1、2022-8-61第七章第七章 总线技术总线技术学习目标：学习目标：l熟悉总线的基本概念熟悉总线的基本概念l熟悉常用的串行通信总线熟悉常用的串行通信总线l了解现场总线技术了解现场总线技术2022-8-62第一节第一节 总线技术概述总线技术概述一、总线的产生一、总线的产生 为了使插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对连接为了使插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对连接各插件或各系统的基础各插件或各系统的基础总线，制定出严格的规约，即总线标准，为总线，制定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产插件模块提供统一的依据。各厂商设计和生产插件模块提供统一的依据。二、线的定义及分
2、类二、线的定义及分类1.1.总线的定义总线的定义 总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间(或插件内部芯或插件内部芯片间片间)、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。2022-8-632.2.总线的分类总线的分类（1）根据总线不同的结构和用途，总线有如下的）根据总线不同的结构和用途，总线有如下的2种类型种类型 专用总线专用总线 我们将只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线。
3、专用总线我们将只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线。专用总线的基本优点是其具有较高的流量，多个部件可以同时发送或接受信息，的基本优点是其具有较高的流量，多个部件可以同时发送或接受信息，几乎不会出现总线争用的现象。在全互连或部分互连以及环形拓扑结构几乎不会出现总线争用的现象。在全互连或部分互连以及环形拓扑结构中使用的总线就是专用总线。中使用的总线就是专用总线。非专用总线非专用总线 非专用总线可以被多种功能或多个部件所共享，所以也称之为共享非专用总线可以被多种功能或多个部件所共享，所以也称之为共享总线。每个部件都能通过共享总线与接在总线上的其他部件相连，但在总线。每个部件都能通过共享总线与接
4、在总线上的其他部件相连，但在同一时刻，却只允许同一时刻，却只允许2 2个部件共享通信，其他部件间的通信要分时进行，个部件共享通信，其他部件间的通信要分时进行，因此准确地应称之为分时共享总线。因此准确地应称之为分时共享总线。2022-8-64（2）根据总线的用途和应用环境，总线可以有如下）根据总线的用途和应用环境，总线可以有如下3种类型种类型局部总线局部总线系统总线系统总线外总线外总线2022-8-65（3）根据总线传送信号的形式，总线又可分为）根据总线传送信号的形式，总线又可分为2种种 并行总线并行总线 如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。并行总线如果用若干根信号线同时传递信号，
5、就构成了并行总线。并行总线的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。串行总线串行总线 串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。其特点是可以用几根信串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。其特点是可以用几根信号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。显然，上面提到的总线和局部总线均属于并行总线范畴。而现场总显然，上面提到的总线和局部总线均属于并行总线范畴。而现场总线线(FieldbusFieldbus)则是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、则是连接工业过程现场仪表和控制
6、系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。双向、多站点的串行通信网络。2022-8-66第二节第二节 RS-232C/485RS-232C/485总线总线一、一、RS-232CRS-232C总线总线 RS-232CRS-232C是由美国电子工业协会（是由美国电子工业协会（Electronic Industry Electronic Industry AssociationAssociation，EIAEIA）在）在19691969年颁布的一种的串行物理接口标准，也是在计年颁布的一种的串行物理接口标准，也是在计算机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算算机系统中最常用
7、的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通信。采用机与外设之间的同步或异步通信。采用RS-232CRS-232C作为串行通信时，通信距离作为串行通信时，通信距离可达可达12m12m，传输数据的速率可任意调整，最大可达，传输数据的速率可任意调整，最大可达20kbps20kbps。2022-8-67电气连接方式电气连接方式 主要特点：主要特点：非平衡的连接方式非平衡的连接方式采用点对点通信采用点对点通信公用地线公用地线2022-8-68最高通信速率为最高通信速率为115200bpsRS-232C标准规定通信距离应小于标准规定通信距离应小于15m。电气参数电气参数 引
8、线信号状态引线信号状态 RS-232C标准引线状态必须是以下三种之一，即标准引线状态必须是以下三种之一，即SPACE/MARK(空号空号/传号传号)、或、或ON/OFF(通通/断断)、或、或逻辑逻辑0/逻辑逻辑1。引线逻辑电平引线逻辑电平 用用-3-15V表示逻辑表示逻辑1用用+3+15V表示逻辑表示逻辑0 短路抑制性能短路抑制性能 RS-232C的驱动电路必须能承受电缆中任何的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路导线短路 通信速率通信速率 2022-8-69 RS-232CRS-232C串行通信的典型连接形式有两种：一种是数据终端计算机串行通信的典型连接形式有两种：一种是数据终端计算机（DT
9、EDTE）之间，零调制解调器的连接形式；另一种是数据终端）之间，零调制解调器的连接形式；另一种是数据终端PCPC机（机（DTEDTE）与数据通信设备（与数据通信设备（DCEDCE）的通信。）的通信。当通信距离较近时，可不需要当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方可以直接连接，这种情，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步况下，只需使用三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信。串行通信。2022-8-610 RS-232CRS-232C逻辑状态定义的正负电压范围与逻辑状态定义的正负电压范围与TTLTTL高低电平表
10、示逻辑状态的高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够使计算机接口与终端的规定不同。因此，为了能够使计算机接口与终端的TTLTTL器件连接，必须在器件连接，必须在RS-232CRS-232C与与TTLTTL电路之间进行电平和逻辑关系变换。电路之间进行电平和逻辑关系变换。MAX232 MAX232是是MAXIMMAXIM公司生产的，包含两路驱动器和接收器的公司生产的，包含两路驱动器和接收器的RS-232CRS-232C转换转换芯片。芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的芯片。芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的+5V+5V电压转换为电压转换为RS-232CRS-232C接口所需的接口所需的
11、12V12V电压，尤其适用于没有电压，尤其适用于没有12V12V的单电源系统。的单电源系统。2022-8-611二、二、RS-485RS-485总线总线 EIA EIA于于19831983年在年在RS-422ARS-422A的基础上制定了的基础上制定了RS-485RS-485标准，全称为标准，全称为TIA/EIA-TIA/EIA-485-A485-A。RS-422ARS-422A为双通道的全双工结构，可同时实现接收和发送，而为双通道的全双工结构，可同时实现接收和发送，而RS-RS-485485则为半双工，在某一时刻，数据流单向传输。除此之外，则为半双工，在某一时刻，数据流单向传输。除此之外，R
12、S-485RS-485增加了增加了发送器的驱动能力和冲突保护功能，允许多个驱动器连接在同一条总线上，发送器的驱动能力和冲突保护功能，允许多个驱动器连接在同一条总线上，扩展了总线共模范围。扩展了总线共模范围。RS-485 RS-485总线网络一般采用终端匹配的总线型结构，即采用一条总线将总线网络一般采用终端匹配的总线型结构，即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。2022-8-612串行总线协议转换器串行总线协议转换器 2022-8-613RS485具有以下特点具有以下特点：RS-485的电气特性：逻辑的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差
13、为以两线间的电压差为+2V+6V表示；逻辑表示；逻辑“0”以两线间的电压差为以两线间的电压差为-2V-6V表表示。示。RS-485的数据最高传输速率为的数据最高传输速率为10MbpsRS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强。共模干能力增强。RS-485接口的最大传输距离为接口的最大传输距离为1200m，在总线上是允许连，在总线上是允许连接多达接多达128个收发器个收发器,即具有多站能力和多机通信功能。即具有多站能力和多机通信功能。单片机与计算机的远程通信电路单片机与计算机的远程通信电路2022-8-62022-8-615RS
14、-232C、RS-422与与RS-485总结总结外形不是区别点，都可能有各种形式的接插件如外形不是区别点，都可能有各种形式的接插件如9、15和和25针针 RS-232、RS-422与与RS-485标准只对接口的电气特性做出规标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。自己的高层通信协议。总结：总结：RS232的传输是点对点的的传输是点对点的,并且传输距离只有并且传输距离只有15米米(有条件限有条件限制制).，RS422的传输支持一点对多点，的传输支持一点对多点，RS485的传输支持多
15、点对的传输支持多点对多点多点,传输距离达到传输距离达到1200米米.(采用半双工传输采用半双工传输)RS422跟跟485的区别在于它传输方式是全双工传输的区别在于它传输方式是全双工传输 注意：一般的电脑只配有注意：一般的电脑只配有RS232串口，若要想用它和工控装串口，若要想用它和工控装置的置的RS-485串口相接，就需使用外置串口相接，就需使用外置RS-232/RS-485转换转换头，对头，对RS-232口转换后即可相连了。口转换后即可相连了。2022-8-616第三节第三节 I2CI2C总线总线一、一、I2CI2C总线特点总线特点 I2CI2C总线最主要的优点是它的简单性和有效性。由于接口
16、总线最主要的优点是它的简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此直接在组件之上，因此I2CI2C总线占用的空间非常小，减少了电总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可达可达2525英尺，并且能够以英尺，并且能够以10kbps10kbps的最大传输速率支持的最大传输速率支持4040个组件。个组件。I2C I2C总线的另一个优点是，它支持多主控总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)(multimastering)模式，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。模式
17、，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。只能有一个主控。2022-8-6二、二、I2CI2C总线工作原理总线工作原理 I2CI2C总线在硬件连接基础总线在硬件连接基础上，还包括总线上数据传输上，还包括总线上数据传输的通信方式和通信格式。它的通信方式和通信格式。它采用主从通信方式时，由主采用主从通信方式时，由主器件确定和控制与某一从器器件确定和控制与某一从器件一次通信过程。而通信格件一次通信过程。而通信格式则按照主器件接收和发送式则按照主器件接收和发送数据两种情
18、形，可分为两种数据两种情形，可分为两种格式格式(见图见图)。其中。其中S S为开始为开始信号，信号，A A为应答信号，为应答信号，P P为停为停止信号。止信号。2022-8-6172022-8-6 一个标准的一个标准的I2CI2C通信过程由四个部分组成通信过程由四个部分组成:申请总线、建立通信路径、申请总线、建立通信路径、数据传送和释放总线。数据传送和释放总线。2022-8-6182022-8-6三、三、X24C04X24C04与与MCS-51MCS-51单片机接口电路单片机接口电路2022-8-6192022-8-62022-8-620第四节第四节 SPISPI总线总线一、一、SPISPI总
19、线的组成总线的组成 SPISPI总线可在软件的控制下构成各种简单的或复杂的系统，如：一个主总线可在软件的控制下构成各种简单的或复杂的系统，如：一个主微控制器和几个从微控制器；几个从微控制器相互连接构成多主机系统微控制器和几个从微控制器；几个从微控制器相互连接构成多主机系统(分分布式系统布式系统)；一个主微控制器和一个或几个从；一个主微控制器和一个或几个从I/OI/O设备。在大多数应用场合设备。在大多数应用场合中，使用一个微控制器作为主机，它控制数据向一个或多个从外围器件的中，使用一个微控制器作为主机，它控制数据向一个或多个从外围器件的传送。从器件只能在主机发命令时才能接收或向主机传送数据。其数
20、据的传送。从器件只能在主机发命令时才能接收或向主机传送数据。其数据的传输格式是高位传输格式是高位(MSB)(MSB)在前，低位在前，低位(LSB)(LSB)在后。在后。2022-8-6二、二、SPISPI总线的时序总线的时序 在实际应用中，各在实际应用中，各I/OI/O芯片只能在收到芯片只能在收到CPUCPU发出的使能命令后，才能发出的使能命令后，才能向向CPUCPU传送数据或从传送数据或从CPUCPU接收数据，并遵循接收数据，并遵循“高位高位(MSB)(MSB)在前，低位在前，低位(LSB)(LSB)在后在后”的数据传输格式。的数据传输格式。2022-8-6212022-8-6三、三、SPI
21、SPI模式模式CPHA=0时，SPI时序 2022-8-6222022-8-6CPH=1时，SPI时序 2022-8-6232022-8-62022-8-624第五节第五节 现场总线技术现场总线技术一、现场总线的含义一、现场总线的含义1.1.现场通信网络现场通信网络传统DCS控制层 第一代FCS控制层 2022-8-6252.2.互操作性互操作性 互操作性的含义是来自不同制造厂的现场设备，不仅可以相互通信，互操作性的含义是来自不同制造厂的现场设备，不仅可以相互通信，而且可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略。也就是而且可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略。也就是说，用
22、户选用各种品牌的现场设备集成在一起，实现说，用户选用各种品牌的现场设备集成在一起，实现“即接即用即接即用”。现。现场设备互连是基本要求，只有实现操作性，用户才能自由地集成现场控场设备互连是基本要求，只有实现操作性，用户才能自由地集成现场控制系统制系统(Field Control System(Field Control System，简称，简称FCS)FCS)。3.3.分散功能块分散功能块2022-8-62022-8-6264.4.通信线供电通信线供电 现场总线的传输线常用双绞线，并使用通信线供电方式，采用低功现场总线的传输线常用双绞线，并使用通信线供电方式，采用低功耗现场仪表，允许现场仪表直
23、接从通信线上获取电能，这种低功耗现场耗现场仪表，允许现场仪表直接从通信线上获取电能，这种低功耗现场仪表可以用于本质安全环境，与其配套的还有安全栅。仪表可以用于本质安全环境，与其配套的还有安全栅。5.5.开放式网络互连开放式网络互连 现场总线为开放式互连网络，既可与同类网络互连，也可与不同类现场总线为开放式互连网络，既可与同类网络互连，也可与不同类网络互连。开放式互连网络还体现在网络数据库共享，通过网络对现场网络互连。开放式互连网络还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的现
24、场总线控制系统。的现场总线控制系统。2022-8-6二、二、OSIOSI参考模型与现场总线通信模型参考模型与现场总线通信模型 典型的现场总线协议模型典型的现场总线协议模型如图所示。它采用如图所示。它采用OSIOSI模型中的模型中的三个典型层：物理层、数据链三个典型层：物理层、数据链路层和应用层，并增加一个现路层和应用层，并增加一个现场总线访问子层，以取代场总线访问子层，以取代OSIOSI模模型中第型中第3 36 6层的部分功能，以层的部分功能，以满足工业现场应用的要求。它满足工业现场应用的要求。它是是OSIOSI模型的简化形式，其流量模型的简化形式，其流量与差错控制在数据链路层中进与差错控制在
25、数据链路层中进行，因而与行，因而与OSIOSI模型不完全保持模型不完全保持一致。一致。2022-8-6272022-8-6三、三、基金会现场总线基金会现场总线 FFFF现场总线模型结构如图所示。它采用了现场总线模型结构如图所示。它采用了OSIOSI模型中的物理层、数据模型中的物理层、数据链路层和应用层这三层，隐去了第链路层和应用层这三层，隐去了第3 36 6层。其中物理层、数据链路层采用层。其中物理层、数据链路层采用IEC/ISAIEC/ISA标准。应用层有两个子层：现场总线访问子层标准。应用层有两个子层：现场总线访问子层FASFAS和现场总线信息和现场总线信息规范子层规范子层FMSFMS，并
26、将从数据链路到，并将从数据链路到FASFAS、FMSFMS的全部功能集成为通信栈的全部功能集成为通信栈(Communication Stack)(Communication Stack)。FASFAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求，采用不同的数据访问工作模式。范，根据不同要求，采用不同的数据访问工作模式。2022-8-6282022-8-6四、四、局部操作网络局部操作网络 LONWORKSLONWORKS采用了采用了ISO/OSIISO/OSI模型的全部七层通信协议，被誉为通用控制模型的全部七层通信协议，被誉为通用控制网络。这七层的
27、作用和所提供的服务如图所示。网络。这七层的作用和所提供的服务如图所示。2022-8-6292022-8-6五、五、过程现场总线过程现场总线 PROFIBUS PROFIBUS的传输速率为的传输速率为969612kbps12kbps，最大传输距离在，最大传输距离在12kbps12kbps时为时为1000m1000m，15Mbps15Mbps时为时为400m400m，可用中继器延长至，可用中继器延长至10km10km。其传输介质可以是双。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接绞线，也可以是光缆，最多可挂接 127127个站点。个站点。一个典型的工厂自动化一个典型的工厂自动化系统采用系统采
28、用三级网络结构三级网络结构。基于现场总线基于现场总线PROFIBUS-PROFIBUS-DP/PADP/PA控制系统位于工厂自控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场动化系统中的底层，即现场级与车间级。级与车间级。现场总线现场总线PROFIBUSPROFIBUS是面是面向现场级与车间级的数字化向现场级与车间级的数字化通信网络。通信网络。PROFIBUS网络结构图2022-8-6302022-8-62022-8-631 CAN CAN在物理结构上属于总线式通信网络。系统由在物理结构上属于总线式通信网络。系统由上位监控上位监控PCPC机机、智、智能能节点节点和和现场设备现场设备三部分组成。三部分
29、组成。上位监控上位监控PCPC机主要负责对系统数据的接受与管理、控制命令的发送以机主要负责对系统数据的接受与管理、控制命令的发送以及各控制单元动态参数和设备状态的实时显示。及各控制单元动态参数和设备状态的实时显示。智能节点可以使现场设备方便地连接到智能节点可以使现场设备方便地连接到CANCAN总线上，主要负责对现场总线上，主要负责对现场的环境参数和设备状态进行监测，对采集来的数据进行打包处理并将处理的环境参数和设备状态进行监测，对采集来的数据进行打包处理并将处理后的数字信号通过后的数字信号通过CANCAN通信控制器通信控制器SJA1000SJA1000发送到发送到CANCAN总线。总线。六、六
30、、控制器局域网络控制器局域网络2022-8-632 可寻址远程传感器数据通路可寻址远程传感器数据通路 (Highway Addressable Remote(Highway Addressable Remote TransducerTransducer，简称，简称HART)HART)。最早由。最早由RosemoutRosemout公司开发并得到公司开发并得到8080多家著名仪多家著名仪表公司的支持，于表公司的支持，于19931993年成立了年成立了HARTHART通信基金会。这种被称为可寻址远程通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字传感
31、高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。HARTHART通信模型由通信模型由3 3层组成层组成 ：物理层、数据链路层和应用层。物理层采：物理层、数据链路层和应用层。物理层采用用FSK(FrequencyFSK(Frequency Shift Keying Shift Keying）技术在）技术在4 420mA20mA模拟信号上迭加一个频模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用率信号，频率信号采用Bell202Bell202国际标准；数据传输速率为国际标准；数据传输速率为1200bps1200bps，逻辑，逻辑0 0的信号频率为的信号频率为2200Hz2200Hz，逻辑，逻辑1 1的信号传输频率为的信号传输频率为 1200Hz1200Hz。七、七、可寻址远程传感器数据通路可寻址远程传感器数据通路本章内容结束2022-8-633
