现场总线报告

1、精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业题目：现场总线题目：现场总线控制网络技术报告控制网络技术报告学校：兰州理工大学技术学校：兰州理工大学技术工程学院工程学院系别：电气工程系系别：电气工程系专业：电气工程及其自动专业：电气工程及其自动化化班级：电力传动班级：电力传动 1 1 班班姓名：王玮姓名：王玮学号：学号：精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业摘要摘要是当今 3C(Computer、Communication、Control)技术发展的结合点，也是过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点，是信息技术、网络技术的发展在控制领域的集中体现，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然

2、结果。根据国际委员会(IEC，International Electrotechnical Commission)标准和现场总线基金会(FF，Fieldbus Foundation)的定义，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、多分支结构的通信网络。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使其都具有数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些检测、控制和通信任务的网络节点。通过普通双绞线把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统;使用公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化测控设备之间、以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输

3、与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统。现场总线主要是面向过程控制，除传输数字与模拟信号的直接信息外，还可传输控制信息，网络交换的数据单元是帧(Frame)。与集散控制系统(Distributed Control System，DCS) 相比，现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)具有可靠性高以及更好的安全性、互换性和互操作性、开放性、分散性等优点。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业综上所述，现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，它遵循 ISO/OSI 开放系统互联参考模型的全部或部分通信协议。关键字：

4、关键字：CAN,Profibus,FF,LonWorks,FCS,DCSCAN,Profibus,FF,LonWorks,FCS,DCS精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业目录目录1 概述概述.11.1 现场总线的背景.31.2 现场总线的现状.41.3 现场总线技术展望与发展趋势.62现场总线的介绍现场总线的介绍.102.1 现场总线的技术特点.102.2 现场总线的优点.132.3 总线的通信协议.142.4 主要技术指标.162.5 带宽（传输速率） 、位宽和工作频率.162.6 传输数据的可靠性.163典型现场总线简介典型现场总线简介.183.1 基金会现场总线.183.2LON

5、WORKS.203.3PROFIBUS.233.4 CAN.253.5 HART.273.6RS-485 .29精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业4相关问题相关问题.304.1 现场总线，FCS 和 DCS.304.2 选用问题.345结论结论.366参考文献参考文献.37精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业1 1 概述概述随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150 多年前出现的基于 513psi 的气动信号标准（PCS，Pneumatic Control System 气动控制系统） ，标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念；20

6、世纪 50 年代，随着基于 010mA 或 420mA 的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今；20 世纪 70 年代，随着数字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分是依然沿用 420mA 的模拟信号，不久人们也发现了伴随着“集中控制” ，该系统存在着易失控、可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统（，Distributed Control System 分布式控制系统） ；微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高，使分布式控制系

7、统得到了广泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业高的要求。由此，导致了现场总线的产生。总线，英文叫作“BUS”,即我们中文的“公共车” ，这是非常形象的比如，公共车走的路线是一定的，我们任何人都可以坐公共车去该条公共车路

8、线的任意一个站点。如果把我们人比作是电子信号，这就是为什么英文叫它为“BUS”而不是“CAR”的真正用意。当然，从专业上来说，总线是一种描述电子信号传输线路的结构形式，是一类信号线的集合，是子系统间传输信息的公共通道。通过总线能使整个系统内各部件之间的信息进行传输、交换、共享和逻辑控制等功能。如在计算机系统中，它是 CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过主机相连接，外部设备通过相应的接口电路再于总线相连接。现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术，是过程控制现场的一种数字网络，它不仅包含有过程控制信息交

9、换，而且还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备（智能变送器、调节法、分析仪和分布式 I/O 单元）可以方便地进行数据交换，过程控制策略可以完全在现场设备层次上实现。目前，使用较多的现场总线主要是 FUNDATION fieldbus 现场总线（FF 总线）和 PROFIBUS 现场总线。应用现场总线技术可以将各种分布在控制现场的相关智能设备和 I/O 单元方便的精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业连接在一起，构成控制系统，这种结构已经成为发展的趋势。1.1 现场总线的背景现场总线的背景七十年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号影响

10、大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。七十年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高；但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。随着过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统的控制系统（如技术的产生。（Fieldbus）是 80 年代末、90 年代初国际上发展形成的，用于过程、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是

11、一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业能力强、安全性好、成本低的特点 。1.2 现场总线的现状现场总线的现状由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在 1984 年国际委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线

12、的标准，至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。目前现场总线市场有着以下的特点：第一，多种现场总线并存。目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的 FIP，英国的 ERA，德国西门子公司Siemens 的 ProfiBus，挪威的 FINT，Echelon 公司的LONWorks，PhenixContact 公司的 InterBus，RoberBosch 公司的 CAN，Rosemounr 公司的 HART，CarloGarazzi 公司的Dupline，丹麦 ProcessData 公司的 P-net，PeterHans 公司的 F

13、-Mux，以及 ASI（ActraturSensorInterface） ，MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的 DeviceNet与 ControlNet 等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有左右的市场。第二，各种总线都有其应用的领域。每种总线大都有其应用的领域，比如 FF、PROFIBUS-PA 适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；LonWrks、PROFIBUS-精选优质文档-倾情为

14、你奉上专心-专注-专业FMS、DevieceNet 适用于楼宇、交通运输、农业等领域；DeviceNet、PROFIBUS-DP 适用于加工制造业，而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。第三，每种现场总线都有其国际组织和支持背景。大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织，力图扩大自己的影响、得到更多的市场份额。比如PROFIBUS 以 Siemens 公司为主要支持，并成立了 PROFIBUS国际用户组织 WorldFIP 以 Alstom 公司为主要后台，成立了WorldFIP 国际用户组织。第四，多种总线成为国家和地区标准。为了加

15、强自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，比如PROFIBUS 已成为德国标准，WorldFIP 已成为法国标准等。第五，设备制造商参与多个总线组织。为了扩大自己产品的使用范围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。第六，各个总线彼此协调共存。由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能一统市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协调共存的局面。工业应用于各行各业，要求也千变万化，使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业机网络，人们将会面对一个多种总线技术

16、标准共存的现实世界。技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术标准不仅是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。1.3 现场总线技术展望与发展趋势现场总线技术展望与发展趋势发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，涉及的内容十分广泛，所以应不失时机地抓好我国现场总线技术与产品的研究与开发。自动

17、化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有:智能仪表与网络设备开发的软硬件技术 ;组态抗术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等;网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输 ;人机接口、软件技术;现场总线系统集成技术。现场总线属于尚在发展之中的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步，了解国际上该项技术的现状与发展动向，对我国相关行业的发展，对自动化技术、设备的更精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业新，无疑具有重要的作用

18、。总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。另外，从以上介绍也可以看出，几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使，它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。有理由认为:在从现在起的未来 10内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，

19、几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。在连续过程自动化领域内，今后 10内，FF 基金会现场总线将成为主流发展趋势，LonWorks 将成为有力的竞争对手，HART 作为过渡性产品也能有一定的市场。这3 种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的各种功能是专业连续过程设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。另外，FF 基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商;LonWorks 形成了全面的分工合作体系。这些因素对成为这一领域的主流技术是十分关键的。 由于 HART 建立在目前广泛采用的模拟系统之上，它可以充分照顾到现有设备和已有投

20、资的效益，技术上也充分精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业考虑连续过程使用环境的需要。目前它已经占有一定的市场份额，其技术本身还在不断完善与更新，如提高传输速率等。目前国外 HART 仪表的市场份额还在不断增长，呈上升趋势，但是它毕竟是过渡性产品，其生存周期不会很长。国内则由于很多项目都是新项目，所以对兼容性的考虑较少，而对先进性的考虑较多，相信 HART 在国内的市场份额不会很大。国内市场与国外市场会有比较大的差异。一方面国外市场上占优势的产品会不断渗透到国内;另一方面，由于国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商 (芯片制造商等

21、)对国内的支持和市场推广力度的影响。国内目前仅 LonWorks 技术有实质性的市场活动，所以大部分国内厂商将首先将接受 LonWorks 技术。尽管 FF 号称行业的未来标准，但是由于没有明确的市场策略和在国内的积极的市场活动，市场份额将会受到很大影响。而且事实表明，所有的现场总线基金会(FF)会员在研制符合 FF 标准的同时，都同时推出采用 LonWorks 技术的应用，由此可见 LonWorks 技术的生命力十分顽强。在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，其主流技术会有一些差别。Profibus 和 CAN 在这一领域具有较强的竞争力。他们已经在这一领域形成了自己的优势。在楼

22、宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，LonWorks 则具有独特的优势。由于 LonWorks 技术的特点，在精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业多样化控制系统的应用上将会有较大的发展。尽管用户对控制系统的结构改进表示欢迎，但他们并不希望对他们现有的仪表系统做大的改动。目前在现场总线的发展初期，大多数用户更倾向于对他们现有的仪表系统进行逐步的增添和替换；另一方面，dcs 系统及其仪表的消失或完全被取代，对于费用或人力而言也都是不合理的。现阶段最可行的方案是考虑如何使现场总线与传统的dcs 系统尽可能地协同工作，这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以适用于更广泛的、富于实用价值的应用

23、。 美国仪表协会(ISA)于 1984 年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的 PROFIBUS 和法国的 FIP 等，各种现场总线标准陆续形成。其中主要的有：基金会现场总线 FF（Foundation Fieldbus） 、控制局域网络 CAN（Controller Area Network） 、局部操作网络 LonWorks（Local Operating Network） 、过程现场总线 PROFIBUS（Process Field Bus）和 HART 协议(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是不论如何，制定单一的开放国际现场总线标准是发

24、展的必然。现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行业的发展。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业2 2 现场总线的介绍现场总线的介绍2.1 现场总线的技术特点现场总线的技术特点现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，在实现其内部操作时都采用了微处理器和数字化元件，于是就提出了必须在这些领域的数字设备之间实现数字通信的要求。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的、控制器、

25、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字一模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连的通信与控制系统。现场总线则是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，其基础是智能仪表。分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起共同构成精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业现场总线控制系统 FSC。通过遵循一定的国际标准，可以将不同厂商的

26、现场总线产品集成在同一套 FCS 中，具有互换性和互操作性。FCS 把传统 DCS 的控制功能进一步下放到现场智能仪表，由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据（包括采集的数据和诊断数据）通过现场总线传到控制室的控制设备上，控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存各智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。另外，FCS还可通过网关和企业的上级管理网络相连，以便企业管理者掌握第一手资料，为决策提供依据。所以现场总线具有以下突出特点：第一，系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现

27、场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，达到最佳的系统集成。第二，互可操作性与互用性。这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业点对多点的数字通信，即不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以统一组态，实现同一的控制策略和“即插

28、即用” ，不同厂商的性能相同的设备可以互换。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。第三，现场设备的与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。传统的 DCS 使用相对集中的控制站，其控制站由 CPU单元和输入/输出单元等组成。现场总线控制系统则将 DCS 的控制站功能彻底分散到现场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如数据采集与补偿、PID 运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。系统的操作员可以在控制室实现远程监控，设定或调整现场设备的运行参

29、数,还能借助现场设备的自诊断功能对故障进行定位和诊断。 第四，现场设备本身属于智能化设备，具有独立自动控制的基本功能，从而从根本上改变了 DCS 的集中与分散相结合的体系结构，形成了一种全新的分布式控制系统，实现了控制功能的彻底分散，提高了控制系统的可靠性，简化了控制系统的结构。现场总线与上一级网络断开后仍可维持底层设备的独立正常运行，其智能程度大大加强。第五，灵活的网络拓扑结构。现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况组成不同的网络拓扑结构，如树型、星型、总精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业线型和层次化网络结构等。第六，对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线

30、，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。常用的数据传输线是廉价的双绞线，并允许现场设各利用数据通信线进行供电，还能满足本质安全防爆要求。2.2 现场总线的优点现场总线的优点由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。第一，节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要

31、DCS 系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用 PC 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 第二，节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用 60%以上。 第三，节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断

32、与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 第四，用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。 第五，提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构

33、简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强:减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。2.3 总线的通信协议总线的通信协议对于总线的学习，了解其通讯协议是整个过程中最关键的精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业一步，所有介绍总线技术的资料都会花很大的篇幅来描述其协议，特别是 ISO/OSI 的那七层定义。其实要了解一种总线的协议，最主要的就是去了解总线的帧数据每一位所代表的特性和意义，总线各节点间有效数据的收发都是通过各节点对帧数据位或段的判断和确信来得以实现。如图 1 所示是常见的 I2C 总线上传输的一字节数

34、据的数据帧，其总线形式是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的双线制串行总线，并接在总线上的电路模块即可作为发送器（主机）又可作为接收器（从机） 。帧数据中除了控制码（包括从机标识码和访问地址码）与数据码外还包括起始信号、结束信号和应答信号。起始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。控制码：用来选泽操作目标与对象，即接通需要控制的电路，确定控制的种类对象。在读期间，也即 SCL 时钟线处于时钟脉冲高电平时，SDA 上的数据位不会跳变。数据码：是主机向从机发送的具体的有用的数据（如对比度、亮度等）和信息。在读期间，SDA 上的数据位不会跳变。应答信号：接收方收到

35、 8bit 数据后，向发送方发出特定的精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业低电平。读/写的方向与其它数据位正好相反，也即是由从机写出该低电平，主机来读取该低电平。结束信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变表示数据帧传输结束。当然不同的总线其数据位或段的定义肯定不同，但依据同样的原理可以更快的去了解它的协议的特性和特点。虽然其信息帧的大小不一，但具体的某一数据位或数据段都类似于本文所提及的 I2C 总线，会依据它的协议的要求来定义它所达标的意义和功能。2.4 主要技术指标主要技术指标评价总线的主要技术指标是总线的带宽（即传输速率） 、数据位的宽度（位宽） 、工作频率和传输数

36、据的可靠性、稳定性等。2.5 带宽（传输速率）带宽（传输速率） 、位宽和工作频率、位宽和工作频率总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量，即每钞传送 MB 的最大数据传输率。总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数，或数据总线的位数，即 32 位、64位等总线宽度的概念；总线的位宽越宽，数据传输速率越大，总线的带宽就越宽。总线的工作时钟频率以 MHz 为单位，它与传输的介质、信号的幅度大小和传输距离有关。在同样硬件条件下，我们采用差分信号传输时的频率常常会比单边信号高得多，这是因为差分信号的的幅度只有单边信号的一半而已。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业总线的带宽、位宽和工

37、作频率，这三者密切相关，它们之间的关系：2.6 传输数据的可靠性传输数据的可靠性可靠性是评定总线最关键的参数，没有可靠性，传输的数据都是错误的信息，便就失去了总线的实际意义。为了提高总线的可靠性，通常采用的措施有：第一，采用数据帧发送前发送器对总线进行侦听，只有侦听到总线处于空闲状态下时才可向总线传送数据帧，这样避免了不同节点的数据冲突。第二，采用双绞线差分信号来传送数据，以降低单线的电压升降幅度，减小信号的边沿产生的高次谐波。第三，适当的让数据的边沿具有一定的斜坡。第四，增加匹阻和电容等来减少总线上信号的发射和平衡总线上的分布电容等。第五，采用合适的网络拓扑结构和屏蔽技术等来减少受其他信号的

38、干扰。第六，还有就是在软件上通过数字滤波、数据校验纠错等措施来提高数据传输的可靠性。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业3 3 典型现场总线简介典型现场总线简介3.1 基金会现场总线基金会现场总线 基金会现场总线，即 FoudationFieldbus,简称 FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国 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。屈于用户的压力，这两大集团于 19

39、94 年 9 月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为 FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。 基金会现场总线分低速 H1 和高速 H2 两种通信速率。H1的传输速率为 3125Kbps,通信距离可达 1900m (可加中继器延长),可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2 的传输速率精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业为 1Mbps 和 2.5Mbps 两种，其通信距离为 750m 和 500m。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2 标

40、准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表 0，负跳变代表 1，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”、 “0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。 为满足用户需要，Honeywell、Ronan 等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开发出符合 FF 协议的产品，1 总线已通过测试和 测试，完成了由 13 个不同厂商提供设备而组成的 FF 现场总线工厂试验系统。2 总线标准也已经形成。 1996 年 10 月，在芝加哥举行的 ISA

41、96 展览会上，由现场总线基金会组织实施，向世界展示了来自 40 多家厂商的 70 多种符合 FF 协议的产品，并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的 FF 展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场总线演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了基金会现场总线的成就与技术实力。 基金会现场总线是由现场总线基金会推出。与私有的网络总线协议不同，FF 总线不附属于任何一个企业或国家。其总线体系结构是参照、ISO 的 OSI 模型中物理层、数据链路层和精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业应用层，并增加了用户层而建立起来的通信模型。FF 得到了世界上几乎所有的著名仪表制造商的支持

42、，同时遵守 IEC 的协议规划，与 IEC 的现场总线国际标准和草案基本-致，加上它在技术上的优势，所以极有希望成为将来的主要国际标准。FF 总线提供了 Hl 和 H2 两种物理层标准。Hl 是用于过程控制的低速总线，传输速率为 31.25Kbps，传输距离为200m、450m、1200m、1900m 四种（加中继器可以延长） ，可用总线供电，支持本质安全设备和非本质安全总线设备。H2 为高速总线，其传输速率为 1Mbps（此时传输距离为 750m）或2.5bps（此时传输距离为为 500m） 。H1 和 H2 每段节点数可达32 个，使用中继器后可达 240 个，Hl 和 H2 可通过网桥互

43、连。FF 的突出特点在于设备的互操作性、改善的过程数据、更早的预测维护及可靠的安全性。这是以美国 Fisher-Rousemount 公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等 80 家公司制定的 ISP 协议和以Honeywell 公司为首的联合欧洲等地 150 余家公司制定的WorldFIP 协议于 1994 年 9 月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。基金会现场总线采用国际标准化组织 ISO 的开放化系统互联 OSI 的简化模型（1，2，7 层） ，即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF 分低速 H1 和高速 H2 两种通信速率，前者传

44、输速率为 31.25Kbit/秒，通信距离可达 1900m，可精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为 1Mbit/秒和 2.5Mbit/秒，通信距离为 750m 和 500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号 IEC1158-2 标准。FF 的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。3.2LonWorks LonWorks 是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国 Ecelon 公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO/OSI 模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络

45、变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从 300bps 至15Mbps 不等，直接通信距离可达到 2700m(78kbps，双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。 LonWorks 技术所采用的 LonTalk 协议被封装在称之为Neuron 的芯片中并得以实现。集成芯片中有 3 个 8 位 CPU;一个用于完成开放互连模型中第 1 2 层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理 ；第二个用于完成第36 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、

46、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等;第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现 CPU 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业如 Motorola 公司生产的神经元集成芯片 MCE2 就包含了2KRAM 和 2KEEPROM。 LonWorks 技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本 (每片价格约 59 美元)，而芯片的低成本又返过来促进了LonWorks 技术的推广应用，形成了良好循环，据 Ecelon 公司的有关资料，到 1996 年 7 月，已生产出 500 万片神经元芯片。 LonWork

47、s 公司的技术策略是鼓励各 OEM 开发商运用LonWorks 技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有 2600 多家公司在不同程度上卷入了 LonWorks 技术:1000多家公司已经推出了 LonWorks 产品，并进一步组织起LonWark 互操作协会，开发推广 LonWorks 技术与产品。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为了支持 LonWorks 与其它协议和网络之间的互连与互操作，该公司正在开发各种网关，以便将 LonWorks 与以太网、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex 等

48、互连为系统。 另外，在开发智能通信接口、智能方面，LonWorks 神经元芯片也具有独特的优势。LonWorks 技术已经被美国暖通工程师协会 ASRE 定为建筑自动化协议 BACnet 的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费制造商协会已经通过决议，以LonWorks 技术为基础制定了 EIA-709 标准。 这样，LonWorks 已经建立了一套从协议开发、芯片设计、精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业芯片制造、控制模块开发制造、OEM 控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来，这对于一种技术的推广、应用有

49、很大的促进作用。它由美国 Echelon 公司推出，并由 Motorola、Toshiba 公司共同倡导。它采用 ISO/OSI 模型的全部层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从 300bit/s 至 1.5M/s 不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/s） ，被誉为通用控制网络。Lonworks 技术采用的 LonTalk 协议被封装到 Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用 Lonworks 技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、

50、交通运输、工业过程控制等行业。3.3Profibus Profibus 是作为德国国家标准 DIN 19245 和欧洲标准prEN50170 的现场总线。ISO/OSI 模型也是它的参考模型。由Profibus -Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA 组成了 Profibus系列。DP 型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS 意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而 PA 型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从 IEC1158-2 标准。该项技术是由西精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业门子公司为主的十几

51、家德国公司、研究所共同推出的。它采用了 OSI 模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP 型隐去了 37 层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS 型只隐去第 36 层，采用了应用层，作为标准的第二部分。PA 型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从 IEC1158-2 标准，可实现总线供电与本质安全防爆。Porfibus 支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一

52、周的最长时间。按 Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播 (不要求应答),或有选择地向一组站点广播。 Profibus 的传输速率为 9612kbps 最大传输距离在12kbps 时为 1000m，15Mbps 时为 400m，可用中继器延长至10km。其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。 Profibus 由 Siemens 公司提出并极力倡导，己先后成为德国国家标 DIN19245 和欧洲标准 EN50170，是一种开放而独

53、立的精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业总线标准，在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。Profibus 由 Profibus-PA、Profibus-DP 和 Profibus-FMS 三个系列组成。Profibus-PA （Process Automation）用于过程自动化的低速数据传输，其基本特性同FF 的 H1 总线，可以提供总线供电和本质安全，并得到了专用集成电路（ASIC）和软件的支持。Profibus-DP 与 Profibus-PA兼容，基本特性同 FF 的 H2 总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，连接Profibus-

54、PA 和加工自动化。Profibus-FMS 适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于、执行器、传动、 、纺织和楼宇自动化等。后两个系列采用 RS485 通信标准，传输速率从 9.6kbps到 12Mbps，传输距离从 1200M 到 l00m（与传输速率有关） 。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式，以及综合这两种方式的混合方式。Profibus 是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛。PROFIBUS 是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由 PROFIBUS-DP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA 系列

55、组成。DP 用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA 用于过程自动化的总线类型，服从 IEC1158标准。PROFIBUS 支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。 精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业PROFIBUS 的传输速率为 9.6Kbit/s 至 12Mbit/s，最大传输距离在 9.6Kbit/s 下为 1200m，在 12Mbit/s 小为 200m，可采用中继器延长至 10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接 127个站点。3.4CAN CAN 是控制网络 ControlAr

56、eaNetwork 的简称，最早由德国 BOSCH 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被 ISO 国际标准组织制订为国际标准，得到了 Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC 等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。控制器局域网（Controller area network 简称 CAN）是德国 Bosch 公司于 1983 年为汽车应用而开发的。它的基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性。而且能够检测出产生的任何错误。在汽车制造业以及航空工业中受到广泛应用。 CAN 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过

57、，其模型结构只有 3 层，只取 OSI 底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达 1Mbps/40m，直接传输距离最远可达 1 0km/kbps,可挂接设备最多可达 110 个。 CAN 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业响，具有较强的抗干扰能力。 CAN 支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发

58、送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。 已有多家公司开发生产了符合 CAN 协议的通信芯片，如 Intel 公司的 82 52 7，Motorola 公司的 MC68HC05X4，Philips 公司的 82C2 50 等。还有插在 PC 机上的 CAN 总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。最早由德国 BOSCH 公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被 ISO 国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC 等公司的支持。CAN

59、 协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN 的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN 支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达 10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达 40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达 110 个。目前已有多家公司开发了符合 CAN 协议的通信芯片。控制器局域网（Controller area network 简称 CAN）是德国 Bosch 公司于 1983 年为汽车应用而开发的。它的基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性。而且能够检测出产精选优质文档-倾情为你奉上

60、专心-专注-专业生的任何错误。在汽车制造业以及航空工业中受到广泛应用。3.5HART HART 是 HighwayAddressableRemoteTransduer 的缩写。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。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是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，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。 HART 通信模型由 3 层组成 :物理层、数据链路层和应用层。物理层采用 FSK(Frequ