工业通信协议ModbusProfibusDPDevicenet和EthernetWord文档格式.docx
《工业通信协议ModbusProfibusDPDevicenet和EthernetWord文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业通信协议ModbusProfibusDPDevicenet和EthernetWord文档格式.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
因此串并转换是串行接口电路的重要任务。
（3）控制数据传输速率：
串行通信接口电路应具有对数据传输速率——波特率进行选择和控制的能力。
4）进行错误检测：
在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位或其他校验码。
在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他校验码，确定是否发生传送错误。
（5）进行TTL与EIA电平转换：
CPU和终端均采用TTL电平及正逻辑，它们与EIA采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。
（6）提供EIA-RS-232C接口标准所要求的信号线：
远距离通信采用MODE时,需要9根信号线；
近距离零MODE方式，只需要3根信号线。
这些信号线由接口电路提供，以便与MODE或终端进行联络与控制。
2、串行通信接口电路的组成
为了完成上述串行接口的任务，串行通信接口电路一般由可编程的串行接口芯片、波特率发生器、EIA与TTL电平转换器以及地址译码电路组成。
其中，串行接口芯片，随着大规模继承电路技术的发展，通用的同步（USRT和异步（UART
接口芯片种类越来越多，如下表所示。
它们的基本功能是类似的，都能实现上面提出的串行通信接口基本任务的大部分工作，且都是可编程的。
才用这些芯片作为串行通信接口电路的核心芯片，会使电路结构比较简单。
芯片
同步（USRT）
异步（UART）（起止式）
传输速率b/s
面向字符
HDLC
同步
INS8250
56K
MC6850
1M
MC6852
1.5M
MC6854
Int8251A
64K
19.2K
Int8273
Z-80SIO
800K
3.有关串行通信的物理标准
为使计算机、电话以及其他通信设备互相沟通，现在，已经对串行通信建立了几个一致的概念和标准，这些概念和标准属于三个方面：
传输率，电特性，信号名称和接口标准。
1、传输率：
所谓传输率就是指每秒传输多少位，传输率也常叫波特率。
国际上规定了一个标准波特率系列，标准波特率也是最常用的波特率，标准波特率系列为110、300、600、1200、4800、9600和19200。
大多数CRT终端都能够按110到9600范围中的任何一种波特率工作。
打印机由于机械速度比较慢而使传输波特率受到限制，所以，一般的串行打印机工作在110波特率，点针式打印机由于其内部有较大的行缓冲区，所以可以按高达2400波特的速度接收打印信息。
大多数接口的接收波特率和发送波特率可以分别设置，而且，可以通过编程来指定
2、RS-232-C标准：
RS-232-C标准对两个方面作了规定，即信号电平标准和控制信号线的定义。
RS-232-C采用负逻辑规定逻辑电平，信号电平与通常的TTL电
平也不兼容，RS-232-C将-5V〜-15V规定为“1”，+5V〜+15V规定为“0”。
图1是TTL标准和RS-232-C标准之间的电平转换。
图1
二、软件协议
1.OSI协议和TCP/IP协议
图2
（1）OSI协议
OSI七层参考模型不是通讯标准，它只给出一个不会由于技术发展而必须修改的稳定模型，使有关标准和协议能在模型定义的范围内开发和相互配合。
一般的通讯协议只符合OSI七层模型的某几层，如：
EIA-RS-232-C:
实现了物理层。
IBM的SDL（同步数据链路控制规程）：
数据链路层。
ANSI的ADCCP先进数据通讯规程）：
数据链路层IBM的BSC（二进制同步通讯协议）：
数据链路层。
应用层的电子邮件协议SMTPR负责寄信、POP：
只负责收信。
（2）TCP/IP协议
实现了五层协议。
（1）物理层：
对应OSI的物理层。
（2）网络接口层：
类似于OSI的数据链路层。
（3）Internet层：
OSI模型在Internet网使用前提出，未考虑网间连接。
（4）传输层：
对应OSI的传输层。
5）应用层：
对应OSI的表示层和应用层。
2.串行通信协议
串行通信协议分同步协议和异步协议。
（1）异步通信协议的实例——起止式异步协议
图3
特点与格式：
起止式异步协议的特点是一个字符一个字符传输，并且传送一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。
其格式如图3所示。
每一个字符的前面都有一位起始位（低电平，逻辑值0）,字符本身有5〜7位数据位组成，接着字符后面是一位校验位（也可以没有校验位），最后是一位，或意味半，或二位停止位，停止位后面是不定长度的空闲位。
停止位和空闲位都规定为高电平（逻辑值），这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。
从图中可以看出，这种格式是靠起始位和停止位来实现字符的界定或同步的，故称为起始式协议。
传送时，数据的低位在前，高位在后，图4表示了传送一个字符E的ASCAII码的波形1010001。
当把它的最低有效位写到右边时，就是E的ASCII码1000101=45H。
图4起／止位的作用：
起始位实际上是作为联络信号附加进来的，当它变为低电平时，告诉收方传送开始。
它的到来，表示下面接着是数据位来了，要准备接收。
而停止位标志一个字符的结束，它的出现，表示一个字符传送完毕。
这样就为通信双方提供了何时开始收发，何时结束的标志。
传送开始前，发收双方把所采用的起止式格式（包括字符的数据位长度，停止位位数，有无校验位以及是奇校验还是偶校验等）和数据传输速率作统一规定。
传送开始后，接收设备不断地检测传输线，看是否有起始位到来。
当收到一系列的“1”（停止位或空闲位）之后，检测到一个下跳沿，说明起始位出现，起始位经确认后，就开始接收所规定的数据位和奇偶校验位以及停止位。
经过处理将停止位去掉，把数据位拼装成一个并行字节，并且经校验后，无奇偶错才算正确的接收一个字符。
一个字符接收完毕，接收设备有继续测试传输线，监视“0”电平的到来和下一个字符的开始，直到全部数据传送完毕。
由上述工作过程可看到，异步通信是按字符传输的，每传输一个字符，就用起始位来通知收方，以此来重新核对收发双方同步。
若接收设备和发送设备两者的时钟频率略有偏差，这也不会因偏差的累积而导致错位，加之字符之间的空闲位也为这种偏差提供一种缓冲，所以异步串行通信的可靠性高。
但由于要在每个字符的前后加上起始位和停止位这样一些附加位，使得传输效率变低了，只有约80%。
因此，起止协议一般用在数据速率较慢的场合（小于19.2kbit/s）。
在高速传送时，一般要采用同步协议。
（2）面向字符的同步协议
这种协议的典型代表是IBM公司的二进制同步通信协议（BSC）。
它的特点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符，并规定了10个字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，它们也叫做通信控制字。
由于被传送的数据块是由字符组成，故被称作面向字符的协议。
特定字符（控制字符）的定义：
由上面的格式可以看出，数据块的前后都加了几个特定字符。
SYN是同步字符（synchronousCharacter），每一帧开始处都有SYN，加一个SYN的称单同步，加两个SYN的称双同步设置同步字符是起联络作用,传送数据时,接收端不断检测,一旦出现同步字符,就知道是一帧开始了。
接着的SOH是序始字符（StartOfHeader），它表示标题的开始。
标题中包括院地址、目的地址和路由指示等信息。
STX是文始字符（StartOfText），它标志着传送的正文（数据块）开始。
数据块就是被传送的正文内容，由多个字符组成。
数据块后面是组终字符ETB（EndOfTransmissionBlock）或文终字符ETX（EndOfText），其中ETB用在正文很长、需要分成若干个分数据块、分别在不同帧中发送的场合，这时在每个分数据块后面用文终字符ETX一帧的最后是校验码，它
对从SOH开始到ETX（或ETB字段进行校验，校验方式可以是纵横奇偶校验或CRC另外，在面向字符协议中还采用了一些其他通信控制字，它们的名称如下表所示：
名称
ASCII
EBCDIC
序始（SOH）
000000100000001
文始（STX）
0000010
00000010
组终（ETB）
001011100100110
文终（ETX）
0000011
00000011
同步（SYN）
0010110
00110010
送毕（EOT）
0000100
00110111
询问（ENQ）
0000101
00101101
确认（ACK）
0000110
00101110
否认（NAK）
0010101
00111101
转义（DLE）
0010000
00010000
数据透明的实现：
面向字符的同步协议，不象异步起止协议那样，需要在每个字符前后附加起始和停止位，因此，传输效率提高了。
同时，由于采用了一些传输控制字，故增强了通信控制能力和校验功能。
但也存在一些问题，例如，如何区别数据字符代码和特定字符代码的问题，因为在数据块中完全有可能出现与特定字符代码相同的数据字符，这就会发生误解。
比如正文有个与文终字符ETX的代码相同的数据字符，接收端就不会把它当作为普通数据处理，而误认为是正文结束，因而产生差错。
因此，协议应具有将特定字符作为普通数据处理的能力，这种能力叫做“数据透明”。
为此，协议中设置了转移字符DLE（DataLinkEscape）。
当把一个特定字符看成数据时，在它前面要加一个DLE这样接收器
收到一个DLE就可预知下一个字符是数据字符，而不会把它当作控制字符来处理了。
DLE本身也是特定字符，当它出现在数据块中时，也要在它前面加上另一个DLE这种方法叫字符填充。
字符填充实现起来相当麻烦，且依赖于字符的编码。
正是由于以上的缺点，故又产生了新的面向比特的同步协议。
3）面向比特的同步协议
面向比特的协议中最具有代表性的是IBM的同步数据链路控制规程SDLC（SynchronousDataLinkControl）,国际标准化组织ISO（International
StandardOrganization）的高级数据链路控制规程HDLC（HighLevelDatalinkControl）,美国国家标准协会（AmericalNationalStandardInstitute）的先进
数据通信规程ADCCP（AdvancedDataCommunicationControlProcedure）。
这些协议的特点是所传输的一帧数据可以是任意位，而且它是靠约定的位组合模式，而不是靠特定字符来标志帧的开始和结束，故称“面向比特”的协议。
这中协议的一般帧格式如图5所示：
图5帧信息的分段：
由图5可见，SDLC/HDLC勺一帧信息包括以下几个场（Filed）,所有场都是从有效位开始传送。
（1）SDLC/HDL（标志字符：
SDLC/HDL胁议规定，所有信息传输必须以一个标志
字符开始，且以同一个字符结束。
这个标志字符是01111110，称标志场（F）。
从
开始标志到结束标志之间构成一个完整的信息单位，称为一帧（Frame）。
所有的
信息是以帧的形传输的，而标志字符提供了每一帧的边界。
接收端可以通过搜索“01111110”来探知帧的开头和结束，以此建立帧同步。
（2）地址场和控制场：
在标志场之后，可以有一个地址场A（Address）和一个控制场C（Control）。
地址场用来规定与之通信的次站的地址。
控制场可规定若干个命令。
SDLC规定A场和C场的宽度为8位或16位。
接收方必须检查每个地址字节的第一位，如果为“0”，则后面跟着另一个地址字节；
若为“1”，则该字节就是最后一个地址字节。
同理，如果控制场第一个字节的第一位为为“0”，则还有第二个控制场字节，否则就只有一个字节。
（3）信息场：
跟在控制场之后的是信息场I（Information）。
I场包含有要传送的数据，并不是每一帧都必须有信息场。
即数据场可以为0，当它为0时，则这一帧主要是控制命令。
（4）帧校验信息：
紧跟在信息场之后的是两字节的争校验，帧校验场称为
FC（FrameCheck）场或称为帧校验序列FCS（FramecheckSquenee）。
SDLC/HDLC均采用16位循环冗余校验码CRC（CyclicRedundancyCode）。
除了标志场和自动插入的“0”以外，所有的信息都参加CRC计算。
实际应用时的两个技术问题：
（1）“0”位插入/删除：
如上所述，SDLC/HDL胁议规定以01111110为标志字节，但在信息场中也完全有可能有同一种模式的字符，为了把它与标志区分开来，所以采取了“0”位插入和删除技术。
具体作法是发送端在发送所有信息（除标志字节外）时，只要遇到连续5个“1”，就自动插入一个“0”，当接收端在接收数据时（除标志字节）如果连续收到5个“1”，就自动将其后的一个“0”删除是，以恢复信息的原有形式。
这种“0”位的插入和删除过程是由硬件自动完成的。
（2）SDLC/HDL异常结束：
若在发送过程中出现错误，贝USDLC/HDL协议常用异常结束（Abort）字符，或称为失效序列使本帧作废。
在HDLC规程中，7个连续的“1”被作为失效字符，而在SDLC中失效字符是8个连续的“1”。
当然在试销序列中不使用“0”位插入/删除技术。
SDLC/HDL协议规定，在一帧之内不允许出现数据间隔。
在两帧之间，发送器可以连续输出标志字符序列，也可以输出连续的高电平，它被称为空闲（Idle）信号。
IEC611588种类型现场总线
IEC61158标准包括8种类型的现场总线，构成了8种现场总线控制系统体系结构。
3．1Type1现场总路线
1999年1季度出版的IEC61158TS技术规范全面定义的现场总线称作Type1现场总线。
该现场总线的网络协议是按照ISOOSI参考模型建立的，它由物理
层、数据链路层、应用层，以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。
3．2Type2现场总线
Type2现场总线得到Contro1NetInternational（CI）组织的支持。
ContrlNet的基础技术最早于1995年面世。
该总线网络是一种用于对信息传送有时间苛刻要求的、高速确定性网络，同时，它允许传送无时间苛求的报文数据。
由Type2现场总线构成的系统结构可以看出，从工厂到设备的五层结构简化为信息层（ethernet）、控制层（controlNet）和现场层（deviceNet）三层结构。
3．3Type3现场总线
Type3现场总线得到Profibus用户组织PNO勺支持，德国西门子公司则是Profibus产品的主要供应商。
由该总线构成的系统体系结构可以看出，通信网络体系结构共分4级，最低一级执行器/变送器级采用ASI位总线（IECTC17B标准），现场一级采用Profilbus-DP现场总线，车间单元一级采用Profibus-FMS总线，工厂一级使用工业Ethernet网络。
3．4Type4现场总线
Type4现场总线由丹麦Process-DataSikeboryAps从1983年开始开发，主要应用于啤酒、食品、农业和饲养业，现已成为EN50170欧洲标准的第1部分。
它得到P—NET（ProcessautomationNet）用户组织的支持，在现场大约有5000个应用系统。
3．5Type5现场总线
Type5现场总线即为IEC定义的H2总线，它由FieldbusFoundation（FF）
组织负责开发，并于1998年决定全面采用已广泛应用于IT产业的高速以太网
（highspeedethernetHSE标准。
该总线使用框架式以太网（ShelfEthernet）技术，传输速率从100Mbps到IGbps或更高。
HSE完全支持Type1现场总线的各项功能，诸如功能块和装置描述语言等，并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与H1装置相连接。
连接到一个连接装置上的H1装置无须主系统的干予就可以进行对等层通信。
连接到一个连接装置上的H1装置同样无须主系统的干预也可以与另一个连接装置上的H1装置直接进行通信。
HSE总线成功地采用CSMA/C链路控制协议和TCP/IP传输协议，并使用了高速以太网IEEE802.3卩标准的最新技术。
3．6Type6现场总线
Type6Swiftnet现场总线由美国SHIPSTAR协会主持制定，得到美国波音公司的支持，主要用于航空和航天等领域。
该总线是一种结构简单、实时性高的总线，协议仅包括物理层和数据链路层，在标准中没有定义应用层。
3．7Type7现场总线
成立于1987年的WorldFIP协会制定并大力推广Type7现场总线。
WorldFIP协议是EN50170欧洲标准的第3部分，物理层采用IEC61158.2标准，其产品在法国占有60%市场，在欧洲市场占有大约25%份额。
它们广泛用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动化等领域。
3．8Type8现场总线
Type8现场总线由德国PhoenixContact公司开发，InterbusClub俱乐部支持。
它是一种串行总线系统，适用于分散输入/输出，以及不同类型控制系统间的数据传输。
协议包括物理层、数据链路层和应用层，它已成为德国DIN19258标准。
4．市场和技术发展需要单一的现场总线
5．现场总线转向Ethernet网络
Ethernet网络出现于1975年，随后3COM公司致力于使以太网的使用成为
一个多供应商标准。
1990年国际标准化组织采纳了其1982年定的标准，正式成为ISO/IEC802.3国际标准。
Ethernet从最初10Mbps以太网，过渡到100Mbps快速以太网和交换式以太网，直至发展到今天的千兆以太网和光纤以太网。
可以说，开放的Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术，并导致了一场信息技术的革命。
过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，在工业自动化领域只能得到有限应用，这是由于：
1Ethernet采用CSMA/C碰撞检测方式，在网络负荷较重（大约40%时，网络的确定性（determinism）不能满足工业控制的实时要求；
2Ethernet所用的接插件（connector）、集线器（hub）、交换机（switches）和电缆（cable）等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求；
3在工厂环境中，Ethernet抗干扰（EMI）性能较差。
若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能；
4Ethernet网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。
随着网络技术的发展，上述问题正在讯速得到解决。
为了促进Ethernet在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会（IndustrialEthernet
升级会员 