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1、现场总线原理及应用三江学院1 2022-5-27第2章 工业串行通信原理 现场总线原理及应用三江学院2 2022-5-272.1 2.1 工业串行通信概述工业串行通信概述2.2 串行通信的基础知识串行通信的基础知识本章的主要内容本章的主要内容 本章主要介绍工业串行通信的基本概念和基础知本章主要介绍工业串行通信的基本概念和基础知识。识。2.3 工业串行通信与工业串行通信与EIA4852.4 串行通信的总线控制方式串行通信的总线控制方式现场总线原理及应用三江学院3 2022-5-27 通信的目的是传送信息。通信中应包含有发信方、收信方、传送途径和传送方式。发信方又可称为信源，收信方又可称为信宿。简
2、单的通信系统模型如图2-1所示。2.1 工业串行通信概述图2-1 通信系统模型现场总线原理及应用三江学院4 2022-5-27 通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统两大类。模拟信号既可以通过模拟通信系统传送，也可以通过数字通信系统传送；数字信号既可以通过数字通信系统传送，也可以通过模拟通信系统传送。 在模拟通信系统中直接传送的一定是模拟信号。模拟通信系统的主要缺点是抗干扰能力差和保密性差。2.1 工业串行通信概述现场总线原理及应用三江学院5 2022-5-27 在数字通信系统中直接传送的一定是离散数字信号。相对于模拟通信系统来说，数字通信系统明显的优越性是抗干扰性强、保密性好，且数字电路易
3、于集成、缩小体积，所以现代通信越来越多地采用数字通信系统。现场总线系统通常是数字通信系统。 模拟通信系统和数字通信系统模型如图2-2所示。2.1 工业串行通信概述现场总线原理及应用三江学院6 2022-5-272.1 工业串行通信概述图2-2 模拟/数字通信系统模型现场总线原理及应用三江学院7 2022-5-272.1 工业串行通信概述 不经变换的原始数据信号称为基带信号，直接利用基带信号通过传输信道进行传输的方式称为基带传输，直接传送这种基带信号的系统称为基带传输系统。基带传输是解决数字信号传输的一种方式。 在计算机系统中，CPU和外部数字通信有两种通信方式，即并行通信和串行通信。 串行通信
4、由于硬件结构简单，应用灵活，在自动化领域的应用日益广泛。特别是近十年来，作为串行通信应用最为广泛的现场总线技术得到了飞跃发展。现场总线原理及应用三江学院8 2022-5-272.1 2.1 工业串行通信概述工业串行通信概述2.2 串行通信的基础知识串行通信的基础知识本章的主要内容本章的主要内容 本章主要介绍工业串行通信的基本概念和基础知本章主要介绍工业串行通信的基本概念和基础知识。识。2.3 工业串行通信与工业串行通信与EIA4852.4 串行通信的总线控制方式串行通信的总线控制方式现场总线原理及应用三江学院9 2022-5-272.2.1 串行通信的概念 计算机网络系统的通信任务是传送数据或
5、数据化的信息。这些数据通常以离散的二进制0、1序列的方式表示。码元是所传输数据的基本单位。在计算机网络通信中所传输的大多为二元码，它的每一位只能在0或1两个状态中取一个，每一位就是一个码元。 二进制数字数据在电路中被表示成“0”和“1”的码元形式。这些码元在传输方向上可以是多位并行排列，也可以是一位接一位地串行排列。现场总线原理及应用三江学院10 2022-5-272.2.1 串行通信的概念 a）并行传输 一条信息的各位数据被同时传送的通信方式称为并行通信。并行通信堪称“齐步走”。并行通信的特点是，各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位传送就至少需多少根线，因此传送成本高，只适用
6、于近距离（相距数米）的通信。现场总线原理及应用三江学院11 2022-5-272.2.1 串行通信的概念 一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式称为串行通信，通常，最低位b0在先，依次从低到高逐位送出，当其最高位（如b7）被送出时，该码组就被发送完成。串行传输方式只使用一条传送通道，即一条信道，外设和计算机间使用一根数据信号线（另外需要地线，可能还需要控制线），数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。串行通信的特点是，数据按位顺序传送，最少只需一根传输线即可完成，成本低，但传送速度慢。串行通信的距离可以从几米到几千米。 现场总线原理及应用三江学院12
7、 2022-5-272.2.1 串行通信的概念b）串行传输 现场总线原理及应用三江学院13 2022-5-272.2.2 串行通信的数据帧 在数字通信中，数据（信号码元）应以帧的形式组织起来，以便于接收和识别处理。 串行通信的数据格式有面向字符型的数据格式，如单同步、双同步、外同步；也有面向比特型的数据格式，这以帧为单位传输，每帧由六个部分组成，分别是标志区、地址区、控制区、信息区、帧校验区和标志区。现场总线原理及应用三江学院14 2022-5-272.2.2 串行通信的数据帧 从开始标志到结束标志之间构成一个完整的信息单位，称为一帧（Frame）。所有的信息是以帧的形式传输的，而标志字符提供
8、了每一帧的边界。接收端可以通过搜索“标志字符”来探知帧的开头和结束，以此建立帧同步。 在网络通信中，“包”（Packet）和“帧”（Frame）的概念相同，均指通信中的一个数据块（报文）。对于某种具体通信网络，一般使用术语“帧”。一种网络的帧格式可能与另一种网络不同，通常使用术语“包”来指一般意义的帧。 现场总线原理及应用三江学院15 2022-5-272.2.3 同步通信与异步通信1. 同步通信 所谓同步通信是指在约定的通信速率下，发送端和接收端的时钟信号频率和相位始终保持一致（同步），这就保证了通信双方在发送和接收数据时具有完全一致的定时关系。 同步通信把许多字符组成一个信息组，或称为信息
9、帧，每帧的开始用同步字符来指示。由于发送和接收的双方采用同一时钟，所以在传送数据的同时还要传送时钟信号，以便接收方可以用时钟信号来确定每个信息位。串行数据流的同步传输如图2-4所示。现场总线原理及应用三江学院16 2022-5-272.2.3 同步通信与异步通信图2-4 串行数据流的同步传输现场总线原理及应用三江学院17 2022-5-272.2.3 同步通信与异步通信 同步通信要求在传输线路上始终保持连续的字符位流，若计算机没有数据传输，则线路上要用专用的“空闲”字符或同步字符填充。 同步通信传送信息的位数几乎不受限制，通常一次通信传送的数据有几十到几千个字节，通信效率较高。但它要求在通信中
10、保持精确的位同步、帧同步，所以其发送器和接收器比较复杂，成本也较高，一般用于传送速率要求较高的场合。现场总线原理及应用三江学院18 2022-5-272.2.3 同步通信与异步通信2. 异步通信 异步通信规定字符由起始位（Start Bit）、数据位（Data Bit）、奇偶校验位（Parity）和停止位（Stop Bit）组成。起始位表示一个字符的开始，接收方可用起始位使自己的接收时钟与数据同步。停止位则表示一个字符的结束。 这种用起始位开始，停止位结束所构成的一串信息称为帧（Frame）（注意：异步通信中的“帧”与同步通信中“帧”是不同的，异步通信中的“帧”只包含一个字符，而同步通信中“帧
11、”可包含几十个到上千个字符）。 现场总线原理及应用三江学院19 2022-5-272.2.3 同步通信与异步通信 在传送一个字符时，由一位低电平的起始位开始，接着传送数据位，数据位为58位。在传输时，按低位在前、高位在后的顺序传送。奇偶校验位用于检验数据传送的正确性，也可以没有，可由程序来指定。 最后传送的是高电平的停止位，停止位可以是1位、1.5位或2位。停止位结束到下一个字符的起始位之间的空闲位要由高电平来填充（只要不发送下一个字符，线路上就始终为空闲位，数据帧之间的间隔大小不确定，使得传送的数据码组间没有确定时间关系，是谓异步）。现场总线原理及应用三江学院20 2022-5-272.2.
12、3 同步通信与异步通信 异步通信中典型的帧格式是：1位起始位，58位数据位，1位奇偶校验位（可选），12位停止位，如图2-5所示。 图2-5 串行数据流的异步传输现场总线原理及应用三江学院21 2022-5-272.2.3 同步通信与异步通信 从以上叙述可以看出，在异步通信中，每接收一个字符，接收方都要重新与发送方同步一次，所以接收端的同步时钟信号并不需要严格地与发送方同步，只要它们在一个字符的传输时间范围内能保持同步即可，这意味着对时钟信号漂移的要求要比同步信号低得多，硬件成本也要低得多，但是异步传送一个字符，要增加大约20的附加信息位，所以传送效率比较低。异步通信方式简单可靠，也容易实现，
13、故广泛地应用于各种微型机系统中。 现场总线原理及应用三江学院22 2022-5-272.2.3 同步通信与异步通信 3. 典型串行异步通信的实现 由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“发送移位寄存器”（并串）和“接收移位寄存器”（串并）。典型的串行接口的结构如图2-6所示。现场总线原理及应用三江学院23 2022-5-272.2.3 同步通信与异步通信图2-6 典型串行接口结构现场总线原理及应用三江学院24 2022-5-272.2.3 同步通信与异步通信 接口中的“控制寄存器”用来容纳CPU送给此接口的各种控制信息，这些控制信息决定接
14、口的工作方式。 “状态寄存器”的各位称为“状态位”，每一个状态位都可以用来指示数据传输过程中的状态或某种错误。例如，可以用状态寄存器的D5位为“1”表示“数据输出寄存器”空，用D0位表示“数据输入寄存器满”，用D2位表示“奇偶检验错”等。 能够完成上述“并串并”转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器”（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，UART）。 现场总线原理及应用三江学院25 2022-5-272.2.4 串行通信的全双工和半双工方式1. 全双工方式（Full Duplex） 当数据的发送和接收分流，分别由2根不同的传输线传送
15、时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工制，如图2-7所示。在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。全双工方式无需进行方向的切换，因此，没有切换操作所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延误的交互式应用（例如远程监测和控制系统）十分有利 。 现场总线原理及应用三江学院26 2022-5-272.2.4 串行通信的全双工和半双工方式图2-7 串行通信的全双工方式现场总线原理及应用三江学院27 2022-5-272.2.4 串行通信的全双工和半双工方式2. 半双工方式（Half Duplex） 若使用同一根传输线既作
16、接收又作发送，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据，这样的传送方式就是半双工制。 同一时间内，通信双方之间的数据交换只是单向的。因此，半双工模式下，在某一具体时间数据不是发送就是接收，二者必居其一，不可能同时二者兼而有之，传输线分时复用。 现场总线原理及应用三江学院28 2022-5-272.2.4 串行通信的全双工和半双工方式图2-8 串行通信的半双工方式 现场总线原理及应用三江学院29 2022-5-272.2.5 数据传输速率与传输距离 1. 波特率 在串行通信中，用“波特率”来描述数据的传输速率。当码元采用二进制时，波特率即为比特率。所谓波特率，即每秒钟传送的二进制
17、位数，其单位为bit/s。它是衡量串行数据速度快慢的重要指标。有时也用“位周期”来表示传输速率，位周期是波特率的倒数。国际上规定了一个标准波特率系列：110bit/s、300bit/s、600bit/s、1200bit/s、1800bit/s、2400bit/s、4800bit/s、9600bit/s、14.4kbit/s、19.2kbit/s、28.8kbit/s、33.6kbit/s、56kbit/s。 例如：9600bit/s，指每秒传送9600位，包含字符的数位和其他必需的数位，如奇偶校验位等。 现场总线原理及应用三江学院30 2022-5-272.2.5 数据传输速率与传输距离 通信
18、线上所传输的字符数据（代码）是逐位传送的，1个字符由若干位组成，因此每秒钟所传输的字符数（字符速率）和波特率是两种概念。在串行通信中，所说的传输速率是指波特率，而不是指字符速率，它们两者的关系是：假如在异步串行通信中，传送1个字符，包括12位（其中有1位起始位，8位数据位，1位校验位，2位停止位），其传输速率是1200bit/s，每秒所能传送的字符数是1200/(1+8+1+2)个=100个。图2-9 波特率与位周期 现场总线原理及应用三江学院31 2022-5-272.2.5 数据传输速率与传输距离 2. 发送/接收时钟 在串行传输过程中，二进制数据序列是以数字信号波形的形式出现的，如何对这
19、些数字波形定时发送出去或接收进来，以及如何对发/收双方之间的数据传输进行同步控制的问题就引出了发送/接收时钟的应用。现场总线原理及应用三江学院32 2022-5-272.2.5 数据传输速率与传输距离 在发送数据时，发送器在发送时钟作用下将发送移位寄存器的数据按串行移位输出；在接收数据时，接收器在接收时钟作用下对来自通信线上串行数据，按位串行移入移位寄存器。 可见，发送/接收时钟是对数字波形的每一位进行移位操作，因此，从这个意义上来讲，发送/接收时钟又可叫做移位时钟脉冲。 另外，从数据传输过程中，接收方进行同步检测的角度来看，接收时钟成为接收方保证正确接收数据的重要工具。为此，接收器采用比波特
20、率更高频率的时钟来提高定位采样的分辨能力和抗干扰能力。现场总线原理及应用三江学院33 2022-5-272.2.5 数据传输速率与传输距离3. 波特率因子 在波特率指定后，输入移位寄存器/输出移位寄存器在接收时钟/发送时钟控制下，按指定的波特率速度进行移位。一般几个时钟脉冲移位一次，要求：接收时钟/发送时钟是波特率的16倍、32倍或64倍。波特率因子就是发送/接收1个数据位所需要的时钟脉冲个数，其单位是个/位。如波特率因子为16，则16个时钟脉冲移位1次。例如波特率=9600bit/s，波特率因子=32，则接收时钟和发送时钟频率=960032Hz=307200Hz。现场总线原理及应用三江学院3
21、4 2022-5-272.2.5 数据传输速率与传输距离4. 传输距离 串行通信中，数据位信号流在信号线上传输时，要引起畸变，畸变的大小与以下因素有关：波特率信号线的特征（频带范围），传输距离信号的性质及大小（电平高低、电流大小）。当畸变较大时，接收方出现误码。在规定的误码率下，当波特率、信号线、信号的性质及大小一定时，串行通信的最大传输距离就一定。为了加大传输距离，可以加中继器。 现场总线原理及应用三江学院35 2022-5-272.2.6 差错检验1. 冗余数据校验 发送冗余数据校验是实行差错校验的一种简单办法。发送者对每条报文都发送两次，由接收者根据这两次收到的数据是否一致来判断本次通信
22、的有效性。当然，采用这种方法意味着每条报文都要花两倍的时间进行传输。在传送短报文时经常会用到它。许多红外线控制器就使用这种方法进行差错检验。现场总线原理及应用三江学院36 2022-5-272.2.6 差错检验2. 奇偶校验 串行通信中经常采用奇偶校验来进行错误检查。校验位可以按奇数位校验，也可以按偶数位校验。许多串口支持58个数据位再加上 奇偶校验位的工作方式，是一种只有一位冗余位的校验编码方法。奇校验的约定编码规律要求编码后的校验码中“1”的个数（包含有效信息位和校验位）保持为奇数；偶校验则要求编码后的校验码中“1”的个数（包含有效信息位和校验位）保持为偶数。 接收方检验接收到的数据，如果
23、接收到的数据违背了事先约定的奇偶校验规则，不是所期望的数值，说明出现了传输错误，则向发送方发送出错通知。现场总线原理及应用三江学院37 2022-5-272.2.6 差错检验3. 校验和 另一种差错校验的方法是在通信数据中加入一个差错校验字节。对一条报文中的所有字节进行数学或者逻辑运算，计算出校验和。将校验和形成的差错校验字节作为该报文的组成部分。接收端对收到的数据重复这样的计算，如果得到了一个不同的结果，就判定通信过程发生了差错，说明它接收的数据与发送数据不一致。现场总线原理及应用三江学院38 2022-5-272.2.6 差错检验 一个典型的计算校验和的方法是将这条报文中所有字节的值相加，
24、然后用结果的最低字节作为校验和。校验和通常只有一个字节，因而不会对通信有明显的影响。适合在长报文的情况下使用。但这种方法并不是绝对安全的，会存在很小概率的判断失误。那就是即便在数据并不完全吻合的情况下有可能出现得到的校验和一致，将有差错的通信过程判断为没有发生差错。 CRC(Cyclic Redundancy Checks)的意思是循环冗余校验码。CRC也是串行通信中常用的检错方法，它采用比校验和更为复杂的数学计算，其检验结果也更加可靠。现场总线原理及应用三江学院39 2022-5-272.2.6 差错检验4. 出错的简单处理 当一个节点检测到通信中出现的差错或者接收到一条无法理解的报文时，应
25、该尽量通知发送报文的节点，要求它重新发送或者采取别的措施来纠正。 经过多次重发，如果发送者仍不能纠正这个错误，发送者应该跳过对这个节点的发送，发布一条出错消息，通过报警或者其他操作来通知操作人员发生了通信差错，并尽可能继续执行其他任务。 现场总线原理及应用三江学院40 2022-5-272.2.7 数据的编码 数据的编码研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换），不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合（见图2-10），每一种相应地需要进行不同的编码处理。 用数字信号承载数字或模拟数据编码；用模拟信号承载数字或模拟数据调制。本章只讲解用数字信号承载数字或模拟数据的编码问题。图2-10
26、数据编码的不同组合现场总线原理及应用三江学院41 2022-5-272.2.7 数据的编码 数据编码是指把需要加工处理的数据库信息，用特别的数字来表示的一种技术，是根据一定数据结构和目标的定性特征，将数据转换为代码或编码字符，在数据传输中表示数据组成，并作为传送、接收和处理的一组规则和约定。 几种常见的数据编码方案有单极性码、双极性码、归零码、不归零码、双相码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、多电平编码等。 现场总线原理及应用三江学院42 2022-5-272.2.7 数据的编码 1. 数字数据的数字信号编码 常用的编码有三类：不归零码，分单极性不归零码和双极性不归零码两种；归零码，分单极性归
27、零码和双极性归零码两种；自同步码，有曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码两种。 数字数据的数字信号编码，就是要解决数字数据的数字信号表示问题，即通过对数字信号进行编码来表示数据。数字信号编码的工作由网络上的硬件完成，常用的编码方法有以下三种：现场总线原理及应用三江学院43 2022-5-272.2.7 数据的编码（1）不归零码 不归零码又可分为单极性不归零码和双极性不归零码。图2-11a所示为单极性不归零码。在每一码元时间内，无电压表示数字“0”，有恒定的正电压表示数字“1”。每个码元的中心是取样时间，即判决门限为0.5，0.5以下为“0”，0.5以上为“1”。图2-11b所示为双极性不归零码。在每
28、一码元时间内，以恒定的负电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。判决门限为零电平，0以下为“0”，0以上为“1”。现场总线原理及应用三江学院44 2022-5-272.2.7 数据的编码 b）双极性不归零码 图2-11 不归零码a）单极性不归零码 现场总线原理及应用三江学院45 2022-5-272.2.7 数据的编码（2）归零码 归零码是指编码在发送“0”或“1”时，在每一码元的时间内会返回初始状态（零），如图2-12所示。归零码可分为单极性归零码和双极性归零码。 图2-12a所示为单极性归零码，以无电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。与单极性不归零码的区别是，“1”
29、码发送的是窄脉冲，发完后归到零电平。图2-12b所示为双极性归零码，以恒定的负电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。与双极性不归零码的区别是，两种信号波形发送的都是窄脉冲，发完后归到零电平。现场总线原理及应用三江学院46 2022-5-272.2.7 数据的编码 b）双极性归零码图2-12 归零码 a）单极性归零码现场总线原理及应用三江学院47 2022-5-272.2.7 数据的编码（3）自同步码 自同步码是指编码在传输信息的同时，将时钟同步信号一起传输过去。这样，在数据传输的同时就不必通过其他信道发送同步信号。局域网中的数据通信常使用自同步码，典型代表是曼彻斯特编码和差分曼彻斯
30、特编码，如图2-13所示。 图2-13 自同步码现场总线原理及应用三江学院48 2022-5-272.2.7 数据的编码曼彻斯特（Manchester）编码：每一位的中间（1/2周期处）有一跳变，该跳变既作为时钟信号（同步），又作为数据信号。从高到低的跳变表示数字“0”，从低到高的跳变表示数字“1”。差分曼彻斯特（Different Manchester）编码：每一位的中间（1/2周期处）有一跳变，但是该跳变只作为时钟信号（同步）。数据信号根据每位开始时有无跳变进行取值，有跳变表示数字“0”，无跳变表示数字“1”。现场总线原理及应用三江学院49 2022-5-272.2.7 数据的编码（3）自
31、同步码 自同步码是指编码在传输信息的同时，将时钟同步信号一起传输过去。这样，在数据传输的同时就不必通过其他信道发送同步信号。局域网中的数据通信常使用自同步码，典型代表是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，如图2-13所示。 图2-13 自同步码现场总线原理及应用三江学院50 2022-5-272.2.7 数据的编码2. 模拟数据的数字信号编码 模拟数据的数字信号编码最常用的方法是脉冲编码调制（Pulse Code Modlation，PCM）。它以香农采样定理为理论基础，对模拟信号通过采样、量化和编码转换成数字信号。 （1）理论基础（香农采样定理） 若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频
32、率大于等于有效信号最高频率或其带宽的两倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息，利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。（2）PCM工作步骤 :采样采样 、量化、编码。、量化、编码。 现场总线原理及应用三江学院51 2022-5-272.2.7 数据的编码图2-14 原始模拟信号现场总线原理及应用三江学院52 2022-5-272.2.7 数据的编码图2-15 对模拟信号采样现场总线原理及应用三江学院53 2022-5-272.2.7 数据的编码图2-16 对采样值量化现场总线原理及应用三江学院54 2022-5-272.2.7 数据的编码图2-17 将量化编码现场总线原理及应用三江学
33、院55 2022-5-272.2.7 数据的编码经过上面的处理过程，原来的模拟信号经PCM编码后得到如图2-18所示的一系列二进制数据。图2-18 模拟数据的PCM编码现场总线原理及应用三江学院56 2022-5-272.1 2.1 工业串行通信概述工业串行通信概述2.2 串行通信的基础知识串行通信的基础知识本章的主要内容本章的主要内容 本章主要介绍工业串行通信的基本概念和基础知本章主要介绍工业串行通信的基本概念和基础知识。识。2.3 工业串行通信与工业串行通信与EIA4852.4 串行通信的总线控制方式串行通信的总线控制方式现场总线原理及应用三江学院57 2022-5-272.3.1 工业控
34、制中的串行通信特点工业控制中的串行通信的工业通信网络有如下特点：1）数据传输的及时性和系统响应的实时性。 通常，制造自动化系统的响应时间要求在0.010.5s，过程控制系统的响应时间为0.52s。而信息网络的响应时间则是26s。显然，工业通信网络的实时性要求高得多。2）高可靠性。 工业通信网络强调在工业环境下数据传送的完整性，对于工作在环境恶劣的工业生产现场的通信网络，必须解决环境适应性问题。它包括电磁环境适应性或电磁兼容性EMC、气候环境适应性、机械环境适应性（耐冲击、耐振动）。在易爆或可燃的场合，它应具有本质安全的性能。现场总线原理及应用三江学院58 2022-5-272.3.1 工业控制
35、中的串行通信特点3）工业通信网络需要解决不同厂商的产品和系统在网络上相互兼容的问题，强调互可操作性，因此它在现代通信系统所基于的ISO/OSI“开放系统互连的参考模型”上，加了用户层，通过标准功能块和装置描述（DD）功能来解决这种完整的开放性通信。4）总线供电。工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。现场总线原理及应用三江学院59 2022-5-272.3.1 工业控制中的串行通信特点5）广播、多播与单播通信方式。工业通信网络把松散的单一用户（变送器、执行器、控制器或控制系统等）接入某个系统
36、，其通信方式常使用广播方式、多组方式或基于客户/服务器的单播方式。而在IT网络中一个自主系统与另一个自主系统只在需要通信时建立一对一的方式。6）现场控制层设备间传输的信息长度都比较小。 这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。其长度一般都比较小，通常仅为几位（bit）或几个、十几个、几十个字节（Byte），对网络传输的吞吐量要求不高。现场总线原理及应用三江学院60 2022-5-272.3.2 EIA485的接口电路与电气特性 EIA485（过去叫做RS-485或者RS485）是隶属于OSI体
37、系物理层的电气特性规定，为2线，半双工，多点通信的标准。 它的电气特性和RS232大不一样。用线缆两端的电压差值来表示传递信号。1极的电压标识为逻辑1，另一段标识为逻辑0。两端的电压差最小为0.2V以上时有效，任何不高于12V或者不低于-7V的差值对接收端都被认为是正确的。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+200+2500mV时，为逻辑“1”；若差分电压信号为-200+200mV时，为高阻状态。现场总线原理及应用三江学院61 2022-5-272.3.2 EIA485的接口电路与电气特性EIA485的差分平衡电路如图2-19所示。
38、其一根导线上的电压是另一根导线上的电压取反。接收器的输入电压为这两根导线电压的差值（VA-VB）。图2-19 差分平衡电路现场总线原理及应用三江学院62 2022-5-272.3.2 EIA485的接口电路与电气特性 差分电路的最大优点是抑制噪声。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，一根导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。 差分电路的另一个优点是不受节点间接地电平差异的影响。在非差分（即单端，如RS232C）电路中，多个信号共用一根接地线，长距离传输时，不同节点接地线的电平差异 可能相
39、差好几伏，甚至会引起信号的误读。差分电路则完全不会受到接地电平差异的影 响。现场总线原理及应用三江学院63 2022-5-272.3.2 EIA485的接口电路与电气特性 应该指出的是，EIA485标准没有规定连接器、信号功能和引脚分配。要保持两根信号线相邻，两根差动导线应该位于同一根双绞线内。引脚A与引脚B不要调换。 EIA485仅仅规定了接收端和发送端的电气特性。它没有规定或推荐任何数据协议。EIA485可以应用于配置便宜的广域网和采用单机发送、多机接收通信链接。它提供高速的数据通信速率（平衡双绞线的长度与传输速率成反比，12 m时，10Mbit/s；1200 m时，100 kbit/s）
40、。EIA485和EIA422一样使用双绞线进行高电压差分平衡传输，它可以进行大面积长距离传输（超过4000ft，1200m）。 现场总线原理及应用三江学院64 2022-5-272.3.2 EIA485的接口电路与电气特性 EIA485推荐使用在点对点网络中，总线型，不能是星形、环形网络。理想情况下EIA485需要2个终端电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。没有终端阻抗的话，当所有的设备都静止或者没有能量的时候就会产生噪声。没有终端电阻的话，会使得较快速的发送端产生多个数据信号的边缘，这其中的一些是不正确的。之所以不能使用星形或者环形的拓扑结构，是由于这些结构有不必要的反射，过低或者过高的
41、终端电阻可以产生电磁干扰。现场总线原理及应用三江学院65 2022-5-272.3.2 EIA485的接口电路与电气特性 EIA485可以采用二线与四线连接方式，二线制可实现真正的多点双向通信；在采用四线制时可以和EIA422一样实现全双工。与EIA422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从（Slave）设备，但它比EIA422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上最多可接到32个设备。在某些限制条件下EIA485和EIA422可以实现相互的连接。在短距离传输时可不需终端电阻，即一般在300m以下不需终端电阻。终端电阻接在传输总线的两端。现场总线原理及应用三江
42、学院66 2022-5-272.3.2 EIA485的接口电路与电气特性表2-1 EIA485总线电气性能规 范EIA485工作模式差分传输（平衡传输）允许的收发器数目32（受芯片驱动能力限制）最大电缆长度4000ft（1219m）最高数据速率10Mbit/s最小驱动输出电压范围1.5V最大驱动输出电压范围5V最大输出短路电流250mA最大输入电流1.0mA/12V输入或-0.8mA/-7V输入驱动器输出阻抗54输入端电容50pF接收器输入灵敏度200mV接收器最小输入阻抗12k接收器输入电压范围-7+12V接收器输出逻辑高200mV接收器输出逻辑低200mV现场总线原理及应用三江学院67 2
43、022-5-272.3.3 EIA485的半双工与全双工连接 利用EIA485接口可以使一个或者多个信号发送器与接收器互连，在多台计算机或带微控制器的设备之间实现远距离数据通信，形成分布式测控网络系统。1. EIA485的半双工通信方式 在大多数应用条件下，EIA485的端口都采用半双工通信方式。有多个驱动器和接收器共享一条信号通路。图2-20所示为EIA485端口的半双工连接图。 现场总线原理及应用三江学院68 2022-5-272.3.3 EIA485的半双工与全双工连接图2-20 EIA485端口的半双工连接现场总线原理及应用三江学院69 2022-5-272.3.3 EIA485的半双
44、工与全双工连接 图中两个120电阻是作为总线的终端电阻存在的。当终端电阻等于电缆的特征阻抗时，可以削弱甚至消除信号的反射。特征阻抗是导线的特征参数，它的数值随着导线的直径、在电缆中与其他导线的相对距离及导线的绝缘类型的变化而变化。特征阻抗值与导线的长度无关，一般双绞线的特征阻抗值为100150。 EIA485的驱动器必须能驱动32个单位负载加上一个60的并联终端电阻，总的负载包括驱动器、接收器和终端电阻，不低于54。图2-20中两个120电阻的并联值为60，32个单位负载中接收器的输入阻抗会使得总负载略微降低，而驱动器的输出与导线的串联阻抗又会使总负载增大。最终需要满足不低于54的要求。现场总
45、线原理及应用三江学院70 2022-5-272.3.3 EIA485的半双工与全双工连接 还应该注意的是，在一个半双工连接中，在同一时间内只能有一个驱动器工作。如果发生两个或多个驱动器同时启用，一个企图使总线上呈现逻辑1，另一个企图使总线上呈现逻辑0，则会发生总线竞争，在某些元器件上就会产生大电流。因此所有EIA485的接口芯片都必须包括限流和过热关闭功能，以便在发生总线竞争时保护芯片。现场总线原理及应用三江学院71 2022-5-272.3.3 EIA485的半双工与全双工连接2. EIA485的全双工连接 图2-21 两个EIA485端口的全双工连接尽管大多数EIA485的连接是半双工的，
46、但是也可以形成全双工的EIA485连接。图2-21和图2-22分别表示两点和多点之间的全双工EIA485连接。在全双工连接中信号的发送和接收方向都有它自己的通路。在全双工、多节点连接中，一个节点可以在一条通路上向所有其他节点发送信息，而在另一条通路上接收来自其他节点的信息。现场总线原理及应用三江学院72 2022-5-272.3.3 EIA485的半双工与全双工连接图2-21 两个EIA485端口的全双工连接现场总线原理及应用三江学院73 2022-5-272.3.3 EIA485的半双工与全双工连接图2-22 多个EIA485端口的全双工连接 两点之间全双工连接的通信在发送和接收上都不会存在
47、问题。但当多个节点共享信号通路时，需要以某种方式对网络控制权进行管理。这是在全双工、半双工连接中都需要解决的问题。 现场总线原理及应用三江学院74 2022-5-272.1 工业串行通信概述工业串行通信概述2.2 串行通信的基础知识串行通信的基础知识本章的主要内容本章的主要内容 本章主要介绍工业串行通信的基本概念和基础知本章主要介绍工业串行通信的基本概念和基础知识。识。2.3 工业串行通信与工业串行通信与EIA4852.4 串行通信的总线控制方式串行通信的总线控制方式现场总线原理及应用三江学院75 2022-5-272.4.1 串行总线的结构 网络拓扑结构可以分为星形、环形、总线型、树形网络拓
48、扑结构，如图2-23所示。 a）星形 b）环形 c）总线型 d）树形 图2-23 常用网络拓扑结构图现场总线原理及应用三江学院76 2022-5-272.4.1 串行总线的结构 EIA485网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络，因此EIA485网络最好用一条总线串联各个节点。从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，图2-24所示为实际应用中常见的一些错误连接方式（见图2-24ac）和更正的连接方式（见图2-24df）。图2-24ac所示三种不恰当的网络连接尽管在某些情况下（短距离、低速率）仍然可以正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，信号在各支路末端反射后与原信号
49、叠加造成信号质量下降。现场总线原理及应用三江学院77 2022-5-272.4.1 串行总线的结构 a） b） c） d） e） f） 图2-24 EIA485网络连接现场总线原理及应用三江学院78 2022-5-272.4.2 串行通信的总线控制方式 现场总线系统是工厂的底层控制网络，它把现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室，同时又将各种控制、维护、组态命令，以及工作电源等送往各相关现场设备，从而实现了生产过程现场级控制设备之间及其与操作终端和上层控制管理网络的连接与信息共享。 由于现场总线所肩负的任务特殊，因而它对信息传输的实时性、可靠性要求较高。 现场总线原理及应用三江学院7
50、9 2022-5-272.4.2 串行通信的总线控制方式 现场总线数据链路层（DLL）位于物理层和应用层之间，DLL一般可分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（Medium Access Control，MAC）两部分。 现场总线系统是一种广播网络，而决定广播网络实时性和可靠性的关键是介质访问控制MAC方式，它规定了信道使用权的分配方式。现场总线原理及应用三江学院80 2022-5-272.4.2 串行通信的总线控制方式1. 主从总线通信方式 主从总线通信方式又称为1 N通信方式，是指在总线结构的子网上有N个站，其中只有1个主站，其他皆是从站。 1 N通信方式采用集中式存取控制技术
51、分配总线使用权，通常采用轮询表法。所谓轮询表是一张从站机号排列顺序表，该表配置在主站中，主站按照轮询表的排列顺序对从站进行询问，看它是否要使用总线，从而达到分配总线使用权的目的。现场总线原理及应用三江学院81 2022-5-272.4.2 串行通信的总线控制方式 1 N通信方式中当从站获得总线使用权后有两种数据传送方式。一种是只允许主-从通信，不允许从-从通信，从站与从站要交换数据，必须经主站中转；另一种是既允许主-从通信也允许从-从通信，从站获得总线使用权后先安排主-从通信，再安排自己与其他从站之间的通信。现场总线原理及应用三江学院82 2022-5-272.4.2 串行通信的总线控制方式2
52、. 令牌总线（Token Bus）通信方式 令牌总线通信方式又称为N N通信方式，是指在总线结构的PLC子网上有N个站，它们地位平等没有主站与从站之分，也可以说N个站都是主站。 N N通信方式采用令牌总线存取控制技术。在物理总线上组成一个逻辑环，让一个令牌在逻辑环中按一定方向依次流动，获得令牌的站就取得了总线使用权。令牌总线存取控制方式限定每个站的令牌持有时间，保证在令牌循环一周时每个站都有机会获得总线使用权，并提供优先级服务，因此令牌总线存取控制方式具有较好的实时性。现场总线原理及应用三江学院83 2022-5-272.4.2 串行通信的总线控制方式 取得令牌的站有两种数据传送方式，即无应答
53、数据传送方式和有应答数据传送方式。采用无应答数据传送方式时，取得令牌的站可以立即向目的站发送数据，发送结束，通信过程也就完成了；而采用有应答数据传送方式时，取得令牌的站向目的站发送完数据后并不算通信完成，必须等目的站获得令牌并把应答帧发给发送站后，整个通信过程才结束。 后者比前者的响应时间明显增长，实时性下降。 现场总线原理及应用三江学院84 2022-5-272.4.2 串行通信的总线控制方式 3. 浮动主站通信方式 浮动主站通信方式又称N M通信方式，适用于总线结构的网络，是指在总线上有M个站，其中N（NM）个主站，其余为从站。 N M通信方式采用令牌总线与主从总线相结合的存取控制技术。首
54、先把N个主站组成逻辑环，通过令牌在逻辑环中依次流动，在N个主站之间分配总线使用权，这就是浮动主站的含义。 现场总线原理及应用三江学院85 2022-5-272.4.2 串行通信的总线控制方式 获得总线使用权的主站再按照主从方式来确定在自己的令牌持有时间内与哪些站通信。一般在主站中配置有一张轮询表，可按轮询表上排列的其他主站号及从站号进行轮询。获得令牌的主站对于用户随机提出的通信任务可按优先级安排在轮询之前或之后进行。 获得总线使用权的主站可以采用多种数据传送方式与目的站通信，其中以无应答无连接方式速度最快。现场总线原理及应用三江学院86 2022-5-272.4.2 串行通信的总线控制方式4.
55、 CSMA/CD通信方式 CSMA/CD（Carrier Sense Mutiple Access Collision Detect，载波多路访问和冲突检测）通信方式是一种随机通信方式，总线上各站地位平等，没有主从之分，对任何工作站点都没有预约发送时间，必须在网络上争用传输介质，故称之为争用技术。 若同一时刻有多个站点向传输线路发送信息，则这些信息会在传输线上相互混淆而遭破坏，称为“冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个站点在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是载波监听。 现场总线原理及应用三江学院87 2022-5-272.4.2 串行通信的总线控制方式 5. 令牌环（
56、Token Ring）通信方式 令牌环是环形结构网络采用的一种访问控制方式。由于在环形结构网络上，某一瞬间可以允许发送报文的站点只有一个，令牌在网络环路上不断地传送，只有拥有此令牌的站点，才有权向环路上发送报文，而其他站点只允许接收报文。站点在发送完毕后，便将令牌传给网上下一个站点，如果该站点没有报文需要发送，便把令牌顺次传给下一个站点。因此，表示发送权的令牌在环形信道上不断循环。环上每个相应站点都可获得发报权，而任何时刻只会有一个站点利用环路传送报文，因而在环路上保证不会发生访问冲突。现场总线原理及应用三江学院88 2022-5-272.4.2 串行通信的总线控制方式 CSMA/CD通信方式可以看作一个没有红绿灯的十字路口的车辆，当正交方向上的车辆增多时，大家都抢着过，结果发生碰撞的可能性增加，谁都过不去。这时通信速率再高，也是无效的。主从访问是有序访问，不会发生碰撞。但是主从访问进程中，大约有一半的通信是无效的或低效的。而令牌环和令牌总线技术中，前面一个从站发送完了，下一个有数据要发送的站，紧接着就发送。显然，令牌访问方式是平均效率最高的。它既能保证总线满载，又不发生碰撞。
