智能传感器系统 第6章 通信功能与总线接口

第6章通信功能与总线接口目录第1章概述第2章智能传感器系统中经典传感技术基础第3章不同集成度智能传感器系统介绍×第4章智能传感器的集成技术第5章智能传感器系统智能化功能的实现方法第6章通信功能与总线接口第7章智能技术在传感器系统中的应用第8章智能传感器系统的设计与应用×第9章无线传感器网络技术概述第6章通信功能与总线接口第6章通信功能与总线接口要点：现场总线与智能传感器；CAN接口技术；IEEE1451标准；工业以太网络技术。第6章通信功能与总线接口第6章通信功能与总线接口一个庞大的多点、多参数测控系统是由为数众多的现场设备及传感器或变送器组成。随着信息技术的迅速发展，基于传统技术的分散型控制系统（DCS）越来越表现出它的许多不足之处：不能适应庞大的复杂系统控制的需要；随着规模增大，系统变得过于复杂，成本较高。为解决上述问题，通过向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，加强系统功能。采用专家系统，制造自动化协议标准，以及硬件上诸多新技术。乃致二十世纪八十年代中后期陆续出现了多种不同形式的现场总线，如：HART、CAN、PROFIBUS、FF、LONWORKS等。在多种现场总线共存的情况下，主要的问题就是：尚无一个最完善、最具有权威性、一致公认、统一的标准协议。为解决上述问题，在多方的共同努力下，目前基本上有望以IEEE1451标准和工业以太网协议作为控制领域针对底层和控制层及其以上层统一的标准协议。第6章通信功能与总线接口§6.1.1现场总线控制系统中的智能传感器与现场总线现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线控制系统的出现是生产与管理自动化、信息网络化发展的一种必然结果。FCS的典型结构：现场总线的节点是现场设备或现场仪表。监控机用于管理挂接在现场总线上的各种智能仪表或传感器、执行器等。计算机监控机传感器传感器执行器…现场总线...§6.1现场总线与智能传感器第6章通信功能与总线接口现场总线控制系统中的传感器与仪表1、特点1）传感器与仪表是智能化的，智能仪表为现场总线的出现奠定了基础；2）具有自校准、自补偿功能；3）具有自我管理的功能；4）成为对单一量的自行测量、自行数据处理、自行分析判断、决策的控制系统，亦即就地控制；5）具有标准数字总线接口。2、与传统集散控制系统的比较1）传统控制系统是信息集中处理分散控制，而现场总线中设备本身兼具处理与控制功能，亦称分散智能。如同现在经济建设中的宏观调控（相对于计划经济）。2）与上位机的关系仅仅是通报信息，接受宏观调控。第6章通信功能与总线接口现场总线控制系统中的现场总线它是用于现场总线仪表与控制室系统之间的一种全数字化、串行、双向、多站的通信网络。实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警显示、监控、优化及管控一体化的综合自动化功能。物理层：一般采用双绞线。1、特点：全数字化通信；通信线供电，开放式互联网络1）全数字化通信“DCS”是“半数字”系统，现场总线是“纯数字”系统，因此它具有强的抗干扰能力，通过校验检验可进一步提高信号传输的正确性，这样可使得过程控制的准确性和可靠性更高，从而使整个控制水平进入到一个高的层次，产生间接的经济效益。2）通信线供电第6章通信功能与总线接口类似于电话，可进一步提高控制现场的安全性。前提：低功耗现场仪表；基础：集成化和智能化。3）开放式互连网络可实现同层网络相连和不同层网络相连。前提：统一的标准数字化总线接口；遵守统一的通信协议。问题：现场总线仪表、设备种类繁多。最终的效果：即插即用，自由组态。4）专门为过程控制而设计工业过程控制的要求：高完整性、高可靠性、本质安全。工业环境的特点：高温、高压、有毒、爆炸性、电磁干扰、机械振动、放射性等。2、现场总线的优越性1）成本低。节省硬件数量与投资；减少变送器的数量；不需要DCS系统第6章通信功能与总线接口的信号调理、转换、隔离等功能单元及复杂接线；可用工控PC作操作站。2）节省安装费用，可节约安装费用60％以上。3）节省维护费用，由于现场设备具有自诊断及简单故障处理能力。4）用户具有高度的系统集成自主权。5）提高了系统的准确性与可靠性。§6.1.2现场总线网络协议模式我们前面讲到现场总线的推广应用，需要有统一的标准数字化总线接口和通信协议。那么这个统一的协议模式应该是什么样的呢？我们先了解一下按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI）的参考模型：见下图第6章通信功能与总线接口开放系统互连是指：在终端设备、节点计算机之间借助于通信线路交换信息时，所需遵循的那些标准协议。OSI模型的主要结构思想之一是功能结构分层的原则。任何一个主机节点相对于另一个主机节点的同等层之间，都有对应的通信协议。同等层之间的通信是每一层把数据和控制信息送到下一层，这样层层下传，各层分别执行本层特有的功能，直到最低物理层将信息传送给另一节点主机的物理层，进行实际的物理通信，两个节点高层之间只存在着虚拟的通信。低三层可以用（通信子网协议）分组交换网协议。应用层表示层会话层传送层网络层数据链路层物理层用户用户25X第6章通信功能与总线接口1）物理层：通过系统的连接透明地传送比特流，不考虑信息的意义和构成。有四个主要特性：a）机械特性：各种机械接口，插头座的结构，针脚数；b）电气特性：规定分界点处的电器性能，电平的高低；c）功能特性：数据、控制、定时、接地、交换电路的交换功能；d）规程特性：规定如何使用上述接口线。作用：在数据链路实体之间建立、维护和拆除物理连接。2）数据链路层：针对数据传送，并使其达到无差错传输，它对物理层的要求：a）在两结点之间能建立数据电路的连接；b）收站发站都是逐比特地传送信息，而且已经建立了位的同步。本层解决的问题：第6章通信功能与总线接口a）数据链路的建立和拆除：字符同步、站地确认、收发关系确立、传输结束的表示。b）信息的传输：信息帧的格式、大小、顺序编号，曼彻斯特编码。c）传输差错的控制，CRC校验。d）异常情况的处理纠正差错采用计时器恢复和自动请求重发等技术。控制规程分两种：面向字符型，面向比特型。3）网络层：完成控制通信子网的工作，并解决每个节点中通信控制处理机同其主机之间的接口，从而完成通信控制处理机同主机的协议。功能：实现两个系统之间的连接。在计算机网络系统中，还具有多路复用的功能。网络的交换技术、路由选择、流量控制、拥塞控制和差错控制。第6章通信功能与总线接口4）传送层：给用户提供一个端到端的传输服务，起着底层与高层之间接口层的作用，完成开放系统之间的数据传送控制。功能：开放系统之间数据的收发确认，对经过下三层之后仍然存在的传输差错进行恢复，进一步提高可靠性。编址与寻址；连接的建立与终止；流量控制、缓冲；多路复用；分流和合流；差错校正。主要是提高吞吐量和服务质量。5）会话层：面向用户的服务，用于用户标识识别、登录、故障恢复等。标识的典型方法是通过主计算机号和进程号来标识报文的出处，会话层的目的在于为表示实体提供组织和同步它们之间的对话手段，交替改变发信端的传送控制；在传送数据中需给数据打上标记，以便出现意外时，由打标记处重发。第6章通信功能与总线接口提供的服务有：a）建立会话连接；b）释放会话连接；c）正常的数据交换；d）隔离服务；e）加速数据交换；f）交互式管理；g）会话连接同步；h）例外报告。6）表示层作用：用户进程若要向第6层送入一个报文流，表示层便将此报文压缩、加密、而后发送给目的地主机，而且目的地主机第6层则把它们解密和扩展复原之后，再把这些报文转交给目的地用户进程。第6章通信功能与总线接口提供的服务：提供表达信息，它包括：提供字符代码、数据格式、控制信息格式、加密等的统一表示，仅对应用层的信息内容的形式进行变换，而不改变内容本身。7）应用层：是用户同计算机通信网络真正的界面。它没有被精确定义，其应用进程分为三种类型：a）系统管理应用进程：用于执行所需的系统功能，以便控制和监视系统的操作。b）应用管理进程：用于监视和控制应用进程的操作。c）用户应用进程：供终端用户去执行实际要进行的信息处理。在应用层需要考虑的问题：——分布式数据库系统：完成分布式数据库的存取功能，达到在网络上的用户能共享数据的目的。第6章通信功能与总线接口——分布式操作系统：用统一的方法去管理网络数据和运行程序。以ISO/OSI参考模型简化的IEC/ISA现场总线通信结构模型，为满足过程控制实时性的要求，仅为三层结构体系：应用层；数据链路层；物理层。应用层（FAL）功能：为过程控制用户提供一系列的服务，它包括：实现应用进程之间的通信；提供应用接口的操作标准。进程：任务执行过程中的环节、步骤和事件。1、几个概念1）应用进程（AP）：概念化的分布式系统的信息处理部件（软件和硬件）资源的集合，由用户部分及通信部分组成，它以应用进程目标来表达。这就像有一些实验仪器设备和操作规程，要想做个实验，就把所需的仪器设备组合起来，按照操作规程来进行实验，最后得到所需的实验结果。第6章通信功能与总线接口2）应用进程目标（APO）：为应用进程处理活动和处理信息的网络表达。它靠应用实体（AE）来支持，由应用实体提供对APO的访问。3）应用实体（AE）：为一些通信服务功能，它是现场总应用服务元素的集合。多个应用服务元素（ASE）提供一组传递应用层及其APO的请求和应答的服务。每个ASE都是特定的，它包括变量、事件、装载区域、功能请求等，它相当于实验中的具有特定功能的仪器。——应用进程之间的信息交换是在相似的应用服务元素之间以应用协议数据单元（APDU）来实现的。——应用进程之间的关系是通过逻辑链接来实现的（称为应用关系AR），应用关系表示了一种两个或多个应用实体之间的关系，系统通过一个特殊的应用服务元素（ARASE）提供建立、维持这种应用关系。并提供在多个AP之间传送应用协议数据单元服务。第6章通信功能与总线接口2、现场总线通信结构模型中两种不同的单向数据交换模式：1）PUSH模式由发布方来启动向索取方的数据发送，数据通信不需要应答。2）PULL模式由单独的发布管理器决定数据发送的时刻，并强迫发布方发送相关的信息，同时需要确认。3、客户/服务器类型方式：客户请求，服务器响应请求并进行相应操作。分为：确认服务和非确认服务。数据链路层上下层之间的接口，通过它进行实时管理，来协调不同应用进程的工作过程。第6章通信功能与总线接口为保证实时性，现场总线采用集中式管理方式，可有效利用物理通道，减少或避免实时通信的延迟。特点：1）建立一个特殊的站点，该站点给需要传送信息的站点分配带宽（数据通道），称为链接调度器。2）周期性数据的两种发送方式：a）PULL模式；b）令牌，规定了使用时间。3）非周期性数据a）实时性要求高——采用相应的管理策略，如中断；b）实时性不是很高——采用“尽快”策略，令牌的使用。4）具有调度表修改的功能，亦即优先级的管理策略。第6章通信功能与总线接口物理层同ISO/OSI模型中物理层的概念，但具体要求不一样。介质：双绞线，光纤，射频传输速度：31.25Kb/s（用于支持本质安全的环境），1Mb/s，2.5Mb/s通信距离：1900m（31.25Kb/s），750m（1Mb/s），500m（2.5Mb/s）。§6.1.3几种典型的现场总线标准书中介绍的几种现场总线标准基本上都包括了前面我们介绍的物理层、数据链路层和应用层，它们之间的主要差别也就是在应用层上的差别。具体的协议内容要结合相应的产品应用才能领会其实质。各种总线标准的比较第6章通信功能与总线接口应用层表示层会话层传送层网络层数据链路层物理层应用层物理层数据链路层总线访问子层物理层通信栈用户层功能块与设备描述物理层数据链路层隐去第3～7层用户接口物理层数据链路层Bell202HARTHART指令ISO/OSI现场总线协议FF模型PROFIBUSCANHART第6章通信功能与总线接口FF（FoundationFieldbus）现