《數(shù)據(jù)網絡與總線》課件-項目三 總線通訊核心技術

1.現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線概述本次內容Content串行通信特點01現(xiàn)場總線的產生02現(xiàn)場總線的本質03思考一下：我們常見的通信方式有哪些？4傳統(tǒng)傳遞信息：書信、名片、狼煙、面談現(xiàn)代傳遞信息：電報、傳真、對講機、電話、微信、倒車雷達、WIFI、藍牙、遙控器（紅外線）等數(shù)據(jù)傳輸方式：按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨蚝蜁r間關系分類5單工：單工數(shù)據(jù)傳輸指的是兩個數(shù)據(jù)站之間只能沿一個指定的方向進行數(shù)據(jù)傳輸。例如收音機。半雙工：數(shù)據(jù)傳輸是兩個數(shù)據(jù)之間可以在兩個方向上進行數(shù)據(jù)傳輸，但不能同時進行。典型的半雙工設備是對講機。全雙工：數(shù)據(jù)傳輸是在兩個數(shù)據(jù)站之間，可以兩個方向同時進行數(shù)據(jù)傳輸。例如電話數(shù)據(jù)傳輸方式：按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞蚍诸?串行：是指數(shù)據(jù)的二進制代碼在一條物理信道上將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸?shù)姆绞?。?yōu)點通信線路少，節(jié)約成本布線簡便易行施工方便結構靈活缺點傳輸速率低要解決收發(fā)同步問題使用場景適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信電子電路設計信息傳遞等數(shù)據(jù)傳輸方式：按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞蚍诸?并行：指的是數(shù)據(jù)以成組的方式，在多條并行信道上同時進行傳輸，是在傳輸中有多個數(shù)據(jù)位同時在設備之間進行的傳輸。一般是一個字節(jié)8位二進制數(shù)，同時傳輸。優(yōu)點傳輸速度高控制方式簡單缺點傳輸信道多、設備復雜線路連接成本高使用場景適用于短距離、要求傳輸比較快的場合，如微處理器較少使用串行傳輸：按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞絼澐?異步傳輸：以字符為單位傳輸數(shù)據(jù)，采用位形式的字符同步信號，發(fā)送器和接收器具有相互獨立的時鐘(頻率相差不能太多)，并且兩者中任一方都不向對方提供時鐘同步信號。同步傳輸：以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，可采用字符形式或位組合形式的幀同步信號(后者的傳輸效率和可靠性高)，由發(fā)送器或接收器提供專用于同步的時鐘信號?，F(xiàn)場總線的發(fā)展歷程9在過程控制領域中，從20世紀50年代至今一直都在使用著一種信號標準，那就是4~20mA的模擬信號標準。20世紀70年代，數(shù)字式計算機引入到測控系統(tǒng)中，而此時的計算機提供的是集中式控制處理。20世紀80年代微處理器在控制領域得到應用，微處理器被嵌入到各種儀器儀表設備中，形成分布式控制系統(tǒng)。在分布式控制系統(tǒng)中，各微處理器被指定一組特定任務，通信則由一個帶有附屬“網關”的專門網絡提供，網關的程序大部分由用戶編寫的。現(xiàn)場總線的產生10微處理器的發(fā)展，產生以IC代替常規(guī)的電子線路，出現(xiàn)智能設備

數(shù)字式智能儀表，具有專家系統(tǒng)等功能通信技術的發(fā)展，促使傳送數(shù)字化信息的網絡技術開始使用環(huán)境監(jiān)測需求增加

控制精度、可操作性、可維護性、可移植性不斷增加?，F(xiàn)場總線的產生現(xiàn)場總線的產生11現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點、多站的通信網絡。按照IEC對現(xiàn)場總線（FieldBus）一詞的定義，現(xiàn)場總線是一種應用于生產現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備之間、現(xiàn)場設備與控制裝置之間實行雙向、串行、多點數(shù)字通信的技術。

現(xiàn)場總線的本質12標準不統(tǒng)一，所以現(xiàn)場總線也有不同的定義，但現(xiàn)場總線的本質含義表現(xiàn)在以下幾個方面：1）現(xiàn)場通信網絡用于過程以及制造自動化現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互連通信網絡。2）現(xiàn)場設備互連現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源等，并可根據(jù)需要選擇不同類型的傳輸線。現(xiàn)場總線的本質133）互操作性現(xiàn)場設備或者現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設備，所以，互相連接不同制造商的產品是不可避免的4）分散功能塊把功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構成虛擬控制站。5）通信線供電對于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，采用這種供電方式，化工、煉油等企業(yè)的生產現(xiàn)場有可燃物質，現(xiàn)場總線設備必須嚴格遵循安全防爆標準，現(xiàn)場總線也不例外。2.串行通信串行通信本次內容異步串行通信接口ContentUART01RS-23202RS-48503RS-42204引入17通訊問題，和交通問題一樣，也有高速、低速、擁堵、中斷等等各種情況。如果把串口通訊比做交通，UART比作車站，那么一幀的數(shù)據(jù)就好比汽車。汽車跑在路上，要遵守交通規(guī)則。如果是市內，一般限速30、40，而高速公路則可以到120。而汽車走什么路，限速多少，就要看協(xié)議怎么規(guī)定了。常見的串口協(xié)議有RS-232、RS-422、RS-485等，他們之間有何細微差別？下面我們就一起來探討一下1UART18UART是通用異步收發(fā)傳輸器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)，通常稱作UART是一種異步收發(fā)傳輸器,是設備間進行異步通信的關鍵模塊。用一條傳輸線將數(shù)據(jù)一位位地順序傳送。特點：通信線路簡單、降低成本，適用于遠距離通信，但傳輸速度慢的應用場合。

數(shù)據(jù)傳送速率用波特率來表示，即每秒鐘傳送的二進制位數(shù)。若加入一個合適的電平轉換器，如SP3232E、SP3485，UART還能用于RS-232、RS-485通信，或與計算機的端口連接。1UART19數(shù)據(jù)通信格式中，各位的意義如下：

起始位：先發(fā)出一個邏輯”0”信號，表示傳輸字符的開始。

數(shù)據(jù)位：可以是5~8位邏輯”0”或”1”。

校驗位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應為偶數(shù)(偶校驗)或奇數(shù)(奇校驗)

停止位：它是一個字符數(shù)據(jù)的結束標志?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。

空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當前線路上沒有資料傳送。UART有4個pin（VCC,GND,RX,TX）

用的TTL電平,

低電平為0(0V)，高電平為1（3.3V或以上）。2RS-232標準20RS-232是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號。RS-232是對電氣特性以及物理特性的規(guī)定，只作用于數(shù)據(jù)的傳輸通路上，它并不內含對數(shù)據(jù)的處理方式。是基于UART通訊的一個機械和電氣接口標準。2RS-232標準21采用共模傳輸方式時，共模噪聲將會疊加在最終的輸出信號上面，污染了原始的信號。早期由于PC都帶有RS-232接口，所以我們需要使用UART時，都選擇RS-232?，F(xiàn)在個人電腦，筆記本、臺式機都不再帶有RS-232的接口，電腦主板上面沒有DB9的接口。所以現(xiàn)在開發(fā)板都選擇TTL的UART，或者直接UART轉USB做在開發(fā)板上。2RS-232標準22由于RS-232接口標準出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點：

（1）

接口的信號電平值較高，易損壞接口電路芯片，又因為232電平與TTL電平不兼容故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接；（2）

傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps?，F(xiàn)在由于采用了新的UART芯片，波特率達到115.2Kbps；（3）

接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱；（4）

傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50米，實際上也只能用在15米左右；（5）

RS-232只容許一對一的通信，沒有考慮構成串行總線。在RS-232-C中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系。即：邏輯"1"，-5--15V；邏輯"0"+5-+15V。2RS232接口23計算機通訊接口之一，通常RS-232接口以9個引腳(DB-9)或是25個引腳(DB-25)的型態(tài)出現(xiàn)，一般個人計算機上會有兩組RS-232接口，分別稱為COM1和COM2。3RS48524RS-485和RS-232一樣，都是串行通信標準，現(xiàn)在的標準名稱是TIA485/EIA-485-A，但是人們會習慣稱為RS-485標準，RS-485常用在工業(yè)、自動化、汽車和建筑物管理等領域。RS-485總線彌補了RS-232通信距離短，速率低的缺點，RS-485的速率可高達10Mbit/s，理論通訊距離可達1200米；RS-485和RS-232的單端傳輸不一樣，是差分傳輸，用一對雙絞線，一根線定義為A，另一個定義為B。3RS48525RS485采用兩線制接線方式，總線拓撲結構，在同一總線上最多可以掛接32個節(jié)點。3RS48526主機發(fā)送給從機或者從機發(fā)送給主機，都會占用到A和B線，所以RS-485多用在半雙工模式。RS-485接口的最大傳輸距離標準為1200米（9600bps時），實際上可達3000米RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。3RS485接口27RS485無具體的物理形狀，根據(jù)工程的實際情況而采用的接口。4RS-422標準28RS-422的電氣性能與RS-485完全一樣。主要的區(qū)別在于：RS-422有4根信號線：兩根發(fā)送、兩根接收。由于RS-422的收與發(fā)是分開的所以可以同時收和發(fā)（全雙工），也正因為全雙工要求收發(fā)要有單獨的信道，所以RS-422適用于兩個站之間通信，星型網、環(huán)網，不可用于總線網；RS-485

只有2根信號線，所以只能工作在半雙工模式，常用于總線網。3.CAN總線概述CAN總線概述本次內容Content工作原理01組網與收發(fā)02數(shù)據(jù)幀格式03特點041、工作原理32CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域網，是一種能夠實現(xiàn)分布式實時控制的串行通信網絡。近些年來，CAN控制器價格越來越低，很多MCU也集成了CAN控制器?，F(xiàn)在每一輛汽車上都裝有CAN總線。下圖為一個典型的CAN應用場景。歷史:CAN是由Bosch和Intel在八十年代末開發(fā),用于連接客車和卡車ECU的標準化的總線系統(tǒng)。CAN2.0標準在1991年發(fā)布，迄今沿用。在1992年首先應用在MercedesS-系列車中(連接發(fā)動機和變速箱ECU)。

1993年CAN成為國際標準ISO11898(高速應用)和ISO11519（低速應用）。如今CAN總線在自動化領域中作為現(xiàn)場總線普遍使用。任何官方應用需要向Bosch支付費用。1、工作原理現(xiàn)狀:

由于CAN總線的特點，得到了Motorola，Intel，Philip，Siemence，NEC等公司的支持，它廣泛應用在離散控制領域，其應用范圍目前已不僅局限于汽車行業(yè)，已經在自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域中得到了廣泛應用。目前世界上絕大多數(shù)汽車制造廠商都采用CAN總線來實現(xiàn)汽車內部控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。1、工作原理CAN總線為什么在汽車上得到了如此廣泛的應用呢？1、工作原理在該例中，共需要5條數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳遞，也就是說，每項信息都需要一個獨立的數(shù)據(jù)線。面臨問題：如果傳遞信號項目多，還需要更多的信號傳輸線，這樣會導致電控單元針腳數(shù)增加、線路復雜、故障率增多及維修困難。1、工作原理各控制單元之間的所有信息都通過兩根數(shù)據(jù)線進行交換——CAN數(shù)據(jù)總線通過該種數(shù)據(jù)傳遞形式，所有的信息，不管控制單元的多少和信息容量的大小，都可以通過這兩條數(shù)據(jù)線進行傳遞，能大規(guī)模的減少系統(tǒng)的復雜性。1、工作原理1、工作原理38優(yōu)點：傳輸速度最高到1Mbps，通信距離最遠到10km，無損位仲裁機制，多主結構。CAN控制器價格越來越低。低成本：ECUs通過單個CAN接口進行通信，布線成本低。高集成：CAN總線系統(tǒng)允許在所有ECUs上進行集中錯誤診斷和配置?？煽啃裕涸撓到y(tǒng)對子系統(tǒng)的故障和電磁干擾具有很強的魯棒性，是汽車控制系統(tǒng)的理想選擇。高效率：可以通過id對消息進行優(yōu)先級排序，以便最高優(yōu)先級的id不被中斷。靈活性：每個ECU包含一個用于CAN總線收發(fā)芯片，隨意添加CAN總線節(jié)點。1、工作原理39CAN總線以廣播的方式從一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，當一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，該節(jié)點的CPU把將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和標識符發(fā)送給本節(jié)點的CAN芯片，并使其進入準備狀態(tài);一旦該CAN芯片收到總線分配，就變?yōu)榘l(fā)送報文狀態(tài)，該CAN芯片將要發(fā)送的數(shù)據(jù)組成規(guī)定的報文格式發(fā)出。此時，網絡中其他的節(jié)點都處于接收狀態(tài)，所有節(jié)點都要先對其進行接收，通過檢測來判斷該報文是否是發(fā)給自己的。由于CAN總線是面向內容的編址方案，因此容易構建控制系統(tǒng)對其靈活地進行配置，使其可以在不修改軟硬件的情況下向CAN總線中加入新節(jié)點。2、組網與收發(fā)40CAN總線網絡主要掛在CAN_H和CAN_L，各個節(jié)點通過這兩條線實現(xiàn)信號的串行差分傳輸，為了避免信號的反射和干擾，還需要在CAN_H和CAN_L之間接上120歐姆的終端電阻。2、組網與收發(fā)41CAN收發(fā)器的作用是負責邏輯電平和信號電平之間的轉換。即從CAN控制芯片輸出邏輯電平到CAN收發(fā)器，然后經過CAN收發(fā)器內部轉換將邏輯電平轉換為差分信號輸出到CAN總線上，CAN總線上的節(jié)點都可以決定自己是否需要總線上的數(shù)據(jù)。具體的引腳定義如下：助記符引腳描述TXD1發(fā)送數(shù)據(jù)GND2地VCC3電源RXD4接收數(shù)據(jù)VIO5參考電壓輸出CANL6低電平CAN總線CANH7高電平CAN總線S8高速模式/靜音模式2、組網與收發(fā)42CAN總線采用不歸零碼位填充技術，CAN_H-CAN_L<0.5V時候為隱性的，為"邏輯1"-高電平。CAN_H-CAN_L>0.9V時候為顯性的，為"邏輯0"-低電平。低速高速CAN總線上的信號有兩種不同的信號狀態(tài)，分別是：顯性的(Dominant)邏輯0和隱形的(recessive)邏輯1。2