第八章总线技术与嵌入式系统

1、6/28/20221第八章第八章 总线技术与嵌入式总线技术与嵌入式系统系统第十九讲第十九讲信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/202228.1 现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统 结构模式为结构模式为“工作站现场总线仪表工作站现场总线仪表”二层结构二层结构，完成了，完成了DCSDCS三层结构的功能，降低了成本，提高了可靠性。三层结构的功能，降低了成本，提高了可靠性。山东科技大学山东科技大学6/28/20223 现场总线控制系统现场总线控制系统(Field bus Control System，FC

2、S)使得现场仪表、执行机构、控制室设备之间构使得现场仪表、执行机构、控制室设备之间构成网络互连系统，实现成网络互连系统，实现全数字化全数字化、双向双向、多参数多参数的的数字通信，为控制系统的全分布和全数字化运行奠数字通信，为控制系统的全分布和全数字化运行奠定了基础。定了基础。 FCS既是一个开发的通信网络，又是一种全分既是一个开发的通信网络，又是一种全分布控制系统，是一项以智能传感器、控制、计算机、布控制系统，是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。数字通信、网络为主要内容的综合技术。 信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28

3、/202248.1.1 现场总线的概述现场总线的概述 现场总线现场总线(Field bus)是上世纪是上世纪80年代末国际上年代末国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的一种自动化等领域的一种标准的标准的、开放的开放的、双向的双向的多站多站现场智能设备互连通讯网络。现场智能设备互连通讯网络。 现场总线技术把单个分散的测量控制设备变成现场总线技术把单个分散的测量控制设备变成网络节点网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成控制任务的网络系统和控相互沟通信息、共同完成控制

4、任务的网络系统和控制系统。制系统。 现场总线使自控系统与设备具有通信能力，把现场总线使自控系统与设备具有通信能力，把它们连结成网络系统，加入到信息网络的行列。它们连结成网络系统，加入到信息网络的行列。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/20225 现场总线的节点是现场仪表或现场设备，常用的现场现场总线的节点是现场仪表或现场设备，常用的现场总线仪表有温度、压力、流量、成分等变送器，电动或气总线仪表有温度、压力、流量、成分等变送器，电动或气动调节阀等执行器。现场总线仪表不仅具有传统的单一信动调节阀等执行器。现场总线仪表不仅具有传统的单一信号变换，而且具有

5、运算、控制和通信等综合功能。如：压号变换，而且具有运算、控制和通信等综合功能。如：压力变送器不仅具有压力信号变换、补偿和校验功能，而且力变送器不仅具有压力信号变换、补偿和校验功能，而且具有具有PID控制和运算等功能；调节阀具有信号驱动和执行控制和运算等功能；调节阀具有信号驱动和执行功能之外，还有功能之外，还有PID控制、输出特性补偿和自诊断等功能。控制、输出特性补偿和自诊断等功能。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学现场通信网络现场通信网络6/28/20226 以串行通讯方式取代传统的以串行通讯方式取代传统的4-20mA模拟信号模拟信号 一条现场总线可为众多的

6、可寻址现场设备实现多点连一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接接 支持底层现场智能设备与高层系统利用公用传输介质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交换信息 其核心是它的通讯协议，协议必须根据其核心是它的通讯协议，协议必须根据ISO的计算机的计算机网络开放系统的网络开放系统的OSI参考模型来制定参考模型来制定 一种开放的七层网络协议标准。多数现场总线只使用一种开放的七层网络协议标准。多数现场总线只使用第一、二和七层协议第一、二和七层协议(即物理层、数据链路层、应用即物理层、数据链路层、应用层，这三层也是最重要的层，这三层也是最重要的)。即。即Fieldbus采用了三

7、层网采用了三层网络结构，流量控制和差错控制在数据链路层执行，报络结构，流量控制和差错控制在数据链路层执行，报文的可靠传输在数据链路层或应用层执行文的可靠传输在数据链路层或应用层执行信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/202278.1.2 现场总线控制系统的产生现场总线控制系统的产生现场总线产生的因素可归为以下现场总线产生的因素可归为以下4个方面：个方面： 传统模拟仪表的缺点传统模拟仪表的缺点 一对一结构一对一结构：一台仪表，一对传输线，单向传输一个：一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号信号(接线庞杂，工程周期长，投资高，不便维护接线庞杂，工程周期长

8、，投资高，不便维护) 可靠性差可靠性差：模拟信号传输精度低，且易受干扰：模拟信号传输精度低，且易受干扰 失控状态失控状态：操作员在控制室既不能了解现场模拟仪表：操作员在控制室既不能了解现场模拟仪表的工作情况，也不能对其进行参数调整或故障诊断的工作情况，也不能对其进行参数调整或故障诊断1.互换性差互换性差：模拟仪表虽统一了信号标准：模拟仪表虽统一了信号标准(4-20mA)，但，但大部分技术参数不同厂家不同，致使不同厂家的同类大部分技术参数不同厂家不同，致使不同厂家的同类仪表无法互换仪表无法互换信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/202282. 现场总线

9、数字仪表的优点现场总线数字仪表的优点 一对一对N结构结构：一对传输线，：一对传输线，N台仪表，双向传输多个信台仪表，双向传输多个信号号 可靠性高可靠性高：数字信号传输精度高，抗干扰能力强：数字信号传输精度高，抗干扰能力强 可控状态可控状态：提高了系统的可靠性、可控性和可维护性：提高了系统的可靠性、可控性和可维护性 互换性好互换性好：自由选择性价比高的不同厂家的同类仪表：自由选择性价比高的不同厂家的同类仪表互换连接互换连接 互操作性互操作性：不同品牌的仪表集成统一组态，实现即接：不同品牌的仪表集成统一组态，实现即接即用即用 综合功能综合功能：现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又：现场仪表既有检测

10、、变换和补偿功能，又有控制和运算功能有控制和运算功能信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/20229 分散控制分散控制：控制功能彻底分散在现场仪表中，提高了：控制功能彻底分散在现场仪表中，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性系统的可靠性、自治性和灵活性 开放性系统开放性系统：为开放式互联网络，可自由集成不同类：为开放式互联网络，可自由集成不同类型的通信网络型的通信网络3. 微处理器技术、通信网络技术和集成电路微处理器技术、通信网络技术和集成电路技术的发展技术的发展4. 用户需求和市场竞争用户需求和市场竞争信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东

11、科技大学山东科技大学6/28/2022108.1.3 现场总线控制系统的组成现场总线控制系统的组成 现场总线控制系统的结构现场总线控制系统的结构 一对一对N结构，可靠性高，可控状态结构，可靠性高，可控状态信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学图图8.1 FCS与传统控制系统的结构比较与传统控制系统的结构比较 6/28/2022112. 现场总线构成了全分布控制系统现场总线构成了全分布控制系统 可靠性高，可控状态，互换性好，互操作性，综可靠性高，可控状态，互换性好，互操作性，综合功能和分散控制合功能和分散控制3. 现场总线构成控制系统的底层控制网络现场总线构成控制

12、系统的底层控制网络 开放式系统开放式系统 信息传输的实时性强，可靠性高，传输速率一般信息传输的实时性强，可靠性高，传输速率一般为几为几Kb/s(bit per second)10Mb/s之间。之间。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/2022128.1.4 现场总线控制系统的特点现场总线控制系统的特点 信息处理的现场化是智能化仪表和现场总线追信息处理的现场化是智能化仪表和现场总线追求的目标，也是现场总线不同于其它计算机通信技求的目标，也是现场总线不同于其它计算机通信技术的标志。术的标志。 现场总线的技术特点现场总线的技术特点 系统的开放性系统的开放性

13、 互可操作性与互用性互可操作性与互用性 现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性 对现场环境的适应性对现场环境的适应性1. 系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/2022132. 现场总线的优点现场总线的优点 节省硬件数量与投资节省硬件数量与投资 节省安装费用节省安装费用 节省维护开销节省维护开销 用户拥有高度的系统集成主动权用户拥有高度的系统集成主动权 提高了系统的准确性与可靠性提高了系统的准确性与可靠性 设计简单，易于重构设计简单，易于重构信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技

14、大学山东科技大学6/28/2022148.2 嵌入式控制系统嵌入式控制系统 嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩展对术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩展对象系统要求的外围电路象系统要求的外围电路(如如A/D转换器、转换器、D/A转换器、转换器、PWM、日历时钟、电源检测、程序运行检测电路、日历时钟、电源检测、程序运行检测电路等等)，形成满足对象系统要求的应用系统。，形成满足对象系统要求的应用系统。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/2022158.2.1 嵌入式系统概述

15、嵌入式系统概述 嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用，软、硬件可裁剪的，向用户、面向产品、面向应用，软、硬件可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。性能有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，系统软件的高实时性是基本要求；系统能的关键，系统软件的高实时性是基本要求；系统的核心是单片机或微控制器。的核心是单片机或微控制器。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机

16、控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/202216嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义“嵌入到对象体系中的专用计算机系统嵌入到对象体系中的专用计算机系统”“控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置”嵌入性嵌入性：必须满足对象系统的环境要求：必须满足对象系统的环境要求专用性专用性：软、硬件的可裁剪性，满足对象要求的最：软、硬件的可裁剪性，满足对象要求的最小软、硬件配置等小软、硬件配置等计算机系统计算机系统：必须满足对象系统控制要求：必须满足对象系统控制要求嵌入式计算机必须配置有与对象系统相适应的接口嵌入式计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。电路

17、。按形态分为：设备级按形态分为：设备级(工控机工控机)、板级、芯片级、板级、芯片级信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/2022172. 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 系统的复杂性系统的复杂性 系统处理的实时性系统处理的实时性 与关键系统的控制相关与关键系统的控制相关 购买产品与技术开发相结合的实现方式购买产品与技术开发相结合的实现方式信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/202218 8.2.2 嵌入式控制系统的组成嵌入式控制系统的组成 从体系结构上：主要由嵌入式处理器、支撑硬从体系结构上：主要由嵌入式处

18、理器、支撑硬件和嵌入式软件组成。件和嵌入式软件组成。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学 (a) 硬件结构硬件结构 (b)软件结构软件结构 图图8.2 嵌入式系统的结构方式嵌入式系统的结构方式6/28/202219嵌入式处理器嵌入式处理器存储器存储器输入输入/输出设备输出设备嵌入式操作系统嵌入式操作系统可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD)应用软件应用软件信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/2022208.2.3 嵌入式控制系统的应用嵌入式控制系统的应用信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科

19、技大学 图图8.4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用 6/28/2022218.3 网络控制技术网络控制技术 目前目前控制技术发展与创新的方向与主要潮流控制技术发展与创新的方向与主要潮流：控制系统结构的控制系统结构的网络化网络化、控制系统的、控制系统的开放性开放性、控、控制技术与控制方式的制技术与控制方式的智能化。智能化。 网络技术网络技术不仅实现管理层的数据通信与共享，不仅实现管理层的数据通信与共享，且可应用于控制现场的设备层，并将控制与管理且可应用于控制现场的设备层，并将控制与管理综合化、一体化。综合化、一体化。 Internet不仅用于传统的信息浏览、查询、发不仅用于传统的信息浏览、查询

20、、发布，还可通过布，还可通过Internet跨国跨地区直接对现场设备跨国跨地区直接对现场设备进行远程监测与控制。进行远程监测与控制。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/2022228.3.1 网络控制系统组成网络控制系统组成/概述概述 网络技术传输信息的网络技术传输信息的目的目的是导致能够反映被控是导致能够反映被控对象的某些特性或属性的物理量的变化。对象的某些特性或属性的物理量的变化。 工业控制网络的产生工业控制网络的产生 FCS最突出的问题是没有统一的标准最突出的问题是没有统一的标准。如何在。如何在实际中根据应用对象，将不同层次的现场总线组合实际中

21、根据应用对象，将不同层次的现场总线组合使用，使系统的各部分都选择最合适的现场总线，使用，使系统的各部分都选择最合适的现场总线，仍是棘手问题。仍是棘手问题。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/202223 现场总线在应用中还存在一些技术瓶颈问题，现场总线在应用中还存在一些技术瓶颈问题，主要表现在以下几个方面：主要表现在以下几个方面：(1) 当总线电缆断开时，整个系统有可能瘫痪当总线电缆断开时，整个系统有可能瘫痪 (2) 本安防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总本安防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总线的长度和总线上负载的数量，这限制了现场总线的长度和总

22、线上负载的数量，这限制了现场总线节省电缆优点的发挥线节省电缆优点的发挥(3) 系统组态参数过分复杂系统组态参数过分复杂信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/202224 以太网支持的传输介质可以是粗同轴电缆、以太网支持的传输介质可以是粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等，且简单，经济实细同轴电缆、双绞线、光纤等，且简单，经济实用，易被掌握。用，易被掌握。以太网具有以下的优点：以太网具有以下的优点： 兼容性好，有广泛的技术支持。兼容性好，有广泛的技术支持。 易于与易于与Internet连接连接 成本低廉成本低廉 可持续发展潜力大可持续发展潜力大 通信速

23、率高通信速率高信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/202225信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学 可编程设备辅助计算机计算机信息层控制层设备层集成块式I/O人机操作界面微型PLC电机启动器电机驱动器模块式I/O驱动器控制器维护PCPLC人际界面操作站PLC/连接设备伺服器2. 网络网络控制系统统的组组成一个典型的工业自动化系统网络包括：一个典型的工业自动化系统网络包括： 信息层网络信息层网络 控制层网络控制层网络 设备层网络设备层网络6/28/2022268.3.2 网络控制系统的协议网络控制系统的协议 以太网与网

24、与TCP/IP Ethernet/IP Ethernet/IP 报报文协议协议4. Ethernet/IP 网络网络的优势优势信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层用户UDP/TCPIP以太网FF，PROFIBUSODVA-CIP，MODBUS等图图8.6 以太网规定的内容在以太网规定的内容在OSI模型中的位置模型中的位置 6/28/202227 为了便于网络互联，国际标准化组织为了便于网络互联，国际标准化组织(ISO)提供了提供了一个标准的协议结构一个标准的协议结构开放式系统互联开放式系统互联(OSI)参考模参考模

25、式式。 它共分为七层协议，即从下至上划分成物理层、它共分为七层协议，即从下至上划分成物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。用层。物理层物理层：主要是为通信各方提供物理信道：主要是为通信各方提供物理信道数据链路层数据链路层：分为介质访问控制层和逻辑链路控制层，：分为介质访问控制层和逻辑链路控制层，前者主要解决物理信道的使用，后者保证信息正确有前者主要解决物理信道的使用，后者保证信息正确有序地在有噪信道上传输序地在有噪信道上传输 信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/202228网络层网络

26、层：在有限个物理信道上建立多条逻辑信道并完：在有限个物理信道上建立多条逻辑信道并完成路径选择成路径选择传输层传输层：为用户建立多条逻辑信道，允许多用户共享：为用户建立多条逻辑信道，允许多用户共享一条逻辑信道，并兼有端一条逻辑信道，并兼有端-端控制功能端控制功能会话层会话层：用户进程的建立或拆除，对连接传输进行管：用户进程的建立或拆除，对连接传输进行管理理表示层表示层：信息格式的转换如文本压缩、加密等：信息格式的转换如文本压缩、加密等应用层应用层：该层要实现的功能取决于用户和系统应用管：该层要实现的功能取决于用户和系统应用管理进程理进程信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学6/28/2022298.4 典型现场总线简介典型现场总线简介8.4.1 典型现场总线简介典型现场总线简介Profibus总线总线Control Net总线总线基金会现场总线基金会现场总线(Fo