送方式并行通讯：数据各位同时传送串行通讯：数据一位一位顺序传送串行通信与并行通信的比较 从通信距离上看：并行通信适宜于近距离的数据传送，通常小于30米。而串行通信适宜于远距离传送，可以从几米到数千公里。 从通信速率上看：一般应用中，在短距离内，并行接口的数据传输速率显然比串行接口的传输速率高得多，但

3、长距离内串行数据传送速率会比并行数据传送速率快。 由于串行通信的通信时钟频率较并行通信容易提高，因此许多高速外部设备，如数字摄像机与计算机之间的通信也往往使用串行通信方式。 从抗干扰性能上看：串行通信由于只有一两根信号线，信号间的互相干扰完全可以忽略。从设备和费用上看：随着大规模和超大规模集成电路的发展，逻辑器件价格趋低，而通信线路费用趋高，因此对远距离通信而言，串行通信的费用显然会低得多。另一方面串行通信还可利用现有的电话网络来实现远程通信，降低了通信费用。 串行通信与并行通信相比,虽然有许多优点,但也随之带来了数据的串/并及并/串转换、数据格式的要求以及位计数等问题，使之比并行通信实现起来

4、更复杂。全双工全双工站站A站站B站站A站站B站站A站站B半双工半双工单工单工数据传送方式数据传送方式串行传送的两种基本工作方式串行传送的两种基本工作方式n异步方式异步方式: :接收端的时钟完全独立于发送端。由自己内部的接收端的时钟完全独立于发送端。由自己内部的时钟发生器产生，但它的标称频率必须与发送端一致。时钟发生器产生，但它的标称频率必须与发送端一致。n同步方式：同步方式：接受端的时钟与发送端严格一致。只要使第一接受端的时钟与发送端严格一致。只要使第一位的相位关系正确，以后就可以在一次传输中始终保持这位的相位关系正确，以后就可以在一次传输中始终保持这个正确的关系，不会产生任何积累误差。个正确

5、的关系，不会产生任何积累误差。5.1.2 数据通信方式数据通信方式1. 1. 异步方式异步方式n串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传送串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传送n收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程），才能解决传送收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程），才能解决传送速率、信息格式、位同步、字符同步、数据校验等问题速率、信息格式、位同步、字符同步、数据校验等问题n串行异步通信以字符为单位进行传输，其通信协议是起止式异步串行异步通信以字符为单位进行传输，其通信协议是起止式异步通信协议通信协议异步串行数据发送格式异步串行数据发送格式n 起始位起始位

6、每每个字符开始传个字符开始传送的标志，起送的标志，起始位采用逻辑始位采用逻辑0电平电平起始位起始位校验位校验位停止位停止位空闲位空闲位数据位数据位低位低位高位高位字符字符0/10/10/10/10/10/10/10/11 10 01 11 11 1数据位数据位紧跟着起始位传送。由58个二进制位组成，低位先传送n校验位用于校验是否传送正确；可选择奇检验、偶校验或不传送校验位n停止位表示该字符传送结束。停止位采用逻辑1电平，可选择1、1.5或2位n空闲位传送字符之间的逻辑1电平，表示没有进行传送2. 2. 同步方式同步方式n以一个数据块（帧）为传输单位，每个数据块附加以一个数据块（帧）为传输单位，

7、每个数据块附加1个或个或2个同步个同步字符，最后以校验字符结束字符，最后以校验字符结束n同步通信的数据传输效率和传输速率较高，但硬件电路比较复杂同步通信的数据传输效率和传输速率较高，但硬件电路比较复杂n串行同步通信主要应用在网络当中串行同步通信主要应用在网络当中n最常使用高级数据链路控制协议最常使用高级数据链路控制协议HDLC同步字符同步字符数据数据数据数据数据数据校验字符校验字符5.2 串行通信标准总线5.2.1 RS-232-CnRS-232CRS-232C标准是美国标准是美国EIAEIA（电子工业联合会）与（电子工业联合会）与BELLBELL等公司一起开发的等公司一起开发的1969196

8、9年公布的通信协议。年公布的通信协议。n它适合于数据传输速率在它适合于数据传输速率在020000bit/s020000bit/s范围内的范围内的通信。通信。n它最初是为远程通信连接数据终端设备它最初是为远程通信连接数据终端设备DTEDTE（Data Terminal EquipmentData Terminal Equipment）与数据通信设备）与数据通信设备DCEDCE（Data Communication EquipmentData Communication Equipment）而制定）而制定的。的。nRS-232CRS-232C标准对信号电平标准和控制信号线作了标准对信号电平标准和控

9、制信号线作了的定义的定义nRS-232CRS-232C采用负逻辑规定逻辑电平，信号电平与采用负逻辑规定逻辑电平，信号电平与通常的通常的TTLTTL电平不兼容电平不兼容n RS-232CRS-232C将将 -5V -5V -15V-15V规定为规定为“1”1”，n +5V +5V +15V+15V规定为规定为“0”0”nTTLTTL标准和标准和RS-232CRS-232C标准之间的电平转换可以通过标准之间的电平转换可以通过专用芯片完成专用芯片完成 n 例如：例如： MC1488/MC1489MC1488/MC1489，MAX232MAX232等。等。nRS-232CRS-232C有有DB-25D

10、B-25，DB-9DB-9两种连接器，如图所示。两种连接器，如图所示。引脚号信号名称方 向信 号 功 能1DCDPC机仪器PC机收到远程信号（载波检测）2RXDPC机仪器PC机接收数据3TXDPC机仪器PC机发送数据4DTR PC机仪器PC机准备就绪5GND- 信号地6DSRPC机仪器仪器准备就绪7RTSPC机仪器PC机请求发送数据8CTSPC机仪器仪器已切换到接收状态（清除发送）9RIPC机仪器通知PC机，线路正常（振铃指示）电平转换芯片介绍 n(1)(1)驱动器的输出电平驱动器的输出电平n逻辑逻辑0 0：+5V+5V+15V+15V； 逻辑逻辑1 1：-5V-5V1 15V5Vn(2)(2

11、)接收器的输入检测电平接收器的输入检测电平n逻辑逻辑0 0：+3V +3V ； 逻辑逻辑1 1：- -3V3VnRS-232CRS-232C使用的是负逻辑。使用的是负逻辑。 TXDRXDRXDTXDT1INR1OUTT1OUTR2OUTR2INT2OUTR2OUTT2IN11611610610610610696967676868680318031MAX232AMAX232An电平转换最常用的芯片是传送线驱动器电平转换最常用的芯片是传送线驱动器MC1488MC1488和和接收器接收器MC1489MC1489，其作用除了电平转换外，还实现，其作用除了电平转换外，还实现正负逻辑电平转换。正负逻辑电平

12、转换。n下图是单片机与下图是单片机与RS-232RS-232标准接口电路。标准接口电路。 RS-232C接口的缺点接口的缺点n数据通信速率低。数据通信速率低。RS-232CRS-232C规定的最高传输速率规定的最高传输速率20kbit/s20kbit/s虽然可以满足一般的异步通信需要，但虽然可以满足一般的异步通信需要，但并不能满足同步传输的要求。并不能满足同步传输的要求。n通信距离短。使用通信距离短。使用RS-232CRS-232C接口的通信线路在接口的通信线路在15m15m左右可以达到正常的通信要求，左右可以达到正常的通信要求， 但无法满足更但无法满足更长的通信距离，即使使用极好的线路器件和

13、优良长的通信距离，即使使用极好的线路器件和优良的信号条件，也无法使电缆长度超过的信号条件，也无法使电缆长度超过60m60m。n抗干扰能力差。通信两端的电平转换电路均为单抗干扰能力差。通信两端的电平转换电路均为单端电路，无法抑制共模干扰，各信号间也易受到端电路，无法抑制共模干扰，各信号间也易受到干扰。干扰。 5.2.2 RS-423/RS-422/RS-485n鉴于鉴于RS-232CRS-232C标准的缺点，标准的缺点，19771977年年EIAEIA公布了新的公布了新的标准接口标准接口RS-449RS-449作为作为RS-232CRS-232C的替代标准。的替代标准。nRS-449RS-449

14、接口使用差分信号进行数据传输，接口使用差分信号进行数据传输， 使用使用双绞线作为通信线路，无需使用调制解调器，通双绞线作为通信线路，无需使用调制解调器，通信距离可以达到信距离可以达到1200m1200m，速率可达，速率可达90kbit/s90kbit/s。n由于其使用信号差电路传输高速信号，所以噪声由于其使用信号差电路传输高速信号，所以噪声低，又可以多点或使用公用线通信，两台以上的低，又可以多点或使用公用线通信，两台以上的设备可与设备可与RS-449RS-449通信电缆并联。通信电缆并联。nRS-423RS-423422422标准是标准是RS-449RS-449标准的子集，规定了标准的子集，规

15、定了电气方面的要求。电气方面的要求。nRS-423ARS-423A标准是标准是EIAEIA公布的公布的“非平衡电压数字接口非平衡电压数字接口电路的电气特性电路的电气特性”标准，这个标准是为改善标准，这个标准是为改善RS-RS-232C232C标准的电气特性，又考虑与标准的电气特性，又考虑与S-232CS-232C兼容而制兼容而制定的。定的。nRS-423ARS-423A采用非平衡发送器和差分接收器，其标采用非平衡发送器和差分接收器，其标准传输线连接如图所示。准传输线连接如图所示。n图图 RS-423ARS-423A标准传输线连接标准传输线连接nRS-423ARS-423A电平变化范围为电平变化

16、范围为12V12V（6V6V）n允许使用比允许使用比RS-232CRS-232C串行接口更高的波特率且可串行接口更高的波特率且可传送到更远的距离传送到更远的距离n通信速率最大通信速率最大100kbit/s100kbit/s，此时传输距离可达，此时传输距离可达90m90mn 当通信速率为当通信速率为1kbit/s1kbit/s时，传输距离可达时，传输距离可达1200m1200mn实现实现RS-422ARS-422A接口的芯片有：接口的芯片有： n MC3487/3486MC3487/3486， SN75174/75175SN75174/75175等等nRS-422ARS-422A是平衡发送、差分

17、接收，即双端发送、是平衡发送、差分接收，即双端发送、双端接收，如图所示。双端接收，如图所示。n图图 RS-422ARS-422A标准传输线连接标准传输线连接nRS-422ARS-422A标准允许驱动器输出为标准允许驱动器输出为(26)V(26)Vn接收器可以检测到的输入信号电平可低至接收器可以检测到的输入信号电平可低至200mV200mV。n当传输距离为当传输距离为15m15m时，最大通信速率可达时，最大通信速率可达10Mbit/s10Mbit/sn 当通信速率为当通信速率为90kbit/s90kbit/s时，时， 传输距离可达传输距离可达1200m 1200m nRS-485RS-485是是

18、RS-422ARS-422A的变型的变型nRS-422ARS-422A为全双工工作方式，可以同时发送和接为全双工工作方式，可以同时发送和接收数据，而收数据，而RS-485RS-485则为半双工工作方式，在某一则为半双工工作方式，在某一时刻，一个发送另一个接收。时刻，一个发送另一个接收。nRS-485RS-485是一种多发送器的电路标准，它扩展了是一种多发送器的电路标准，它扩展了RS-422ARS-422A的性能，在同一个的性能，在同一个RS-485RS-485网络中，可以网络中，可以有多达有多达3232个模块，这些模块可以是被动发送器、个模块，这些模块可以是被动发送器、 接收器或收发器。接收器

19、或收发器。nRS-485RS-485电路允许公用电话线通信电路允许公用电话线通信n电路结构是在平衡连接电缆两端有终端电阻，在电路结构是在平衡连接电缆两端有终端电阻，在平衡电缆上挂发送器、接收器或收发器平衡电缆上挂发送器、接收器或收发器nRS-485RS-485标准没有规定在何时控制发送器发送和接标准没有规定在何时控制发送器发送和接收器接收数据的规则收器接收数据的规则n电缆选择比电缆选择比RS-422ARS-422A更为严格更为严格n实现实现RS-485RS-485接口的芯片有接口的芯片有MAX485/491MAX485/491等等 n多机通信示意图如图所示，多机通信一般是一多机通信示意图如图所

20、示，多机通信一般是一主多从。主多从。n由于多发送线是接在一起的，由于多发送线是接在一起的， 每根发送线应具每根发送线应具有三态控制。有三态控制。5.3 SPI总线5.3.1 SPI总线简介总线简介SPI（Serial Peripheral Interface Bus）总线系统是一种同步串行外设接口，允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信和交换信息。使用SPI总线可以简化电路设计，节省常规电路中的接口器件，提高设计的可靠性。nSPISPI总线是一种三线同步总线，总线是一种三线同步总线， 三根线分别是：三根线分别是： MISO ( Master Input Slave Output )MISO

21、 ( Master Input Slave Output ) MOSI ( Master Output Slave Input ) MOSI ( Master Output Slave Input ) CLK ( Clock ) CLK ( Clock )n实际应用中还要有一根片选线。实际应用中还要有一根片选线。n通信中有一个主控制器，多个从控制器通信中有一个主控制器，多个从控制器n主控器：即主机，提供时钟，每个时钟的主控器：即主机，提供时钟，每个时钟的 宽度可以不一样宽宽度可以不一样宽n从控器：即从机从控器：即从机nSPISPI总线以字节（总线以字节（8 bit8 bit）单位进行传送）单位

22、进行传送nSPISPI总线可以全双工同步传送总线可以全双工同步传送 图 SPI总线的系统组成5.3.2 SPI总线接口及程序设计总线接口及程序设计 nX5045/43X5045/43是美国是美国XicorXicor公司生产的公司生产的EEPROMEEPROM器件器件nX5045X5045是把微处理器外围器件最基本的三种功能：是把微处理器外围器件最基本的三种功能： 看门狗定时器、看门狗定时器、 复位控制和复位控制和EEPROMEEPROM集成在单个集成在单个8 8引脚封装的引脚封装的CMOSCMOS器件内器件内n 将电源监控和看门狗功能与高速、三线、非易将电源监控和看门狗功能与高速、三线、非易失

23、性存储器组合在一起，从而很大程度上降低失性存储器组合在一起，从而很大程度上降低了系统成本对电路板空间的要求。了系统成本对电路板空间的要求。 nX5043X5043是低电平复位，是低电平复位，X5045X5045是高电平复位是高电平复位nX5045X5045的外形如图所示。的外形如图所示。 n看门狗定时器对微处理器提供了独立的保护系看门狗定时器对微处理器提供了独立的保护系统，一旦出现故障，统，一旦出现故障，RESETRESET就做出响应；就做出响应；n VccVcc检测电路可使系统免受电压低状况的影响，检测电路可使系统免受电压低状况的影响，当降到最小工作电压以下时，系统复位，直到当降到最小工作电

24、压以下时，系统复位，直到VccVcc返回到稳定为止；返回到稳定为止； n其存储器部分是其存储器部分是4096 4096 位串行位串行EEPROMEEPROM，具有简，具有简单的三线总线工作的串行外设接口单的三线总线工作的串行外设接口SPISPI；n利用了利用了XicorXicor公司的公司的Direct WriteTMDirect WriteTM专利技术，专利技术，提供不少于提供不少于100000100000次的使用期限和最小次的使用期限和最小100100年年的数据保存期。的数据保存期。n具有以下一些基本特点：具有以下一些基本特点： n(1) (1) 低电源电压检测以及直至低电源电压检测以及直

25、至Vcc=1V Vcc=1V ， 复位信号有效；复位信号有效； n(2) (2) 数据传送速率快，数据传送速率快， 时钟速率为时钟速率为1MHz1MHz； n(3) 512(3) 5128 8位串行位串行EEPROMEEPROM，4 4字节页方式；字节页方式；n(4) (4) 采用低功耗采用低功耗CMOSCMOS工艺，具有工艺，具有1010微安等待微安等待 电流和电流和3mA3mA工作电流；工作电流； n(5) (5) 工作电源范围宽为工作电源范围宽为2.72.75.5V5.5V； n(6) (6) 块锁定块锁定(block lock)(block lock)，保护，保护1/41/4、1/21

26、/2或所或所有的有的EEPROMEEPROM阵列；阵列； n(7) (7) 片内异常事件写保护片内异常事件写保护( (上电、掉电写保护上电、掉电写保护 和提供写锁存和提供写锁存) )。 n下图是下图是X5045X5045与与89C5189C51接口原理图，接口原理图， 一般在设计一般在设计线路时最好在线路时最好在CPUCPU的的I/OI/O加一个到加一个到+5V+5V的上接电阻。的上接电阻。 n程序设计分为三部分：定义、主程序、功能子程序设计分为三部分：定义、主程序、功能子程序。程序。n定义部分分为定义部分分为I/OI/O引脚功能定义、引脚功能定义、 X5045X5045命令命令定义、定义、

27、X5045X5045读写单元定义。读写单元定义。n主程序完成设置缓冲区、主程序完成设置缓冲区、X5045X5045读写、清看门读写、清看门狗和显示功能。狗和显示功能。n子程序完成读写子程序完成读写X5045X5045等各种功能。等各种功能。 5.4 I2C总线5.4.1 I2C总线简介总线简介nI I2 2C (Inter IC Bus)C (Inter IC Bus)总线是总线是PHILIPSPHILIPS公司推出公司推出的设备内部串行总线的设备内部串行总线nI I2 2C C 总线是一种具有自动寻址、高低速设备同总线是一种具有自动寻址、高低速设备同步和仲裁等功能的高性能串行总线步和仲裁等功

28、能的高性能串行总线n能够实现完善的全双工数据传输，是各种总线能够实现完善的全双工数据传输，是各种总线中使用信号线数量较少的中使用信号线数量较少的nI I2 2C C 总线使用两根信号线传输数据，即串行数总线使用两根信号线传输数据，即串行数据线据线SDASDA和串行时钟线和串行时钟线SCLSCLnSDASDA和和SCLSCL都为双向都为双向I/OI/O线，线， 通过上拉电阻通过上拉电阻RpRp接接+5V+5V电源，总线空闲时皆为高电平电源，总线空闲时皆为高电平nI I2 2C C总线的输出端必须是开路或集电极开路，总线的输出端必须是开路或集电极开路， 以便具有以便具有“线与线与”功能功能5.4.

29、2 I2C总线的通信时序总线的通信时序 n当执行数据传送时，启动数据发送并产生时钟当执行数据传送时，启动数据发送并产生时钟信号的器件称为主器件；被寻址的任何器件都信号的器件称为主器件；被寻址的任何器件都可看做从器件可看做从器件n任何时刻总线只能由一个主器件控制，各从器任何时刻总线只能由一个主器件控制，各从器件在总线空闲时启动数据传送，由件在总线空闲时启动数据传送，由I2CI2C总线仲裁总线仲裁决定哪个主器件控制总线决定哪个主器件控制总线n在在I I2 2C C总线中发送数据的器件叫发送器，从总线总线中发送数据的器件叫发送器，从总线中接收数据的器件叫接收器中接收数据的器件叫接收器nI I2 2C

30、 C总线寻址采用纯软件的寻址方法，总线上所总线寻址采用纯软件的寻址方法，总线上所有器件要依靠有器件要依靠SDASDA发送的地址信号寻址，无需片发送的地址信号寻址，无需片选线选线n主机在发送完开始条件后，立即发送寻址字节主机在发送完开始条件后，立即发送寻址字节来寻址被控器件来寻址被控器件n开始条件和结束条件：开始条件和结束条件：n具有具有I I2 2C C总线的设备都是工作在主从方式总线的设备都是工作在主从方式n由主设备发开始由主设备发开始(START)(START)和停止和停止(STOP)(STOP)信号信号n串行时钟线串行时钟线SCLSCL的上升沿将数据写入从设备，的上升沿将数据写入从设备，

31、下降沿将数据从从设备读出下降沿将数据从从设备读出n即在即在SCLSCL为高电平时，为高电平时，SDLSDL为高电平期间为高电平期间SDASDA的下的下降沿为开始信号，而降沿为开始信号，而SDASDA的上升沿为停止信号。的上升沿为停止信号。n开始条件和结束条件时序如图所示。开始条件和结束条件时序如图所示。 nI2CI2C总线协议的技术规范中规定每次发送到总线协议的技术规范中规定每次发送到SDASDA上的数据必须是一个字节上的数据必须是一个字节n每次传输发送的字节数不受限制每次传输发送的字节数不受限制n传输的数据字节按照由高位到低位的顺序发传输的数据字节按照由高位到低位的顺序发送送n每发送一个字节

32、后必须跟一个响应位每发送一个字节后必须跟一个响应位n如果从器件在接收下一字节之前需要时间对如果从器件在接收下一字节之前需要时间对当前数据进行处理，那么在从器件完成当前当前数据进行处理，那么在从器件完成当前数据的接收后，将保持数据的接收后，将保持SCLSCL为低电平，通知主为低电平，通知主器件进入等待状态，直到从器件准备好接收器件进入等待状态，直到从器件准备好接收下一字节数据时，释放时钟线下一字节数据时，释放时钟线SCLSCL，主器件才，主器件才可以继续发数据。可以继续发数据。 n发送器每发送完一个字节，发送器每发送完一个字节， 将数据线将数据线SDASDA拉高，拉高，由主控制器产生第由主控制器

33、产生第9 9个脉冲，个脉冲， 接收器将接收器将SDASDA拉拉低，以此作为接收器对发送器的应答。低，以此作为接收器对发送器的应答。n发送器在第发送器在第9 9个脉冲探测个脉冲探测SDASDA为低，表明接收器为低，表明接收器已成功接收到发送器发送的一个字节，可以继已成功接收到发送器发送的一个字节，可以继续进行后面的通信。续进行后面的通信。5.4.3 I2C总线的应用实例总线的应用实例 数字电位器X9241应用程序设计5.5 现场总线技术到目前为止，自动化技术已经经历了两次飞跃，第一次是到目前为止，自动化技术已经经历了两次飞跃，第一次是在在2020世纪世纪50506060年代从传统的电气传动控制发

34、展到以模拟年代从传统的电气传动控制发展到以模拟信号为主的电子装置和自动化仪表监控系统，这次飞跃是信号为主的电子装置和自动化仪表监控系统，这次飞跃是以微电子技术进步为基础的。以微电子技术进步为基础的。第二次则是在第二次则是在2020世纪世纪70708080年代，分布式控制系统年代，分布式控制系统DCSDCS的的出现，把分散的、单回路的测控系统用计算机进行了统一出现，把分散的、单回路的测控系统用计算机进行了统一的管理，用各种的管理，用各种I/OI/O功能模板代替了控制室的仪表，利用功能模板代替了控制室的仪表，利用计算机高速运算的强大功能，集中实现了回路调节，工矿计算机高速运算的强大功能，集中实现了

35、回路调节，工矿连锁、参数显示报警，历史数据储存，工艺流程动态显示连锁、参数显示报警，历史数据储存，工艺流程动态显示等多种功能，在大型控制系统中往往还带有操作指导和专等多种功能，在大型控制系统中往往还带有操作指导和专家系统等软件。家系统等软件。 进入进入2020世纪世纪9090年代后，数字化和网络化成为当今控制技年代后，数字化和网络化成为当今控制技术发展的主要方向。人们意识到传统的模拟信号只能提供原术发展的主要方向。人们意识到传统的模拟信号只能提供原始的测量和控制信息，而智能变送器在始的测量和控制信息，而智能变送器在4 420mA20mA信号之上附信号之上附加信息的能力又受其低通信速率的制约，所

36、以对整个过程控加信息的能力又受其低通信速率的制约，所以对整个过程控制系统的机制进行数字化和网络化，应是其发展的必然趋势。制系统的机制进行数字化和网络化，应是其发展的必然趋势。 现场总线是现代计算机、通信和控制技术的集成，使自现场总线是现代计算机、通信和控制技术的集成，使自动化技术正在进入第三次飞跃。可以预言，随着现场总线技动化技术正在进入第三次飞跃。可以预言，随着现场总线技术的兴起和逐渐成熟，将使术的兴起和逐渐成熟，将使2121世纪的自动化领域成为现场总世纪的自动化领域成为现场总线的世界。线的世界。5.5.1 现场总线技术发展概况现场总线技术发展概况 现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中

37、通讯现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中通讯体系最底层的低成本网络。根据国际电工委员会体系最底层的低成本网络。根据国际电工委员会(IEC)(IEC)的标的标准和现场总线基金会（准和现场总线基金会（FFFF）的定义：）的定义：“现场总线是连接智现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构的通讯网络的通讯网络”。 基本内容包括：基本内容包括：以串行通讯方式取代传统的以串行通讯方式取代传统的420mA模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层现场智

38、能设备与高层系统利用公用传多点连接，支持底层现场智能设备与高层系统利用公用传输介质交换信息；其核心是它的通讯协议，协议必须根据输介质交换信息；其核心是它的通讯协议，协议必须根据ISO的计算机网络开放系统的的计算机网络开放系统的OSI参考模型来制定，它是一参考模型来制定，它是一种开放的七层网络协议标准，种开放的七层网络协议标准，多数现场总线只使用其中的多数现场总线只使用其中的一、二和七层协议（即物理层、数据链路层、应用层，这一、二和七层协议（即物理层、数据链路层、应用层，这三层也是最重要和必须考虑的）三层也是最重要和必须考虑的）。5.5.2 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS）的特点）的

39、特点 FCS FCS与传统与传统DCSDCS相比有着明显的优点。相比有着明显的优点。根据国际电工委员根据国际电工委员会会(IEC)(IEC)的标准和现场总线基金会（的标准和现场总线基金会（FFFF）的定义，）的定义，FieldbusFieldbus技术技术以下以下6 6个主要特点：个主要特点：（1 1）数字信号完全取代）数字信号完全取代4 420mA20mA模拟信号；实现现场管理和模拟信号；实现现场管理和控制的统一；控制的统一；（2 2）使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完）使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完成；成；（3 3）使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信

40、息以及）使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及补偿信息等；补偿信息等；（4 4）一般只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种数）一般只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种数据报文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的据报文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的有效手段。有效手段。（6 6）网络结构简单、执行协议直观，价格低廉，与上层网络）网络结构简单、执行协议直观，价格低廉，与上层网络的联接费用也不高。的联接费用也不高。（5 5）FieldbusFieldbus是一种开放式实时系统只具有简化的网络结构，是一种开放式实时系统只具有简化的网络结构，而与而与OSIOS

41、I不完全保持一致。真正实现系统开放性、互操作性。不完全保持一致。真正实现系统开放性、互操作性。FCS和DCS网络结构比较 5.5.3 五种典型现场总线五种典型现场总线目前较流行的目前较流行的5 5种是：种是：CANCAN、LONWorksLONWorks、PROFIBUSPROFIBUS、 HARTHART、FFFF。1 1、CANCAN（控制器局域网络）（控制器局域网络）CANCAN（Controller Area NetworkController Area Network）是由德国）是由德国BoschBosch公司专门为公司专门为汽车检测和控制而设计的、逐步发展到用于其他工业领域汽车检测

42、和控制而设计的、逐步发展到用于其他工业领域的现场控制。的现场控制。CANCAN已成为国际标准化组织已成为国际标准化组织ISO11898ISO11898标准。标准。CANCAN具有如下特性：具有如下特性：（1）通讯速率为）通讯速率为5kbps/10km、1Mbps/40m，节点数，节点数110个，个，传输介质为双绞线或光纤等。传输介质为双绞线或光纤等。（2）采用点对点、一点对多点及全局广播等方式发送接受）采用点对点、一点对多点及全局广播等方式发送接受数据。数据。（3）可实现全分布式多机系统，且无主从机之分，每个节）可实现全分布式多机系统，且无主从机之分，每个节点均主动发送报文，可方便的构成多机备

43、份系统。点均主动发送报文，可方便的构成多机备份系统。（4）采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时）采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而向网络发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息；按节点类型分优先级高的节点可不受影响地继续发送信息；按节点类型分成不同的优先级字节数为成不同的优先级字节数为8个。这样传输时间短，受干扰的个。这样传输时间短，受干扰的概率低，具有较好的检错效果。概率低，具有较好的检错效果。（5）采用）采用CRC校验及其他检错措施，保证了极低的信息出校验及其他检错措施，保

44、证了极低的信息出错率。错率。（6）节点具有自动关闭功能，当节点错误严重的情况下，）节点具有自动关闭功能，当节点错误严重的情况下，自动切断与总线的联系，这样不影响总线的正常工作。自动切断与总线的联系，这样不影响总线的正常工作。 2、LONWorks（局部操作网络局部操作网络） LONWorks(Local Operating Network)是美国是美国Echelon公司研公司研制的一种现场总线，主要特性有：制的一种现场总线，主要特性有：（1）通讯速率为）通讯速率为78kbps/2700m、1.25Mbps/130m、节点数、节点数32000，传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线、电力线以及

45、无线传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线、电力线以及无线传输等。传输等。（2）采用）采用LONTalk通讯协议，该协议遵循通讯协议，该协议遵循ISO定义的开放系统互定义的开放系统互连连OSI（Open Sysytem Interconnection）全部）全部7层模型。层模型。（3）LONWorks的核心是的核心是NEURON（神经元）芯片（神经元）芯片（MC143150和和MC143120，内含，内含3个个8位的位的CPU：第一个：第一个CPU为介质访问控制为介质访问控制处理器，实现处理器，实现LONTalk协议的第协议的第1层和第层和第2层；第二个层；第二个CPU为应用为应用处理器，实

46、现处理器，实现LONTalk协议的第协议的第7层，执行用户编写的代码及用户层，执行用户编写的代码及用户用户代码调用的操作系统服务）。用户代码调用的操作系统服务）。（4）NEURON芯片的编程语言为芯片的编程语言为NEURON C，它是从，它是从ANSI C派生出来的。派生出来的。LONWorks提供了一套开发工具提供了一套开发工具LONBilder与与NodeBuilder。（5）LONTalk协议提供了协议提供了5种基本类型的报文服务；确认种基本类型的报文服务；确认（Acknowledged）、非确认（）、非确认（Unacknowledged）、请求）、请求/响响应（应（Request/Re

47、ponse）、重复（）、重复（Repeated）、非确认重复）、非确认重复（Un-acknowledged Repeated）。）。（6）LONTalk协议的介质访问控制子层（协议的介质访问控制子层（MAC）对）对CSMA作了改进，采用一种新的作了改进，采用一种新的Predictive P-Persistent CSMA，根，根据总线负载随即调整时间槽据总线负载随即调整时间槽n（163），从而在负载较轻时），从而在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能最小使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能最小化。化。3、PROFIBUS（过程现场总线过程现场总线） PROFI

48、BUS（Process Field Bus）是德国标准，）是德国标准，1991年在年在DIN19245中公布了标准，中公布了标准，PROFIBUS有几种改进型分别用于不同的有几种改进型分别用于不同的场合，例如：场合，例如：（1）PROFIBUSPA（Process Automation）用于过程自动化，通）用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险防爆区域。过总线供电，提供本质安全型，可用于危险防爆区域。（2）PROFIBUSFMS（Fieldbus message Specification）用于一）用于一般自动化。般自动化。（3）PROFIBUSDP用于加工自动化，适用于分散的外围设备。用于加工自动化，适用于分散的外围设备。PROFIBUS引入功能模块的概念，不同的应用需要使用不同的模块。引入功能模块的概念，不同的应用需要使用不同的模块。在一个确定的应用中，按照在一个确定的应用中，按照PROFIBUS规范来定义模块，规范设备规范来定义模块，规范设备功能与功能与PROFI