智能化儀器原理及應(yīng)用(第三版)課件：新型知能儀器

智能化儀器原理及應(yīng)用

(第三版)

新型智能儀器8.1個人儀器8.2虛擬儀器8.3現(xiàn)場總線儀器8.4網(wǎng)絡(luò)化儀器

8.1個人儀器

8.1.1個人儀器原理及特點

1.個人儀器及其發(fā)展過程

個人儀器（也稱PC儀器）是在智能化儀器發(fā)展基礎(chǔ)上出現(xiàn)的又一種新型微機化儀器，它是個人計算機與電子儀器相結(jié)合的產(chǎn)品。這類儀器的基本構(gòu)想是將原智能儀器儀表中測量部分的硬件電路以附加插件或模板的形式插入到PC機的總線插槽或擴展機箱中，而將原智能化儀器中的控制、存儲、顯示和操作運算等軟件任務(wù)都移交給PC機來完成，這就是個人儀器。由于它充分利用了PC機的軟件和硬件資源，因而相對于傳統(tǒng)的智能儀器來說，極大地降低了成本，方便了使用，提高了可靠性，顯示出廣闊的發(fā)展前景。在此基礎(chǔ)上，若將多種測控儀器插件或模板組合在一個PC系統(tǒng)中，還可以構(gòu)成稱之為個人儀器的系統(tǒng)，用它來代替價格昂貴的GP-IB接口測試系統(tǒng)的工作。

1）個人儀器的主要形式

個人儀器及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大體上可以分為以下幾種形式：

（1）內(nèi)插式。它把儀器插件卡直接插入到PC機內(nèi)部總線擴展槽內(nèi)，如圖8-1（a）所示。這種結(jié)構(gòu)比較簡單、實現(xiàn)方便，成本最低，但難以滿足重載儀器對電流功率和散熱的要求，機內(nèi)干擾也比較嚴重；在組成個人儀器時，由于沒有專門為儀器儀表定義的總線，各儀器之間不能直接通信,模擬信號也無法經(jīng)總線傳遞。因此，這種形式的個人儀器及系統(tǒng)的性能不可能很高。

（2）外插式。克服內(nèi)插式缺點的辦法之一是定義新的儀器總線，并將儀器插件移到個人計算機外的獨立機箱中，如圖8-1（b）所示。HP公司6000系列模塊式PC儀器系統(tǒng)就是這種形式的代表產(chǎn)品。這種形式個人儀器的特點是：具有獨立的機箱和獨立的電源，使儀器避免了微機的噪聲干擾；設(shè)計了專門的儀器總線PC－IB，組成儀器系統(tǒng)很方便；更換系統(tǒng)中與微機配合的接口卡，可適應(yīng)于多種個人計算機機種，并且儀器模塊和接口電路中也使用了微處理機。因而HP6000系統(tǒng)是一種功能很強大的多CPU分布系統(tǒng)。圖8-1個人儀器的結(jié)構(gòu)形式

（3）VXI總線儀器系統(tǒng)。上述形式的個人儀器及系統(tǒng)以它突出的優(yōu)點顯示出強大的生命力。然而，由于各廠家生產(chǎn)的儀器沒有采用統(tǒng)一的標準，用戶在組成個人儀器系統(tǒng)時不能將不同廠家的儀器模塊和插件插在同一主機箱內(nèi)，這就妨礙了個人儀器的發(fā)展。于是，就發(fā)出了標準化的呼聲。VXI儀器系統(tǒng)就是在這種形式下應(yīng)運而生的。1987年7月，HP、Tektronix等五家電子儀器公司提出了用于儀器模塊式插卡的新型互聯(lián)標準——VXI總線。VXI總線是在計算機使用的一種VME總線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

2）個人儀器的主要特點

個人儀器一般具有以下特點：

（1）成本低。在個人儀器系統(tǒng)中，每個測試功能不是由整機，而是由插件完成的。每個插件不必具有智能儀器所需的微處理器、顯示裝置、鍵盤、機箱等部件，因而制造成本大大降低。

（2）使用方便。在個人儀器中，標準的儀器功能寫入操作軟件中，并備有簡單的清單（Menu）。用戶根據(jù)清單進行選擇，無需編制程序就能完成各種測試任務(wù)，操作方便。

（3）制造方便。儀器插件卡與個人計算機之間的關(guān)系遠不如智能儀器中微處理器與測量部件之間的關(guān)系密切，而價廉物美的個人計算機可以購買，儀器制造廠可集中精力研制、生產(chǎn)測試插件卡，生產(chǎn)周期短，制造方便。

（4）實時交互作用。個人儀器是通過微機的系統(tǒng)總線連接的，因而相互間可進行實時的交互作用。例如，可讓一臺儀器去觸發(fā)另一臺儀器，使得在時間上相互關(guān)聯(lián)；而在GP-IB系統(tǒng)中，儀器間不能實時交互，它們只接受系統(tǒng)控制器的控制，或向控制器提出服務(wù)請求。

2.個人儀器的組成原理

1）硬件結(jié)構(gòu)

個人儀器的硬件是由儀器插件通過總線與個人計算機融合在一起構(gòu)成的，因而儀器插件硬件部分總有接口和測量與控制兩大部分電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖8-2所示。圖8-2

個人儀器插件的一般結(jié)構(gòu)

2）軟面板

個人儀器不同于普通智能儀器的一個顯著特點是：用戶不再使用儀器的硬面板，而是采用軟面板實現(xiàn)對儀器的操作。所謂軟面板，是顯示在CRT上由高分辨率作圖生成的儀器面板圖形，用戶通過操縱鍵盤、移動鼠標、光標或觸摸屏方式來選擇軟面板上的“軟按鍵”。顯示在CRT上的軟面板可以采用C語言、BASIC語言及圖形化編程語言來繪制。軟面板根據(jù)測控儀器的性質(zhì)不同可以有很多種形式，但一般包括儀器面板顯示、軟按鍵操作、狀態(tài)反饋欄和系統(tǒng)控制窗口等。

3）個人儀器系統(tǒng)軟件

個人儀器系統(tǒng)一般有人工和程序兩種控制方式，圖8-3所示為個人儀器軟件系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)。

在人工控制方式下，系統(tǒng)軟件在微機屏幕上產(chǎn)生一個軟面板，用戶可以像操作傳統(tǒng)儀器那樣，通過軟面板選擇功能、量程以及輸入有關(guān)參數(shù)的方式，建立起相應(yīng)的狀態(tài)標志，提供給儀器驅(qū)動程序。軟面板的鍵盤操作一般是以中斷方式實現(xiàn)的，當(dāng)用戶按下一個鍵時，軟面板就終止當(dāng)前執(zhí)行的功能，判斷所按的鍵。如果按下錯誤的鍵，就發(fā)出響聲，以提醒用戶；如果按下正確的鍵，則或者顯示所選參數(shù)，或者與儀器驅(qū)動程序模塊進行通信來執(zhí)行某項操作，并實時顯示測量結(jié)果。圖8-3個人儀器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在程序控制方式下，系統(tǒng)軟件提供了容易記住和容易學(xué)會的高級命令，以便讓用戶能編制測試程序去進行自動測試。對于用戶來說，只需要按照語句的格式進行編程，而不必知道儀器驅(qū)動軟件與儀器模塊之間的通信過程。

儀器驅(qū)動程序是最低層的軟件，是與PC儀器硬件直接聯(lián)系的軟件模塊，無論人工操作還是程序操作方式，都要調(diào)用儀器驅(qū)動程序去執(zhí)行輸入輸出操作。儀器驅(qū)動程序是直接面向硬件的，實時性強，要求程序的執(zhí)行速度快，因此一般采用匯編語言編寫。8.1.2典型個人儀器實例

1.內(nèi)插式個人儀器

1）DVM個人儀器插卡硬件結(jié)構(gòu)

DVM儀器插卡硬件結(jié)構(gòu)如圖8-4所示。該儀器的輸入電路由輸入衰減器、前置放大器、量程轉(zhuǎn)換和自動穩(wěn)零切換電路組成，個人計算機通過接口電路對其進行控制。輸入電路的作用是將不同量程的被測電壓UX規(guī)范到A/D轉(zhuǎn)換器所要求的電壓值（0～±2V）內(nèi)。前置放大器采用MC7650組成的單級同相放大器，放大倍數(shù)為1倍或10倍，由繼電器JK2控制切換；輸入衰減系數(shù)為1∶100，由繼電器JK1控制切換；零點校準由JK3控制。圖8-4

DVM個人儀器插件硬件結(jié)構(gòu)圖

2）軟面板生成

圖8-5是DVM個人儀器軟面板，不難看出，它與同類智能儀表的硬件面板極其相似。顯示窗用來顯示測量結(jié)果；狀態(tài)反饋窗提供當(dāng)前正在執(zhí)行的有關(guān)信息及出錯信息等；“軟鍵”操作窗又分為量程鍵區(qū)和功能鍵區(qū)兩部分，可以通過按下PC機的TAB鍵來進行切換選擇。“軟鍵”操作窗的“鍵”操作，是通過PC機鍵盤右邊小鍵盤中的四個方向鍵來控制光標的移動的，當(dāng)光標移到某一項時，就使該項以反相映像的形式進行顯示，如圖8-5所示。圖8-5

DVM個人儀器軟面板

3）軟件系統(tǒng)的設(shè)計

個人儀器是通過交互圖形實現(xiàn)人機接口，這就要求所用程序設(shè)計語言具有很強的控制流和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，運行速度快，并且容易與匯編語言接口，本DVM個人儀器控制軟件采用了C語言。

DVM個人儀器軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，其中主程序模塊是整個軟件系統(tǒng)的一條主線，它把所有其他的程序模塊連接起來。主程序首先對整個儀器以及系統(tǒng)中的有關(guān)器件初始化，再調(diào)用軟面板生成模塊，然后把余下的模塊構(gòu)成一個循環(huán)圈，儀器的功能都在這一循環(huán)圈中有選擇地周而復(fù)始地運行。因此軟鍵盤管理程序模塊的功能就是根據(jù)用戶對軟鍵的選擇，來改變狀態(tài)變量，然后根據(jù)這些變量進入不同的驅(qū)動程序模塊。圖8-6

DVM個人儀器主程序流程圖

DVM個人儀器的測量方式按不同功能可分為單次測量和定次數(shù)測量方式。其中，DVM、AX+B、LMT等功能被程序確定為單次測量方式，HLA、LOG等功能被程序確定為定次數(shù)測量方式。

主程序中軟面板管理程序模塊的功能是：采用光標法移動軟鍵來選擇儀器的狀態(tài)（量程、功能等），通過提示的方法引導(dǎo)用戶輸入各功能所必需的參數(shù)，當(dāng)返回主程序時，儀器便在新設(shè)置的狀態(tài)及新輸入的參數(shù)下進行測量和處理。

2.HP—PC個人儀器簡介

HP—PC個人儀器系統(tǒng)是HP公司1986年推出的。當(dāng)時該系統(tǒng)共提供了8種個人儀器組件，即函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字多用表、通用計數(shù)器、數(shù)字示波器、數(shù)字輸入/輸出設(shè)備、繼電式多路器、雙數(shù)/模變換器和繼電器驅(qū)動器。每一種個人儀器組件都封裝在一個塑料機殼中，但它們擁有同一種母線標準，通過一塊專用接口卡能與多種個人計算機相連。一塊插入個人計算機總線擴展槽內(nèi)的專用接口板，最多可以連接8臺個人儀器組件，所有個人儀器組件共用一個外部電源，8臺儀器組件分兩排疊放在電源上部，形成了簡單方便的儀器系統(tǒng)。欲再增加一塊接口板，可以使接入的PC儀器組件最多增加至16臺。

每種個人儀器組件中僅保留基本的測量功能，儀器的控制和數(shù)字、狀態(tài)、波形的顯示以及儀器的開關(guān)和按鍵等的管理，都集中于PC中，個人儀器組件本身不再具有傳統(tǒng)的獨立功能。

個人計算機對HP—PC儀器的控制有程序控制和人工控制兩種方式。

在人工控制方式下，HP—PC儀器系統(tǒng)軟件在PC機的屏幕上向用戶提供一幅可以人機對話的軟面板。

在程序控制方式下，用戶可以使用PC儀器的軟件方便地編制各種應(yīng)用程序。PC儀器系統(tǒng)軟件采用的語句與BASIC語言類似。HP—PC儀器系統(tǒng)還帶有GP－IB口，以便于和其他帶GP

IB總線的儀器連接，應(yīng)用于自動測試系統(tǒng)中。HP—PC個人儀器系統(tǒng)采用PC

IB總線。

HP—PC儀器系統(tǒng)中的PC儀器組件由測試功能電路和PC

IB接口兩部分組成。雖然PC儀器中大量工作已轉(zhuǎn)移到個人計算機中完成，但是由于微處理器芯片價格大幅度下降，為了設(shè)計及控制的方便，在PC儀器組件中也可以采用一片至數(shù)片微處理器，以便更好地完成測試和接口功能。圖8-7是HP—PC儀器中DMM組件部分電路框圖。測試功能部分采用了一片微處理器對A/D轉(zhuǎn)換進行控制，并設(shè)置了量程與模式鎖存器來存放從個人計算機收到的控制信號，以便控制DMM的量程和功能模塊。測試功能部分的前端有三個可控開關(guān)：S3閉合時測直流電壓；S2閉合時測交流電壓；S1及S3閉合時進行電阻測量，這時電流源供給一個確定的電流流經(jīng)被測電阻，通過測量電阻上的電壓獲得電阻值。非易失性存儲器用來存儲測量中的標準或定標常數(shù)。A/D控制用微處理器從A/D轉(zhuǎn)換器讀取了數(shù)據(jù)，并對偏移和增益進行校正后，才把數(shù)據(jù)送往個人計算機。圖8-7

HP61013DMM組件電路

3.VXI總線個人儀器簡介

這里僅對VXI總線個人儀器系統(tǒng)的組件情況作一簡單介紹。

VXI總線個人儀器系統(tǒng)是一種計算機控制的功能系統(tǒng)，在很寬的范圍內(nèi)允許不同廠家生產(chǎn)的儀器接口卡和計算機以模塊的形式共同存在于同一主機箱內(nèi)。VXI系統(tǒng)的組件按照主控計算機放置在機架內(nèi)部或外部，分為內(nèi)控方式和外控方式。圖8-8

VXI總線儀器系統(tǒng)的組建圖8-9

HP75000外控式VXI儀器系統(tǒng)

本系統(tǒng)可以同時進行多種測量，只需將來自各種儀器的信號經(jīng)各種電子轉(zhuǎn)換開關(guān)送到接口連接組件板ITA，再接到被控設(shè)備中去即可。這種組件板適應(yīng)性很強，一般被稱做接口適配器，只要改變一下內(nèi)部的適配器和軟件，便可測試各種電子產(chǎn)品。

VXI個人儀器系統(tǒng)集中了智能儀器、GP－IB系統(tǒng)和內(nèi)插式個人儀器系統(tǒng)的很多特長，它的出現(xiàn)極大地影響了電子儀器的發(fā)展進程。由于它還能充分發(fā)揮計算機的功能，運用新的測量原理構(gòu)成虛擬儀器，因而VXI系統(tǒng)還有“未來儀器”和“未來系統(tǒng)”之稱。 8.2

虛擬儀器8.2.1虛擬儀器原理及特點

1.虛擬儀器的概念

虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與必要的功能化硬件模塊結(jié)合起來的一種儀器，用戶可以通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，就像操作自己定義、自己專門設(shè)計的一臺單個傳統(tǒng)儀器一樣，從而完成對被測控參數(shù)的采集、運算與處理、顯示、數(shù)據(jù)存儲、輸出等任務(wù)。虛擬儀器通常由計算機、儀器模塊和軟件三部分組成。

儀器模塊的功能主要靠軟件實現(xiàn)，通過編程在顯示屏上構(gòu)成波形發(fā)生器、示波器或數(shù)字萬用表等傳統(tǒng)儀器的軟面板，而波形發(fā)生器發(fā)生的波形、頻率、占空比、幅值、偏置等，或者示波器的測量通道、標尺比例、時基、極性、觸發(fā)信號（沿口、電平、類型……）等都可用鼠標或按鍵進行設(shè)置，如同常規(guī)儀器一樣使用，不過，虛擬儀器具有更強的分析處理能力。隨著計算機技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，用戶只能使用制造商提供的儀器功能的傳統(tǒng)觀念正在改變，而用戶自己設(shè)計、定義的范圍進一步擴大；同一臺虛擬儀器可在更多場合應(yīng)用，比如既可在電量測量中應(yīng)用，又可在振動、運動和圖像等非電量測量中應(yīng)用，甚至在網(wǎng)絡(luò)測控中應(yīng)用。

虛擬儀器強調(diào)軟件的作用，提出“軟件就是儀器”的理念。它克服了傳統(tǒng)儀器的功能在制造時就被限定而不能變動的缺陷，擺脫了由傳統(tǒng)硬件構(gòu)成一件件儀器再連成系統(tǒng)的模式，而變?yōu)橛捎脩舾鶕?jù)自己的需要，通過編制不同的測控軟件來組合構(gòu)成各種虛擬儀器，其中許多功能直接就由用戶軟件來實現(xiàn)，打破了儀器功能只能由廠家定義，用戶無法改變的模式。當(dāng)用戶的測控要求變化時，可以方便地由用戶自己來增減軟、硬件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足要求。所以虛擬儀器是由用戶自己定義、自由組合的計算機平臺、硬件、軟件以及完成系統(tǒng)功能所需的附件。

2.虛擬儀器的組成

虛擬儀器同智能儀器一樣也是由硬件和軟件兩大部分組成的，下面就從這兩個方面介紹虛擬儀器的構(gòu)成。

1）虛擬儀器的硬件系統(tǒng)

虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如普通臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。計算機管理著虛擬儀器的硬、軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。計算機技術(shù)在顯示、存儲能力、處理性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標準等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。

虛擬儀器不強調(diào)每一個儀器功能模塊就是一臺儀器，而是強調(diào)選配一個或幾個帶共性的基本儀器硬件來組成一個通用硬件平臺，通過調(diào)用不同的軟件來擴展或組成各種功能的儀器或系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的智能儀器一樣，虛擬儀器也可以劃分成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達三個部分。

傳統(tǒng)的智能儀器是由廠家將上述三種功能的部件根據(jù)儀器功能按固定方式組建，一般一種儀器只有一種功能或數(shù)種功能。而虛擬儀器是將具有上述一種或多種功能的通用模塊組合起來，通過編制不同的測控軟件來構(gòu)成任何一種儀器，而不是某幾種儀器。

例如：激勵信號可先由微機產(chǎn)生數(shù)字信號，再經(jīng)D/A變換產(chǎn)生所需的各種模擬信號，這相當(dāng)于一臺任意波形發(fā)生器；被測信號經(jīng)過采樣、A/D變換成數(shù)字信號，再經(jīng)過處理，可以直接以數(shù)字顯示而形成數(shù)字電壓表一類儀器；也可以用圖形顯示而成為示波器類儀器；或者再對數(shù)據(jù)進一步分析即可形成頻譜分析類儀器。其中，數(shù)據(jù)分析與處理以及顯示等功能可以直接由軟件完成。這樣就擺脫了由傳統(tǒng)硬件構(gòu)成一件件儀器然后再連成系統(tǒng)的模式，而變成僅僅由計算機、A/D及D/A等帶共性的硬件資源和應(yīng)用軟件共同組成虛擬儀器的新理念。許多廠家已研制出多種用于構(gòu)建虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）。一塊DAQ卡即可以完成A/D、D/A、數(shù)字I/O、計數(shù)器/定時器等多種功能，再配以相應(yīng)的信號調(diào)理組件，以及GP－IB儀器、VXI總線儀器、PC總線儀器、帶有RS

232串行口儀器、現(xiàn)場總線儀器等，形成現(xiàn)階段虛擬儀器的硬件平臺，如圖8-10所示。圖8-10

虛擬儀器硬件平臺

VXI（VMEbuseXtensionforInstrumentation）即VME總線在儀器領(lǐng)域的擴展，是1987年在VME總線、Eurocard標準（機械結(jié)構(gòu)標準）和IEEE488等的基礎(chǔ)上，由主要儀器制造商共同制定的開放性儀器總線標準。VXI系統(tǒng)最多可包含256個裝置，主要由主機箱、“0槽”控制器、具有多種功能的模塊儀器和驅(qū)動軟件、系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成。系統(tǒng)中各功能模塊可隨意更換，即插即用組成新系統(tǒng)。目前，國際上有兩個VXI總線組織：①VXI聯(lián)盟，負責(zé)制定VXI的硬件（儀器級）標準規(guī)范，包括機箱背板總線、電源分布、冷卻系統(tǒng)、零槽模塊、儀器模塊的電氣特性、機械特性、電磁兼容性以及系統(tǒng)資源管理和通信規(guī)程等內(nèi)容；②VXI總線即插即用（VXIPlug&Play，簡稱VPP）系統(tǒng)聯(lián)盟，宗旨是通過制定一系列VXI的軟件（系統(tǒng)級）標準來提供一個開放性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，真正實現(xiàn)VXI總線產(chǎn)品的“即插即用”。這兩套標準組成了VXI標準體系，實現(xiàn)了VXI的模塊化、系列化、通用化以及VXI儀器的互換性和互操作性。VXI的價格相對較高，適合于尖端的測試領(lǐng)域。

DAQ（DataAcQuisition，數(shù)據(jù)采集）指的是基于計算機標準總線（如ISA、PCI、PC/104等）的內(nèi)置功能插卡。它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性。利用DAQ可方便快速地組建基于計算機的儀器（Computer

BasedInstruments），實現(xiàn)“一機多型”和“一機多用”。在性能上，隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、儀器放大技術(shù)、抗混疊濾波技術(shù)與信號調(diào)理技術(shù)的迅速發(fā)展，DAQ的采樣速率已達到1Gb/s，精度高達24位，通道數(shù)高達64個，并能任意結(jié)合數(shù)字I/O，模擬I/O、計數(shù)器/定時器等通道。儀器廠家生產(chǎn)了大量的DAQ功能模塊可供用戶選擇，如示波器、數(shù)字萬用表、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。在ＰＣ計算機上掛接若干DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有若干功能的ＰＣ儀器。

2）虛擬儀器的軟件系統(tǒng)

基本硬件確定之后，要使虛擬儀器能按用戶要求自行定義，必須有功能強大的軟件平臺支持。早先的軟件開發(fā)環(huán)境很不理想，既使是用C、C++高級語言也會感到與高速測試及縮短開發(fā)周期的要求極不適應(yīng)。經(jīng)過大量工作，現(xiàn)在基于圖形的用戶接口和開發(fā)環(huán)境是虛擬儀器軟件工作中最流行的發(fā)展趨勢。典型的軟件產(chǎn)品有NI公司的LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentWorkbench,實驗室虛擬儀器工作平臺）、HP公司的HPVEE和HPTIG、Tektronix公司的Ez-Test和TNS等。其中LabVIEW應(yīng)用的影響最大。

虛擬儀器最核心的思想，就是利用計算機的軟件和硬件資源，使本來需要硬件或電路實現(xiàn)的技術(shù)軟件化和虛擬化，最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)的功能與靈活性。基于軟件在虛擬儀器系統(tǒng)中的重要作用，從低層到頂層，虛擬儀器的軟件系統(tǒng)框架包括三個部分：VISA庫、儀器驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件。虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)如圖8-11所示。圖8-11

（1）VISA（VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture）庫。VISA庫實質(zhì)就是標準的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱，一般稱這個I/O函數(shù)庫為VISA庫。它駐留于計算機系統(tǒng)之中，執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之間的軟件層連接，用來實現(xiàn)對儀器的控制。對于儀器驅(qū)動程序開發(fā)者來說，VISA庫是一個可調(diào)用的操作函數(shù)庫或集合。

（2）儀器驅(qū)動程序。儀器驅(qū)動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合，是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動程序，儀器廠商將其以源代碼的形式提供給用戶，用戶在應(yīng)用程序中調(diào)用儀器驅(qū)動程序。

（3）應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀、友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來完成自動測試任務(wù)。應(yīng)用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件。通用數(shù)字處理軟件包括用于數(shù)字信號處理的各種功能函數(shù)，如頻域分析的功率譜估計、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和細化分析等，時域分析的相關(guān)分析、卷積運算、反卷運算、均方根估計、差分積分運算和排序等，濾波設(shè)計中的數(shù)字濾波等。這些功能函數(shù)為用戶進一步擴展虛擬儀器的功能提供了基礎(chǔ)。

3.虛擬儀器的特點

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶可定制性等方面具有更多優(yōu)點外，在工程應(yīng)用和社會經(jīng)濟效益方面也具有突出優(yōu)勢。

一方面，目前我國高檔臺式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進口，這些儀器加工工藝復(fù)雜，要求很高的制造技術(shù)，國內(nèi)生產(chǎn)尚有困難，采用虛擬儀器技術(shù)，可以通過只采購必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件來設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)。

另一方面，用戶可以將一些先進的數(shù)字信號處理算法應(yīng)用于虛擬儀器設(shè)計，提供傳統(tǒng)臺式儀器不具備的功能，而且完全可以通過軟件配置實現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計。因此，可以說虛擬儀器代表了未來測量儀器設(shè)計發(fā)展的方向。

與傳統(tǒng)儀器比較，虛擬儀器還有許多其他優(yōu)點：

（1）融合計算機強大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等方面的限制，大大增強了傳統(tǒng)儀器的功能。高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的標準配置。

（2）利用了計算機豐富的軟件資源，實現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)靈活性；通過軟件技術(shù)和相應(yīng)數(shù)值算法，實時、直接地對測試數(shù)據(jù)進行各種分析與處理；通過圖形用戶界面（GUI）技術(shù)，真正做到界面友好、人機交互。

（3）基于計算機總線和模塊化儀器總線，儀器硬件實現(xiàn)了模塊化、系列化，大大縮小系統(tǒng)尺寸，可方便地構(gòu)建模塊化儀器（InstrumentonaCard）。

（4）基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，VI系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)（Connectivity），廣泛支持諸如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各種工業(yè)總線標準。因此，利用VI技術(shù)可方便地構(gòu)建自動測試系統(tǒng)（AutomaticTestSystem，ATS），實現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。

（5）基于計算機的開放式標準體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點。因此，用戶可根據(jù)自己的需要，選用不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建時間。

（6）研制費用低而且部分軟、硬件可以重復(fù)利用；技術(shù)更新快（周期1～2年）等。

8.2.2

LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺簡介

1.LabVIEW的功能

LabVIEW是美國NI公司研制的一個功能強大的虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)平臺，是具有直觀界面、便于開發(fā)、易于學(xué)習(xí)且具有多種儀器驅(qū)動程序和工具的大型儀器系統(tǒng)開發(fā)工具。

LabVIEW基于圖形化編程語言G開發(fā)環(huán)境，它采用了工廠人員所熟悉的術(shù)語、圖標等圖形化符號來代替常規(guī)基于文字的程序語言，把復(fù)雜煩瑣、費時的語言編程簡化成簡單、直觀、易學(xué)的圖形編程，同傳統(tǒng)的程序語言相比，可以節(jié)省約80%的程序開發(fā)時間。這一特點也為那些不熟悉C、C++等計算機語言的開發(fā)者帶來了很大的方便。LabVIEW整合了GP-IB、VXI、PXI、RS-232C和RS-485以及數(shù)據(jù)采集卡DAQ等硬件通信的全部功能。它還提供了調(diào)用TCP/IP、Activex等軟件標準的庫函數(shù)及代碼接口節(jié)點等功能，方便了用戶直接調(diào)用由其他語言編制成的可執(zhí)行程序，使得LabVIEW編程環(huán)境具有一定的開放性。

LabVIEW的基本程序單位是VI?？梢酝ㄟ^圖形編程的方法，建立一系列的VI來完成用戶指定的測試任務(wù)。對于簡單的測試任務(wù)，可由一個VI完成。對于一項復(fù)雜的測試任務(wù)，則可按照模塊設(shè)計的概念，把測試任務(wù)分解為一系列的任務(wù)，每一項的任務(wù)還可以分解為多項小任務(wù)，直至把一項復(fù)雜的測試任務(wù)變成一系列的子任務(wù)。設(shè)計時，先設(shè)計各種VI以完成每項子任務(wù)，然后把這些VI組合起來以完成更大的任務(wù)，最后建成的頂層虛擬儀器就成為一個包括所有子功能虛擬儀器的集合。LabVIEW可以讓用戶把自己創(chuàng)建的VI程序當(dāng)作一個VI子程序節(jié)點，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，且這種調(diào)用是無限制的。LabVIEW中各VI之間的層次調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖8-12所示?？梢?，LabVIEW中每一個VI相當(dāng)于常規(guī)程序中的一個子程序。

2.

LabVIEW的工作面

所有的LabVIEW程序，即虛擬儀器（VI）都包括前面板（FrontPanel）、流程圖（BlockDiagram）和圖標/連接口三部分。圖8-12

LabVIEW層次調(diào)用結(jié)構(gòu)

前面板用于設(shè)置輸入數(shù)據(jù)和觀察輸出量。由于程序前面板是模擬真實儀表前面板，輸入量被稱為Controls，輸出量被稱為Indicators，因此，用戶可以使用許多圖標，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，使前面板易懂易看。圖8-13是一個溫度計程序（ThermomenterVI）的前面板。圖8-13

前面板舉例（溫度計VI）圖8-14

溫度計程序的流程圖

圖標/接口部件可以讓用戶把VI程序變成一個對象（VI子程序），然后在其他VI程序中像子程序一樣地調(diào)用。圖標表示在其他程序中被調(diào)用的子程序，而接線端口表示圖標的輸入/輸出口，就像子程序的參數(shù)端口一樣，它們對應(yīng)著VI程序前面板的控制量和指示量的數(shù)值。圖8-15所示為溫度計VI程序的圖標和接線端口。接線端口一般情況下隱含不顯示，除非用戶選擇打開看它。圖8-15

溫度計VI程序的圖標及端口

3.LabVIEW模板

LabVIEW具有圖形化的可移動的工具模板，用于創(chuàng)建和運行程序，共有三類模板：工具（Tool）模板、控制（Controls）模板和功能（Functions）模板。以下簡要介紹這三類模板。

1）工具模板

工具模板用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試程序。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在Windows菜單下選擇ShowToolsPalette功能以顯示該模板。工具模板包含10種工具,限于篇幅，這里對每種工具的功能不作介紹。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成該工具相應(yīng)的形狀。

2）控制模板

用控制模板可以給前面板增加輸入控制量和輸出指示量?？刂颇０逯忻總€圖標代表一個子模板，它包括9個子模板。只有當(dāng)打開前面板窗口時才能調(diào)用控制模板。

3）功能模板

功能模板包括16個子模板。功能模板用來創(chuàng)建框圖程序。模板上每一個頂層圖標都表示一個子模板。只有打開了框圖程序窗口，才能出現(xiàn)功能模板。若功能模板不出現(xiàn)，可用Windows菜單下的ShowFunctionsPalette功能打開它。

4.用LabVIEW創(chuàng)建一個VI程序

1）創(chuàng)建前面板

當(dāng)構(gòu)建一個虛擬儀器前面板時，只需從控制模板中選取所需的輸入控制部件和輸出指示部件（包括數(shù)字顯示、表頭、LED、圖標、溫度計等）。控制部件是用戶輸入數(shù)據(jù)到程序的方法，而指示部件則顯示程序執(zhí)行后產(chǎn)生的結(jié)果?？刂坪惋@示部件有許多種類，可以從控制模板的各個子模板中選取。兩種最常用的數(shù)字對象是數(shù)字控制部件和數(shù)字指示部件。需要在數(shù)字控制部件中輸入或修改數(shù)值，只需要用工具模板中的操作工具點擊控制部件的增減按鈕，或者用操作工具或標簽工具雙擊數(shù)值欄進行輸入。

2）編排框圖程序（流程圖）

框圖程序是指用圖形編程語言編寫程序的界面，用戶可以根據(jù)指定的測控方案通過功能模板的選項，選擇不同的圖形化節(jié)點，然后用連線的方法把這些節(jié)點連接起來，即可構(gòu)成所需要的框圖程序。功能模板的16個子模板中，每一個又包含了很多個選項。這里的功能選項不僅包含一般語言的基本要素，還包括了大量與文件I/O、數(shù)據(jù)采集、GP

IB及串口控制有關(guān)的專用程序塊。

節(jié)點是程序執(zhí)行的元素，類似于文本語言程序的語句、函數(shù)或者子程序。LabVIEW共有4種節(jié)點類型：功能函數(shù)、子程序、結(jié)構(gòu)和代碼接口節(jié)點。功能函數(shù)是內(nèi)置節(jié)點，用于進行一些基本操作，例如數(shù)值相加、文件I/O、字符串格式化等。子程序節(jié)點是以前創(chuàng)建的程序，然后在其他程序中以子程序方式調(diào)用。結(jié)構(gòu)節(jié)點用于控制程序的執(zhí)行方式，例如For循環(huán)控制、While循環(huán)控制等；代碼接口節(jié)點是框圖程序與用戶提供的C語言文本程序的接口。圖8-16所示的框圖程序中表示VI程序有兩個功能函數(shù)節(jié)點，一個函數(shù)使兩個數(shù)值相加，另一個函數(shù)使兩數(shù)相減。圖8-16

框圖程序例子

數(shù)據(jù)端口是數(shù)據(jù)在框圖程序部分和前面板之間傳輸?shù)慕涌谝约霸诳驁D程序的節(jié)點之間傳輸?shù)慕涌?。端口類似于參?shù)和常數(shù)。有兩種類型的端口：控制或指示端口以及節(jié)點端口?？刂苹蛑甘径丝谟糜谇懊姘?，當(dāng)程序運行時，從控制部件輸入的數(shù)據(jù)就通過這些端口傳送到框圖程序；當(dāng)運行結(jié)束后，輸出數(shù)據(jù)就通過這些端口從框圖程序送回到前面板的指示部件。當(dāng)在前面板創(chuàng)建或刪除控制、指示部件時，可以自動創(chuàng)建或刪除相應(yīng)的控制、指示端口。圖8-16的框圖程序中表明有兩個控制部件端口、兩個指示部件端口，同時在框圖程序中,Add和Subtract功能函數(shù)在圖標下面隱含著節(jié)點端口。

3）連線

連線是端口間的數(shù)據(jù)通道,它們類似于普通程序中的變量。數(shù)據(jù)是單向流動的，從源端口向一個或多個目的端口流動。不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類型。在彩色顯示器上，每種數(shù)據(jù)類型還以不同顏色予以強調(diào)。表8-1中列出了一些通用線型。表8-1通用線型

4）從框圖程序窗口創(chuàng)建前面板對象

對任意的LabVIEW工具，都可以用鼠標右鍵點擊任意的LabVIEW功能函數(shù)或者子程序，將彈出“創(chuàng)建常數(shù)”、“創(chuàng)建控制”或“創(chuàng)建指示”等選擇菜單。如果用的是連線工具，產(chǎn)生的常數(shù)、控制或者指示部件還會自動地與所點擊部件接好連線。

5.VI程序的調(diào)試

1）數(shù)據(jù)流編程

控制LabVIEW程序的運行方式叫做“數(shù)據(jù)流”。對一個節(jié)點而言，只有當(dāng)它的輸入端口上的數(shù)據(jù)都被提供以后，它才能被執(zhí)行。當(dāng)節(jié)點程序運行完畢后，它把結(jié)果數(shù)據(jù)送給所有的輸出端口，并且數(shù)據(jù)很快從源送到目的端口。“數(shù)據(jù)流”與常規(guī)程序的“控制流”相類似，相當(dāng)于控制程序一步一步地執(zhí)行。

2）找出錯誤

如果一個VI程序不能執(zhí)行，則在前面板上的運行按鈕將會出現(xiàn)一個折斷的箭頭。要列出錯誤清單，點擊斷箭的運行按鈕即可。點擊任何一個所列出的錯誤菜單，接著選用Find功能，則出錯的對象或端口就會變成高亮，可以對它進行編輯修改。

3）設(shè)置執(zhí)行程序高亮方式

執(zhí)行時點擊高亮按鈕，則該按鈕圖標會變成高亮方式。這種執(zhí)行方式一般用于單步模式跟蹤框圖程序中的數(shù)據(jù)流動。

4）VI程序的單步執(zhí)行

為了調(diào)試程序，希望框圖程序一個節(jié)點一個節(jié)點地執(zhí)行。要設(shè)置單步執(zhí)行模式，只需按下單步按鈕，這樣下一個將要執(zhí)行的節(jié)點就會閃爍，指示它將被執(zhí)行。如果再次點擊單步按鈕，則程序?qū)兂蛇B續(xù)執(zhí)行方式。

5）探針

可以用探針工具來查看當(dāng)框圖程序流經(jīng)某一根連接線時的數(shù)據(jù)。先將探針放置于某根連線上，從工具模板上選擇探針工具項，再用鼠標左鍵點擊希望放置探針的連接線即可。如果不希望使用缺省的探針顯示方式，而想使用其他的探針方式，則點擊所選的連線，再選擇Customprobe，這樣就可以選擇與連線數(shù)據(jù)類型相匹配的任意兼容的指示方式。

6）斷點

使用斷點工具可以在程序的某一地點中止程序的執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。使用斷點工具時，點擊希望設(shè)置或者清除斷點的地方，斷點的顯示對于節(jié)點或者框圖表示為紅框，對于連線則表示為紅線。

使用傳統(tǒng)的程序語言開發(fā)儀表系統(tǒng)存在很多困難：開發(fā)者不但要關(guān)心程序流程方面的問題，還必須考慮用戶界面、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)表達等復(fù)雜的問題。在LabVIEW中這些問題都迎刃而解。一旦程序開發(fā)完成，用戶就可以通過前面板控制并觀察測控過程，且伴音響效果逼真。

LabVIEW還提供了多種基本的VI庫。其中具有包含450種以上的40多個廠家制造的儀器驅(qū)動程序庫，并在不斷增長。這些儀器包括GP-IB儀器、VXI儀器、RS-232儀器、數(shù)據(jù)總線設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡等，用戶可以隨意調(diào)用儀器驅(qū)動器圖像組成的框圖，以選擇任何廠家的任何一種儀器。

LabVIEW還具有數(shù)學(xué)運算及分析模塊庫，包括200多種諸如信號發(fā)生器、信號處理、數(shù)組和矩陣運算、線性估計、復(fù)數(shù)算法、數(shù)字濾波、曲線擬合線性化等功能模塊，可以滿足用戶從統(tǒng)計過程控制到數(shù)據(jù)信號處理等的各項工作，從而最大限度地減少軟件開發(fā)工作量?？傊?，LabVIEW內(nèi)容豐富，在有限的篇幅中難以詳盡講述，有興趣的讀者可參閱有關(guān)著作。8.2.3

虛擬儀器開發(fā)舉例

1.前面板的設(shè)計

（1）用File菜單的New選項打開一個新的前面板窗口。

（2）把溫度計指示部件放入前面板窗口。

①在前面板窗口空白處點擊鼠標鍵，從彈出的Numeric子模板中選擇Thermometer。

②在高亮的文本框中輸入Temperature，再點擊鼠標鍵按鈕。

（3）重新設(shè)定溫度計的標尺范圍為0.0～100.0。

方法是使用標簽工具A，雙擊溫度計標尺的10.0，輸入100.0，再點擊鼠標鍵或者工具欄中的V按鈕。

（4）在前面板窗口中放入垂直開關(guān)控制。

①在前面板窗口的空白處點擊鼠標鍵，然后從彈出的Booleam子模板中選擇VerticalSwitch，在文本框中輸入TempScale，再點擊鼠標鍵或者工具欄中的V按鈕。

②使用標簽工具A，在開關(guān)的“條件真”（True）位置旁邊輸入自由標簽degC，再在“條件假”（false）位置旁邊方框中輸入自由標簽degF。

至此，前面板就創(chuàng)建好了，如圖8-13所示。

2.流程圖的建立

（1）從Windows菜單下選擇ShowDiagram功能打開框圖程序窗口。

（2）點擊框圖程序窗口下的空白處，彈出功能模板，從彈出的菜單中選擇所需的對象。本程序用到下面一些對象：

DemoReadVoltageVI程序（Tutorial子模板）。在本例中，該程序模擬從DAQ卡的0通道讀取電壓值。

Multiply乘法功能（Numeric子模板）。在本例中，將讀取的電壓值乘以100，是為了轉(zhuǎn)換成華氏溫度。

Subtract減法功能（Numeric子模板）。在本例中，從華氏溫度減去32，以轉(zhuǎn)換成攝氏溫度。

Divide除法功能（Numeric子模板）。在本例中，把相減的結(jié)果除以1.8以轉(zhuǎn)換成攝氏溫度。

Select選擇功能（Comparison子模板）。取決于溫標選擇開關(guān)的邏輯值，該功能輸出攝氏溫度（當(dāng)選擇開關(guān)打在True位置時）或者華氏溫度（當(dāng)選擇開關(guān)打在False位置時）

數(shù)值常數(shù)。用連線工具，點擊希望連接一個數(shù)值常數(shù)的對象，并選擇CreateConstant功能。若要修改常數(shù)值，則用標簽工具雙擊數(shù)值，再輸入新的數(shù)值。

字符串常量。用連線工具，點擊希望連接字符串常量的對象，再選擇CreateConstant功能。若要修改字符串，用標簽工具雙擊字符串，再輸入新的字符串。

（3）使用移位工具（Positioningtool）把所選圖標移至適當(dāng)位置，再用連線工具連接起來。如果要顯示圖標接線端口，則點擊圖標，再從彈出的菜單中選擇ShowTerminals功能。也可以從Help菜單中選擇ShowHelp功能以打開幫助信息窗口。

至此，流程圖就建立好了，如圖8-14所示。

3.程序的運行

（1）選擇前面板窗口，使之變成當(dāng)前窗口，并運行VI程序。點擊工具條中的Run連續(xù)運行按鈕，使程序運行于自由運行模式。這時可以從前面板上溫度計圖標看到溫度的變化，并以數(shù)字形式在文本框中顯示出來。

（2）再點擊連續(xù)運行按鈕，關(guān)閉連續(xù)運行模式。

4.創(chuàng)建圖標Temp

（1）在面板窗口的右上角的圖標框中點擊鼠標，從彈出菜單中選擇EditIcon功能。

（2）雙點擊選擇工具，并按下Delete鍵，消除缺省的圖標圖案。

（3）用畫圖工具畫出溫度計的圖標。注意：在用鼠標畫線時按下Shift鍵，則可以畫出水平或垂直方向的直線。

（4）用文本工具寫入文字，雙點文本工具，把字體換成SmallFont。

（5）當(dāng)圖標創(chuàng)建完成后，點擊OK按鈕以關(guān)閉圖標編輯，生成的圖標在面板窗口的右上角。

5.創(chuàng)建接線端口

（1）點擊右上角的圖標面板，從彈出的菜單中選擇ShowConnector功能。

LabVIEW將會根據(jù)控制部件和指示部件的數(shù)量選擇一種接線端口模式。在本例中，只有兩個端口：一個是豎直開關(guān)，另一個是溫度指示計。

（2）把接線端口定義給開關(guān)和溫度指示。使用連線工具，在左邊的接線端口框內(nèi)按鼠標鍵，則端口將會變黑。再點擊開關(guān)控制鍵，一個閃爍的虛線框?qū)鼑≡撻_關(guān)?，F(xiàn)在再點擊右邊的接線端口框，使它變黑，再點擊溫度指示部件，一個閃爍的虛線框?qū)鼑囟戎甘静考?，這表示右邊的接線端口正對應(yīng)溫度指示部件的數(shù)據(jù)輸入。

如果再點擊空白處，則虛線框?qū)⑾?，而前面所選擇的接線端口將變暗，表示已經(jīng)將對象部件定義到各個接線端口。

注意：LabVIEW的慣例是前面板上控制部件的接線端口放在圖標的接線面板的左邊，而指示部件的接線端口放在圖標的接線面板的右邊。也就是說，圖標的接線面板的左邊為輸入端口而右邊為輸出端口。

6.創(chuàng)建子程序

確認當(dāng)前文件的程序庫路徑為Seminar.LIB，用文件菜單SAVE的功能保存上述文件，并給文件命名為Thermometer.vi。

現(xiàn)在，該文件已經(jīng)完成，它可以在其他程序中作為子程序來調(diào)用。在其他程序的框圖窗口里，該溫度計程序用前面創(chuàng)建的圖標來表示接線端口的輸入端，用于選擇溫度單位，輸出端用于輸出溫度值。 8.3

現(xiàn)場總線儀器8.3.1現(xiàn)場總線技術(shù)

1.現(xiàn)場總線及其發(fā)展過程

1）現(xiàn)場總線的概念

現(xiàn)場總線是一種現(xiàn)場儀器用雙向數(shù)字通信協(xié)議，是新一代智能儀器的通信標準。國際電工委員會（IEC）的標準和現(xiàn)場總線基金會（FF）對現(xiàn)場總線的定義：“現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。”

2）現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

現(xiàn)場總線的概念是在20世紀70年代末，由歐洲的一些發(fā)達國家提出來的。其原因是由于微處理器與計算機功能的不斷增強和器件價格的急劇降低，計算機與計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，用戶需要在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、企業(yè)與企業(yè)之間進行信息的交換，希望資源得到共享以及遠程管理與控制，而原先處于生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)，因其采用一對一連線，用電壓、電流的模擬信號進行測量控制，或采用自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動化系統(tǒng)成了“信息孤島”。

要實現(xiàn)整個企業(yè)的信息集成，實施綜合自動化，就必須設(shè)計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通信系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點數(shù)字通信，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換。眾所周知，由于來自工廠底層的設(shè)備（如傳感器、變送器、執(zhí)行元件等）數(shù)量眾多，其需要通信的信息量巨大，若用載波頻帶子網(wǎng)雖可以解決，但費用較大，用傳統(tǒng)的點對點互聯(lián)則效率很低，且連接的數(shù)目有限，控制復(fù)雜。此外，工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境一般比較惡劣。較為理想的方案是將現(xiàn)場的所有傳感器、變送器及執(zhí)行元件用一根單獨的總線（即現(xiàn)場總線）連接起來，通過網(wǎng)橋與MAP載波頻帶子網(wǎng)上的控制器進行通信。這個方案一經(jīng)提出，很快得到了國際上許多著名電器制造商的響應(yīng)。圖8-17

OSI參考模型的7層體系結(jié)構(gòu)

由于微處理器的嵌入式應(yīng)用，導(dǎo)致工業(yè)測控領(lǐng)域中各種儀器儀表、自動化裝置和設(shè)備的智能化逐步下移。此變革適應(yīng)了建立分布式測控系統(tǒng)的需要和實現(xiàn)工業(yè)過程控制系統(tǒng)“危險徹底分散”的要求，逐漸發(fā)展為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS）。FCS采用全分散式的體系結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場智能儀器儀表和智能化裝置具有高度的自治性。即使局部出現(xiàn)問題，系統(tǒng)中的其他部分仍然可以按既定的控制規(guī)律繼續(xù)運行，從而大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性。FCS的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化，執(zhí)行測控任務(wù)的節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)和所執(zhí)行的操作等信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號向網(wǎng)上發(fā)送，執(zhí)行管理任務(wù)的節(jié)點以數(shù)字形式向網(wǎng)上發(fā)送命令。由于通信電纜（雙絞線）是所有節(jié)點之間的唯一連接，因此避免了模擬信號傳輸過程中的干擾，降低了對環(huán)境、接地等的要求，并保證了數(shù)據(jù)的一致性。由于FCS在體系結(jié)構(gòu)、價格、安全性和開放性等方面的優(yōu)勢，從21世紀起將取代DCS成為過程控制系統(tǒng)的主流。

現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字的雙向多站點通信系統(tǒng)，按ISO7498標準（OSI）提供網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、通信速率高、造價低和維護成本低等優(yōu)點。傳統(tǒng)的4~20mA控制回路通常只能傳輸代表過程變量的一個信號，而現(xiàn)場總線能夠在傳送多個過程變量的同時一并傳送儀表的標識符和簡單的診斷信息等。從上面的內(nèi)容可以看到，具有7層結(jié)構(gòu)的OSI參考模型可支持的通信功能是相當(dāng)強大的。而作為工業(yè)控制現(xiàn)場底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線，要構(gòu)成開放互聯(lián)系統(tǒng)，應(yīng)該如何選擇通信模型？是采用完全型還是簡化型？是否需要實現(xiàn)OSI的全部功能？是否要采用那樣復(fù)雜的協(xié)議？這些都是值得考慮的問題。

由于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量的傳感器、控制器、執(zhí)行器等，它們通常相當(dāng)零散地分布在一個較大的范圍內(nèi)。對由它們組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)來說，單個節(jié)點面向控制的信息量不大，信息傳輸?shù)娜蝿?wù)相對比較簡單，但實時性、快速性的要求較高。如果按照7層模式的參考模型，由于層間操作與轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性，網(wǎng)絡(luò)接口的造價與時間開銷顯得過高。為了滿足實時性要求，也為了實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的低成本，現(xiàn)場總線采用的通信模型大都在OSI模型的基礎(chǔ)上進行了不同程度的簡化。典型的現(xiàn)場總線協(xié)議模型如圖8-18所示。

它采用了OSI模型中的三個典型層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，在省去中間3～6層后，考慮到現(xiàn)場總線的通信特點，設(shè)置一個現(xiàn)場總線訪問子層。它具有結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行協(xié)議直觀、價格低廉等優(yōu)點，也滿足了工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的性能要求。由于它是OSI模型的簡化形式，所以開放系統(tǒng)互聯(lián)模型是現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場總線參考模型既要遵循開放系統(tǒng)集成的原則，又要充分兼顧測控應(yīng)用的特點和特殊要求。圖8-18

典型現(xiàn)場總線協(xié)議模型

由于現(xiàn)場總線是雙向的，因此，能夠從中心控制室對現(xiàn)場智能儀器儀表進行控制，使遠程調(diào)整、診斷和維護成為可能，甚至能夠在故障發(fā)生前進行預(yù)測。符合開放式標準的兼容性可以使用戶選擇不同廠家的產(chǎn)品來構(gòu)成FCS系統(tǒng)，用戶的權(quán)益得到了很好的維護。

20世紀80年代初開始，美國的霍尼威爾公司和?？怂共_公司、日本的橫河公司、德國的西門子公司、荷蘭飛利浦公司等都相繼推出了可用于現(xiàn)場總線的系列智能化產(chǎn)品，它們大多數(shù)都是以國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型作為基本框架，并根據(jù)行業(yè)的應(yīng)用需要施加某些特殊規(guī)定后形成的標準，在較大范圍內(nèi)取得了用戶與制造商的認可，從而促進了現(xiàn)場總線的應(yīng)用，推動了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。

3）幾種典型的現(xiàn)場總線

20世紀80年代中期，德國、法國等歐洲國家的一些大公司在推出自己的“現(xiàn)場總線”產(chǎn)品的同時也制定了相應(yīng)的國家標準。90年代以后，現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了群雄并起、百家爭鳴的局面，全世界開發(fā)的現(xiàn)場總線的種類達數(shù)十種。然而，這些現(xiàn)場總線通過實際應(yīng)用，其優(yōu)劣差別日趨明顯，優(yōu)存劣汰已漸漸形成。在作為行業(yè)標準的現(xiàn)場總線領(lǐng)域內(nèi)始終有4~5種網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)不相上下，它們具有各自的特點，也顯示了較強的生命力。

（1）HART總線。最早的現(xiàn)場總線系統(tǒng)HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）

是美國Rosemount公司于1986年提出并研制的一種通信協(xié)議，得到了80多家著名儀器儀表制造商的支持，這種被稱為可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，它在常規(guī)模擬儀表的4~20mADC信號的基礎(chǔ)上迭加了FSK（FrequencyShiftKeying）數(shù)字信號。這種通信協(xié)議既可以用于4~20mADC的模擬儀表，也可以用于數(shù)字式通信儀表。它屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強的市場競爭力，得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）CAN總線。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork）的簡稱，是由德國BOSCH公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，適合于工業(yè)設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備之間的互聯(lián)。CAN可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點均可主動向其他節(jié)點發(fā)送信息；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可按系統(tǒng)實時性要求分成不同的優(yōu)先級，發(fā)生總線沖突時，會減少總線仲裁時間。CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀為8個字節(jié)，保證了數(shù)據(jù)的出錯率極低，被認為是最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。其傳輸介質(zhì)可用雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率最高達1Mb/s，傳輸距離可達10km。其總線規(guī)范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，并廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。它也是基于OSI模型，但進行了優(yōu)化，抗干擾能力強，可靠性高。

（3）LonWorks總線。LonWorks是美國Echelon公司推出的一種功能全面的測控網(wǎng)絡(luò)，主要用于工廠及車間的環(huán)境、安全、保衛(wèi)、報警、動力分配、給水控制、庫房和材料管理等。該總線技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片是高性能、低成本的專用神經(jīng)元芯片，能實現(xiàn)完整的LonTalk通信協(xié)議。該協(xié)議支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)。目前，LonWorks在國內(nèi)應(yīng)用最多的是電力行業(yè)，如變電站自動化系統(tǒng)；另外，樓宇自動化和住宅自動化也是其主要應(yīng)用行業(yè)之一。

（4）PROFIBUS總線。PROFIBUS（ProcessFieldBus）是由西門子等十幾家公司、研究所共同推出的符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線標準。協(xié)議包括Profibus

DP、Profibus

FMS、Profibus

PA三部分。Profibus

DP用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域。Profibus

FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。而Profibus

PA則是用于過程自動化的總線類型。該總線的最大特點是具有在防爆危險區(qū)內(nèi)連接的本征安全特性,是一種面向工業(yè)自動化應(yīng)用的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

（5）基金會現(xiàn)場總線FF。FF（FoundationFieldbus）是由現(xiàn)場總線基金會提供的一種全新概念的通信標準，是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)，主要用于工業(yè)過程控制和制造業(yè)自動化環(huán)境。FF總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25kb/s，通信距離可達1900m，可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率有1Mb/s和2.5Mb/s兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC11582標準。FF總線的主要技術(shù)內(nèi)容包括FF通信協(xié)議，用于完成開放互聯(lián)模型中第2~7層通信協(xié)議的通信棧，用于描述設(shè)備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典，用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換等應(yīng)用功能的功能塊，實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。

上述這些已被用戶采用的現(xiàn)場總線技術(shù)都有各自的標準，不同現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)品并不兼容，加上眾多行業(yè)需求各異，制造商及用戶都要考慮已有現(xiàn)場總線產(chǎn)品的投資效益和各公司的商業(yè)利益，這種情況導(dǎo)致了在一段時間內(nèi)仍然是多種現(xiàn)場總線標準共存的局面。

現(xiàn)場總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，它一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動化技術(shù)的熱點，受到全世界的普遍關(guān)注?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)，將導(dǎo)致目前生產(chǎn)的自動化儀表、集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程控制器（PLC）在產(chǎn)品的體系結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)方面的較大變革，而自動化設(shè)備的制造廠家被迫面臨產(chǎn)品更新?lián)Q代的又一次挑戰(zhàn)。

2.現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特點

(1）系統(tǒng)的開放性。開放是指對相關(guān)標準的一致性、公開性，強調(diào)對標準的共識與遵從。所以，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(shè)備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可以實現(xiàn)信息交換。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

(2）具有互操作性和互用性?；タ刹僮餍允侵笇崿F(xiàn)互聯(lián)設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳遞與溝通。而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。

(3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散化。現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散化控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

(4）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)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，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

(5）系統(tǒng)成本降低、性能提高。采用現(xiàn)場總線技術(shù)后，由于現(xiàn)場底層設(shè)備的智能化以及改變了過去點對點的連接方式，使自動化系統(tǒng)的性能價格比大幅度提高，具體表現(xiàn)為

①系統(tǒng)成本降低。

硬件成本：由于采用一對雙絞線或一條電纜掛接多個設(shè)備的串行連接方式，導(dǎo)線、電纜、端子、槽盒、橋架的用量大幅度下降。

軟件成本與輔助成本：由于系統(tǒng)簡化，使得系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試、維護費用大幅度下降。

②系統(tǒng)性能提高。

具有故障診斷能力：當(dāng)通信電器發(fā)生故障時，通信電器與現(xiàn)場總線連接器能顯示故障信號，便于故障排除，以確保系統(tǒng)正常運行。

系統(tǒng)傳輸信息量增加，提高了系統(tǒng)自動化程度。

信號傳輸精度高、及時，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

3.現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢

現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生促進了現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，并且使現(xiàn)場控制的功能更加強大。由于采用了現(xiàn)場總線帶來了過程控制系統(tǒng)的開放性，使得系統(tǒng)成為具有測量、控制、執(zhí)行和過程診斷等綜合能力的控制網(wǎng)絡(luò)。今后，現(xiàn)場總線的發(fā)展預(yù)計將表現(xiàn)在如下幾個方面。

1）現(xiàn)場總線標準的統(tǒng)一問題

目前流行的各種現(xiàn)場總線代表著不同公司的利益，誰都想把自己的“蛋糕”做大。因此，各大廠商都不遺余力地推廣自己的現(xiàn)場總線，并積極參與和把持相應(yīng)現(xiàn)場總線標準的制定工作。這種局面導(dǎo)致了在現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和應(yīng)用水平上，現(xiàn)場總線領(lǐng)域已經(jīng)很難統(tǒng)一，同時又阻礙了現(xiàn)場總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展。那么，現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展方何究竟是什么？標準是否要統(tǒng)一？采用哪種技術(shù)？這些已成為當(dāng)前研究現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的熱點。根據(jù)分析認為有兩種可能。

一種可能是，維持幾種性能優(yōu)異的現(xiàn)場總線共存的局面。因為，現(xiàn)場總線現(xiàn)已呈現(xiàn)兼容并蓄的發(fā)展趨勢。各自動化廠商除化大力氣從事自身的總線產(chǎn)品開發(fā)推廣外，同時也充分吸收、采納其他總線的相關(guān)技術(shù)，推出包容多種技術(shù)標準的現(xiàn)場總線產(chǎn)品。尤以整合了Ethernet和TCP/IP技術(shù)的現(xiàn)場總線為今后現(xiàn)場總線發(fā)展的主流體系和應(yīng)用熱點。

由于Ethernet技術(shù)的快速發(fā)展，Ethernet在電子世界成為事實上的標準是必然的，Ethernet介入控制領(lǐng)域已經(jīng)初見倪端。TCP/IP是將數(shù)據(jù)打包成信息，從多個數(shù)據(jù)源仲裁傳送，并保證在另一端完整地重建信息的一種方式。許多供應(yīng)商都在設(shè)計不同的協(xié)議以便將其現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到TCP/IP上，這樣，就可實現(xiàn)不同現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)上傳輸。然而并未解決標準統(tǒng)一的問題。目前現(xiàn)場總線正在開發(fā)與Ethernet、TCP/IP結(jié)合的技術(shù)有：ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP聯(lián)合推出CIP（ControlandInformationProtocol）；FoundationFieldbus推出HSE（HighSpeedEthernet）；Profibus推出ProfiNet；還有一些現(xiàn)場總線本身就是與Ethernet功能接近的LAN（局域網(wǎng)），因此它們不經(jīng)過Ethernet而直接與TCP/IP推出WorldFIPTCP/IP。

另一種可能是，以太網(wǎng)將成為現(xiàn)場總線的最終發(fā)展方向，因為以太網(wǎng)技術(shù)是目前最符合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線特點（數(shù)字式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、互操作性、開放性和高網(wǎng)絡(luò)性能）的技術(shù)。然而，能否將以太網(wǎng)用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的低層完全取代現(xiàn)場總線，目前還處于研究和討論階段。普通以太網(wǎng)向下延伸到工業(yè)現(xiàn)場，面臨一系列的技術(shù)難題，確定性、實時性、安全性、抗干擾能力，還有現(xiàn)場設(shè)備的供電問題、網(wǎng)線的物理性能提高等。為解決上述問題，SynergeticMicroSystems、Hirschmann、Grayhill、HMSFieldbusSystem、Hilscher

GmbH

andContemporaryControls公司于1999年發(fā)起成立了“工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會”（IEA），目前已發(fā)展有十幾個成員。IEA的目標是解決如下問題：

（1）數(shù)字或模擬I/O打包到TCP/IP的方式。

（2）與復(fù)雜設(shè)備接口的標準，這些設(shè)備包括驅(qū)動設(shè)備、運行控制器、操作員界面、PLC、條形碼閱讀器等。

（3）確定工業(yè)級的接頭。

（4）采用“確定性”機制。

（5）機器Ethernet和企業(yè)Intranet的接口。

IEA希望通過上述工作，使工業(yè)以太網(wǎng)成為真正的工業(yè)現(xiàn)場總線，從而在與其他勢力強大的現(xiàn)場總線標準的競爭中取勝。

2）控制系統(tǒng)趨于扁平化

現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展使得原有的三層（即信息層、控制層、設(shè)備層）結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)向兩層結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)靠攏，力圖去掉中間的控制層，整體系統(tǒng)出現(xiàn)了扁平化的趨勢，即所有的高層次控制、管理和調(diào)度任務(wù)均在上一層完成，而所有的具體控制、顯示、記錄和診斷任務(wù)均在下一層完成。在這種結(jié)構(gòu)中，各種任務(wù)受地域的限制程度下降了，各種功能受層次劃分的約束因素減小了，而信息共享和設(shè)備可重用的可能性卻提高了。更為重要的是，由此建立起了信息交換的公共平臺，通過該信息交換的公共平臺可以提供許多傳統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)的功能。

8.3.2現(xiàn)場總線儀器的原理及特點

1.CAN總線基本原理與特性

由于CAN總線具有通信速率高、可靠性好、價格低廉等特點，受到工業(yè)界的廣泛重視，面向過程工業(yè)、機械工業(yè)、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療儀器等眾多領(lǐng)域，并被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

CAN節(jié)點的分層結(jié)構(gòu)：CAN遵循ISO/OSI標準模型，并且只采用了ISO/OSI標準模型全部七層中的兩層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，具體如圖8-19所示。

LLC子層提供的功能有：

（1）幀接收過濾：數(shù)據(jù)幀內(nèi)容由標識符命名。標識符并不能指明幀的目的地，每個接收器通過幀接收過濾確定此幀與己是否有關(guān)。

（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(fù)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)送完成前，幀發(fā)送服務(wù)不被用戶認可。

MAC子層按IEEE802.3規(guī)定，具有發(fā)送部分功能和接收部分功能。

發(fā)送部分功能包括：

（1）發(fā)送數(shù)據(jù)封裝，接收LLC幀和接口控制信息，構(gòu)成MAC幀。

（2）發(fā)送媒體訪問管理，檢查總線狀態(tài)，串行化MAC幀，插入填充位，開始發(fā)送，丟失仲裁時轉(zhuǎn)入接收方式，應(yīng)答校驗，錯誤超載檢測，發(fā)送超載幀或數(shù)據(jù)幀等。

接收部分功能包括：

（1）接收媒體訪問管理，由物理層接收串行位流，重新構(gòu)筑幀結(jié)構(gòu)，解除填充位，錯誤檢測，發(fā)送應(yīng)答，構(gòu)造發(fā)送錯誤幀或超載幀。

（2）接收數(shù)據(jù)卸裝，由接收幀去除MAC特定信息，輸出LLC幀和接口控制信息至LLC子層。

CAN總線上的數(shù)字化信息由差分電平表示：顯性電平（DominateLevel）以大于最小閾值的差分電壓表示，表示邏輯“0”；隱性電平（RecessiveLevel）時兩根邏輯物理總線均基本固定于平均電平，表示邏輯“1”，如圖8-20所示。如果總線上存在“顯性”位和“隱性”位的同時發(fā)送，總線數(shù)值將表現(xiàn)為“顯性”，即表示為“0”。這一點在判別信息的優(yōu)先權(quán)而進行網(wǎng)絡(luò)仲裁時起關(guān)鍵作用。圖8-20

CAN總線上的電平表示

CAN的通信介質(zhì)一般為雙絞線。以位速率表示的數(shù)據(jù)傳輸速度在不同系統(tǒng)中是不同的，然而在一個給定系統(tǒng)中此速率是唯一的，并且是固定的。其通信速率可達1Mb/s。

總線上各節(jié)點對總線上的數(shù)據(jù)位的檢測需要同步的原因是顯而易見的。當(dāng)總線上沒有任何節(jié)點發(fā)送信息時總線的狀態(tài)稱為“空閑”，總線上的電平為“隱性電平”。一旦有發(fā)送產(chǎn)生時，最先發(fā)送的那個節(jié)點的幀起始（一個單“顯性”位），使所有的節(jié)點產(chǎn)生硬同步。另外，在通信進行過程中，所有的節(jié)點還要根據(jù)總線上位信號沿的電平變化而進行重新同步。

當(dāng)總線開放時，任何連接的節(jié)點均可開始發(fā)送一個新報文。這些報文按不同的幀格式組成。CAN的2.0A標準規(guī)定了4種幀格式：數(shù)據(jù)幀由發(fā)送器傳送數(shù)據(jù)至接收器；遠程幀通過某總線節(jié)點發(fā)送，以請求其他節(jié)點發(fā)送具有相同表示符的數(shù)據(jù)幀；出錯幀由通過檢測發(fā)現(xiàn)總線錯誤的任何節(jié)點發(fā)送，向全網(wǎng)絡(luò)通報出錯信息；超載幀用于在多幀數(shù)據(jù)之間提供附加延遲。圖8-21

數(shù)據(jù)幀的組成

幀起始（SOF）標志著數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，由單個“顯性”位構(gòu)成。只有在總線處于空閑狀態(tài)時才允許發(fā)送。所有站都必須同步于首先開始發(fā)送的那個站的幀起始前沿。

仲裁場由來自LLC子層的標識符（IDentifier，ID）和遠程發(fā)送請求（RemoteTransmission

Reques，RTR）位組成。標識符長度為11位（ID10~ID0），按照由高至低的次序發(fā)送，且前7位（ID10~ID4）不能全為隱性位。標識符用于提供關(guān)于傳送報文和總線訪問的優(yōu)先權(quán)的信息。在數(shù)據(jù)幀中，RTR位為“0”。

控制場由6位構(gòu)成，前2位為備用位，后4位為數(shù)據(jù)長度碼，決定數(shù)據(jù)場中的字節(jié)數(shù)目，可由0~8變化。

數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀中被發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，數(shù)目由控制場決定（0~8字節(jié)），第一個字節(jié)的最高位首先被發(fā)送。

CRC場包括CRC（循環(huán)冗余碼校驗）序列（15位）和CRC界定符（一個隱性位），用于幀校驗。

ACK場由應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符組成（共兩位）。應(yīng)答間隙期間，數(shù)據(jù)幀發(fā)送器發(fā)出一個“隱性”電平，而所有已正確接收到有效報文的接收器此時傳送一個“顯性”位，報告給發(fā)送器（發(fā)送器發(fā)出的“隱性”電平被改寫為“顯性”電平），表明至少有一個接收器已正確接收。后續(xù)的應(yīng)答界定符為一個“隱性”電平。

幀結(jié)束由7位隱性位組成，此期間無位填充。

CAN協(xié)議采用短幀結(jié)構(gòu)，即每幀數(shù)據(jù)最多包含8位數(shù)據(jù)，這將有利于系統(tǒng)的實時性。另一個特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以標識符（Identifier）對信息進行優(yōu)先權(quán)分級。任何節(jié)點均可向全網(wǎng)絡(luò)廣播發(fā)送數(shù)據(jù)，其他節(jié)點則根據(jù)所接收到的標識來決定是否處理所接收到的信息。

若同時有兩個或更多的節(jié)點開始發(fā)送報文，總線運用對標識符的逐位仲裁規(guī)則巧妙地在各節(jié)點內(nèi)解決沖突。仲裁期間，每個節(jié)點都監(jiān)視總線電平，并與自己發(fā)送的位電平相比較。若該節(jié)點發(fā)送的一個隱性位被顯性位改寫，說明有較高優(yōu)先權(quán)報文在發(fā)送，則節(jié)點自動轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮掌鳌．?dāng)一個具有相同標識符的遠程幀和一個數(shù)據(jù)幀被仲裁時，遠程幀RTR位的隱性電平被數(shù)據(jù)幀RTR位顯性電平改寫，所以數(shù)據(jù)幀比遠程幀優(yōu)先級高。由上述可見，標識符和RTR位對應(yīng)二進制數(shù)位越低的報文優(yōu)先級越高，這種仲裁規(guī)則可以使信息和時間均無損失。

每個節(jié)點的接收部分設(shè)置了接收過濾機制，可從總線上川流不息的信息中選取與己有關(guān)的信息，而不必理睬與己無關(guān)的信息。

總之，由于CAN采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)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。其主要特性可概括如下：

（1）CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)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，可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)。

（2）CAN網(wǎng)絡(luò)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。

（3）CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳送數(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(luò)負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況（以太網(wǎng)則可能）。

（4）CAN只需要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(diào)度”。

（5）CAN的直接通信距離最遠可達10km（速率在5kb/s以下）；通信速率最高可達1Mb/s（此時通信距離最長為40m）。

（6）CAN上的節(jié)點數(shù)主要