工业通信网络3

工业通信网络与技术

（现场总线）许勇xuy@主要教学内容和学时分配第一章工业通信概述 2第二章数据通信基础 4第三章通信总线技术及应用 8计算机接口总线工控机与测控仪器接口总线常用工业通信总线第四章现场总线/控制网络的核心技术 8现场总线概述FF/Lonworks/Profibus等

网络集成式控制系统第五章汽车网络和CANbus

14第六章工业以太网及其应用 4合计

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任何一个控制处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接。简单通信任务可以用一组线路实现，而多点之间的多任务通信，连线将会错综复杂，甚至不能实现。用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组线路被称为总线。换句话说，总线是系统的各插件间(或插件内部芯片间)传送规定信息的公共通道。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。总线的概念从计算机内部通信开始，现在扩展应用到通信系统的各个应用系统，特别是在工业通信领域。。1.

什么是总线电子设备内，主板通过各种总线来达到将CPU和各种部件有机地连接起来的目的。总线的基本工作方式是由发送信息的部件分时地将信息发往总线，再由总线将这些信息同时发往各个接收信息的部件。究竟由哪个部件接收信息，要由CPU给出的设备地址经译码产生的控制信号来决定。总线是计算机系统的神经中枢，实际上也是所有围绕计算机处理器芯片构成系统的核心，比如是工业控制和仪器测试行业的核心技术。总线简化通讯电路、减少连接线。统一的总线标准则可以方便系统的构成、扩充或更新。总线技术使设计、生产走向标准化。各生产厂家可以按照统一的标准设计、生产计算机的部件，这些部件具有通用性和互换性，因而可大批量生产。总线的性能指标主要有下面几条：1）总线带宽，即最大数据传输速率，是最重要指标：在计算机总线中用B/s表示，其它常用bps（bp/s）。例如，PCI总线的宽度为32位，总线时钟频率为33MHz，则最大数据传输速率为:(32/8)×4=132MB／s；2）总线时钟：总线中各种信号的定时基准。；3）总线宽度：总线中数据总线的数量，用Bit(位)表示，总线宽度有8位、16位、32位和64位之分；4）信号线数：总线中信号线的总数，包括数据总线、地址总线和控制总线；5）负载能力：总线中信号线带负载的能力。该能力强表明可接的总线板卡可多一些。当然，不同的板卡对总线的负载是不一样的，所接板卡负载的总和不应超过总线的最大负载能力。总线的性能2.串行通讯及其接口并行通信:数据的各位同时传送。

优点：传送速度快缺点：数据线多，成本较高，且由于并行数据传输线的耦合和共模干扰，传输距离短。主要应用于数据传送量很大的场合，如打印机，液晶屏等。随着现代电子技术的发展，并行通信的应用在逐渐减少。串行通信：将数据按顺序分解为一位（或几位，一般不大于4位）的序列，按顺序传送。优点：传送线路简单，成本低，传送距离长缺点：传送速度比并行通信低随着现代电子技术的发展，传送速度越来越快，应用越来越广泛。如USB、1394、Profibus、SERCOS、各种网络等串行通讯的一般概念a.异步通信在异步通信中，没有统一的时钟信号，各设备使用自己的时钟信号,各设备时钟必须在频率上保证一致（误差允许范围很小），每个传送字节必须用其始位来同步时钟，用1~2个停止位来表示传送字节的结束。由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等4部分组成的串行数据称为字符帧（CharacterFrame）也叫数据帧。

异步通信的优点是不需要传送同步时钟，字符帧长度不受限制，故设备简单。缺点是字符帧中因包含起始位和停止位而降低了有效数据的传输速率。

D0PD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3…起始位空闲位停止位

异步串行通信的字符帧格式串行通信格式照串行数据的时钟控制方式，串行通信可分为同步通信和异步通信。起始位检测异步通信中，每秒钟传送二进制数码的位数为波特率(BaudRate),单位为bps。异步串行通信的收发设备，必须使用相同的波特率。异步通信设备，都具有自己的波特率时钟发生器，其时钟频率一般为波特率的16倍，在检测到起始时位跳变时，接收方同步其接收时钟，然后，间隔24个时钟，检测第一个数据位，以后每间隔16个时钟检测一位，直到停止位，1帧数据结束。用起始位同步接受时钟，消除了时钟误差的累积，降低了对收发时钟频率的一致性要求，一般，时钟误差<3%即可。

发送时钟接收时钟数据读取第1个数据位读取第2个数据位b.同步通信

在通信的设备中,采用同一时钟信号,这个时钟信号可以是其中一台设备产生的,也可以采用外部时钟信号源。00111101由于具有同步时钟,传送速度快;但若传送距离较长时,时钟信号易受干扰,且不经济。多用于板内芯片间的数据通信和短距离设备间的数据通信。如：I2C、SPI、LVDS等在同步通信中，除了位同步，还需要帧（字符）同步，帧同步可以由单独的硬件信号实现，也可以用数据线上的同步字符来实现（非2进制数据）微处理器常用串行总线：通用异步接收器传输总线UART（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter）同步外设接口(SPI-SerialPeripheralInterface)、内部集成电路(I2C-Inter-IntegratedCircuit)。总线类型线数通信类型多主支持数据率总线上器件的数量线缆长度（米）UART2异步不支持3Kbps到4Mbps21.5@128KbpsSPI3同步不支持>1Mbps<10<3I2C2同步支持<3.4Mbps<10<31）I2C

同步串行总线标准I2C总线采用2线制全双工串行通信。主站从站0A2A1A0……000001111从站1A2A1A0从站7A2A1A0SDASCL12串行外围设备接口SPI（serialperipheralinterface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强总线上可以连接多个可作为主机的MCU，装有SPI接口的输出设备，输入设备如液晶驱动、A/D转换等外设也可以简单连接到单个TTL移位寄存器的芯片总线上允许连接多个能作主机的设备，但在任一瞬间只允许有一个设备作为主机2）SPI

同步串行总线标准时钟发生器主器件MOSI从器件MISONSSSCK2）SPI

同步串行总线标准

SPI总线采用3线制全双工串行通信。7654321076543210MSBbit6bit5bit4bit3bit2bit1LSBSCKMISO/MOSINSSRS232C

RS232是应用最早,最广泛的双机异步串行通信总线标准。是美国电子工业协会的推荐标准RS=recommendedstandard

标准规定了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)间串行通信接口的物理(电平)、信号和机械连接标准常用异步串行通讯接口标准DCE计算机DTEDCEDCEDTE电话线

Modem

Modem计算机

RS232C

RS232C计算机计算机

TXD

TXD

RXD

RXD

GND

GNDRS232C的电气标准和机械连接DTE插针式DCE内孔式25针DB插连接器DTE插针式DCE内孔式9针DB插连接器RS232C的电气标准：3V~15V:逻辑0-3V~-15V:逻辑150ft@9600bpsTTL/CMOS-RS232电平转换芯片：MAX232、MAX202等RS232C接口信号定义引脚(9针)引脚(25针)信号信号源类型描述18CDDCE控制载波信号检测23RxDDCE数据接收数据32TxDDTE数据发送数据420DTRDTE控制终端准备好57GND--信号地66DSRDCE控制数据机准备好74RTSDTE控制请求发送85CTSDCE控制清除以便发送922RIDCE控制振铃信号计算机间RS232C通信的常用连接方法全握手无握手计算机计算机

TXD

TXD

RXD

RXD

GND

GNDTxDRxDRTSCTSDTRDSRCDRIGNDTxDRxDRTSCTSDTRDSRCDRIGNDRS422和RS485平衡和非平衡线路非平衡线路（单端收发器）平衡线路（差分收发器）RS422和RS485接口标准规格RS422RS485传输模式平衡平衡差动输出（V）±2±1.5接收器敏感度（V）±0.2±0.2驱动器负载，最小（Ω）10060最大驱动器数量132最大接收器数量1032最大传输速度(bps)10M10M最大电缆长度@90Kbps(ft)40004000最大电缆长度@10Mbps(ft)5050RS422的连接线路……R主站RRS422多采用1:N的全双工连接方式从站1从站NRS485的连接线路……RRRS485多半双工的连接方式38051的串行通讯端口3-18051串行口结构8051具有一个全双工的通用异步接收器/发送器UART（UniversalAsychronousReceiver/Transmitter）,接收或发送数据，是通过对两个独立收发引脚RXD(P3.0)、TXD(P3.1)来实现的。CPU则通过3个特殊功能寄存器(SBUF、SCON、PCON)来实现对UART的控制。a.收发缓冲器SBUF8051的UART，包含两个物理上独立的接收、发送寄存器SBUF，一个用于存放接收到的数据，另一个用于存放欲发送的数据，二者共用一个字节地址（99H），发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入，当对SBUF进行写操作时，操作的目标是发送寄存器，当对SBUF进行读操作时，操作的目标是接收寄存器如：

MOV A，SBUF ；A接收寄存器

MOV SBUF，A ；发送寄存器A

b.电源和波特率控制寄存器

PCON（87H）

SMOD1SMOD0-POF2GF1GF0PDIDLD7D6D5D4D3D2D1D0SMOD1为波特率倍频选择位。在方式1、2和3时，串行通信的波特率与SMOD有关。当SMOD=1时，通信波特率乘2；当SMOD=0时，通信波特率不变。SMOD0用于选择串口控制寄存器SCON最高位的功能：当SMOD0=0时，SCON的最高位为工作方式选择（SM0）；当SMOD0=1时，SCON的最高位为帧错误标志（FE）。c.串行控制寄存器SCONSCON用来控制串行口的工作方式和状态，可以位寻址，字节地址为98H。SM0/FESM1SM2RENTB8RB8TIRID7D6D5D4D3D2D1D0SM0、SM1：串行方式选择位

SM0SM1工作方式功能波特率00方式08位同步移位寄存器fOSC//1201方式18位UART可变(T1或T2溢出率/n)10方式29位UART

fOSC//64或fOSC//3211方式39位UART可变(T1或T2溢出率/n)FE:

帧错误标志。当UART检测到停止位为0时，置位FE。需软件清除。SM2：主-从式多机通信控制位，用于方式2和方式3中。在以方式2和方式3处于接收方式时，若SM2=1：当接收到的第9位数据RB8为0时，则RI=0；当接收到的第9位数据RB8为1时，则RI=1。若SM2=0：不论接收到的第9位RB8为0还是为1，RI都以正常方式被激活。主-从式多机通信：在通讯开始时，各从机都应置位SM2。因为主机发出的第一帧数据是地址帧(RB8=1)，各从机都激发中断，并进入各自的中断服务程序。只有地址相符的从机才在中断服务程序中使SM2=0，为以后接收或发送数据作准备；其他从机仍保持SM2=1，对数据帧不予理睬。这样就实现了主机只能与被寻址的从机实现通讯。在方式1处于接收时，若SM2=1，则只有收到有效的停止位后，RI=1。在方式0中，SM2应为0。REN:允许接收。REN=0时，禁止接收。由软件置位或清零。TB8:

发送数据的第9位。在方式2和方式3中，由软件设置，可做奇偶校验位。在多机通信中，可作为区别地址帧或数据帧的标识位。一般约定地址帧时，TB8为1，数据帧时，TB8为0。RB8:接收数据的第9位。功能同TB8。TI：发送中断标志位。发送完一帧数据的标志，由硬件置位,软件清除，可触发CPU中断。RI：接收中断标志位。接收完一帧数据的标志，由硬件置位,软件清除，可触发CPU中断。

3-28051串行口的工作方式根据SCON中SM0、SM1：8051的UART有4中工作方式，用于不同场合。1）方式0

——移位寄存器方式串行数据从RXD(P3.0)端输入或输出，同步移位脉冲由TXD(P3.1)送出。这种方式常用于扩展I/O口。2）方式1——

波特率可调的10位通用异步接口UART。

发送或接收一帧信息，包括1位起始位0，8位数据位和1位停止位。传送的波特率取决于定时器T1或T2的溢出率和PCON中的SMOD位。c）方式2——

固定波特率的11位UART通信方式。

传送波特率只与SMOD

有关。发送或接收一帧数据包括1位起始位0，8位数据位，1位可编程位(用于奇偶校验)和1位停止位1。d）方式3——

波特率可变的11位UART通信方式。传送的波特率取决于定时器T1或定时器T2的溢出率和PCON中的SMOD

位。除了波特率以外，方式3和方式2完全相同。

8051串行口的波特率对于串口的工作方式1、3，波特率通常由定时器T1或T2的溢出脉冲来确定。１）定时器T1用做波特率发生器时波特率的计算定时器T1的工作方式2常用作波特率发生器：２）定时器Ｔ２用做波特率发生器时波特率的计算EIA-232-E接口标准DTE(DataTerminalEquipment)是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)是数据电路端接设备，它在DTE和传输线路之间