现场总线总结.docx
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现场总线总结
总线基本概念部分
1、现场总线的概念P1：
现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。
2、现场总线的5个发展阶段P2：
》基地式气动仪表控制系统
》电动单元组合式模拟仪表控制系统
》集中式数字控制系统
》集散控制系统DCS
》现场总线控制系统FCS
3、现场总线分类P3：
（目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。
高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。
）
传感器总线和设备总线统称为现场总线；
按通信帧的长短，把数据传输总线分为：
传感器总线，设备总线和现场总线；
ASI总线，传感器总线，位级数据总线；
CAN总线，设备总线，字节级数据总线；
ControlNet,PROFIBUS,FoundationFieldbus总线，现场总线，数据块级数据总线；
4、现场总线的技术特点P8：
•1.系统的开放性
•2.可操作性与互用性
•3.现场设备的智能化与功能自治性
•4.通信的实时性和确定性
•5.对现场环境的适应性
5、现场总线的优势与劣势P9：
优势：
1.节省硬件数量与投资；2.节省安装费用；3.节约维护开销；3.用户具有高度的系统集成主动权；4.提高了系统的准确性与可靠性
劣势：
网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，是的控制系统的分析和综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。
6、总线操作、总线仲裁概念P15
总线操作：
总线上数据发送者与接受者之间的连接->数据传送->脱开这一操作序列成为一次总线操作。
这里的连接指在相同或不同设备内，通信对象之间的逻辑绑定。
连接完成之后通信报文的发送与接收过程，或者数据的读写操作过程，称为数据传送。
而脱开则指完成一次或多次总线操作后，断开发送者与接受者之间的连接关系，放弃对总线的占有权。
总线仲裁：
由于总线是多个设备之间信号传输的公共路径，当有一个以上设备企图同时占用总线时就可能会发生冲突。
总线仲裁指对总线冲突的处理过程，根据某种裁决规则来确定下一个时刻具有总线占有权的设备。
某一时刻只允许一个设备占用总线，等到他完成总线操作，释放总线占有权后，才允许其他设备占用总线。
7、信道容量香农公式P24：
信道容量的香农计算公式：
C=W*log2（1+S/N）（以2为底的对数）；
W:
信道带宽;S/N:
信噪比
•》提高带宽或信噪比能增加信道容量；
•》在信道容量一定时，带宽与信噪比之间可以相互弥补。
信道容量随信噪比的提高增加了许多;由于噪声功率N=Wn0（n0为噪声的单边功率谱密度），因而随
着带宽W的增大，噪声功率N也会增大。
所以增加带宽W并不能无限制地使信道容量增大。
数据的传输速率应该在信道容量容许的范围之内–考虑到噪声环境.
8、模拟数据编码P25：
采用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0，1状态的，称为摸拟数据编码；
用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态的，称为数字数据编码。
通过编码将数据转换成适合于传输的物理信号。
（编码指将数据转变为信号的一系列规则）
模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0，1状态。
信号的幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数：
*幅值键控（ASKAmplitude-SheftKeying）又称键控调幅
*频移键控（FSKFrequency-SheftKeying）又称键控调频
*相移键控（PSKPhase-SheftKeying）又称键控调相
9、数据传输方式分类P26-29：
1.按数据流的组织方式分：
并行通信，串行通信。
2.按信息同时传输的方向分：
单工通信，半双工通信，全双工通信。
3.按传输信号的频率范围分：
基带传输，宽带传输。
4.按通信的同步方式分：
同步通信，异步通信。
串行传输具有易于实现，在长距离连接中可靠性高等优点，适合远距离的数据通信；
并行传输典型应用：
计算机的串口与并口；
基带传输
–在基本不改变数据信号频率的情况带信号，即基本按数据基波的原样传
–传输过程对信号不采用调制措施。
–属于被广泛采用的数据传输方式。
载波传输
–发送设备要产生某个频率的信号作为载波来承载数据信；
–按幅值键控，频移键控、相移键控等不同调制方式改变波信号的幅值、频率、相位，形成承载了数据的调制信；
–发送承载了数据的载波信号，即载波传输。
–载波传输中传输的调制信号与数据基波的差别较大。
同步传输用于：
•一块电路板元器件之间传送数据；
•短距离数据通信，如连接电缆在30～40cm甚至更短；同步传输适合高速传输；
长距离数据通讯时同步传输的代价较高，容易受到噪声的干扰‘
10、传输差错的检测方法P30-31：
检错仅识别错误的出现，不判别哪一位或哪些位出现了错误；
*常用检错方法：
冗余：
如对每个字符都传输两次。
如果没有能够连续两次收到相同的字符，就意味着发生了一个传输错误。
回送：
*将接收到的信号回送给发送者
*如在操作人员手工键盘输入的应用场合，接收端把收到的每一个字符都回送给操作人员，让操作人员来确认字符是否被正确输入。
如通过回送发现了传输错误则重传。
奇偶校验：
•在每个字符或字节中添加奇偶校验位，使得一个字符或字节中1的总个数总是奇数，为奇校验；
•添加奇偶校验位，使得一个字符或字节中1的总个数总是偶数，为偶校验；
•奇偶校验应用简单，但可能漏掉大量错误；
求和校验：
•在发送端对传输数据求和，将校验和附在数据之后一并发送；接收端也对收到的数据求和，如果求得的校验与接收到校验和有差异，就判断通信出错；
•校验和能检测出95％的错误；•计算量大于奇偶校验方法；
循环冗余校验ＣＲＣ（CyclicRedundancyCode）：
•按照要发送数据的位序列形成一个多项式ｆ（x），ｆ（x）的各项系数为数据序列的0、1状态；
•用预先约定的生成多项式G（x）去除ｆ（x），求得一个余数多项式R（x）；
•将余数多项式加到数据多项式之后发送；
•接收端用同样的生成多项式G（x）去除接收数据多项式’（x），得到计算余数多项式；
•如果计算余数多项式与接收余数多项式相同，则表示传输无差错；如果计算余数多项式不等于接收余数多项式，则表示传输有差错。
ＣＲＣ的计算规则：
采用即减法不借位，加法不进位的异或操作。
•CRC能检测出约99.95%的错误
•与前几种方法相比，其计算量大；
11、前向差错纠正的冗余位判断P34：
前向差错纠正
–在接收端检测和纠正差错，无需请求重发；将一些额外的位按照某种方式进行编码，加入到通信数据中。
根据这些位的状态可检测到一定数量的错误并进行纠正。
增加这些额外的位增加了通信开支，也增加了计算量。
海明（R.W.Hamming）码常用于前向差错纠正。
海明码的编码规则
•发送端：
–根据要传输的数据单元的长度，确定冗余位的个数；
–确定各冗余位在数据单元中的位置；
–计算出各冗余校验位的值
–排列成包含冗余校验位的数据序列，按此序列发送
•接收端：
–按与发送方相同的方法，计算出接收数据的冗余校验位，排列成包含冗余校验位的数据序列；
–将按计算结果排列出的数据序列与接收到的数据序列比较，判断传输过程是否有错。
是哪一位出错，并将出错位取反，以纠正该错误。
12、控制网络与计算机网络的异同P38：
网络节点
–计算机网络：
计算机、工作站、打印机、显示终端
–控制网络：
除了以上设备之外，还有PLC、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。
为内嵌有CPU、单片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备；
工作环境
–计算机网络：
办公室
–控制网络：
工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求；
任务
计算机网络：
传输文件、图象、话音等。
许多情况下有人参与。
控制网络：
传输工业数据（图象），承担自动测控任务。
许多情况下要求自动完成。
（特点实时性；可靠性的要求高；数据帧包含的字节数少）
13、曼切斯特编码和差分曼切斯特编码P25：
*曼彻斯特编码规则：
–把时间划分为等间隔的小段。
–其中每小段代表一个比特（位/bit）。
–每个比特时间又被分为两半，前半段所传信号是该时间段比特值的反码，后半段传送的是该比特值本身。
–从高电平跳变到低电平表示0，从低电平跳变到高电平表示1。
*特点：
–其波形中间点总有一次信号电平的变化，因而具有使网络上各节点保持时钟同步的内在时钟信息
–信号本身携带有同步信息,无需另外传送同步信号。
差分码
•用时钟周期起点电平的变化与否代表数据“1”、“0”状态的编码；
–时钟周期起点电平变化代表“1”，不变化代表“0”；
–差分码按初始状态为高电平或低电平，有相位截然相反两种波形；
•差分曼彻斯特编码
–时钟周期起点电平的变化与否代表数据的“1”、“0”状态。
既具有差分码的特点，又具有曼彻斯特编码的特点。
14、控制网络的实时性要求P41：
（控制网络——由具备通信能力的测量控制设备作为网络节点连接构成的能相互沟通信息，共同完成测控任务的网络系统）
控制网络应该满足对控制的实时性要求：
如准确定时刷新变量数据，生产工艺要求分布节点间的动作应满足一定的时序要求，如由PLC控制的一个控制的一个生产装置不同部件的动作时序与时限，而且它们的动作通常需要严格互锁。
15、控制网络的网络拓扑结构P42-43：
网络的拓扑结构：
指网络中节点的互联形式；环形、星形、总线形和树形；
16、载波监听多路访问/冲突检测的工作原理P47：
》网络上的任何节点都没有预定的通信时间，随机向网络发起通信；
》多个节点同时发起通信，使信号在传输线上相互混淆而遭破坏，称为“冲突”；
》为避免冲突，每个节点在发送信息之前，都要侦听传输线上是否有信息在发送，这就是载波监听；
17、几种典型控制网络的通信模型P55（PPT上只给出了第一张图片的内容）：
P55
现场总线部分
1、CAN总线的主要技术特点、技术规范、报文帧类型、帧结构、网络控制体系以及常见的CAN通信控制器
CAN的主要技术特点：
1.CAN网络上的节点不分主从（任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活）；
2.CAN采用非破坏性的总线仲裁技术（载波监听多路访问、逐位仲裁；先听再讲；当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而节省了总线冲突的仲裁时间）；
CAN网络上的节点具有不同的优先级
–可满足对实时性的不同要求
–高优先级的数据可在134微秒内得到传输
3.通过报文滤波可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式收发数据，无需专门的“调度”；
4.CAN的直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）；
5.CAN总线上的节点数决定于总线驱动电路，一般为可达110个；
6.报文标识符–CAN2.0A为2032种
–CAN2.0B扩展帧的报文标识符几乎不受限制；
7.CAN为短帧结构，传输时间短，受干扰概率低；
8.CAN节点具有良好的检错功能，出错率低；（节点中均有错误检测、标定和自检能力。
具有发送自检、循环冗余校验、位填充、报文格式检查等。
）
9.CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。
10.CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。
11.CAN器件可被置于无任何内部活动的睡眠方式（相当于未连接到总线驱动器；可降低系统功耗；其睡眠状态可借助总线激活或者系统的内部条件被唤醒。
）
技术规范：
》CAN2.0A与CAN2.0B是1991年颁布的CAN技术规范的两个部分；
CAN2.0A只有标准帧一种帧格式；CAN2.0B包括标准帧与扩展帧两种；
》标准帧与扩展帧的区别主要在仲裁场与控制场–标准帧具有11位标识符–扩展帧具有29位标识符；
CAN报文帧的类型：
4种不同类型的帧：
数据帧、远程帧、出错帧、超载帧；
CAN通信控制器82C200；CAN通信控制器SJA1000
2、CAN的下层网段LIN总线的主要技术特点
》低成本、单总线实现方式；
》单主多从的时间触发通信概念；
》基于通用UART/SCI硬件接口的芯片；
》从节点的自我同步机制，无需晶振
》数据校验机制；
3、应用于车载网络的主要网络协议：
4、PROFIBUS的通信参考模型、采用的传输技术以及总线访问方式：
ProfiBus主要有三部分组成，包括：
1．由现场总线报文——ProfiBus-FMS
2．分布式外围设备——ProfiBus-DP
3．过程控制自动化——ProfiBus-PA
PROFIBUS的通信参考模型：
PROFIBUS包含有三个子集：
–》PROFIBUSDP用于设备级分散I/O之间的通信，实现分布式控制系统设备间的高速数据传输，传输速率在9.6Kbps—12Mbps之间可选；
–》PROFIBUSPA用于过程自动化，采用IEC61158-2通信规程，传输速率为31.25K，适用于有总线供电、本质安全要求的应用场合；
–》PROFIBUSFMS用于车间级的数据通信，可提供通信量大的相关服务；
•DP略去了第3到7层，数据传输快速高效。
第1层提供RS485传输技术和光纤。
第2层采用主从分时轮询协议，完成总线访问和数据传输。
用户层规定可以调用的应用功能，说明不同DP设备的行为。
•FMS定义了1，2，7层。
1、2层使用和DP相同的传输技术和统一的总线协议。
第7层为现场报文规范FMS。
•PA的第1层采用IEC1158标准。
曼彻斯特编码，总线供电，本质安全。
与DP网段通过耦合器相联。
PROFIBUS传输技术：
提供三种不同的物理层选择：
RS485：
用于DP和FMS（对称传输，称H2）；
IEC1158-2：
用于PA（位同步协议，称H1）；
光纤：
用于DP和FMS；
PROFIBUS总线访问方式：
多主令牌环，主从通信；
混合总线访问协议:
主站间的逻辑令牌环
主从站间的主从协议
主站:
主站在一个限定时间内（TokenHoldTime）对总线有控制权
从站:
从站只是响应一个主站的请求，它们对总线没有控制权
5、控制网络中，本质安全和总线供电的基本概念：
总线供电：
网络传输介质在用于传输数字信号的同时，还为网络节点设备传递工作电源者，被称之为网络供电。
本质安全：
本质安全是指将送往易燃易爆危险场合的能量，控制在引起火花所需能量的限度之内，从根本上防止在危险场合产生电火花而使系统安全得到保障。
6、工业以太网的基本概念、应用分类、TCP/IP分层模型：
工业以太网是普通以太网技术在控制网络延伸的产物,是工业应用环境下信息网络与控制网络的结合体；
工业以太网的应用分类：
•1.作为工业环境中的计算机网络；
•2.作为其他现场总线网段的上层（高速）网络；
•3.基于普通以太网技术的控制网络；
–-E网到底，在实时性要求不严格的场合用作控制网络
•4.基于实时以太网技术的控制网络；
7、以太网技术在工控领域应用受限的原因：
1.CSMA/CD的媒体访问控制方式不能满足一些控制场合的实时性要求;
2.接插件、集线器、交换机等是为办公应用设计的，不适应工业现场恶劣环境的要求；
3.抗电磁干扰能力；
4.本质安全；
5.总线供电；
8、以太网技术为适应工业应用环境的解决方案：
》可安装在DIN导轨上的导轨式收发器、集线器、交换机系列；
》工业级接插件–特殊封装的工业以太网接插件；采用DB-9结构的接插件；
》冗余电源供电
9、以太网技术针对通信实时性的解决方案：
–》利用以太网现有的技术优势，扬长避短；
–》开发实时以太网技术，如研制实时以太网通信接口芯片NetSilicon等；
扬长避短的措施：
》利用通信速率高的优势；
》采取控制网络负荷的措施；
》采用全双工交换技术；
控制网络部分
1、LonWork网络使用哪几种介质；
双绞线、光纤、红外线和电力线；
2、神经元芯片有几个处理器，分别有何用途；
3、LonWorks网络由哪几部分组成；8个
按功能划分，包括：
LonWorks节点、LonWorks路由器、LonWorksInternet连接设备、LonWorks收发器、LonTalk协议、LonWorks网络和节点开发工具、LNS网络工具、LonWorks网络管理工具。
4、LonWorks网络现场控制节点主要包含哪些部分；
应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、收发器和电源.
5、LonWorks网络路由器的特点、功能；
路由器特点：
通常有两个互联的神经元芯片，每个神经元芯片配有适用于两个信道的收发器，路由器就连接在这两个信道上。
路由器对网络的逻辑操作是完全透明的，但是他们并不一定传输所有的包。
LonWorks路由器能支持从简单到复杂的网络连接，这些网络可以小到几个节点，大到上万个节点。
功能：
》扩展通道容量;
》连接不同的介质或波特率;
》提高LonWorks网络可靠性;
》全面提高网络性能.
6、LonWorks网络变量特点；
1.网络变量是在应用程序中被定义的变量，可以是整型、字符型或结构等类型，但不能是指针类型。
2.节点数据可以通过网络变量进行共享，一个节点输出的网络变量的更新，而所有与之相连的其他节点的输入网络变量也相应的更新。
3.网络变量的传送是通过Lontalk协议来完成的，对用户来说是透明的，应用程序开发者不必关心网络变量传送的目的地址、打包拆包、报文缓冲区、请求、响应、重发等低级网络操作，因此网络变量大大简化了开发和安装分布系统的过程。
4.一个节点最多可以定义62个网络变量（对于数组型网络变量包含数组中每个单元）。
5.网络变量还可以根据Lontalk协议定义为认证方式、优先级等方式；还可以定义为同步方式，他能保证网络变量的所有更新都被转送。
7、LonWorks网络、LonTalk协议及其神经元芯片的特点：
（网络特点见282）
LonTalk协议特点：
》发送的报文都是很短的数据；
》通信带宽不高；
》网络上的节点往往都是低成本、低维护费用的单片机；
》多节点，多通信介质；
》可靠性高；
》实时性高。
神经元芯片的特点：
》神经元至少包括2KBRAM,用于堆栈段、应用程序和系统程序的数据区、LonTalk协议应用缓冲区和网络缓冲区。
对于数据区不多的程序可以直接使用该区，无需另外扩展存储器；
》不仅具有强大的通信功能，而且集采集控制于一体；
》神经元芯片可以支持多种通信介质；
8、ControlNet通信调度方法；
P335
9、ControlNet虚拟令牌如何传递；
10、Interbus协议特点；
•物理层采用RS-485串行通信标准，树型拓扑结构，可连接255个子站，易于扩展、易于分层，总
长可达12.8km。
•数据链路层采取集总帧的数据环型存取方式，各子站无须编址。
•应用层定义了网络信息的读、写及操作命令，同时检测网络设备和统计通信失败。
11、Interbus帧结构特点：
》集总帧的数据环型存取方式，各子站无须编址；
》有效数据所占比例高，加上所有节点的输入输出和过程参数几乎在同时进行，因而通信的有效利用率很高。
计算机总线部分（简答题的多些）
1、计算机总线的分类：
按照总线内部信息传输的性质，总线可分为：
•数据总线:
DB用于传送数据信息
•地址总线:
AB是专门用来传送地址的
•控制总线:
CB控制总线包括控制、时序和中断信号线
•电源总线:
PB用于向系统提供电源
按照总线在系统结构中的层次位置，总线可分为：
•片内总线（On-ChipBus）在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路；
•内部总线（InternalBus）用于计算机内部模块（板）之间通信；
•外部总线（ExternalBus）：
又称通讯总线，用于计算机之间或计算机与设备之间通信；
根据总线的数据传输方式，总线可分为：
•并行总线：
每个信号都有自己的信号线；
•串行总线：
所有信号复用一对信号线；
2、总线的7个主要性能指标：
•总线频率即总线工作时钟频率，单位为MHz，它是影响总线传输速率的重要因素之一。
•总线宽度又称总线位宽，是总线可同时传输的数据位数，用bit（位）表示，如8位、16位、32位等。
显然，总线的宽度越大，它在同一时刻就能够传输更多的数据。
•总线带宽又称总线传输率，表示在总线上每秒传输字节的多少，单位是MB/S。
影响总线传输率的因素有总线宽度、总线频率等。
一般的，总线带宽（MB/S）=1/8×总线宽度×总线频率
••同步方式可分为同步方式和异步方式。
在同步方式下，总线上主模块与从模块进行一次数据传输的时间是固定的，并严格按照系统时钟来统一定时主模块、从模块之间的传输操作，只要总线上的设备都是高速的，就可达到很高的总线带宽。
•总线复用采用多路复用技术，可以减少总线的数目。
•信号线数表明总线拥有多少信号线，是数据总线、地址总线、控制总线和电源总线的总和。
信号线数与总线性能不成正比，但一般与复杂度成正比。
•总线控制方式包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。
3、总线的两种控制方式：
集中式：
将控制逻辑集中在一处（如在CPU中）。
集中控制是单总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式，常见的集中控制方式主要有链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求总线控制方式。
分布式：
将总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。
4、PCI局部总线的主要技术特点和性能指标：
–1.支持64位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式；
–2.具有即插即用功能（PnP，PlugandPlay，可自动找到一个不冲突的中断和I/O地址分配给外
部设备）；
–3.最高传送数据132Mbps；
–4.兼容性强、成本低；
5、PCI-Express的结构、主要技术特点以及与PCI的主要区别：
•PCI-E总线主要特点:
1.串行的点对点互连;
2.差分信号传送;
3.采用交换开关互连多台设备;
4.PCIExpress事务与包
PCIExpress的事务分成两类：
–>非转发事务，即请求者发送请求包给完成者，完成者返回完成包给请求者，如存储器读事务；
–>转发事务，即只有请求者给完成者发送请求包，而完成者不用返回完成包给请求者，如存储器写事务;
5.具有更高的数据传输率;
6.具有优先级的传送;
7.两种中断方式:
一种是类似PCI-X的MSI协议，PCI
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