工业通信网络技术与应用复习含作业版Word下载.docx
《工业通信网络技术与应用复习含作业版Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业通信网络技术与应用复习含作业版Word下载.docx（41页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
为有效而可靠地通信，通信双方必须按一定的规程进行，如双方的同步、差错控制、传输链路的建立、维护和拆除及数据流量控制等。
通信系统：
硬件（信道+结点/设备）；
软件（通信协议）
1）使数字数据能在模拟信道上传输
三种常用的调制技术：
幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying）
频移键控FSK（FrequencyShiftKeying）
相移键控PSK（PhaseShiftKeying）
原理：
用数字信号对载波的不同参量进行调制。
载波信号S（t）=Acos（ωt+φ）
S（t）的参量包括：
幅度A、频率ω、初相位φj
调制就是要使A、ω或φ随数字基带信号的变化而变化
ASK：
用载波的两个不同振幅表示0和1
FSK：
用载波的两个不同频率表示0和1
PSK：
用载波的起始相位的变化表示0和1
2）数字编码:
NRZ\Manchester\差分Manchester
3）使模拟数据能在数字信道上传输
采样定理：
如果模拟信号的最高频率为F，若以≥2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。
要转换的模拟数据主要是电话语音信号
模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。
三个步骤：
采样：
按一定间隔对语音信号进行采样
量化：
把每个样本舍入到最接近的量化级别上
编码：
对每个舍入后的样本进行编码
编码后的信号称为PCM信号（脉码调制,PulseCodedModulation）。
数据传输的同步技术
目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：
同步脉冲频率
数据从什么时候开始，什么时候结束
位边界
数据块边界
数据通信中需要在三个层次上实现同步：
位——位同步
字符——字符同步
帧（Frame）——帧同步
工业通信系统的可靠性:
可靠性要求：
1）控制错误，和2）容错。
即系统有足够的抗干扰措施，同时要求在无法完全避免错误的情况下，有差错控制机制。
以保证系统能正常地工作。
干扰的抑制
解决噪声干扰问题的硬件方法：
屏蔽：
屏蔽共分两种，即电场屏蔽及磁场屏蔽。
隔离：
隔离是使电路相互独立，不成回路。
有效地切断噪声通道，常用方法有三种：
采用光电耦合器件；
用继电器隔离（因为继电器的信号动作与控制触点动作分在两个电路中）；
用隔离变压器隔离。
滤波：
用RC或LC滤波电路，消除或抑制直流电源传递的噪声。
接地：
“地线”指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。
它可以接大地，也可以与大地隔绝。
比如有信号地、模拟地、数字地和系统地等。
软件抗干扰技术
数字滤波：
加一段数字滤波程序，有中位值法、平均值法和限幅滤波等；
软件冗余/软件陷阱
“看门狗”（watchdog）：
控制器受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”。
当指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境时，通常采用程序监视技术，又称，使失控的程序摆脱“死循环”。
“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合实现。
第三章通信总线技术及应用
总线的性能指标主要有下面几条：
1）总线带宽，即最大数据传输速率，是最重要指标：
在计算机总线中用B/s表示，其它常用bps（bp/s）。
例如，PCI总线的宽度为32位，总线时钟频率为33MHz，则最大数据传输速率为:
（32/8）×
33=132MB／s；
2）总线时钟：
总线中各种信号的定时基准。
；
3）总线宽度：
总线中数据总线的数量，用Bit（位）表示，总线宽度有8位、16位、32位和64位之分；
4）信号线数：
总线中信号线的总数，包括数据总线、地址总线和控制总线；
5）负载能力：
总线中信号线带负载的能力。
该能力强表明可接的总线板卡可多一些。
当然，不同的板卡对总线的负载是不一样的，所接板卡负载的总和不应超过总线的最大负载能力。
微处理器常用串行总线：
通用异步接收器传输总线UART（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter）
同步外设接口（SPI-SerialPeripheralInterface）、
内部集成电路（I2C-Inter-IntegratedCircuit）。
常用异步串行通讯接口标准
RS232C
RS232是应用最早,最广泛的双机异步串行通信总线标准。
是美国电子工业协会的推荐标准RS=recommendedstandard
标准规定了数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）间串行通信接口的物理（电平）、信号和机械连接标准
RS232C的电气标准：
3V~15V:
逻辑0
-3V~-15V:
逻辑1
50ft@9600bps
RS422和RS485
其它常用工业通讯技术
1）FireWire串行总线（IEEE
1394）
IEEE一项视频传输串行接口标准。
早期由苹果开发，索尼曾参与开发（6线改4线），注册为iLINK商标。
2）USB：
支持外接设备热插拔、同时可为外设提供电源，省去了外设自带的电源、支持同步数据传输。
3）工业无线
ZIGBEE-RFID
4）PLC
第三章通信总线技术及应用
计算机接口总线
XT-AT-ISA-PCI-PCIe
工控机与测控仪器接口总线
STD总线-PC/104总线-AT96总线-VME-
CompactPCI/PXI总线工控机。
测量仪器接口总线：
GPIB-VXI-PXI-LXI
第四部分：
常用工业现场总线
1.概述
现场总线应用在生产现场1、在测控设备间2实现双向3串行4多节点5数字通信6。
现场总线本质体现：
现场通信网络：
现场设备互联：
使用不同介质把不同现场设备或仪表相联。
互操作性：
用户可选不同产品构成所需的控制回路。
分散功能块：
FCS把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表,实现了分散控制。
通信线供电：
通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量,这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表,与其配套的还有安全栅。
开放式互联网络：
可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。
基金会总线FF（FoudationFieldbus）
FF前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等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。
ISO/OSI模型中的物理层、数据链路层、应用层，并在应用层上增加了用户层。
FF超过了现场总线范围，是一个完整的工业网络体系。
新增用户层的主要功能：
定义信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定通用的功能模块集，对使用总线的用户应用进行规范。
虽然协议变得复杂，但却带来设备间的可相互操作性。
3）物理层：
低速H1，（H2后来被HSE-HighSpeedEthernet取代）。
IEC1158-2（MBP）双线信号传输技术，两种供电方式：
非总线供电和总线供电。
数字信号以31-25KHz的频率、0.75-1V的峰值电压被调制到9-32V直流电压上。
传输信号采用曼彻斯特编码。
4）数据链路层：
将集中调度式通信（LAS）与令牌循环的通信控制方式（LAS管理），可保证周期性变量的准确定时传输，同时又通过令牌予每一节点设备在定周期传输的间隙时间内自主通信的权利，保证了实时性。
链路主设备能够成为LAS，总线上至少有一个链路主设备，但同一时刻成为LAS的主设备只有一个。
LAS的产生可以是竞标方式或组态方式。
LAS通过优先级的动态管理和更新优先级来控制报文的传输
5）应用层分为两个子层：
FAS和FMS。
前者管理数据的传输，后者负责对用户层命令进行编码与解码。
现场总线访问子层FAS利用数据链路层的确定性的受调度通信与不受调度的非周期型通信，为上层应用提供了三种通信模型，即客户-服务器（C-S）模型、发布者-预定接收者（P-S）模型及源方-收存方（Source-Sink）模型。
现场总线报文规范子层FMS描述用户应用所需要的通信服务、报文格式及协议行为等，采用“对象描述（OD-ObjectDiscription）”来说明总线上传输数据对象的格式与意义。
把对象描述收集成“对象字典”（OD-ObjectDictionary），用来解释对象。
6）用户层由预先定义的标准功能块和用户自定义的柔性功能块FFB构成。
功能块是一个以数据结构为核心的软件逻辑处理单位，能完成一个独立而完整的控制功能。
通过功能块模型及其参数，可以组态、维护以及定制用户应用，易于实现基本的分布式控制功能。
4.LonWorks
LonWorks（LocalOperatingNetwork）Echelon1990年12月推出。
是一个开放系统，可使不同厂家生产的符合LonTalk协议的设备及产品进行互连。
相比其它主流总线，Profibus下包含着几十年甚至上百年的技术和应用技术积累，FF则是很多流行技术的一次整理好更新，而LonWorks是独立全新的现场总线技术：
从协议到设备，甚至核心芯片都是精心设计的结果。
主要技术特点为：
通信协议LonTalk符合ISO-OSI7层模型；
LonTalk协议封装于专门的Neuron芯片；
为总线应用提供了一套完整的开发平台，包含所有设计、配置和支持控制网元素。
LonWorks技术构成
1）物理层支持
LonWorks通信介质可使用双绞线、电缆、光纤、电力线等；
通信速率：
300b/s~1.25Mb/s，130m-2700m；
每帧长：
0——228字节；
2）介质访问控制（MAC）子层
LonTalk的属于带预测的P-坚持CSMA，节点根据网络的忙碌程度确定等待时间，忙时多等，空闲时少等，以避免碰撞。
LonTalk还可以提供：
优先级和认证（Authentication）服务；
3）LonWorks网络的节点
LonWorks设备由s节点（Node）和现场设备构成，网络节点上接LonWorks网络，下接现场设备（传感器或执行器）。
LonWorks控制网络中的现场控制节点有两类：
直接用神经元芯片作为通信处理器和测控处理器，和基于Hostbased的节点。
神经元芯片（NeuronChip）
Neuron具有通信和控制功能，内部有3个8位微处理器及RAM、ROM、E2PROM、和定时器/计数器等，已固化可编程的34种I/O对象和LonTalk通信协议（只有第7层需用户编程）。
NeuronChip加上收发器和电源可构成一个典型现场控制节点。
11个可编程的I/O引脚，可组成34种工作模式，5个通信引脚可组成3种通信模式，最高时钟10MHZ，2个16位定时器/计数器，1个48位标识符NeuronID，1个远程标识和诊断的Service引脚。
5.Profibus技术
Profibus系列分为三个兼容部分，分别应用不同工业领域：
（1）Profibus-DP（DecentralizedPeriphery）用于控制器（如PLC、PC、NC）与现场设备或设备级I/O间（如驱动器、检测设备、HMI等）通信。
取代24V或4～20mA的串联式信号传输；
（2）Profibus-PA（ProcessAutomation）过程自动化，也可作设备层总线；
（3）Profibus-FMS（FieldbusMessageSpecification）用来解决车间级通用性通信任务。
完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。
物理层：
MBP;
485
链路层:
通信为主从式：
主站获得令牌时，可主动发信息。
从站能回答；
所有主站按地址构成逻辑环，令牌依次在主站间传递。
在总线系统初建制定站点分配并建立逻辑环。
在总线运行期间，断电主站从环中排除，新上电主站加入逻辑环。
应用层和用户层
用户层定义不同设备行为规范，行规（Profiles）是有关设备和系统的特征、功能特性和行为的规范，是对特殊应用领域中用到的非主流设备其总线参数的规范。
系统的实现方案
采用基础的软件协议栈和硬件ASICs（ApplicationSpecificIntegratedCircuits）解决方案。
有广泛的标准化组件（ProfibusASICs）如Profibus堆栈存储器，监控器和调试工具，及服务可供使用。
开发人员常常使用专用的通信处理芯片，这样可以完全不考虑复杂的协议。
Profibus通信协议芯片已形成广泛系列。
使用这些芯片可达到快速提供产品的目的。
HART
可寻址远程传感高速通道HART（HighwayAddressableRemoteTransduer），最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。
特点4~20mA模拟信号与数字信号双向通信兼容，在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品。
采用了Bell202标准的FSK频移键控技术；
•实现了4-20mA模拟信号与数字通信的兼容；
•单台设备通信距离3000m，多台设备互联通信距离1500m；
数据链路层规定数据帧最长可达25个字节，是主从式的通讯协议；
应用层规定了HART通讯命令的内容。
第五部分汽车网络和CANbus
控制器局域网CAN（ControlAreaNetwork）总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车控制与测试仪器间数据交换而开发的串行数据通讯协议（1986）。
最早成为国际标准（ISO11898），也是目前事实上的汽车总线协议标准。
国际半导体厂商开发CAN总线专用芯片的有：
Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、Honeywell等。
CAN属于总线式通讯网络。
CAN总线规范了任意两个CAN节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，CAN的物理层决定了实际位传送过程中的电气特性，在同一网络中，所有节点的物理层必须保持一致，但可以采用不同方式的物理层。
CAN的数据链路层功能包括帧组织形式，总线仲裁和检错、错误报告及处理，确认哪个信息要发送的，确认接收到的信息及为应用层提供了接口。
CAN总线技术的特点：
CAN协议模型结构只有OSI底层的物理层和数据链路层。
CAN属于总线式串行通信网络
通过ID-报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全网广播几种方式发送接收数据
为多主方式工作，通信方式灵活
CAN网络按节点类型分成不同的优先级
CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术
CAN总线的数据传递方式
以报文为单位进行，短帧结构（8字节），
每个报文的标志符ID
起始部分有一个11位的标志符ID
传输速率：
可达到1Mbps/40m（5k/10km）
差错控制：
机制充分，可靠性高
CAN的物理层
特性：
拓扑结构：
总线式通信网络
机械参数及传输介质：
用一个9针的D型插头连接到CAN总线上
电气参数及信号表示：
总线数据采用不归零编码方式（NRZ），有两种互补的逻辑值：
显性（0-Dominant）及隐性（1-Recessive）。
CAN总线各节点位速率相同。
CAN链路层1.链路层功能：
1）访问管理：
谁占用信道。
2）帧定界：
帧同步，帧的区分和识别帧的开始和结束。
3）差错控制：
变不可靠的物理连接为可靠的数据链路。
4）流量控制：
解决速度不匹配的问题。
5）透明传输：
将数据和控制信息区分开
6）寻址：
数据帧的正确发送。
CAN总线报文中含有标示符（ID），描述数据含义，表明报文优先权。
CAN总线上各节点都可主动发数据。
两个或以上的节点发送报文时，由CAN控制器根据ID进行仲裁。
发送具有最高优先权报文的节点获得总线使用权，其他节点自动停止发送，总线空闲后，这些节点将自动重发报文。
CAN的帧
CAN支持四类信息帧类型：
数据帧、远程帧、错误指示帧和超载帧。
数据帧和远程帧有两种格式：
2.0A和标准2.0B。
两者本质的不同在于ID的长度不同。
在2.0A类型中，ID的长度为ll位；
在2.0B类型中ID为29位。
数据/信息帧（DataFrame）包括7个主要域（bitfield）：
帧起始域（SoF）：
数据帧开始，一个显性位组成。
仲裁域（Arbitration）：
内容由标示符和远程传输请求位（RTR）组成，RTR表明此信息帧是数据帧还是远地请求帧（不含任何数据）。
当2.0A的数据帧和2.0B的数据帧在同一条总线上传输时，如果ID相同，则非扩展数据帧的优先权高于扩展数据帧。
控制域（Control）：
r0、r1是保留位，作为扩展位，DLC表示一帧中数据字节的数目。
数据域：
包含0～8字节的数据。
校验域（CRC）：
检验位错用循环冗余校验，15位。
应答域（ACK）：
包括应答位和应答分隔符。
正确接收到有效报文接收站在应答期将总线值为显性电平。
帧结束（EoF）：
由七位隐性电平组成。
基于CAN的应用层应用层概述
CAN协议定义的是物理层及数据链路层规范，而应用层协议定义与实际应用相关的通讯参数,特别是要定义CAN报文中的11/29位标识符、8字节数据的使用。
常用的通用系统开放标准有CANopen、DeviceNet和SAEJ1939等。
但也有一些专用的标准,专门用于特定的系统。
作用：
完善地定义标准设备模型；
开放扩充自定义设备的接口；
对总线仲裁、数据交换、错误处理有明确的限定
缩短产品开发时间，降低产品的开发成本和开发风险。
能够支持不同生产厂家设备的互用性和可交换性。
目前市场上有大量的支持基于标准高层协议开发的工具。
Can网络设备
CAN-BUS系统主要包括以下部件：
CAN控制器、CAN收发器、CAN-BUS数据传输线和CAN-BUS终端电阻。
CAN控制器
CAN-BUS上的每个控制单元中均设有一个CAN控制器和一个CAN收发器。
CAN控制器主要用来接收微处理器传来的信息，对这些信息进行处理并传给CAN收发器，同时CAN控制器也接收来自CAN收发器传来的数据，对这些数据进行处理，并传给控制单元的微处理器。
CAN收发器
用来接收CAN控制器送来的数据，并将其发送到CAN数据传输总线上，同时CAN收发器也接收CAN数据总线上的数据，并将其传给CAN控制器。
执行CAN协议需要的通信设备是收发器和控制器,车内设备ECU则是用户设计/配置的。
CAN总线收发器是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。
CAN通信控制器与汽车设备的ECU或者微处理器相连，也可以嵌入到微处理器中，作为一个外设/模块。
SAEJ1939概述
SAE（SocietyofAutomotiveEngineer）为中重型道路车辆上电子部件间的通讯提供标准体系结构
基础于CAN2.0B协议，覆盖应用:
客车和载重货车；
工程机械、农业机械、船舶等非路面设备；
也适用于柴油发电机等固定动力设备
重要内容：
SAEJ1939车辆网络串行通信的控制总标准
SAEJ1939/15物理层，250K比特/秒，非屏蔽双绞线Revised
SAEJ1939/21数据链路层
SAEJ1939/71车辆应用层
SAEJ1939/73诊断应用层
SAEJ1939/81网络管理层
报文:
指CAN数据帧。
包（Packet）:
一个单一的CAN数据帧就是一个包。
参数组PG（ParameterGroup）：
在一消息中传送参数的集合。
参数组编号PGN（ParameterGroupNumber）：
3
升级会员 