第五章通信原理及接口电路设计-智能仪表原理及设计

第五章通信原理及接口电路设计电气工程学院自动化教研室杨成慧副教授主讲2016年4月21日5.1概述本章主要内容：5.2串行总线通信5.3通用串行总线–USB

5.4现场总线技术及现场总线智能仪表5.5工业以太网及其通信程序设计5.6短程无线通信与蓝牙技术

控制系统的发展推动了智能仪表通信接口的发展。仪表之间要进行信息交换和传输，这是通过仪表的通信接口、按照一定的协议来实现的。通信接口是各台仪表之间或仪表与PC机之间进行信息交换和传输的联络装置。5.1概述异步串行通信接口并行通信接口USB接口（通用串行总线）现场总线接口以太网接口电力网络蓝牙技术：无线通信网络、ZigBee通信接口主要有以下类型：5.1概述5.2串行总线通信5.2.1串行总线介绍5.2.2串行通信的基本概念5.2.3串行通信接口标准5.2.4典型的串行通信接口器件5.2.5串行多机通信传统的通信接口包括并行和串行通信接口，控制系统普遍使用串行通信方法。串行通信接口标准有RS-232C、RS-422、RS-485等。5.2串行总线通信5.2.1串行总线介绍RS-232C以位串型方式传输数据，1位起始位、5~8位ASCII码数据及1~2位停止位，逻辑1的电平是-15~-5V，逻辑0的电平+5~+15V，-3~+3V为过渡区。RS-232C的接口信号有：数据信号、控制信号和信号地等，通常使用9芯扁平插头座来连接串行通信线路。

5.2.1串行总线介绍工业上普遍使用RS-485串行接口标准,因采用平衡差分信号线,故其数据传送率较RS-232C高,传送距离也长。

单片机有串行口UART,可以RS-232或RS-485标准传输数据。5.2.2串行通信的基本概念串行通信的特点主要适用于长距离、低速率的通信中。

数据在单条1位宽的传输线上按时间先后一位一位地传送；节省传输线（优点）；数据传输率较低（缺点）。通信线路工作方式（P131）工作模式单工方式（Simplex）：单行线（onewayroad）计算机在进行数据的发送和接收时，线上的数据流动只有一个方向。半双工方式（Half-duplex）：数据的流动为双向，但同一时刻只能一个方向传输。即交替地进行双向数据传送。全双工方式（Full-duplex）：同时可以进行双向数据传输。通信线路的连接方式每秒传输的二进制位数，单位为bps（bitpersecond）也称比特率。波特率―――每秒传输的“符号”（也称离散状态）的个数。【例如，每秒传送1个符号，则波特率为1波特】在计算机中，一个“符号”的含义为高、低两种电平，分别代表逻辑值“1”和“0”，所以每个符号的信息量为1比特，此时波特率与比特率刚好一致。但在其他一些场合（例如通信中采用的“相—幅”复合调制技术，一个“符号”的信息含量就不是一个比特，此时，波特率就不等于比特率。数据传输率F（时钟频率）＝波特率因子＊波特率波特率因子：数据传输率（波特率）与时钟频率之间的比例系数给定时钟频率，选择不同的波特率因子可得到不同的波特率。例如：f=19.2kHz，若选波特率因子为16，则波特率为1200bps。若选定波特率因子和波特率，则相应的确定了对时钟频率的要求。

1200＊16＝19200（时钟频率）波特率因子异步通信方式（Asynchronous）串行通信接收方式同步通信方式（Synchronous）异步通信方式：也称“起止同步式”。异步通信规程:一个字符（若干个字位）作为一个独立的信息单元；信息单元内是同步的，但信息单元之间是异步的；发送器和接收器可以没有共同的时钟；目前智能仪表与微机测控系统中大多采用异步通信方式。异步传输数据格式：（P130-131）1/00011…15-8位数据位1/0停止位或空闲位1…1起始位奇偶校验第n个字符空闲位第n+1个字符低位高位

同步通信规程:发送器和接收器使用同一时钟源来同步用二进制系列（同步字符）来表示开始发送有效数据如暂无数据发送，用同步字符填充成批发送的数据，成为数据流或数据场两类：面向字符型（BSC）；面向比特（SDLC，HDLC）传输速率高，适用于设备间工作速度比较接近的场合。同步通信方式同步通信信息格式同步字符（SYN1)同步字符（SYN2)数据（DATA)校验：串行通信重要环节，衡量通信系统的指标奇偶校验（ParityCheck）奇校验（OddParity）、偶校验（EvenParity）CRC校验（CyclicRedundancyCheck）差错校验信号远距离传输时，利用普通电话线进行传输。现在的电话网是模拟通信系统，它是为传输话音信息而设计的。要在电话网上传送数字信号，必须经过调制和解调调制(Modulate)：数字信号->模拟（音频）信号解调(Demodulate)：模拟信号->数字信号信号的调制与解调方法：选取音频范围某一频率的正（余）弦模拟信号作为载波，用以运载所要传送的数字信号。要用传送的数字信号改变载波信号的幅值、频率或相位，使之在信道上传送；到达信道另一端，再将数字信号从载波中取出。调制技术

FSKfrequencyshiftkeying，

PSKPhase-Shift-Keying PAMPulseAmplitudeModulation收发双方的同步方式传输控制步骤差错检验方式数据编码数据传输速度通信报文格式及控制字符的定义5.2.3串行通信接口标准1969年，EIA制定的适合于DTE和DCE之间相互连接与通信的串行通信规程。最初为解决利用电话网进行通信的问题而提出。DTE－DataTerminalEquipment(Computer)：数据终端设备DCE－DataCommunicationEquipment(MODEM)：数据通信设备-DataCircuit-terminalEquipment数字电路终端设备EIARS－232C标准1.数据传送格式RS232C总线上传输的异步通信典型数据格式标志位：标识位。一个字符在开始传输前，输出线必须在逻辑上处于“1”状态。标识位起始位数据位校验位停止位(1)采用负逻辑：＋5V～＋15V——逻辑0

－5V～－15V——逻辑1(2)目的： 补偿传输线上的损耗 抗噪声干扰“0”转换区“1”“0”转换区“1”2V噪声容限＋15V＋5V－5V－15V＋15V＋3V－3V－15V2.电气信号特性（信号电平的规定）(3)RS-232C电平与TTL电平之间的转换TTL：+5V：10V：0RS-232：-15V～-3V：1+3V～+15V：0TTL电平→RS-232C电平：MC1488RS-232C电平→TTL电平：MC1489

（a）MC1488（b）MC1489MC1488/1489是功能单一的发送/接受器，在双向数据传输中各端都要同时使用这两个器件，此外，又必须同时具备正负两组电源，因此在很多场合很不方便。现在有一些新型的RS-232C电平转换电路芯片。例如：美国MAXIM公司生产的MAXRS-232C收发器芯片系列十分丰富。MAX220,MAX222,MAX223,MAX225,MAX230,MAX231,MAX232,MAX232A,MAX233,MAX233A,MAX234,MAX235,MAX236,MAX237,MAX238,MAX239,MAX240，MAX241,MAX242,MAX243,MAX244,MAX245,MAX246,MAX247,MAX248,MAX249标准最初制定时采用25根线25个功能引脚仅定义了22个，22个信号分成两个信道组——主信道组（第一信道）和辅信道组（第二信道，较少使用）3.接口信号分类符号名称引脚说明地线

机架保护地（屏蔽地）1

信号地（公共地）7

数据信号线TXD数据发送线2在无数据信息传输或收/发信息间隔期，RXD/TXD电平为1。辅助信道传输速率较主信道低。其余同RXD数据接收线3TXD辅助信道数据发送线14RXD辅助信道数据接收线16定时

信号

线

DCE发送信号定时15指示被传输的每个bit信息的中心位置

DCE接收信号定时17

DTE发送信号定时24

控制线RTS请求发送4DTE发给DCECTS允许发送5DCE发给DTEDSRDCE装置就绪6

DTRDTE装置就绪20DTE发给DCEDCD接收信号（载波）检测8DTE收到满足标准的信号时置位

振铃指示22由DCE收到振铃时置位

信号质量检测21由DCE根据数据信息是否有错而置位/复位

数据信号速率选择23指定两种传输速率中的一种RTS辅助信道请求发送19

CTS辅助信道允许发送13RCD辅助信道接收检测12备用线

9未定义，保留供DCE装置测试使用

10

11

18

25DB-9andDB-25RS-232PinDesignationsSignalDB-9DB-25DCD18RxD23TxD32DTR420GND57DSR66RTS74CTS85RI922硬件握手使用DSR、CTS、DTR和RTS四条硬件线路。其中DTR和RTS指的是计算机上的RS-232端；而DSR和CTS则是指带有RS-232接口的智能设备。通过四条线的交互作用，计算机主控端与被控的设备端可以进行数据的交流，而在数据传输太快而无法处理时，可以通过这四条握手线的高低电位的变化来控制数据是继续发送还是暂停发送。右图描述了计算机向设备传输数据时的硬件流量控制。直接连接的最长距离为15米（50英尺）超过15米需连MODEM最高传输速率为20Kbps12513141596

DB－9连接器DB－25连接器

4.机械接口特性(1)全双向标准电缆(2)三线经济方式(3)零调制解调器（NullModem）采用交叉(2-3,20-6)反馈(4-5)方式进行连接5.通信系统结构全双向标准电缆连接计算机与Modem相连本地Modem远程Modem计算机终端123456782022机壳地发送数据接收数据请求发送允许发送Modem就绪信号地载波检测终端就绪呼叫指示载波检测呼叫指示电话线三线方式信号连接简单的应用场合，如双机通信等三线方式信号连接Nullmodem方式信号连接零调制解调器（NullModem）采用交叉(2-3,20-6)反馈(4-5)方式进行连接(1)

EIARS-422A，采用“平衡接口电路”， 输入差分电压，平衡驱动（全双工）传输率——10Mbps传输距离——10m(10Mbps)～1000m（100kbps）(2)EIARS-423A，采用“非平衡接口电路”传输率——300kbps传输距离——10m（300kbps）～1000m（3kbps）

RS-422A，RS-423A和RS-485采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线速度（最大10MB/S）,传送距离（90KB/S下可传1200米）以差分平衡方式传输信号具有很强的抗共模干扰的能力降低传输线成本允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备当前自动控制系统中常用的网络，如现场总线CAN、Profibus、INTERBUS-S以及ARCNet的物理层都是基于RS-485的总线进行总结和研究(3)EIARS-485A，采用“平衡接口电路”

RS-232C，RS-422和RS-485比较RS232C:2条数据线、单端输入、全双工方式RS422:4条数据线、差动输入、全双工方式RS485:2条数据线、差动输入、半双工方式串行通信是靠发送器、接收器、控制器和线缆等部分来实现的。在程序控制下它主要完成以下任务：数据的串——并及并——串转换。线路和MODEM的控制及状态检测。信号电平TTL与EIA电平的转换。发送和接收数据。5.2.4典型的串行通信接口器件2.两台8031采用RS232C总线通信两台8031采用RS232C总线通信（1）双机串行异步通信

单片机与单片机间的串行异步通信接口设计5.2.5串行多机通信两台8031直接通信错误连接图正确连接图单片机与PC系列微机间的异步串行通信接口设计(P132)单片机与PC系列微机间的异步串行通信接口设计单片机之间的通信（多机通信）n#

TXDRXD

80C51TXDRXD80C511#TXDRXD80C51TXDRXD80C512#主机①从机置SM2=1，主机发地址码(第9位TB8为1)，以便同某一从机沟通联络。②所有从机判断此地址码是否与本机符合，相符者建立一标志（SM2=0），并向主机发回答信号。③主机发数据（第9位TB8为0），沟通联络的从机可接收，并发数据给主机。

TXD8031RXD

TXD8031RXD14881489RXDPCTXD14881489o-12VPC机与单片机的通信接口普通PC机要接入RS-485总线，可用MAX202E、232E等（RS232与TTL电平转换）和MAX488、491、1487等（TTL与RS485电平转换）。

通信双方所用的波特率必须相同，因波特率误差会引起偏移。异步通信在约定的波特率下，传送和接收的数据不需要严格保持同步，允许有相对的延迟，当频率差不大于1/16时，可以正确的完成通信。串口的关键部件是通用异步接收发送器（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter，UART）。它负责从计算机总线采集数据，转换成传输格式，然后发送到串口；也负责从串口接收数据，检查和删除附加的位，并传送结果数据给计算机总线。下面是各种串口芯片的简介。

8250

8250是IBMPC及兼容机使用的第一种串口芯片。这是一种相对来说很慢的芯片，有时候装载到它的寄存器速度太快，它来不及处理，就会出现数据丢失现象。8250有7个寄存器，支持的最大波特率为56kb。

8250A是8250的修正版。修正了一些小问题，增加了一个用来表示安装了8250的寄存器，最大速度还是56kb。

16450

16450是8250A的快速版。加快了处理器存取它的速度，但最大速度还是56kb。有些人实际用得比这高也可以。

16C451

16C451是16450的CMOS版本。CMOS是制作材料和工艺的术语，一般比其它技术省电。速度方面无变化。

16550

16550是第一种带先进先出（FIFO）功能的8250系列串口芯片。但因为有缺陷，很快就被下一种代替。

16550A,16550AF和16550AFN

16550A与用于8250的软件兼容，而前者提供更高的性能。16550A的最大波特率为256kb。但因为PC硬件设计的原因，编程时只能用到115kb。16550A的管脚与8250、8250A和16450相同。如果你的扩展串口板上串口芯片安装在插座上，你可以用16550A替换进行简单的升级。16550A性能增强的关键是使用了先进先出（FIFO）。它有16字节的发送FIFO寄存器和16字节的接收FIFO寄存器。

16C551

16C551是16550AF的COMS版本。

16C552

16C552是在一个芯片上包含两个16C551

PC机的波特率是通过对8250内部寄存器初始化来实现的，即对8250的除数锁存器置值。该除数锁存器为16位，由高8位和低8位锁存器组成。若时钟输入为1.8432MHz，（时钟频率）＝波特率因子＊波特率除数与波特率之间的关系为：

除数=当对8250初始化并预置了除数之后，波特率发生器方可产生规定的波特率（bps）。下表列出了可获得15种波特率所需设置的除数。表IBM—PC波特率要求的波特率除数误差要求的波特率除数误差十进制十六进制十进制十六进制5023040900--1800640040--7515360600--200058003A0.69110104704170.0262400480030--134.585703590.0583600320020--1507680300--4800240018--3003840180--7200160010--60019200C0--960012000C--1200960060--通信采用主从方式，由PC机确定与哪个单片机进行通信。在通信软件中，应根据用户的要求和通信协定来对8250初始化，即设置通信参数：波特率（9600波特）、数据位数（8位）、奇偶校验类型和停止位数（1位）。注意：这里的奇偶校验位用作发送地址码（通道号）或数据的特征位（1表示地址），

而数据通信的校核采用累加和校验方法。数据传送可采用查询方式或中断方式。若采用查询方式，在发送地址或数据时，先用输入指令检查发送器的保持寄存器是否为空。若为空，则用输出指令将一个数据输出给8250即可，8250会自动地将数据一位一位地发送到串行通信线上。接收数据时，8250把串行数据转换成并行数据,并送入接收数据寄存器中,同时把“接收数据就绪”信号置于状态寄存器中。CPU读到这个信号后，就可以用输入指令从接收器中读入一个数据了。若采用中断方式：发送时，用输出指令输出一个数据给8250。若8250已将此数发送完毕，则发出一个中断信号，说明CPU可以继续发数。若8250接收到一个数据，则发一个中断信号，表明CPU可以取出数据。接收采用查询方法发送和接收数据的程序框图如下图所示：通信软件(单片机的通信程序见单片机课本,PC通信软件可用C++、Delphi、VB等编制

)VB演示程序的通信设置:MSComm1.CommPort=1MSComm1.Settings="9600,n,8,1"MSComm1.PortOpen=True通信发送、接收程序:

b=b+1Ifb>=20Thenb=0EndIfText1.Text=Str$(b)MSComm1.Output=Str$(b*2)Fori%=1To20000Nexti%Text2.Text=MSComm1.Input单片机采用中断方式发送和接收数据。串行口设置为工作方式3，由第9位判断是地址码或数据。当某台单片机与PC机发出的地址码一致时，就发出应答信号给PC机，而其它几台则不发应答信号。这样，在某一时刻PC机只与一台单片机传输数据。单片机与PC机沟通联络后，先接收数据，再将机内数据发往PC机。定时器T1作为波特率发生器,将其设置为工作方式2，波特率同样为9600。单片机的通信程序框图见下图：单片机的通信程序如下：（假设某单片机地址为03H）

COMMN:MOVTMOD,#20H;设置T1工作方式

MOVTH1,#0FDH;设置时间常数,确定波特率

MOVTL1,#0FDHSETBTR1SETBEASETBES;允许串行口中断

MOVSCON,#0F8H;设置串行口工作方式

MOVPCON,#80HMOV23H,#0CH;设置接收数据指针

MOV22H,#00HMOV21H,#08H;设置发送数据指针

MOV20H,#00HMOVR5,#00H;累加和单元置零

MOVR7,#COUNT;设置字节长度

INCR7……CINT:JBCRI,REV1;若接收,转REV1RETIREV1:JNBRB8,REV3MOVA,SBUFCJNEA,#03H,REV2;若与本机地址不符,转REV2CLRSM2;0→SM2MOVSBUF,#00H;与本机地址符合,回送“00”REV2:RETIREV3:DJNZR7,RT;若未完,继续接收和发送

MOVA,SBUF;接收校验码

XRLA,R5JZRIGHT;校验正确,转RIGHTMOVSBUF,#0FFH;校验不正确,回送“FF”SETBF0;置错误标志

CLRES;关中断

RETIRIGHT:MOVSBUF,#00H;回送“00”CLRF0;置正确标志

CLRES;关中断

RETI

RT:MOVA,SBUF;接收数据

MOVDPH,23HMOVDPL,22HMOVX@DPTR,A;存接收数据

ADDA,R5MOVR5,A;数据累加

INCDPTRMOV23H,DPHMOV22H,DPLMOVDPH,21HMOVDPL,20HMOVXA,@DPTR;取发送数据

INCDPTRMOV21H,DPHMOV20H,DPLMOVSBUF,A;发送

ADDA,R5MOVR5,A;数据累加

RETI

USB是英文UniversalSerialBus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种应用在PC领域的新型接口技术。早在1995年，就已经有PC机带有USB接口了，但由于缺乏软件及硬件设备的支持，这些PC机的USB接口都闲置未用。1998年后，随着微软在Windows98中内置了对USB接口的支持模块，加上USB设备的日渐增多，USB接口才逐步走进了实用阶段。这几年，随着大量支持USB的个人电脑的普及，USB逐步成为PC机的标准接口已经是大势所趋。在主机(host)端，最新推出的PC机几乎100%支持USB；而在外设(device)端，使用USB接口的设备也与日俱增，例如数码相机、扫描仪、游戏杆、磁带和软驱、图像设备、打印机、键盘、鼠标等等。USB的概念5.3通用串行总线接口–USB

USB的特点1.使用方便2.速度快3.连接灵活4.独立供电5.支持多媒体1、可以热插拔。这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机-将并口或串口电缆接上-再开机”这样的动作，而是直接在PC开机时，就可以将USB电缆插上使用。2、携带方便。USB设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，同样20G的硬盘，USB硬盘比IDE硬盘要轻一半的重量。3、标准统一。大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与PC连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机，等等。4、可以连接多个设备。USB在PC上往往具有多个接口，可以同时连接几个设备，如果接上一个有4个端口的USBHUB时，就可以再连上4个USB设备，许多设备都同时连在一台PC上而不会有任何问题(注：最高可连接至127个设备)。优点

COMPAQ、HewlettPackard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和PHILIPS这7家厂商联合制定了USB2.0接口标准。USB2.0将设备之间的数据传输速度增加到了480Mbps，比USB1.1标准快40倍左右，而且具有多种速度的周边设备都可以被连接到USB2.0的线路上，而且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。如果用USB2.0的扫描仪，扫一张40M的图片只需半分钟左右的时间USB接口标准USB1.1接口

目前USB设备虽已被广泛应用，但比较普遍的是USB1.1接口，它的传输速度仅为12Mbps。例如，当用USB1.1的扫描仪扫一张大小为40M的图片，需要4分钟之久。USB2.0接口

USB2.0可以使用原来USB定义中同样规格的电缆，接头的规格也完全相同，在高速的前提下一样保持了USB1.1的优秀特色，并且，USB2.0的设备不会和USB1.X设备在共同使用的时候发生任何冲突。另外，在软件方面，Windows是完整的支持USB1.X，对于USB2.0，系统可以认出，而且能够正常工作，但是USB2.0并不能充分发挥其性能优势，系统检测到USB2.0的设备后，会提示说你的USB设备需要优化。LINUX、MACOS、BEOS到是走到了前面，都有了相关的软件支持或者系统程序包。现在WINDOWSXP已经完全支持USB2.0设备。

USB2.0标准已成为下一代周边设备接口的重要趋势。USB设备之间的联接线有4根：2根是电源（+5V）和地；另外两根是信号线（D+和D-）。目前，已推出USB单片机，与通用单片机兼容,内含USB收发器，用于计算机外设等智能设备。USB连接的拓扑结构——星型拓扑结构一个USB系统包含三类硬件设备:USB主机(USBHOST)、USB设备(USBDEVICE)、USB集线器(USBHUB)，管理USB系统；

每毫秒产生一帧数据；

发送配置请求对USB设备进行配置操作；

对总线上的错误进行管理和恢复

(1)USB

HOST

各类设备的功能(2)USB

DEVICE

在一个USB系统中，USB

DEVICE和USB

HUB总数不能超过127个。USB

DEVICE接收USB总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应USB

HOST的数据包与USB

HOST进行数据传输

(3)USBHUB

USB

HUB用于设备扩展连接，所有USB

DEVICE都连接在USB

HUB的端口上。一个USB

HOST总与一个根HUB

(USB

ROOT

HUB)相连。USB

HUB为其每个端口提供100mA电流供设备使用。同时，USB

HUB可以通过端口的电气变化诊断出设备的插拔操作，并通过响应USB

HOST的数据包把端口状态汇报给USB

HOST。一般来说，USB设备与USB

HUB间的连线长度不超过5m，USB系统的级联不能超过5级（包括ROOT

HUB）。USB星型拓扑结构USB协议定义了在USB系统中主机与USB设备之间的连接和通信，其物理拓扑结构如图1所示。这种结构是星型的层层向上方式，也可以看成是一级与一级的级联方式。允许最多连接127个设备，最上层时USB主控器。由于USB不像其他总线一样采用存储转发技术，所以不会对下层的设备引起延迟。USB系统的典型应用对PC微机而言，USB系统中的主机就是一台带USB主控制器的PC机，USB主控制器由硬件、软件、微代码组成。在USB系统中只有一台USB主机，主机是主设备，它控制USB总线上所有的信息传送。根集线器与主机相连，下层就是USB集线器和功能设备。PC微机的USB拓扑结构中，USB设备具体连接方式如下图所示。(1)PC微机的USB拓扑结构

市场上现已有很多公司提供的USB接口器件，如PHILIPS的PDIUSBD11/PDIUSBD12，OKI的MSM60581，NATIONAL的USBN9602，LUCENT的USS-820/USS-620，SCANLOGIC的SL11，等等。

同时也有很多带USB接口的处理器，如CYPRESS的EZ-USB，AMD的AM186CC，ATMEL的AT43320，MOTOROLA的PPC823/PPC850，等等。(2)USB接口器件下面看一下SCANLOGIC的USB接口器件SL11HT特点：遵从USB1.1标准；支持全速/低速传输；支持主机/设备端两种模式；3.3/5.0V供电；片内包含256个字节的SRAM；

48MHz晶振输入。SL11HT接口硬件框图

5.4现场总线通信标准现场智能仪表的通信协议，逐步采用由国际专业标准化组织（IEC等）制订的工业控制用现场总线标准。

各厂商已推出具有PROFIBUS、FF、CAN、LonWorks等现场总线标准的智能仪表，有的仪表还带有以太网接口，可连Ethernet网。

现场总线是20世纪80年代中期在国际上开始出现，90年代初发展形成的。它是应用于生产现场、微机化测量设备之间以及现场与控制室（或控制设备）之间的一种双向串行、多节点的数字通信系统，也被称为开放式、数字化、多节点通信的底层控制网络。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了一定的数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，现场总线控制系统就是把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以互通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。概述现场总线控制系统的技术特点

（1）系统的开放性

开放是指总线标准、通信协议的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连接，不同厂家的设备之间可实现信息交换，用户可按自己的实际需要，把来自不同供应商的产品组成规模大小随意的系统。因此，借助现场总线可以构筑自动化领域的开放互连系统。（2）互可操作性与互换性

互可操作性是指实现互连仪表间、设备间及系统间的信息传送与沟通，可实现点对点、一点对多点的数字通信。互换性则意味着不同生产厂家的性能类似的仪表、设备可实现相互替换。这样，用户可以不必考虑兼容性，从最小成本、最大效益出发，选择不同厂商的产品来构造自己的综合自动化系统。（3）现场设备的智能化与功能自治性它将传感器测量、补偿计算、线性化处理、工程量变换与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备就可以完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。（4）系统结构的高度分散性在FCS中，不再由一个控制器处理多个回路，而是每台现场仪表处理一个回路，构成了一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的体系，简化了系统结构，提高了可靠性。（5）对现场环境的适应性作为工厂底层网络的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。现场总线国际标准

统一标准是现场总线的核心，所以从20世纪80年代开始，国际上出现了很多机构都致力于该问题的研究。但是，现场总线标准的制定不是一帆风顺的，由于行业与地域发展等多种原因，加之各企业、公司都从自己的利益考虑，所以出现了多种现场总线标准，其中不乏一些有影响的现场总线标准。比如：以美国Fisher-Rosemount公司为首联合国际上80多家公司制定的FF总线；以Siemens公司为主的十几家德国公司、研究所共同制定的Profibus总线；德国Bosch公司推出的CAN(ControlAreaNetwork)总线等。国际标准的形成

这些标准，它们的结构、特性各异，通信协议也不相同，都有自己特定的应用背景。但是现场总线既然是开放的，就应该有一个统一的国际标准，只有大家都遵守相同的标准，现场总线才能真正发挥其优越性，并得到健康的发展。国际电工委员会（IEC）非常重视现场总线标准的制定，早在1984年就成立了IEC/TC65/SC65C/WG6工作组，开始起草现场总线系列标准。由于参与讨论的各大集团公司都从自身的利益角度出发，分歧很大，工作进展缓慢。经过长期争论和反复修改，在2000年初，IEC颁布了由多数国家确认的IEC61158现场总线标准，其中包括了8种总线标准。为了反映工业网络通信技术的最新进展，推动现场总线技术的发展，在2003年4月，又由IEC/SC65C/MT9小组负责对原总线标准进行了修订，修订后的IEC61158Ed.3现场总线新版国际标准规定了从Type1至Type10共10种类型的现场总线标准。IEC61158的10种现场总线(1)Type1现场总线Type1现场总线即TS61158技术报告(2)Type2现场总线Type2现场总线即ControlNet和Ethernet／IP现场总线，由ControlNetIntenational(CI)组织负责制定。

(3)Type3现场总线

Type3现场总线即Profib