现场总线课程.docx
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现场总线课程
现场总线课程总结
学院：
计信学院
年级专业：
09级自动化
学号：
0962510222
姓名：
莫楚毅
指导老师：
陆晓春
现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。
是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。
也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。
工业上现场总线的目的，是为了实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。
而我们学习现场总线的目的，是为了完成之后关于modbus通信协议的编写，也是为了能在将来找工作时能够得到更加好的职位。
课程总结：
通信模型：
信源信宿；发送器：
编码、调制、放大、滤波；信道：
有线、无线；接收器：
恢复基带信号。
数据传输：
数据：
数据被定义为传达某种意义的实体
信号：
数据的电气或电磁编码
传输：
包括模拟传输和数字传输
传输速率：
指信道在单位时间内传输的信息量
（1）数据传输比特率表示，位/秒，bit/s或bps；
（2）T为电脉冲信号（码元）的宽度或周期；n为电脉冲信号所有可能的有效状态数，是2的整幂数
；（3）调制速率，码元速率，用波特率表示。
传输模式：
并行传输：
速度快、无需同步；通道多、成本高、设备复杂、距离短。
串行传输：
一条通道、易于实现；应用广泛
同步的概念：
在串行传输时，接收端为了从串行数据码流中正确地划分出发送端发送的每个字符所采取的措施称为字符同步。
异步传输：
异步传输方式也叫起止方式，数据的传输是一次一个字符，每个字符的传输中都使用同步信息
特点：
（1）在每个字符代码的前面增加一个起始位（逻辑0），在接收端收到起始位后，立即启动一个内部时钟，按要求接收一个字符的代码，字符代码之后跟一个或多个停止位（逻辑1），表示该字符传输结束，然后等待下一个字符的开始。
（2）起始位通常占一位的时间间隔，而停止位的长度通常占1.5或2位的时间间隔（3）不发送字符时，保持“1”状态，也称为线路空闲状态。
优缺点：
优点是实现字符同步比较简单，收发双方的时钟信号不需要严格同步；缺点是对每个字符都需加入起始位和终止位，因而传输效率低。
（如字符采用7位编码，起始位为1位，终止位为1位，并采用1位奇偶检验位，则传输效率η＝7/（7+1＋1＋1）＝70%）。
使用范围：
异步传输方式常用于1200bps及其以下的低速传输。
同步传输：
特点：
（1）同步传输时，数据块以稳定的位流形式传输
（2）没有起始位和停止位（3）数据块的长度可能是很多位，效率高（4）可以用独立时钟线路实现同步，或者将时钟信息嵌入到数据信号中（5）另一级同步：
每个数据块以一个“前同步码”的位模式开始，并用一个“后同步码”的位模式结束。
单工、半双工、全双工：
一些其他的传输模式：
基带传输：
基带信号不调制，短距离通信，应用于计算机局域网和现场总线
频带传输：
基带信号通过调制成一定频带范围内的模拟信号进行传输，适合远距离通信
数字数据传输：
在数字信道中传输数据信号称为数据信号的数字传输，应用于数字传输网
传输损伤：
衰减和衰减失真：
衰减是距离的函数，频率越高衰减越严重
延时失真：
有线传输媒体的特有现象，有线媒体上信号传输速度和频率有关，中心频率速度最快，从而产生相移，尤其对数字传输，产生码间串扰
噪声：
热噪声、互调噪声、串扰、冲击噪声
信道容量
传输媒体：
传输媒体是在数据传输系统中位于发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体可分为有线的和无线的两类
有线媒体包括双绞线、同轴电缆及光缆
无线媒体提供主要包括空气、海水、外层空间等，不引导传播方向
有线传输媒体：
（1）双绞线由按规则螺旋结构排列的两根或四根绝缘线组成。
（2）各个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小（3）分为屏蔽（STP）和非屏蔽（UTP）两种
抗干扰性：
双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。
在低频传输时，其抗干扰能力相当于同轴电缆。
在10～100kHz时，其抗干扰能力低于同轴电缆
标准：
TIA/EIA568
UTP的类别：
1类（2对，20kb/s）2类（4对，4Mb/s）3类（4对，10Mb/s）4类（4对，16Mb/s）
5类（4对，100Mb/s）超5类（4对，155Mb/s）6类（4对，200Mb/s）7类电缆旋得越紧，价格越贵，但性能也越强
特点：
（1）抗干扰性能弱于基带同轴电缆，通信距离也有限制
（2）布线容易，良好的性价比，使其广泛用于局域网中
同轴电缆：
同轴电缆是网络中应用十分广泛的传输介质之一，如有线电视线。
同轴电缆由内导体（电缆铜芯）、绝缘层、外导体（铜网）及外部保护层（外绝缘层）组成；内导体和外导体组成一对线；外导体形成了围绕着内层导线的可弯曲的金属圆柱，从而起到防止电磁辐射的屏障作用，抗干扰能力强。
传输特性：
特征阻抗，50Ω，Ethernet使用，基带传输，10Mb/s；75Ω，CATV使用，模拟信号传输，400MHz，使用频分多路复用FDM（frequency-divisionmultiplexing）技术，也可以传输数字信号。
价格：
同轴电缆造价介于双绞线与光缆之间，维护方便，应用广泛。
光缆：
光缆是网络传输介质中性能最好、应用前途广泛的一种。
物理特性：
光纤是一种直径为50～100μm的柔软、能传导光波的介质，各种玻璃和塑料可以用来制造光纤。
在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道，多条光纤组成一束就构成光纤电缆
单模光纤：
光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光纤传输。
多模光纤：
光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多光线传输。
与同轴电缆相互比较，光缆有如下特点：
（1）带宽更宽，使数据传输速率更高
（2）衰耗更小，使传输距离更远（3）抗恶劣环境能力更强（抗电磁干扰、抗腐蚀等）（4）安全性更高，难于窃听（5）光纤接口仍较贵，现主要用于主干局域网（6）大量使用光纤是发展方向
无线传输：
无线传输有以下几种形式
（1）地面微波
（2）卫星微波（3）广播无线电波（4）红外线
传输数据编码：
传输数据编码有以下几种形式
（1）模拟信号传输数字数据
（2）数字信号传输数字数据（3）模拟信号传输模拟数据（4）数字信号传输模拟数据
模拟信号传输数字数据:
（1）使用调制解调器通过电话线路传输计算机数据时，采用的就是这种编码方式
（2）交变弦信号作为载波可用Acos（ωt+Φ）来表示，其中A为振幅，ω为角频率，Φ为相位，三者的任何变化都将影响波形，以区分二进制数字0和1（3）幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）
ASK：
A变，F和P不变；PSK：
P变，A和F不变，相位调制占用频带较窄，抗干扰性能好；FSK：
F变，A和P不变，抗干扰、低速、频带利用率低；
数字信号传输数字数据：
数字信号是一串离散的不连续的脉冲序列，每个脉冲都是一个信号码元，
不归零码NRZ：
又称不归零电平（NonreturntoZero-Level，NRZ-L）编码
NRZI：
（1）NRZI（NonreturntoZero，Invertonone，不归零，见1反转）码，即1反相的不归零码，NRZ码的一种变型
（2）在每个比特的起始时刻，如果信号有跳变（低到高或高到低），则表示这个比特为二进制1，无跳变表示二进制0（3）在差分编码中，信号解码是通过比较相邻两个信号元素的正负极性是否相同，而不是判断信号元素的绝对值大小（4）难以同步。
曼彻斯特编码：
（1）在曼彻斯特编码中，每比特周期的中央存在一个跳变
（2）比特中央位置的跳变不仅表示了数据，而且还提供了
定时机制：
从高到低的跳变迁表示0，从低到高的跳变表示。
差分曼切斯特编码：
（1）比特中央位置的跳变仅用来提供定时关系
（2）0和1的编码则由比特周期开始处有、无跳变来表示。
（3）比特周期开始处存在跳变表示编码0，而没有跳变表示编码1（3）易于实现同步
模拟信号传输模拟数据：
（1）输入信号和载波信号相结合产生传输信号的过程称为调制。
（2）使用模拟信号对模拟数据进行调制的方法有3种（3）幅度调制AM：
调幅（4）频率调制FM：
调频（5）想为调制PM：
调相
数字信号传输模拟数据：
抽样：
每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值，作为从这一抽样到下一次抽样之间该模拟数据的代表，抽样的频率大于或等于模拟数据的最大主频率的两倍（采样定理）
量化：
量化即分级处理，得到整数
编码：
把量化的结果转换为对应的二进制码
例如PCM编码（PulseCodedModulation,脉码调制）
数据通信接口：
DTE（DataTerminalEquipment,数据终端设备）；DCE（DataCircuit-terminateEquipment,数据线路端接设备）数据电路加上传输控制规程称为数据链路
通信接口特性是指DTE和DCE之间的物理特性为确保双方正常通信，最基本的任保持接口特性的标准化，包括
（1）机械特性：
尺寸、引脚数量、排列
（2）电气特性：
信号电压、匹配阻抗、传输速率、距离，非平衡、半平衡、平衡（3）功能特性：
数据线、控制线、时钟线、地线（4）过程特性：
传输数据时的事件序列
EIA-232-D串行通信接口：
EIA-232-D是由美国电子工业协会（EIA）制定的物理接口标准
前身是EIA在1969年制定的RS-232-C标准。
RS--RecommendedStandard（推荐标准），经1987年1月修改后定名为EIA-232-D。
由于两者相差不大
EIA-232-D规定使用DB-25插针和插孔，插孔用于DCE方面，插针用于DTE方面
特性：
（1）速率小于20kbs，传输距离小于15m
（2）其电性能用±12V标准脉冲，值得注意的是EIA-232-D采用负逻辑（3）Mark（传号）=－5V~－15V，逻辑“1”电平；（4）Space（空号）=＋5V~＋15V，逻辑“0”电平（5）与TTL电平不兼容（6）如距离小于15m，可不用DCE，直接用TXD、RXD、GND三根线实现全双工异步串行通信
RS-485串行通信接口：
RS-485接口采用两线差分平衡传输，使用一双绞线，其中一条为A，另一条为B，其信号定义如下：
（1）当采用＋5V电源供电时：
若差分电压信号为－2500~－200mV时，为逻辑“0”；若差分电压信号为＋2500~＋200mV时，为逻辑“1”；若差分电压信号为－200~＋200mV时，为高阻状态；
（2）其一根导线上的电压是另一根导线上的电取反（3）接收器的输入电压为这两根导线电压的差值：
VA－VB（4）差分电路的最大点是抑制噪声。
由于在它的两根信号线上传递着大小相同、方向相反的电流，而噪声电压往往在两根导线上同时出现，一根线上出现的噪声电压会被另一根导线上出现的噪声电压抵消，因而可以极大地削弱噪声对信号的影响。
适合远距离、多机通信，通信总线的传输速率随着传输距离的延长而下降。
在远距离传输或工作环境有干扰时，应在总线的始端和末端加入终端匹配电阻和驱动保护电路，以减少终端反射和削弱干扰信号
RS-485收发器
RS-485网络互联
特性：
（1）半双工通信
（2）终端电阻（3）总线竞争时的限流和过热关闭功能（4）只规定了电气特性，不涉及连接器、引脚、信号功能、通信协议
IEC61158.2串行通信接口：
IEC61158.2是连接物理设备，为数据链路层提供透明比特流传输所必须遵循的规则，也是一个串行通信接口标准
1993年被确定为现场总线物理层国际标准IEC61158.2
用于实现现场设备与总线之间的连接，其基本功能是为现场总线设备与传输媒体的连接提供机械和电气接口，为现场总线设备对总线的访问提供合乎规范的信号
传输媒体：
一般是双绞线
机械接口：
标明正负
发送功能：
接收来自数据链路层的数据信息，首先加上前导码、帧前定界码和帧结束码，再对其实行数据编码，然后经过发送驱动器，把所产生的物理信号发送到传输媒体上
接收功能：
接收信号，去码，解码，发送
物理层结构：
物理层分为媒体相关子层和媒体无关子层
媒体相关子层负责处理导线、光缆、无线媒体等不同传输媒体的信号转换问题，亦称为媒体访问单元
媒体无关子层是上述媒体相关子层与数据链路层之间的接口。
上述有关信号的编码与解码，增加或去除前导码、帧前定界码和帧结束码的工作均在媒体无关子层完成
物理层的信号编码：
IEC61158.2中包括四种类型的信号编码，分别为：
协议数据编码、前导码、帧前定界码和帧结束码；协议数据编码：
负跳变表示1，正跳变表示0
前导码：
表示传输信号的开始，10101010；帧前界定码：
表示协议数据的起点，8个时钟周期；帧结束码：
表示现场总线信号的终点。
携带协议信息的数字信号以峰－峰电压为0.75~1V的幅值加载到9~32V的直流供电电压上，形成物理信号波形
设备类型：
（1）现场设备：
本安、供电
（2）电源：
本安（3）本质安全栅：
安全场所与危险场所的隔离器（4）终端器：
传输线缆的首端和末端的阻抗匹配器（5）中继器：
扩展总线网段（6）现场总线接口：
总线和局域网接口（7）网桥：
用于连接不同传输速率的网段
差错检测与校正：
为提高通信系统的传输质量而提出的有效地检测错误，并进行纠正的方法叫做差错检测和校正，简称为差错控制
纠错码策略：
在每个要发送的数据块上附加足够的冗余信息，使接收器能发现并自动纠正传输错误，复杂、耗时
检错码策略：
在每个要发送的数据块上只加入足够的冗余位，使接收器能推算出是否发生了差错，但不能纠正传输差错，简单、速度快
常用的差错检验码有两类：
（1）奇偶检验码
（2）循环冗余码（CRC，CyclicRedundancyCode）
奇偶检验码：
先将所需要传送的数据比特序列分组，并且在每—组的数据后面附加一个检验位，使得该组连同检验位在内的码字中“1”的个数为偶数（偶检验）或奇数（奇检验）
垂直奇偶检验：
垂直奇偶检验是在m-l位表示字符的数据位上再附加第m位检验位
垂直奇偶检验只能查出50%的突发性错误。
因此，查错能力很差
水平奇偶校验：
将若干个字符组成一个信息块，对这个信息块中所有字符对应的位数分别进行奇偶检验，就称为水平奇偶检验先送0~9，再送检验码差错能力强，缺点是收到整块信息才能检测，逻辑复杂；
水平垂直奇偶校验：
把水平和垂直两个方向的奇偶检验结合起来就构成了水平垂直奇偶检验。
可以查出所有长度的突发性错误，所有水平或垂直方向上的奇数个错误方法简单，但检错能力差，一般只用于通信要求较低的环境
CRC检验码：
发送器将要发送的数据比特序列表示为一个多项f（x）的系数，并在发送之前用收发双方预先选取的生成多项式G（x）去除，求得一个余数多项式。
将余数多项式加到数据多项式f（x）之后发送到接收器。
接收器用同样的生成多项式G（x）去除接收到的数据多项式f’（x），得到计算余数多项式
如果计算余数多项式与接收器收到的余数多项式相同，则表示传输无差错；否则，表示传输有差错，可要求发送器重发数据
CRC码求余数的除法运算规则是：
作减法不产生借位，加法不产生进位。
除此之外，与二进制除法相同
生成多项式：
CRC-16和CRC-CCITT用于长度为8比特字符流的传输，并且都生成16比特的帧检验序列
检测方法：
设r为生成多项式G（x）的阶，例如CRC-16的阶为16；要传送的数据多项式f（x）的阶为m；在发送方，将f（x）的系数序列后附加r个0，得到新多项式xf（x），其最高阶m+r，对于二进制乘法来说，xf（x）的意义是将要传送的数据比特序列左移r位，用来存入余数。
用二进制除法，将xf（x）除以生成多项式G（x），得到余数多项式R（x）；将xf（x）+R（x）作为整体，从发送方通过传输信道传送到接收方
若选择生成多项式
；要传送的比特序列为1010001101，即f（x）
；
CRC码检错能力强，实现容易，在各种现场总线中，这种检错码编码方法的应用最多。
差错控制：
一旦发现传输错，则通常采用反馈重发（ARQ）的办法来纠正。
反馈重发纠错的实现方法有两种：
停止等待方式、连续工作方式
连续工作方式又分：
拉回重发和选择重发
多路复用技术：
所谓多路复用技术，就是把多路信号在一条数据链路上进行传输的技术。
其作用相当于把一条数据链路划分成多个信道，以实现通信链路的共享
常用的多路复用技术：
频分复用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing），时分复用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）
频分复用适合于传输模拟信号，而时分复用适合于传输数字信号。
时分复用在技术上比较复杂，但却有许多优点。
比如，数字信号抗干扰能力强，而且通过逐级再生整形，可以避免干扰的积累；数字信号比较容易实现自动转换、集成化等。
计算机通信中广泛使用时分多路复用技术
网络体系机构概述
网络协议:
在一个网络中，有许多相互连接的节点，在这些节点之间要不断地进行数据的交换。
每个节点就必须遵守事先约定好的规则，这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的时序问题。
这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定就称为网络协议。
语法，即数据与控制信息的结构或格式。
“如何讲”。
语义，即需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答。
“讲什么”。
时序，即事件实现顺序的详细说明；对于非常复杂的计算网络协议，其结构最好采用层次式的。
各层之间是独立的，灵活性好，容易实现和维护，能促进标准化工作，将计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构，是抽象的
OSI参考模型若干概念:
开放系统互连参考模型划分原则:
（1）网路中各结点都有相同的层次
（2）不同结点的同等层具有相同的功能（3）同一结点内相邻层之间通过接口通信（4）每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务（5）不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信
以下是对OSI七层的说明
物理层：
物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。
该层为上成协议提供了一个传输数据的物理媒体。
该层数据的单位称为比特（bit）。
属于物理层定义的典型规范代表包括：
EIA/TIARS-232、EIA/TIARS-449、V.35、RJ-45等
数据链路层：
数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。
该层的作用包括：
物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。
该数据的单位称为帧（frame）；在每一帧的控制信息中包括同步信息、地址信息、差错控制，以及流量控制信息等；数据链路层协议的代表包括：
SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。
网络层：
网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。
网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。
该层数据的单位称为数据包（packet）；网络层协议的代表包括：
IP、IPX、RIP、OSPF等。
传输层：
传输层是第一个端到端，即主机到主机的层次。
传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。
此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。
该层数据的单位称为数据段（segment）；传输层协议的代表包括：
TCP、UDP、SPX等。
会话层：
会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。
会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。
表示层：
表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。
表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。
应用层：
应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。
应用层协议的代表包括：
Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。
面向连接服务与无连接服务：
在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留。
这些资源将在数据传输时动态地进行分配
无连接服务的优点是灵活方便和较为迅速，但它不能防止报文的丢失、重复或失序
现场总线体系结构的建立及特点：
工业通信网络的特殊性：
效率、确定性、鲁棒性、节点成本、本质安全性
现场总线的组成要素：
“IEEE802”课题组专门负责局域网的标准化；已经制定了物理层和数据链路层协议，把数据链路层分为两个子层次：
逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层；现场总线是应用在生产现场的局域网，参考了OSI和IEEE802，现场总线一般只使用ISO/OSI参考模型中的第1、2、7层，即物理层、数据链路层和应用层；现场总线通信模型中应该包括三个基本要素：
底层协议、上层协议和行规。
现场总线通信模型：
各层说明：
物理层：
物理层提供网络通信接口的机械、电气、功能和过程特性，以便在数据链路实体之间建立、维护和拆除物理连接；物理层通过物理连接在数据链路实体之间提供透明的位流传输；IEC最早确定的现场总线物理层国际标：
传输速率为31.25kbps的串行通信接口，典型响应时间约为1ms，未知出错率低于每20年一次，并规定了数据的物理信号表达形式、传输媒体、传输速率、网络拓扑结构等
IEC提出另外设计一种高速总线接口标准，使其传输速率分别为1Mbps和2.5Mbps，典型的响应时间可达32μs，总线段最大长度缩短为750m，能够连接127个现场设备；高速总线标准正在向高速以太网标准倾斜
数据链路层：
现场总线的实时通信主要由数据链路层提供，所谓实时，在这里可以理解为提供一“时间窗”，在该时间窗内，需要完成具有某个指定级别确定性的一个或多个动作
数据链路层分成两个功能子层：
逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层
LLC子层：
负责控制节点间帧的发送和接收，同时检验传输差错；发送时把要发送的数据加上地址和CRC字段等构成帧；接收时，把帧拆开，执行地址识别和CRC检验功能，并具有帧顺序以及差错控制等功能
MAC子层：
实现对共享总线媒体的“交通”管理，并检测传输线路的异常情况。
现场总线有三种媒体访问控制方式：
令牌传送（tokenpassing）、立即响应（immediateresponse）和授权令牌（delegatedtoken）；令牌传送：
节点有令牌才能发送，发送完交还令牌；立即响应：
主节点给某个节点一个机会来应答；授权令牌：
节点可申请令牌。
LAS：
链路活动调度器（LAS,LinkActiveScheduler）。
LAS是一条总线段的调度中心，拥有总线段上所有设备的清单及链路活动调度表。
总线段上的设备只有得到LAS许可，才能向总线上传输数据；LAS应具有以下两种基本功能：
调度通信和非调度通信。
调度通信：
由LAS按预定调度时间表依次发起的通信活动，称为调度通信或周期性通信；预定调度时间表（STL，ScheduleTimeList）；强制数据令牌（CD，CompelDatatoken）。
非调度通信：
在预定调度时间表之外的时间，LAS向总线发出一个传递令牌（PT，PassToken），得到这个令牌的设备才能发送信息，称为非调度通信或非周期性通信
应用层：
现场总线应用层为用户层提供访问现场总线通信环境的手段，定义了允许应用进程间相互通信的协议。
应用层分为两个子层——总线报文规范子层（FMS）和总线访问子层（FAS）。
总线报文规范子层针对分布式测控系统的构成、运行和改变，提供对象字典服务、变量访问服务和事件服务；总线访问子层则针对FMS、功能块、应用管理和系统管理，提供发布/预订接收者、客户/服务器和报告分发三种服务
用户层：
应用进程（
升级会员 