2022年2022年计算机接口技术及应用 .pdf

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1、1计算机接口技术及应用讲义第9讲 控制网络技术(2)现场总线本讲主要内容控制网络相关的标准EIA-RS232,EIA-485,Device Net(CAN),HART,ASi,ProfiBus,Foundation Fieldbus,ModBus,ModBus plus,ModBus/TCP如何选择最合适的控制网络?考虑以下条件物理层的限制数据帧传输延迟(确定性延迟和随机延迟)数据帧利用率(用户数据长度比数据帧长度)成本也是重要因素控制网络相关的术语RS232RS485/422CANModBusTCP/IPProfiBus先进控制网络现场总线(Field Bus)(注:据不完全统计,超过 20

2、0种)物理层标准(Standard),无线,有线,光纤,调制,编码令牌(Token),令牌环(Token-Ring),主-从轮询,多主协议(Protocol)标准,等等?您还听说哪些与网络有关的术语?它们分别什么意义?控制网络相关的标准?下面这些术语都分别表示控制网络的一种标准RS232Device NetCANHART4-20mA loopEIA-232RS485RS422ModBusModBus plusModBus/TCPTCP/IPCableRadio and WirelessFiber OpticsProfiBusFoundation FieldbusASiIndustrial Et

3、hernet按照 OSI 模型，可以把这些标准的简单分类！(控制网络标准 1)RS232标准RS232的历史历史1969年,“EIA-232标准”由 EIA(美国电子工业联合会)提出1988年,用现在“RS232接口标准”代替EIA-2321991年,被写入 ISO 2110众所周知,EIA-232 是为连接 DTE(PC)和DCE(Modem)特点:EIA仅详细定义了电气标准和连接器机械标准(OSI的第 1层),无具体的协议定义DB25 ConnectorDB9 Connector123456782022123456782022Chassis GNDTransmit Data(TxD)Rec

4、eived Data(RxD)Request To Send(RTS)ClearTo Send(CTS)Data Set Ready(DSR)Signal GNDData Carrier Detect(DCD)Data Terminal Ready(DTR)Ring Indicator(RI)DTE(Computer)DCE(Modem)123456789123456789Chassis GNDReceived Data(RxD)Transmit Data(TxD)Data Terminal Ready(DTR)Signal GNDData Set Ready(DSR)Request To S

5、end(RTS)ClearTo Send(CTS)Ring Indicator(RI)DTE(Computer)DCE(Modem)“DTE 和DCE对”之间数据传输过程名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 9 页 -2RS232的特点和应用至今仍广泛用于 DTE 之间“零/无调制”方式传送数据采用 NRZ编码方式,异步传输局限(Limitations)限于 Peer-to-Peer,而且 DTE必须具有”智能芯”(smart chip,microcontroller)在中速(如19.2Kbps),DTE 之间距离小于 15m逻辑电平电压(“1”:-10V,“0”:+1

6、0V)不兼容 TTL 电平电压(“1”:+5V,“0”:0V)总结:RS232 仅规定电气和连接标准,无协议规定,它仅是一种接口而不是现场总线(控制网络标准 2)RS485(/422)标准EIA-485 也是由 EIA 提出,用来替代 EIA-232 实现远距离传输,定义两种标准采用双绞线连接,半双工:EIA-485(允许多主或主-从)采用一对双绞线连接,全双工:EIA-422(仅支持主-从)采用 NRZ编码方式,异步传输,差分驱动和接收EIA 仅详细定义了电气标准,无专用连接器同RS232一样,也称为 RS485和RS422典型的 RS485网络示例典型的 RS422网络示例采用RS485的

7、控制网络示例?下图是采用 RS485标准(半双工)的多主或主-从控制网络TxDRxDT/RTTLRS485 TransceiverABRtTxDRxDT/RTTLRS485 TransceiverABR t重要的物理层标准这种半双工控制网络广泛应用于计算机控制系统!TxDRxDT/RTTLRS485 TransceiverTxDRxDT/RTTLRS485 Transceiver理论上仅支持32 个节点互联采用RS422的控制网络示例?下图是采用 RS422标准(全双工)的主-从控制网络TxDRxDTTLRS422 TransceiverRtRtRxDTxDTTLRS422 Transceiv

8、erRtRtSlaveMasterTxDRxDTTLRS422 TransceiverSlaveTxDRxDTTLRS422 TransceiverSlaveMaster 是主站(主要控制信息和指令)Slaves是从站(控制和信息采集节点)安装RS485控制网络的考虑(1)终端匹配电阻,防止信号反射(2)空闲状态(线路处于高阻态),容易感染噪声,应接偏置电阻允许使用中继器延长距离(理论上可以采用多个中继器),组成星状拓扑,但注意终端匹配电阻的合理使用,以及远距离信号传输的延迟,必须有协议支持总结:RS485/422 标准仅是 RS232的替代,不是真正意义的现场总线(控制网络标准 3)Devi

9、ceNet和CANDeviceNet的历史由Allen Bradlley公司根据 Bosch(德国)公司的 CAN 标准提出由ODVA(Open DeviceNet Vendor Association)组织负责相互兼容目的是面向设备级互联,以及设备网络与上层控制器网络连接兼容 OSI模型,消息帧中允许传送08Bytes 的应用数据DeviceNet的特点无中继器情况下支持 64个节点,三层模型(即OSI的第 7层/应用层,第 2层/链路层,第 1层/物理层)支持多主或主-从轮巡(polling)模式采用冲突检测的载波监听多点访问(CSMA/CD)机制优化的短消息帧,而且,每个消息被指定的优先

10、级(Identifier)用于传送权仲裁与CAN 的区别:细化 CAN 的协议,用抽象的对象模型使设备能够开放互联和兼容CAN 有关的CAN:Controller Area Network,1982年提出,1993 成为国际标准(ISO 11898)Specification:Part A and Part B,see:http:/www.semiconductors.bosch.de名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 9 页 -3DeviceNet模型和消息帧格式DeviceNet ModelvsOSI ModelFormat of Message frame of

11、 DeviceNet 共44+8n+3BitsDeviceNet的物理标准多端口分线器PowerSupply(DC24V,8A)DeviceNet的信号标准DeviceNet和 CAN 具有相同的信号标准采用 NRZ编码方式,15位 CRC检验采用差分方式传送位流:CAN_H 信号电压范围:2.5V4.0V,CAN_L信号电压范围:2.5V1.5V每帧的位流大小:44(id)+8n+3(slot)Bits(见前页的消息帧格式)采用起始位和停止位同步传送的位流波特率支持：10K1M baudV-CAN_HCAN_LCAN_HCAN_L3.5V1.5V2.5VAccording to ISO 11

12、898When Node Disconnected,CAN_L and CAN_H =2.5V(0V Difference).If or not,CAN_L=1.5V and CAN_H=3.5V(2V Difference).DeviceNet 仲裁示意等价的总线驱动VccVcc总结:DeviceNet 和CAN 标准都是真正意义的低速、短信息帧的现场总线(控制网络标准 4)HART标准HART(highway addressable remote transducer)的历史1980s由Rosemount公司提出,是传感器应用领域最早的标准采用 FSK,数字信号被混合在4-20mA 的模拟

13、信号传输电路中领域:智能仪表和变送器,传感器标定,增益调节,过程控制等“可寻址远程变送器高速通道”标准见http:/www.hartcomm.org特点用FSK调制方法表示数字信号(注:一般工作过程的模拟信号频率为10Hz),按Bell 202 通信调制标准:逻辑“1”:1200Hz;逻辑“0”:2200Hz调制的正弦波峰值电流0.5mA,峰值电压 0.5V支持点到点(主-从或猝发传输)或分支拓扑(仅主-从)数据流采用面向字节形式NRZ编码,1.219.2K baud主-从模式支持两个Host,最大 16个节点,3000m 内(1.2K baud 时)采用双绞电缆连接,信号(模拟和数字)和电源

14、共用此电缆4-20mA电流环和 HART4-20mA 电流环(模拟信号)4-20mA 电流环中增加 HART(混合信号)HART 信号的表示和提取(物理层)信号的提取StartStopParityOne ByteData Byte信号的表示字节传输过程100名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 9 页 -4HART 的模型和应用HART model vs OSI modelHART Network总结:HART 标准是一种低成本的现场总线(主要用在传感器网络)520Bytes(full FFH)(1Byte)Long or short(1Byte)(1Byte)(2By

15、tes)(0-25Bytes)(1Byte)(控制网络标准 5)ASi标准ASi(Actuator Sensor interface)1994年由 11个厂商提出,制造主机的周边设备网,简化电缆束为“黄线”由ASO(ASi Trade Organization)负责产品兼容性(http:/www.as-)应用领域:制造领域的数字传感器和执行器,模块化 I/O等执行过的版本:2.0,2.1(A/B slave,2002 年开始),3.0(2004 年开始)ASi的特点执行 OSI的三层模型(Layer 1,2,and 7)物理层采用一对(平行)电缆,它们同时作为数据线和电源线使用采用 APM(A

16、lternate Pulse Modulation)方式,Manchester 编码数据帧是面向位的(位流),传输速率 167kb/s最大 31个节点(5Bits地址码),可以采用星,树,总线等任意拓扑总供电电源 30V2A10A,要求 65mA/node节点访问方式:周期性轮询,5ms/cylical pollingASi的物理层(Layer 1)ASi model vs OSI modelCoding and modulation of bit stream in the ASi传输模型3层模型,物理层:两平行线,调制方式:APM黄线黄线线束 1 线束 2ASi的数据链路层(Layer 2

17、)?One bit stream:Master Call(14Bits),Slave Response(7Bits)0CBA4A3A2A1A0I4I3I2I1I0PB10I3I2I1I0PB1Master CallSlave ResponseWaitSmaller than 153 sStartbitCl bi5bits address code5bits informationStopbitStartbitStopbitControl bit:“1”:command“0”:data/param./add.Even parity bit4bits informationEven parity

18、bit00A4A3A2A1A00D3D2D1D0PB1Data00A4A3A2A1A01P3P2P1P0PB1Parameter0000000A4A3A2A1A0PB1Address01A4A3A2A1A000000PB1Reset Com.01A4A3A2A1A010000PB1Read I/O C.CallEx.Master 如何通过Asi 获取 Slave上更多的信息？See next example通过ASi获取16位数据?自ASi Ver 2.1 开始,通过组合传输(combined transactions)支持多位数据获取PollingAD13AD14AD15010112Ch0C

19、h1Ch2111101D0D1D2D3D0D1D2D3Information bits of Slave responseInformation bits of Master CallorderVOAD0100007AD1AD2AD3010016AD4AD5AD6101005AD7AD8AD9011014AD10AD11AD12100103以一个 16 位分辨率的多通道模拟输入模块为例:AD0AD15(LSBMSB)表示 ADC 的16位值,Ch2Ch0 为其模拟通道编号,O=Overflow,V=Valid Bit,“1”is valide.(通过组合传输技术获取16位数据需要 7个 ASi

20、轮询周期,即35ms)ASi的应用总结:Asi标准是一种低成本的现场总线,一般作为控制网络(如ProfiBus)的子网From:食品生产设备中的应用名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 9 页 -5(控制网络标准 6)ProfiBusProfiBus(Process Fieldbus)的历史1989年由德联邦研究与技术部联合几个自动化产品制造企业提出ProfiBus 是目前最广泛的一种高性能现场总线,欧洲几乎是通用的由 ProfiBus Trade Origination负责兼容性()特点物理层是基于RS485和欧洲 EN50170 电气标准,速度 9.6K12M ba

21、ud分三种标准的协议版本ProfiBus FMS(Fieldbus Message Specification),多主(多从交叉隶属多主),通用自动化Profibus DP(Distributed Periphery),多主(多从隶属单个主机),工厂自动化ProfiBus PA(Process Automation),按 IEC1158-2,双绞线作为数据和电源线使用节点访问控制方式:令牌通过协议(Token Passing protocol)遵循 OSI 模型的第 1,2和7层,并在它们之上增加用户层(user layer)接口硬件采用ASIC 执行协议ProfiBus FMS,DP,PA的

22、模型各种ProfiBus产品的层次关系FMS 和 DP可以组合在一个网络内(称“Combi Mode”),在这种模式下,DP与取Slave 之间的数据用FMS 的消息方式传送,PA和DP或 FMS 之间需要网关.ProfiBus FMS和DP的物理层(Layer 1)符合 EIA-485(前面已经详细介绍)和 EN50170 标准采用双绞线或光纤介质考虑中继器和光纤的应用,最大传输距离为24Km(协议允许远距离传输时数据包的延迟)无中继器时,采用双绞线介质,可靠传输的 baud和距离9.6Kbps19.2Kbps93.75Kbps187.5Kbps500Kbps1.5Mbps12Mbpsppp

23、pppp1.2Km1.2Km1.2Km0.6Km200m200m100m当使用 32个 Slave站共 512个I/O 点时,更新周期与 baud6 mS at 1.5 Mbps2 mS at 12 MbpsProfiBus FMS和DP的链路层(Layer2)表示信息关系主站之间采用令牌环主动(Active)站被动站Passive*Token bus operation基于“令牌总线操作”的数据交换是如何进行的?Token传递和数据交换(在ProfiBus中)基于 Token bus operation 的ProfiBus 是一种确定性网络,即数据包的最大延迟是确定的(而CAN 却不是!)P

24、rofiBus DP 将网络上的节点分两类:主动(Master)的和被动(Passive)的数据交换过程简述为(?令牌持有者请求被动节点,进而得到应答)Idle node令牌仅在主动节点之间传递Token holderIdle node名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 9 页 -6ProfiBus的基本数据帧格式总结:ProfiBus 标准是一种广泛应用的高性能现场总线(控制网络标准 7)Foundation FieldbusFoundation Fieldbus(FF)的历史1992年,“Interoperable System Project”组和法国“Fact

25、ory Instrumentation Protocol”组织分别建立危险环境的现场总线标准是FF的雏形1994年,各种原因(尤其是 ProfiBus PA 已经在欧洲通用)使得 ISP和 FIP北美部合作,创建一个统一的适合危险环境的现场总线标准,即FF.1998 年第 1个产品出现由Fieldbus Foundation 负责兼容性(www.fieldbus.org)特点支持信号(模拟和数字)和电源共用同一电缆(与HART,ProfiBus PA相似)物理层是遵循 IEC 61158-2,分为低速版(记为 H1,速度为 31.25Kbps)和高速版(记为 HSE,基于 Ethernet)H

26、1采用“Manchester Bi-phase L”编码方案(编码规则见下页),位同步传输遵循 OSI模型的第 1,2和 7层,并在它们之上增加用户层(user layer)(同ProfiBus 相似)H1使用的编码方案和规则编码规则表和示意图FF的模型?尽管有 H1和 HSE两种版本,但是 Layer 7 and User 是相同的H1 and HSEH1 or HSEH1 or HSEFF的物理层(Layer 1)H1完全支持 IEC Fieldbus 规范(不支持该规范的H2 高速,1M2.5m 标准)H1和 HSE(Ethernet)之间可以通过 Bridge 连接,从而实现高性能需求

27、H1采用双绞线,所有节点都可以采用该总线集中供电,H1 允许的节点数随网络环境(安全等级,电缆型号)、集中电源功率等要求而变化,最大节点数为 32个,H1可以采用线型或星型拓扑FF 网络示意图FF的通讯栈(Communication Stack)(Layer 2 and 7)由Data Link Layer(DLL)和Application Layer 组成DLL 通过 LAS(Link Active Scheduler)技术控制数据传输Preamble1 byteStartDelimiter1 byteOverhead+User Data1256 bytesBlockCheck Bytes2

28、 bytesEndDelimiter1 byteDLL Frame(详见下页)用LAS 可以确保每个设备都能按预订的“计划”访问网络计划分为:周期性(计划的)访问和非周期性(无计划的)访问周期性访问用于传输规程或控制变量,使这些变量定时/周期更新也称为信息的“发行者-订阅者方法(publisher-subscriber method)”非周期性访问则利用周期性信息的间隙传输或交换数据LAS 技术对采样周期要求严格的过程控制系统非常有利,如PID控制器,LAS可以保证 PID要求的采样周期名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 9 页 -7用户层(User Layer),用

29、户数据与 DLL 帧?用户数据以及DLL 消息帧的生成FF(H1)的典型应用系统Master/BridgeValueSensor设备和 FF 网络示意图总结:Foundation Fieldbus标准也是一种广泛应用的高性能现场总线PID控制器执行器执行器位置反馈流量面向规程控制的示意图(控制网络标准 8)ModBus标准ModBus的历史1979年,由Gould Modicon(now Schneider Electric)开发,用于过程控制系统的协议标准(注:仅是一个协议)1996年,推出新版 ModBus/TCP(后面再专门介绍)ModBus 的改进:V1.0 V1.02(1996 年以

30、前)V1.1(Current)www modbus org是目前唯一一种全开放的工业标准协议(从www.modbus.org得到)特点仅执行 OSI 模型的 Layer 7 功能,可以基于任意链路层和物理层基于 EIA-232 or 485 时,速度为 9.6K115Kbps,主-从模式ModBus 允许数据流采用两种格式ASCII(ModBus A)可读性好;Hexadecimal(ModBus B)紧凑误码检测方法:字节奇偶校验和16位 CRC 校验结合ModBus通讯栈ModBus 是应用层的一个消息协议,可以在不同类型的网络或总线上,使设备之间通过客户端/服务器(C/S)模式相互通讯,

31、其它层可以以任意形式!HDLC:High level Data Link Control不同物理层采用 ModBus 协议的网络MB+:ModBus plusModBus消息帧的一般格式Additional addressFunction codeData fieldError check(BCC)1 byteany bytesCRC-16(2 bytes)1 bytePDU:Protocol Data Unit(e.g.len(PDU)+3 256 for RS232)ADU:Application Data Unit(e.g.len(ADU)256 for RS232)Fid的有效范围1

32、255 其中 128 255保留为了异常处理和响应0是非法的Function code:1255,128255,0.PDU 与网络的其它层协议无关,而ADU 附加在 PDU之上的信息(如地址)与其它层有关.Initiate requestPerform the actionand the responseFunction codeData fieldFunction codeData fieldGet a responseClientServerRequest and Response(no error)Initiate requestFind a errorand the responseF

33、unction codeData fieldFunction codeData fieldGet a responseClientServerRequest and Response(occur a error)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 9 页 -8ModBus的Function code定义面向I/O 操作更详细的协议见ModBus 协议规范(V1.1)面向Reg.操作面向File 操作诊断操作ModBus的请求和应答帧示例客户端服务器RequestAndResponse(I/O)?注意:ModBus采用 Big-Endian 模式(即高字节在前)表示数据

34、和地址客户端服务器RequestAndResponse(Reg.)总结:ModBus 标准仅是Layer 7 的一种协议,目前已被广泛使用(控制网络标准 9)ModBus plus标准两种改进的(增强型)ModBusModBus plus 和 ModBus II(很少使用)改进的目的是为克服标准ModBus的“单主”ModBus plus的特点一种局域网络(Local Area Network),多主模式可以作为标准 ModBus网络(子网)之上的高级控制网络基于令牌传送协议(Token-passing protocol)的网络确定性的网络(即消息帧延迟是确定的)允许每个网段有164个节点,网

35、段之间用网桥连接物理层采用带屏蔽的无极性双绞线,距离达 1.5KmModBus plus各层的关系媒介访问控制(MAC)层消息帧(数据连接层,DLL)ModBus 消息(应用层)逻辑连接控制(LLC)层消息帧总结:ModBus plus标准是一种高性能的现场总线(控制网络标准 10)ModBus/TCP标准当前规范的版本：V1.0b(www.modbus.org)特点在TCP协议和 Ethernet标准上实现 ModBus协议将标准 ModBus 协议的消息作为 Ethernet标准的应用层将消作层数据,然后通过可靠的TCP连接交换数据仍沿用 Request和Response 模式因为 Eth

36、ernet采用冲突检测的载波监听多点访问(CSMA/CD)机制,所以,ModBus/TCP 是一种非确定性网络标准简单易用ModBus/TCP的模型名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 9 页 -9面向可靠连接的 TCP和ModBusSocketBindConnectSocketBindListenAtSendandRev.SendandRev.CloseRev.andSendSendandRev.CloseAcceptModBus/TCP的应用(有标准的串行子网)总结:ModBus/TCP标准是基于TCP 和 Ethernet 的一种高性能的现场总线,常见于标准Mod

37、Bus 网络上层的高速网络如何选择合适的控制网络标准？事实上,在用的控制网络有数百种之多如何为我们自己的计算机控制系统选择一种最合适的控制网络？以下四方面考虑物理层的限制数据帧传输延迟(确定性延迟和随机延迟)数据帧利用率(用户数据长度比数据帧长度)成本也是重要因素控制网络性能评估和对比非常重要(请参考文献 3)主要参考文献本讲的主要内容源于下面的文献1 Steve Mackay,Edwin Wright,Deon Reynders,John Park.“Practical Industrial Data Networks:Design,Installation and Troubleshoot

38、ing”.Britain:Elsevier,2004.2 各种现场总线标准的规范(分别按提供的网址)关于不同现场总线性能对比的文献3 Feng-Li Lian(PhD Student in Department of Mechanical Engineering,University of Michigan),James R.Moyne,and Dawn M.Tilbury.“Performance Evaluation of Control Networks-Ethernet,Controlnet,Devicenet”.IEEE Control Systems Magazine,Vol.40,No.1,p.66-83,2001.讨论和拓展还了解那些现场总线标准。从现场总线标准的开放性角度，讨论为什么说“DCS逐渐淡出，现场总线和工业以太网组成的计算机控制系统将成为主流”？查阅其它现场总线标准：LonWorks,Lin,BitBus 等。The End名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 9 页 -