第7章 计算机测控系统的总线技术 《计算机测控技术与系统》电子课件.ppt

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2023/7/9,1,第7章计算机测控系统的总线技术,学习目标：

掌握测控系统总线技术的基本概念熟悉常用的系统总线标准熟悉常用的串行通信总线了解现场总线技术,2023/7/9,2,7.1总线技术的概述,1.总线的产生,为了使插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对连接各插件或各系统的基础总线，制定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产插件模块提供统一的依据。

2.总线的定义及分类,

（1）总线的定义,总线是一组信号线的集合。

这些线是系统的各插件间（或插件内部芯片间）、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。

2023/7/9,3,

（2）总线的分类,根据总线不同的结构和用途，总线有如下的2种类型,a.专用总线我们将只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线。

专用总线的基本优点是其具有较高的流量，多个部件可以同时发送或接受信息，几乎不会出现总线争用的现象。

在全互连或部分互连以及环形拓扑结构中使用的总线就是专用总线。

b.非专用总线非专用总线可以被多种功能或多个部件所共享，所以也称之为共享总线。

每个部件都能通过共享总线与接在总线上的其他部件相连，但在同一时刻，却只允许2个部件共享通信，其他部件间的通信要分时进行，因此准确地应称之为分时共享总线。

2023/7/9,4,根据总线的用途和应用环境，总线可以有如下3种类型,a.局部总线,b.系统总线,c.外总线,2023/7/9,5,根据总线传送信号的形式，总线又可分为2种,a.并行总线如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。

并行总线的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。

b.串行总线串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。

其特点是可以用几根信号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。

显然，上面提到的总线和局部总线均属于并行总线范畴。

而现场总线（Fieldbus）则是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。

2023/7/9,6,7.2系统总线,1.PCI总线,典型PCI总线系统结构示意图,2023/7/9,7,2.PXI总线,PXI总线是1997年美国国家仪器公司（NI）发布的一种高性能低价位的开放性、模块化仪器总线，是一种专为工业数据采集与仪器仪表测量应用领域而设计的模块化仪器自动测试平台。

PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，采用标准高性能IEC连接器，并增加了专门的同步总线。

这使得它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台，广泛应用于制造测试、航空航天、军事国防、汽车生产等各种工业测试领域中。

PXI系统主机组成,2023/7/9,8,PXI系统由三个基本部分组成机箱、系统控制器和外围模块。

图所示的是一个标准的8槽PXI机箱中，包括一个嵌入式系统控制器和七个外围模块。

PXI机箱为系统提供了坚固的模块化封装。

机箱中具有高性能的PXI背板，该背板包括PCI总线，定时总线以及触发总线。

2023/7/9,9,PXI模块化仪器系统中增加了专用的10MHz系统参考时钟、PXI触发总线、星形触发总线和槽与槽之间的局部总线。

PXI在其背板上，将工业标准的PC机组件（如PCI总线）与高级触发和同步扩展组合在一起，从而在保持PCI总线所有优势的同时，满足高级定时、同步和相邻槽直接通信等应用中的需求。

2023/7/9,10,按机械、电气及软件体系结构用方框图汇总了PXI规范的基本内容。

2023/7/9,11,7.3串行通信总线,1.串行通信的基本概念,

（1）数据传送方式,串行通信中数据传送方式有三种：

单工方式、半双工方式和全双工方式。

单工方式,半双工方式,全双工方式,2023/7/9,12,

（2）数据传输率,数据传输率是指单位时间内传输的信息量，可用比特率和波特率来表示。

比特率：

是指每秒传输的二进制位数，用bps（bit/s）表示。

波特率：

是指每秒传输的符号数，若每个符号所含的信息量为1比特，则波特率等于比特率。

位时间：

是指传送一个二进制位所需时间，用Td表示。

Td=1/波特率=1/B,2023/7/9,13,（3）发送时钟和接收时钟,在串行通信中，二进制数据以数字信号的信号形式出现，不论是发送还是接收，都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。

在TTL标准表示的二进制数中，传输线上高电平表示二进制1，低电平表示二进制0，且每一位持续时间是固定的，由发送时钟和接收时钟的频率决定。

发送时钟,2023/7/9,14,接收时钟,波特率因子,接收时钟和发送时钟与波特率有如下关系：

F=nB这里F是发送时钟或接收时钟的频率；B是数据传输的波特率；n称为波特率因子。

在实际串行通信中，波特率因子可以设定。

在异步传送时，n=1，16，64，实际常采用n=16。

在同步通信时，波特率因子n必须等于1。

2023/7/9,15,2.串行通信的同步和异步方式,

（1）异步通信,异步通信方式（AsynchronousDataCommunication，ASYNC），又称起止式异步通信，是计算机通信中最常用的数据信息传输方式。

它是以字符为单位进行传输的，字符之间没有固定的时间间隔要求，而每个字符中的各位则以固定的时间传送。

收、发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位和停止位。

在一个有效字符正式发送前，发送器先发送一个起始位，然后发送有效字符位，在字符结束时再发送一个停止位，起始位至停止位构成一帧。

2023/7/9,16,异步通信具有如下特点,1、起止式异步通信协议传输数据对收发双方的时钟同步要求不高，即使收、发双方的时钟频率存在一定偏差，只要不使接收器在一个字符的起始位之后的采样出现错位现象，则数据传输仍可正常进行。

2、实际应用中，串行异步通信的数据格式，包括数据位的位数、校验位的设置以及停止位的位数都可以根据实际需要，通过可编程串行接口电路，用软件命令的方式进行设置。

3、串行异步通信中，为发送一个字符需要一些附加的信息位，如起始位、校验位和停止位等。

这些附加信息位不是有效信息本身，它们被称为额外开销或通信开销，这种额外开销使通信效率降低。

4、串行异步通信依靠对每个字符设置起始位和停止位的方法，使通信双方达到同步。

2023/7/9,17,

（2）同步通信,同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。

因此，在同步通信中，收发双方必须有准确的位定时信号，即双方的时钟频率要严格一致。

在数据格式上，这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。

每个字符不增加任何附加位，字符和字符是连续发送的。

它们均由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。

其中同步字符位于帧开头，用于确认数据字符的开始。

数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；校验字符有1到2个，用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。

同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。

2023/7/9,18,3.串行通信的差错控制技术,

（1）纠错编码,纠错编码是差错控制技术的核心。

所谓纠错编码方法是在有效数据信息的基础上附加一定的冗余信息位，利用每个信息位的组合来监督信息码的传送情况。

纠错编码的方法很多，最常用的有两种：

奇偶效验码和循环冗余校验码。

奇偶效验码,数据6的奇偶校验码数据格式,2023/7/9,19,循环冗余校验码,循环冗余校验码（CyclicRedundancyCheck，CRC）是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。

循环冗余校验码就是在K位信息码后，再拼接R位的校验码，整个编码长度为N位。

校验码生成的具体过程为：

设发送信息用多项式C（x）来表示，将C（x）左移R位，则可以表示为C（x）2R（左移一位相当于乘2，左移R位相当于乘2R）。

这样，在C（x）的右边会出现R位空位，这些空位就是校验码的位置。

通过C（x）2R除以生成多项式G（x）得到余数就是校验码。

2023/7/9,20,下面通过一个例子说明CRC码的生成过程。

已知要发送的二进制信息码为11101010001，设生成多项式为G（x），则可以利用如下所示的多项式模2除法求出余数，即校验码。

余数1010即为校验码，于是可求得该信息码的循环校验码为：

111010100011010。

2023/7/9,21,

（2）纠错方法,重发纠错,重发纠错的工作原理是发送端发送能校验错误码的信息码（如奇偶校验码），接收端根据该码的编码规则，判断信息传输中有无错误，并把判断结果反馈给发送端。

如果发现有错误，则请求再次发送，直到接收端认为正确为止。

自动纠错,自动纠错原理是发送端发送的信息码中要包含检错的信息码和纠错的信息码。

接收端收到这些编码后，进行译码，通过译码能够自动发现错误，而且要能够自动纠正传输中的错误。

混合纠错,混合纠错方式是重发纠错和自动纠错两种方式的结合。

其工作原理是发送端发送的信息编码中有一定的检错和纠错能力；接收端接收到编码后，进行解码，若发现错误位数，且在纠错能力范围内，则自动纠错；如果错误位数较多，超过了纠错能力，则发出反馈信息，要求发送端重新发送。

2023/7/9,22,4.常用串行通信标准总线,

（1）RS-232C总线,RS-232C是由美国电子工业协会（ElectronicIndustryAssociation，EIA）在1969年颁布的一种的串行物理接口标准，也是在计算机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通信。

采用RS-232C作为串行通信时，通信距离可达12m，传输数据的速率可任意调整，最大可达20kbps。

2023/7/9,23,RS-232C总线的电气特性,电气连接方式,主要特点：

非平衡的连接方式采用点对点通信公用地线,2023/7/9,24,最高通信速率为115200bpsRS-232C标准规定通信距离应小于15m。

电气参数,引线信号状态RS-232C标准引线状态必须是以下三种之一，即SPACE/MARK（空号/传号）、或ON/OFF（通/断）、或逻辑0/逻辑1。

引线逻辑电平,用-3-15V表示逻辑1用+3+15V表示逻辑0,短路抑制性能RS-232C的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路,通信速率,2023/7/9,25,RS-232C串行通信的典型连接形式有两种：

一种是数据终端计算机（DTE）之间，零调制解调器的连接形式；另一种是数据终端PC机（DTE）与数据通信设备（DCE）的通信。

当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信。

2023/7/9,26,RS-232C逻辑状态定义的正负电压范围与TTL高低电平表示逻辑状态的规定不同。

因此，为了能够使计算机接口与终端的TTL器件连接，必须在RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系变换。

MAX232是MAXIM公司生产的，包含两路驱动器和接收器的RS-232C转换芯片。

芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的+5V电压转换为RS-232C接口所需的12V电压，尤其适用于没有12V的单电源系统。

2023/7/9,27,

（2）RS-422A总线,为了解决RS-232C的一系列不足，在1977年EIA公布了“平衡电压数字接口电路的电气特性标准”，即RS-422A串行总线标准。

与RS-232C的关键区别在于把单端输入改为双端差分输入，信号地不再公用，双方的信号地也无须相连；数据传送首先通过驱动器，把逻辑电平转换为平衡驱动的差分信号，通过双绞线传送至接收器，接收器把差分信号的电位差转换回逻辑电平，实现信号的传输。

差分信号,2023/7/9,28,（3）RS-485总线,EIA于1983年在RS-422A的基础上制定了RS-485标准，全称为TIA/EIA-485-A。

RS-422A为双通道的全双工结构，可同时实现接收和发送，而RS-485则为半双工，在某一时刻，数据流单向传输。

除此之外，RS-485增加了发送器的驱动能力和冲突保护功能，允许多个驱动器连接在同一条总线上，扩展了总线共模范围。

RS-485总线网络一般采用终端匹配的总线型结构，即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。

2023/7/9,29,串行总线协议转换器,2023/7/9,30,RS485具有以下特点：

RS-485的电气特性：

逻辑“1”以两线间的电压差为+2V+6V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-2V-6V表示。

RS-485的数据最高传输速率为10Mbps,RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强。

RS-485接口的最大传输距离为1200m，在总线上是允许连接多达128个收发器,即具有多站能力和多机通信功能。

2023/7/9,31,RS-232C、RS-422与RS-485总结,外形不是区别点，都可能有各种形式的接插件如9、15和25针RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。

总结：

RS232的传输是点对点的,并且传输距离只有15米（有条件限制）.，RS422的传输支持一点对多点，RS485的传输支持多点对多点,传输距离达到1200米.（采用半双工传输）RS422跟485的区别在于它传输方式是全双工传输注意：

一般的电脑只配有RS232串口，若要想用它和工控装置的RS-485串口相接，就需使用外置RS-232/RS-485转换头，对RS-232口转换后即可相连了。

2023/7/9,32,（4）USB总线,USB（UniversalSerialBus）是一种通用串行总线，是由Conpaq，DEC，IBM，Inter，Microsoft，NEC和NorthenTelecom等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种免费的标准化连接器，它支持各种PC与外设之间的连接，还可实现数字多媒体集成。

USB主要特点是：

即插即用，可热插拔。

USB连接器将各种各样的外设I/O端口合而为一，使之可热插拔，具有自动配置能力，用户只要简单地将外设插入到PC以外的总线中，PC就能自动识别和配置USB设备。

USB技术的另一个特点是传输速度快。

USB2.0标准的最高传输率可达480Mbps。

对于高速且需要高带宽的外设，USB以全速12Mb/s的速率传输数据；对于低速外设，USB则以1.5Mb/s的速率传输数据。

USB总线会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换。

2023/7/9,33,USB总线结构简单，采用4线电缆，其中2根是用来传送数据的串行通道，另外2根为下游设备提供电源。

USB是基于令牌的总线，USB主控制器广播令牌，总线上设备检测令牌中的地址是否与自身相符，通过接收或发送数据给主机来响应。

2023/7/9,34,USB系统采用级联星型拓扑结构，由主机（Host）、集线器（Hub）和功能设备三个基本部分组成。

主机，也称为根、根结或根Hub，它做在主板上或作为适配卡安装在计算机上，主机包含有主控制器和根集线器（RootHub），控制着USB总线上的数据和控制信息的流动，每个USB系统只能有一个根集线器，它连接在主控制器上。

集线器是USB结构中的特定组成部分，它提供端口将设备连接到USB总线上，同时检测连接在总线上的设备，并为这些设备提供电源管理，负责总线的故障检测和恢复。

2023/7/9,35,USB连接设备和主机的连接方法,USB集线器和设备的电阻连接,2023/7/9,36,USB连接设备和主机的连接方法,USB集线器通过监视差分数据线来检测设备是否已连接到集线器的端口上.,当没有设备连接到USB端口时，D+和D-通过下拉电阻Rpd电平是近地的。

USB设备必须至少在D+和D-线的任意一条上有一个上拉电阻Rpu,由于Rpu=1.5K,Rpd=15K,所以数据线上会有90%的Vcc电压,集线器通过检测不同的数据线电压接近Vcc来判别是哪一类USB设备连接到其端口上,如D+电平接近Vcc，D-近地，则所连设备为全速设备如D-电平接近Vcc，D+近地，则所连设备为低速设备当D+和D-的电压都降到0.8V以下，并持续2.5微妙以上的话，就认为该设备断开连接了。

2023/7/9,37,7.4现场总线技术,1.现场总线概述,

（1）现场总线的定义,现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。

简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，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。

按照国际电工委员会IEC61158的标准和FF（FieldbusFoundation，现场总线基金会）的定义：

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。

简单地说就是从控制室连接到现场设备的双向全数字通信总线。

它是应用在生产现场，在微机化测控设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。

2023/7/9,38,

（2）现场总线的特点,简单地概括现场总线技术的特点是：

信号传输全数字，控制功能全分散，标准统一全开放。

系统的开放性,开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。

用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

互可操作性与互用性,这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。

而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

2023/7/9,39,它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

智能化与功能自治性,由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。

从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

系统结构的高度分散性,工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、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，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

对现场环境的适应性,2023/7/9,40,（3）现场总线的优点,现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，把通信线一直延伸到生产现场或生产设备。

因而接线简单、费用低廉、维护方便。

节省硬件数量与投资,由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。

2023/7/9,41,节省安装费用,现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。

当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。

缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

节省维护开销,2023/7/9,42,用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。

避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

系统集成主动权,由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。

同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：

减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。

准确性与可靠性,2023/7/9,43,2.几种流行的现场总线,

（1）PROFIBUS总线,PROFIBUS（ProcessFieldBus，过程现场总线）是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。

PROFIBUS系列总线项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。

广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其它自动化领域。

它是德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170的现场总线。

它采用了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。

2023/7/9,44,PROFIBUS的传输速率为9612kbps，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。

一个典型的工厂自动化系统采用三级网络结构。

基于现场总线PROFIBUS-DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。

现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络。

PROFIBUS网络结构图,2023/7/9,45,

（2）CAN总线,CAN是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork,CAN）的简称，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

20世纪80年代由德国Bosch公司用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信。

目前CAN总线主要用于汽车自动化领域，如发动机自动点火、注油、复杂的加速刹车控制（ASC）、抗锁定刹车系统（ABS）和抗滑系统等。

BENZ、BMW等著名汽车上已经采用CAN来满足上述功能。

在工业过程控制领域，CAN也得到了广泛的应用。

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，不过，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。

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/kbps，可挂接设备最多可达110个。

2023/7/9,46,CAN在物理结构上属于总线式通信网络。

系统由上位监控PC机、智能节点和现场设备三部分组成。

上位监控PC机主要负责对系统数据的接受与管理、控制命令的发送以及各控制单元动态参数和设备状态的实时显示。

智能节点可以使现场设备方便地连接到CAN总线上，主要负责对现场的环境参数和设备状态进行监测，对采集来的数据进行打包处理并将处理后的数字信号通过CAN通信控制器SJA1000发送到CAN总线。

2023/7/9,47,（3）基金会现场总线,基金会现场总线，即FoudationFieldbus，简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。

其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子Siemens等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。

以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。

基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。

H1的传输速率为3125Kbps，通信距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆