[信息与通信]现场总线.doc

《[信息与通信]现场总线.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[信息与通信]现场总线.doc（61页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第6章 现场总线技术与应用上世纪60年代以前的工业控制系统几乎都是基于模拟信号的,即使是70年代出现的DCS系统,测量变送仪表一般也为模拟仪表,因此DCS是一种模拟数字混合系统。随着计算机、通讯、网络技术的发展，将这些技术应用到工业控制领域，使工控系统进一步数字化、网络化、信息化就成为自动化领域讨论和研究的热点。现场总线技术正是在这种背景下于20世纪80年代中期发展起来的。由于历史和市场等多方面的原因，目前现场总线处于多标准共存，百家争鸣的局面，各种总线都有自己的特色和用户群，限于篇幅，本章仅扼要介绍现场总线技术的概况和几种主要总线技术。 6.1现场总线概述6.1.1什么是现场总线按照IEC(

2、国际电工委员会)对现场总线(FieldBus)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、多节点数字通信的技术。IEC将“现场总线”定义为工业现场级的数据通信技术，但随着总线技术的不断发展，各种应用功能不断扩充，总线技术已不仅是一种底层的通信技术，而成为网络和控制系统，即总线技术已成为系统级的技术，例如FF总线就是系统级总线的典型代表。现场总线可看成是一种实现底层设备通信的局域网，它是低带宽(速率一般在几kbps至10Mbps)但又是高实时性和高可靠性的底层控制网络，这是由工控系统的特点决定的。它一方面将现场的测量和控制设备连成网络，另一方面可通

3、过网关设备和企业内部的管理信息网络或InterNet相连。可以说现场总线是近年来发展并形成的自控领域的网络技术。是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物。现场总线技术导致了控制系统结构的又一次变革，形成了新型的网络化、数字化的分布式控制系统现场总线控制系统FCS(FieldBus Control System),是继集散控制系统DCS之后的新一代控制系统。6.1.2现场总线的结构特点由于现场总线系统是基于数字化网络的系统，不像传统的模拟控制系统那样，控制室计算机与各种现场设备通过A/D、D/A等模块一对一连接，而是通过一条网线将各种设备连接在一起组成控制网络，网络上不仅传送各种诸如控制参数、

4、运行状态、报警信息、故障信息等数据，而且还为各现场设备提供电源。图6-1模拟控制系统与现场总线系统另一方面现场总线系统采用智能化现场设备，这些设备中可以集成各种控制和I/O模块，由于各现场设备(例如变送器、执行器)间均能相互通信，通过组态软件，不必改变物理连接，各现场设备就可以灵活地组成各种形式的控制结构（如串级、前馈等），并且控制功能不必依赖主计算机或控制仪表直接在现场即可完成，更加彻底地分散了控制。这正是数字化和网络化带来的好处。 6.1.3现场总线系统与计算机网络的区别广义上讲这两者都属于计算机网络的范畴，二者的区别主要在于现场总线系统用于工业控制领域而必须具备的一些特殊性能，主要体现在

5、以下几个方面：1 网络节点设备不同：计算机网络：计算机、打印机、显示终端等。现场总线控制网络：除了上述之外，还有PLC、数字调节器、开关、拖动设备、变送器、执行结构、按钮等。这些设备有些为内嵌有CPU、单片机或其它专用芯片的设备，有些是功能简单的非智能设备。2 工作环境不同：计算机网络：多为环境较好的办公场所。现场总线控制网络：工业生产现场，高温或低温、粉尘、电磁干扰、震动、易燃易爆环境，需要网线供电。3 任务不同：计算机网络：传输文档、图象、话音等数据。许多情况下有人参与。现场总线控制网络：传输工业数据，承担自动测控任务。许多情况下要求自动完成。现场总线控制网络是一类高实时性、高可靠性、小数

6、据量的特殊网络，它广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以至农、林、牧、渔等各行各业。6.1.4现场总线的优点由于现场总线控制系统是网络化和数字化的系统，较之传统的控制系统具有以下优点：1底层设备均挂接在网络上，并且支持总线供电，因此节省了大量线缆、槽架、连接件；2系统设备间的连接方式用软件设置，改变设备间的连接方式极为灵活，易于重构。3与模拟信号相比提高了测量和控制精度，减小了传递误差。4系统集成度高，构造简洁，可靠性高，易于维护。5提供更加丰富的生产过程信息，除传输测量控制的状态与数值信息外，还可提供参数调整、故障诊断、阀门开关的动作次数等信息，提高了系统的操作与维护性能。6输入、

7、输出、控制功能模块置入现场设备，实现了彻底的分布式控制。6.1.5现场总线技术的历史背景和发展趋势现场总线技术产生于二十世纪80年代，在网络化、信息化的大背景下，将这些先进技术运用于自动化系统，蕴藏着巨大的技术和商业潜力。因此吸引了众多欧美和亚洲有实力的厂商投巨资来开发这项技术。例如丹麦Process Data公司1983年推出的PNET，德国Simens公司的1984年推出的ProfiBus等都是早期开发的至今仍应用较广的总线技术。此后各国家和地区相继推出了近百种现场总线，随之而来的就是统一标准的问题。ISO（国际标准化组织）和IEC（国际电工委员会）都参与到标准的制定。ISO将CAN作为现

8、场总线国际标准，CAN成为最早的现场总线国际标准。IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C/WG6，是最先开始现场总线标准化工作的组织。它于1984年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单一的现场总线标准，并于1993年推出了著名的IEC61158-2标准，此后从链路层开始，标准的制定一直处于混乱状态。直到2000年初宣布：由IEC 61158；ControlNet；Profibus；P-Net；High Speed Ethernet；Newcomer SwiftNet；WorldFIP；Interbus-S八种现场总线共同构成IEC现场总线国际标准子集，并没

9、有出现人们所希望的统一标准。IEC的另一个小组 IEC/17B的工作就顺利多了，IEC/17B负责制定的低压开关装置与控制装置所用的控制设备之间的接口标准,由于此部分相对简单，涉及的问题较少， IEC 62026国际标准已获通过。该标准包括包括第2部分ASI、第3部分 DeviceNet、第4部分智能分布式系统SDS（Smart Distributed System）、第5部分Seriplex。现场总线技术历经近二十年的发展，道路之曲折超过了人们最初的预料，主要困难并非来自技术层面，而是来自标准的制定。历经多年的争论，目前业界尚无统一的标准。人们也逐渐认识到，目前没有那一个企业或组织有能力强行

10、地推行某一标准，况且这对总线技术的发展也不利。各种总线技术都有自己的技术特色和市场空间，在以后很长时间内都将是各种总线标准共存，百花齐放百家争鸣的态势。但标准化的步伐并未停止，标准化的重心已转移到高层协议上来。目前现场总线技术的发展呈现如下趋势：1注重系统的开放性，历史证明封闭、自成一体的系统注定要消亡。2注重应用系统设备间的互操作性，即注重应用层协议规范。因为设备间的互操作依靠的是应用层协议规范。3注重控制网络与公用数据网络的结合。4注重使测控设备具备网络浏览功能。例如现在很多设备都具有支持通用浏览器工具（如IE）进行数据浏览的功能5以太网已直接进入控制网络。近年来以太网凭借自身的优势，将其

11、应用于控制网络的呼声越来越高，这是任何组织和厂商都不容忽视的一个重要课题。6.2网络互连的通信参考模型既然现场总线系统是一种网络系统，要进一步理解现场总线技术，我们有必要了解一些网络技术方面的基础知识。6.2.1开放系统互连参考模型OSI(Open System Interconnection)这是由国际标准化组织ISO为实现开放系统互连所建立的分层模型。为开放系统互连提供了概念性、功能性结构。OSI按通信功能将网络系统划分为七个层次。划分原则是将相似功能集中在同一层内，各层的协议细节由各层独立进行。功能差别较大时则分层处理，每层只对相邻的上、下层定义接口。一旦引入新技术或提出新的业务要求时，

12、可以把因功能扩充、变更所带来的影响限制在直接有关的层内，而不必改动全部协议。具体划分为：从邻接物理媒体的层次开始，分别赋于、层的顺序编号，相应地称之为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。第层功能称为低层功能（LLF），即通信传送功能；第层功能称为高层功能（HLF），即通信处理功能。每一层的功能是独立的，它利用其下一层提供的服务并为其上一层提供服务，而与其它层的具体实况无关。 图6-2ISO/OSI模型1物理层物理层并不是物理媒体本身，它提供用于建立、保持和断开物理连接的机械、电气、功能和规程条件。简而言之，物理层提供有关同步和数据流在物理媒体上的传输手段，其典型的协议有

13、EIA-232、485等。2数据链路层物理层中不能解决在数据传输过程中所发生的异常情况处理、差错控制和恢复、信息格式、协调通信等问题。数据链路层协议建立在物理层协议之上，利用不太可靠的物理层链路实现可靠的数据传输。数据链路层的功能是利用物理层的服务，在通信的实体间传输以“帧”为单位的数据包，并采用差错控制和流量控制方法建立可靠的数据传输链路。数据链路是从信源到达信宿所经过的整个数据管道。它包括了具体的通信线路、通信设备以及相关的规程。3网络层网络层规定网络连接的建立、维持和拆除的协议。它的主要功能是利用数据链路层所提供功能，通过路由选择，实现两个系统之间的连接。在计算机网络系统中，网络层还具有

14、多路复用的功能。例如Internet中的IP协议。物理层、数据链路层和网络层是七层协议的基础层次，也是目前最成熟的层次。无论是在广域网上还是在局域网上，都是以这几个层次为基础的。物理层是针对传输介质的;数据链路层是依据点对点的传输，针对数据;而网络层是依据路由选择，针对网络。4传输层由于在网络层上可能产生整包的数据差错，不能保证信源到信宿传输的可靠性。为了向用户提供可靠的端到端（End to End）服务，传输层的任务是处理数据包错误、数据包次序以及其他一些关键传输问题。所以，传输层处于分层结构体系高低层之间，是高低层之间的接口，是非常关键的一层。传输层使用传输控制协议，实现不同计算机系统之间

15、、不同计算机网络系统之间信息的可靠传输。例如Internet中的TCP协议。5会话层会话层、表示层和应用层统称高层服务。如果说下四层是面向数据的，那么上三层是面向用户的。会话层的功能是在对话用户之间建立和释放会话连接，确保会话过程的连续性以及管理数据交换等功能。会话的服务过程分为会话连接建立阶段、数据传送阶段以及会话连接释放阶段。6表示层表示层的功能是处理OSI系统之间用户信息的表示问题。它们包括数据的语义和语法，根据需要进行语法变换（如代码转换、字符集转换、数据格式的修改等）和传送语法的选择。数据的加密和解密、压缩和恢复也在这一层中完成。7应用层应用层为用户的应用进程(用户的应用进程可认为是

16、应用软件)访问OSI环境提供服务。，而应用层提供服务则表现为文件服务、数据库服务、电子邮件和其他网络软件服务。现场总线系统与计算机网络相比，毕竟有一些差异，它的信息量不大，信息传输的任务相对比较简单，但对实时性、可靠性的要求较高。由于七层参考模型的层间操作与转换比较复杂，网络接口的造价与时间开销显得过高。为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，各种现场总线采用的通信模型大都在ISO模型的基础上进行了不同程度的简化，但现场总线系统的通信参考模型仍是以OSI模型为基础的，另外有些现场总线系统还在OSI模型的基础上增加了用户层，用户层是根据控制应用需要而规定的通信标准。6.3网络互连设备 现场

17、总线系统作为一种数字化的通信网络，如果和其它异构网络相连，同样需要网络设备的支持，例如一个企业的Profibus现场总线系统要和企业内的基于TCP/IP的局域网实现数据共享，就需要专用网关的支持。常用网络设备有的中继器，网桥，路由器和网关等，它们是不同层次的网络互连设备。在物理层使用中继器（Repeater）,通过复制位信号延伸网段长度；在数据链路层使用网桥(Bridge),在局域网之间存储或转发数据帧；在网络层使用路由器 (Router)，在不同网络间存储转发分组信号；在传输层及传输层以上，使用网关(Gateway)，进行协议转换，提供更高层次的接口。1中继器：中继器使得网络可以跨越一个较大

18、的距离。在中继器的两端，其数据速率、协议（数据链路层）和地址空间都相同，主要作用在于延长电缆和光缆的传输距离。中继器是一个再生器而不是一个放大器 ，当接收到一个微弱或损坏的信号时，它将按照信号的原始长度一位一位地复制信号，整形放大、重新复制 ，新生成的信号将具有的良好波形，中继器一般用于方波信号的传输，且必须放置在噪声使信号中任一位信号的含义受到影响之前。2网桥： 网桥是存储转发设备，用来连接同一类型的局域网。网桥同时作用在物理层和数据链路层，网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输速率、不同传输介质的网络。它需要两个互连网络在数据链路层以上采用相同或兼容的协议。3路由器：在路由器所包

19、含的地址之间，可能存在的若干路径，路由器可以为某次特定的传输选择一条最好的路径。它可为来自某个网络的数据包确定路线，发送到互连网络中任何可能的目的网络中。4网关：网关又被称为网间协议变换器，用以实现不同通信协议的网络之间、包括使用不同网络操作系统的网络之间的互连。在报文从一个网段到另一个网段的传送中，网关提供了一种方式把报文重新封装形成新的报文组。网关需要完成报文的接收，翻译与发送。通常网关使用两个微处理器和两套各自独立的芯片组。每个微处理器都知道自己本地的总线语言，在两个微处理器之间设置一个基本的翻译器。64基金会现场总线64.1基金会现场总线概述FF总线是所有现场总线中唯一一种可称之为“系

20、统”的现场总线，其内容涵盖之全面是其它现场总线系统所不及的。基金会现场总线（Foundation Fieldbus）是现场总线基金会（Fieldbus Foundation）为适应自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、使用环境与技术上的需要而专门设计的，它分低速（FF-H1）和高速（FF-HSE）两部分，并均被IEC现场总线国际标准所采用。该基金会汇集了世界著名仪表、自动化设备、DCS制造厂家、科研机构和最终用户。由于这些公司是自动化领域自控设备的主要供应商，它们生产的变送器、执行器、DCS和流量仪表占世界市场的90%，对工业底层网络的功能需求了解透彻，也具备足以左右该领域自控设备发展方向的

21、能力，因而由它们组成的基金会新颁布的现场总线规范具有一定的权威性。FF总线和其它总线不同，它不仅规定了网络模型，而且增加了用户层。并能适应总线供电的要求，利用总线为现场设备提供工作电源，而且为本安型标准设备的参数制定了相关标准。因此FF总线不仅仅定义了通信标准，而是作为一种自动化系统出现的。这是其它几种总线所不具备的。FF总线由低速（FF-H1）和高速（FF-HSE）两部分组成，其中FF-H1网络以ISO/OSI模型为基础，取其物理层、数据链路层和应用层，并在应用层之上增加了用户层，构成了四层结构的通信模型。FF-H1主要用于过程工业（连续控制）的自动化，传输速率为31.25kbps，通信距离

22、可达1900m（与传输介质有关，可加中继器延长）。FF-HSE则采用基于EntherNet+TCP/IP的六层结构，主要用于制造业（离散控制）自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合。6.4.2 FF总线的技术特点6.4.2.1适用于过程自动化的低速部分FF-H1:FF总线的低速部分FF-H1是参考了ISO/OSI参考模型，并在此基础上根据过程自动化系统的特点进行演变而得到的。除了实现现场总线信号的数字通信外，FF-H1具有适用于过程自动化的以下特点：1.支持总线供电FF-H1采用了基于IEC61158-2的双线信号传输技术，并为现场设备提供两种供电方式：非总线供电和总线供电。非总线供电的现

23、场设备的工作电源直接来自外部电源。总线供电的场合，总线上既要传送数字信号，又要由总线为现场设备提供电源能量。按FF-H1的技术规范，携带协议信息的数字信号以31.25kHz的频率、0.751V的峰峰电压被调制到的932V的直流供电电压上。2.支持本质安全FF-H1的现场设备按照设备是否为总线供电，是否可用于易燃、易爆环境以及功耗类别而区分的。根据本质防爆要求，应用于易燃、易爆场合的设备，除了应保证能完成测量、控制、通信等的正常工作外，还应在任何情况（如断路、短路、故障以及在操作过程中的维护、接通、断开等情况）下，不致于产生火花和引发燃烧、爆炸等重大事故。对此，FF-H1技术规范规定的总线供电的

24、本安型标准设备的推荐参数为最高输入电压不大于24V，最大输入电流小于250mA，最大输入功率小于1.2W，最大内部容抗小于5nF，最大内部电感小于20H。3.令牌总线访问机制FF-H1采用了令牌传递的总线控制方式。这种方式从物理上看，它是一种总线结构的局域网，站点共享的传输介质为总线。但从逻辑上，它是一种环型结构的局域网，连接到总线上的站点组成一个逻辑环，每个站点被赋予一个顺序的逻辑位置，站点只有取得令牌才能发送数据帧，该令牌在逻辑环上依次传递。FF-H1中令牌传递是由链路活动调度器（link action scheduler,LAS）进行控制的。FF-H1的通信活动被分为受调度通信和非调度通

25、信。FF-H1采用的这种基于LAS的链路活动调度，确保了控制系统中的信息传输的及时性。4.内容广泛的用户层FF在应用层之上增加了一个内容广泛的用户层，这也是FF的一个重要的特色。它由两个重要的部分组成，即功能块和设备描述语言，从而使得设备与系统的集成与互操作更加易于实现。5.功能块与功能块应用进程FF提供一种通用结构，把分散在控制系统或现场的各种功能（如模拟输入、模拟输出、PID控制、离散输入、离散输出、偏置等）封装为相应的功能块（function block），使其公共特征标准化，规定它们各自的输入、输出、算法条件、参数与块控制图，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程（功能块应用进

26、程，Function Block Application Process,FBAP）。功能块的通用结构是实现开放系统架构的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。简单一致的功能块配置，可使功能块分散在不同制造商产品中，经集成、无缝的方式执行。定义一致的信息可通过通信自由传递，避免了麻烦的映射和接口。功能块应用进程作为用户层的重要组成部分，用于完成FF总线中的自动化系统功能，它们使得不同制造商产品的混合组态和调用更加容易方便。6.设备描述（device description,DD）设备描述是FF总线为实现设备间的互可操作性、支持标准的功能块操作而采用的一项重要内容。DD为仪表或系统中的虚

27、拟现场设备的每个对象提供了扩展描述，包括参数标签、工程单位、要显示的十进制数、参数关系、量程与诊断菜单等。DD由设备描述语言（device description language,DDL）实现，采用设备描述编译器，把DDL编写的DD源程序转化为机器可读的输出文件。一旦这些机器可读的输出文件上载到主机系统后，上位主机系统及其所有设备就能识别出该设备的所有性能。正是有了用户层，就可以充分实现设备的互操作，而且可以做到即插即用（plug and play）。6.4.2.2基于以太网的高速部分HSE现场总线基金会放弃了其原来规划的H2（传输速率为1M和2.5Mbps）高速总线标准，并于2000年3月

28、公布了基于Enthernet的高速总线技术规范（High Speed Enthernet,HSE FS1.0版），它迎合了控制和仪器仪表最终用户对可互操作的、节约成本的、高速的现场总线解决方案的要求。HSE充分利用低成本和商业可用的以太网技术，并以100Mbps到1Gbps或更高的速度运行。HSE支持所有的FF总线低速部分31.25kbps的功能，例如功能模块和设备描术语言，并支持H1设备与基于以太网的设备通过链接设备接口。与链接设备连接的H1设备的点对点通信，无需主机系统的干涉。而且，与一个链接设备相连的H1设备可以直接和与另一个链接设备相连的H1设备通信，也无需主机干涉。HSE现场总线技术

29、的另一个关键特点是，HSE现场设备支持标准的Foundation功能模块，例如AI、AO 和PID，也包括新的、具体应用于离散控制和I/O子系统集成的“柔性功能模块”（flexible function block,FFB）。FFB使用标准的编程语言，例如IEC 61131。尽管FFB是HSE的一部分，它也能被用于H1。链接设备和HSE现场设备可以结合进一个单一的、节约成本的和强大的物理设备，用于批处理、逻辑PLC和连续控制。另外，所有或部分的HSE网络和设备可实现冗余，以适应应用中容错的需要。6.4.2.3 FF现场总线网络拓扑下图给出了基于FF总线（包括H1和HSE）控制系统的网络拓扑结构

30、。它具有以下特征：图6-3 FF现场总线网络拓扑1. FF总线网络可以包含1个或多个HSE子网和（或）1个或多个互连的H1 链路；2. 几个HSE子网之间可以通过标准路由器进行互连；3. 1 个HSE子网包含1个或多个通过Enthernet相连的HSE设备。同一个子网上的HSE设备可通过标准Entherne交换机进行互连；4. HSE设备可以为HSE现场设备、HSE 链接设备和（或）I/O,网关设备等；5. HSE链接设备用于将1个或几个H! 链路链接到HSE子网上；6. 1条H1链路可连接1个或几个H1设备；7. 2个或多个H1设备之间可通过H1网桥实现互连；8. H1网桥可以包含在HSE链

31、接设备中；9. 不包含H1网桥的链接设备也可以实现H1报文的重发功能；10. 可根据需要，对HSE子网本身以及HSE 设备进行冗余配置。6.4.2.4 关于FF总线设备如何使诸如变送器、执行器之类的设备符合FF总线标准呢？这是工程技术人员们普遍关心的技术问题。如果从芯片级开始，例如基于SMAR公司的FB3050芯片，开发一个FF总线通信控制器，特别是开发链路主设备，要通过FF的测试认证，绝不是一件容易的事。一般用户可以购买专用的转换卡，即所谓的“圆卡”，完成普通仪表到FF总线设备的升级。当然用户也可在市场上直接购买到符合FF总线标准的各种仪表设备。FF现场总线圆卡应具有下列功能：1.可集成FF

32、H1通信协议和功能块应用；2.提供FFH1接口；3.提供与仪表间的接口；4.总线供电(932V)，满足本质安全要求；5.抗电磁干扰性能(EMC)须适应现场工作环境。图6-4FF现场总线圆卡关于FF现场总线系统的网络布线与安装及总线供电与网络配置等一些具体工程问题，读者可参考相关资料，限于篇幅本章将不再介绍。6.5 PROFIBUS总线6.5.1 PROFIBUS总线概述Profibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN50170的现场总线。它符合ISO/OSI参考模型。由Profibus-Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA三个版本组成，分别用于不同场合。P

33、rofibus是由德国Siemens公司倡导、在欧洲等地颇具影响力的现场总线。世界上许多自动化设备生产商都为其设备提供Profibus接口，Profibus技术已相当成熟。在我国，主要由于Siemens电气及自动化设备所占市场份额越来越大，PROFIBUS总线的影响力也随之增强。图6-5 Profibus系列图6-6 Profibus的应用范围6.5.2 PROFIBUS基本特性PROFIBUS采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了37层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第36层，采用了应用层，作为标准的第二部分。PA型的标

34、准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从IEC1158-2(1)标准，可实现总线供电与本质安全防爆。Profibus的传输速率为9.612Mbps,最大传输距离在12kbps时为1000m，15Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。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（地址为0126）6.5.3 PROFIBUS总线访问机制Porfibus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。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，事先规定好令牌在各主站

35、中循环一周的最长时间。按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播 (不要求应答 ),或有选择地向一组站点广播。图6-7 PROFIBUS总线访问机制PROFIBUS总线访问协议第二层对三种PROFIBUS版本(FMS/DP/PA)均相同，这使通信透明和FMS/DP/PA 网络区域容易组合。因为FMS/DP 使用相同的物理介质(RS-485/FO) 因此它们能组合在同一根电缆上。 6.5.4 PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP（Decentralize

36、d Periphery）是一种经过优化的高速通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计的，其传输速率可达12Mbit/s，一般构成单主站系统。可用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域。PROFIBUS-DP的特点:1.代替PLC/PC 与I/O 之间昂贵的电线。2.快速传输1 千字节的输入数据和1千字节的输出数据所需时间2 ms。3.被所有主要的PLC 制造商支持。4.有广泛的产品: PLC, PC, I/O, 驱动器, 阀, 编码器等。5.允许周期性和非周期性的数据传输。6.单主和多主网络。7.每个站的输入和输出数据最多可达244 字节。图6-8典型的PROFIB

37、US-DP 系统6.5.5PROFIBUS-PAProfibus-PA（Process Automation）是专门为过程自动化设计的。它通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险防爆区域。PROFIBUS- PA的特点1.基于扩展的PROFIBUS-DP 协议和IEC 1158-2 传输技术。2.适用于代替现今的420 mA 技术。3.仅用一根双绞线进行数据通信和供电。4.通过串行总线联接仪器仪表与控制系统。5.适用于本质安全的EEx 应用区域。6.可靠的串行数字传输。7.通过一根双绞电缆进行控制调节和监视。8.由于PROFIBUS-PA 行规，保证了互操作性和互换性。图6-9典型的PROFI

38、BUS-PA 系统6.5.6 PROFIBUS-FMSProfibus-FMS（Fieldbus Message Specification）主要解决车间级通用性通信任务，提供大量的服务，完成中等速度的循环和非循环通信任务，一般构成实时多主网络系统。适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PROFIBUS-FMS的特点1.FMS 最佳适用于车间级智能主站间通用的面向对象的通信。2.FMS 提供一个MMS-功能子集MMS 即Manufacturing Message Specification,ISO9506)。3.主要应用区域:􀁺*大数量的数据传输例如程序数据块等等

39、。 *若干个分散过程部分集成到一个公共过程中。􀁺*智能站间的通信。图6-10 典型的PROFIBUS-FMS 系统6.5.7 PROFIBUS通信参考模型 图6-11 ISO/OSI参考模型与PROFIBUS结构比较PROFIBUS通信协议按照应用领域进行了优化，参照ISO/OSI参考模型，PROFIBUS仅包含第1，2和7层。物理层：规定采用RS485规范，线形结构下介质采用双绞线。总线数据链路子层：主要规定在PROFIBUS主设备之间采用令牌方式，从设备由主设备循环查询。总线信息规范子层：本层主要用于协议数据单元的编码和译码。6.5.8 DP从站的单片实现原则上讲任何一款

40、配置了异步串行口（UART）微处理器，都能实现PROFIBUS协议，由于目前PROFIBUS应用广泛，很多公司推出了专用芯片（ASIC），并且物美价廉。例如西门子的LPSM2，芯片中包含了PROFIBUSDP协议的全部功能，不需要任何微处理器和软件，只需外加总线接口驱动装置、晶振等器件就可实现DP从站。6.6 CAN总线“今天，在欧洲几乎每一辆新客车中均装配有CAN局域网。”从上面这句话中我们可以窥见CAN总线技术发展之一斑。2000年市场销售了超过1亿个CAN器件，可见CAN总线应用之广泛。CAN总线技术能够被全世界的汽车厂商接受，几乎垄断性地占据了对可靠性要求极高的汽车电控系统市场，这本身

41、就是对CAN总线技术最具说服力的肯定。6.6.1 CAN总线概述CAN全称为Controller Area Network ，最初出现在80 年代末的汽车工业中，由德国Bosch 公司最先提出。当时由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993 年CAN 已成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519 (低

42、速应用)。CAN 是一种多主方式的串行通讯总线。基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km 时CAN 仍可提供高达50Kbit/s 的数据传输速率。由于CAN 总线具有很高的实时性能，因此CAN 已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。6.6.2 CAN通讯模型CAN定义了ISO/OSI模型的最下面的两层,如图所示，即数据物理层和链路层（该层又细分为对象层和传输层）。应用层协议可由用户自己定义。传输层是CAN 协议的核心，它把接收到的报文提供给对象层，以及接收来自对象层的报文。传输层负责位定时及同步、报文分

43、帧、仲裁、应答、错误检测和标定、故障界定。图6-12 CAN通信模型6.6.2.1 CAN的物理层 CAN 能够使用很多物理介质，例如双绞线、光纤等。只要物理驱动器是在开集电极，而且每个节点都能够监听到它自己以及其他所有节点，那么CAN就能够工作。最常用的就是双绞线，一个信号能够使用差分电压传送，CAN 驱动器能够因此而避免噪声和容错。这两条信号线被称为CAN_H 和CAN_L。静态时是2.5V，用CAN_H比CAN_L高表示的逻辑0，被称为显形位；而用CAN_L比CAN_H高表示的逻辑1，叫做隐性位。图6-13 CAN 物理层的电气连接差分的电压使得CAN网络即使在一条信号线断开或者在噪声极

44、大的环境中也能够工作。只需要一对双绞线，差分的CAN 输入就能够很有效地抵偿噪音。CAN总线收发器提供接口把TTL逻辑电平转换成CAN 要求的对称线电平。6.6.2.2 CAN的数据链路层机制6.6.2.2.1 CAN报文帧在CAN 总线中有四种报文形式（也有人称之为四种通讯对象）：带有应用数据的数据帧；向网络请求数据的远程帧；能够报告每个节点错误的出错帧；如果节点的接收器电路尚未准备好就会延迟传送的过载帧；1.数据帧：数据帧携带数据从发送节点至接收节点。数据帧由7个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结尾。数据场的长度可以为0。帧起始(1隐性位)11位标识符

45、+RTR4位DLC08字节的数据场CRC序列+CRC界定符ACK间隙+ACK界定符帧结尾 仲裁场 控制场 数据场 CRC 场 应答场图6-14 CAN数据帧的标准格式值得注意的是：CAN报文中是不含源地址和目标地址的，它靠仲裁场中的标志符ID指示报文帧的功能和优先级，网络中任何对该报文感兴趣的节点都可接收报文。在CAN2.0A版本中，标志符ID为11位；CAN2.0B版本中支持11位标志符和29位标志符，分别称为标准帧和扩展帧。CAN2.0B标准帧和扩展帧的结构如图6.15。图6-15 CAN2.0B的标准帧和扩展帧当节点接收到一个报文，将标识符与验收滤波器或者用户在CAN 控制器定义的标识符

46、列表相比较，如果标识符通过了验收过滤器或者与列表的标识符匹配，它就会被节点接收，并产生CPU 中断。因而相同的报文能够被设计者要求的所有节点接收。标识符的编号越低，报文的优先权就越高。标识符后面是控制场，控制场的主要作用是指示数据场长度，其中的4位DLC规定了数据场中字节的数量；RTR位主要用以区别数据帧和远程帧。数据帧的RTR位必为显性位，远程帧的RTR位必为隐性位。剩下的场是由CAN 控制器产生，包含了15 位循环冗余检查CRC(对前面的场位进行计算得出)和一个应答隙（ACK 场）。应答隙是报文包中的一个间隙，它允许一个已经正确接收报文的节点插入一个应答(发送器发送的数据帧报文的应答场是连

47、续两个隐性位，某一个正确接收到报文的接收器会将应答场的第一个隐性位改写成显性位，这个显性位处于第二个隐性位和其前的CRC界定符的包围中，形成一个应答间隙)，这等于告诉了发送器报文已经被正确接收。如果发送节点没有得到应答，它会继续重新发送报文直到得到应答为止。2.远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。通过发送远程帧，作为某数据接收器的节点可通过向其需要的数据源节点发送一个远程帧来激活该数据源。远程帧由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC 场、应答场、帧末尾。与数据帧相反，远程帧的RTR 位是“隐性”的。它没有数据场，数据长度代码的数值是不受制约的（可以标注为容许范围里0.8 的任何数值）。CAN节点可以发送一个数据请求到特定的地址，远程发送请求RTR 位定义了报文的类型是请求发送数据还是发送实际数据，数据长度代码告诉接收器，报文里面包含了多少个数据字节。如果是数据请求，则没有数据字节随传，那么数据长度代码就不会与数据字节数有直接关系。3.错误帧：任何单元检测到一个总线错误就发出错误帧。错误帧由两个不同的场组成。第一个场用作为不同站提供的错误标志（ERROR FLAG）的叠加。第二个场是错误界定符。为了能正确地终止错误帧，一“错误被动”的节点要求总线至少有长度为3