計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第7章-總線技術(shù)課件

1、2022/7/251第七章 總線技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)：熟悉總線的基本概念熟悉常用的串行通信總線了解現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)2022/7/252第一節(jié) 總線技術(shù)概述一、總線的產(chǎn)生 為了使插件與插件間、系統(tǒng)與系統(tǒng)間能夠正確連接，就必須對(duì)連接各插件或各系統(tǒng)的基礎(chǔ)總線，制定出嚴(yán)格的規(guī)約，即總線標(biāo)準(zhǔn)，為各廠商設(shè)計(jì)和生產(chǎn)插件模塊提供統(tǒng)一的依據(jù)。二、線的定義及分類1.總線的定義 總線是一組信號(hào)線的集合。這些線是系統(tǒng)的各插件間(或插件內(nèi)部芯片間)、各系統(tǒng)之間傳送規(guī)定信息的公共通道，有時(shí)也稱數(shù)據(jù)公路，通過它們可以把各種數(shù)據(jù)和命令傳送到各自要去的地方。2022/7/2532.總線的分類（1）根據(jù)總線不同的結(jié)構(gòu)和用途，總線有如下的2種

2、類型 專用總線 我們將只實(shí)現(xiàn)一對(duì)物理部件間連接的總線稱為專用總線。專用總線的基本優(yōu)點(diǎn)是其具有較高的流量，多個(gè)部件可以同時(shí)發(fā)送或接受信息，幾乎不會(huì)出現(xiàn)總線爭(zhēng)用的現(xiàn)象。在全互連或部分互連以及環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用的總線就是專用總線。 非專用總線 非專用總線可以被多種功能或多個(gè)部件所共享，所以也稱之為共享總線。每個(gè)部件都能通過共享總線與接在總線上的其他部件相連，但在同一時(shí)刻，卻只允許2個(gè)部件共享通信，其他部件間的通信要分時(shí)進(jìn)行，因此準(zhǔn)確地應(yīng)稱之為分時(shí)共享總線。2022/7/254（2）根據(jù)總線的用途和應(yīng)用環(huán)境，總線可以有如下3種類型局部總線系統(tǒng)總線外總線2022/7/255（3）根據(jù)總線傳送信號(hào)的形式，

3、總線又可分為2種 并行總線 如果用若干根信號(hào)線同時(shí)傳遞信號(hào)，就構(gòu)成了并行總線。并行總線的特點(diǎn)是能以簡(jiǎn)單的硬件來運(yùn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸和處理。 串行總線 串行總線是按照信息逐位的順序傳送信號(hào)。其特點(diǎn)是可以用幾根信號(hào)線在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)或信息，主要用于數(shù)據(jù)通信。 顯然，上面提到的總線和局部總線均屬于并行總線范疇。而現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)則是連接工業(yè)過程現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、雙向、多站點(diǎn)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。2022/7/256第二節(jié) RS-232C/485總線一、RS-232C總線 RS-232C是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（Electronic Industry Association，EI

4、A）在1969年頒布的一種的串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，也是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的同步或異步通信。采用RS-232C作為串行通信時(shí)，通信距離可達(dá)12m，傳輸數(shù)據(jù)的速率可任意調(diào)整，最大可達(dá)20kbps。2022/7/257電氣連接方式 主要特點(diǎn)：非平衡的連接方式采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信公用地線2022/7/258最高通信速率為115200bpsRS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通信距離應(yīng)小于15m。 電氣參數(shù) 引線信號(hào)狀態(tài) RS-232C標(biāo)準(zhǔn)引線狀態(tài)必須是以下三種之一，即SPACE/ MARK(空號(hào)/傳號(hào))、或ON/OFF(通/斷)、或邏輯0/邏輯1。引線邏輯電平 用

5、-3-15V表示邏輯1用+3+15V表示邏輯0 短路抑制性能 RS-232C的驅(qū)動(dòng)電路必須能承受電纜中任何導(dǎo)線短路 通信速率 2022/7/259 RS-232C串行通信的典型連接形式有兩種：一種是數(shù)據(jù)終端計(jì)算機(jī)（DTE）之間，零調(diào)制解調(diào)器的連接形式；另一種是數(shù)據(jù)終端PC機(jī)（DTE）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）的通信。 當(dāng)通信距離較近時(shí)，可不需要Modem，通信雙方可以直接連接，這種情況下，只需使用三根線（發(fā)送線、接收線、信號(hào)地線）便可實(shí)現(xiàn)全雙工異步串行通信。2022/7/2510 RS-232C邏輯狀態(tài)定義的正負(fù)電壓范圍與TTL高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠使計(jì)算機(jī)接口與終端的T

6、TL器件連接，必須在RS-232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系變換。 MAX232是MAXIM公司生產(chǎn)的，包含兩路驅(qū)動(dòng)器和接收器的RS-232C轉(zhuǎn)換芯片。芯片內(nèi)部有一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5V電壓轉(zhuǎn)換為RS-232C接口所需的12V電壓，尤其適用于沒有12V的單電源系統(tǒng)。2022/7/2511二、RS-485總線 EIA于1983年在RS-422A的基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，全稱為TIA/EIA-485-A。RS-422A為雙通道的全雙工結(jié)構(gòu)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送，而RS-485則為半雙工，在某一時(shí)刻，數(shù)據(jù)流單向傳輸。除此之外，RS-485增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)功能，

7、允許多個(gè)驅(qū)動(dòng)器連接在同一條總線上，擴(kuò)展了總線共模范圍。 RS-485總線網(wǎng)絡(luò)一般采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，即采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。2022/7/2512串行總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器 2022/7/2513RS485具有以下特點(diǎn)：RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+2V+6V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-2V -6V表示。RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10MbpsRS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)。RS-485接口的最大傳輸距離為1200m，在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器,即具有多站能力和多機(jī)通信功能。單片機(jī)

8、與計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通信電路2022/7/252022/7/2515RS-232C、RS-422與RS-485總結(jié)外形不是區(qū)別點(diǎn)，都可能有各種形式的接插件如9、15和25針RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議?？偨Y(jié)：RS232的傳輸是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的,并且傳輸距離只有15米(有條件限制).，RS422的傳輸支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，RS485的傳輸支持多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn),傳輸距離達(dá)到1200米.(采用半雙工傳輸)RS422跟485的區(qū)別在于它傳輸方式是全雙工傳輸注意：一般的電腦只配有RS232串口，若要想用它和工控裝置的R

9、S-485串口相接，就需使用外置RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換頭，對(duì)RS-232口轉(zhuǎn)換后即可相連了。2022/7/2516第三節(jié) I2C總線一、I2C總線特點(diǎn) I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是它的簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本?？偩€的長(zhǎng)度可達(dá)25英尺，并且能夠以10kbps的最大傳輸速率支持40個(gè)組件。 I2C總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控(multimastering)模式，其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。當(dāng)然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。2022/7/

10、25二、I2C總線工作原理 I2C總線在硬件連接基礎(chǔ)上，還包括總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞胶屯ㄐ鸥袷健Ｋ捎弥鲝耐ㄐ欧绞綍r(shí)，由主器件確定和控制與某一從器件一次通信過程。而通信格式則按照主器件接收和發(fā)送數(shù)據(jù)兩種情形，可分為兩種格式(見圖)。其中S為開始信號(hào)，A為應(yīng)答信號(hào)，P為停止信號(hào)。2022/7/25172022/7/25 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C通信過程由四個(gè)部分組成:申請(qǐng)總線、建立通信路徑、數(shù)據(jù)傳送和釋放總線。2022/7/25182022/7/25三、X24C04與MCS-51單片機(jī)接口電路2022/7/25192022/7/252022/7/2520第四節(jié) SPI總線一、SPI總線的組成 SPI總

11、線可在軟件的控制下構(gòu)成各種簡(jiǎn)單的或復(fù)雜的系統(tǒng)，如：一個(gè)主微控制器和幾個(gè)從微控制器；幾個(gè)從微控制器相互連接構(gòu)成多主機(jī)系統(tǒng)(分布式系統(tǒng))；一個(gè)主微控制器和一個(gè)或幾個(gè)從I/O設(shè)備。在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合中，使用一個(gè)微控制器作為主機(jī)，它控制數(shù)據(jù)向一個(gè)或多個(gè)從外圍器件的傳送。從器件只能在主機(jī)發(fā)命令時(shí)才能接收或向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)的傳輸格式是高位(MSB)在前，低位(LSB)在后。 2022/7/25二、SPI總線的時(shí)序 在實(shí)際應(yīng)用中，各I/O芯片只能在收到CPU發(fā)出的使能命令后，才能向CPU傳送數(shù)據(jù)或從CPU接收數(shù)據(jù)，并遵循“高位(MSB)在前，低位(LSB)在后”的數(shù)據(jù)傳輸格式。2022/7/252120

12、22/7/25三、SPI模式CPHA=0時(shí)，SPI時(shí)序 2022/7/25222022/7/25CPH=1時(shí)，SPI時(shí)序 2022/7/25232022/7/252022/7/2524第五節(jié) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)一、現(xiàn)場(chǎng)總線的含義1.現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)DCS控制層 第一代FCS控制層 2022/7/25252.互操作性 互操作性的含義是來自不同制造廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不僅可以相互通信，而且可以統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需的控制回路，共同實(shí)現(xiàn)控制策略。也就是說，用戶選用各種品牌的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成在一起，實(shí)現(xiàn)“即接即用”?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連是基本要求，只有實(shí)現(xiàn)操作性，用戶才能自由地集成現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)(Field Control Sys

13、tem，簡(jiǎn)稱FCS)。3.分散功能塊2022/7/252022/7/25264.通信線供電 現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸線常用雙絞線，并使用通信線供電方式，采用低功耗現(xiàn)場(chǎng)儀表，允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通信線上獲取電能，這種低功耗現(xiàn)場(chǎng)儀表可以用于本質(zhì)安全環(huán)境，與其配套的還有安全柵。5.開放式網(wǎng)絡(luò)互連 現(xiàn)場(chǎng)總線為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可與同類網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同類網(wǎng)絡(luò)互連。開放式互連網(wǎng)絡(luò)還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)共享，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。2022/7/25二、OSI參考模型與現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型 典型的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議模型如圖所示。它采用OSI模型中的三個(gè)典型層

14、：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并增加一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線訪問子層，以取代OSI模型中第36層的部分功能，以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求。它是OSI模型的簡(jiǎn)化形式，其流量與差錯(cuò)控制在數(shù)據(jù)鏈路層中進(jìn)行，因而與OSI模型不完全保持一致。2022/7/25272022/7/25三、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 FF現(xiàn)場(chǎng)總線模型結(jié)構(gòu)如圖所示。它采用了OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層這三層，隱去了第36層。其中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層采用IEC/ISA標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用層有兩個(gè)子層：現(xiàn)場(chǎng)總線訪問子層FAS和現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范子層FMS，并將從數(shù)據(jù)鏈路到FAS、FMS的全部功能集成為通信棧(Communication Stack)。FAS的基

15、本功能是確定數(shù)據(jù)訪問的關(guān)系模型和規(guī)范，根據(jù)不同要求，采用不同的數(shù)據(jù)訪問工作模式。2022/7/25282022/7/25四、局部操作網(wǎng)絡(luò) LONWORKS采用了ISO/OSI模型的全部七層通信協(xié)議，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。這七層的作用和所提供的服務(wù)如圖所示。2022/7/25292022/7/25五、過程現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS的傳輸速率為9612kbps，最大傳輸距離在12kbps時(shí)為1000m，15Mbps時(shí)為400m，可用中繼器延長(zhǎng)至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接 127個(gè)站點(diǎn)。 一個(gè)典型的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)采用三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 基于現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP/P

16、A控制系統(tǒng)位于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的底層，即現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)。 現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS是面向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖2022/7/25302022/7/252022/7/2531 CAN在物理結(jié)構(gòu)上屬于總線式通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)由上位監(jiān)控PC機(jī)、智能節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備三部分組成。 上位監(jiān)控PC機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接受與管理、控制命令的發(fā)送以及各控制單元?jiǎng)討B(tài)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。 智能節(jié)點(diǎn)可以使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備方便地連接到CAN總線上，主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理并將處理后的數(shù)字信號(hào)通過CAN通信控制器SJA1000發(fā)送到CAN總線。六、控制器局域網(wǎng)絡(luò)2022/7/2532 可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路 (Highway Addressable Remote Transducer，簡(jiǎn)稱HART) 。最早由Rosemout公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會(huì)。這種被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感高速通道的開放通信協(xié)議，其特點(diǎn)