1、电子工业出版社电子工业出版社智能仪器智能仪器第五章智能仪器的通信接口设计第五章智能仪器的通信接口设计第第5 5章章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计主要内容主要内容5.1 5.1 并行通信接口并行通信接口5.2 5.2 串行通信接口串行通信接口5.3 5.3 现场总线技术现场总线技术智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计1. 1. 通用总线通用总线3. 3. 现场总线现场总线重点2. 2. 串行接口总线串行接口总线 返 回4. 4. 以太网以太网智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计5.3 5.3 现场总线技术
2、现场总线技术 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。 现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测量仪器中，以双绞线为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间与现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计5.3.1 5.3.1 现场总线的定义现场总线的定义ISA SP50ISA SP50给
3、出的定义给出的定义现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备（即场地级设备）之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计IECIEC和和FFFF给出的定义给出的定义 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线的本质含义表现在以下6个方面：l现场通信网络；l现场设备互联；l互操作性；l分散功能块；l通信线供电；l开放式互联网络。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计5.3.2 5.3
4、.2 现场总线的体系结构现场总线的体系结构智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计现场总线通信协议现场总线通信协议智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计物理层物理层的四个特性：机械特性规定了物理连接时所使用的可接插连接器的 形状尺寸、连接器中引脚的数量和排列情况；电气特性规定了物理连接器上传输二进制比特流时线路上信号电平的高低、阻抗及阻抗匹配、传输速率及距离限制；功能特性规定了物理接口上各条信号线的功能分配确切定义。物理接口信号线一般为：数据线、控制线、定时线和地线；规程特性规定利用信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程包
5、括各信号线的工作规则和时序。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计 当处于数据发送状态时，该层接受数据链路层下发的数据，将某种电气信号进行编码并发送； 当处于数据接受状态时，将相应的电气信号编码成二进制数，并发送到链路层。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计数据链路层 定义了一系列服务于应用层的功能和向下与物理层的接口。如数据结构、从总线上存取数据的规则、传输差错识别处理、噪声检测、多主站使用的规范化等。 该层还控制对传输介质的访问，决定可否访问、何时访问：令牌传送立即响应申请令牌智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的
6、通信接口设计智能仪器的通信接口设计应用层 把数据规格化为特定的数据结构，提供设备之间及网络要求的数据服务，对现场过程控制进行支持，为用户提供一个简单的接口、定义了如何读、写、解释和执行一条信息和命令。用户层 针对工业自动化领域现场装置的控制和具体应用而设计，它定义了现场设备数据库间相互存取的统一规则，用户凭标准功能块可组态成系统，实现用户的应用程序，是现场总线控制系统开放与可操作性的关键。现场总线特有现场总线特有智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计物理层提供为建立、维护、断开物理连接的机械、电气、功能等特性 。数据链路层用于建立、维护拆除链路连接，实现无差
7、错传输的功能。应用层提供用户服务，如文件传输等。用户层用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块，设备管理，实现网络管理，系统管理。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计5.3.3 5.3.3 现场总线的技术特点及其优越性现场总线的技术特点及其优越性技术特点技术特点l系统开放性；系统开放性；l互可操作性与可互用性；互可操作性与可互用性；l系统结构的高度分散性；系统结构的高度分散性；l对现场环境的适应性；对现场环境的适应性；l一对一对N N的机构；的机构；l可控状态；可控状态；l互换性；互换性；l综合功能；综合功能；l统一组态统一组态智能仪器智能仪器第五
8、章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计现场总线带来的好处现场总线带来的好处减少连线和安装减少连线和安装传统的传统的 4-20 mA 连线连线每台设备需要一个安全栅每台设备需要一个安全栅和一对连线和一对连线现场总线连线现场总线连线多台设备共用一个安全栅多台设备共用一个安全栅和一根总线和一根总线控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线现场总线4-20 mA输入输入/输出输出子系统子系统I.S.I.S.I.S.I.S.控制器控制器控制系统网络控制系统网络一对N智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计提高控制功能的分散性提高控制功能的分散性传统型传
9、统型现场总线型现场总线型有些控制和有些控制和 I/O 功能可以转功能可以转移到现场仪表移到现场仪表。控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线现场总线4-20 mA输入输入/输出输出子系统子系统PIDPIDAI AIAOAO控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线带来的好处现场总线带来的好处彻底分散彻底分散智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计增加信息的交互量增加信息的交互量传统传统 4-20 mA单变量单变量单向单向现场总线现场总线多变量多变量双向双向控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线现场总线输入输入/输出输出子系统子系统控制器控制器控制系
10、统网络控制系统网络现场总线带来的好处现场总线带来的好处智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计扩大了操作视野扩大了操作视野传统传统 4-20 mA只能看到只能看到 I/O 子系统子系统现场总线现场总线视野可以扩展到现场仪表视野可以扩展到现场仪表控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线现场总线远程输入远程输入/输出输出子系统子系统控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线带来的好处现场总线带来的好处智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计5.3.5 5.3.5 几种典型的现场总线几种典型的现场总线智能仪器智能仪器第五章第五
11、章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计1 1 基金会现场总线（基金会现场总线（FFFF）广泛应用于过程自动化领域广泛应用于过程自动化领域应用领域应用领域通信模型通信模型物理层、数据链路层、应用层物理层、数据链路层、应用层和用户层和用户层分类分类低速低速H1H1和高速和高速H2H2两种通信标准两种通信标准特点特点可互操作性和可互换性可互操作性和可互换性智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计过程控制中的过程控制中的HSE/H1HSE/H1应用系统应用系统智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计2 Lon Works2
12、Lon Works通用控制网络应用领域应用领域楼宇自动化、家庭自动化、保安楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工系统、办公设备、运输设备、工业控制行业等。业控制行业等。通信模型通信模型采用了采用了ISO/OSIISO/OSI模型的全部七层通模型的全部七层通信协议。信协议。通讯介质开放，可在任何通讯介质下通讯介质开放，可在任何通讯介质下通讯，包括双绞线、电力线、同轴电通讯，包括双绞线、电力线、同轴电缆、射频电缆、红外线等，并且多种缆、射频电缆、红外线等，并且多种介质可以在同一网络中混合使用。介质可以在同一网络中混合使用。通信介质通信介质智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通
13、信接口设计智能仪器的通信接口设计技术特点技术特点(1) (1) 开放性，网络协议开放，对任何用户平等。开放性，网络协议开放，对任何用户平等。(2) (2) 通信的每帧有效字节数，可以从通信的每帧有效字节数，可以从0 0到到228228个字节。个字节。(3) (3) 通信速度可达通信速度可达1.25Mbit/s1.25Mbit/s此时有效距离为此时有效距离为130m130m。(4) LONWORKS(4) LONWORKS技术的一个测控网络上的节点数，可达技术的一个测控网络上的节点数，可达3200032000个。个。(5) LONWORKS(5) LONWORKS直接通信距离长达直接通信距离长达
14、2700m2700m（双绞线，（双绞线，78Kbit/78Kbit/s s）。）。 (6) LONWORKS(6) LONWORKS技术基本元件技术基本元件NeuronNeuron芯片中有芯片中有3 3个个8 8位位CPUCPU。第一个第一个CPUCPU为为介质访问控制处理器介质访问控制处理器。第二个。第二个CPUCPU为为网络处理网络处理器，器，处理处理LONTalkLONTalk协议第三到第六层。第三个协议第三到第六层。第三个CPUCPU是是应用处应用处理器，理器，它执行由用户编的代码及用户的代码新调用的操作它执行由用户编的代码及用户的代码新调用的操作系统。神经元系统。神经元NeuronN
15、euron芯片的编程语言为芯片的编程语言为Neuron CNeuron C。它是从。它是从A ANSICNSIC中派生出来的，并对中派生出来的，并对ANSICANSIC进行了删补。进行了删补。MOTORLOAMOTORLOA将生将生产具有产具有LONLON功能的性能强大的功能的性能强大的68HC36068HC360芯片。芯片。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计 智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计3 Profibus3 Profibus分为3个系列Profibus-DPProfibus-DP用于现场一级的高速数据传输
16、。在这一级，用于现场一级的高速数据传输。在这一级，中央控制器通过高速串行线同分散的现场设中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通信。适用于加工自动化领域。隐去备进行通信。适用于加工自动化领域。隐去了了3-73-7层，增加直接数据连接拟合作为数据层，增加直接数据连接拟合作为数据接口。接口。Profibus-FMSProfibus-FMS用于车间一级的通信，在这一级，可编程控用于车间一级的通信，在这一级，可编程控制器通过制器通过FMSFMS方式相互通信。用于纺织、楼方式相互通信。用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化。自动化。Profi
17、bus-PAProfibus-PA是是DPDP现场级通信的扩展，用于过程自动化。现场级通信的扩展，用于过程自动化。用于工厂自动化车间监控和现场设备层用于工厂自动化车间监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线。数据通信与控制的现场总线。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计ProfibusProfibus与与PLCPLC网络（电力、冶金、机械加工行业等）网络（电力、冶金、机械加工行业等）智能仪器智能仪器第五章第五章
18、 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计传输方式传输方式 主-从系统 纯主站系统 多主多从混合系统技术特点技术特点 传输速率：9.6kb/s-12Mb/s 最大传输距离：1200m智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计4 CAN4 CAN总线总线控制器局域网总线应用领域应用领域主要用于过程监测与控制。如汽车、机主要用于过程监测与控制。如汽车、机械加工、半导体生产和医疗仪器等复杂械加工、半导体生产和医疗仪器等复杂的机电一体化设备中的机电一体化设备中。通信模型通信模型物理层、数据链路层和应用层物理层、数据链路层和应用层技术特点技术特点传输速率最高传输速率最
19、高1Mb/s1Mb/s传输方式采用短帧结构（抗干扰性强）传输方式采用短帧结构（抗干扰性强）支持多主站工作方式支持多主站工作方式采用总线仲裁技术采用总线仲裁技术智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计5 HART 5 HART 可寻址远程传感高速通道的开放通信协议特点特点在现有模拟信号传输上实现数字通信，属于在现有模拟信号传输上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡性产品。模拟系统向数字系统转变的过渡性产品。通信协议通信协议物理层、数据链路层和应用层物理层、数据链路层和应用层技术特点技术特点数据传输速率数据传输速率1200b/s,1200b/s,逻辑逻辑
20、“0”0”频率频率2200Hz2200Hz；逻辑逻辑“1”1”频率为频率为1200Hz1200Hz三类命令三类命令通用命令、一般命令和特殊命令通用命令、一般命令和特殊命令传输方式传输方式点对点应主从应答方式和多点广播方式点对点应主从应答方式和多点广播方式智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计5.4 5.4 基于工业以太网的通信接口基于工业以太网的通信接口5.4.1 5.4.1 概述概述 指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时，在实时性、材质的选用、产品的强度以及适用性等方面能满足工业
21、现场的需要。 由于工业控制网络不单单是一个完成数据传输的通信网络，而且还是一个借助网络完成控制功能的控制系统。它除了完成数据传输之外，往往还需要依靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成控制任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作条件。 智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计 以太网是在以太网是在2020世纪世纪7070年代研制开发的一种基带局域年代研制开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，以太网的基本特网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，以太网的基本特征是采用一种称为征是采用一
22、种称为载波监听多路访问载波监听多路访问/ /冲突检测冲突检测CSMA/CD(CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision DetectionCarrier Sense Multiple Access/Collision Detection) )的共享访问方案，即多个工作站都连接在一条总线上，的共享访问方案，即多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向总线上发出监听信号，但在同一所有的工作站都不断向总线上发出监听信号，但在同一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输，而其他工作时刻只能有一个工作站在总线上进行传输，而其他工作站必须等待其传输结
23、束后再开始自己的传输。采用载波站必须等待其传输结束后再开始自己的传输。采用载波监听多路访问和冲突检测（监听多路访问和冲突检测（CSMA/CDCSMA/CD）机制，数据传输速）机制，数据传输速率达到率达到10Mb/s10Mb/s。但是如今以太网更多地被用来指各种采。但是如今以太网更多地被用来指各种采用用CSMA/CDCSMA/CD技术的局域网。技术的局域网。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计以太网用于网络的优势以太网用于网络的优势l具有相当高的数据传输速率（目前是100Mb/s）能够提供足够的带宽；l由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很
24、容易集成到企业管理网络；l能在同一总线上运行不同的传输协议，从而建立企业的公共网络平台或基础构架；l在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术；l沿用多年，已为众多技术人员熟知、市场上能提供广泛的软件资源、维护和诊断工具，称为事实上的统一标准l 允许使用不同的物理介质和不同的拓扑结构智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计以太网的监督、控制和数据采集系统（以太网的监督、控制和数据采集系统（Supervisory Supervisory Control And Data AcquistionControl And Data Acquistion，SCADAS
25、CADA）目前基本上分为两种应用情况：目前基本上分为两种应用情况： 基于以太网的微机采集系统基于以太网的微机采集系统 基于以太网的基于以太网的I/OI/O设备。设备。 5.4.2 5.4.2 以太网在以太网在SCADASCADA系统中的应用系统中的应用智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计微机数据采集系统基于以太网的微机采集系统就是将单机的数据采集通过硬件（网卡）和软件（网络通信程序）在以太网上实现分布式数据采集，也就是说将PC机作为网络采集的服务器。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计基于以太网的I/O接口设备优点：体
26、积减小、安装方便优点：体积减小、安装方便缺点：抗干扰性较差缺点：抗干扰性较差解决方法：设备中装载嵌入式解决方法：设备中装载嵌入式操作系统。操作系统。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计5.4.3 5.4.3 基于以太网控制装置的通信程序设计基于以太网控制装置的通信程序设计 在以太网中采用的通信协议是在以太网中采用的通信协议是TCP/IPTCP/IP协议。协议。 TCP/IPTCP/IP协议的核心部分是传输协议的核心部分是传输层协议（层协议（TCPTCP与与UDPUDP）、网络层）、网络层协议（协议（IPIP）和物理接口层）和物理接口层. .编程界面有两种方
27、式编程界面有两种方式：l 由内核直接提供的系统调用由内核直接提供的系统调用l 库函数方式提供各种函数库函数方式提供各种函数智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计5.4.4 Socket5.4.4 Socket基本技术介绍基本技术介绍进程间通信进程间通信解决不同主机进程间的相互通信问题解决不同主机进程间的相互通信问题需要解决的两个问题：需要解决的两个问题：网间进程标识问题网间进程标识问题多重协议问题多重协议问题解决方法：解决方法：TCP/IP TCP/IP 协议引入端口、地址、连接、协议引入端口、地址、连接、半相关、全相关等概念。半相关、全相关等概念。智能仪器
28、智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计端口端口是一种抽象的软件结构，包括一些数据结构和是一种抽象的软件结构，包括一些数据结构和I/OI/O缓缓冲区。冲区。每个端口都有一个端口号，是一个整数型标示符，用于区每个端口都有一个端口号，是一个整数型标示符，用于区别不同的端口。别不同的端口。网络通信进程的寻址网络通信进程的寻址（1 1）某台主机与多个网络相连，必须制定一个特定）某台主机与多个网络相连，必须制定一个特定网络地址；网络地址；（2 2）网络上每台主机应有一个唯一的地址）网络上每台主机应有一个唯一的地址（3 3）每台主机上的任一进程应有在该主机上的唯一标示符）每台主机
29、上的任一进程应有在该主机上的唯一标示符智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计主机地址由网络主机地址由网络IDID和主机和主机IDID组成，在组成，在TCP/IPTCP/IP协议中用协议中用3232位位二进制整数表示；二进制整数表示；TCPTCP和和UDPUDP均使用均使用1616位端口号标识进程。位端口号标识进程。连接：连接：两个进程间的通信链路。在内部表现为一些缓冲区和两个进程间的通信链路。在内部表现为一些缓冲区和一组协议机制；在外部表现出高的连接可靠性。一组协议机制；在外部表现出高的连接可靠性。半相关：半相关：用一个三元组可在全局中唯一标识一个进程。用一
30、个三元组可在全局中唯一标识一个进程。（协议，本地地址，本地端口）（协议，本地地址，本地端口）全相关：全相关：一个完整的网间通信需要由五元组可在全局中标识一个完整的网间通信需要由五元组可在全局中标识一个进程。一个进程。（协议，本地地址，本地端口，远程地址，远程端口号）（协议，本地地址，本地端口，远程地址，远程端口号）智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计客户机客户机/ /服务器模式服务器模式在在TCP/IPTCP/IP网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是模式是客户机客户机/ /服务器模式服务器模式（Clie
31、nt/Server modelClient/Server model），即客户），即客户机向服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的机向服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。服务。 基于两点原因建立：基于两点原因建立：网络中软网络中软/ /硬件资源、运算能力和信息不均等，需要硬件资源、运算能力和信息不均等，需要 共享；共享；网间进程通信完全是异步的。网间进程通信完全是异步的。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计客户机客户机/ /服务器模式在操作过程中采取的是主动请求方式服务器模式在操作过程中采取的是主动请求方式。步骤：步骤：1
32、1 服务器方先启动，并根据请求提供相应服务服务器方先启动，并根据请求提供相应服务 打开一个通信通道并告知本地主机，在某个公认地址打开一个通信通道并告知本地主机，在某个公认地址 上接收客户请求上接收客户请求等待客户请求到达该端口等待客户请求到达该端口处理请求处理请求返回第二步，等待一个新的客户请求返回第二步，等待一个新的客户请求关闭服务器关闭服务器智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计2.2.客户机在服务器启动后的某一时刻启动客户机在服务器启动后的某一时刻启动 打开一个通信通道，并链接到服务器所在主机的特定打开一个通信通道，并链接到服务器所在主机的特定端口端口
33、向服务器发服务请求报文，等待并接收应答；完成后向服务器发服务请求报文，等待并接收应答；完成后可以继续提出请求可以继续提出请求请求结束后关闭通信通道并终止请求结束后关闭通信通道并终止客户机与服务器进程的作用是非对称的，因此编目不客户机与服务器进程的作用是非对称的，因此编目不同同服务进程一般是先于客户请求而启动的服务进程一般是先于客户请求而启动的3.3.客户机客户机/ /服务器模式的服务器模式的TCP/IPTCP/IP通信特点：通信特点：智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计TCPTCP协议对并发机制的支持协议对并发机制的支持 TCPTCP在在TCP/IPTCP
34、/IP协议簇的所有协议中是最复杂的一个协协议簇的所有协议中是最复杂的一个协议，它为两个任意处理速率的、使用不可靠的低层连接机议，它为两个任意处理速率的、使用不可靠的低层连接机制的机器提供可靠的、具有流量控制的、端对端的数据流制的机器提供可靠的、具有流量控制的、端对端的数据流服务。它使用具有服务。它使用具有重传超时的机制（重传超时的机制（timeout with timeout with retransmissionretransmission）以实现可靠性，即当数据报文在传输过）以实现可靠性，即当数据报文在传输过程中，出现了延迟、复制、丢失、发送不按顺序、或数据程中，出现了延迟、复制、丢失、发
35、送不按顺序、或数据报文在被损坏、截断时，接收方也能正确地接收数据。报文在被损坏、截断时，接收方也能正确地接收数据。 智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计套接字类型套接字类型 流式套接字：流式套接字：提供了一个面向连接、可靠的数据传输提供了一个面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错，无重复地发送，且按着发送顺序服务，数据无差错，无重复地发送，且按着发送顺序接收。接收。数据报式套接字：数据报式套接字：提供了一个无连接服务，数据报以独立包形提供了一个无连接服务，数据报以独立包形式被发送，不提供无错保证，数据可能丢失或重复，并且接受式被发送，不提供无错保证，数据
36、可能丢失或重复，并且接受顺序混乱。顺序混乱。原始套接字：原始套接字：该接口允许对较低层协议直接访问，常用于检验该接口允许对较低层协议直接访问，常用于检验新的协议，实现或访问现有服务中配置的新设备。新的协议，实现或访问现有服务中配置的新设备。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计5.4.5 基于PC-104嵌入式控制器的SCADA系统中以太网通信程序的设计系统总体框图系统总体框图智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计 在系统中有大量的数据在上位机和智能节点之间交换在系统中有大量的数据在上位机和智能节点之间交换，需要通过以太网
37、来实现。数据交换使用，需要通过以太网来实现。数据交换使用TCPTCP传输控制协议传输控制协议，由于要传输的数据大小每次均不能够确定，同时数据种，由于要传输的数据大小每次均不能够确定，同时数据种类较多，则每次必须标识出本次传送的数据长度和种类，类较多，则每次必须标识出本次传送的数据长度和种类，因此根据系统要求因此根据系统要求, ,定义数据包格式。定义数据包格式。 数据交换协议数据交换协议智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计数据包标记数据包标记: :用来识别数据来源，确定数据来自上位机用来识别数据来源，确定数据来自上位机还是智能节点。还是智能节点。数据长度数据
38、长度: :用来识别此次传输数据的长度。用来识别此次传输数据的长度。数据包命令数据包命令: :指出此次传输数据的种类，确定下一步如指出此次传输数据的种类，确定下一步如何处理数据。何处理数据。数据包编号：数据包编号：为处理大块数据而用。为处理大块数据而用。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计通信程序结构通信程序结构 通信程序分为客户部分的通信程序和服务器部分的通通信程序分为客户部分的通信程序和服务器部分的通信程序。客户又分为两种：一种是智能节点部分，一种是信程序。客户又分为两种：一种是智能节点部分，一种是除了服务器外的其余客户机。除了服务器外的其余客户机。智能
39、节点客户通信程序：智能节点客户通信程序：智能节点部分的通信程序用于将采集来的数据上智能节点部分的通信程序用于将采集来的数据上传至上位机服务器，同时从上位机服务器下载组态控传至上位机服务器，同时从上位机服务器下载组态控制信息实施控制方案。制信息实施控制方案。 采取方案采取方案是让主程序运行数据采集模块和控制模块。通是让主程序运行数据采集模块和控制模块。通信程序作为一个定时中断运行。信程序作为一个定时中断运行。 智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计监控客户机通信程序：监控客户机通信程序： 上位监控客户机的通信程序安装在除了服务器外的其余上上位监控客户机的通信程
40、序安装在除了服务器外的其余上位机上，用于向服务器请求所需要的数据。位机上，用于向服务器请求所需要的数据。 上位监控客户机的通信程序采用上位监控客户机的通信程序采用冗余服务器式冗余服务器式。 上位监控客户机的通信程序采用上位监控客户机的通信程序采用定时与服务器程序通信的定时与服务器程序通信的方式方式。将所有可能需要监控的数据设计成一个链表，定时扫描。将所有可能需要监控的数据设计成一个链表，定时扫描本机上实际监控的数据项，并对数据项赋一个标志，在需要通本机上实际监控的数据项，并对数据项赋一个标志，在需要通信时，扫描这个表，数据项的标志置位了，向服务器请求这个信时，扫描这个表，数据项的标志置位了，向
41、服务器请求这个数据项数据。数据项数据。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计服务器通信程序：服务器通信程序： 多线程方式多线程方式 数据分类数据分类 定义状态字：告诉本次通信过程中发送的数据类型定义状态字：告诉本次通信过程中发送的数据类型 在通信时，根据状态字的值调用相关子函数，对需在通信时，根据状态字的值调用相关子函数，对需 要发送的相应数据进行打包。要发送的相应数据进行打包。步骤：步骤： 当接收到智能节点上传的数据后，调用数据分析函数当接收到智能节点上传的数据后，调用数据分析函数Data Data Translate()Translate()。将接受到的
42、数据先拆包，分析数据头，判。将接受到的数据先拆包，分析数据头，判断数据类型，取出其中的数据。保存到相应的地段中。断数据类型，取出其中的数据。保存到相应的地段中。智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计 当接收到从上位监控机客户程序来的数据请求时，调用数当接收到从上位监控机客户程序来的数据请求时，调用数据请求分析函数据请求分析函数Analyse WsData().Analyse WsData().将数据拆将数据拆 包后，根据取出的数据来分析，判断请求数据的类型；根包后，根据取出的数据来分析，判断请求数据的类型；根据其位号到相应的地址段取出所要求的数据项的数据，调
43、据其位号到相应的地址段取出所要求的数据项的数据，调用相关的数据打包函数将数据打包，发送到上位监控机的用相关的数据打包函数将数据打包，发送到上位监控机的客户程序中。客户程序中。 临界区技术，保证线程间的互斥和同步，调用临界区技术，保证线程间的互斥和同步，调用 CrisiticalSection.Lock() CrisiticalSection.Lock()智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计5.5 5.5 蓝牙技术通信蓝牙技术通信 蓝牙（蓝牙（BluetoothBluetooth）技术是一种近距离无线通信标准，）技术是一种近距离无线通信标准，于于199819
44、98年年5 5月由爱立信、英特尔、诺基亚、东芝和月由爱立信、英特尔、诺基亚、东芝和IBMIBM等五大公司组成的特殊利益集团等五大公司组成的特殊利益集团SIGSIG（Special InternSpecial Internet Groupet Group）联合制定。）联合制定。SIGSIG推出蓝牙技术的目的在于实推出蓝牙技术的目的在于实现最高数据传输速率为现最高数据传输速率为1Mbps1Mbps（有效传播速率为（有效传播速率为721kbp721kbps s）、最大传输距离为）、最大传输距离为10m10m的无线通信，并形成世界统的无线通信，并形成世界统一的近距离无线通信标准。蓝牙技术可提供低成本、
45、一的近距离无线通信标准。蓝牙技术可提供低成本、低功耗的无线接入方式，被认为是近年来无线数据通低功耗的无线接入方式，被认为是近年来无线数据通信领域重大的进展之一。信领域重大的进展之一。 智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计5.5.1 5.5.1 蓝牙技术的特色与工作原理蓝牙技术的特色与工作原理 蓝牙技术的主要特色蓝牙技术的主要特色 工作在国际开放的工作在国际开放的ISM ISM 频段频段 短距离短距离 采用跳频扩频技术采用跳频扩频技术 采用时分复用多路访问技术采用时分复用多路访问技术 智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计
46、蓝牙的结构体系它是由底层硬件它是由底层硬件模块，中间层和模块，中间层和高端应用层三大高端应用层三大部分组成。部分组成。 智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计（一）蓝牙的底层模块（一）蓝牙的底层模块由链路管理层由链路管理层LMP(Link Manager Protocol),LMP(Link Manager Protocol),基带层基带层BB(Base Band)BB(Base Band)和射频和射频RF(Radio Frequency)RF(Radio Frequency)组成。组成。 各部分主要功能：各部分主要功能：通过通过2.4GHz2.4GHz无需
47、申请的无需申请的ISMISM频段，实现数据流的过滤和传输；频段，实现数据流的过滤和传输；它主要定义了工作在此频段的蓝牙接收机应满足的要求；它主要定义了工作在此频段的蓝牙接收机应满足的要求； （1 1）无线连接层（）无线连接层（RFRF）：）：智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计基带层（基带层（BBBB）提供了两种不同的物理链路（同步面向连接链）提供了两种不同的物理链路（同步面向连接链路和异步无连接链路路和异步无连接链路ACLACL）, ,负责跳频和蓝牙数据及信息帧的负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输，且对所有内型的数据包提供了不同层次的前向纠错码传输，且对所
48、有内型的数据包提供了不同层次的前向纠错码FEC( Forward Error Correction)FEC( Forward Error Correction)或循环冗余度差错校验或循环冗余度差错校验CTCCTC 。（2 2）基带层（）基带层（BBBB）LMPLMP层负责两个或多个设备链路的建立和拆除及链路的安全和层负责两个或多个设备链路的建立和拆除及链路的安全和控制，如鉴权和加密，控制和协商基带包的大小等，它为上控制，如鉴权和加密，控制和协商基带包的大小等，它为上层软件模块提供了不同的访问入口。层软件模块提供了不同的访问入口。 （3 3）链路管理层）链路管理层LMPLMP 智能仪器智能仪器第
49、五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计蓝牙主机控制器接口蓝牙主机控制器接口HCI(Host controller interface)HCI(Host controller interface)由由基基带控制器，连接管理器，控制和事件寄存器等组成带控制器，连接管理器，控制和事件寄存器等组成。它是蓝。它是蓝牙协议中软硬件之间的接口，提供了一个调用下层牙协议中软硬件之间的接口，提供了一个调用下层BB,LM,BB,LM,状状态和控制寄存器等硬件的统一命令，上，下两个模块接口之态和控制寄存器等硬件的统一命令，上，下两个模块接口之间的消息和数据的传递必须通过间的消息和数据的传递必须通过
50、HCIHCI的解释才能进行。的解释才能进行。HCIHCI层层以上的协议软件实体运行在主机上，而以上的协议软件实体运行在主机上，而HCIHCI以下的功能由蓝以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间通过传输层进行交换。牙设备来完成，二者之间通过传输层进行交换。 （4 4）蓝牙主机控制器接口）蓝牙主机控制器接口智能仪器智能仪器第五章第五章 智能仪器的通信接口设计智能仪器的通信接口设计（二） 中间协议层1 1 、中间、中间协议层的组成：逻辑链路控制与适配协议逻辑链路控制与适配协议L2CAP(Logical Link L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Pro
