ch08-总线技术与嵌入式系统教学课件

ch08总线技术与嵌入式系统自信是向成功迈出的第一步ch08总线技术与嵌入式系统ch08总线技术与嵌入式系统自信是向成功迈出的第一步自动化技术已经经历了两次飞跃：第一次是在20世纪50－60年代从传统的电气传动控制－－电子自动化仪表监控系统，以微电子技术进步为基础第二次则是在20世纪70－80年代，DCS的出现，用各种I/O功能模板代替了仪表，利用计算机集中实现了回路调节，工矿连锁、参数显示报警，历史数据储存，工艺流程动态显示等多种功能，在大型控制系统中往往还带有操作指导和专家系统等软件。第8章总线技术与嵌入式系统4－20MA信号是DCS系统与现场设备相互连接的最本质点。是控制系统和仪表装置发展的一大进步。进入20世纪90年代后，数字化和网络化成为当今控制技术发展的主要方向。传统的模拟信号只能提供原始的测量和控制信息，智能变送器在4－20mA信号之上附加信息的能力又受其低通信速率的制约，所以对整个过程控制系统的机制进行数字化和网络化，应是其发展的必然趋势。Fieldbus是现代计算机、通信和控制技术的集成，使自动化技术正在进入第三次飞跃。可以预言，随着Fieldbus技术的兴起和逐渐成熟，将使21世纪的自动化领域成为Fieldbus的世界。现场总线控制系统(FieldbusControlSystem，FCS)使得现场仪表、执行机构、控制室设备之间构成网络互连系统，实现全数字化、双向、多参数的数字通信，为控制系统的全分布和全数字化运行奠定了基础。是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。8.1现场总线控制系统

8.1.1现场总线的概述

现场总线(Fieldbus)是上世纪80年代末国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的一种标准的、开放的、双向的多站现场智能设备互连通讯网络。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有数字计算和数字通信的能力。它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，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成控制任务的网络系统和控制系统。现场总线使自控系统与设备具有通信能力，把它们连结成网络系统，加入到信息网络的行列。

基本内容包括以串行通讯方式取代传统的4－20mA模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层现场智能设备与高层系统利用公用传输介质交换信息；其核心是它的通讯协议，协议必须根据ISO的计算机网络开放系统的OSI参考模型来制定，它是一种开放的七层网络协议标准。多数现场总线只使用其中的一、二和七层协议（即物理层、数据链路层、应用层，这三层也是最重要和必须考虑的）。即Fieldbus采用了三层网络结构，流量控制和差错控制在数据链路层执行，报文的可靠传输在数据链路层或应用层执行。由于现场总线适导致了目前生产的自动化仪表、集散控制系统(DCS)、可编程控制器(PLC)在产品的体系结构、功能结构方面有较大变革:传统的模拟仪表将被具有网络数字通信功能的智能化数字仪表所取代，出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器；出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送器；出现了带控制模块和具有故障信息的执行器，并由此大大改变了现有的设备维护管理方法。8.1.2现场总线控制系统的产生

在工程实践中广泛使用模拟仪表系统中的传感器、变送器和执行机构，一个变送器或执行机构需要一对传输线来单向传送一个模拟信号。要实现整个企业的信息集成，要实现综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工场底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。8.1.3现场总线控制系统的组成

1.现场总线控制系统的结构

现场总线控制系统与传统控制系统的结构比较

2.现场总线构成了全分布控制系统

把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力。现场完成复杂计算，形成真正分散在现场的完整控制系统。实现异地远程自动控制。还可以提供故障诊断信息等，维护和管理。3.现场总线构成控制系统的底层控制网络

现场总线与现场设备直接连接：一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享；同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共享。

与传统DCS相比优越性：（1）系统结构大大简化，成本显著降低；（2）现场设备自治性加强，系统性能全面提高；（3）提高了信号传输的可靠性和精度；（4）真正实现完全分散、全数字化的控制网络；（5）用户始终拥有系统集成权。FCS和DCS网络结构比较

FCS体系结构FCS的体系结构FCS的核心是现场总线，基础是DCS。⑴第一代FCS第一代FCS要借用DCS的某些功能，将现场总线集成于DCS中。⑵第二代FCS第二代FCS不要借用DCS的功能，完全是一个独立的系统，生产现场层的各类现场总线数字仪表，可以独立构成各类控制回路，实现彻底的分散控制；操作监控层具有工程师站和操作员站。现场总线的体系结构由以下六方面构成：

⑴现场通信网络⑵现场设备互连①变送器②执行器③服务器和网桥④辅助设备⑤监控设备⑶互操作性⑷分散功能块⑸供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量⑹开放式互连网络现场总线和FCS的变革⑴现场总线对自动化领域的变革⑵FCS对DCS的变革①FCS的信号传输实现了全数字化FCS的系统结构是全分散式，它废弃了DCS的输入／输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之；③FCS的现场设备具有互操作性；④FCS的通信网络为开放式互连网络，既可同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极方便地共享网络数据库。⑤FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用。FCS与DCS的集成

FCS与DCS的集成具有三种方式。

⑴现场总线与DCSI／O总线的集成⑵现场总线与DCS网络的集成⑶FCS与DCS的集成以上所述的集成方式分别适用于现场总线的初期、发展期、成熟期，FCS和DCS有共存期，FCS将逐步替代DCS。8.1.4现场总线控制系统的特点

1.现场总线的技术特点

(1)系统的开放性。(2)互可操作性与互用性。(3)现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可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)对现场环境的适应性(5)系统结构的高度分散性。

FCS与传统DCS相比有着明显的优点。根据国际电工委员会(IEC)的标准和现场总线基金会（FF）的定义，Fieldbus技术以下6个主要特点：（1）数字信号完全取代4－20mA模拟信号；实现现场管理和控制的统一；（2）使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完成；（3）使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及补偿信息等；（4）一般只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种数据报文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的有效手段。（6）网络结构简单、执行协议直观，价格低廉，与上层网络的联接费用也不高。（5）Fieldbus是一种开放式实时系统只具有简化的网络结构，而与OSI不完全保持一致。真正实现系统开放性、互操作性。2.现场总线的优点

(1)节省硬件数量与投资。(2)节省安装费用。(3)节省维护开销。(4)用户拥有高度的系统集成主动权。(5)提高了系统的准确性与可靠性。此外现场总线的优点还有⑴一对N结构⑵可靠性高⑶可控状态⑷互换性⑸互操作性。⑹综合功能⑺分散控制⑻统一组态。⑼开放式系统。8.2嵌入式控制系统

8.2.1嵌入式系统概述

1.嵌入式系统的定义

嵌入式系统是以运用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA等。2.嵌入式系统的特点

(1)系统的复杂性。(2)系统处理的实时性。(3)与关键系统的控制相关。(4)购买产品与技术开发相结合的实现方式嵌入式系统基本上都是同时采用购买现成的产品和自行独立开发相结合的方式来构建的。

8.2.2嵌入式控制系统的组成

(a)硬件结构(b)软件结构

1.嵌入式处理器

(1)嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit，EMPU)。(2)嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)(3)嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP)。(4)嵌入式片上系统(SystemOnChip)2.存储器

ROM(E2PROM)。FlashROM“闪存”。铁电存贮器(FRAM)－RAMTRON公司核心技术是铁电晶体材料，拥有随即存取记忆体和非易失性存贮产品的特性。3.输入输出设备4.嵌入式操作系统

(EOS，EmbeddedOperatingSystem)嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如WindRiver公司的VxWorks、QNX系统软件公司的QNX等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理(PDA)、移动电话、机顶盒、电子书、WebPhone等。

目前使用最多的EOS产品包括有：Vxwork、QNX、μC/OS-II、PalmOS、WindowsCE等。

5.可编程逻辑器件

PLD是可编程逻辑器件(ProgramableLogicDevice)的简称，可以说PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74系列电路，都可以用PLD来实现。6.应用软件

8.2.3嵌入式控制系统的应用

嵌入式系统的应用

8.3网络控制技术

8.3.1网络控制系统组成/概述

1.工业控制网络的产生

现场总线在应用中还存在一些技术瓶颈问题，主要表现在以下几个方面。(1)当总线电缆断开时，整个系统有可能瘫痪。(2)本安防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总线的长度和总线上负载的数量。这就是限制了现场总线节省电缆优点的发挥。(3)系统组态参数过分复杂。以太网具有以下几个方面的优点(1)兼容性好，有广泛的技术支持。(2)易于与Internet连接(3)成本低廉(4)可持续发展潜力大(5)通信速率高。

2.网络控制系统的组成

一个典型的工业自动化系统网络包括：(1)信息层网络。(2)控制层网络。(3)设备层网络。8.3.2网络控制系统的协议

1.以太网与TCP/IP

以太网和TCP/IP不是完整的协议堆栈。IEEE802.3叫做具有CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)的网络。CSMA/CD是IEEE802.3采用的媒体接入控制技术，或称介质访问控制技术。IEEE802.3以“以太网”--是特指“DIXEthernetV2”所描述的传输技术为技术原形，本质特点是采用CSMA/CD的介质访问控制技术。“以太网”与IEEE802.3略有区别，但在忽略网络协议细节时，人们习惯将IEEE802.3称为”以太网”。以太网是TCP/IP使用最普遍的物理网络。TCP/IP是多台相同或不同类型计算机进行信息交换的一套通信协议。

为了便于网络互联，国际标准化组织（ISO）提供了一个标准的协议结构——开放式系统互联（OSI）参考模式。它共分为七层协议，即从下至上划分成物理层、链路层、网络层、传输层、对话层、表示层、应用层。表示层：信息格式的转换如文本压缩、加密等。应用层：该层要实现的功能取决于用户和系统应用管理进程。物理层：主要是为通信各方提供物理信道。数据链路层：分为介质访问控制层和逻辑链路控制层，前者主要解决物理信道的使用，后者保证信息正确有序地在有噪信道上传输。网络层：在有限个物理信道上建立多条逻辑信道并完成路径选择。传输层：为用户建立多条逻辑信道，允许多用户共享一条逻辑信道，并兼有端——端控制功能。对话层：用户进程的建立或拆除，对连接传输进行管理。由图所示的ISO(国际标准化组织)提出的OSI(开放系统互连参考模型)七层结构中，以太网标准只定义了数据链路层和物理层，它是网络技术的一部分，但不是协议。以太网在成为数据链路和物理层的协议之后，就与TCP/IP紧密地捆绑在一起了。由于后来国际互连网采用了以太网和TCP/IP协议，人们甚至把如超文本连接HTTP等TCP/IP协议组放在一起，称为以太网技术

以太网规定的内容在OSI模型中的位置

2.EtherNet/IP

EtherNet/IP指的是“以太网工业协议”(EthernetIndustrialProtocol)。它定义了一个开放的工业标准，将传统的以太网与工业协议相结合。它使用已用于ControlNet和DeviceNet的控制和信息协议CIP为应用层协议，可以认为EtherNet/IP就是CIP协议在以太网TCP/IP协议基础上的具体实现。

3.EtherNet/IP报文协议

显式报文连接用于两个设备之间的普通信息传输，可以使用多用途的通讯路径。隐式报文连接通过专用的特殊通讯路径或端口，在生产者应用对象和多个消费者应用对象之间建立连接。这类报文专门用于传输I/O数据，在网络仲裁机制中被认为是I/O连接。在控制层网络中，隐式报文有着大量的应用。隐式报文数据的含义已经在通讯连接建立、分配连接标识的时候完成了定义。因此，隐式报文中只包含具体应用对象的数值。4.EtherNet/IP网络的优势

由于ControlNet、DeviceNet和EtherNet/IP都使用相同的应用层协议，所以无需编制特殊的软件，便可以将各种复杂的设备，例如变频器、机器人控制器、条形码扫描器、称重仪等设备连接在一起。基于TCP/IP的Ethernet构成的工厂网络的最大优点：形成透明工厂。用工业以太网简单地替代现有系统的原有功能是没有价值的。8.4典型现场总线简介

8.4.1典型现场总线简介

1.PROFIBUS总线

ProfiBus链路层采用混合介质存取方式，主站间按令牌方式，主站和从站间按主从方式工作。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。ProfiBus是一种多主站系统，可以实现多个控制、配置或可视化系统在一条总线上相互操作。Profibus结构示意图2.ControlNet总线

它是通用型、低价位的专为高速传输I/O数据而设计的总线。它可连接自动化生产系统中广泛的工业设备。ControlNet能够降低设备的安装费用和时间。相对于PROFIBUS-DP具有更强大的通讯功能，支持除了主-从方式之外的多种通讯方式，可以更灵活地应用于控制系统中。3.基金会现场总线FoundationFieldBus，FFBUS该总线是国际公认的唯一不附属于某企业的公正的非商业化的国际标准化组织。它是通过数字、串行、双向的通讯方法来连接现场装置的。FFbus使用复杂的通讯协议。该总线使用框架式以太网(ShelfEthernet)技术，采用CSMA/CD链路控制协议和TCP/IP传输协议，物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射，其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。FF定义两种速率的总线：低速总线H1，波特率为31.25kbps，传输距离为0.2km～1.9km(取决于介质)；高速总线H2，其波特率为1.0Mbps/750m或2.5Mbps/500m。4.Sensoplex2重工业控制网络该总线具有很强的抗干扰能力，Sensoplex2是TURCK设计应用于重工业自动化领域的网络Sensoplex2是采用先进的频率偏移技术进行通讯的，对于易引起通讯故障的强电磁场有较强的抗干扰能力，优于其它现场总线。已广泛应用于世界上主要的汽车制造厂。它通过一根电缆通讯及供电，其固定的传输速度为188K，使用中继器的最大传输距离为400米，可接入512个I/O点，通过主站可连接多种PLC和现场总线，如ProfiBus和DeviceNet，ModbusPlus，Siemens-S5/S7，ABPLC等。5.LonWorks总线Lonworks是由美国Echelon公司于20世纪90年代初推出的现场总线，它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议，这是在现场总线中唯一提供全部服务的现场总线。一个Lonworks控制网络可以有3个到30000个或更多的节点。采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持多种通信介质和多种拓扑结构，并开发了本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。Lonworks的核心是LonTalk协议，协议支持包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤在内的多种传输介质。可以运行在任何主处理器(HostProcessor)上。6.CAN总线

CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。CAN协议其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/kbps，可挂接设备最多可达110个。CAN的信号传输采用短帧结构，CAN支持多主方式工作，CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能。通讯介质采用廉价的双绞线即可。在传输信息出错严重时，节点可自动切断它与总线的联系，以使总线上的其它操作不受影响。7.HART

HART物理层使用1200BIT/秒的二进制相位连续频移键控(FSK)；数据传输速率为1200bps，在整个通讯过程中，既有模拟信号(4mA～20mA)，也有数字信号(1200HZ和2200HZ)，由于在一个信号周期中，通信信号的平均值为0，从而不对4mA～20mA的模拟信号产生影响，这是HART协议最重要的特点之一。HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。HART能利用总线供电，可满足本安防爆要求。HART变送器约占世界智能变送器市场的70%，已成为事实上的工业标准。8.RS-485

尽管RS-485不能称为现场总线，但是作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继续沿用这种通讯协议。采用RS-485通讯具有设备简单、低成本等优势，仍有一定的生命力。RS-485是一种典型的串行总线，支持一点对多点的通信，采用双绞线连接，可连接32个收发器。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS-485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。9.USB通用串行总线

其电缆只有一对信号线和一对电源线，工作于最高12Mbps的中等速度，高速USB-2.0的传输速度可达480Mbps，传输距离30米，轻巧便宜，适