現(xiàn)場(chǎng)總線教程第4課

1、2011年05月18日 東北大學(xué)秦皇島分校幾種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線幾種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線2011年05月18日 通用串行端口數(shù)據(jù)通信通用串行端口數(shù)據(jù)通信 EIA-232-D接口標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn) EIA-485-D接口標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn) 控制器局域網(wǎng) 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線2011年05月18日 EIA-232-D接口標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn) EIA-485-D接口標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)2011年05月18日 美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA制訂的物理接口標(biāo)物理接口標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，也是目前數(shù)據(jù)通信中應(yīng)用最廣泛的一種標(biāo)準(zhǔn)。 前身是RS-232-C物理接口標(biāo)準(zhǔn)。2011年05月18日 DB25連接器 DB9連接器連接器2011年05月18日

2、 EIA-232-D電氣特性采用負(fù)邏輯。 515V，表示邏輯“1”； 515V，表示邏輯“0”。 EIA-232-D的邏輯電平與TTL電平不兼容，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 2011年05月18日非平衡電氣連接方式非平衡電氣連接方式地線地線信號(hào)線信號(hào)線2011年05月18日發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端噪聲噪聲地線地線2011年05月18日2011年05月18日 最簡(jiǎn)接線（最簡(jiǎn)接線（3線制）線制） 標(biāo)準(zhǔn)接線標(biāo)準(zhǔn)接線 （7 7線制）線制）2011年05月18日無(wú)硬件握手方式無(wú)硬件握手方式2011年05月18日 最簡(jiǎn)接線（最簡(jiǎn)接線（3線制）線制） 標(biāo)準(zhǔn)接線標(biāo)準(zhǔn)接線 （7線線制）制）2011年05月18日全握手方

3、式全握手方式甲甲乙乙2011年05月18日 EIA-232-D接口標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn) EIA-485-D接口標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)2011年05月18日 EIA-232最大傳輸距離15m，最大傳輸速率19.2Kbps，最多2個(gè)節(jié)點(diǎn)。 EIA-485最大傳輸距離1200m，最大傳輸速率10Mbps，最多32個(gè)節(jié)點(diǎn)。 EIA-485更適合工業(yè)通訊。2011年05月18日 EIA-485-D電氣特性采用正邏輯。 26V，表示邏輯“1”； 26V，表示邏輯“0”。 接口信號(hào)電平比EIA-232-D降低了，不易損壞接口電路的芯片， 且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。 2011年05月18日 平衡差分電

4、路，能夠抑制噪聲。串音串音2011年05月18日 RS485的信號(hào)發(fā)送端會(huì)先分解成正負(fù)的兩條線路；當(dāng)?shù)竭_(dá)接收端后，再將信號(hào)相減還原成原來(lái)的信號(hào)。 這種方式可以有效的抑制噪聲，適用于工業(yè)數(shù)據(jù)通訊。2011年05月18日 發(fā)送端信號(hào)： DT=(D+)(D-) DT：發(fā)送端原始信號(hào)； D+、D-：差分后信號(hào)。如果無(wú)噪聲干擾，接收端信號(hào)： DR(D+)(D-) = DT 2011年05月18日 如果存在噪聲干擾，傳輸線上信號(hào)電壓分別成為 (D)Noise和(D-)Noise； 如果接收端接收此信號(hào)，并計(jì)算電壓差：DR(D)+Noise-(D-)Noise(D+)-(D-)DT 與發(fā)送端信號(hào)相同2011

5、年05月18日 EIA-485的全雙工連接 EIA-485的半雙工連接(重要) EIA-232到EIA-485端口的轉(zhuǎn)換2011年05月18日2011年05月18日2011年05月18日 主要用于將PC機(jī)接入EIA-485網(wǎng)絡(luò)2011年05月18日 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?011年05月18日 半雙工通信時(shí)，采用總線形或樹形拓?fù)洹?EIA-485規(guī)定，每個(gè)網(wǎng)段最多連接32個(gè)負(fù)載。如果超過(guò)32個(gè)，需要添加中繼器。2011年05月18日 網(wǎng)段的一個(gè)節(jié)點(diǎn)被指定為主節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)。 由主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制網(wǎng)段上所有的通信連接。從節(jié)點(diǎn)不能主動(dòng)發(fā)起通信。 為保證每個(gè)從節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)傳送數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)需要對(duì)從節(jié)點(diǎn)依次逐一輪

6、詢。 主節(jié)點(diǎn)不停地傳送報(bào)文給從節(jié)點(diǎn)，并等待從節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答報(bào)文。2011年05月18日Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionALLEN-BRADLEY789456123.0- F1F6F2F7F3F8F4F9F5F10P Pa an ne el lV Vi ie ew w 5 55 50 0vHMIAnalog I/O 2011年05月18日 計(jì)算機(jī)和MicroLogix1000控制器處于同一EIA-485網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)配置實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與多臺(tái)MicroLogix1000的主從通訊。 計(jì)算機(jī)作為主設(shè)備 MicroLogix1000作為從設(shè)備

7、 在水處理、冶金等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用2011年05月18日DF1 SlaveDF1 SlaveDF1 MasterDF1 Slave2011年05月18日1、建立已知類型(如DF1全雙工)的通訊，并啟動(dòng)RSLogix500軟件，在線MicroLogix1000控制器。2011年05月18日2、選擇、選擇Channel Configuration（通道組態(tài)）（通道組態(tài)）2011年05月18日3、將程序下載到MicroLogix控制器中，此時(shí)與PC機(jī)的原有通訊丟失，等待建立新通訊。2011年05月18日1、啟動(dòng)RSLinx軟件，選擇組態(tài)驅(qū)動(dòng).2011年05月18日2、選擇驅(qū)動(dòng)類型為DF1 Polli

8、ng Master Driver.協(xié)議類型2011年05月18日3、設(shè)置計(jì)算機(jī)的節(jié)點(diǎn)地址為1。PC機(jī)節(jié)點(diǎn)地址2011年05月18日4、定義輪詢列表，將從節(jié)點(diǎn)地址加入。從節(jié)點(diǎn)地址2011年05月18日5、設(shè)置計(jì)算機(jī)串口，定義物理層。2011年05月18日6、設(shè)置、設(shè)置DF1主從協(xié)議規(guī)定部分，超時(shí)和差主從協(xié)議規(guī)定部分，超時(shí)和差錯(cuò)檢測(cè)模式。錯(cuò)檢測(cè)模式。2011年05月18日2011年05月18日 詳述EIA-232和EIA-485在抗噪聲干擾方面的不同點(diǎn)，并分析原因。 詳述主從通訊過(guò)程。2011年05月18日 通用串行端口數(shù)據(jù)通信 EIA-232-D接口標(biāo)準(zhǔn) EIA-485-D接口標(biāo)準(zhǔn) 控制器局域網(wǎng)

9、 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線2011年05月18日 背景與應(yīng)用背景與應(yīng)用 CAN與ISO 7層模型 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層2011年05月18日 由歐洲由歐洲 Bosch 開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā) 要求來(lái)自要求來(lái)自 BMW 與與 Mercedes 應(yīng)用于汽車內(nèi)部的通訊應(yīng)用于汽車內(nèi)部的通訊 減少配線的數(shù)量減少配線的數(shù)量 銜接各個(gè)分布式控制器銜接各個(gè)分布式控制器 可靠可靠 通過(guò)通過(guò)EMC測(cè)試測(cè)試 可靠的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制可靠的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制 應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域 不僅僅是汽車行業(yè)不僅僅是汽車行業(yè) 過(guò)程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床2011年05月18日車尾燈車尾燈發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制控

10、制門門車前燈車前燈ABS儀表板儀表板CAN2011年05月18日 ISO 道路交通運(yùn)輸工具數(shù)據(jù)信息交換高速通信控制器局域網(wǎng)（CAN）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898。 CAN總線僅定義物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，基于CAN總線又開(kāi)發(fā)了新的協(xié)議：如DeviceNet、SDS、CANopen等。2011年05月18日 背景與應(yīng)用 CAN與與OSI 7層模型層模型 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層2011年05月18日邏輯鏈路控制子層超載通知接收濾波介質(zhì)訪問(wèn)控制子層故障限定錯(cuò)誤檢測(cè)確認(rèn)報(bào)文幀仲裁物理層位定時(shí)同步位編碼/解碼ISO OSI 7 層模型層模型CAN 層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)表述層表述層應(yīng)用層應(yīng)用層會(huì)話層會(huì)話層傳輸層傳輸層網(wǎng)

11、絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層物理層物理層2011年05月18日 背景與應(yīng)用 CAN與OSI 7層模型 物理層物理層 數(shù)據(jù)鏈路層2011年05月18日 CAN組網(wǎng)組網(wǎng) CAN總線速率與距離的關(guān)系 電氣特性 位編碼 位定時(shí) 同步2011年05月18日CAN總線常用物理介質(zhì)為UTP。2011年05月18日 CAN組網(wǎng) CAN總線速率與距離的關(guān)系總線速率與距離的關(guān)系 電氣特性 位編碼 位定時(shí) 同步2011年05月18日2011年05月18日 CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（傳輸速率為5kbps）；最高通信速率可達(dá)1Mbps（傳輸距離為40m）。 CAN的節(jié)點(diǎn)數(shù)最多為110個(gè)。2011年05月1

12、8日 CAN總線的速率與距離的關(guān)系 電氣特性電氣特性 位定時(shí) 位編碼 同步2011年05月18日采用差分傳輸?shù)姆绞?。采用差分傳輸?shù)姆绞?。雙絞線中一根為雙絞線中一根為CAN-H,另一根為另一根為CAN-L.V-CAN_HCAN_LCAN_H/CAN_L2.5V1.5V3.5V地線地線102011年05月18日 邏輯“1” 時(shí)，總線呈現(xiàn)“隱性”狀態(tài)。 VCAN-H和VCAN-L固定在平均電壓2.5V，即Vdiff近似為0。 邏輯“0” 時(shí)，總線呈現(xiàn)“顯性”狀態(tài)。 VCAN-H為3.5V,VCAN-L為1.5V，即Vdiff為2V。2011年05月18日 電氣特性 CAN總線的速率與距離的關(guān)系 位編

13、碼位編碼 位定時(shí) 同步2011年05月18日 采用全寬單極性不歸零碼（NRZ）2011年05月18日 NRZ 技術(shù)的優(yōu)勢(shì) 信號(hào)變換越少，噪音信號(hào)就越少 適用于逐位仲裁技術(shù)適用于逐位仲裁技術(shù) (Bit-Wise Arbitration) NRZ 技術(shù)的劣勢(shì) 不確定性同步 (Non-determinant Synchronisation) 采用位填充位填充技術(shù) (Bit-Stuffing)解決2011年05月18日 位填充：在每五個(gè)連續(xù)的同電位(或邏輯)之后，嵌入一個(gè)位的反相電位(或邏輯)。 實(shí)例 : 傳輸數(shù)據(jù) = 1100000000100000000111S2011年05月18日 電氣特性 C

14、AN總線的速率與距離的關(guān)系 位編碼 位定時(shí)位定時(shí) 同步2011年05月18日 理想的發(fā)送器是在沒(méi)有進(jìn)行同步的情況下，每秒發(fā)送的位數(shù)定義為正常位速率。 在一個(gè)給定的CAN系統(tǒng)里，位速率是唯一的，并且是固定的。 位時(shí)間指一位的持續(xù)時(shí)間。2011年05月18日同步段同步段傳播段傳播段相位緩沖段相位緩沖段1 相位緩沖段相位緩沖段2采樣點(diǎn)采樣點(diǎn)2011年05月18日 同步段用于同步總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)或設(shè)備。在此段內(nèi)，等待一個(gè)跳變沿。 傳播段用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的物理延遲時(shí)間。 相位緩沖段1和2用于補(bǔ)償相位邊沿的誤差。2011年05月18日2011年05月18日 硬同步硬同步 重同步2011年05月18日 僅在總

15、線空閑時(shí)通過(guò)一個(gè)跳變沿（幀起始）完成； 硬同步的效果是強(qiáng)迫該跳變沿位于重新開(kāi)始計(jì)時(shí)的位時(shí)間的同步段之內(nèi)。 2011年05月18日 在信息幀的隨后位中，每當(dāng)有跳變沿出現(xiàn)，且該跳變落在了同步段之外，就會(huì)引起一次重同步。 重同步機(jī)制根據(jù)跳變沿的位置延長(zhǎng)或者縮短位時(shí)間以調(diào)整采樣點(diǎn)的位置，保證正確采樣。 2011年05月18日 相位誤差：跳變沿相對(duì)同步段的位置。 如果跳變沿處于同步段內(nèi)，則相位誤差為0； 如果跳變沿位于采樣點(diǎn)之前，同步段之后，則相位誤差大于0； 如果跳變沿位于當(dāng)前的采樣點(diǎn)之后，下一個(gè)位的同步段之前，則相位誤差小于0。2011年05月18日 跳變沿落在了同步段之后采樣點(diǎn)之前，為正的相位誤差

16、，接收器會(huì)認(rèn)為是一個(gè)慢速發(fā)送器發(fā)送的滯后邊沿。 2011年05月18日 跳變沿落在了采樣點(diǎn)之后同步段之前，為負(fù)的相位誤差，接收器認(rèn)為這是一個(gè)快速發(fā)送器發(fā)送的下一個(gè)位時(shí)間的提前邊沿。 2011年05月18日 背景與應(yīng)用背景與應(yīng)用 CAN與OSI七層模型 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層2011年05月18日 介質(zhì)訪問(wèn)控制子層（介質(zhì)訪問(wèn)控制子層（MAC） 邏輯鏈路控制子層（LLC）2011年05月18日 介質(zhì)訪問(wèn)控制介質(zhì)訪問(wèn)控制 報(bào)文分幀 錯(cuò)誤檢測(cè)2011年05月18日 載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)沖突檢測(cè) (Carrier Sense Multiple Access /Collisio

17、n Detect) 允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行總線訪問(wèn) 用于以太網(wǎng) (Ethernet), CAN 等. 非破壞性的位元形式仲裁非破壞性的位元形式仲裁 (None-Destructive Bit-wise Arbitration) 利用 NRZ (不歸零碼) 技術(shù) 信號(hào)沖突時(shí)不會(huì)破壞信號(hào) 不浪費(fèi)帶寬 (bandwidth) 保證很高的信號(hào)吞吐率 (throughput)2011年05月18日 如果網(wǎng)絡(luò)上正在發(fā)送一幀報(bào)文，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)必須等待，直到發(fā)送如果網(wǎng)絡(luò)上正在發(fā)送一幀報(bào)文，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)必須等待，直到發(fā)送結(jié)束后才能開(kāi)始發(fā)送自己的報(bào)文結(jié)束后才能開(kāi)始發(fā)送自己的報(bào)文.節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)1節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)1發(fā)送的報(bào)文發(fā)送的報(bào)文幀間

18、隔幀間隔Time 3 位時(shí)間位時(shí)間節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)1想要發(fā)送報(bào)文想要發(fā)送報(bào)文它偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)上有報(bào)文發(fā)送，于是等待此次發(fā)送結(jié)它偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)上有報(bào)文發(fā)送，于是等待此次發(fā)送結(jié)束，直到結(jié)束后，還要間隔至少束，直到結(jié)束后，還要間隔至少3個(gè)位時(shí)間個(gè)位時(shí)間節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)X正在發(fā)送正在發(fā)送2011年05月18日節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn) A節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn) B節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn) C總線總線隱隱顯顯t1t2SOF t1 & t2 , 節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn) C 和節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn) B 丟失仲裁丟失仲裁RDRDRD2011年05月18日000100000001xxxx11EOF101101101000節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)A 發(fā)送發(fā)送: - CAN ID 1460總線上所看到的信號(hào)總線上所看到的

19、信號(hào):000100000001xxxx01EOF101101101000節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)B 發(fā)送發(fā)送: - CAN ID 1464010110111節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)B 裁定失敗，終止發(fā)射裁定失敗，終止發(fā)射 節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)B認(rèn)可信號(hào)認(rèn)可信號(hào)01裁定區(qū)裁定區(qū) 認(rèn)可區(qū)認(rèn)可區(qū)2011年05月18日 介質(zhì)訪問(wèn)控制 報(bào)文分幀報(bào)文分幀 錯(cuò)誤檢測(cè)2011年05月18日 標(biāo)準(zhǔn)幀：含有11位標(biāo)識(shí)符，稱為BASIC-CAN。 擴(kuò)展幀：含有29位標(biāo)識(shí)符，稱為Peli-CAN。2011年05月18日 數(shù)據(jù)幀：將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌?。?shù)據(jù)幀：將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鳌?遠(yuǎn)程幀：由節(jié)點(diǎn)發(fā)出，請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀。 錯(cuò)誤幀：檢測(cè)到

20、總線錯(cuò)誤后發(fā)出。 過(guò)載幀：相鄰數(shù)據(jù)幀間提供附加的延時(shí)。 幀間空間：分隔多個(gè)數(shù)據(jù)幀。2011年05月18日2011年05月18日 幀起始標(biāo)志幀起始標(biāo)志位位(SOF) 標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的起始，一個(gè)顯性位。 在此進(jìn)行硬同步。 仲裁域（Arbitration Field） 由標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位RTR標(biāo)志組成。 2011年05月18日 控制域 四位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼（DLC）和兩個(gè)保留位。 數(shù)據(jù)域 由數(shù)據(jù)幀中被發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，包括08個(gè)字節(jié)。 2011年05月18日 循環(huán)冗余碼（CRC）域CRC域包括CRC校驗(yàn)碼和界定符(一個(gè)隱性位)。生成多項(xiàng)式生成多項(xiàng)式：X X1515+X+X1414+X+X1010+X+X8

21、 8+X+X7 7+X+X4 4+X+X3 3+1+1 應(yīng)答域（ACK） 應(yīng) 答 隙 （ A C K S L O T ） 和 應(yīng) 答 界 定 （ A C K DELIMITER）。當(dāng)接收器正確地接收到有效的報(bào)文，就會(huì)在應(yīng)答隙位發(fā)送一顯性位。 2011年05月18日 幀結(jié)尾 每個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由7個(gè)“隱性位”構(gòu)成標(biāo)志序列界定。2011年05月18日 每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)發(fā)送遠(yuǎn)程幀啟動(dòng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。多用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。2011年05月18日 由幀起始、仲裁域、控制域、CRC域、應(yīng)答域、幀結(jié)尾組成。 與數(shù)據(jù)幀相反，仲裁域中的RTR位是隱性的。且沒(méi)有數(shù)據(jù)域。2011年05月18日 錯(cuò)誤標(biāo)志：錯(cuò)誤主動(dòng)標(biāo)志和錯(cuò)誤被動(dòng)標(biāo)志 錯(cuò)誤界定符：由8個(gè)隱性位構(gòu)成。2011年05月18日 錯(cuò)誤主動(dòng)標(biāo)志：連續(xù)6個(gè)顯性位。 優(yōu)先級(jí)高，違反了位填充規(guī)則 錯(cuò)誤被動(dòng)標(biāo)志：連續(xù)6個(gè)隱性位。 優(yōu)先級(jí)低，可被其他節(jié)點(diǎn)顯性位覆蓋。2011年05月18日 超載標(biāo)志和超載定界符2011年05月18日 發(fā)送超載幀條件：接收器要求延遲下一數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的到達(dá)。 超載標(biāo)志由6個(gè)顯性位組成。 超載定界符由8個(gè)隱性位組成。2011年05月18日 間歇域和總線空閑2011年05月18日 間歇域包括3個(gè)隱性位。在此期間，不允許發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，用于標(biāo)示一個(gè)超