现场总线教程第4课

东北大学秦皇岛分校几种流行的现场总线主要内容通用串行端口数据通信－EIA-232-D接口标准－EIA-485-D接口标准控制器局域网基金会现场总线Profibus现场总线通用串行端口数据通信EIA-232-D接口标准EIA-485-D接口标准EIA-232-D接口标准美国电子工业协会EIA制订的物理接口标准，也是目前数据通信中应用最广泛的一种标准。前身是RS-232-C物理接口标准。EIA-232-D机械特性DB25连接器DB9连接器电气特性EIA-232-D电气特性采用负逻辑。－5～－15V，表示逻辑“1”；＋5～＋15V，表示逻辑“0”。EIA-232-D的逻辑电平与TTL电平不兼容，必须进行电平转换。

电气特性ext非平衡电气连接方式地线信号线电气特性ext发送端接收端噪声地线接口特性近距离通信最简接线（3线制）标准接线（7线制）最简接线无硬件握手方式近距离通信最简接线（3线制）标准接线（7线制）标准接线全握手方式甲乙通用串行端口数据通信EIA-232-D接口标准EIA-485-D接口标准EIA-485与EIA-232EIA-232最大传输距离15m，最大传输速率19.2Kbps，最多2个节点。EIA-485最大传输距离1200m，最大传输速率10Mbps，最多32个节点。EIA-485更适合工业通讯。EIA-485的电气特性EIA-485-D电气特性采用正逻辑。＋2～＋6V，表示逻辑“1”；－2～－6V，表示逻辑“0”。接口信号电平比EIA-232-D降低了，不易损坏接口电路的芯片，

且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

EIA-485的电气特性ext平衡差分电路，能够抑制噪声。串音EIA-485的电气特性extRS485的信号发送端会先分解成正负的两条线路；当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号。

这种方式可以有效的抑制噪声，适用于工业数据通讯。EIA-485的电气特性ext发送端信号：DT=(D+)－(D-)

DT：发送端原始信号；D+、D-：差分后信号。如果无噪声干扰，接收端信号：DR＝(D+)－(D-)=DT

EIA-485的电气特性ext如果存在噪声干扰，传输线上信号电压分别成为(D＋)＋Noise和(D-)＋Noise；如果接收端接收此信号，并计算电压差：DR＝[(D＋)+Noise]-[(D-)＋Noise]＝(D+)-(D-)＝DT与发送端信号相同EIA-485的端口连接EIA-485的全双工连接EIA-485的半双工连接(重要)EIA-232到EIA-485端口的转换EIA-485的全双工连接EIA-485的半双工连接（重点）

EIA-232到EIA-485端口的转换

主要用于将PC机接入EIA-485网络EIA-485的网络连接网络拓扑网络拓扑半双工通信时，采用总线形或树形拓扑。EIA-485规定，每个网段最多连接32个负载。如果超过32个，需要添加中继器。主从式介质访问控制方式网段的一个节点被指定为主节点，其他节点为从节点。由主节点负责控制网段上所有的通信连接。从节点不能主动发起通信。为保证每个从节点都有机会传送数据，主节点需要对从节点依次逐一轮询。主节点不停地传送报文给从节点，并等待从节点的应答报文。主从通讯示例ControllerDrive1SensorDrive3Drive2DataAcquisitionHMIAnalogI/O示例：DF1主从通讯配置计算机和MicroLogix1000控制器处于同一EIA-485网络，通过配置实现PC机与多台MicroLogix1000的主从通讯。计算机作为主设备MicroLogix1000作为从设备在水处理、冶金等行业得到广泛应用网络结构DF1SlaveDF1SlaveDF1MasterDF1SlaveMicroLogix1000作为从节点的配置1、建立已知类型(如DF1全双工)的通讯，并启动RSLogix500软件，在线MicroLogix1000控制器。第二步2、选择ChannelConfiguration（通道组态）第三步3、将程序下载到MicroLogix控制器中，此时与PC机的原有通讯丢失，等待建立新通讯。计算机作为主设备的配置11、启动RSLinx软件，选择组态驱动….计算机作为主设备的配置22、选择驱动类型为DF1PollingMasterDriver….协议类型计算机作为主设备的配置33、设置计算机的节点地址为1。PC机节点地址计算机作为主设备的配置44、定义轮询列表，将从节点地址加入。从节点地址计算机作为主设备的配置55、设置计算机串口，定义物理层。计算机作为主设备的配置66、设置DF1主从协议规定部分，超时和差错检测模式。通讯建立习题详述EIA-232和EIA-485在抗噪声干扰方面的不同点，并分析原因。详述主从通讯过程。主要内容通用串行端口数据通信－EIA-232-D接口标准－EIA-485-D接口标准控制器局域网基金会现场总线Profibus现场总线CAN-控制器局域网背景与应用CAN与ISO7层模型物理层数据链路层CAN-控制器局域网络由欧洲Bosch开发要求来自BMW与Mercedes应用于汽车内部的通讯减少配线的数量衔接各个分布式控制器可靠通过EMC测试可靠的错误检测机制应用于工业领域不仅仅是汽车行业过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床CAN-控制器局域网络ext车尾灯发动机控制门车前灯ABS仪表板CANCAN-控制器局域网络extISO道路交通运输工具－数据信息交换－高速通信控制器局域网（CAN）国际标准ISO11898。CAN总线仅定义物理层和数据链路层，基于CAN总线又开发了新的协议：如DeviceNet、SDS、CANopen等。CAN-控制器局域网背景与应用CAN与OSI7层模型物理层数据链路层CAN与OSI7层模式逻辑链路控制子层超载通知接收滤波介质访问控制子层故障限定错误检测确认报文帧仲裁物理层位定时同步位编码/解码ISOOSI7层模型CAN层次结构表述层应用层会话层传输层网络层数据链路层物理层CAN-控制器局域网背景与应用CAN与OSI7层模型物理层数据链路层物理层CAN组网CAN总线速率与距离的关系电气特性位编码位定时同步CAN组网CAN总线常用物理介质为UTP。物理层CAN组网CAN总线速率与距离的关系电气特性位编码位定时同步速率与距离的关系速率与距离的关系extCAN的直接通信距离最远可达10km（传输速率为5kbps）；最高通信速率可达1Mbps（传输距离为40m）。CAN的节点数最多为110个。物理层CAN总线的速率与距离的关系电气特性位定时位编码同步电气特性采用差分传输的方式。双绞线中一根为CAN-H,另一根为CAN-L.地线10电气特性ext逻辑“1”

时，总线呈现“隐性”状态。VCAN-H和VCAN-L固定在平均电压2.5V，即Vdiff近似为0。逻辑“0”

时，总线呈现“显性”状态。VCAN-H为3.5V,VCAN-L为1.5V，即Vdiff为2V。物理层电气特性CAN总线的速率与距离的关系位编码位定时同步位编码采用全宽单极性不归零码（NRZ）位编码extNRZ技术的优势信号变换越少，噪音信号就越少适用于逐位仲裁技术(Bit-WiseArbitration)NRZ技术的劣势不确定性同步(Non-determinantSynchronisation)采用位填充技术(Bit-Stuffing)解决位编码-位填充ext位填充：在每五个连续的同电位(或逻辑)之后，嵌入一个位的反相电位(或逻辑)。实例:传输数据=1100000000100000000111S物理层电气特性CAN总线的速率与距离的关系位编码位定时同步位定时（重点）理想的发送器是在没有进行同步的情况下，每秒发送的位数定义为正常位速率。在一个给定的CAN系统里，位速率是唯一的，并且是固定的。位时间指一位的持续时间。位时间的组成同步段传播段相位缓冲段1相位缓冲段2采样点位时间的组成ext同步段用于同步总线上的各个节点或设备。在此段内，等待一个跳变沿。传播段用于补偿网络内的物理延迟时间。相位缓冲段1和2用于补偿相位边沿的误差。同步同步硬同步重同步硬同步仅在总线空闲时通过一个跳变沿（帧起始）完成；硬同步的效果是强迫该跳变沿位于重新开始计时的位时间的同步段之内。

重同步在信息帧的随后位中，每当有跳变沿出现，且该跳变落在了同步段之外，就会引起一次重同步。

重同步机制根据跳变沿的位置延长或者缩短位时间以调整采样点的位置，保证正确采样。

重同步ext相位误差：跳变沿相对同步段的位置。如果跳变沿处于同步段内，则相位误差为0；如果跳变沿位于采样点之前，同步段之后，则相位误差大于0；如果跳变沿位于当前的采样点之后，下一个位的同步段之前，则相位误差小于0。重同步ext跳变沿落在了同步段之后采样点之前，为正的相位误差，接收器会认为是一个慢速发送器发送的滞后边沿。

重同步ext跳变沿落在了采样点之后同步段之前，为负的相位误差，接收器认为这是一个快速发送器发送的下一个位时间的提前边沿。

CAN-控制器局域网背景与应用CAN与OSI七层模型物理层数据链路层

数据链路层（重点）

介质访问控制子层（MAC）逻辑链路控制子层（LLC）介质访问控制子层介质访问控制报文分帧错误检测CSMA/CD与NBDA载波监听多路访问/冲突检测(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect)允许多个节点进行总线访问用于以太网(Ethernet),CAN等...非破坏性的位元形式仲裁(None-DestructiveBit-wiseArbitration)利用NRZ(不归零码)技术信号冲突时不会破坏信号不浪费带宽(bandwidth)保证很高的信号吞吐率(throughput)监听过程如果网络上正在发送一帧报文，另一个节点必须等待，直到发送结束后才能开始发送自己的报文.节点1节点1发送的报文帧间隔Time>3位时间节点1想要发送报文它侦听网络上有报文发送，于是等待此次发送结束，直到结束后，还要间隔至少3个位时间节点X正在发送节点A节点B节点C总线隐显t1t2SOF

t1&t2,节点C和节点B丢失仲裁RDRDRDCSMA/CD+NDBA操作000100000001xxxx11EOF101101101000节点A发送:-CANID1460总线上所看到的信号:000100000001xxxx01EOF101101101000节点B发送:-CANID1464010110111节点B裁定失败，终止发射节点B认可信号01裁定区认可区仲裁(Arbitration)实例介质访问控制子层介质访问控制报文分帧错误检测帧格式标准帧：含有11位标识符，称为BASIC-CAN。扩展帧：含有29位标识符，称为Peli-CAN。帧类型数据帧：将数据由发送器传输到接收器。远程帧：由节点发出，请求发送具有相同标识符的数据帧。错误帧：检测到总线错误后发出。过载帧：相邻数据帧间提供附加的延时。帧间空间：分隔多个数据帧。数据帧数据帧ext帧起始标志位(SOF)标志数据帧的起始，一个显性位。在此进行硬同步。仲裁域（ArbitrationField）

由标识符和远程发送请求位RTR标志组成。

数据帧ext控制域四位数据长度码（DLC）和两个保留位。数据域

由数据帧中被发送的数据组成，包括0~8个字节。

数据帧ext

循环冗余码（CRC）域CRC域包括CRC校验码和界定符(一个隐性位)。生成多项式：X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1应答域（ACK）应答隙（ACKSLOT）和应答界定（ACKDELIMITER）。当接收器正确地接收到有效的报文，就会在应答隙位发送一显性位。

数据帧ext帧结尾

每个数据帧和远程帧均由7个“隐性位”构成标志序列界定。远程帧每个接收节点可以通过发送远程帧启动发送节点传送数据。多用于点对点通信。远程帧ext由帧起始、仲裁域、控制域、CRC域、应答域、帧结尾组成。与数据帧相反，仲裁域中的RTR位是隐性的。且没有数据域。出错帧ext错误标志：错误主动标志和错误被动标志错误界定符：由8个隐性位构成。错误标志错误主动标志：连续6个显性位。优先级高，违反了位填充规则错误被动标志：连续6个隐性位。优先级低，可被其他节点显性位覆盖。超载帧超载标志和超载定界符超载帧ext发送超载帧条件：接收器要求延迟下一数据帧或远程帧的到达。超载标志由6个显性位组成。超载定界符由8个隐性位组成。帧间间隔间歇域和总线空闲帧间空间ext间歇域包括3个隐性位。在此期间，不允许发送数据帧或远程帧，用于标示一个超载条件。总线空闲周期可以为任意长度。在