计算机控制课件-计算机测控网络

2.4计算机测控网络2.4.1计算机串行通讯接口标准的RS-232接口：美国电工联盟EIA标准，有DB-25、DB-9两种连接器方式；1.引脚及功能DB92.4.1.1UART与RS-232接口左上角为1，右下角为91DCD载波检测2RXD接收数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备好5SGND信号地线

6DSR数据准备好

7RTS请求发送8CTS清除发送9RI振铃提示2.4计算机测控网络2.4.1计算机串行通讯接口标准的RS-232接口：美国电工联盟EIA标准，有DB-25、DB-9两种连接器方式；1.引脚及功能DB252.4.1.1UART与RS-232接口1屏蔽地线2TXD发送数据3RXD接收数据4RTS请求发送5CTS允许发送6DSR数据准备好7SG信号地8DCD载波检测9发送返回(+)10未定义2.4计算机测控网络2.4.1计算机串行通讯接口标准的RS-232接口：美国电工联盟EIA标准，有DB-25、DB-9两种连接器方式；1.引脚及功能DB252.4.1.1UART与RS-232接口11数据发送(-)12~17未定义18数据接收(+)19未定义20数据终端准备好DTR21未定义22振铃RI23~24未定义25接收返回(-)标准的细节2.4计算机测控网络2.4.1计算机串行通讯接口2.接口电平标准DB252.4.1.1UART与RS-232接口RS232接口任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”为-3—-15V；逻辑“0”：+3—+15V，噪声容限为2V。即要求接收器能识别高于+3V的信号作为逻辑“0”，低于-3V的信号作为逻辑“1”。3.RS-232接口器件；“古代典型器件”MC1488、MC14892.4计算机测控网络4.波特率2.4.1.1UART与RS-232接口1200、2400、4800、9600、19200。。。115200比特/s5.“异步串行通讯”数据帧“起始位+7/8位数据+奇偶校验位+结束位”6.“异步串行”数据通讯的数据校验方式帧校验：奇校验、偶校验、无校验；数据包校验：和校验、CRC校验；7.工作模式单工、半双工、全双工；2.4计算机测控网络MCU的UART接口：2.4.1.1UART与RS-232接口1.UART接口TXD（发射）、RXD（接收）；2.UART的驱动与应用设计设计成简版RS-232接口、RS-422接口、肉丝85接口；2.4计算机测控网络2.4.1.2RS-422与RS-485接口2.4计算机测控网络2.4.1.2RS-422与RS-485接口2.4计算机测控网络基于RS-485接口MODBUS协议；基于RS-485接口PROFIBUS协议；CAN-BUS（连路层协议、应用层协议）；LONWORKHARTFF基金会总线；2.4.2现场总线网络接口2.4.2.1常用的现场总线类型2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；1.基本报文结构；一般格式命令帧从站地址 功能码 数据长度 数据 校验和2.主站与从站：“主站”轮询“从站”；2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；3.总线支持能力驱动器：32个/64个；协议：支持最多247个；4.“询问”与“应答”2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；5.常用预定义“功能码”功能名称

作用（对主站而言）01

读取开出状态取得一组开关量输出的当前状态02

读取开入状态 取得一组开关量输入的当前状态03

读取模出状态 取得一组模拟量输出的当前状态04 读取模入状态 取得一组模拟量输入的当前状态05

强制单路开出 强制设定某个开关量输出的值06

强制单路模出 强制设定某个模拟量输出的值07

读取异常状态 取得从站的一些状态（8位）08

回送诊断校验 把诊断校验报文送从站，以对通讯处理进行评鉴2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；5.常用预定义“功能码”功能名称

作用（对主站而言）09

编程

主机模拟编程器的作用，修改从站逻辑10

探询

定期探询从站是否已完成某长程序任务11

读取事件计数 取得通讯状态和通讯事件的次数12读取通讯事件记录取得通讯状态、事件次数、报文数量和至多64事件13

编程

主机模拟编程器的作用，修改从站逻辑14

探询

定期探询从站是否已完成某长程序任务15强制多路开出 强制设定从站几个开关量输出的值16强制多路模出 强制设定从站几个模拟量输出的值2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；5.常用预定义“功能码”功能名称

作用（对主站而言）

17

报告从站标识 取得从站类型和运行指示灯的状态18

编程

主机模拟编程器的作用，修改从站逻辑19

重置通讯链路 使从站复位于已知状态20-72

保留

留作扩展功能备用73-119

非法功能 120-127

保留

留作内部使用128-255

保留

用作异常应答2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；5.常用预定义“功能码”读取开出状态（功能码01）：本功能可使主站获得被编址从站的开关量输出的通断状态。询问RTU帧：2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯从站地址功能码起始地址起始地址数据线圈数据线圈

校验和

高位低位数高位数低位CRC

11H 01H

00H 13H 00H 25H 0EH84H应答RTU帧：从站地址功能码字节计数 数据

校验和CRC11H

01H

05HCDH6BHB2H0EH1BH 45HE6H2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；5.常用预定义“功能码”读取开关量入状态（功能码02）：本功能可使主站获得被编址从站的开关量输入的通断状态。以下例子是读取17号从站开关量输入0197-0218的状态，读出的22位组成3个字节，最后一个字节的高2位补0。2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯询问RTU帧：从站地址功能码起始地址起始地址数据线圈数据线圈

校验和

高位低位数高位数低位CRC

11H 02HC4H 00H 16H 25H BAHA9H2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；5.常用预定义“功能码”读取开关量入状态（功能码02）：本功能可使主站获得被编址从站的开关量输入的通断状态。以下例子是读取17号从站开关量输入0197-0218的状态，读出的22位组成3个字节，最后一个字节的高2位补0。2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯应答RTU帧从站地址功能码字节计数 数据

校验和CRC11H

02H

03HACHDBH35H

20H18H2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；5.常用预定义“功能码”读取模拟量出值（功能码03）：本功能可使主站获得被编址从站的模拟量输出的通断状态。以下例子是读取17号从站模出点0108-0110的状态。应答数据高字节在前。108是555，109是0，110是100。询问RTU帧：2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯从站地址功能码起始地址起始地址数据线圈数据线圈

校验和

高位低位数高位数低位CRC

11H 03H00H 6BH 00H 03H 76H87H2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；5.常用预定义“功能码”读取模拟量出值（功能码03）：本功能可使主站获得被编址从站的模拟量输出的通断状态。以下例子是读取17号从站模出点0108-0110的状态。应答数据高字节在前。108是555，109是0，110是100。2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯应答RTU帧从站地址功能码字节计数 数据

校验和CRC11H

03H

06H02H2BH00H00H00H64HCBHBAH2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；5.常用预定义“功能码”读取模拟量输入值（功能码04）：本功能可使主站获得被编址从站的模拟量输入值（每路模拟量2个字节，高位在前，低位在后）。应答帧中的数据是按上述要求读取的模拟量数据。以下例子是读取17号节点的模入点0108-0110的状态。应答数据高字节在前。108是555，109是0，110是100。2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯从站地址功能码起始地址起始地址数据线圈数据线圈

校验和

高位低位数高位数低位CRC

11H 04H00H 6BH 00H 03H C3H47H询问RTU帧：2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；5.常用预定义“功能码”读取模拟量输入值（功能码04）：本功能可使主站获得被编址从站的模拟量输入值（每路模拟量2个字节，高位在前，低位在后）。应答帧中的数据是按上述要求读取的模拟量数据。以下例子是读取17号节点的模入点0108-0110的状态。应答数据高字节在前。108是555，109是0，110是100。2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯应答RTU帧从站地址功能码字节计数 数据

校验和CRC11H

04H

06H02H2BH00H00H00H64H5C89H2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；5.常用预定义“功能码”强制单路开关量输出（功能码05）：本功能可使主站强行设定被编址从站某路开关量输出的通断状态。数据用于设定开或关：FF为开，0为关，其他值为非法值。正常应答是将报文原文发回。从站地址为0时，为广播方式。以下例子是强制17号从站开出点173为ON。2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯询问RTU帧：从站地址功能码起始地址起始地址数据线圈数据线圈

校验和

高位低位数高位数低位CRC

11H 05H00H ACH

FFH

00H

4EH8BH2.4计算机测控网络MODBUSRTU协议；5.常用预定义“功能码”强制单路开关量输出（功能码05）：本功能可使主站强行设定被编址从站某路开关量输出的通断状态。数据用于设定开或关：FF为开，0为关，其他值为非法值。正常应答是将报文原文发回。从站地址为0时，为广播方式。以下例子是强制17号从站开出点173为ON。2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯应答RTU帧从站地址功能码字节计数 数据

校验和CRC11H

04H

06H02H2BH00H00H00H64H5C89H2.4计算机测控网络“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域网，由德国Bosch公司最先提出，已成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。CAN是一种多主方式的串行通讯总线，CAN的规范定义了OSI模型的最下面两层：数据链路层和物理层。CAN协议有2.0A和2.0B两个版本，CAN协议的2.0A版本规定CAN控制器必须有一个11位的标志符，在2.0B版本中规定CAN控制器的标志符长度可以是11位或29位。2.4.2.3CAN总线及其应用2.4计算机测控网络1．CAN总线驱动与参总线特点

总线状态：“隐性”——逻辑“1”；

“显性”——逻辑“0”；电平标准：

显性状态：CAN_HIGH线与CAN_LOW线上的电压差为0V；隐性状态：CAN_HIGH线与CAN_LOW线上的电压差最低为2V；2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯2.4计算机测控网络1．CAN总线驱动与参总线特点

多主模式：CAN可以实现多种模式主要基于完善的总线仲裁机制，因为总线允许多节点同时发送，同时接收数据；而传统的ModBusRTU等协议总线在某一时刻只能有一个节点发送数据不同，若同时有两个节点发送数据，则会造成总线逻辑电平错误而导致两个节点发送全部失败。2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯2.4计算机测控网络1．CAN总线驱动与参总线特点

CAN总线的冲突解决机制：CAN总线采用的是一种叫做“载波监测，多路访问／冲突检测”（CSMA／CA）的通信模式。数据节点侦听总线忙/闲——数据发送——侦听比较——判断冲突；“冲突处理”——地址最小的节点等待时间最短后重发数据；

2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯2.4计算机测控网络1．CAN总线驱动与参总线特点

短帧报文：以PCCAN协议B为例。PCCAN协议是基于CAN总线的应用层协议，是简单的应用层协议，支持功能及优点如下：i.是通用协议；ii.基于对称性多主网络结构，支持广播和点对点传送命令数据；iii.命令数据包可长达256字节；iv.以CAN2.0A数据帧为基础；2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯2.4计算机测控网络

下表是PCCAN协议B的帧报文格式，由11位ID、1位RTR、4位DLC、数据区（最多8个字节）组成。2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯2.4计算机测控网络

PRI：保留位（可做优先级位）。通常，保留位设置为1。保留位亦可作为优先级位,这时1为低优先级0为高优先级，而剩余的优先级由源地址决定，低地址优先级高。该保留功能可有效支持紧急信息传送，如报警等。Sourceaddress：源地址，标志发送数据的节点地址，范围只能设定为0～125。TYPE：帧类型。见下表的帧类型说明。2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯2.4计算机测控网络TYPE：帧类型。见下表的帧类型说明。2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯2.4计算机测控网络2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯

DLC：每帧字节数（1～8字节）。Destinationaddress：目标地址，表示接收数据的节点

地址，范围只能设定0～125。Index：索引字节。对于单帧数据，该字节表示传输数

据的第一个字节；对于多帧数据，此字节表示索引字节，

即此帧数据在数据包中的位置。Data：数据。基于此协议，可以实现点对点通讯或者广播通讯，若此协议不能满足应用，仍然可以在数据域继续定义自己的协议；数据可以主动上传或者轮询方式。2.4计算机测控网络2．CAN总线接口

目前，CAN总线控制器基本全部集成在 MCU芯片内部，CAN接口只需外扩一个物理层收发芯片即可，见下图：2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯图4.15CAN总线通信接口电路2.4计算机测控网络2.4.2.2基于RS-485接口的MODBUS通讯

CAN总线：为差分接收、差分发送，故由两根线CANH

和CANL构成CAN总线；为防止总线的高频

干扰，可以在CANH、CANL和地之间分别

并接一个小电容，用于旁路高频干扰；CAN总线收发均通过光耦进行隔离。总线匹配电阻：R1，一般取值120欧姆，用于防止在总

线终点发生反射；2.4计算机测控网络2.4.3工业以太网

工业以太网的通信协议除了现场总线应用行规国际标准IEC61784-1中包含的HSE、Ethernet/IP、Profinet之外，还包括EPA、EtherCAT、EthernetPowerLink、Vnet/IP、TCnet、Modbus/IDA等6个新的提案。2.4.3.1HSE（HighSpeedEthernet，高速以太网）HSE定位于实现控制网络与互联网Internet的集成；HSE是现场总线基金会在据弃了原有高速总线H2之后的新作；HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的ERP和管理系统。2.4计算机测控网络2.4.3.1HSE（HighSpeedEthernet，高速以太网）HSE定位于实现控制网络与互联网Internet的集成；HSE在低四层直接采用以太网+TCP/IP；在应用层和用户层直接采用FFH1的应用层服务和功能块应用进程规范；2.4.3.2Profinet由Siemens开发并由ProfibusInternational支持，有3个版本；2.4计算机测控网络2.4.3.2Profinet第一个版本：定义了基于TCP/UDP/IP的自动化组件。采用标准TCP/IP+以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备（proxy）连接到Profinet网络当中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在Profinet中使用。2.4计算机测控网络2.4.3.2Profinet第二个版本：Profinet在以太网上开辟了两个通道：标准的使用TCP/IP协议的非实时通信通道；另一个是实时通道，旁路第三层和第四层，提供精确通信能力。该协议减少了数据长度，以减小通信栈的吞吐量。为优化通信功能，Profinet根据IEEE802.p定义了报文的优先级。最多可用7级。2.4计算机测控网络2.4.3.2Profinet第二个版本：Profinet在以太网上开辟了两个通道：标准的使用TCP/IP协议的非实时通信通道；另一个是实时通道，旁路第三层和第四层，提供精确通信能力。该协议减少了数据长度，以减小通信栈的吞吐量。为优化通信功能，Profinet根据IEEE802.p定义了报文的优先级。最多可用7级。Profinet第三版：采用了硬件方案以缩小基于软件的通道，以进一步缩短通信栈软件的处理时间。为连接到集成的以太网交换机，Profinet第三版还开始解决基于IEEE1588同步数据传输的运动控制解决方案。2.4计算机测控网络2.4.3.2Profinet第二个版本：Profinet在以太网上开辟了两个通道：标准的使用TCP/IP协议的非实时通信通道；另一个是实时通道，旁路第三层和第四层，提供精确通信能力。该协议减少了数据长度，以减小通信栈的吞吐量。为优化通信功能，Profinet根据IEEE802.p定义了报文的优先级。最多可用7级。Profinet第三版：采用了硬件方案以缩小基于软件的通道，以进一步缩短通信栈软件的处理时间。为连接到集成的以太网交换机，Profinet第三版还开始解决基于IEEE1588同步数据传输的运动控制解决方案。2.4计算机测控网络2.4.3.3Ethernet/IPEthernet/IP（Ethernet/IndustrialProtocol，以太网工业协议）。由ROCKWELL定义，并由ODVA和ControlNetInternational

支持；采用星形拓扑结构，利用以太网交换机实现各设备间的点对

点连接，能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商业产品。由IEEE802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控

制与信息协议CIP（ControlInformationProtocol）等三个部

分组成，前面两部分为标准以太网技术，其特色就是被称作

控制和信息协议的CIP部分。2.4计算机测控网络2.4.3.3Ethernet/IPEthernet/IP（Ethernet/IndustrialProtocol，以太网工业协议）。Ethernet/IP为了提高设备间的互操作性，采用了ControlNet和

Devicenet控制网络中相同的CIP。CIP一方面提供实时I/O通

信，一方面实现信息的对等传输，其控制部分用来实现实时

I/O通信，信息部分则用来实现非实时的信息交换。2.4计算机测控网络2.4.3.4EtherCATEtherCAT（EthernetforControlAutomationTechnology）是由德国倍福Beckhoff公司开发，并由EtherCAT技术（EtherCATTechnologyGroup，ETG）支持。它采用以太网帧，并以特定的环状拓扑发送数据。网络上的每

一个站均从以太网帧上取走与该站有关的数据，或并插入该站

本身特定的输入/输出数据；网络内的最后一个模块向第一个模块发送一个帧以形成和创建

一个物理和逻辑环；2.4计算机测控网络2.4.3.4EtherCAT

EtherCAT通过内部优先级系统，使实时以太网帧比其他的数据（如组态或诊断数据，等）具有较高的优先级。组态数据只在传

输实时数据的间隙（如间隙时间足够传输的话）中传输，或者

通过特定的通道传输；EtherCAT保留了标准以太网功能，与传统IP协议兼容；EtherCAT接口需要专用ASIC芯片，以集成至少两个以太网端口；采用基于IEEE1588的时间同步机制，以支持运动控制中的实时应用；2.4计算机测控网络2.4.4无线传感