第4部分底层控制通信网

1、山东省建设厅建筑智能化技术 培 训 班智能建筑与智能小区应用技术 哈尔滨工业大学建筑设计研究院 建筑智能化技术研究所 所长 刘晓胜 (博士后 副教授)手 机： 1361-365-1278 电 话：0451-62811662022/7/261第四部分底层通信控制网络技术2022/7/262底层控制通信网络概念RS232C/RS422A/RS485总线技术现场总线技术智能小区中总线应用基于TCP/IP和以太网的底层控制设备通信智能小区底层控制网络的发展方向底层通信控制网络3(1)总线: 计算机之间、模块之间、计算机与模块之间传递信息的一束束信号线的集合，为各模块间和各部件间提供标准的信息通路。(2

2、)总线结构:面向处理器和面向总线总线的有关概念4(3)总线分类:系统总线(板级总线)外总线(通信总线)局部总线内部总线总线的有关概念CPUDRAM输出控制器I/O接口系统总线5(3)总线传输方式同步式传输异步式传输半同步式传输分离式传输(4)PC机中的总线：PC/XT总线(8位)、ISA总线(16位)、MCA总线(32位、IBM、PS/2)、EISA总线(32位、Compaq)、PCI(32/64位、Intel)总线等。总线的有关概念6各种总线的主要特征(5)STD工业控制总线：1978，美国普洛公司，56(6)VME总线：VersaModul Eurocard,32位工作站级总线标准，Mot

3、orrola,85 IEEE-1014总线标准(7)SCSI总线(Small Computer System Interface)：86,ANSI,92,ESCSI,系统级标准，主机与智能外设通信接口，单端6m/差分25m, 50芯，20MB/s,9个外设，总线的有关概念8位ISA16ISAEISAPCI总线宽度8163232/64典型时钟1.19MHz6MHz10MHz33 MHz总线传输率2MB/s8MHz32 MHz132 MHz存储器传输率2MB/s3280MHz264MHz7(8)USB总线(9)IEEE-488总线 HP公司提出，IEEE和IEC认定的测量仪器系统标准总线，又称HP

4、-IB(HP接口总线)、IEC-IB(IEC接口总线)、GP-IB(通用接口总线)。 24线连接器(16信号，8数据/3交换/5控制)，负逻辑，15个设备，20米，1MB/s(10)RS232、RS422、RS485总线总线的有关概念8(1)什么是底层控制通信网络: 通过一种或几种总线方式，实现与现场各种设备的通信，并通过总线实现对现场设备进行必要控制的计算机网络系统,称之为底层控制通信网络系统，简称底层网络。(2)底层控制通信网络特点:多属于低速网络;多为控制(I/O)信号,数据量小;可靠性要求比较高等;底层控制通信网络概念9(3)底层控制通信网络种类:传统的通信总线;现场总线;基于TCP/

5、IP的控制方式等。(4)底层控制通信网络选择原则:可靠性原则通信速率和通信距离要求先进性、实用性与经济性相结合的原则抗干扰能力原则技术发展方向性原则底层控制通信网络概念10长距离通信的基本要求:传输距离要远；抗干扰性能好；传输速率比较低；成本要较低等。常用串行通信总线RS232C(RS232A，RS232B)；RS449，RS422A，RS423和RS485；20mA电流环。USB底层控制通信网络概念11(0)串行通信的基本概念异步通信：波特率：300/600/1200/2400/9600/19200数据位：5/6/7/8校验位：奇校验/偶校验/不校验停止位：1/1.5/2RS232C总线第n

6、-1个字符00/10/10/10/10/110/10/10/10/1100/10/10/1停止位起始位起始位校验位校验位停止位第n+1个字符第n个字符0/1数据位数据位低位高位12同步通信RS232C总线13(1)异步串行通讯总线；(2)EIA正式公布的RC-232C总线标准，CCITT制定和推荐的V.24基本相同。(3)数据终端设备(DTE，Data Terminal Equipment) 、数据通讯设备(DCE，Data Communication Equipment)(4)传输距离一般小于15m，传输速率一般小于20kbpsRS232C总线14 (5)完整的RS232C接口有22根线，采

7、用标准的25芯DB插头座(6) RS232C采用负逻辑，即：逻辑“1”：-5V -15V;逻辑“0”：+5V+15V(7)用RS232C总线连接系统:近程通讯:10根线，或6根线，或3根线远程通讯:Modem+电话网RS232C总线15(8)常用连接形式五根线连接方式RS232C总线TXDRXD发送数据数据终端就绪数据终端就绪发送数据接收数据接收数据信号地数据装置就绪数据装置就绪TXDRXD图6-3 计算机与终端设备的RS232C连接计 算 机终 端 设 备屏蔽地DTRDSRDTRDSR16(8)常用连接形式： 三根线连接方式发送数据发送数据计算机或终端设备237计算机或终端设备237发送数据

8、发送数据信号地计算机/终端与终端设备的通讯信号地计 算 机23452068接收数据RXD请求发送RTS清除发送CTS载波检测CD数据终端就绪DTR数据 设备就绪DSR计 算 机234752068RXDTXDRTSCTSCDDTRDSR(b) 计算机与计算机设备的通讯图6-4 RS232C的一种简单连接方式7RS232C总线17(8)常用连接形式：远程连接方式RS232C总线18(9)常用芯片及连接：RS232C总线19(9)常用芯片及连接RS232C总线20(1) EIA于1977年公布了RS449标准接口。(2) RS422A规定了双端电气接口形式，采用双端线传输信号。(3)差动方式传输:驱

9、动器输出：2v-6v;输入最小电平：200mV;(4)传输速率10Mpbs，传输距离:120m。最大传输距离可达1200m。(5)常用芯片及连接:线路驱动器SN75174或MC3487或MAX3487，线路接收器SN75175或MC3486或MAX3486。RS422A总线21(4)常用芯片及连接RS422A总线1A123451216151413681171091Y1Z1,2使能2Z2Y2AGNDVCC4A4Z3Z3Y3A3,4使能4YSN751741B123451216151413681171091A1Y1,2使能2Y2A2BGNDVCC4B4Y3Y3A3B3,4使能4ASN7517522(

10、4)常用芯片及连接RS422A总线23(1)一种多发送器和多接收器的电路标准(2)连接RS485总线241995，Intel公司提出的中速串行总线，USB1.1定义了两个速度：12Mpbs和1.5Mbps;2000年，制定了USB2.0,480Mbps;用于键盘、鼠标、打印机等设备的连接；产生原因：PC机与电话相连；易用性：重新配置灵活；端口扩充：PC机端口可用数量的限制。USB2.0产生的原因：满足处理大量数据的要求。增加了第三个传输速度：480Mbps兼容USB1.1USB通用串行总线25总线拓扑结构：分层星型结构；USB最多可支持5个Hub层，127个外设；USB通用串行总线Hub1Ro

11、otHub主机Hub1Hub1节点节点节点节点26USB的物理层(USB1.1)4根电缆：D+、D-是差模信号，Vbus：+5v12Mbps高速模式：磁盘、CD刻录机等；带屏蔽双绞线，5m；1.5Mbps低速模式：鼠标、键盘等；普通双绞线，3m。USB设备包括Hub和功能设备；一个USB设备分三层：支持即插即用；设备电源；设备挂起；USB通用串行总线27USB主机数据传输方式：控制传输同步传输终端传输数据块传输USB总线协议域类型包类型总线操作错误检验与恢复USB通用串行总线28(0)工业控制系统的发展过程和趋势过程:气动式仪表控制系统电动单元组合式模拟仪表控制系统集中式数字控制系统集散式控制

12、系统DCS现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。趋势:分散化;网络化;智能化;现场总线技术29(1)现场总线是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。(2)结构特点:数字信号代替模拟信号实现一对电线上传输多个信号为多个设备提供了电源不再需要模/数转换部件及数/模转换部件现场总线30现场总线31(2)现场总线技术特点：系统的开放性互可操作性与互用性现场设备的智能化与功能的自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性现场总线32(3)现场总线的优点：节省硬件数量与投资节约安装费用节省维护

13、费用提高用户系统集成主动权提高系统的准确性与可靠性易于系统调整现场总线33(4)几种常见的现场总线LonWorks总线CAN总线FF总线：Foundation FieldbusPROFIBUS总线：HART总线:High Addressable Remote Transducer现场总线34智能小区中常用的现场总线LonWorks总线CAN总线现场总线35(1)LON(Local Operating Networks),美国Echelon推出，Motorala、Toshia共同倡导、2600多家公司参加，1000多家公司推出了产品(2)1990年正式公布(3)面向对象的设计方法(4)采用七层通

14、信协议(5)300kb/s1.5Mb/s, 2700m(78kb/s)(6)多介质LonWorks总线36(7 ) 过程控制、交通运输、办公、保安、楼宇等。(8) Neuron神经元芯片：3个CPU媒体访问控制处理器网络处理器应用处理器(9)核心技术之一：LonWorks节点以神经元芯片为核心采用MIP(Modular Information Processor )结构LonWorks总线37以神经元芯片为核心的节点LonWorks总线16K58KROM(3150)电源晶振神经元芯片3150/3120I/O调理收发器图6-12 神经元节点的结构框图传感器执行器38采用MIP结构的节点(10)核

15、心技术之一：LonWorks 路由器LonWorks总线39(11)核心技术之一：神经元芯片LonWorks总线MACCPU应用CPU网络CPUEEPROM512Byte*12Kbyte*2RAM1KByte*32Kbyte*4ROM10KByte*58bit数据线 控制时钟和计数器CPUI/O模块（包含16bit寄存器，脉冲计数器，20mA环电流等）16bit数据线 网络通信口时序和控制 Reset# CLK1 CLK2 Service# IO0 IO7 IO8 IO9 IO10 CP0 CP4 VssVcc66外部存储器(3150)图6-14 神经元芯片的结构框图40四种型号的神经元芯片比

16、较LonWorks总线MC143150MC143120MC143120E2MC143120E1处理器3333RAM容量(Byte)2048102420481024ROM容量(Byte)102401024010240EEPROM容量(Byte)5125122048102416位计数器2222外部存储器接口有无无无封装PQFPSOGSOGSOG管脚6432323241(12)核心技术之一：LonTalk协议LonWorks总线42(12)核心技术之一：LonTalk协议发送的报文都是很短的数据，一般是几个字节到几十个字节；通信带宽不高，一般从几kbps到2Mbps；网络上各节点往往是低成本、低维护

17、的单片机；多节点；多介质；可靠性高；实时性高。LonWorks总线43(12)核心技术之一：LonWorks 收发器双绞线收发器 电源线收发器 电力线收发器其它收发器：无线收发器、光纤收发器等(13)核心技术之一：LonWorks 开发工具节点开发工具NodeBuilder节点和网络安装工具LonBuilder网络管理工具LonManageLNS(LonWorks Network Service)技术LonWorks总线44(1)控制器局域网络Controller Area Network 1991年9月Philips Semiconductor 制定并颁布了CAN 技术规范(Version

18、2.0), 1993年11月ISO,ISO 11898(2)CAN总线特点:多主方式节点信息分成不同的优先级非破坏性总线仲裁技术点对点、一点对多点及全局广播CAN总线45(2)CAN总线特点:最远可达10km/5kbps；通信速率最高可达1Mbps/40m节点数取决于总线驱动电路，目前110个短帧结构，传输时间短，受干扰概率低有CRC校验及其它检错措施介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤发生严重错误时，自动关闭输出CAN总线46(3) CAN总线分层结构： 数据链路层和物理层(4)CAN总线帧结构：数据帧远程帧出错帧超载帧CAN总线47CAN总线48CAN总线49(5)CAN总线的电器特性CAN总线50CAN总线51(6)CAN总线的常用芯片CAN总线制造商产品型号 器件功能及特点INTEL82526825278XC196CA/CBCAN通信控制器，符合CAN2.0ACAN通信控制器，符合CAN2.0B扩展的8XC196+CAN通信控制器，符合CAN2.0B52制造商产品型号 器件功能及特点PILIPS82C2008XC5928XE59