第3章 测控系统中常用网络通信技术

第3章测控系统中常用网络通信技术

本章主要内容3.1测控系统网络通讯技术特点3.2测控系统中常用串行通信方法3.3现场总线技术3.4工业以太网3.5透明传输技术3.1测控系统网络通讯技术特点

本节主要内容

3.1.1测控系统实时性3.1.2测控系统可靠性3.1.3测控系统稳定性3.1.1测控系统实时性要保证整个通信子网的实时性必须满足3个时间约束条件：1）每个通信子站每次取得通信权的时间上限值，若超过此值，无论本次通信任务是否完成，均应立即释放通信权。2）保证在某一固定的时间周期内，通信子网上的每一个站都有机会取得通信权，以防个别站因长时间取不到通信权而使其实时性太差甚至丧失实时性。3）对于紧急任务，当实时性要求临时变得很高时，应当给以优先服务。对实时性要求较高的站，也应当给予较高的优先权。

3.1.2测控系统可靠性

1）故障的影响最小。2）具有内部状态和差错报告能力。3）在通常发生的故障纠正后，通信网络能够自动恢复。4）能够支持任何站的加载、启动、停止、再加载和复位3.1.3测控系统稳定性

稳定性指在恶劣的工业环境中正常工作。工业现场的干扰频繁，一般有四类干扰，它们是：1）电源干扰：2）雷击干扰；3）电磁干扰：4）地电位差干扰。3.2测控系统中常用串行通信方法

本节主要内容3.2.1RS-232接口3.2.2RS422/485接口3.2.3USB技术3.2.4串行通信应用举例3.2.1RS-232接口RS-232串行通信接口，是计算机系统中最常见的标准接口，最常用的方法：PC机与MODEMPC机与鼠标之间不仅如此，利用RS-232C接口还可以连接多种设备，它是连接数据通信设备（DCE）与数据终端设备（DTE）之间的串行通信标准总线。3.2.1RS-232接口1．RS-232C的引脚功能1).数据线：2、3、7、14、152).状态和控制线：4、5、20、6、22、8、213).定时信号线：15、24、174).其它信号线：1、233.2.1RS-232接口2．常用的RS-232C电平转换电路在RS-232C接口电路中规定：-3V～-15V为“l”、＋3V～＋15V为“0”，显然这与TTL的电平信号的规定是不同的，需要使用电平转换电路，进行两种电平信号的转换。3.2.1RS-232接口图3-2是两个计算机通过RS-232C和电话线进行串行通信的连接示意图。3.2.1RS-232接口常用的电平转换电路是MC1488和MC1489：

TTL电平RS-232C电平，

MC1488

MC1489MC1488需要使用+12V和-12V电源，而有的电路中缺少这两种电源信号。所以，另外有一些电路仅使用单一的+5V电源，通过内部自升压电路，提供较高的正负电源，这种电路通常都需要外接电容。MAX232就是其中之一。3.2.1RS-232接口MC1488和MC1489、MAX232引脚图3.2.2RS422/485接口

1．RS-423A接口RS-423A接口是为克服RS-232C接口抗干扰能力差而设计，RS-423A接口采用了单端发送、双端接收的传送方式，如图3-6所示。3.2.2RS422/485接口2．RS-422A接口

RS-422A接口采用双端发送双端接受的传送方式3.2.2RS422/485接口3．RS-485接口RS-485接口也是采用双端发送双端接受的传送方式。它与RS-422A接口是兼容的，是RS-422A的简化，但是它的线路中可以有多个发送器，每个发送器可以驱动多个负载设备，在传送的两端都要配备平衡电阻。利用RS－485接口，可以在传输中实现多个发送器和多个接收器共用一条线路（1对），组成一个485网络，但只能实现半双工的双向通信，这足以满足大多数工业控制网络的要求。3.2.3USB技术

1．USB接口技术简介USB是英文UniversalSerialBUS的缩写，中文含义是“通用串行总线”。USB用一个4针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接127个外部设备，并且不会损失带宽。USB是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。3.2.3USB技术

2．USB的版本第一代：USB1.0/1.1的最大传输速率为12Mbps。1996年推出。

第二代：USB2.0的最大传输速率高达480Mbps。USB1.0/1.1与USB2.0的接口是相互兼容的。第三代：USB3.0最大传输速率5Gbps,向下兼容USB1.0/1.1/2.03.2.3USB技术3．USB的应用USB是一个使计算机周边设备连接标准化、单一化的接口，其规格是由Intel、NEC、Compaq、DEC、IBM、Microsoft、NorthernTelecom联系制定的。一个USB接口理论上可以支持127个装置，但是目前还无法达到这个数字。其实，对于一台计算机，所接的周边外设很少有超过10个的，因此这个数字是足够我们使用的。

3.2.3USB技术USB接口速度：USB2.0有高速、全速和低速三种工作速度，高速是480Mbit/s，全速是12Mbit/s，低速是1.5Mbit/s。全速和低速是为兼容USB1.1和USB1.0而设计的，因此选购USB产品时不能只听商家宣传USB2.0,还要搞清楚是高速、全速还是低速设备。USB2.0兼容USB1.1，但在兼容时USB2.0设备只能工作在全速状态下。3.2.3USB技术4．USB与IEEE13941)、USB与IEEE1394的相同点:两者都是一种通用外接设备接口。两者都可以快速传输大量数据。两者都能连接多个不同设备。两者都支持热插拨。两者都可以不用外部电源。

2)、USB与IEEE1394的不同点:两者的传输速率不同。两者的结构不同。两者的智能化不同。两者的应用程度不同。3.2.3USB技术5．USB的不同接口与数据线USBA型口：

常见MiniB型5Pin接口：MiniB型4Pin接口：

3.2.4串行通信应用举例常用通信软件编程语音VisualBASIC（简称VB）是一般程序设计人员在Windows环境下最常用的编程语言，在VB中除了可以调用API函数，完成串行通信的任务之外，更常用、更简便的是使用VisualBasic提供的Communications控件（以下简Comm.控件），来完成各种串行通信的任务。3.2.4串行通信应用举例

1．VisualBasic的Communications控件1）Comm控件的添加2）Comm控件概述3）Comm控件的重要属性4）Comm控件的事件3.2.4串行通信应用举例

1）Comm控件的添加用鼠标右击VB的控件工具箱，这时会显示一个弹出式菜单，选择其中的“部件”菜单项，就会出现一个部件对话框，3.2.4串行通信应用举例

2）Comm控件概述Comm控件提供了一系列标准通讯命令的使用界面。使用它可以建立与串行端口的连接，通过串行端口连接到其他通讯设备（例如调制解调器）、发出命令、交换数据，以及监视和响应串行连接中发生的事件和错误。利用它可以进行诸如拨打电话号码、监视串行端口的输入数据乃至创建功能完备的终端程序等功能。3.2.4串行通信应用举例

3）Comm控件的重要属性CommPort：设置或返回通信端口号Settings：用字符串的形式设置或返回串行通信的帧格式PortOpen：设置通讯端口的状态Input：从输入缓冲区读取数据，并删除输入缓冲区中的字符InBuffeCount：设置接收缓冲区中的字符数InputLen：设置＼返回Input属性从接收缓冲区读取的字符数Output：向发送缓冲区传送数据。InputMode：设置或返回Input属性取回的数据的类型。Sthreshold：设置并返回发送缓冲区中允许的最小字符数3.2.4串行通信应用举例

4）Comm控件的事件Comm控件只有一个事件，即OnComm事件。当发生接收错误、因收到数据使得接收缓冲区的字符大于规定值或者因发送数据使得发送缓冲区中的字符数少于规定数或者从MODEM传递来的各信号线发生变化等等都会产生OnComm事件。所以当发生OnComm事件后，在其处理程序中，首先要检查Comm控件的CommEvent属性，然后根据不同的情况分别进行处理。3.2.4串行通信应用举例

2．简单的串行通信程序1）首先定义一个字符串，用于保存串口接收到的数据；2）设置COM1，基本工作方式（9600波特，无奇偶校验，8位数据，一个停止位）；3）Comm控件的InputLen属性设为0，表明读取接收缓冲区时是把整个缓冲区全部读取；打开串行口；4）发送命令给MODEM;预期应该从串口COM1收到“OK”字符响应，用DO……LOOP循环等待数据的返回，当收到“OK”响应后，把它送到Instring字符串中；5）最后关闭串行口。3.3现场总线技术

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3.3.1现场总线的定义3.3.2现场总线与RS-232、RS-485的本质区别3.3.3基金会现场总线3.3.4ProfiBus总线3.3.5控制器局域网总线CAN3.3.6ControlNet总线3.3.7现场总线的应用3.3.1现场总线的定义

不同的文章对应现场总线与现场总线控制系统的定义有不同的说法。根据国际法电工委员会IEC1158定义：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。

3.3.2现场总线与RS-232、RS-485的本质区别

1）现场总线技术以ISO／OSI模型为基础，隐去OSI第3、4、5层。2）具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。3）现场总线设备自动成网，无主／从设备之分或允许多主存在。4）在同一个层次上不同厂家的产品可以互换，设备之间具有互操作性。3.3.3基金会现场总线

基金会现场总线（FoundationFieldBus，FF）：

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。它以ISO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。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言，规定了通用的功能块集。3.3.3基金会现场总线

基金会现场总线分低速HI和高速HZ两种通信速率。1）HI的传输速率为31.25kbps，通信距离可达1900m，支持总线供电。2）HZ的传输速率分为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。

3.3.3基金会现场总线这种控制系统还可以与别的系统或特定的计算机进行信息交换，构成各种高性能的控制系统。1）基金会现场总线系统是为适应自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、环境与技术的需要而专门设计的。2）基金会现场总线的系统是开放的，可由不同制造商生产的测量、控制设备构成。3）基金会现场总线的最大特色就在于它不仅仅是一种总线，而且是一个网络系统。3.3.4ProfiBus总线

ProfiBus是德国标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准，它由以下三部分组成BUS。ProfiBus－DPProfiBus－FMSProfiBus－PA

3.3.4ProfiBus总线DP型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程序控制器、低压开关等。PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IECll58－2标准。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。3.3.5控制器局域网总线CAN

CAN（ControlAreaNetwork）即控制器局域网络。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前己不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN己经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。

3.3.5控制器局域网总线CAN

CAN总线特点可概括如下：1）CAN为多主方式工作。2）CAN网络上的节点信息分成不同层次的优先级，可满足不同的实时要求3）CAN采用非破坏性总线仲裁技术。4）CAN只许通过报文滤波，可实现点对点、一点对多点及全局广播传输方式。5）CAN的直接通信距离是10km（速率5kbps以下），通信速率最高可达1Mbps。6）CAN上的节点数取决于总线驱动电路，最多可达110个。7）CAN采用短帧结构。8）CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。9）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。10）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以便总线上其他节点的操作不受影响。3.3.6ControlNet总线

1．应用领域随着国际自动化系统网络技术的不断进步，ControlNetInternational到目前为止，成员公司已扩展到50多个，其中不乏世界知名的大公司，如ABBRoboties、HoneywellInc、ToshibaInternational。ControlNet可广泛应用于交通运输、汽车制造、冶金、矿山、电力、食品、造纸、水泥、石油化工、娱乐及其它各个领域的工厂自动化和过程自动化。3.3.6ControlNet总线2．技术特点1）CtrolNet是高速的控制和I/O网络，具有增强的I/O性能和点对点通讯能力，支持多主方式，可以从任何一个节点访问整个网络。2）对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性。3）先进的生产者/消费者网络模型，最大限度的优化了带宽的利用率，并可构成多主、主/从、对等的通讯结构；媒体访问算法确保了控制信息传送时间的准确性。4）具有灵活的安装选择，可使用各种标准的低价同轴电缆，也可使用具有强抗干扰性和本征安全性的光纤，并支持媒体冗余方式。3.3.6ControlNet总线3．通信模式ControlNet在单根电缆上支持两种信息传输：一种是对时间有苛刻要求的控制信息和I/O数据，ControlNet授予他们最高优先权，保证其不受其他信息的干扰。二是无时间苛求的信息和程序上/下载，他们被授予较低的优先权，在保证第一种信息传输的条件下进行传递。3.3.7现场总线的应用在宁波——台州——温州高速公路的大溪——湖雾岭隧道中，成功地采用Profibus现场总线技术，用于交通流量检测控制系统、隧道通风检测控制系统和隧道照明检测控制系统，如图3-13（下页）所示。下面着重介绍Profibus现场总线在交通流量检测控制系统中的应用。3.3.7现场总线的应用3.3.7现场总线的应用交通检测与诱导控制系统在不断监测隧道内车辆、交通状况的情况下，根据系统预定控制方案进行隧道交通的控制和对车辆的诱导控制，交通检测与诱导控制系统可以完成如下6大功能：1）左、右线隧道组成一条冗余的环形光缆Profibus现场总线连接各区域控制器。2）使用光缆OLM/S3、OLM/S4、Profibus现场总线无需通过中继器就可达到2850m的传输距离。3.3.7现场总线的应用3）本方案通过在每个区域控制器上设置Profibus现场总线光缆OLM模块，构筑了整个系统的环形Profibus现场总线，完全能够满足现场传输的要求。4）Profibus现场总线在此应用情况下可以达到5Mbps（位/秒）的传输速率。5）通过冗余的环形光缆总线，为现场控制器和中央控制管理系统构筑了一个可靠性高的数据高速公路，即使在火灾、灾难、鼠害等极端情况下，也可保证整个系统的完整性和可靠性。6）使用Profibus现场总线具有传输速率高、传输距离远、可靠性高、响应速度快等优点。3.4工业以太网

本节主要内容3.4.1工业以太网的定义3.4.2．以太网与现场总线的整合3.4.3．常见工业以太网设备3.4.1工业以太网的定义工业以太网总线和我们现在使用的局域网是一致的，它采用统一的TCP/IP协议，避免不同协议间通讯不了的困扰，它可以直接和局域网的计算机互连而不要额外的硬件设备，它方便数据在局域网的共享，它可以用IE浏览器访问终端数据，而不要专门的软件，它可以和现有的基于局域网的ERP(EnterpriseResourcePlanning)数据库管理系统实现无缝连接，它特别适合远程控制，配合电话交换网和GSM，GPRS无线电话网实现远程数据采集，它采用统一的网线，减少了布线成本和难度，避免多种总线并存。3.4.2．以太网与现场总线的整合要在工业控制网络中成功应用以太网，急需解决的是如何与现场总线结合的问题：解决问题的途径之一是所谓的一网通方法，也就是在现场级、控制级和管理级均采用以太网加TCP／IP的方式，实现统一的互连。另一个方案就是整合现场总线与以太网协议，该方案实际可行，因而各现场总线组织在整合的方法上展开了激烈的竞争。3.4.2．以太网与现场总线的整合1).现场总线与以太网整合的协议①Modbus推出Modbus/TCP。②分布式自动化接口IDA（InterfaceforDistributedAutomation）③现场总线基金会推出HSE（HighSpeedEthernet）。④Profibus推出ProfiNet。。⑤WorldFIP推出WorldFIPTCP/IP。3.4.2．以太网与现场总线的整合概括起来，以太网与现场总线整合的方案分3种：

包裹法；网关和代理服务器法；重建法。3.4.3．常见工业以太网设备工业以太网集线器工业以太网非管理型交换机工业以太网管理型交换机工业以太网管理型冗余交换机3.5透明传输技术

本节主要内容3.5.1透明传输基本概念与发展趋势3.5.2透明串口技术3.5.3以太网同计算机串口之间的透明传输技术3.5.4GPRS同计算机串口之间的透明传输技术3.5.5其他透明传输技术3.5.1透明传输基本概念与发展趋势透明传输基本概念所谓的透明传输是指信息和数据在底层的传输对用户而言是不可见的一种数据传输方式。关于透明传输是一个广泛的概念，本书主要讨论近几年在工业领域快速发展的RS-232/RS-485与互联网络之间的传输方式。3.5.1透明传输基本概念与发展趋势透明传输发展趋势由于近年来通讯技术的迅猛发展，工业测控领域的技术和相关产品更新速度相对较慢，大量的现场设备不可能全部升级更换，所以近年来用于不同通讯协议转换的透明传输技术和产品也越来越普及，发展趋势也是简单易用，不需要了解技术细节。3.5.1透明传输基本概念与发展趋势虚拟串口