物联网通信课件301-末端网-有线通信

1、有线通信有线通信串口USB现场总线X-10电力载波协议串口串行接口通信是最常见的连接方式技术简单，价格便宜，方便使用，是很多物联网应用的较好选择由南航为某公司开发的基于 条码的生产控制系统， 扫描枪和计算机之间 通过串口线相连。串行接口通信是最常见的连接方式经常的接口标准EIA-232(RS-232)EIA-422(RS-422)EIA-449(RS-449)EIA-485(RS-485)EIA-530(RS-530)等经常的接口标准性 能 参 数RS-232RS-422RS-485工作方式单端差分差分结点数1收1发1发10收1发32收最大传输电缆长度15米1219米1219米最大传输速率20

2、kbps10Mbps10Mbps工作方式全双工全双工半双工性 能 参 数RS-232RS-422RS-485工作方式单单端不归零编码单端归零编码差分单端不归零编码RS-232全名是“数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”RS-232目前经历了若干个版本，较新的版本号为E优点简洁、实施成本低缺陷：对噪声较为敏感。容易造成串扰产生的横向电磁波，成为影响相邻电路的严重电磁干扰 （EMI） 源RS-232全名是“数据终端设备（DTE）和数据通信设备（D采用25脚的DB25连接器较新的E版本RS-232规定使用其中的23根引脚出于节省资金和空间的考虑，是9芯的

3、DB-9型连接器被广泛使用母插座和公插头一种最为简单，且常用的连接方法是三线制接法采用25脚的DB25连接器RS-422RS-422通常被认为是用来作RS-232的扩展，是为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点而设计的主要集中在工业控制环境，特别是长距离数据传输，如连接远程周边控制器或传感器定义了一种平衡通信接口利用导线之间的信号电压差来传输信号的差分传输方式与单端传输方式相比，能有效地提高数据传输速率RS-422RS-422通常被认为是用来作RS-232的扩展串口USB现场总线X-10电力载波协议串口USB总线Universal Serial Bus，通用串行总线由康柏、IBM、Inte

4、l和Microsoft于 1994年共同推出最大的特性是可以支持即插即用 和热插拔成都索蓝科技公司推出的WSN/ USB网关USB总线Universal Serial Bus，通用串行发展历程发展历程1996年发布的USB1.0。1998年发布的USB1.1。2000年4月起广泛使用的USB2.0。2008年11月发布USB3.0，Super Speed USB。这四种版本最大的差别表现在数据传输速率方面：USB 1.0速度只有1.5Mbps（低速模式）USB 1.1速度提升到12Mbps（全速模式）USB2.0理论传输速度达480Mbps（高速模式）而USB 3.0最大传输带宽高达5.0Gb

5、ps1.0、1.1、2.0是半双工方式，3.0支持全双工方式发展历程发展历程USB组成一个主机，主机可以连接多个USB设备理论上，USB主机一个接口可以支持最多127个设备当USB设备连接主机以后，由后者负责给此设备分配一个唯一的地址USB组成一个主机，主机可以连接多个USB设备USB设备集线器功能部件USB和主机系统之间的接口称作主机控制器一般存在于主机上USB设备集线器树型拓扑最多支持7层在逻辑上，主 机与各个设备 是直接通信的树型拓扑最多支持7层USB线缆&接头USB线缆&接头集线器集线器 USB的层次结构 USB的层次结构主机端客户软件是在主机上运行的，使用某一个USB物理设备的用户程

6、序。USB系统软件，使用主机控制器对主机与USB设备之间的数据传输进行管理。一般由操作系统提供。主机控制器实现主机与USB设备间的电气和协议层的匹配，包括：串并转换、帧透明传输、数据处理、协议使用、传输错误处理、远程唤醒、根Hub和主机系统接口等功能。主机端客户软件是在主机上运行的，使用某一个USB物理设备的用USB设备端USB物理设备基于USB通信完成某项功能的一种软硬件集合，如基于USB的打印机。一个USB逻辑设备对USB系统来说就是一个端点的集合USB总线接口提供了在主机和设备之间的连接。负责实际传送和接收数据包USB设备端USB物理设备基于USB通信完成某项功能的一种软USB传输方式数

7、据传送是在主机软件和一个USB设备的指定端口之间完成的。这种端口间的联系称作通道一个指定的USB设备可以拥有许多通道各通道之间的数据流动是相互独立的特殊的通道缺省控制通道当设备一启动即存在为设备的设置、查询状况和输入控制信息提供一个入口USB传输方式数据传送是在主机软件和一个USB设备的指定端口USB是基于轮询（Polling）的总线系统由主机启动所有的数据传输USB设备不能主动与PC机通信USB是基于轮询（Polling）的总线系统由主机启动所有的USB2.0传输方式分为以下四种传输类型控制传输方式：为外设与主机之间提供一个控制通道，负责向USB设置一些控制信息数据块传输类型是一种可靠的单向

8、传输，但延迟没有保证，它尽量利用可以利用的带宽来完成数据的传输同步传输方式支持有周期性、有限时延，且数据传输速率不变的数据传输，如麦克风、摄像机中断传输单向的传输，数据量较小，无周期性，但需要及时处理，以达到实时效果的设备，如键盘、鼠标USB2.0传输方式分为以下四种传输类型控制传输方式：USB传输技术USB信号采用差分传输模式编码采用了NRZI（不归零翻转编码）USB传输技术USB信号采用差分传输模式当传输的数据包含连续的逻辑1时，NRZI编码后，由于太长时间内没有产生翻转，会使得接收端无法从中得到同步信号，进而造成接收时钟的漂移位填充法（bit-stuffing）如果要发送的数据中一旦出现

9、了连续的6个1，则在进行NRZI编码前，在这6个连续的1后面插入1个0，然后再进行NRZI编码。接收端如果收到连续的6个1，则自动去掉后面的1个0，再继续解码，从而恢复原数据当传输的数据包含连续的逻辑1时，NRZI编码后，由于太长时间USB的发展无线USB技术装备无线收发装置以代替电缆连线数据传输速率可达为480Mbps需要认证USB的发展无线USB技术装备无线收发装置以代替电缆连线USB的发展USB3.0最大传输带宽可高达5.0Gbps考虑到8b/10b编码方式，实际的速度只能达到4Gbps左右结合协议开销及具体实现的影响，最终速度更低USB 3.0在原有4线结构的基础上，又增加了5条线路四

10、线差分信号可以兼容USB1.1和USB2.0USB的发展USB3.0最大传输带宽可高达5.0GbpsUSB的发展 USB 3.0主动式光纤缆线USB 3.0不足，线缆较为粗重考虑电磁干扰（EMI）、必须使用九根线材提出了主动式光纤缆线（Active Optical Cable，AOC）一卷50米AOC缆线USB的发展 USB 3.0主动式光纤缆线USB 3.0串口USB现场总线X-10电力载波协议串口概述现场总线（Field Bus，也称现场网络）是20世纪90年代初逐步发展并推广起来的一种网络作为工厂数字通信网络的基础之一，可以用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等诸多领域中现场智能设备（

11、如智能化仪器/仪表、控制器、执行设备等）之间的，或者现场智能设备和控制室内监控机之间的互连概述现场总线（Field Bus，也称现场网络）是20世纪9在计算机数据传输中，长期使用低数据速率和点对点的数据传输标准。在工业控制或生产自动化领域中使用大量的传感器、执行器和控制器，若采用星形拓扑结构，安装成本和介质造价高。在计算机数据传输中，长期使用低数据速率和点对点的数据传输标准采用了现场总线技术后，控制室与厂房之间这段较长的距离，只需要布设一根线缆即可，而厂房内部基于总线，各种设备只需要通过短距离连线进行接入。采用了现场总线技术后，控制室与厂房之间这段较长的距离，只需要现场总线应具有如下特点协议简

12、单，控制成本布线简单，是布线方式的革命全数字化通信开放型的互联网络，包括通信规约的开放性，开发的开放性，并可与不同的控制系统相连，实现互可操作性与互用性具备较强的抗干扰性、稳定性、容错能力，以及便于查找和更换故障结点的诊断能力。并且具有较高的实时性多数为短帧传送、信息交换频繁等特。现场总线应具有如下特点协议简单，控制成本基于现场总线开发的系统的组成控制系统有维护软件、设备软件和监控软件等。在网络运行过程中，对整个系统实现实时数据采集、数据处理、计算、调控等测量系统其特点为多变量、高性能的测量，使测量仪表具有智能计算能力等更多功能设备管理系统对设备自身及运行过程的诊断信息、设备运行状态信息、厂商

13、提供的设备制造信息等进行统一的管理和维护基于现场总线开发的系统的组成控制系统现状目前，世界上存在着大约四十余种的现场总线，主流的现场总线包括基金会现场总线（Foundation Field bus，FF）控制器局域网（Controller Area Network，CAN）LonworksDeviceNetProfibusHART（Highway Addressable Remote Transducer）CC-Link等现状目前，世界上存在着大约四十余种的现场总线，CAN总线概述最早由德国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CAN所具有的高可靠性、实时性和良好的错误检

14、测能力受到了越来越多的重视已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片，被广泛地应用于工业自动化生产线、汽车、传感器、医疗设备、智能化大厦、电梯控制、环境控制等分布式实时系统CAN总线规范的物理层和数据链路层已被ISO制订为国际标准CAN总线概述最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部案例基于CANOpen的电梯监控系统CANOpen是基于CAN总线的一个高层应用层协议，而CiA DSP 417是CANOpen在电梯领域的应用体现，可以很好的满足电梯通信的需求案例基于CANOpen的电梯监控系统CANOpen是基于案例基于CAN的车载网络厦门蓝斯通信的车载终端通过与汽车CAN总线对接，可与GP

15、S、自动报站器、客流统计仪、POS机、车载视频，或其它车载电子设备进行联机工作，形成一个小型的车内局域网还可以通过3G网络实时把车辆行驶记录（如发动机工况、车轮转速、油门踩踏位置、刹车位置、开关门、车内灯、水温、机油压力等）和报警记录等传输到智能调度系统。调度中心还可以通过它向车上其它车载电子设备发送数据及指令案例基于CAN的车载网络厦门蓝斯通信的车载终端通过与汽车CAN总线系统组成CAN总线系统组成CAN收发器安装在控制器内部，同时兼具接收和发送的功能，将控制器传来的数据化为电信号并将其送入数据传输线，或者从总线收到的电信号转化为数据，转交给控制器。数据传输终端即电阻，防止电信号在总线线端被

16、反射，影响数据的传输。 数据传输线双向的数据总线，负责数据信号的传输。CAN收发器CAN拓扑总线形拓扑由高、低电压两根线绞合而成，实现一路信号的差分发送CAN拓扑总线形拓扑树状拓扑分支网络通过中继器（Repeater）连接到干线树状拓扑CAN协议物理层CAN的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。但最常用的就是双绞线CAN的通讯距离最远可达10km（5kbps），通讯速率最高可达1M bps（40m），网络结点数实际可达110个CAN的信号调制解调方式采用的是不归零（NRZ）编码/解码方式，其信号使用差分电压传送CAN协议物理层CAN的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或总线电平=CAN_H -

17、CAN_LCAN使用下面方式表示逻辑1和逻辑0：隐性，总线电平小于等于0，此时状态表示为逻辑“1”。显性，总线电平大于0时，此时状态表示逻辑“0”。“显性”具有“优先”的意味总线电平=CAN_H - CAN_LCAN协议数据链路层CAN的媒体控制非常简单，在总线空闲态，最先开始发送消息的单元获得发送权，其它处于接收状态在发送前，结点的收发器需要对总线进行监测，如果发现总线空闲时，就可以启动数据的传送。在数据传送过程中，收发器还需要继续监测总线的信息，当发现与传送的信息不相符时，表示产生了数据的冲突，中断本次发送。CAN协议数据链路层CAN的媒体控制非常简单，在总线空闲有些类似于以太网的CSMA

18、/CD协议不同的是，当出现冲突的时候，CAN总线可以根据优先级进行非破坏性仲裁而CSMA/CD协议的破坏性丢弃数据并进行强化碰撞。有些类似于以太网的CSMA/CD协议按优先级进行仲裁CAN总线帧的优先级是结合在11位标识符中的，具有最低标识符的结点具有最高的优先级这种优先级一旦确定就不能更改连续输出显性电平最多（标识符中含有的0最多，即标识符最小）的单元可继续发送举例：结点1的标识符为011111（优先级最低），结点2的标识符为0100110（优先级最高），结点3的标识符为0100111按优先级进行仲裁CAN总线帧的优先级是结合在11位标识符中的结点1的标识符为011111（优先级最低）结点2

19、的标识符为0100110（优先级最高）结点3的标识符为0100111某时，3结点同时发送帧，它们的标识符前两位相同，即使同时发送，也相互不干扰，此时，三结点都不会认为产生了冲突，继续发送第3位进行比较时，结点1的标识符是1，是隐性的，被结点2和3的显性位所覆盖。结点1停止发送结点2和3的帧标识符在4、5、6位相同，继续发送自己的标识符，并不认为产生了冲突。直到第7位，结点3发现自己发送的标识符被显性化了，自己的优先级比不过结点2，停止发送在仲裁过程中被取消发送的结点，等待总线的下一个空闲期尝试重新发送结点1的标识符为011111（优先级最低）结点2的标识符为CAN协议应用层用户需要自己定义应用层的协议在CAN总线的发展过程中出现了各种版本的CAN应用层协议目前定义了应用层协议的有：SAE J1939、ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000 等CAN协议应用层用户需要自己定义应用层的协议串口USB现场总线X-10电力载波协议串口国际通用的电力载波协议针对智能家居网络化控制平台英国Pico Electronics（皮可）公司于1976年研发出的通过常用的电力线，可以将控制信号传输给各个电气设备，将各个房间的所有电气产品连接起来国际通用的电力载波协议利