第7章 通信技术

第七章通信技术1、并行通信技术2、串行通信技术3、现场总线技术4、无线通信技术1、并行通信技术1.1、并行通信的原理和特点原理：在并行通信中，一组数据的各个数据位将在多条数据线上同时被传输。优点：实时、快速不要求固定的数据格式缺点：成本高，资源开销大，抗干扰能力差传输距离短1.2并行通信的实现用并行接口芯片8255实现并行通信用C口进行通信联络若C口的值变化（如：加1），则有新数据到来。1.2并行通信的实现用并行接口芯片8255实现并行通信利用CPU的EXINT口来中断联络1.2并行通信的实现利用双口RAM实现并行通信双口RAM是具有两组独立的地址线、数据线和控制线的双端口RAM双口RAM可以简单可靠地实现主从机之间的数据共享如：IDT7132/134 DS1609利用IDT7132/134双口RAM实现地址线L地址线R数据线L数据线R硬件冲突时，后操作一端有效；或使用软件协议避免硬件冲突和操作速度不同带来的错误。利用DS1609双口RAM实现DS1609为256字节的双口RAM，数据线和地址线公用，结构紧凑DS1609的读写时序逻辑以I/O口方式读写AD0~7与一双向I/O口相连，如：8255的PA口（应设为输入和输出双向口），PB口为控制线（输出）。以总线模式操作由于DS1609没有ALE地址锁存引脚，所以在片外需将地址译码的片选线先与ALE相或。2、串行通信技术2.1、串行通信的原理和特点原理：在串行通信中，一组数据的各个数据位在一条数据线上逐位地依次传输。优点：成本低，节省资源，抗干扰能力强传输距离远缺点：传输效率低实时性较差2.2串行异步通信的三种同步机制相同的波特率——位同步预定的起始位和停止位——帧同步如：1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个停止位。数据包（数据块）的同步——数据包同步通过每帧多发1位实现，如利用可编程第9位。通过发特定的数据帧（组合）实现，如增加包头包尾。2.3PC与单片机的串行通信PC与单片机之间的串行接口定义数据包如：包头——通信内容——校验字节2.4多机串行通信单片机与单片机之间的多机通信利用单片机（96系列）串行通信方式2和方式3中断条件的不同实现方式2只有当接收到的可编程第9位为1的情况下，才能发生接受中断方式3无论接收到的可编程第9位是1还是0均中断方式2下接收地址，方式3下接收数据PC为主机的多机通信利用8250控制寄存器实现利用VB的MSCOMM控件实现2.5RS-485、RS-422与RS-232特性比较传输速率提高，可达10Mbit/s。传输距离增大。10Mbit/s速率下，达300m。适当降低速率，距离可达1200m。差分传输，抗干扰能力增强。驱动器输出为±2V~±6V，接收器可以监测到的输入信息电平可低到200mV。RS-485/422通信接口电路MAX483：RS-485/422低功率收发器应用范围：低功率RS-485/422收发器；电平变换器；在对EMI敏感的应用中作收发器；工业控制网络RS-485/422通信接口电路MAX1480：RS-485/422通信数据接口电气隔离；-7V~±12V共模输入；单一5V电源3、现场总线技术3.1、现场总线概述现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。总线的分类毫米级：芯片内总线；厘米级：芯片间总线；分米级：机箱内总线，如STD,ISA,PCI等；十米级：机柜间总线，如RS232，GPIB，VME和VXI等；千米级：现场总线，如FF，Profibus，WorldFIP等；什么是现场总线？国际电工委员会IEC61158标准定义：现场总线是“安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室的自动控制装置、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统，也称为现场总线控制系统（FieldbusControlSystem）。现场总线的诞生为实现整个企业的信息集成，需要一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，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。在这种实际需求的驱动下,20世纪80年代中期现场总线在国际上发展起来了。技术基础：计算机技术、数字通信技术开放系统、统一标准以微处理器芯片为基础的各种智能仪表，为现场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了条件。但不同厂商所提供的设备之间的通信标准不统一，严重束缚了工厂底层网络的发展。从用户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准，组成开放互连网络。把不同厂商提供的自动化设备互连为系统。这里的开放意味着对同一标准的共同遵从，意味着这些来自不同厂商而遵从相同标准的设备可互连为一致通信系统。从这个意义上说，现场总线就是工厂自动化领域的开放互连系统。开发这项技术首先必须制定相应的统一标准。真正形成开放互连系统，是大势所趋。现场总线控制系统示意图现场总线控制系统的特点开放性：现场总线的技术与标准是公开的，而DCS制造厂商的技术与标准是各有各的专利，彼此是封闭的。互操作性：不同厂商的主机或现场仪表可以相互通信或操作，而DCS中则往往需要接口核驱动软件来实现。智能化与自治性：现场总线设备具有较高的智能，能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，可以自诊断，甚至能在部件、网络故障的情况下独立工作。现场总线控制系统的特点高度分散：各现场设备有足够的主动性，它们可以相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中。对现场环境适应性：工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，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。现场总线控制系统的优点节省硬件数量与投资节省安装费用节省维护开销用户具有高度的系统集成主动权提高了系统的准确性与可靠性几种有影响的现场总线技术基金会现场总线（FF，FoundationFieldbus）LonWorks现场总线过程现场总线PROFIBUS（PROcessFieldBUS）CAN(ControlAreaNetwork)总线HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)总线技术对比3.2CAN总线CAN是控制局域网络（ControlAreaNetwork）的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被150国际标准组织制订为国际标准。由于得到了Motorola，Intel，Philip，Siemens，NEC等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的。其模型结构为三层，即只取OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/5kbps。可挂接设备数最多可达110个。CAN总线的性能特点采用多主方式工作网络节点信息有多个优先级采用非破坏性总线仲裁技术通过报文滤波实现点对点、一点对多点及全局广播等方式收发数据报文标识符可达2032种(CAN2.0A)，扩展标准(CAN2.0B)则几乎不受限制采用短帧结构，传输时间短具有较强抗干扰能力CAN总线的逻辑状态“显性”（Dominant）数值表示逻辑“0”“隐性”（Recessive）数值表示逻辑“1”CAN节点的分层结构报文及其帧结构数据帧：携带数据由发送器至接收器远程帧：请求发送具有相同标识符的数据帧出错帧：由检测出总线错误的任何单元发送超载帧：提供当前和后续数据帧的附加延迟通信介质访问控制方式带有优先级的多主竞争方式网络上任意节点均可以在发现总线空闲时主动地往其它节点发送信息非破坏性总线优先仲裁技术当几个节点同时向网络发送消息时，根据帧中开始部分的标识符，逐位仲裁，优先级低的节点主动停止发送数据，优先级高的节点继续发送信息CAN智能节点由单片机、SJA1000、82C250可以构成一个最小的CAN总线智能节点SJA1000是一种独立CAN通信控制器SJA1000主要功能标准结构和扩展结构报文的接收和发送BasicCAN和PeliCAN两种工作方式标准和扩展帧格式都具有单/双接收滤波器……智能节点硬件电路与SJA1000的TX0和RX0通过光耦相连，实现节点间电气隔离与地之间并联2个30pF的小电容，可以滤除总线上的高频干扰3.3LonWorksLonWorks是由美国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。LonWorks使用开放式通信协议LonTalk。LonTalk采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了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。其通信速率从300bps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达2700m（78kbps，双绞线）。支持双绞线、同轴电缆、光纤、电力线、红外线、射频等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品。被誉为通用控制网络。Neuron神经元芯片LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中而得以实现。4、无线通信技术无线通信技术在测量与控制领域的应用包括无线个人域网络（WPAN）和无线局域网（WLAN）。用于现场设备层的无线短程网，采用的主流通信协议是WPAN（802.15系列），特别是IEEE802.15.4/ZigBee。用于较大传输覆盖面积和较大信息传输量的无线局域网，采用的主流通信协议则是WLAN（IEEE802.11系列）。几种主要无线通信技术的比较MarketNameStandardGPRS/GSM1×RTT/CDMAWi-Fi802.11bBluetooth802.15.1ZigBee802.15.4ApplicationFocusWideAreaVoice&DataWeb，E-mail，VideoCableRePlacementMonitoring&ControlSystemResources16MB+1MB+250KB+4KB~32KBBatteryLife(day)1~70.5~51~7100~1000+NetworkSize1327255/65000Bandwidth(Kbps)64~128+11000+72020~250TransmissionRange(meter)1000+1~1001~10+1~100SuccessMetricsReach，QualitySpeedFlexibilityCost，ConvenienceReliability，Power，Cost4.1IEEE802.11b协议IEEE802.11b协议是全球第一代无线局域网标准的扩展，它可以支持最高11Mbps的数据速率，运行在2.4GHz的ISM频段上，采用补码编码键控（CCK）的调制方式。最流行的WLAN协议标准。协议结构（右图）。IEEE802.11的拓扑结构主要由无线站点STA、无线接入点AP、独立基本服务集IBSS、基本服务集BSS、分布式系统DS、扩展服务集ESS等组成。扩展服务集ESS示意图，包括了无线站点、无线接入点、基本服务集等。IEEE802.11的帧结构分数据帧、管理帧、控制帧三种。帧的一般结构如图。4.2蓝牙技术一种由爱立信、IBM、Intel、诺基亚和东芝等公司联合推出的低成本、短距离无线通信技术。2005年3月，BluetoothSIG宣布采用蓝牙核心规范2.0版本。新规范传输范围可达100m，最高速率达到10Mbps。蓝牙协议栈蓝牙体系结构中的协议可分为四层。核心协议：基带、LMP、L2CAP、SDP。电缆替代协议：RFCOMM。电话传送控制协议：TCS二进制、AT命令集。可选协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、vCard、vCal、WAP、WAE。蓝牙协议栈结构蓝牙局域网自组织网络：分为微微网和散射网。微微网：最多256个蓝牙单元设备，其中只有一个蓝牙设备是主设备，1~7个激活的从设备，而其它设备则处于待机状态。蓝牙局域网自组织网络：分为微微网和散射网。散射网：几个互相独立且不同步的微微网以特定方式互联起来，构成一个散射网（又称微微互联网或分布式网络）。蓝牙局域网蓝牙接入网关：蓝牙网络和其他网络之间进行互联的无线设备，具有相当于桥接器或路由器的功能。蓝牙接入网关为每一个所连接的蓝牙设备提供LAN或Internet网络服务。蓝牙局域网蓝牙设备的应用主要是将两个或者更多的蓝牙设备组成组成一个对等的自组网络（简称对等网），且这些蓝牙设备能够通过一个网络接入点（蓝牙接入网关）访问远程网络。对等网络组实际上相当于多个蓝牙设备组成的微微网。对等网络组是一个设备齐全并且独立的组群网络，在这个组群网络中，设备之间的互相通信，不需要