1、过程通道与接口设计过程通道与接口设计2.22.2第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的基本硬件基础计算机控制系统的基本硬件基础1 12.12.13 32.1 计算机控制系统的基本硬件基础l 如图2-1所示：图2-12.1 计算机控制系统的基本硬件基础l计算机控制系统硬件设计与集成：设计MCU基本系统设计、过程通道接口设计、人机交互单元设计、网络通讯接口单元设计、电源系统设计的系统综合；集成MCU基本系统、过程通道接口、人机交互单元、网络通讯接口单元、电源系统的选择与集成设计。l MCU基本系统:MCU、数据存储器、程序存储器、中断及中断管理、定时计数器、通用I/O接口、专用接口（A/
2、D、D/A、PWM、I2C、SPI、UART、CAN、LAN等）。2.1 计算机控制系统的基本硬件基础l MCU：微处理单元；设计选择MCU的约束：计算处理能力、专业计算功能、内部资源配置、中断处理及服务能力、I/O接口配置（通用、专用接口）、内部存储资源、外部扩展能力、MCU架构、支持嵌入式操作系统与否、EMI能力等；l存储器：程序存储器、数据存储器（动态/静态）、内部/外 部存储器；设计中：根据数据任务的类型设计/选择传感器器件和电路；l接口设计：是后续课程的重点；2.1 计算机控制系统的基本硬件基础l过程通道：与工业现场被控对象/系统互动的专用 接口电路；包括：模拟量输入、开关量输入、脉
3、冲量输入、模 拟量输出、开关量输出、脉冲量输出；前向通道：模拟量输入、开关量输入、脉冲量输入；后向通道：模拟量输出、开关量输出、脉冲量输出；2.1 计算机控制系统的基本硬件基础l人机交互：显示、声光报警、操作单元（键盘、触 摸屏、操作台、信息扫描输入单元）、打印机；l 计算机控制系统的上/下行信息通道；l下行通讯接口：与智能传感器、智能执行机构、下 机控制系统信息交互的通道；2.1 计算机控制系统的基本硬件基础l上行通讯接口:与上级控制系统、管理系统、监控 系统等的信息交互通道；l包括:各种类型的现场总线（MODBUS、PROFIBUS、CAN、LONWORK、HART、FF等）、工业以太网、
4、IEE488仪表总线等2.1 计算机控制系统的基本硬件基础l电源系统：保障计算机控制系统各单元运行的独立 电源组；l计算机控制系统内部核心与现场测控单元，从抗干 扰和抗冲击保护的要求需要进行电气隔离；隔离后 的接口电路之间通常也需进行电气隔离；2.1 计算机控制系统的基本硬件基础l 过程通道：模拟量输入、开关量输入、脉冲量输入、模拟量输出、开关量输出、脉冲量输出；l MCU/CPU组成的微机核心与过程通道的接口设计方式：1、过程通道测控接口+通用I/O；2、过程通道测控接口+MCU内置I/O；2.2 过程通道与接口设计l MCU/CPU对过程通道I/O的寻址方式：1、查询方式：无条件查询、有条
5、件查询；2、中断方式：过程通道接口外部出发MCU/CPU中断；过程通道利用MCU的内部中断资源（如A/D、D/A、PWM等）；2.2 过程通道与接口设计l工控系统的“数字量”:计算机控制系统外部装置通过计算机 的I/O接口输入到计算机的数字信号、开关量信号；l开关量：只有两个状态（开/关、高电平/低电平，逻辑上为 0/1）的状态信号；l开关量传感器：光电开关、接近开关、行程开关、限位开关、温度开关、压力开关、液位开关、流量开关、控制按钮等；2.2 过程通道与接口设计开关量输入传感器的特点：l通常具有机械抖动；l通常远离计算机控制主机；l可能耦合抢点信号；l输入形式多样化：机械触点；电信号：电压
6、式/电流式、有源/无源PNP/NPN式；2.2 过程通道与接口设计l 如图2.2-1所示；图2.2-1机械触电开关有源无源2.2 过程通道与接口设计开关量输入电路设计须解决的问题：l信号的电气隔离；l信号的区抖动；l输入信号类型的适应与匹配；l与MCU/CPU的数据接口方式；2.2 过程通道与接口设计l 隔离方式：继电器隔离、光电隔离，如图2.2-2所示：图2.2-2继电器隔离光耦光电隔离2.2 过程通道与接口设计l 信号去抖：硬件去抖、软件去抖；如图2.2-3所示：2.2 过程通道与接口设计l 信号去抖：硬件去抖、软件去抖；l如图2.2-3所示：图2.2-32.2 过程通道与接口设计l 典型
7、开关量输入电路：如图2.2-4所示：图2.2-42.2 过程通道与接口设计l 输入接口与信号匹配：如图2.2-5所示：触电式开关信号图2.2-52.2 过程通道与接口设计l 输入接口与信号匹配：如图2.2-5所示：图2.2-5无源信号2.2 过程通道与接口设计l MCU/CPU的开关量数据采集：信号中断模式、接口查询模式；如图2.2-6所示2.2 过程通道与接口设计l脉冲量：以频率或计数值为测量参数并用之表征、计量的工业 参数；l常见传感器：涡轮流量传感器、光电码盘、涡街流量传感器、流量计（电磁流量计、超声波流量计）的外输脉冲信号、计数开关类传感器（光电开关等）、V/F变换器等。l脉冲量测量接
8、口设计要解决的问题：1、信号隔离：须注意光藕的频率特性与测量信号匹配（通常 设计上采用高速光藕1M以上）；2.2 过程通道与接口设计l脉冲量测量接口设计要解决的问题：2、信号的去抖与抗干扰：去抖方法：硬件方法RC滤波、RC滤波+比较器、RC滤波+施 密特触发器等；如图2.2-7所示：2.2 过程通道与接口设计l脉冲量测量接口设计要解决的问题：2、信号的去抖与抗干扰：去抖方法：硬件方法RC滤波、RC滤波+比较器、RC滤波+施 密特触发器等；如图2.2-7所示：2.2 过程通道与接口设计l脉冲量测量接口设计要解决的问题：2、信号的去抖与抗干扰：去抖方法：硬件方法RC滤波、RC滤波+比较器、RC滤波
9、+施 密特触发器等；如图2.2-7所示：2.2 过程通道与接口设计l脉冲量测量接口设计要解决的问题：2、信号的去抖与抗干扰：去抖方法：软件方法单位时间计数+程序判断（依据测量 信号的自身规律特性：量程、变化规律等）3、计数方式选择：硬件计数器外部计数器件、MCU计数器；软计数器利用MCU的I/O接口、中断输入接口由软件利用 查询方式或中断方式软件计数；2.2 过程通道与接口设计l脉冲量测量接口设计要解决的问题：4、输入接口匹配：信号形式：有源电信号、无源信号机械触 点、PNP/NPN式输入。典型匹配接口：如图2.28所示；2.2 过程通道与接口设计l脉冲量测量接口设计要解决的问题：4、输入接口
10、匹配：信号形式：有源电信号、无源信号机械触 点、PNP/NPN式输入。典型匹配接口：如图2.28所示；2.2 过程通道与接口设计l脉冲量测量接口设计要解决的问题：4、输入接口匹配：信号形式：有源电信号、无源信号机械触 点、PNP/NPN式输入。典型匹配接口：如图2.28所示；2.2 过程通道与接口设计l脉冲量测量接口设计要解决的问题：5、MCU/CPU的测量方法：1）定时周期的确定；2）注意解决计数器溢出问题；3）中断式软测量方法要考虑软件去抖和抗干扰问题；4）查询式软测量，查询频率要高于信号频率（2倍以上）；2.2 过程通道与接口设计l 开关量输出接口的控制对象：运行状态控制：外部设备的“起
11、/停”控制、电磁阀、电动执行器、接触器、固态继电器、双向可控硅模块等；PID控制：控制：“时间比例”控制方式的控制输出；如图2.2-9所示：2.2 过程通道与接口设计l开关量输出接口设计中要解决的问题隔离：隔离：光电隔离、继电器隔离；典型电路如图2.2-10所示；2.2 过程通道与接口设计l开关量输出接口设计中要解决的问题驱动：驱动：继电器驱动、固态继电器驱动、双向可控硅驱动；如图2.2-11所示；2.2 过程通道与接口设计l 开关量输出接口设计中要解决的问题抗干扰方法：抗干扰方法：“高速刷新输出锁存器接口”，避免外部电磁干扰 修改锁存器产生实际输出。刷新周期：小于20ms；l 脉冲量输出：电
12、力电子设备的驱动信号、计量信号脉冲输出；l接口设计须解决的问题：隔离、驱动。2.2 过程通道与接口设计l几种电力电子脉冲输出驱动接口：如图2.2-12所示2.2 过程通道与接口设计l几种电力电子脉冲输出驱动接口：如图2.2-12所示2.2 过程通道与接口设计l几种电力电子脉冲输出驱动接口：如图2.2-12所示2.2 过程通道与接口设计l模拟量：经转换便送输入到计算机测量接口的连续变化的电信 号；模拟量测量通道的一般组成：如图2.2-13所示：2.2 过程通道与接口设计l信号调理单元：功能：滤波、钳位、限幅、保护、量程转换；典型电路如图2.2.142.2 过程通道与接口设计l信号调理单元：功能：
13、滤波、钳位、限幅、保护、量程转换；典型电路如图2.2.142.2 过程通道与接口设计l多路转换单元：功能：将待测信号切换到后续测量转换电路中；电路拓扑：如图2.2-15所示：2.2 过程通道与接口设计l多路转换单元：性能参数：信号量程范围、单极性/双极性、导通电阻（RON）、关断电阻（ROFF）、信号的频率范围、通道切换频率；理想的多路开关：RON=0、ROFF=、对信号频率无限制、切换频 率快；典型多路开关器件：CD4051（8-1）、CD4052（双4-1）、CD4067 （16-1）、CD4097（双8-1）、器件如图2.2-16所示：2.2 过程通道与接口设计l多路转换单元：典型多路开
14、关器件：CD4051（8-1）、CD4052（双4-1）、CD4067 （16-1）、CD4097（双8-1）、器件如图2.2-16所示：2.2 过程通道与接口设计l多路转换单元：差动式多路输入及典型电路：如图2.2-17所示：2.2 过程通道与接口设计l放大器放大器/程控放大器单元程控放大器单元：任务:将待测信号的上限放大到A/D的输入上限附近(不要超过A/D 输入信号的上限,否则A/D转化溢出);MUX输入信号量程不统一:MUX后续放大器应为程控放大器;如图2.2-18所示2.2 过程通道与接口设计l放大器放大器/程控放大器单元程控放大器单元：程控放大器的设计：选用程控放大器件、用OP放大
15、器设计；如图2.2-18-1所示2.2 过程通道与接口设计l放大器放大器/程控放大器单元程控放大器单元：MUX输入信号的量程一致:MUX后续放大器可采用OP放大器;如图2.2-19所示2.2 过程通道与接口设计l放大器放大器/程控放大器单元程控放大器单元：MUX输出信号为差动式:后续放大器应选择差动式仪用放大器;为消除MUX模拟开关RON的影响:后续放大器应为“高阻”放大器;如图2.2-20所示2.2 过程通道与接口设计l采样保持器采样保持器：任务任务:将输入信号F(t)在采样时刻采集并保持F(KT)，以保障 A/D转换任务的稳定执行；器件：器件：采样保持器，其间原理如图2.2-21所示；(目
16、前A/D器件、MCU中的A/D转换环节已将采样保持器内置)；2.2 过程通道与接口设计l采样保持器采样保持器：任务任务:将输入信号F(t)在采样时刻采集并保持F(KT)，以保障 A/D转换任务的稳定执行；器件：器件：采样保持器，其间原理如图2.2-21所示；(目前A/D器件、MCU中的A/D转换环节已将采样保持器内置)；2.2 过程通道与接口设计2.2 过程通道与接口设计2.2 过程通道与接口设计lA/D转换器原理转换器原理：4位D/A转换器原理，如图2.2-22所示:2.2 过程通道与接口设计lA/D转换器原理转换器原理：8位“计数比较式A/D”原理，如图2.2-23所示:2.2 过程通道与
17、接口设计lA/D转换器原理转换器原理：8位逐次逼近式A/D原理、如图2.2-24所示:2.2 过程通道与接口设计lA/D转换器原理转换器原理：双积分式A/D原理，如图2.2-25所示:2.2 过程通道与接口设计l采样测量控制逻辑单元采样测量控制逻辑单元：任务：任务：协同软件实现MCU对模拟量输入通道的数据采集任务；具 体包括多路开关的切换控制、程控放大器的放大增益 控制、采样控制（外置采样保持器）、外置A/D的启动等。模拟信号测量通道的隔离输入输出两端信号成线性比例变化 关系、没有电气连接；2.2 过程通道与接口设计l在模拟信号端隔离在模拟信号端隔离：隔离元件：隔离放大器、线性光耦；如图2.2
18、-26所示；2.2 过程通道与接口设计l在模拟信号端隔离在模拟信号端隔离：隔离元件：隔离放大器、线性光耦；如图2.2-26所示；2.2 过程通道与接口设计l在模拟信号端隔离在模拟信号端隔离：隔离系统框图如图2.2-27所示；2.2 过程通道与接口设计l在数字信号端隔离在数字信号端隔离：隔离元件：数字光耦（高速光耦）；并行输出A/D的隔离方式如图2.2-28所示；2.2 过程通道与接口设计l在数字信号端隔离在数字信号端隔离：串行输出A/D的隔离方式如图2.2-29所示；2.2 过程通道与接口设计标准4-20MA变送器信号的多路采集；如图2.2-30所示；2.2 过程通道与接口设计多路热电偶信号的
19、数据采集，如图2.2-31 所示；2.2 过程通道与接口设计多路热电阻信号的数据采集，如图2.2-32所示;2.2 过程通道与接口设计l 模拟保持用S/H（采样保持器）保持输出；l 数字保持用D/A锁存器保持输出。2.2 过程通道与接口设计1模拟保持式多路模拟量输出。如图2.2-33所示：图2.2-332.2 过程通道与接口设计2数字保持式多路模拟量输出。如图2.2-34所示：图2.2-342.2 过程通道与接口设计1在数字信号端隔离。如图2.2-35所示：图2.2-352.2 过程通道与接口设计2在模拟信号端隔离。如图2.2-36所示：图2.2-362.2 过程通道与接口设计如图2.2-37
20、所示：图2.2-372.2 过程通道与接口设计如图2.2-38所示：2.2 过程通道与接口设计目的：提高系统的可靠性。方案一，手自动无扰动负荷控制。如图2.2-39所示：2.2 过程通道与接口设计2方案二，冗余式AO输出。如图2.2-40所示：图2.2-40 2.3 测控指标与过程通道硬件设计l 针对过程通道接口设计与元器件选择；1数字量输入接口l 光耦的频率特性;l RC滤波对快速“开关变位”的影响，如图2.3-1所示；l RC滤波器的介质频率：f=1/(2aRC)光耦的限流电阻设计：I取值5-10毫安，记为f(x)=IC IC=（UA-1.6V）/R R=（UA-1.6V）/IC2.3 测
21、控指标与过程通道硬件设计lRC滤波对快速“开关变位”的影响，如图2.3-1所示；2.3 测控指标与过程通道硬件设计2模拟量输入接口l 模拟量测量通道的采样频率取决于A/D器件的特性完 成A/D转换所需的时间，或用A/D的采样频率来表示；l多路模拟量测量通道设计中的A/D参数选取（T为计算机 控制系统的采样周期，N为模拟量测量通道数量）：NT2.3 测控指标与过程通道硬件设计通常只针对模拟量测量通道影响模拟量通道测量精度的因素：l 通道中模拟电路器件所产生的“温度漂移”、器件老化对 输出的影响；l 测量放大对信号源共模电压的消除能力；l A/D基准源的稳定性；l A/D的分辨率；2.3 测控指标
22、与过程通道硬件设计措施：l MUX后接高输入阻抗放大器；l 采用高CMMR差动式放大器；l 采用低漂移测量放大器；l A/D器件采用高稳定性基准电源；l 采用高分辨率A/D器件提高测量精度；l 理论上的测量精度与A/D分辨率N：1/(2N-1)测量精度；l 举例：设计模拟量测量精度为0.1%，根据上式有：N10;2.3 测控指标与过程通道硬件设计防器件防器件损伤：损伤：1.防外部直接传导性大幅值电信号冲击 数字量输入输出接口、模拟量输入输出接口光电隔离；2模拟量输入：信号调理措施；防数据错误防数据错误：1.DI/PI输入的区抖动处理（软件、硬件两方面）；2.DO输出的“高速刷新输出I/O”措施
23、；3.模拟量输入通道的信号滤波（软件、硬件两方面）；2.3 测控指标与过程通道硬件设计不同的计算机测控领域涉及不同的测量计算方法，对测控电路不同的计算机测控领域涉及不同的测量计算方法，对测控电路有相应设计约束。有相应设计约束。举例举例1：电力测控装置的信号测量基础高速交流采样测量 计算方法计算方法：“基于交流采样的电力参数计算方法”设计约束设计约束：高速采样、电器隔离、测量方法高速同步、交流采样；模拟量测量通道设计：隔离式多通道同步高速采 样（6通道同步采样）；2.3 测控指标与过程通道硬件设计举例举例2：桥梁振动测试与故障诊断诊断方法要求诊断方法要求：多通道高速 同步采样；举例举例3：声波测
24、井的声信号测量 弱信号检测高精度、低噪声、高分标率；举例举例4：“射频导纳”法液位测量 相敏检波测量电路的模拟量测量通道设计+“射频导纳”测量计算方法；2.3 测控指标与过程通道硬件设计许多计算机测控装置的测量方法要求计算机测控系统的接口许多计算机测控装置的测量方法要求计算机测控系统的接口电路协同工作才能保障测控工作的完成。电路协同工作才能保障测控工作的完成。举例举例1：“扫频式消弧线圈”自动调节装置 外加扫频源测量“脱谐度”（MCU的SPWM接口输 出），同步由AI输入接口测量Uf的峰值频率点；接口设计接口设计：AI隔离式高速、高精度 采样；与PO接口SPWM输出协同工作；2.3 测控指标与
25、过程通道硬件设计许多计算机测控装置的测量方法要求计算机测控系统的接口许多计算机测控装置的测量方法要求计算机测控系统的接口电路协同工作才能保障测控工作的完成。电路协同工作才能保障测控工作的完成。举例举例2：“管网测漏”上下游测量电信号的分布式同步测量测量方法测量方法：天文时钟授时同步测量 GPS模块MCU的UART；压力、复合声波信号同步测量；2.4 计算机测控网络标准的标准的RS-232接口：接口：美国电工联盟EIA标准，有DB-25、DB-9两种连接器方式；1.引脚及功能DB9左上角为1，右下角为91 DCD 载波检测 2 RXD 接收数据 3 TXD 发送数据4 DTR 数据终端准备好 5
26、 SGND信号地线 6 DSR数据准备好 7 RTS 请求发送8 CTS 清除发送 9 RI 振铃提示2.4 计算机测控网络标准的标准的RS-232接口：接口：美国电工联盟EIA标准，有DB-25、DB-9两种连接器方式；1.引脚及功能DB251 屏蔽地线2 TXD 发送数据3 RXD 接收数据4 RTS 请求发送5 CTS 允许发送6 DSR 数据准备好7 SG 信号地8 DCD 载波检测9 发送返回(+)10 未定义2.4 计算机测控网络标准的标准的RS-232接口：接口：美国电工联盟EIA标准，有DB-25、DB-9两种连接器方式；1.引脚及功能DB2511 数据发送(-)1217 未定
27、义18 数据接收(+)19 未定义20 数据终端准备好 DTR21 未定义22 振铃 RI2324 未定义25 接收返回(-)标准的细节2.4 计算机测控网络2.接口电平接口电平标准标准DB25RS232接口任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”为-3-15V；逻辑“0”：+3+15V，噪声容限为2V。即要求接收器能识别高于+3V的信号作为逻辑“0”，低于-3V的信号作为逻辑“1”。3.RS-232接口器件；接口器件；“古代典型器件”MC1488、MC14892.4 计算机测控网络4.波特率波特率1200、2400、4800、9600、19200。115200比特/s5.“异步串行
28、通讯异步串行通讯”数据帧数据帧“起始位+7/8位数据+奇偶校验位+结束位”6.“异步串行异步串行”数据通讯的数据校验方式数据通讯的数据校验方式帧校验：帧校验：奇校验、偶校验、无校验；数据包校验：数据包校验：和校验、CRC校验；7.工作模式工作模式单工、半双工、全双工；2.4 计算机测控网络MCU 的的UART接口：接口：1.UART接口接口TXD（发射）、RXD（接收）；2.UART的驱动与应用设计的驱动与应用设计设计成简版RS-232接口、RS-422接口、肉丝85接口；2.4 计算机测控网络2.4 计算机测控网络2.4 计算机测控网络l 基于RS-485接口 MODBUS 协议；l 基于R
29、S-485接口 PROFIBUS协议；l CAN-BUS（连路层协议、应用层协议）；l LONWORKl HARTl FF基金会总线；2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协议；1.基本报文结构；一般格式命令帧从站地址功能码数据长度数据校验和2.主站与从站：“主站”轮询“从站”；2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协议；3.总线支持能力驱动器：32个/64个；协议：支持最多247个；4.“询问”与“应答”2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协议；5.常用预定义“功能码”功能 名称 作用（对主站而言）01 读取开出状态 取得一组开关量输出的当前状态 02 读取开入状态
30、 取得一组开关量输入的当前状态 03 读取模出状态 取得一组模拟量输出的当前状态 04 读取模入状态 取得一组模拟量输入的当前状态 05 强制单路开出 强制设定某个开关量输出的值 06 强制单路模出 强制设定某个模拟量输出的值 07 读取异常状态 取得从站的一些状态（8位）08 回送诊断校验 把诊断校验报文送从站，以对通讯处理进行评鉴2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协议；5.常用预定义“功能码”功能 名称 作用（对主站而言）09 编程 主机模拟编程器的作用，修改从站逻辑 10 探询 定期探询从站是否已完成某长程序任务 11 读取事件计数 取得通讯状态和通讯事件的次数 12 读取通
31、讯事件记录 取得通讯状态、事件次数、报文数量和至多64事件 13 编程 主机模拟编程器的作用，修改从站逻辑 14 探询 定期探询从站是否已完成某长程序任务 15 强制多路开出 强制设定从站几个开关量输出的值 16 强制多路模出 强制设定从站几个模拟量输出的值2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协议；5.常用预定义“功能码”功能 名称 作用（对主站而言）17 报告从站标识 取得从站类型和运行指示灯的状态 18 编程 主机模拟编程器的作用，修改从站逻辑 19 重置通讯链路 使从站复位于已知状态 20-72 保留 留作扩展功能备用 73-119 非法功能 120-127 保留 留作内部使用
32、 128-255 保留 用作异常应答2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协议；5.常用预定义“功能码”读取开出状态（功能码 01）：本功能可使主站获得被编址从站的开关量输出的通断状态。询问询问 RTU RTU 帧帧：从站地址 功能码 起始地址 起始地址 数据线圈 数据线圈 校验和 高位 低位 数高位 数低位 CRC 11H 01H 00H 13H 00H 25H 0EH 84H应答应答 RTU RTU 帧：帧：从站地址 功能码 字节计数 数据 校验和 CRC 11H 01H 05H CDH 6BH B2H 0EH 1BH 45H E6H2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协
33、议；5.常用预定义“功能码”读取开关量入状态（功能码 02）：本功能可使主站获得被编址从站的开关量输入的通断状态。以下例子是读取 17 号从站开关量输入0197-0218 的状态，读出的 22 位组成 3 个字节，最后一个字节的高 2 位补 0。询问询问 RTU RTU 帧帧：从站地址 功能码 起始地址 起始地址 数据线圈 数据线圈 校验和 高位 低位 数高位 数低位 CRC 11H 02H C4H 00H 16H 25H BAH A9H2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协议；5.常用预定义“功能码”读取开关量入状态（功能码 02）：本功能可使主站获得被编址从站的开关量输入的通断状
34、态。以下例子是读取 17 号从站开关量输入0197-0218 的状态，读出的 22 位组成 3 个字节，最后一个字节的高 2 位补 0。应答应答 RTU RTU 帧帧从站地址 功能码 字节计数 数据 校验和 CRC 11H 02H 03H ACH DBH 35H 20H 18H 2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协议；5.常用预定义“功能码”读取模拟量出值（功能码 03）：本功能可使主站获得被编址从站的模拟量输出的通断状态。以下例子是读取 17 号从站模出点 0108-0110 的状态。应答数据高字节在前。108是 555，109 是 0，110 是 100。询问询问 RTU RT
35、U 帧帧：从站地址 功能码 起始地址 起始地址 数据线圈 数据线圈 校验和 高位 低位 数高位 数低位 CRC 11H 03H 00H 6BH 00H 03H 76H 87H2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协议；5.常用预定义“功能码”读取模拟量出值（功能码 03）：本功能可使主站获得被编址从站的模拟量输出的通断状态。以下例子是读取 17 号从站模出点 0108-0110 的状态。应答数据高字节在前。108是 555，109 是 0，110 是 100。应答应答 RTU RTU 帧帧从站地址 功能码 字节计数 数据 校验和 CRC 11H 03H 06H 02H 2BH 00H
36、00H 00H 64H CBH BAH2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协议；5.常用预定义“功能码”读取模拟量输入值（功能码 04）：本功能可使主站获得被编址从站的模拟量输入值（每路模拟量 2 个字节，高位在前，低位在后）。应答帧中的数据是按上述要求读取的模拟量数据。以下例子是读取 17 号节点的模入点 0108-0110 的状态。应答数据高字节在前。108是 555，109 是 0，110 是 100。从站地址 功能码 起始地址 起始地址 数据线圈 数据线圈 校验和 高位 低位 数高位 数低位 CRC 11H 04H 00H 6BH 00H 03H C3H 47H询问询问 RT
37、U RTU 帧帧：2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协议；5.常用预定义“功能码”读取模拟量输入值（功能码 04）：本功能可使主站获得被编址从站的模拟量输入值（每路模拟量 2 个字节，高位在前，低位在后）。应答帧中的数据是按上述要求读取的模拟量数据。以下例子是读取 17 号节点的模入点 0108-0110 的状态。应答数据高字节在前。108是 555，109 是 0，110 是 100。应答应答 RTU RTU 帧帧从站地址 功能码 字节计数 数据 校验和 CRC 11H 04H 06H 02H 2BH 00H 00H 00H 64H 5C 89H2.4 计算机测控网络l MODB
38、US RTU协议；5.常用预定义“功能码”强制单路开关量输出（功能码 05）：本功能可使主站强行设定被编址从站某路开关量输出的通断状态。数据用于设定开或关：FF 为开，0 为关，其他值为非法值。正常应答是将报文原文发回。从站地址为 0 时，为广播方式。以下例子是强制 17 号从站开出点 173 为 ON。询问询问 RTU RTU 帧帧：从站地址 功能码 起始地址 起始地址 数据线圈 数据线圈 校验和 高位 低位 数高位 数低位 CRC 11H 05H 00H ACH FFH 00H 4EH 8BH2.4 计算机测控网络l MODBUS RTU协议；5.常用预定义“功能码”强制单路开关量输出（功
39、能码 05）：本功能可使主站强行设定被编址从站某路开关量输出的通断状态。数据用于设定开或关：FF 为开，0 为关，其他值为非法值。正常应答是将报文原文发回。从站地址为 0 时，为广播方式。以下例子是强制 17 号从站开出点 173 为 ON。应答应答 RTU RTU 帧帧从站地址 功能码 字节计数 数据 校验和 CRC 11H 04H 06H 02H 2BH 00H 00H 00H 64H 5C 89H2.4 计算机测控网络 “Controller Area Network”，即控制器局域网，由德国Bosch 公司最先提出，已成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用
40、）。CAN是一种多主方式的串行通讯总线，CAN的规范定义了OSI模型的最下面两层：数据链路层和物理层。CAN 协议有2.0A和2.0B两个版本，CAN协议的2.0A版本规定CAN控制器必须有一个11位的标志符，在2.0B版本中规定CAN控制器的标志符长度可以是11位或29位。2.4 计算机测控网络1CAN总线驱动与参总线总线驱动与参总线特点特点 l 总线状态：“隐性”逻辑“1”；“显性”逻辑“0”；l 电平标准：显性状态：CAN_HIGH线与CAN_LOW线上的电压差为0V；隐性状态：CAN_HIGH线与CAN_LOW线上的电压差最低为2V；2.4 计算机测控网络1CAN总线驱动与参总线总线驱
41、动与参总线特点特点 l 多主模式：CAN可以实现多种模式主要基于完善的总线仲裁机制，因为总线允许多节点同时发送，同时接收数据；而传统的ModBus RTU等协议总线在某一时刻只能有一个节点发送数据不同，若同时有两个节点发送数据，则会造成总线逻辑电平错误而导致两个节点发送全部失败。2.4 计算机测控网络1CAN总线驱动与参总线总线驱动与参总线特点特点 l CAN总线的冲突解决机制：CAN总线采用的是一种叫做“载波监测，多路访问冲突检测”（CSMACA）的通信模式。数据节点侦听总线忙/闲数据发送侦听比较判断冲突；“冲突处理”地址最小的节点等待时间最短后重发数据；2.4 计算机测控网络1CAN总线驱
42、动与参总线总线驱动与参总线特点特点 l 短帧报文：以PCCAN 协议B为例。PCCAN协议是基于CAN总线的应用层协议，是简单的应用层协议，支持功能及优点如下：i.是通用协议；ii.基于对称性多主网络结构，支持广播和点对点传送命令数据；iii.命令数据包可长达256字节；iv.以CAN2.0A数据帧为基础；2.4 计算机测控网络 下表是PCCAN协议B的帧报文格式，由11位ID、1位RTR、4位DLC、数据区（最多8个字节）组成。2.4 计算机测控网络 PRI：保留位（可做优先级位）。通常，保留位设置为 1。保留位亦可作为优先级位,这时1为低优先级0为高优先级，而剩余的优先级由源地址决定，低地
43、址优先级高。该保留功能可有效支持紧急信息传送，如报警等。Source address：源地址，标志发送数据的节点地址，范围只能设定为0125。TYPE：帧类型。见下表的帧类型说明。2.4 计算机测控网络TYPE：帧类型。见下表的帧类型说明。2.4 计算机测控网络l DLC：每帧字节数（18字节）。l Destination address：目标地址，表示接收数据的节点 地址，范围只能设定0125。l Index：索引字节。对于单帧数据，该字节表示传输数 据的第一个字节；对于多帧数据，此字节表示索引字节，即此帧数据在数据包中的位置。lData：数据。基于此协议，可以实现点对点通讯或者广播通讯，若
44、此协议不能满足应用，仍然可以在数据域继续定义自己的协议；数据可以主动上传或者轮询方式。2.4 计算机测控网络2CAN总线接口总线接口 目前，CAN总线控制器基本全部集成在MCU芯片内部，CAN接口只需外扩一个物理层收发芯片即可，见下图：图4.15 CAN总线通信接口电路2.4 计算机测控网络l CAN总线：为差分接收、差分发送，故由两根线CANH 和CANL构成CAN总线；为防止总线的高频 干扰，可以在CANH、CANL和地之间分别 并接一个小电容，用于旁路高频干扰；CAN 总线收发均通过光耦进行隔离。l总线匹配电阻：R1，一般取值120欧姆，用于防止在总 线终点发生反射；2.4 计算机测控网
45、络 工业以太网的通信协议除了现场总线应用行规国际标准IEC 61784-1中包含的HSE、Ethernet/IP、Profinet之外，还包括EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Vnet/IP、TCnet、Modbus/IDA等6个新的提案。HSE定位于实现控制网络与互联网Internet的集成；lHSE是现场总线基金会在据弃了原有高速总线H2之后的新作；lHSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的ERP和管理系统。2.4 计算机测控网络HSE定位于实现控制网络与互联网Internet的集成；lHSE在低四层直接采用以太网+TCP/IP；l在
46、应用层和用户层直接采用FF H1的应用层服务和功能块应用进程规范；由Siemens 开发并由Profibus International支持，有3个版本；2.4 计算机测控网络 第一个版本：定义了基于TCP/UDP/IP的自动化组件。采用标准TCP/IP+以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备（proxy）连接到Profinet网络当中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在Profinet中使用。2.4 计算机测
47、控网络 第二个版本：Profinet在以太网上开辟了两个通道：标准的使用TCP/IP协议的非实时通信通道；另一个是实时通道，旁路第三层和第四层，提供精确通信能力。该协议减少了数据长度，以减小通信栈的吞吐量。为优化通信功能，Profinet根据IEEE 802.p定义了报文的优先级。最多可用7级。2.4 计算机测控网络 第二个版本：Profinet在以太网上开辟了两个通道：标准的使用TCP/IP协议的非实时通信通道；另一个是实时通道，旁路第三层和第四层，提供精确通信能力。该协议减少了数据长度，以减小通信栈的吞吐量。为优化通信功能，Profinet根据IEEE 802.p定义了报文的优先级。最多可
48、用7级。Profinet第三版：采用了硬件方案以缩小基于软件的通道，以进一步缩短通信栈软件的处理时间。为连接到集成的以太网交换机，Profinet第三版还开始解决基于IEEE 1588同步数据传输的运动控制解决方案。2.4 计算机测控网络 第二个版本：Profinet在以太网上开辟了两个通道：标准的使用TCP/IP协议的非实时通信通道；另一个是实时通道，旁路第三层和第四层，提供精确通信能力。该协议减少了数据长度，以减小通信栈的吞吐量。为优化通信功能，Profinet根据IEEE 802.p定义了报文的优先级。最多可用7级。Profinet第三版：采用了硬件方案以缩小基于软件的通道，以进一步缩短
49、通信栈软件的处理时间。为连接到集成的以太网交换机，Profinet第三版还开始解决基于IEEE 1588同步数据传输的运动控制解决方案。2.4 计算机测控网络Ethernet/IP（Ethernet/Industrial Protocol，以太网工业协议）。l由ROCKWELL定义，并由ODVA和ControlNet International 支持；l采用星形拓扑结构，利用以太网交换机实现各设备间的点对 点连接，能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商业产品。l由IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控 制与信息协议CIP（Control Informatio
50、n Protocol）等三个部 分组成，前面两部分为标准以太网技术，其特色就是被称作 控制和信息协议的CIP部分。2.4 计算机测控网络Ethernet/IP（Ethernet/Industrial Protocol，以太网工业协议）。lEthernet/IP为了提高设备间的互操作性，采用了ControlNet和 Devicenet控制网络中相同的CIP。CIP一方面提供实时I/O通 信，一方面实现信息的对等传输，其控制部分用来实现实时 I/O通信，信息部分则用来实现非实时的信息交换。2.4 计算机测控网络EtherCAT（Ethernet for Control Automation Tec
