各種多機互連通信方式的介紹

各種多機互連通信方式的介紹這里所謂的多機互連通信方式其實就是一種簡單的現場總線概念?，F場總線的定義是安裝在生產過程區(qū)域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點、雙向通信的數據總線。其中，“生產過程”包括斷續(xù)生產過程和連續(xù)生產過程兩類；或者現場總線是以單個分散的數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節(jié)點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。目前存在的現場總線標準由很多種，比較常用的標準有EIA-232-E、TIA/EIA-422-A、TIA/EIA-485-A、Profibus、DeviceNet、FF、Modbus、Interbus、CC-link、ControlNet、HART、Asi、CAN、Lonworks、BACnet、ARCnet等，其每種標準都有適用的應用領域，這里就選擇其中我們經常用到的幾種做一個簡單介紹。1、EIA-232-E、TIA/EIA-422-A、TIA/EIA-485-A這三種就是我們目前經常使用的RS-232.RS-485和RS-422接口標準。其都是串行數據接口標準，最初都是由電子工業(yè)協會（EIA）制訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，命名為EIA-232-E，作為工業(yè)標準，以保證不同廠家產品之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kb/s時），并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA-422-A標準。為擴展應用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。由于EIA提出的建議標準都是以“RS”作為前綴，所以在通訊工業(yè)領域，仍然習慣將上述標準以RS作前綴稱謂。RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。因此在各個領域的應用，許多廠家都建立了一套高層通信協議，或公開或廠家獨家使用。這三種標準的電器特性比較如下表：規(guī)定RS232RS422R485工作方式單端差分差分節(jié)點數1收、1發(fā)1發(fā)10收1發(fā)32收最大傳輸電纜長度50英尺400英尺400英尺最大傳輸速率20Kb/S10Mb/s10Mb/s最大驅動輸出電壓+/-25V-0.25V?+6V-7V?+12V驅動器輸出信號電平（負載最小值）負載+/-5V?+/-15V+/-2.0V+/-1.5V驅動器輸出信號電平（空載最大值）空載+/-25V+/-6V+/-6V驅動器負載阻抗（Q）3K?7K10054

擺率（最大值）30V/psN/AN/A接收器輸入電壓范圍+/-15V-10V?+10V-7V?+12V接收器輸入門限+/-3V+/-200mV+/-200mV接收器輸入電阻（Q）3K?7K4K（最小）N12K驅動器共模電壓-3V?+3V-1V?+3V接收器共模電壓-7V?+7V-7V?+12VRS-232串行接口標準目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。IDTRRS-232DB25逢接器引腳2524232221201918161514IDTRRS-232DB25逢接器引腳典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數據時，發(fā)送端驅動器輸出正電平在+5?+15V,負電平在-5?-15V電平。當無數據傳輸時，線上為TTL,從開始傳送數據到結束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3?+12V與-3?-12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。RS-232是為點對點（即只用一對收、發(fā)設備）通訊而設計的，其驅動器負載為3?7kQ。所以RS-232適合本地設備之間的通信。RS-422與RS-485串行接口標準RS-422.RS-485與RS-232不一樣，數據信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。通常情況下，發(fā)送驅動器A、B之間的正電平在+2?+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-2?6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l(fā)送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發(fā)送驅動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。接收器也作與發(fā)送端相對的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將AA與BB對應相連，當在收端AB之間有大于+200mV的電平時，輸出正邏輯電平，小于-200mV時，輸出負邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。RS-422與RS-485傳輸線上匹配的一些說明對RS-422與RS-485總線網絡一般要使用終接電阻進行匹配。但在短距離與低速率下可以不用考慮終端匹配。那么在什么情況下不用考慮匹配呢？理論上，在每個接收數據信號的中點進行采樣時，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實際上難以掌握，美國MAXIM公司有篇文章提到一條經驗性的原則可以用來判斷在什么樣的數據速率和電纜長度時需要進行匹配：當信號的轉換時間（上升或下降時間）超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號的上升或下降時間最小為250ns，典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns（24AWGPVC電纜），那么只要數據速率在250kb/s以內、電纜長度不超過16米，采用MAX483作為RS-485接口時就可以不加終端匹配。一般終端匹配采用終接電阻方法，前文已有提及，RS-422在總線電纜的遠端并接電阻，RS-485則應在總線電纜的開始和末端都需并接終接電阻。終接電阻一般在RS-422網絡中取100Q，在RS-485網絡中取120Q。相當于電纜特性阻抗的電阻，因為大多數雙絞線電纜特性阻抗大約在100?120Q。這種匹配方法簡單有效，但有一個缺點，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴格的系統不太適合。另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配，如圖9。利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個難點，需要在功耗和匹配質量間進行折衷。還有一種采用二極管的匹配方法，如圖10。這種方案雖未實現真正的“匹配”，但它利用二極管的鉗位作用能迅速削弱反射信號，達到改善信號質量的目的。節(jié)能效果顯著。2、CANCAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發(fā)的一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1MBPS。CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網絡內的節(jié)點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進制數組成，因此可以定義211或229個不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統中非常有用。數據段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數據的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現場總線之一。另外，CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點°CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現自由通信。CAN總線協議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的芯片已經商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統之間的數通訊。CAN總