《数据网络与总线》课件-项目三 总线通讯核心技术

1.现场总线概述现场总线概述本次内容Content串行通信特点01现场总线的产生02现场总线的本质03思考一下：我们常见的通信方式有哪些？4传统传递信息：书信、名片、狼烟、面谈现代传递信息：电报、传真、对讲机、电话、微信、倒车雷达、WIFI、蓝牙、遥控器（红外线）等数据传输方式：按照数据传输的流向和时间关系分类5单工：单工数据传输指的是两个数据站之间只能沿一个指定的方向进行数据传输。例如收音机。半双工：数据传输是两个数据之间可以在两个方向上进行数据传输，但不能同时进行。典型的半双工设备是对讲机。全双工：数据传输是在两个数据站之间，可以两个方向同时进行数据传输。例如电话数据传输方式：按照数据传输的顺序分类6串行：是指数据的二进制代码在一条物理信道上将数据一位一位地依次传输的方式。优点通信线路少，节约成本布线简便易行施工方便结构灵活缺点传输速率低要解决收发同步问题使用场景适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信电子电路设计信息传递等数据传输方式：按照数据传输的顺序分类7并行：指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输，是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输。一般是一个字节8位二进制数，同时传输。优点传输速度高控制方式简单缺点传输信道多、设备复杂线路连接成本高使用场景适用于短距离、要求传输比较快的场合，如微处理器较少使用串行传输：按照数据传输的同步方式划分8异步传输：以字符为单位传输数据，采用位形式的字符同步信号，发送器和接收器具有相互独立的时钟(频率相差不能太多)，并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步信号。同步传输：以数据帧为单位传输数据，可采用字符形式或位组合形式的帧同步信号(后者的传输效率和可靠性高)，由发送器或接收器提供专用于同步的时钟信号。现场总线的发展历程9在过程控制领域中，从20世纪50年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是4~20mA的模拟信号标准。20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。20世纪80年代微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌入到各种仪器仪表设备中，形成分布式控制系统。在分布式控制系统中，各微处理器被指定一组特定任务，通信则由一个带有附属“网关”的专门网络提供，网关的程序大部分由用户编写的。现场总线的产生10微处理器的发展，产生以IC代替常规的电子线路，出现智能设备

数字式智能仪表，具有专家系统等功能通信技术的发展，促使传送数字化信息的网络技术开始使用环境监测需求增加

控制精度、可操作性、可维护性、可移植性不断增加。现场总线的产生现场总线的产生11现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信网络。按照IEC对现场总线（FieldBus）一词的定义，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多点数字通信的技术。

现场总线的本质12标准不统一，所以现场总线也有不同的定义，但现场总线的本质含义表现在以下几个方面：1）现场通信网络用于过程以及制造自动化现场设备或现场仪表互连通信网络。2）现场设备互连现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源等，并可根据需要选择不同类型的传输线。现场总线的本质133）互操作性现场设备或者现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场设备，所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的4）分散功能块把功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。5）通信线供电对于要求本征安全的低功耗现场仪表，采用这种供电方式，化工、炼油等企业的生产现场有可燃物质，现场总线设备必须严格遵循安全防爆标准，现场总线也不例外。2.串行通信串行通信本次内容异步串行通信接口ContentUART01RS-23202RS-48503RS-42204引入17通讯问题，和交通问题一样，也有高速、低速、拥堵、中断等等各种情况。如果把串口通讯比做交通，UART比作车站，那么一帧的数据就好比汽车。汽车跑在路上，要遵守交通规则。如果是市内，一般限速30、40，而高速公路则可以到120。而汽车走什么路，限速多少，就要看协议怎么规定了。常见的串口协议有RS-232、RS-422、RS-485等，他们之间有何细微差别？下面我们就一起来探讨一下1UART18UART是通用异步收发传输器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)，通常称作UART是一种异步收发传输器,是设备间进行异步通信的关键模块。用一条传输线将数据一位位地顺序传送。特点：通信线路简单、降低成本，适用于远距离通信，但传输速度慢的应用场合。

数据传送速率用波特率来表示，即每秒钟传送的二进制位数。若加入一个合适的电平转换器，如SP3232E、SP3485，UART还能用于RS-232、RS-485通信，或与计算机的端口连接。1UART19数据通信格式中，各位的意义如下：

起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。

数据位：可以是5~8位逻辑”0”或”1”。

校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)

停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。

空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。UART有4个pin（VCC,GND,RX,TX）

用的TTL电平,

低电平为0(0V)，高电平为1（3.3V或以上）。2RS-232标准20RS-232是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号。RS-232是对电气特性以及物理特性的规定，只作用于数据的传输通路上，它并不内含对数据的处理方式。是基于UART通讯的一个机械和电气接口标准。2RS-232标准21采用共模传输方式时，共模噪声将会叠加在最终的输出信号上面，污染了原始的信号。早期由于PC都带有RS-232接口，所以我们需要使用UART时，都选择RS-232。现在个人电脑，笔记本、台式机都不再带有RS-232的接口，电脑主板上面没有DB9的接口。所以现在开发板都选择TTL的UART，或者直接UART转USB做在开发板上。2RS-232标准22由于RS-232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：

（1）

接口的信号电平值较高，易损坏接口电路芯片，又因为232电平与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接；（2）

传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。现在由于采用了新的UART芯片，波特率达到115.2Kbps；（3）

接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；（4）

传输距离有限，最大传输距离标准值为50米，实际上也只能用在15米左右；（5）

RS-232只容许一对一的通信，没有考虑构成串行总线。在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑"1"，-5--15V；逻辑"0"+5-+15V。2RS232接口23计算机通讯接口之一，通常RS-232接口以9个引脚(DB-9)或是25个引脚(DB-25)的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS-232接口，分别称为COM1和COM2。3RS48524RS-485和RS-232一样，都是串行通信标准，现在的标准名称是TIA485/EIA-485-A，但是人们会习惯称为RS-485标准，RS-485常用在工业、自动化、汽车和建筑物管理等领域。RS-485总线弥补了RS-232通信距离短，速率低的缺点，RS-485的速率可高达10Mbit/s，理论通讯距离可达1200米；RS-485和RS-232的单端传输不一样，是差分传输，用一对双绞线，一根线定义为A，另一个定义为B。3RS48525RS485采用两线制接线方式，总线拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。3RS48526主机发送给从机或者从机发送给主机，都会占用到A和B线，所以RS-485多用在半双工模式。RS-485接口的最大传输距离标准为1200米（9600bps时），实际上可达3000米RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。3RS485接口27RS485无具体的物理形状，根据工程的实际情况而采用的接口。4RS-422标准28RS-422的电气性能与RS-485完全一样。主要的区别在于：RS-422有4根信号线：两根发送、两根接收。由于RS-422的收与发是分开的所以可以同时收和发（全双工），也正因为全双工要求收发要有单独的信道，所以RS-422适用于两个站之间通信，星型网、环网，不可用于总线网；RS-485

只有2根信号线，所以只能工作在半双工模式，常用于总线网。3.CAN总线概述CAN总线概述本次内容Content工作原理01组网与收发02数据帧格式03特点041、工作原理32CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网，是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。近些年来，CAN控制器价格越来越低，很多MCU也集成了CAN控制器。现在每一辆汽车上都装有CAN总线。下图为一个典型的CAN应用场景。历史:CAN是由Bosch和Intel在八十年代末开发,用于连接客车和卡车ECU的标准化的总线系统。CAN2.0标准在1991年发布，迄今沿用。在1992年首先应用在MercedesS-系列车中(连接发动机和变速箱ECU)。

1993年CAN成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519（低速应用）。如今CAN总线在自动化领域中作为现场总线普遍使用。任何官方应用需要向Bosch支付费用。1、工作原理现状:

由于CAN总线的特点，得到了Motorola，Intel，Philip，Siemence，NEC等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域，其应用范围目前已不仅局限于汽车行业，已经在自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域中得到了广泛应用。目前世界上绝大多数汽车制造厂商都采用CAN总线来实现汽车内部控制系统之间的数据通信。1、工作原理CAN总线为什么在汽车上得到了如此广泛的应用呢？1、工作原理在该例中，共需要5条数据线进行数据传递，也就是说，每项信息都需要一个独立的数据线。面临问题：如果传递信号项目多，还需要更多的信号传输线，这样会导致电控单元针脚数增加、线路复杂、故障率增多及维修困难。1、工作原理各控制单元之间的所有信息都通过两根数据线进行交换——CAN数据总线通过该种数据传递形式，所有的信息，不管控制单元的多少和信息容量的大小，都可以通过这两条数据线进行传递，能大规模的减少系统的复杂性。1、工作原理1、工作原理38优点：传输速度最高到1Mbps，通信距离最远到10km，无损位仲裁机制，多主结构。CAN控制器价格越来越低。低成本：ECUs通过单个CAN接口进行通信，布线成本低。高集成：CAN总线系统允许在所有ECUs上进行集中错误诊断和配置。可靠性：该系统对子系统的故障和电磁干扰具有很强的鲁棒性，是汽车控制系统的理想选择。高效率：可以通过id对消息进行优先级排序，以便最高优先级的id不被中断。灵活性：每个ECU包含一个用于CAN总线收发芯片，随意添加CAN总线节点。1、工作原理39CAN总线以广播的方式从一个节点向另一个节点发送数据，当一个节点发送数据时，该节点的CPU把将要发送的数据和标识符发送给本节点的CAN芯片，并使其进入准备状态;一旦该CAN芯片收到总线分配，就变为发送报文状态，该CAN芯片将要发送的数据组成规定的报文格式发出。此时，网络中其他的节点都处于接收状态，所有节点都要先对其进行接收，通过检测来判断该报文是否是发给自己的。由于CAN总线是面向内容的编址方案，因此容易构建控制系统对其灵活地进行配置，使其可以在不修改软硬件的情况下向CAN总线中加入新节点。2、组网与收发40CAN总线网络主要挂在CAN_H和CAN_L，各个节点通过这两条线实现信号的串行差分传输，为了避免信号的反射和干扰，还需要在CAN_H和CAN_L之间接上120欧姆的终端电阻。2、组网与收发41CAN收发器的作用是负责逻辑电平和信号电平之间的转换。即从CAN控制芯片输出逻辑电平到CAN收发器，然后经过CAN收发器内部转换将逻辑电平转换为差分信号输出到CAN总线上，CAN总线上的节点都可以决定自己是否需要总线上的数据。具体的引脚定义如下：助记符引脚描述TXD1发送数据GND2地VCC3电源RXD4接收数据VIO5参考电压输出CANL6低电平CAN总线CANH7高电平CAN总线S8高速模式/静音模式2、组网与收发42CAN总线采用不归零码位填充技术，CAN_H-CAN_L<0.5V时候为隐性的，为"逻辑1"-高电平。CAN_H-CAN_L>0.9V时候为显性的，为"逻辑0"-低电平。低速高速CAN总线上的信号有两种不同的信号状态，分别是：显性的(Dominant)逻辑0和隐形的(recessive)逻辑1。2