總線和數(shù)據(jù)通信技術.ppt

第八章 總線和數(shù)據(jù)通信技術,本章內(nèi)容,1. 內(nèi)總線,3. 現(xiàn)場總線,重點：,2. 通用、串行接口總線,返 回,4. 藍牙技術、以太網(wǎng)、電力線載波通信,主要有并行通信接口、串行通信接口、現(xiàn)場總線接口和以太網(wǎng)接口等。為方便各種儀器之間的通信，一般采用標準通信接口。,下 頁,上 頁,主要接口方式,返 回,在實際的測量和控制過程中，智能儀器和智能儀器之間、智能儀器與計算機之間需要進行各種信息的交換和傳輸，這種信息的交換和傳輸通過儀器的通信接口按照一定的協(xié)議實現(xiàn)。,是各儀器之間或儀器與計算機之間進行信息交換和傳輸?shù)穆?lián)絡裝置,通信接口,第八章 總線和數(shù)據(jù)通信技術,下 頁,上 頁,返 回,注意：,本章介紹智能儀器較常用的標準總線，主要有總線、GP-IB通用接口總線、RS232C串行總線、RS422/485串行總線、USB通用串行總線、CAN總線等 。,下 頁,上 頁,返 回,8.1 概述,智能儀器中的公共數(shù)字傳輸通道稱為,總線（Bus）,總線,按連接范圍,劃分,片內(nèi)總線（局部總線）,內(nèi)部總線（系統(tǒng)總線）,外部總線（通信總線）,主要用于芯片級的互連,用以實現(xiàn)系統(tǒng)與各種擴展插件板之間的相互連接,主要用于儀器間的互連,下 頁,上 頁,返 回,一般由芯片制造廠商定義，對外提供的連線均通過芯片的管腳實現(xiàn)，對智能儀器設計的影響不大。內(nèi)部總線的種類相對較為統(tǒng)一，下節(jié)介紹的 總線是其中的典型代表。,片內(nèi)總線,外部總線的種類則比較廣泛，由于涉及智能儀器與智能儀器之間，智能儀器和通用計算機之間通信的問題，根據(jù)通信性質、通信技術和通信距離的不同，有多種多樣的總線可供選擇,GP-IB通用并行總線、RS-232C、RS-485和USB (Universal Serial Bus) 等串行總線、CAN現(xiàn)場總線?？偩€在多個領域應用廣泛。,舉例：,下 頁,上 頁,返 回,總線,按數(shù)據(jù)傳輸特點,劃分,并行總線,串行總線,指多個數(shù)據(jù)位同時傳輸或接收，可分為不同位數(shù)（寬度）的并行總線（如8位、16位等），當距離較近而且要求傳輸速率較高時通常采用此總線傳輸方式,數(shù)據(jù)逐位傳輸，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)最多只需兩根導線，其一用于發(fā)送，另一用于接收；串行通信采用不同的工作方式，還可將發(fā)送和接收二線合一，具有經(jīng)濟實用的特點，當設備距離較遠時通常采用串行總線方式。,下 頁,上 頁,返 回,相同條件下： 串行傳輸速度并行傳輸速度,注意：,下 頁,上 頁,返 回,上述的各種外部總線都有很多廠商推出了相應的通信接口，有些接口已經(jīng)直接在芯片級予以實現(xiàn)，使用非常方便。除了這些標準總線接口之外，在無線通信領域，藍牙技術正逐步為人們所采用；借助分布廣闊的電力傳輸線進行載波通信的方式仍在繼續(xù)發(fā)展；借鑒通用計算機構建局域網(wǎng)中占主導地位的以太網(wǎng)技術，工業(yè)以太網(wǎng)也出于蓬勃發(fā)展階段。隨著新技術、新的通信手段的發(fā)展，新的通信接口還會不斷涌現(xiàn)。,綜述：,下 頁,上 頁,返 回,. 內(nèi)總線,內(nèi)總線 （System Bus）,又稱局部總線，是系統(tǒng)內(nèi)部 各模塊的公共信息通道,各模塊的設計可通用化； 具有互換性，損壞一部分只須更換該部分即可； 只要留有足夠的插口，隨時可擴展系統(tǒng)的功能； 改變其中一些模塊可以改變儀器的功能,采用內(nèi)總線的優(yōu)點：,目 前 常 用 的 內(nèi) 總 線,S-100,STD,是美國公司1976年提出適應于Intel 8080CPU系列的總線，共100條，其中16條數(shù)據(jù)線；24條地址線；11條控制線；8條DMA線；8條狀態(tài)線；8條矢量中斷線；9條電源線地線；16條其他用途信號線；主要缺陷是布線不太合理、時鐘信號位于控制信號中間，容易產(chǎn)生干擾、地線少、引腳多、幾何尺寸大、易變形，目前已極少用。,是美國Pro-log公司1979年提出用于工業(yè)控制微型計算機的標準系統(tǒng)總線。按工業(yè)現(xiàn)場標準設計，具有較好的兼容性，電路板采用小板結構，高度模塊化，結構簡單，品種齊全，價格低廉，性能良好。支持多微處理器系統(tǒng)。共56條線，其中6條邏輯電源線； 8條數(shù)據(jù)線；16條地址線；22條控制線；4條輔助電源線。適合于8位機，80年代開始在我國流行，現(xiàn)在應用較少.,廣泛應用于系統(tǒng)內(nèi)部模塊或芯片之間的內(nèi)總線，在單片機系統(tǒng)中應用廣泛,下 頁,上 頁,返 回,下 頁,上 頁,返 回,總線概述,8.2.1,（InterIntegrated Circuit）總線是由,Philips公司于80年代推出的二線串行通信總線，通過串行數(shù)據(jù)線SDA（Serial Data）和串行時鐘線SCL（Serial Clock）兩根線將多個具有,總線接口的器件,連到總線上,使信息在,器件之間傳遞?？偩€上數(shù)據(jù),的傳輸速率在標準模式下可達100kbit/s，在快速模式下可達400kbit/s，在高速模式下可達3.4Mbit/s?？偩€長度可達25英尺，并且能支持40個組件。由于接口嵌入組件，所以占用空間小，減少了電路板的空間，降低了互聯(lián)成本。,下 頁,上 頁,返 回,(1)二線制總線，通過SDA及SCL兩線在連接到總線上 的器件之間傳送信息，根據(jù)地址識別各器件。 (2)無中心主機的多主機總線，可在主機和分機之間雙 向傳送數(shù)據(jù)。各主機可任意同時發(fā)送而不破壞總線 上的數(shù)據(jù)。 (3)同步通信總線，同步時鐘允許器件通過總線以不同 波特率通信，同時還可用作開始和停止串行口的應 答信號。,總線具有下述特點：,下 頁,上 頁,返 回,(4)系統(tǒng)中所有外圍器件及模塊采用器件地址及引腳 地址的編址方式。 (5)器件間總線簡單，結構緊湊，總線上增加器件不 影響系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)可修改和可擴展性 好。即使有不同時鐘速度的器件連接到總線上， 也能很方便地確定總線的時鐘。 (6)支持NMOS、COMS、HCMOS等多種制造工 藝，并可用于測試和錯誤診斷。,下 頁,上 頁,返 回,總線的術語,8.2.2,構成,SDA（串行數(shù)據(jù)線）,SCL（串行時鐘線）,注意：,總線上可以接若干個單片微機和外圍器件，每個器件可由唯一的地址確定，,總線根據(jù)地址識別各器件。,下 頁,上 頁,返 回,發(fā) 送 & 接 收,當某個器件向總線上發(fā)送信息時，它是發(fā)送器，而當它從總線上接收信息時，又成為接收器。,工作于發(fā)送或接收方式。發(fā)送或接收可根據(jù)數(shù)據(jù)的傳送方向而改變。,總線根據(jù)器件的功能通過軟件編程使器件,例如：,有些器件既可做接收器又可做發(fā)送器，如存儲器,有些器件只能做接收器，如LCD驅動器,下 頁,上 頁,返 回,當某個器件在SCL上產(chǎn)生時鐘脈沖，在SDA上產(chǎn)生尋址信號、開始條件、停止條件、建立數(shù)據(jù)傳輸時，該器件為主器件（主機），此時任何被尋址選中的器件為從器件（從機） 。,主 機 & 從 機,單片微機在,總線上既可做主器件,（主發(fā)送或主接受），也可做從器件（從發(fā)送 或 從接受），外圍器件一般只能做從器件。,注意：,下 頁,上 頁,返 回,表8.1,總線術語的定義,下 頁,上 頁,返 回,8.2.3,器件與,總線的連接,器件之間通過SDA及SCL兩根線進行通信。連接到總線的器件的輸出級必須是集電極或漏極開路，通過上拉電阻接正電源，以便完成“線與”功能。,圖8.1所示,器件與,總線的連接,SDA和SCL均為雙向I/O線，當總線空閑時，兩條線均為高電平。,注意：,下 頁,上 頁,返 回,8.2.4 數(shù)據(jù)的傳送,在數(shù)據(jù)傳送過程中，必須確認數(shù)據(jù)傳送的開始（啟動）和結束（停止）。開始和結束信號由主器件產(chǎn)生。,開始信號以后，總線被認為處于忙態(tài)；結束信號以后，總線被認為處于閑態(tài)。,下 頁,上 頁,返 回,下 頁,上 頁,返 回,當SCL線為高電平、SDA線由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r為“結束”條件，如圖8.2所示,下 頁,上 頁,返 回,總線上每次發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)不受限制，但每個字節(jié)必須為8位，而且每個字節(jié)后面必須跟一個應答位（ACK）（第9位），也叫認可位。,注意：,下 頁,上 頁,返 回,數(shù)據(jù)的傳送過程:,數(shù)據(jù)傳送時由主器件發(fā)出啟動信號，即SCL為高電平的狀態(tài)下，數(shù)據(jù)線SDA發(fā)生由高電平到低電平的跳變。然后主器件發(fā)送第一個字節(jié)數(shù)據(jù)用于選擇從器件的地址。,數(shù)據(jù)的傳送過程如圖8.3所示。其中前7位為從器件的地址，由固定和可編程兩部分組成，固定部分為器件的名稱，由生產(chǎn)公司規(guī)定；,下 頁,上 頁,返 回,可編程部分決定系統(tǒng)中最多可連接的此種器件的個數(shù)，假設某種器件的7位地址中有4位固定、3位可編程，則同一個,總線上最多可連接8個該種器件。,第8位(R/W)為方向位，規(guī)定從器件的數(shù)據(jù)傳送方向。當方向位為“0”時，表示發(fā)送（寫），即主器件作為發(fā)送器，從器件作為接收器，第一個字節(jié)之后主器件繼續(xù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到所選擇的從器件；當方向位為“1”時，表示接收（讀），此時，主器件由發(fā)送器變成接收器，從器件由接收器變成發(fā)送器，主器件將從選擇的從器件讀數(shù)據(jù)。,下 頁,上 頁,返 回,主機發(fā)送地址后，系統(tǒng)中的其他器件都將自己的地址和主器件送到總線上的地址進行比較，如果與主器件發(fā)送到總線上的地址一致，則該器件即為被主器件尋址的器件。,注意：,下 頁,上 頁,返 回,數(shù)據(jù)在SDA上傳送時，在SCL為高電平期間必須保持穩(wěn)定，只有在SCL線為低電平期間才允許改變，如圖8.4所示。,傳送數(shù)據(jù)時，首先傳輸數(shù)據(jù)的最高有效位，主器件在傳送每個字節(jié)后（包括第一個地址字節(jié)）都傳送一個應答位，通常接收器件在接收到每個字節(jié)后都會做出響應，即釋放串行時鐘線SCL，使SCL線返回高電平，準備接收下一個數(shù)據(jù)字節(jié)。,下 頁,上 頁,返 回,如果接收器件正在處理一個實時事件而不能接收數(shù)據(jù)時，（例如正在處理一個內(nèi)部中斷，在這個中斷處理完之前就不能接收,字節(jié)）將使SCL保持低電平，迫使發(fā)送器件處于等待狀態(tài)，如圖8.3所示。,總線上的數(shù)據(jù),當接收器件處理完畢，為下一個數(shù)據(jù)字節(jié)做好準備時，釋放SCL線，發(fā)送器件繼續(xù)發(fā)送。,下 頁,上 頁,返 回,當數(shù)據(jù)傳送結束時，由主器件產(chǎn)生一個通信結束條件，即在SCL線為高電平時，SDA產(chǎn)生正跳變。一次數(shù)據(jù)傳送結束，釋放總線，使總線處于空閑狀態(tài)。主機只能在總線空閑的時侯啟動傳輸 。,下 頁,上 頁,返 回,例如：,總線上的器件1（主器件）要與器件2通信，包含下面幾個步驟：,（1）器件等待總線處于“閑態(tài)”，即SDA和SCL處 于高電平； （2）器件1發(fā)送開始信號，即SCL高電平期間， SDA發(fā)生由高電平到低電平的跳變，使總線 處于忙態(tài);總線上的其他器件處于聽的狀態(tài)， 查看自己是否被尋址；,下 頁,上 頁,返 回,(4)器件1發(fā)送方向位，告訴器件2是發(fā)送還是接收 數(shù)據(jù)； (5)器件2發(fā)送應答位，表示其是否識別出地址， 是否準備好； (6)若器件2準備好，器件1發(fā)送/接收數(shù)據(jù)；每發(fā) 送一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，接收器件發(fā)送一個應答 位,表示正常； (7)當所有數(shù)據(jù)傳送完成后，器件1發(fā)出一位停止 信號，即SCL線高電平、SDA線由低電平跳變 到高電平，釋放總線。使總線再次處于空閑狀 態(tài)。,下 頁,上 頁,返 回,總線的競爭:,總線接有多個微處理器時，多個微處理器可能在起始條件的最小持續(xù)時間內(nèi)同時產(chǎn)生起始條件，致使總線上產(chǎn)生一個規(guī)定的起始條件，即在SCL線高電平期間，有多個主器件在SDA線上發(fā)生由高到低的跳變，使多個主機發(fā)生爭用總線問題，多個微處理器可能會同時開始數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)生競爭。,下 頁,上 頁,返 回,在SCL為高電平期間，器件1的SDA1和器件2的SDA2都發(fā)生了高到低的跳變，使總線的SDA發(fā)生高到低的跳變，滿足啟動條件，器件1和器件2可能同時開始數(shù)據(jù)傳輸，造成數(shù)據(jù)傳輸混亂。,下 頁,上 頁,返 回,競爭裁決:,發(fā)生競爭時，SDA線上的信號由所有主器件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號進行“線與”裁決。,一個主機發(fā)送高電平而在另一個主機發(fā)送低電平時，發(fā)送高電平的主機因為總線上的電平與自己的電平不相同，將斷開它的數(shù)據(jù)輸出級，發(fā)送低電平的主機取勝。競爭可以持續(xù)多位。器件競爭首先比較地址位。,多個主器件同時選中同一個從器件時，競爭繼續(xù)比較數(shù)據(jù)位（如果主機是發(fā)送器），或者比較響應位（如果主機是接收器）。,當,當,下 頁,上 頁,返 回,如圖8.5中，主機1和主機2在第一次出現(xiàn)不同電平時，主機1的SDA1=1，主機2的SDA2=0，“線與”后，主機1的DATA1電平與總線的SDA狀態(tài)不同，斷開其數(shù)據(jù)輸出級，使主機1在競爭裁決中失去總線的控制權，主機2取勝。,下 頁,上 頁,返 回,注意：,總線的地址和數(shù)據(jù)信息由取勝的主機決定，所以在競爭過程中地址和數(shù)據(jù)信息不會丟失。而且總線上的主器件既沒有中心主機，也沒有任何優(yōu)先級別。,下 頁,上 頁,返 回,競爭時的同步時鐘機制:,器件1的時鐘信號（CLK1）由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑢⑹箷r鐘線SCL由高變低，SCL線的電平變化會使連接在其上的器件2的時鐘線（CLK2）發(fā)生由高到低的變化。當CLK1由低變高時，CLK2還處于低電平，CLK1由低到高的狀態(tài)變化不改變SCL的低電平狀態(tài)。即低電平周期短的器件的時鐘由低至高的跳變不影響SCL線的狀態(tài)，器件1將進入高電平等待狀態(tài)。,下 頁,上 頁,返 回,當CLK2上跳為高電平時，SCL結束低電平期，被釋放返回高電平。此時器件1和器件2同時開始高電平期。之后，第一個由高電平變?yōu)榈碗娖降钠骷謱CL線拉成低電平，重復前面的過程。多個器件與此類同。,下 頁,上 頁,返 回,注意：,所有能在,產(chǎn)生自己的時鐘信號，并傳送到時鐘線SCL上。,總線上傳輸信息的主器件都能,上述連接方式能在SCL線上產(chǎn)生一個同步時鐘，同步時鐘低電平時間由時鐘低電平期最長的器件確定，而時鐘高電平時間由時鐘高電平期最短的器件確定。發(fā)生競爭時，SCL線上的時鐘信號由所有主器件產(chǎn)生的時鐘信號“線與”決定。,下 頁,上 頁,返 回,通信中，CPU可對相關的特殊功能寄存器進行操作，通過指令將,總線，還可對其工作狀況進行檢測。,接口電路掛靠或摘離,硬件,接口電路可完成數(shù)據(jù)的移位、發(fā)送或接收及總線的盲、閑狀態(tài)檢測。對不帶,接口的微處理器,只得以每個時鐘周期2次的速率對SDA線采樣，以 了解總線的忙、閑變化情況。,具有自動尋址，多主機時鐘同步和仲裁等功能很強的總線，用帶有,總線是各種總線中使用信號線最少，并,EEPROM、各種傳感器、變送器及微處理器等設計智能儀器系統(tǒng)十分方便、靈活，體積也小，在實際中得到廣泛應用。,總線的器件如A/D、D/A、,返 回,上 頁,下 頁,8.4.4通用串行總線（USB）,通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)協(xié)議是Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等七大公司于1994年共同制定并推出的串行接口總線標準，有多種規(guī)范的版本，目前使用較多的是1.1版本及2.0版本。USB2.0版于2000年4月推出，新增了高速模式。USB憑借其高速度和高通用性正在逐步取代串口、并口，成為個人計算機與外圍設備相連的標準接口。,返 回,上 頁,下 頁,1、USB總線協(xié)議特點,（1）使用方便。允許設備“即插即用”（Plug & Play），即USB允許外設在主機和其他外設工作時進行連接配置、使用及移除。同時USB總線的應用可以清除PC上過多的I/O端口而以一個串行通道取代，支持動態(tài)接入和動態(tài)配置，也稱“熱插拔”。使系統(tǒng)與外設之間的連接更容易。 （2）速度快。USB1.1協(xié)議支持全速12Mb/s和低速1.5Mb/s的速率傳輸方式。USB2.0協(xié)議支持480Mb/s的高速傳輸方式。,返 回,上 頁,下 頁,（3）連接靈活。一個USB接口理論上支持的“熱 插拔”設備可達127個，既可以串行連接，也 可以集線器連接。 （4）供電方式靈活?？梢圆捎米怨╇姡部梢杂?總線供電，并具有電源保護功能。如果連續(xù) 3ms沒有總線活動的話，USB會自動進入掛 起狀態(tài)，處于掛起狀態(tài)的設備消耗的電流小 于500A。 （5）支持的最大電纜長度為5m，USB2.0標準下 通過USB-Hub級連可達30m。 （6）成本低廉，易于擴展。,返 回,上 頁,下 頁,（7）容錯性能好。具有事務處理錯誤檢測機制， 可以對有缺陷的設備進行認定，對錯誤的數(shù) 據(jù)進行恢復或報告。 （8）支持多種傳輸類型，以滿足不同設備的需 求。如等待傳輸方式（適用于音、視頻等設 備，無 糾錯）；塊傳輸（適用于打印機、掃 描儀、數(shù)碼相機等）；中斷傳輸（適用于鍵 盤、鼠標、游戲桿等）以及控制傳輸。,返 回,上 頁,下 頁,2、USB總線系統(tǒng)結構,一個USB系統(tǒng)由USB主機（USB HOST）、USB設備（USB DEVICE）和USB互連三個基本部分組成。USB主機一般制作在主板上，包含主控制器和一個嵌入的集線器（稱為根集線器）(Root hub)，根集線器連接在主控制器上。通過根集線器，主機可以提供一個或多個接入點（端口）（port），USB設備通過接入點與主機相連。 USB設備按照功能可分為集線器（Hub）和功能設備，即集線器可接入下行集線器和功能設備。,返 回,上 頁,下 頁,在一個系統(tǒng)中，有且僅有一個USB主機，它在USB系統(tǒng)中處于中心地位，對USB接口及其連接的設備進行管理、控制數(shù)據(jù)和信息的流動。集線器是USB系統(tǒng)的關鍵部件，集線器通過端口的電氣變化可檢測出連接在總線上的設備的插、拔操作，并可通過響應USB主機的數(shù)據(jù)包將端口狀態(tài)告知USB主機。功能設備是能夠通過總線發(fā)送和接收USB數(shù)據(jù)、并可實現(xiàn)某種功能的設備。USB的互連是指USB設備與主機之間進行連接和通信的操作。,返 回,上 頁,下 頁,一個USB系統(tǒng)為分層（Tier）星形拓撲結構，如圖8.26所示，中心機是主機的根Hub，可以連接下層Hub和功能設備（圖中的Func），允許的最大層數(shù)為7層（包括根層）。在主機與任何功能設備之間的一個通信通道中，支持最多5個非根（non-root）Hub。一個復合設備（有多個端口的設備）占兩層，因此，第7層只能出現(xiàn)功能設備，不能出現(xiàn)集線器。一般而言，USB設備與USB Hub間的連線長度不超過5m，通過根集線器連接的設備不超過127個。,返 回,上 頁,下 頁,USB系統(tǒng)的拓撲結構,返 回,上 頁,下 頁,3、USB總線的物理接口,USB通過一個四線電纜傳輸信號與電源，如圖8.27所示，其中D+和D-是互相纏繞的一對數(shù)據(jù)線，用于傳輸差分信號，而VBus和GND分別為電源和地，可以給外設提供5V、最大500mA的電源，功率不大的外設可以直接使用USB總線電源供電，不必外接電源。USB總線支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式。,返 回,上 頁,下 頁,對于不同的外設，USB2.0可根據(jù)速度要求在電纜上采用3種速率模式傳輸數(shù)據(jù)。,（1）低速模式(Low speed)，信號傳輸速率為10 100kbps，主要適用鍵盤、鼠標輸入筆、游戲 桿等外設。具有費用低、易用、動態(tài)連接，動 態(tài)分離、可連接多個外設的特點。 （2）全速模式(Full Speed) ，信號傳輸速率為 500kbps10Mbps，主要適合像電話、壓縮 視頻設備、寬帶設備、音頻設備、麥克風等一 系列的中速外設傳輸設備，它除具備低速模式 的特點外，還具有保障帶寬和反應時間的優(yōu) 點。,返 回,上 頁,下 頁,（3）高速模式(High speed)，信號傳輸速率為 25480Mbps，為視頻設備、外部存儲設 備、圖像設備、寬帶設備，具有寬高速特征 的外設所選用。具有更高的帶寬、更快的反 應時間，是前面兩種方式無法比擬的。,USB信號線在高速模式下必須使用帶有屏蔽的雙絞線而且最長不能超過5m，而在低速模式時，可以使用不帶屏蔽或不是雙絞的線，但最長不能超過3m。,返 回,上 頁,下 頁,4、USB總線的數(shù)據(jù)格式和傳輸類型,USB數(shù)據(jù)的最小單位是域，域構成包，包構成事務，事務最后構成傳輸。傳輸是指一次完整的發(fā)出請求到該請求被完整的處理結束的整個過程。事務是傳輸中的一個基本元素，每一次傳輸由一個或多個事務組成。事務由包組成，包又由同步域、標識域(PID)等域組成。傳輸、事務、包和域的關系如圖所示。,返 回,上 頁,下 頁,域：是USB數(shù)據(jù)的最小單位，由若干位二進制數(shù)字組成，不同的域二進制位數(shù)不同，有七種域：,同步域（SYNC），8位，值固定為0000 0001，用 于本地時鐘與輸入同步。 標識域（PID），由四位標識符和四位標識符反碼 構成，USB的標識碼有16種，表明包的類 型和格式。 地址域（ADDR），七位，表示設備在主機上的地 址，地址000 0000被命名為零地址，是任 何一個設備第一次連接到主機時，被主機 配置、枚舉前的默認地址。由此可知一個 USB主機只能尋址127個設備。,（1）域,返 回,上 頁,下 頁,端點域（ENDP），四位，由此可知一個USB設備端點數(shù)量最大為16個。 幀號域（FRAM），11位，每一個幀都有一個特定的 幀號，幀號域最大容量0x800。 數(shù)據(jù)域（DATA），長度為01023字節(jié)，不同傳輸 類型數(shù)據(jù)域的長度各不相同，但必須為字節(jié)的整數(shù)倍。 校驗域（CRC），對令牌包和數(shù)據(jù)包中非PID域進行校驗。,返 回,上 頁,下 頁,包：由域構成，是USB傳輸?shù)幕締挝唬瑔蜗騻魉?，從主機發(fā)出或發(fā)回給主機。USB總線完成一次傳輸至少需要3個包。包有四種類型，分別是令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包。數(shù)據(jù)交換時，首先由主機發(fā)出令牌包，然后數(shù)據(jù)源向數(shù)據(jù)目的發(fā)送數(shù)據(jù)包或無數(shù)據(jù)傳送的指示信息。最后數(shù)據(jù)接收方向發(fā)送方發(fā)送握手包，提供數(shù)據(jù)是否正常發(fā)送出去的反饋信息，如果有錯將重發(fā)。不同的包其域結構不同。不同目標的包可組合在一起共享總線，不占用系統(tǒng)中斷和輸入/輸出地址空間，節(jié)約系統(tǒng)資源。,（2）包,返 回,上 頁,下 頁,令牌包(token)：所有交換都以令牌包為首部，定 義了要傳輸交換的類型。有輸入包、 輸出包、設置包和幀起始包四種類 型。輸入包用于設置輸入命令，輸出 包用于設置輸出命令。令牌包的格式 如表所示。,返 回,上 頁,下 頁,數(shù)據(jù)包(data)：若主機請求設備發(fā)送數(shù)據(jù)則送輸入 令牌包到設備某一端點，設備以數(shù)據(jù)包形式加以 響應。若主機請求目標設備接收數(shù)據(jù)，則送輸出 數(shù)據(jù)包到目標設備的某一端點，設備將接收數(shù)據(jù) 包。數(shù)據(jù)包有DATA0包和DATA1包兩種形式， USB發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，當一次發(fā)送的數(shù)據(jù)長度大 于相應端點的容量時，把數(shù)據(jù)包分為幾個包，分 批發(fā)送，DATA0包和DATA1包交替發(fā)送，在同步 傳輸時所有的數(shù)據(jù)包都為DATA0。 數(shù)據(jù)包的格式 如表所示。,返 回,上 頁,下 頁,握手包(handshake)：設備使用握手包報告交換 的狀態(tài)，由數(shù)據(jù)的接收方發(fā)送到數(shù)據(jù)的發(fā)送 方。握手包有應答包、無應答包、掛起包、 和接收設備還沒有響應包4種類型，不同類型 的握手包傳送不同的狀態(tài)結果。表所示為握 手包格式,特殊包（special）：當主機希望在低速方式下與 低速設備通信時，主機將送預告包作為開 始包，然后與低速設備通信。,返 回,上 頁,下 頁,事務(transactions)：按照事務的目的和數(shù)據(jù)流 方向可以分為設置（SETUP）事務、輸入（IN）事 務和輸出（OUT）事務三種類型，IN事務是從一個 設備接收數(shù)據(jù)，OUT事務和SETUP事務是主機發(fā)送 數(shù)據(jù)給某個設備。它們都由一個令牌階段，一個數(shù) 據(jù)階段和一個握手階段組成。用“階段”的意思是因 為這些包的發(fā)送有一定的時間先后順序。在令牌包 階段啟動一個輸入、輸出或設置事務；數(shù)據(jù)包階段 按輸入、輸出發(fā)送相應的數(shù)據(jù)；握手包階段返回數(shù) 據(jù)接收情況，只有控制傳輸可以使用SETUP事務。 在同步傳輸?shù)腎N和OUT事務中沒有握手包階段。,（3）事務(transactions),返 回,上 頁,下 頁,傳輸(transfers)：傳輸由事務構成，有中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸?shù)人姆N傳輸類型。其中中斷傳輸和批量轉輸?shù)慕Y構一樣，同步傳輸結構最簡單，控制傳輸是最復雜也是最重要的傳輸,（4）傳輸(transfers),中斷傳輸 中斷傳輸由OUT事務和IN事務構成，用于數(shù)據(jù)量少但 數(shù)據(jù)需要及時處理的情況。適合低速設備數(shù)據(jù)傳輸， 如鍵盤、鼠標等外部設備。USB的中斷是查詢 （polling）類型，主機需頻繁的請求端點輸入。,返 回,上 頁,下 頁,批量傳輸 批量傳輸由OUT事務和IN事務構成，用于傳輸連續(xù)的、批量的、非實時的、要求正確無誤的數(shù)據(jù)。沒有固定的傳輸速率，也不占用帶寬，當總線忙時，USB會優(yōu)先進行其他類型的數(shù)據(jù)傳輸，暫時停止批量轉輸。如打印機、掃描儀等以此種方式與主機進行大量數(shù)據(jù)的傳輸。在硬件中有差錯檢測功能，并且有選擇的進行一定的硬件重試操作，可以在硬件層次上保證數(shù)據(jù)的可靠交換。,返 回,上 頁,下 頁,同步傳輸 同步傳輸由OUT事務和IN事務構成，適于傳輸連續(xù)的、實時的、對正確性要求不高而對時間敏感的數(shù)據(jù)。如電話、麥克風等外部設備的數(shù)據(jù)傳輸。該方式以固定的傳輸速率連續(xù)不斷地在主機與USB設備之間傳輸數(shù)據(jù)，傳輸過程中發(fā)生錯誤時，不進行處理，繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。,返 回,上 頁,下 頁,控制傳輸方式 控制傳輸用于處理主機到USB設備的數(shù)據(jù)傳輸，包括對USB設備的控制命令、設備狀態(tài)查詢和確認命令，也可用于傳送用戶自定義的命令。當USB設備收到數(shù)據(jù)和命令后，將依據(jù)先進先出的原則處理到達的數(shù)據(jù)，使主機識別設備，安裝相應的驅動程序。這種傳輸方式不會丟失數(shù)據(jù)。,返 回,上 頁,下 頁,5、USB總線的通信流,USB通信可以分為配置通信和應用通信。在配置通信中，主機通知設備，使設備準備好交換數(shù)據(jù)，這類通信主要發(fā)生在上電或連接時主機檢測到外設的時候。應用通信出現(xiàn)在主機的應用程序與一個檢測到的外設交換數(shù)據(jù)的時候，是實現(xiàn)設備目的的通信。例如：對鍵盤來說，應用通信是發(fā)送按鍵數(shù)據(jù)給主機，告訴一個應用程序顯示一個特性或執(zhí)行某種動作。主機上的軟件通過一系列的通信流與邏輯設備進行通信。,返 回,上 頁,下 頁,（1）設備端點,每個USB設備內(nèi)有一個或多個邏輯連接點，稱為端點(Endpoint)，端點是USB系統(tǒng)用來交換數(shù)據(jù)的特定邏輯地址，每個端點都有自己的特性和用途，對主機來說不同的端點實際上就是對應的不同的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；對設備來說不同的端點對應不同的硬件電路，每個端點在設備出廠時已定義好。主機只能通過端點與設備進行通訊。在USB協(xié)議規(guī)范中用4位地址標識端點地址，每一個端點都有唯一的地址，每個設備最多有16個端點。每個端點都有一定的特性，包括端點號、傳輸方式、總線訪問頻率、帶寬、數(shù)據(jù)包的最大容量等等。每個端點指定一種傳輸類型。所有設備都有一個端點0，通常為控制端點，用于配置和控制各設備。其他端點在設備配置后才能生效。,返 回,上 頁,下 頁,（2）管道,管道（Pipe）是USB系統(tǒng)通信驅動程序和端點組成的通信通道，其中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱為通信流，可實現(xiàn)主機的一個內(nèi)存緩沖區(qū)和設備的端點之間的數(shù)據(jù)傳輸。主機USB系統(tǒng)軟件和設備的端點0之間的連接稱為缺省管道（默認管道）。管道只有主機和設備連接配置生效后才能形成。管道的序列號是主機臨時給定的，當設備從主機移去時管道同時取消。,返 回,上 頁,下 頁,管道分為流管道(Stream Pipe)和消息管道(Message Pipe)。流管道在傳輸數(shù)據(jù)時對數(shù)據(jù)分組沒有結構要求，數(shù)據(jù)在管道中以順序（先進先出）方式單向傳輸，支持批量、同步和中斷傳輸方式。消息管道通常以雙向方式與端點進行數(shù)據(jù)傳輸，通信流具有一定的結構，以便命令可靠地被識別和傳輸。傳輸時由主機向USB設備發(fā)出請求，然后在適當?shù)姆较蛏蟼鬏敂?shù)據(jù)，端點在后來的某個時刻返回一個狀態(tài)作為響應。缺省管道總是消息管道。消息管道支持控制傳輸類型。通信流的示意圖如圖所示。,返 回,上 頁,下 頁,6、USB接口工作過程,USB設備可以即插即用，但在使用之前必須對設備進行配置，一旦設備連接到某一個USB的端口上，USB就會產(chǎn)生一系列的操作來完成對設備的配置，這種操作被稱為總線枚舉（enumeration）過程。只有枚舉成功了，接口才能正常工作。USB的基本工作過程如下：,USB設備接入主機后（無源設備插入主機或有源 設備重新供電），主機通過檢測信號線上的電平 變化發(fā)現(xiàn)設備的接入； 主機通過詢問設備獲取確切的信息； 主機得知設備連接到哪個端口上并向這個端口發(fā) 出復位命令；,返 回,上 頁,下 頁,設備上電，所有的寄存器復位并且以缺省地址0以及 端點0響應命令； 主機通過缺省地址與端點0進行通訊并賦予設備空閑 的地址，以后設備對該地址進行響應； 主機讀取設備狀態(tài)確認設備的屬性； 主機依照讀取的USB狀態(tài)進行配置，如果設備所需 的USB資源得以滿足，就發(fā)送配置命令給設備，該 設備就可以使用了，枚舉過程結束； 當通信任務完成后，該設備被移走時（無源設備拔 出主機端口或有源設備斷電），設備向主機報告， 主機關閉端口釋放相應資源。,返 回,上 頁,下 頁,基于USB接口的諸多優(yōu)點，越來越多的智能儀器系統(tǒng)需要設置USB接口。目前已有微處理器廠商推出具有USB接口的產(chǎn)品，如Silabs公司的C8051F360/1帶有一個USB口，這類產(chǎn)品只要按照其使用手冊編程即可實現(xiàn)USB接口功能。對于不具備USB口的微處理器可通過專用芯片實現(xiàn)其USB接口功能。有多家公司不斷推出USB接口專用芯片，如Philips公司的PDIUSBD11、PDIUSBD12，NetChip的NET288，NS公司的USBN9603/9604等。,返 回,上 頁,下 頁,8.5 現(xiàn)場總線,隨著計算機功能的不斷增強，價格急劇降低，計算機與計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，過去二十年中，計算機和通信的年增長率不低于25%，是計算機集成制造系統(tǒng)的實施具備了良好的物質基礎。但處于企業(yè)生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)，要與外界交換信息。要實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的信息集成，要實施綜合自動化，就必須設計出一種能夠在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)現(xiàn)場自動化智能設備之間的多點數(shù)字通信，形成工廠底層網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換。現(xiàn)場總線就是在這種背景下產(chǎn)生的。,返 回,上 頁,下 頁,傳輸信號數(shù)字化是實現(xiàn)數(shù)字通信的基礎。1983年，Honeywell推出了智能化儀表，使現(xiàn)場與控制室之間的連接由模擬信號過渡到了數(shù)字信號。自此以后的幾十年間，世界上各大公司都相繼推出了各有特色的智能儀表。這些模擬數(shù)字混合儀表克服了單一模擬儀表的多種缺陷，給自動化儀表的發(fā)展帶來了新的生機，為現(xiàn)場總線的誕生奠定了基礎。但這種數(shù)字模擬信號混合運行方式只是一種不得已的過渡狀態(tài)，其系統(tǒng)或設備間只能按模擬信號方式一對一地布線，難以實現(xiàn)智能儀表之間的信息交換，智能儀表能處理多個信息和復雜計算的優(yōu)越性難以充分發(fā)揮。,返 回,上 頁,下 頁,這些以微處理器芯片為基礎的各種智能儀表，為現(xiàn)場信號的數(shù)字化以及實現(xiàn)復雜的應用功能提供了條件。但不同廠商所提供的設備之間的通信標準不統(tǒng)一，嚴重束縛了工廠底層網(wǎng)絡的發(fā)展。從用戶到設備制造商都強烈要求形成統(tǒng)一的標準，組成開放互連網(wǎng)絡。把不同廠商提供的自動化設備互連為系統(tǒng)。這里的開放意味著對同一標準的共同遵從，意味著這些來自不同廠商而遵從相同標準的設備可互連為一致通信系統(tǒng)。從這個意義上說，現(xiàn)場總線就是工廠自動化領域的開放互連系統(tǒng)。開發(fā)這項技術首先必須制定相應的統(tǒng)一標準。,返 回,上 頁,下 頁,1984年，美國儀表協(xié)會（ISA）下屬的標準與實施工作組中的ISA/SP50開始制定現(xiàn)場總線標準；1985年，國際電工委員會決定由Proway Working Group負責現(xiàn)場總線體系結構與標準的研究制定工作；1986年，德國開始制定過程現(xiàn)場總線（Process Fieldbus）標準，簡稱為PROFIBUS，由此拉開了現(xiàn)場總線標準制定及其產(chǎn)品開發(fā)的序幕。,返 回,上 頁,下 頁,Siemens,Rocemount,ABB,Foxboro,Yokogawa等80家公司聯(lián)合，成立了ISP（Interoperable System Protocol）組織，著手在PROFIBUS的基礎上制定現(xiàn)場總線標準。1993年，以Honeywell，Bailey等公司為首，成立了World FIP（Factory Instrumentation Protocol）組織，有120多個公司加盟該組織，并以法國標準FIP為基礎制定現(xiàn)場總線標準。此時各大公司均已清醒地認識到，現(xiàn)場總線應該有一個統(tǒng)一的國際標準，現(xiàn)場總線技術勢在必行。但總線標準的制定工作并非一帆風順，由于行業(yè)與地域發(fā)展歷史等原因，加之各公司和企業(yè)集團受自身商業(yè)利益的驅動，致使總線的標準化工作進展緩慢。,返 回,上 頁,下 頁,1994年，ISP和World FIP北美部分合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，推動了現(xiàn)場總線標準的制定和產(chǎn)品開發(fā)，于1996年第一季度頒布了低速總線H1的標準，安裝了示范系統(tǒng)，將不同廠商的符合規(guī)范的儀表互連為控制系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡，是H1低速總線開始進入實用階段。,返 回,上 頁,下 頁,與此同時，在不同行業(yè)還陸續(xù)派生出一些有影響的總線標準。它們大都在公司標準的基礎上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶以至于國際組織的支持。大千世界，眾多行業(yè)，需求各異，加上要考慮已有各種總線產(chǎn)品的投資效益和各個公司的商業(yè)利益，預計在今后一段時間內(nèi)，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線標準共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構網(wǎng)絡互連通訊的局面。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標準規(guī)范，真正形成開放互連系統(tǒng)，是大勢所趨。,返 回,上 頁,下 頁,8.5.1現(xiàn)場總線的特點與優(yōu)點,現(xiàn)場總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結構形式，傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設備連線，按控制回路分別進行連線?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用了智能，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊，各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設備，加上現(xiàn)場設備具有通信功能，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。,返 回,上 頁,下 頁,由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號（包括多個運行參數(shù)值、多個設備狀態(tài)、故障信息），同時又為的多個設備提供電源；現(xiàn)場設備以外不再需要模數(shù)、數(shù)模轉換部件。這樣就為簡化系統(tǒng)結構、節(jié)約硬件設備、節(jié)約連線電源與各種安裝、維護費用創(chuàng)造了條件。,返 回,上 頁,下 頁,現(xiàn)場總線系統(tǒng)在技術上具有以下特點： 系統(tǒng)的開放性 開放是指相對標準的一致性、公開性，強調對標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標準的其他設備或系統(tǒng)連線。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設備之間可實現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡的開放系統(tǒng)。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意系統(tǒng)。通過現(xiàn)場總線構筑自動化領域的開放互連系統(tǒng)。,返 回,上 頁,下 頁,互可操作性和互用性 互可操作性，是指實現(xiàn)互聯(lián) 設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用則意 味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的實現(xiàn)可相互替 換。 現(xiàn)場設備的智能化和功能自治性 它將傳感測量、 補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場 設備中完成，僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的 基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。 系統(tǒng)結構的高度分散性 現(xiàn)場總線已構成一種新的 全分散性控制系統(tǒng)的體系結構。從根本上改變了 現(xiàn)有DCS集中與分散相結合的控制系統(tǒng)體系，簡 化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性。,返 回,上 頁,下 頁,對現(xiàn)場環(huán)境的適應性 工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為 工作網(wǎng)絡底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設計 的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外 線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩 線制實現(xiàn)供電與通信，可滿足本質安全防爆要求 等。,返 回,上 頁,下 頁,由于現(xiàn)場總線的以上優(yōu)點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結構的簡化，使控制系統(tǒng)從設計、安裝、投放到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。,1.節(jié)省硬件數(shù)量與投資 由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感控制報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的調制器、計算單元等，也不需要DCS系統(tǒng)的信號調理、轉換、隔離等功能單元及復雜連線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的戰(zhàn)地面積,返 回,上 頁,下 頁,2.節(jié)省安裝費用 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜線通?？蓲旖佣鄠€設備，因而電纜、端子、槽盒橋架的用量大大減少，連線設計與校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場設備時無需要增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，又減少了設計、安裝的工作量。據(jù)有關典型試驗工程測算資料表明，可節(jié)省安裝費用60%以上。,返 回,上 頁,下 頁,3.節(jié)省維護開銷 由于現(xiàn)場控制設備具有自診斷和簡單故障處理能力，并通過數(shù)字通訊將相應的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并及時排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結構簡單化，連線簡單而減少了維護工作量。,返 回,上 頁,下 頁,4.用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權 用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統(tǒng)。避免因選擇某一品牌的產(chǎn)品而被限定死了使用設備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中部兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展。是系統(tǒng)集成過程中主動權牢牢掌握在用戶手中。 5.提供系統(tǒng)的準確性與可靠性 由于現(xiàn)場總線設備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結構化，設備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返運輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。,返 回,上 頁,下 頁,8.5.2 CAN總線的發(fā)展與特點,控制器局部網(wǎng)（CANCONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應用領先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)自動化、多種控制設備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國迅速普及推廣。 隨著計算機硬件、軟件技術及集成電路技術的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計算機技術應用領域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。,返 回,上 頁,下 頁,分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應這種需要而發(fā)展起來的。這類系統(tǒng)是以微型機為核心，將 5C技術-COMPUTER（計算機技術）、CONTROL（自動控制技術）、COMMUNICATION（通信技術）、CRT（顯示技術）和 CHANGE（轉換技術）緊密結合的產(chǎn)物。它在適應范圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計算機控制系統(tǒng)都具有明顯的優(yōu)越性。,返 回,上 頁,下 頁,典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設備、接口與計算設備以及通信設備組成?，F(xiàn)場總線（FIELDBUS）能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需要，因而現(xiàn)場總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領域中最為活躍的一個領域。現(xiàn)場總線的研究與應用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領域的熱點。盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能提出一個完善的標準，但現(xiàn)場總線的高性能價格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時，正由于現(xiàn)場總線的標準尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場總線的應用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場總線的完善提供更加豐富的依據(jù)?？刂破骶植烤W(wǎng) CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在這種背景下應運而生的。,返 回,上 頁,下 頁,由于CAN為愈來愈多不同領域采用和推廣，導致要求各種應用領域通信報文的標準化。為此，1991年9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了 CAN技術規(guī)范（VERSION 2.0）。該技術規(guī)范包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術規(guī)范版本1.2中定義的CAN報文格式，而2.0B給出了標準的和擴展的兩種報文格式。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具-數(shù)字信息交換-高速通信控制器局部網(wǎng)（CAN）國際標準（ISO11898），為控制器局部網(wǎng)標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。,返 回,上 頁,下 頁,CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡，由于其采用了許多新技術及獨特的設計，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可概括如下： 多主方式工作，網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任一時刻 主動地向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主 從，通信方式靈活。且無需站地址等節(jié)點信息。 利用這一特點可方便的構成多機備份系統(tǒng) CAN網(wǎng)絡上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可 滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在 134內(nèi)得到傳輸,返 回,上 頁,下 頁,采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總 線 發(fā)出信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動的退出發(fā) 送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響的傳輸數(shù)據(jù)， 從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網(wǎng)絡 負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓情況（以太 網(wǎng)則可能）。 只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及 全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調 度”。 直接通信距離最遠可達10；通信速率最高可達1 （此時通信距離最長為40）,返 回,上 頁,下 頁,節(jié)點數(shù)取決于總線驅動電路，目前可達110個； 報文標識符可達2032種（CAN2.0A），而擴展 標準（CAN2.0B）的報文標識符幾乎不受影 響。 采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低， 具有極好的檢錯效果。 CAN的通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光 線，選擇靈活。 CAN節(jié)點在錯誤嚴重時具有自動關閉輸出功 能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。,返 回,上 頁,下 頁,8.5.3 CAN的分層結構,CAN按照OSI基本模型的原則劃分為兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如圖8.30所示。按照IEEE802.2和802.3標準，數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為邏輯鏈路控制層(LLC-Logic Link Control)和媒體訪問控制層(MAC-Medium Access Control)。當CAN的網(wǎng)絡結構確定后，網(wǎng)絡的性能將主要取決于MAC層。,返 回,上 頁,下 頁,（一）LLC子層功能 (1)幀接收濾波：幀由標識符命名。標識符并不指明幀 的目的地，但描述數(shù)據(jù)的含義。每個接收器通過幀 接收濾波確定此幀與其是否有關。如果相關則接 受，并通知應用層。 (2)超載通告：如果接收器內(nèi)部條件要求延遲下一個 LLC數(shù)據(jù)幀或LLC遠程幀，則通過LLC子層開始發(fā) 送超載幀，最多可產(chǎn)生兩個超載幀，以延遲下一個 數(shù)據(jù)幀或遠程幀。 (3)恢復管理：發(fā)送期間，對于丟失仲裁或被錯誤干擾 的幀LLC子層具有自動重發(fā)送功能。在發(fā)送成功完 成前，幀發(fā)送服務不被應用層認可。,一、 邏輯鏈路控制(LLC)子層,返 回,上 頁,下 頁,（二）、LLC幀結構,（1）LLC數(shù)據(jù)幀 LLC數(shù)據(jù)幀由三個位場，即標識符場、數(shù)據(jù)長度碼 (DLC-Data Length Code)場和LLC數(shù)據(jù)場組成， 如圖,（2）LLC遠程幀 LLC遠程幀由兩個位場(標識符場和DLC場)組成， 標識符格式與數(shù)據(jù)幀標識符格式相同，如圖所 示。,返 回,上 頁,下 頁,二、 媒體訪問控制(MAC)子層,MAC子層可劃分為相對獨立工作的兩個部