現(xiàn)場總線技術(shù)文獻綜述剖析

1、現(xiàn)場總線技術(shù)論文論文題目：現(xiàn)場總線技術(shù)文獻綜述論文類型：文獻綜述姓 名：學 號：班 級：2016年6月6 日i摘要現(xiàn)場總線(Fieldbus)是指開放式、國際標準化、數(shù)字化、相互交換操作的雙向傳送、連接 押能儀表和控制系統(tǒng)的逍時網(wǎng)纟浜它作為工廠數(shù)亍逋柱網(wǎng)耀的基和I溝通牛產(chǎn)過移刃場及 控制設(shè)各之間及貞山更高控制管理次之間趾；係匚它不僅是一個基麗絡(luò)而口檢定一Q開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這是一項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術(shù)為主 要內(nèi)戀的綜合技術(shù) 是佶息化帶動工收化和工業(yè)化椎動佶息化時適m技術(shù) 是能應m各 種計算機控制領(lǐng)域的工業(yè)總線 入相當大的人力、物力、財力來進行開發(fā)研究1。當今現(xiàn)場總

2、線技術(shù)一直是國際上各大公可激烈竟們勺頷域 由-規(guī)場恙綻技術(shù)的不斷創(chuàng)新 過程控制桑統(tǒng)白第四代怕DCS發(fā)展至 今的FCS(Fieldbus Control System)系凱 U被稱為越仁弋討粕空制系凱2。而FCS和DCS 的真別在其現(xiàn)場總線技術(shù)見總線技術(shù)以數(shù)了信號取代模擬信號 企3C(Computer計算 機、Control控、Commcenication通信)現(xiàn)場檢測與控制信息就地采集、就地處理、就地仗川 許務掉制瓦韭從控制空移卒壩場沒各舟丁-國際上幹人公司在刃場恙 維技術(shù)這一領(lǐng)城的氐升仍未形成一個統(tǒng)一的標淮耳前刃坳總統(tǒng)網(wǎng)絡(luò).聯(lián)那杲遴守OSI 參考模型3木上改變控制系統(tǒng)的理念和方法將極人地掛動

3、鑒個工業(yè)領(lǐng)城的技術(shù)進步対工業(yè)動化 系統(tǒng)的影響將是積極和深遠的。關(guān)謹？ CAN總線、LonWorks總線、FF總線AbstractFieldbus (Fieldbus) refers to open, international standardization, digital and mutual excha nge operati ons two-way tran smissi on, connecting in tellige nt in strume nt and con trol system of com muni catio n n etwork. It as pla nt dig

4、ital com muni cati on n etwork, the basis of the product ion process com muni cati on betwee n field and the con trol equipme nt with higher con trol man ageme nt level and the con tact betwee n. It s not only a grass-roots n etwork, but also a kind of open, new whole distribution control system. Th

5、is is an intelligent sensing, control, computer, digital com muni cati on tech no logy as the main contents of the comprehe nsive tech no logy, isbecoming an information based society impetus industrialization and the industrialization push the applicable tech no logy, in formati on can be applied t

6、o various computer con trol areas of in dustrial bus, because of fieldbus pote ntial great opport un ities, the worldwide each big compa nies in vest con siderable huma n, material nd finan cial resources to develop research 1. Todays Fieldbus tech no logy has bee n intern ati onal compa nies compet

7、itive field, because of Fieldbus tech no logy un ceas ing inno vati on, process Con trol System con sists of the fourth gen erati on since the DCS developme nt of Fieldbus Con trol System (FCS) System, has bee n called the fifth generation process Control System 2. But the real differenee of DCS and

8、 FCSin the fieldbus tech no logy. Now bus tech no logy replaced with digital sig nal an alog sig nals in 3C (Computer Con trol Con trol, Computer, Commcen icatio n com muni cati on) tech no logy, and on the basis of field test and Control information of in situ Set, in situ treatment and on-the-spot

9、 use, many control functions from the control room moved to site equipment. The big company because intern ati onal in the fieldbus tech no logy this field of competiti on, still not form an uni fied standards, currently fieldbus network interconnection abide by the OSI referenee model 3.Because of

10、fieldbus to computers, microelectro nics, n etwork com muni cati on tech no logy as the foun dati on, this tech no logy are fun dame ntally cha nge con trol system con cepts and methods, will greatly promote the whole in dustry to progress of tech no logy, in dustrial automati on system, the effect

11、will be positive and far-reach ing.Key word: thecan bus, LonWorks fieldbus, FF bus現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行數(shù)字式多點雙向通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場總線技術(shù)自70它生減少系緲纜 簡化系統(tǒng)安狼、維護和詩理 降低聚統(tǒng)的投資和運行成木 増強系統(tǒng) 性能等方口的憂越性 引起人忙的泛注意 得到人 范圍的推廣&致:r動控制領(lǐng)城耶 一場革命。爲場鶯銭我求加T迅速繪蚯H歹許FF現(xiàn)場總線基金會)、Profibus 匯琲衛(wèi)Lo nWorksCANHARTLonWorks得到包括

12、IBM、Honeywell、ABB 等大公司在內(nèi)的25001/3 7工程師協(xié)會ASHRAE的樓宇自動化的標準。不斷向數(shù)丫化、澈型化、分樹匕個性化、t/H化發(fā)展 工業(yè)控制機舷向網(wǎng)斛匕集成化、 綜合化、科隹化方向發(fā)展隨著佶息化苗動工業(yè)化 業(yè)化促進佔息化的進展企業(yè)務息 化、禮區(qū)恰息化、冢庭性息化的發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù)詢市場不斷擴人前景寬廣國內(nèi)外發(fā) 展狀況。1984年美國Inter公司提出一種計算機分布式控制系統(tǒng)-卞總液 BITBUS 它_L妄是 將低訥YJ而向過科竹輸人輸岀逍道打高述怕訃算機總線盜 MULTIBUS分離 形成了現(xiàn)場 總線的最初概念。80Rosemou ntHAR通信協(xié)議。采用在4 20m

13、A計HART協(xié)議已是現(xiàn)場總線的雛形。1985年由Honeywell和Bailey學人會司笈扛 成亶World FIP制定了 FIP協(xié)議。1987SiemensRosemountISPPROFIBUS協(xié)議。后來美國儀器儀表學會。也制定了現(xiàn)場總線標準IEC/ISA SP50.的巾丸彳旳刃場總線集才I 一個是以Siemens、Rosemount,橫河為首的ISPii：M1対一個是 由 Honeywell、Bailey 等公司牽頭的 WorldFIP 集團。1994Fieldbus Fou ndati onFF。對于現(xiàn)場總線的找IEC/ISA SP50間表。CAN 是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controlle

14、r Area Network, CAN)子產(chǎn)品著稱的德國 BOSCHISO118?8:是國厲上屈川最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)竝毛.局城網(wǎng)勺林淮總錢 并口一擁仃以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車 輛設(shè)計的J1939 1:-泛應用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境CAN是Controller Area Network 即乓卜私:.対CAN 是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議。當前的汽忙產(chǎn)業(yè)屮 出丁刈安全限 坍適性、方便性、低公害、低成木的娶求 各種各樣的電 子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型

15、及對可靠性的要求不盡相同由多條恙統(tǒng)構(gòu)城的情況很多線束的數(shù)量乜隨Z曹加。為適應減少線束的數(shù)星”逋 過多個LAN 世茶人宜蘆掙怡可逗邊伯“T惴出1986年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN通佶協(xié)訊 此h： CAN通過ISO11898及ISO11519滸仃珂懵弁觀蘭處毆 洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標準協(xié)議。CAN卞于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的 熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間 實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持。CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。 較之目

16、前許多 RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強首先,CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)（取決于報文標識符）采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差。CAN總線通過CAN收發(fā)器接口芯

17、片 82C250的兩個輸出端 CANH和CANL與物理總線相 連,而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會在出現(xiàn)在 RS-485網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)象，即當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是僅有電氣協(xié) 議RS-485所無法比擬的

18、。已形成國際標準的現(xiàn)場總線另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現(xiàn)場總線。這些也是目前 CAN總線應用于眾多領(lǐng)域 具有強勁的市場競爭力的重要原因。最有前途的現(xiàn)場總線之一CAN即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設(shè)計，CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領(lǐng)上的應用是最廣泛的，世界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ奔馳）、BMW（寶馬）、PORSCHE保時捷）、ROLLS-ROYC勞斯萊斯）和JAGUAR美洲豹）等都

19、采用了 CAN總線來實現(xiàn)汽 車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。同時，由于CAN總線本身的特點，其應用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標準，SAEJ1939/ISO11783CANOpen CANaerospace DeviceNet、NMEA2000 等。主制:眷Ei部網(wǎng) CAN CONTROLLER AREA NETWORK是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應用領(lǐng)先相出的一種霧主機后部網(wǎng)由-T共門性能訃叫-辜性、實時性等優(yōu)點現(xiàn)L廣泛應.4J T I. 業(yè)自動化

20、、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。控制器局 部網(wǎng)將在我國迅速普及推廣。隨淆計算機碼L軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)罐工咔制系統(tǒng)成為計算機技 術(shù)應用領(lǐng)域中城貝活力的一個分玄 并取得了巨尢進步:出Z1系統(tǒng)可京性和靈活性的庇要 求工戰(zhàn)控制系統(tǒng)曲發(fā)摧主要表規(guī)為 控制血向多冗化 系統(tǒng)iii向分做化 即負載分散能 分散、危險分散和地域分散。 分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應這種需要而發(fā)展起來的。這5C 技術(shù)-COMPUTERCONTROL技術(shù) 、COMMUNICATIONCRT 丘小技術(shù)和CHANG 轉(zhuǎn)1：技診孝密結(jié)合的產(chǎn)物,它在適應范日、町擴浪性、可維護性以及抗故障能力等方而

21、校Z分故型儀表 系統(tǒng)和集中型計算機控制系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性。典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備、接口七計算設(shè)峯以及逸信i殳備幻成.現(xiàn)場總線FIELDBUS能叵時滿足過秤控托和制造業(yè)門 動化他需要因帀規(guī)禺總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域小最為活跌的-個述威:現(xiàn)場總線的研 究與應用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點。盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能提出一個完善的標但現(xiàn)壇準尚未統(tǒng)一也使律視場總踐怡應用律以不拘一格地發(fā)擇并將為現(xiàn)場總線時覚善提供更 加豐富的依據(jù)?？刂破骶植烤W(wǎng) CAN CONTROLLER AERANETWORKl昱亡上&二肯.系卜局運 而生的。由于CAN化。1991 年 9 月 PHILIPS SEMI

22、CONDUCTOR制并發(fā)布了 CAN 技農(nóng)燈而 VERSION 2.0 :;該技術(shù)規(guī)范包括 A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術(shù)規(guī)范版本1.2中定義的CAN報文112.0B29位地址。1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具 -數(shù)字信息交換-高速通信控制器局 祁網(wǎng) CANISO11898CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)狷交喚市卄發(fā)的一種串彳T數(shù)據(jù)逋佶協(xié)議它是一種哆主總銭逋苛介暢可次是雙絞 線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1MBPS。完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理簡單介紹總體框圖 基于FF現(xiàn)場總線協(xié)議的無線PC接口卡的基本功能是能

23、夠自主地與符合FF協(xié)議的無線通信設(shè)備進行通信。無線PC接口卡的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖一所示。其硬件電路包括 CPU與PC主機CPU的通信接口、CPU與通信控制器的硬件接口、通信控制器數(shù)據(jù)緩沖存儲器的接口、 通信控制器與無線收發(fā)單元的接口等4個部分。其中雙口 RAM采用CY7C09449PV-AV芯， CPU選用嵌入式控制中最常用的Intel80188CPU;通信控制器選用SMAR公司的FB3050無淺收笈申兒=1干乃氓收笈也片nRF401及其外圍電路構(gòu)成。圏一 無線PC接口 X總體結(jié)構(gòu)祇圖接口卡CPU與PC的接口 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，PC總線日新月異。PCISIG(PeripheralCompon

24、ent Interconnect Special Inter2est Group)因其具有 32/64 位寬度、最高傳輸率在 64 位時達264 MB/ s、獨立總線時鐘、總線操作與CPU的無關(guān)性、極小的存取延誤、 強兼容性、 自動配置、低成本等特點，使其在高性能PC領(lǐng)域有替代ISA工業(yè)標準結(jié)構(gòu))總線的趨勢，考慮 到當前需求及今后發(fā)展，在宿主總線的選擇上采用PCI總線。硬件接口芯片為CypressSemic on ductor公司的PCI總線雙口 RAM。CY7C09449PV-AC是一款適于 PCI2.2總線規(guī)范的 功能完善、價格低廉的雙端口RAM接口芯片，其中一個端口是 PCI接口,適合與

25、PC機通信,另一個端口是本地接口 ，適合與各類本地 CPU通信，其總線通信時鐘速率可達 50 MHz，兩個端 口均可以獨立讀/寫靜態(tài)存儲器 SRAM。其主要特點如下：完全兼容 PCI規(guī)范2.2殳木128k雙向靜態(tài)SRAM;可作為主/從設(shè)備進行數(shù)據(jù)的傳輸，支持PCI突發(fā)方式工作及 DMA 嗦嚇 二右 120( Intelligent Input/Output)功能，當 I2O 單元工作時包含 4 組 32 位 FIFO(First In First Out)、中斷寄存器及部分 SRAMSRAM川丁一-殷詡一的 支持3 V、5 V電I2O總線對芯片進行初始化設(shè)置，并把設(shè)置參數(shù)存于非易失性NVRAM

26、中孑160腳扁平方形塑封。Y7C09449PV-AC可以采用總線仲裁加等待的方式，允許兩邊CPU在指令級共享 SRAM,允許兩邊的 CPU相互通過中斷交換信息，還允許通過狀態(tài)信號相 互同步。在此采用狀態(tài)寄存器及中斷的方式進行通信握手并快速傳遞數(shù)據(jù)。接口卡CPU與通信控制器FB3050的接口 FB3050是SMAR公司推出的第三代基金會現(xiàn)場總線通信控制器 芯片，該芯片符合ISASP50 - 2 -1992 ,PART2中所規(guī)定的現(xiàn)場物理層標準。FB3050芯片功能框圖如圖二所示。從圖二中可以看出FB3050通過3總線與CPU相連接右邊部分FB3050輸出的存儲器總線,CPU和FB3050二者都能

27、夠通過存儲器總線訪問掛接在該總線上的存儲器。下邊部分是FB3050通過介質(zhì)存取單元和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相連接，中間部分是 FB3050的內(nèi)部功能塊。FB3050的主要功能是實現(xiàn)總線上的信號驅(qū)動與接收、 傳輸數(shù)據(jù)的串并行轉(zhuǎn)換、串行數(shù)據(jù)的編碼與解碼、信息幀的打包和解包、幀校驗序列的產(chǎn)生和驗證等。.wag*HJ.Lrfw r,z! rEssniB.idrwiA冇砒辭融輻m |=t+=r- im 器 S|T站艦地用為帕彊-fSrsi耶絲妊 播1畑塊tP煽弒址IP 艮 4+-H0 I Z Mrn t 宦時Jj&jLA llTLfi定時單兀圖-FB3050功能柿圖由于FB3050的接口設(shè)計上已經(jīng)充分考慮了和In

28、tel系列CPU接口的問題,因此FB3050和Intel80188的接口是非常簡單的。Intel80188的地址總線數(shù)據(jù)總線可以直接和FB3050的地址數(shù)據(jù)總線相連接,4條片選線MCSOMCS3中的任一條都可以作 FB3050的存儲器片選線。7條I/O片選線PCS0 PCS6中的任一條都可以作為 FB3050的內(nèi)部存儲器片選線；FB3050 內(nèi)部共需要38個I/O址,Intel80188每條I/O片選線可以提供128個I/O 口地址，因此完全可以 滿足要求。FB3050的中斷輸出為低電平有效，而Intel80188CPU的中斷輸入線需要高電平或 上升沿信號，因此需要加一反向器。FB3050的R

29、EADY輸出線可以直接接到Intel80188的AREADY引腳上，使得FB3050的DMA和CPU能夠共享 FB3050的局部存儲器總線。Intel 80188的時鐘輸出信號可以直接作為FB3050的系統(tǒng)時鐘輸入。 FB3050與無線收發(fā)單元的接口nRF401。nRF401是NORDIC公司最新推出的工作于ISM頻段(433 MHz)的單片無線收發(fā)一體芯片。它是目前集成度最高的無線數(shù)傳產(chǎn)品,20腳雙列直插封裝。nRF401內(nèi)部包含高頻接收/發(fā)射、PLL合成FSK調(diào)制/解調(diào)和雙頻切換等單元。該芯片有如下特點：FSK調(diào)制方式，直接數(shù)據(jù)輸入輸出，抗干擾能力強，特別適DSS + PLL頻率合成技術(shù)，

30、頻率穩(wěn)定性極好；靈敏度高，達到-105dBm 20 kb/s發(fā)射功率達+ 10dBm 廠汎川勺y.”離詁迂if達1000m 二仁上ISM頻段433MHz和雙 信道頻率433192 MHz/433134 MHz ,使用不需要申請許可證。利用nRF401實現(xiàn)的無線收發(fā)單元與FB3050接口電路原理圖如圖三所示。其中，無線收發(fā)單元的天線設(shè)計采用環(huán)形差分天 線。nRF401的時鐘輸入要與 CPU和B3050胡步 卜川：nRF401必須與CPU和FB3050共用一 個時鐘源。nRF401芯片的數(shù)據(jù)輸出(DOUT)/輸入(DIN)與FB3050的接收輸入(PIPHPDU)發(fā)送 輸出(PO- PHPDU)FB3050的數(shù)據(jù)發(fā)送允許信號引腳PO- TACT當 PO- TACT輸出為高電平時為發(fā)送模式，.!2二九摟攻隠 cs為頻率選擇引腳，接pcb跳線，由高低電平 P