《现场总线及其应用技术》第3版试卷C及答案

一．简答题1．现场总线的本质是什么?答：现场总线的本质含义主要表现在以下六个方面现场通信网络、现场设备互联、互操作性、分散功能块、通信线供电、开放式互联网络2．数据编码分几种？什么是差分码？答：数据编码有单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码、曼彻斯特码和模拟数据码。差分码：用电平的变化与否代表逻辑"1""0"，电平变化代表"1"，不变化代表"0"按照此规定的码称为信号差分码。3．IEC61158标准中采用的是哪8类现场总线？IEC61158(FF的H1)ControlNet(美国Rockwell公司支持)PROFIBUS(德国Siemens公司支持)P-Net(丹麦ProcessData公司支持)FFHSE(原FF的H2，Fisher-Rosemount公司支持)SwiftNet(美国波音公司支持)WorldFIP(法国Alstom公司支持)INTERBUS(德国PhoenixContact公司支持)4．什么是网络传输介质？答：传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体网络中常用的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维、无线与通信卫星通信。5．现场总线网络是如何实现的？答：现场总线的基础是数字通信，通信就必须有协议，从这个意义上讲，现场总线就是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。国际标准化组织(ISO)的开放系统(OSI)协议，是为计算机互联网而制定的七层参考模型，它对任何网络都是适用的，只要网络中所要处理的要素是通过共同的路径进行通信。目前，各个公司生产的现场中线产品没有一个统一的协议标准，但是各公司在制定自己的通信协议时，都参考OSI七层协议标准，而且大多采用了其中的第1层、第二层、和第七层，即物理层、数据链路层和应用层，并增设了第8层，即用户层6．画出企业网络信息集成系统的结构图。互联网互联网Internet内部网Intranet(Ethernet)现场总线控制网络企业资源规划层ERP制造执行层MES过程控制层FCS7．现场总线一般采用OSI的哪几层模型？为什么?答：.现场总线通讯模型采用了OSI七层协议标准的第1层、第2层、和第七层，即物理层、数据链路层和应用层，并增设了第八层，即用户层。物理层定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电器及机械特性、信号传输速率等。数据链路层又分为两个子层，即介质访问控制层（MAC）和逻辑链路控制层（LLC）。应用层可以分为两个子层，上面子层是应用服务层（FMS层），它为用户提供服务；下面子层是现场总线存取层（FAS层），它实现数据链路层的连接。用户层是现场总线标准在OSI模型外新增加的一层，是现场总线控制系统开放与可互操作性的关键。8．现场总线与上层网络互联的方式有哪几种？答：一是采用专用网关完成不同通信协议的转换，把现场总线网段或DCS连接到以太网上。二是将现场总线网卡和以太网卡都植入工业PC机的PCI插槽在PC机内完成数据交换。三是将Web服务器直接植入PLC或现场控制设备内，借助Web服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互。9．什么是总线从设备？答：不能在总线上主动发起通信，只能挂接在总线上，对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备。10．什么是总线仲裁？答：总线在传送信息的操作过程中有可能发生冲突。为解决这一问题，就需要进行总线占有权的仲裁。总线仲裁用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。11．什么是NRZ编码？答：NRZ编码即为非归零编码，也即是说在整个码元时间内维持有效电平12．什么是位填充技术？答：当发送器在发送的位流中检测到5位连续的相同数值时，将自动地在实际发送的位流中插入一个补码位。这既是位填充技术13．现场控制网络的任务是什么？答：现场控制网络以具有通信能力的传感器、执行器、测控仪表为网络节点，并将其连接成开放式、数字化，实现多节点通信，完成测量控制任务的网络系统。现场控制网络要将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，在把生产现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令等送往位于现场的测量控制现场设备中，起着现场级控制设备之间数据联系与沟通的作用。同时，现场控制网络还要在与操作终端、上层管理网络的数据连接和信息共享中发挥作用。今年来，随着互联网技术的发展。已经开始对现场设备提出了参数的网络浏览和远程监控的要求。在有些场合，需要借助网络传输介质为现场设备提供工作电源14．简述串行异步通信中的连接握手过程？答：连接握手过程是指发送者在发送一个数据块之前使用一个特定的握手信号来引起接收者的注意，表明要发送数据，接收者则通过握手信号回应发送者，说明它已经做好了接收数据的准备。连接握手可以通过软件，也可以通过硬件来实现。在软件连接握手中发送者通过发送一个字节表明它想要发送数据；接收者看到这个字节的时候，也发送一个编码来声明自己可以接收数据；当发送者看到这个信息时，便知道它可以发送数据了。接收者还可以通过另一个编码来告诉发送者停止发送。在普通的硬件握手方式中，接收者在准备好了接收数据的时候将相应导线带入到高电平，然后开始全神贯注的监视它的串行输入端口的允许发送端。这个允许发送端与接收者的已准备好接收数据的信号端相连，发送者在发送数据之前一直在等待这个信号的变化。一旦得到信号说明接收者已处于准备好接收数据的状态，便开始发送数据。接收者可以在任何时候将这根导线带入到低电平，即便是再接收一个数据块的过程中间也可以把这根导线带入到低电平。当发送者检测到这个低电平信号时，就应该停止发送。而在完成本次传输之前，发送者还会继续等待这跟导线再次回到高电平，以继续被中止的数据传输。15．CAN总线的数值是如何表示的？答：CAN总线上用"显性"（Dominant）和"隐性"（Recessive）两个互补的逻辑值表示"0"和"1"。当在总线上出现同时发送显性位和隐性位时，其结果是总线数值为显性（即"0"与"1"的结果为"0"）16．CAN的数据帧有哪些位场组成？答：CAN现场总线的数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。17．简述PROFIBUS-DP现场总线的特点。答：PROFIBUDS-DP使用了第1层、第2层和用户接口层。第3到7层未使用，这种精简的结构确保高速数据传输。直接数据链路映像程序（DDLM）提供对第2层的访问。在用户接口中规定了PROFIBUDS-DP设备的应用功能，以及各种类型 的系统和设备的行为特性。这种为高速传输用户数据而优化的PROFIBUDS协议特别适用于可编程控制器与现场级分散I/O设备之间的通信。18．什么是DP一类主站和二类主站？什么是DP从站？答：1类DP主站循环的与DP从站交换用户数据。2类DP主站是编程装置，诊断和管理设备。DP从站只与装载此从站的参数并组态它的DP主站交换用户数据。DP从站可 以向此主站报告本地诊断中断和过程中断。19．GSD文件的功能是什么？答：PROFIBUS设备具有不同的性能特性，特性的不同在于现有功能的不同或可能的总线参数，如波特率和时间的监控不同。这些参数对每种设备类型和每家生产厂商来说均各有差异，为达到PROFIBUS简单的即插即用配置，这些特性均在电子数据单中具体说明，有时称为设备数据库文件或GSD文件。标准化的GSD数据将通信扩大到操作员控制一级，使用居于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在一个总线系统中，简单，用户界面友好。对一种设备类型的特性GSD以一种准确定义的格式给出其全面而明确的描述。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类型准备并以设备数据库清单的形式提供给用户，这种明确定义的文件格式便于读出任何一种PROFIBUS-DP设备的设备数据库文件，并且在组态总线系统时自动使用信息。在组态阶段，系统自动地对输入与整个系统的有关的数据的输入误差和前后一致性进行检查核对。20．什么是工业以太网？答：工业以太网不仅包含了物理层与数据链路层的以太网规范，而且包含TCP/IP协议组，既包含网络层的网络互联协议IP、传输层的TCP、用户数据包协议UDP等。有时甚至把应用层的简单邮件传送协议SMTP、域名服务DNS、文件传输协议FTP、超文本链接HTTP等应用协议都与以太网捆绑一起。二、SPC3从站接口电路设计画出SPC3与AT89S52的接口电路图。答：SPC3通过一块内置的1.5kB的双口RAM与CPU接口，它支持多种CPU，包括Intel、Siemens、Motorola等。SPC3与AT89S52的接口电路如下图所示，SPC3中双口RAM的地址为1000H~15FFH。1K1KΩ×474HC043KΩ×5AB7AB6AB5AB4AB3AB2AB1AB0DB7DB6DB4DB3DB2DB1DB0DB5ALEXWRXRDXINTRESETCLK0.47μF+5V1KΩ光电隔离驱动器65ALS1176148MHzP27P26P25P24P23P22P21P20P07P06P05P04P03P02P01P00ALEWRRDINT0P17AT89S52SPC3XINT/MOTXCSMODEXTEST0XTEST1XDATAEXCHDIVIDERAB8AB9AB10VDDVSSXCTSCLKOUTXREADY/XDTACKRTSTXDRXDSPC3与AT89S52硬件接口图三CANBUS硬件节点设计（共20分）采用你熟悉的一种单片机或单片微控制器设计一CANBUS硬件节点电路，使用SJA1000独立CAN控制器,假设节点号为16，通讯波特率为125Kbps。画出硬件电路图。简述工作原理。画出CAN初始化程序流程图编写CAN初始化程序答：22pF422pF4.7kΩNC0.1μF0.1μFAT89S5210kΩ10μF+5V+5VP10P27P11P26P12P25P13P24P14P23P15P22P16P21P17P20RXDTXDP00INT1P01P34P02P35P03P04VCCP05P06GNDP07WRXTAL1XTAL2CSVSS1VSS2VSS3CLKOUTAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7RDWRALEINT22pFfosc216MHzRESETMRRESETVCCNCGNDPFOPFITXDRSGNDCANHVCCCANLRXDVref+5V+5V+5V+5V+5V+5V+5VNCNCS0.1μF4.7kΩ10kΩ10kΩ10kΩ120ΩSJA1000IMP708PCA82C250+RX0RSTMODERSTVDD3VDD2VDD1XTAL1XTAL2TX1TX0RX1ALERDINT0EACANHCANL18pF×212MHzfosc1硬件电路图2.原理如下采用AT89S52单片微控制器、独立CAN通信控制器SJA1000、CAN总线驱动器PCA82C250及复位电路IMP708的CAN应用节点电路其中AT89S52作为微控制器，用于本节点的功能的程序实现。当上电复位后，AT89S52首先对SJA1000进行初始化，包括节点号、通讯波特率等。初始化结束，将进入监控状态。当有数据下传时，AT89S52接收到下传的数据，并根据数据调整本节点的状态。当采集完信息后，可以通过P1口向上位机传送。独立的CAN通信适配器SJA1000支持CAN2.0B协议，能完成高性能通信要求的全部必要特征，可完成物理层和数据链路层的所有功能。为增强CAN总线的差动发送和接收能力，设计中采用了CAN总线接收接口电路82C250。82C250是CAN总线控制器和物理总线的接口。该芯片可以提供对CAN总线的差动发送和接收能力。在SJA1000与82C250之间接入光电耦合器可增强系统的抗干扰能力IMP708芯片提供复位和上电检测功能。3.CAN初始化子程序流程图开始开始置复位请求为高（置CR.0为1）置验收码寄存器ACR置验收屏蔽寄存器AMR（决定节点号）总线定时设置设置总线定时寄存器0（BTR0）设置总线定时寄存器1（BTR1）决定位周期设置输出控制寄存器OCR(FAH)(定义总线驱动特性)设置时钟分频寄存器CDR设置CAN工作模式和时钟分频开放中断源定时再同步置CR.0为0返回4.编写CAN初始化程序NODEEQU10H；节点号缓冲区NBTR0EQU03H；总线定时寄存器0缓冲区NBTR1EQU1CH；总线定时寄存器1缓冲区TXBFEQU40H；RAM内发送缓冲区RXBFEQU50H；RAM内接收缓冲区CREQU0BF00H；控制寄存器CMREQU0BF01H；命令寄存器SREQU0BF02H；状态寄存器IREQU0BF03H；中断寄存器ACREQU0BF04H；接收码寄存器AMREQU0BF05H；接收码屏蔽寄存器BTR0EQU0BF06H；总线定时寄存器0