计算机控制系统第7章-总线技术课件

1、2022/7/251第七章 总线技术学习目标：熟悉总线的基本概念熟悉常用的串行通信总线了解现场总线技术2022/7/252第一节 总线技术概述一、总线的产生 为了使插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对连接各插件或各系统的基础总线，制定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产插件模块提供统一的依据。二、线的定义及分类1.总线的定义 总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间(或插件内部芯片间)、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。2022/7/2532.总线的分类（1）根据总线不同的结构和用途，总线有如下的2种

2、类型 专用总线 我们将只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线。专用总线的基本优点是其具有较高的流量，多个部件可以同时发送或接受信息，几乎不会出现总线争用的现象。在全互连或部分互连以及环形拓扑结构中使用的总线就是专用总线。 非专用总线 非专用总线可以被多种功能或多个部件所共享，所以也称之为共享总线。每个部件都能通过共享总线与接在总线上的其他部件相连，但在同一时刻，却只允许2个部件共享通信，其他部件间的通信要分时进行，因此准确地应称之为分时共享总线。2022/7/254（2）根据总线的用途和应用环境，总线可以有如下3种类型局部总线系统总线外总线2022/7/255（3）根据总线传送信号的形式，

3、总线又可分为2种 并行总线 如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。并行总线的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。 串行总线 串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。其特点是可以用几根信号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。 显然，上面提到的总线和局部总线均属于并行总线范畴。而现场总线(Fieldbus)则是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。2022/7/256第二节 RS-232C/485总线一、RS-232C总线 RS-232C是由美国电子工业协会（Electronic Industry Association，EI

4、A）在1969年颁布的一种的串行物理接口标准，也是在计算机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通信。采用RS-232C作为串行通信时，通信距离可达12m，传输数据的速率可任意调整，最大可达20kbps。2022/7/257电气连接方式 主要特点：非平衡的连接方式采用点对点通信公用地线2022/7/258最高通信速率为115200bpsRS-232C标准规定通信距离应小于15m。 电气参数 引线信号状态 RS-232C标准引线状态必须是以下三种之一，即SPACE/ MARK(空号/传号)、或ON/OFF(通/断)、或逻辑0/逻辑1。引线逻辑电平 用

5、-3-15V表示逻辑1用+3+15V表示逻辑0 短路抑制性能 RS-232C的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路 通信速率 2022/7/259 RS-232C串行通信的典型连接形式有两种：一种是数据终端计算机（DTE）之间，零调制解调器的连接形式；另一种是数据终端PC机（DTE）与数据通信设备（DCE）的通信。 当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信。2022/7/2510 RS-232C逻辑状态定义的正负电压范围与TTL高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够使计算机接口与终端的T

6、TL器件连接，必须在RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系变换。 MAX232是MAXIM公司生产的，包含两路驱动器和接收器的RS-232C转换芯片。芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的+5V电压转换为RS-232C接口所需的12V电压，尤其适用于没有12V的单电源系统。2022/7/2511二、RS-485总线 EIA于1983年在RS-422A的基础上制定了RS-485标准，全称为TIA/EIA-485-A。RS-422A为双通道的全双工结构，可同时实现接收和发送，而RS-485则为半双工，在某一时刻，数据流单向传输。除此之外，RS-485增加了发送器的驱动能力和冲突保护功能，

7、允许多个驱动器连接在同一条总线上，扩展了总线共模范围。 RS-485总线网络一般采用终端匹配的总线型结构，即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。2022/7/2512串行总线协议转换器 2022/7/2513RS485具有以下特点：RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+2V+6V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-2V -6V表示。RS-485的数据最高传输速率为10MbpsRS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强。RS-485接口的最大传输距离为1200m，在总线上是允许连接多达128个收发器,即具有多站能力和多机通信功能。单片机

8、与计算机的远程通信电路2022/7/252022/7/2515RS-232C、RS-422与RS-485总结外形不是区别点，都可能有各种形式的接插件如9、15和25针RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。总结：RS232的传输是点对点的,并且传输距离只有15米(有条件限制).，RS422的传输支持一点对多点，RS485的传输支持多点对多点,传输距离达到1200米.(采用半双工传输)RS422跟485的区别在于它传输方式是全双工传输注意：一般的电脑只配有RS232串口，若要想用它和工控装置的R

9、S-485串口相接，就需使用外置RS-232/RS-485转换头，对RS-232口转换后即可相连了。2022/7/2516第三节 I2C总线一、I2C总线特点 I2C总线最主要的优点是它的简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可达25英尺，并且能够以10kbps的最大传输速率支持40个组件。 I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)模式，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。2022/7/

10、25二、I2C总线工作原理 I2C总线在硬件连接基础上，还包括总线上数据传输的通信方式和通信格式。它采用主从通信方式时，由主器件确定和控制与某一从器件一次通信过程。而通信格式则按照主器件接收和发送数据两种情形，可分为两种格式(见图)。其中S为开始信号，A为应答信号，P为停止信号。2022/7/25172022/7/25 一个标准的I2C通信过程由四个部分组成:申请总线、建立通信路径、数据传送和释放总线。2022/7/25182022/7/25三、X24C04与MCS-51单片机接口电路2022/7/25192022/7/252022/7/2520第四节 SPI总线一、SPI总线的组成 SPI总

11、线可在软件的控制下构成各种简单的或复杂的系统，如：一个主微控制器和几个从微控制器；几个从微控制器相互连接构成多主机系统(分布式系统)；一个主微控制器和一个或几个从I/O设备。在大多数应用场合中，使用一个微控制器作为主机，它控制数据向一个或多个从外围器件的传送。从器件只能在主机发命令时才能接收或向主机传送数据。其数据的传输格式是高位(MSB)在前，低位(LSB)在后。 2022/7/25二、SPI总线的时序 在实际应用中，各I/O芯片只能在收到CPU发出的使能命令后，才能向CPU传送数据或从CPU接收数据，并遵循“高位(MSB)在前，低位(LSB)在后”的数据传输格式。2022/7/252120

12、22/7/25三、SPI模式CPHA=0时，SPI时序 2022/7/25222022/7/25CPH=1时，SPI时序 2022/7/25232022/7/252022/7/2524第五节 现场总线技术一、现场总线的含义1.现场通信网络传统DCS控制层 第一代FCS控制层 2022/7/25252.互操作性 互操作性的含义是来自不同制造厂的现场设备，不仅可以相互通信，而且可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略。也就是说，用户选用各种品牌的现场设备集成在一起，实现“即接即用”。现场设备互连是基本要求，只有实现操作性，用户才能自由地集成现场控制系统(Field Control Sys

13、tem，简称FCS)。3.分散功能块2022/7/252022/7/25264.通信线供电 现场总线的传输线常用双绞线，并使用通信线供电方式，采用低功耗现场仪表，允许现场仪表直接从通信线上获取电能，这种低功耗现场仪表可以用于本质安全环境，与其配套的还有安全栅。5.开放式网络互连 现场总线为开放式互连网络，既可与同类网络互连，也可与不同类网络互连。开放式互连网络还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的现场总线控制系统。2022/7/25二、OSI参考模型与现场总线通信模型 典型的现场总线协议模型如图所示。它采用OSI模型中的三个典型层

14、：物理层、数据链路层和应用层，并增加一个现场总线访问子层，以取代OSI模型中第36层的部分功能，以满足工业现场应用的要求。它是OSI模型的简化形式，其流量与差错控制在数据链路层中进行，因而与OSI模型不完全保持一致。2022/7/25272022/7/25三、基金会现场总线 FF现场总线模型结构如图所示。它采用了OSI模型中的物理层、数据链路层和应用层这三层，隐去了第36层。其中物理层、数据链路层采用IEC/ISA标准。应用层有两个子层：现场总线访问子层FAS和现场总线信息规范子层FMS，并将从数据链路到FAS、FMS的全部功能集成为通信栈(Communication Stack)。FAS的基

15、本功能是确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求，采用不同的数据访问工作模式。2022/7/25282022/7/25四、局部操作网络 LONWORKS采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，被誉为通用控制网络。这七层的作用和所提供的服务如图所示。2022/7/25292022/7/25五、过程现场总线 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。 一个典型的工厂自动化系统采用三级网络结构。 基于现场总线PROFIBUS-DP/P

16、A控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。 现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络。PROFIBUS网络结构图2022/7/25302022/7/252022/7/2531 CAN在物理结构上属于总线式通信网络。系统由上位监控PC机、智能节点和现场设备三部分组成。 上位监控PC机主要负责对系统数据的接受与管理、控制命令的发送以及各控制单元动态参数和设备状态的实时显示。 智能节点可以使现场设备方便地连接到CAN总线上，主要负责对现场的环境参数和设备状态进行监测，对采集来的数据进行打包处理并将处理后的数字信号通过CAN通信控制器SJA1000发送到CAN总线。六、控制器局域网络2022/7/2532 可寻址远程传感器数据通路 (Highway Addressable Remote Transducer，简称HART) 。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