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2006年01月14日现场总线技术与应用东北大学秦皇岛分校通用串行端口数据通信2006年01月14日现场总线技术与应用通用串行端口数据通信•EIA-232-D接口标准•EIA-485-D接口标准2006年01月14日现场总线技术与应用EIA-232-D接口标准•美国电子工业协会EIA制订的物理接口标准.•前身是RS-232-C物理接口标准。2006年01月14日现场总线技术与应用机械特性•DB25连接器•DB9连接器2006年01月14日现场总线技术与应用电气特性ext不平衡电气连接方式地线信号线2006年01月14日现场总线技术与应用电气特性ext发送端接收端噪声地线2006年01月14日现场总线技术与应用电气特性•EIA-232-D电气特性采用负逻辑。－5～－15V，表示逻辑“1”；＋5～＋15V，表示逻辑“0”。2006年01月14日现场总线技术与应用接口特性2006年01月14日现场总线技术与应用近距离通信•最简接线（3线制）•标准接线（7线制）2006年01月14日现场总线技术与应用最简接线无硬件握手方式2006年01月14日现场总线技术与应用近距离通信•最简接线（3线制）•标准接线（7线制）2006年01月14日现场总线技术与应用标准接线全握手方式甲乙2006年01月14日现场总线技术与应用通用串行端口数据通信•EIA-232-D接口标准•EIA-485-D接口标准2006年01月14日现场总线技术与应用EIA-485与EIA-232•EIA-232最大传输距离15m，最大传输速率19.2Kbps，最多2个节点。•EIA-485最大传输距离1200m，最大传输速率10Mbps，最多32个节点。•EIA-485更适合工业通讯。2006年01月14日现场总线技术与应用EIA-485的电气特性•EIA-485-D电气特性采用正逻辑。＋2～＋6V，表示逻辑“1”；－2～－6V，表示逻辑“0”。2006年01月14日现场总线技术与应用EIA-485的电气特性ext•平衡电气连接，能够抑制噪声。串音2006年01月14日现场总线技术与应用EIA-485的电气特性ext•发送端信号：DT=(D+)－(D-)DT：发送端原始信号；D+、D-：差分后信号。如果无噪声干扰，接收端信号：DR＝(D+)－(D-)=DT2006年01月14日现场总线技术与应用EIA-485的电气特性ext•如果存在噪声干扰，传输线上信号电压分别成为(D＋)＋Noise和(D-)＋Noise；•如果接收端接收此信号，并计算电压差：DR＝[(D＋)+Noise]-[(D-)＋Noise]＝(D+)-(D-)＝DT•与发送端信号相同2006年01月14日现场总线技术与应用EIA-485的端口连接•EIA-485的全双工连接•EIA-485的半双工连接2006年01月14日现场总线技术与应用EIA-485的全双工连接2006年01月14日现场总线技术与应用EIA-485的半双工连接2006年01月14日现场总线技术与应用EIA-485的网络连接•半双工通信时，采用总线形。•EIA-485规定，每个网段最多连接32个负载。如果超过32个，需要添加中继器。2006年01月14日现场总线技术与应用主从式介质访问控制方式•网段的一个节点被指定为主节点，其他节点为从节点。•由主节点负责控制网段上所有的通信连接。从节点不能主动发起通信。•为保证每个从节点都有机会传送数据，主节点需要对从节点依次逐一轮询。•主节点不停地传送报文给从节点，并等待从节点的应答报文。2006年01月14日现场总线技术与应用主从通讯示例ControllerDrive1SensorDrive3Drive2DataAcquisitionALLEN-BRADLEY789456123.0------------------'--F1F6F2F7F3F8F4F9F5F10PanelView550^vHMIAnalogI/O2006年01月14日现场总线技术与应用示例：DF1主从通讯配置•计算机和MicroLogix1000控制器处于同一EIA-485网络，通过配置实现PC机与MicroLogix1000的主从通讯。•计算机作为主设备•MicroLogix1000作为从设备2006年01月14日现场总线技术与应用MicroLogix1000作为从节点的配置1、建立已知类型(如DF1全双工)的通讯，并启动RSLogix500软件，在线MicroLogix1000控制器。2006年01月14日现场总线技术与应用第二步2、选择ChannelConfiguration（通道组态）2006年01月14日现场总线技术与应用第三步3、将程序下载到MicroLogix控制器中，此时与PC机的原有通讯丢失，等待建立新通讯。2006年01月14日现场总线技术与应用计算机作为主设备的配置11、启动RSLinx软件，选择组态驱动….2006年01月14日现场总线技术与应用计算机作为主设备的配置22、选择驱动类型为DF1PollingMasterDriver….协议类型2006年01月14日现场总线技术与应用计算机作为主设备的配置33、设置计算机的节点地址为1。PC机节点地址2006年01月14日现场总线技术与应用计算机作为主设备的配置44、定义轮询列表，将从节点地址加入。从节点地址2006年01月14日现场总线技术与应用计算机作为主设备的配置55、设置计算机串口，定义物理层。2006年01月14日现场总线技术与应用计算机作为主设备的配置66、设置DF1主从协议规定部分，超时和差错检测模式。2006年01月14日现场总线技术与应用通讯建立2006年01月14日现场总线技术与应用习题•详述EIA-232和EIA-485在抗噪声干扰方面的不同点，并分析原因。•详述主从通讯过程。2006年01月14日现场总线技术与应用CAN-控制器局域网•背景与应用•CAN与ISO7层模型•物理层•数据链路层2006年01月14日现场总线技术与应用CAN-控制器局域网络•由欧洲Bosch所开发•要求来自BMW与Mercedes•应用于汽车内部的通讯•减少配线的数量•衔接各个分布式控制器2006年01月14日现场总线技术与应用CAN-控制器局域网络ext车尾灯发动机控制门车前灯ABS仪表板CAN2006年01月14日现场总线技术与应用CAN-控制器局域网•背景与应用•CAN与OSI7层模型•物理层•数据链路层2006年01月14日现场总线技术与应用CAN与OSI/RM逻辑链路控制子层超载通知接收过滤介质访问控制子层故障限定错误检测确认报文帧仲裁物理层位定时和同步传输速率信号电平ISOOSI7层模型CAN层次结构表述层应用层会话层传输层网络层数据链路层物理层2006年01月14日现场总线技术与应用CAN-控制器局域网•背景与应用•CAN与OSI7层模型•物理层•数据链路层2006年01月14日现场总线技术与应用物理层•CAN组网•CAN总线速率与距离的关系•电气特性•位编码•位定时•同步2006年01月14日现场总线技术与应用CAN组网2006年01月14日现场总线技术与应用物理层•CAN组网•CAN总线速率与距离的关系•电气特性•位编码•位定时•同步2006年01月14日现场总线技术与应用通信速率与距离2006年01月14日现场总线技术与应用速率与距离的关系ext•CAN的直接通信距离最远可达10km（传输速率为5kbps）；最高通信速率可达1Mbps（传输距离为40m）。•CAN的节点数最多为110个。2006年01月14日现场总线技术与应用物理层•CAN总线的速率与距离的关系•电气特性•位定时•位编码•同步2006年01月14日现场总线技术与应用电气特性•采用差分连接的方式。2006年01月14日现场总线技术与应用电气特性•双绞线中一根为CAN-H,另一根为CAN-L.地线2006年01月14日现场总线技术与应用电气特性ext•逻辑“1”时，总线呈现“隐性”状态。VCAN-H和VCAN-L固定在平均电压2.5V，即Vdiff近似为0。•逻辑“0”时，总线呈现“显性”状态。VCAN-H为3.5V,VCAN-L为1.5V，即Vdiff为2V。2006年01月14日现场总线技术与应用物理层•电气特性•CAN总线的速率与距离的关系•位编码•位定时•同步2006年01月14日现场总线技术与应用位编码•采用不归零码（NRZ）2006年01月14日现场总线技术与应用位编码ext•NRZ技术的优势–噪音信号少–适用于逐位仲裁技术(Bit-WiseArbitration)•NRZ技术的劣势–不确定性同步(Non-determinantSynchronisation)采用位填充技术(Bit-Stuffing)解决2006年01月14日现场总线技术与应用同步2006年01月14日现场总线技术与应用位编码ext•位填充：在每五个连续的同电位(或逻辑)之后，嵌入一个位的反相电位(或逻辑)。•实例:传输数据=01100000000100000000111S2006年01月14日现场总线技术与应用物理层•电气特性•CAN总线的速率与距离的关系•位编码•位定时•同步2006年01月14日现场总线技术与应用位定时•理想的发送器在没有进行同步的情况下，每秒发送的位数定义为正常位速率。•在一个给定的CAN系统里，位传输速率是唯一的，并且是固定的。•位时间指一位的持续时间，是位速率的倒数。2006年01月14日现场总线技术与应用位时间的组成同步段传播段相位缓冲段1相位缓冲段2采样点2006年01月14日现场总线技术与应用同步2006年01月14日现场总线技术与应用同步•硬同步•重同步2006年01月14日现场总线技术与应用硬同步•仅在总线空闲时通过一个跳变沿（帧起始）完成；•强迫引起硬同步的跳变沿位于重新开始计时的位时间的同步段之内。2006年01月14日现场总线技术与应用重同步•在消息帧的随后位中，每当有跳变沿出现，且该跳变落在了同步段之外，就会引起一次重同步。•重同步机制根据跳变沿的位置延长或者缩短位时间以调整采样点的位置，保证正确采样。2006年01月14日现场总线技术与应用重同步ext•相位误差：跳变沿相对同步段的位置。如果跳变沿处于同步段内，则相位误差为0；如果跳变沿位于采样之前，同步段之后，则相位误差大于0；如果跳变沿位于当前的采样点之后，下一个位的同步段之前，则相位误差小于0。2006年01月14日现场总线技术与应用重同步ext2006年01月14日现场总线技术与应用重同步ext2006年01月14日现场总线技术与应用CAN-控制器局域网•背景与应用•CAN与OSI七层模型•物理层•数据链路层2006年01月14日现场总线技术与应用数据链路层•介质访问控制子层（MAC）•逻辑链路控制子层（LLC）2006年01月14日现场总线技术与应用介质访问控制子层•介质访问控制•报文分帧•错误检测2006年01月14日现场总线技术与应用CSMA/CD+NDBA•载波监听多路访问/冲突检测(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect)–允许多个节点进行总线访问–用于以太网(Ethernet),CAN等...•非破坏性的逐位仲裁技术(None-DestructiveBit-wiseArbitration)–利用NRZ(不归零码)技术–信号冲突时不会破坏信号•不浪费带宽(bandwidth)•保证很高的信号吞吐率(throughput)2006年01月14日现场总线技术与应用监听过程如果网络上正在发送一帧报文，另一个节点必须等待，直到发送结束后才能开始发送自己的报文.节点1节点1发送的报文帧间隔网络延迟时间Time3位时间节点1想要发送报文它侦听网络上有报文发送，于是等待此次发送结束，直到结束后，还要间隔至少3个位时间节点X正在发送2006年01月14日现场总线技术与应用节点A节点B节点C总线隐显t1t2SOFt1&t2,节点C和节点