精密测控与系统(专题二总线).pptx
精密测控与系统,2023年11月16日星期四,精密测控与系统,2023年11月16日星期四,总线,与计算机的相关总线 内部总线 系统总线 外部总线 其他总线现场总线,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,3,计算机内的总线,一、内部总线 1I2C总线 I2C（Inter-IC）总线10多年前由Philips公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,4,2SPI总线 串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。Motorola公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,5,3SCI总线 串行通信接口SCI（serial communication interface）也是由Motorola公司推出的。它是一种通用异步通信接口UART，与MCS-51的异步通信功能基本相同。计算机内的总线,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,6,二、系统总线,1ISA总线 ISA（industrial standard architecture）总线标准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。它在80286至80486时代应用非常广泛，以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。ISA总线有98只引脚。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,7,2EISA总线 EISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。在实用中，EISA总线完全兼容ISA总线信号。ISA总线是PC微机最基本的总线标准，分为XT总线（62线）和AT总线（98线）两种。PC/XT机是最早的8位个人机，它采用XT总线；后来IBM推出16位AT机，采用了在原总线基础上的扩展，将62线延长到98线，叫AT总线。如图10.8所示，A、B两面是XT总线，再加上C、D两面是AT总线，总称为ISA总线。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,8,3VESA总线 VESA（video electronics standard association）总线是 1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为VL(VESA local bus)总线。它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache 的直接相连，通常把这部分总线称为CPU总线或主总线，其他设备通过VL总线与CPU总线相连，所以VL总线被称为局部总线。它定义了32位数据线，且可通过扩展槽扩展到64 位，使用33MHz时钟频率，最大传输率达132MB/s，可与CPU同步工作。是一种高速、高效的局部总线，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,9,4PCI总线 PCI（peripheral component interconnect）总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率可达132MB/s，可同时支持多组外围设备。PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA（micro channel architecture）总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,10,5Compact PCI 以上所列举的几种系统总线一般都用于商用PC机中，在计算机系统总线中，还有另一大类为适应工业现场环境而设计的系统总线，比如STD总线、VME总线、PC/104总线等。这里仅介绍当前工业计算机的热门总线之一Compact PCI。Compact PCI的意思是“坚实的PCI”，是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统，是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准。Compact PCI是在原来PCI总线基础上改造而来，它利用PCI的优点，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统，同时还考虑充分利用传统的总线产品，如ISA、STD、VME或PC/104来扩充系统的I/O和其他功能。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,11,三、外部总线,1RS-232-C总线 RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）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，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,12,2RS-485总线 在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,13,3IEEE-488总线 上述两种外部总线是串行总线，而IEEE-488 总线是并行总线接口标准。IEEE-488总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20米，信号传输速度一般为500KB/s，最大传输速度为1MB/s。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,14,4USB总线 通用串行总线USB（universal serial bus）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB的最高传输率可达12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB还能支持多媒体。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,15,四、其他总线,1SCSI接口总线SCSI小型计算机系统接口(全称 Small Computer System Interface)，是种较为特殊的接口总线，它是系统级接口，也是一种双向并行设备总线。具备与多种类型的外设进行通信。SCSI采用ASPI（高级SCSI编程接口）的标准软件接口使驱动器和计算机内部安装的SCSI适配器进行通信。SCSI接口是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,16,2加速图形接口AGPAGP是微型计算机系统中专门为3D显示而设置的加速图形接口（Accelerated Graphics Port）Intel公司开发的AGP总线旨在提高图形，尤其是3D图形的处理能力。AGP总线在主存与显示卡之间提供了一条直接通路，使3D图形数据越过PCI总线直接送入显示系统。目前AGP总线有三种，即AGP1：266Mb/s，时钟66MHzAGP2：532Mb/s，时钟66MHzAGP4：1.064Mb/s，时钟66MHz,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,17,3IEEE1394串行接口全称是IEEE1394高性能串行总线标准（IEEE1394 High Performance Serial BUS Standard）。该接口采用6芯电缆和6针插头，其中4根信号线组成两对双绞线传送信息，2根电源线，向被连接设备提供电源。在电缆环境下，传送速率有98.304 Mb/s、196.608 Mb/s和393.216 Mb/s。正在制订的还有1 Gb/s。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,18,现场总线,定义：是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线是工业数据通信与控制网络技术的代名词，是测控领域的通信与网络技术，是网络集成式测量控制系统。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,19,总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络特点：适应工业应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好。多为短帧传送，通信的传输速率相对较低。一般在几kbps至10Mbps 之间。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,20,现场总线是连接测控系统中各智能装置(包括智能传感器)的双向数字通信网络。其主要特点是：1.传输数字信号2.标准化3.智能化,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,21,现场总线的发展,现场总线技术始发于二十世纪八十年代，但对该项技术的开发之热是近年之举。早期的现场总线技术与PLC同时出现的、Culter-Hammer推出的Directrol General Electric的Genius I/O，德国Phoenix的Interbus-S，TURCK的Sensoplex，丹麦Process Data公司83年推出的P-Net；德国Siemens公司84年推出的Profibus（Process Field bus的简称）法国Alstom公司87年推出的 FIP（Factory Instrumentation Protocol）等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术。根据相关资料统计，已出现的现场总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,22,1、基金会现场总线（Foundation Field bus 简称FF）,这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,23,2、CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域网）,最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M/1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,24,3、Lonworks,它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部层通讯协议，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。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/s），被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,25,4、Device Net,Device Net是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。Device Net具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。Debice Net基于CAN技术，传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个，其通信模式为：生产者/客户（Producer/Consumer），采用多信道广播信息发送方式。位于Device Net网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。Device Net总线的组织结构是Open Device Net Vendor Association（开放式设备网络供应商协会，简称“ODVA”）。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,26,5、PROFIBUS,PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS-DP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC11582标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m，在12Mbit/s小为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,27,6、HART,HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写，最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,28,7、CC-Link,CC-Link是Control&Communication Link（控制与通信链路系统）的缩写，在1996年11月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,29,8、WorldFIP,WorkdFIP的北美部分与ISP合并为FF以后，WorldFIP的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位，特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求，而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP与FFHSE可以实现“透明联接”，并对FF的H1进行了技术拓展，如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面，WorldFIP做得最好，走在世界前列。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,30,9、INTERBUS,INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线，2000年2月成为国际标准IEC61158。INTERBUS采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性；该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。INTERBUS广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业，成为国际现场总线的领先者。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,31,此外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-Data A/S 提出的P-Net，该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业；SwiftNet现场总线主要使用在航空航天等领域，还有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,32,制定总线标准的国际标准化组织,现场总线组织现场总线基金会（Fieldbus Foundation）LonWorks协会,Profibus协会，工业以太网协会IEA（Industrial Ethernet Association），工业自动化开放网络联盟IAONA（Industrial Automation Open Network Alliance）Society of Automotive Engineers（SAE）制定现场总线标准的国际标准化组织IECISO,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,33,现场总线的应用,现场总线技术的应用领域十分广泛，凡属设备间需要数据通信的场合都需要它。连续、离散制造业，如电力、石化、冶金、纺织、造纸，过程自动化仪表；火车、汽车、轮船、机器人、数控机床；智能传感器；楼宇自控、仓储；智能交通、环境监测（大气、水污染监测网络）农、林、水利、养殖等。其技术与产品在工业控制计算机、测控板卡、仪器仪表、系统集成、应用系统等领域都有良好的发展前景,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,34,现场总线应用工程的发展趋势,1、通过应用技术发挥现场总线的优势 现场总线系统的优越性很多，主要突出它的哪一种优点 我们认为首先要突出现场总线降低系统投资成本和减少运行费用的优点。这一点很重要，有了这一基本思想，在进行总线类型的选择和网络设计时，就会有明确的方向。但是，现场总线的这项优点能否发挥，与应用者是否合理地使用现场总线、充分发挥它的潜能有关。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,35,2、不同类型的现场总线组合更有利于降低成本 不同类型现场总线的简单比较，针对不同的情况选用不同的总线可以最大限度地降低系统成本。可以看到，位式总线的能力很有限，用位式总线作为大型系统的信息传输主体是不可能的。但是它在成本，速度等方面的优势又是其它高层次总线无法替代的。因此它常常与其它总线混合使用。用户可能会担心，用了多种现场总线，会使整个系统的操作、管理变得复杂。实际现在一些通用的人-机界面软件，都支持多种现场总线，因此到人-机界面这一层，不同总线的区别对使用者来说是不大的。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,36,3、现场总线的本质是信息处理现场化 一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线和智能仪表后，可以从现场得到更多的诊断、维护和管理信息。现场总线系统的信息量大大增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力、减少多余信息的传递。另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆，是没有理解到它的实质。信息处理的现场化才是智能化仪表和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其它计算机通信技术的标志。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,37,4、网络的设计 一般控制系统也有网络设计问题，网络设计的重点是从物理形态上考虑通信网络和输入、输出线缆网络的布置。前面提到许多现场总线的网络形态是线形的，每一组网段上的节点数是有限制的。由于网段上的节点数较少，因此除考虑网络的物理布置之外，还要考虑减少信息在网络上的往返传递。减少信息的往返传递是现场总线系统中网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点，放在同一条支路里。例如多回路调节中，一个调节回路的节点应尽量放置在同一条支路里。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,38,5、系统组态傻瓜化 现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有许多功能类同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。,2023年11月16日星期四,010214006 精密测控与系统,39,
