物聯(lián)網(wǎng)通信課件301-末端網(wǎng)-有線通信

1、有線通信有線通信串口USB現(xiàn)場總線X-10電力載波協(xié)議串口串行接口通信是最常見的連接方式技術(shù)簡單，價(jià)格便宜，方便使用，是很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的較好選擇由南航為某公司開發(fā)的基于 條碼的生產(chǎn)控制系統(tǒng)， 掃描槍和計(jì)算機(jī)之間 通過串口線相連。串行接口通信是最常見的連接方式經(jīng)常的接口標(biāo)準(zhǔn)EIA-232(RS-232)EIA-422(RS-422)EIA-449(RS-449)EIA-485(RS-485)EIA-530(RS-530)等經(jīng)常的接口標(biāo)準(zhǔn)性 能 參 數(shù)RS-232RS-422RS-485工作方式單端差分差分結(jié)點(diǎn)數(shù)1收1發(fā)1發(fā)10收1發(fā)32收最大傳輸電纜長度15米1219米1219米最大傳輸速率20

2、kbps10Mbps10Mbps工作方式全雙工全雙工半雙工性 能 參 數(shù)RS-232RS-422RS-485工作方式單單端不歸零編碼單端歸零編碼差分單端不歸零編碼RS-232全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”RS-232目前經(jīng)歷了若干個(gè)版本，較新的版本號為E優(yōu)點(diǎn)簡潔、實(shí)施成本低缺陷：對噪聲較為敏感。容易造成串?dāng)_產(chǎn)生的橫向電磁波，成為影響相鄰電路的嚴(yán)重電磁干擾 （EMI） 源RS-232全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（D采用25腳的DB25連接器較新的E版本RS-232規(guī)定使用其中的23根引腳出于節(jié)省資金和空間的考慮，是9芯的

3、DB-9型連接器被廣泛使用母插座和公插頭一種最為簡單，且常用的連接方法是三線制接法采用25腳的DB25連接器RS-422RS-422通常被認(rèn)為是用來作RS-232的擴(kuò)展，是為改進(jìn)RS-232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的主要集中在工業(yè)控制環(huán)境，特別是長距離數(shù)據(jù)傳輸，如連接遠(yuǎn)程周邊控制器或傳感器定義了一種平衡通信接口利用導(dǎo)線之間的信號電壓差來傳輸信號的差分傳輸方式與單端傳輸方式相比，能有效地提高數(shù)據(jù)傳輸速率RS-422RS-422通常被認(rèn)為是用來作RS-232的擴(kuò)展串口USB現(xiàn)場總線X-10電力載波協(xié)議串口USB總線Universal Serial Bus，通用串行總線由康柏、IBM、Inte

4、l和Microsoft于 1994年共同推出最大的特性是可以支持即插即用 和熱插拔成都索藍(lán)科技公司推出的WSN/ USB網(wǎng)關(guān)USB總線Universal Serial Bus，通用串行發(fā)展歷程發(fā)展歷程1996年發(fā)布的USB1.0。1998年發(fā)布的USB1.1。2000年4月起廣泛使用的USB2.0。2008年11月發(fā)布USB3.0，Super Speed USB。這四種版本最大的差別表現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸速率方面：USB 1.0速度只有1.5Mbps（低速模式）USB 1.1速度提升到12Mbps（全速模式）USB2.0理論傳輸速度達(dá)480Mbps（高速模式）而USB 3.0最大傳輸帶寬高達(dá)5.0Gb

5、ps1.0、1.1、2.0是半雙工方式，3.0支持全雙工方式發(fā)展歷程發(fā)展歷程USB組成一個(gè)主機(jī)，主機(jī)可以連接多個(gè)USB設(shè)備理論上，USB主機(jī)一個(gè)接口可以支持最多127個(gè)設(shè)備當(dāng)USB設(shè)備連接主機(jī)以后，由后者負(fù)責(zé)給此設(shè)備分配一個(gè)唯一的地址USB組成一個(gè)主機(jī)，主機(jī)可以連接多個(gè)USB設(shè)備USB設(shè)備集線器功能部件USB和主機(jī)系統(tǒng)之間的接口稱作主機(jī)控制器一般存在于主機(jī)上USB設(shè)備集線器樹型拓?fù)渥疃嘀С?層在邏輯上，主 機(jī)與各個(gè)設(shè)備 是直接通信的樹型拓?fù)渥疃嘀С?層USB線纜&接頭USB線纜&接頭集線器集線器 USB的層次結(jié)構(gòu) USB的層次結(jié)構(gòu)主機(jī)端客戶軟件是在主機(jī)上運(yùn)行的，使用某一個(gè)USB物理設(shè)備的用戶程

6、序。USB系統(tǒng)軟件，使用主機(jī)控制器對主機(jī)與USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行管理。一般由操作系統(tǒng)提供。主機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)主機(jī)與USB設(shè)備間的電氣和協(xié)議層的匹配，包括：串并轉(zhuǎn)換、幀透明傳輸、數(shù)據(jù)處理、協(xié)議使用、傳輸錯(cuò)誤處理、遠(yuǎn)程喚醒、根Hub和主機(jī)系統(tǒng)接口等功能。主機(jī)端客戶軟件是在主機(jī)上運(yùn)行的，使用某一個(gè)USB物理設(shè)備的用USB設(shè)備端USB物理設(shè)備基于USB通信完成某項(xiàng)功能的一種軟硬件集合，如基于USB的打印機(jī)。一個(gè)USB邏輯設(shè)備對USB系統(tǒng)來說就是一個(gè)端點(diǎn)的集合USB總線接口提供了在主機(jī)和設(shè)備之間的連接。負(fù)責(zé)實(shí)際傳送和接收數(shù)據(jù)包USB設(shè)備端USB物理設(shè)備基于USB通信完成某項(xiàng)功能的一種軟USB傳輸方式數(shù)

7、據(jù)傳送是在主機(jī)軟件和一個(gè)USB設(shè)備的指定端口之間完成的。這種端口間的聯(lián)系稱作通道一個(gè)指定的USB設(shè)備可以擁有許多通道各通道之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)是相互獨(dú)立的特殊的通道缺省控制通道當(dāng)設(shè)備一啟動(dòng)即存在為設(shè)備的設(shè)置、查詢狀況和輸入控制信息提供一個(gè)入口USB傳輸方式數(shù)據(jù)傳送是在主機(jī)軟件和一個(gè)USB設(shè)備的指定端口USB是基于輪詢（Polling）的總線系統(tǒng)由主機(jī)啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)SB設(shè)備不能主動(dòng)與PC機(jī)通信USB是基于輪詢（Polling）的總線系統(tǒng)由主機(jī)啟動(dòng)所有的USB2.0傳輸方式分為以下四種傳輸類型控制傳輸方式：為外設(shè)與主機(jī)之間提供一個(gè)控制通道，負(fù)責(zé)向USB設(shè)置一些控制信息數(shù)據(jù)塊傳輸類型是一種可靠的單向

8、傳輸，但延遲沒有保證，它盡量利用可以利用的帶寬來完成數(shù)據(jù)的傳輸同步傳輸方式支持有周期性、有限時(shí)延，且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的數(shù)據(jù)傳輸，如麥克風(fēng)、攝像機(jī)中斷傳輸單向的傳輸，數(shù)據(jù)量較小，無周期性，但需要及時(shí)處理，以達(dá)到實(shí)時(shí)效果的設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)USB2.0傳輸方式分為以下四種傳輸類型控制傳輸方式：USB傳輸技術(shù)USB信號采用差分傳輸模式編碼采用了NRZI（不歸零翻轉(zhuǎn)編碼）USB傳輸技術(shù)USB信號采用差分傳輸模式當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包含連續(xù)的邏輯1時(shí)，NRZI編碼后，由于太長時(shí)間內(nèi)沒有產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，會使得接收端無法從中得到同步信號，進(jìn)而造成接收時(shí)鐘的漂移位填充法（bit-stuffing）如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)中一旦出現(xiàn)

9、了連續(xù)的6個(gè)1，則在進(jìn)行NRZI編碼前，在這6個(gè)連續(xù)的1后面插入1個(gè)0，然后再進(jìn)行NRZI編碼。接收端如果收到連續(xù)的6個(gè)1，則自動(dòng)去掉后面的1個(gè)0，再繼續(xù)解碼，從而恢復(fù)原數(shù)據(jù)當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包含連續(xù)的邏輯1時(shí)，NRZI編碼后，由于太長時(shí)間USB的發(fā)展無線USB技術(shù)裝備無線收發(fā)裝置以代替電纜連線數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)為480Mbps需要認(rèn)證USB的發(fā)展無線USB技術(shù)裝備無線收發(fā)裝置以代替電纜連線USB的發(fā)展USB3.0最大傳輸帶寬可高達(dá)5.0Gbps考慮到8b/10b編碼方式，實(shí)際的速度只能達(dá)到4Gbps左右結(jié)合協(xié)議開銷及具體實(shí)現(xiàn)的影響，最終速度更低USB 3.0在原有4線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，又增加了5條線路四

10、線差分信號可以兼容USB1.1和USB2.0USB的發(fā)展USB3.0最大傳輸帶寬可高達(dá)5.0GbpsUSB的發(fā)展 USB 3.0主動(dòng)式光纖纜線USB 3.0不足，線纜較為粗重考慮電磁干擾（EMI）、必須使用九根線材提出了主動(dòng)式光纖纜線（Active Optical Cable，AOC）一卷50米AOC纜線USB的發(fā)展 USB 3.0主動(dòng)式光纖纜線USB 3.0串口USB現(xiàn)場總線X-10電力載波協(xié)議串口概述現(xiàn)場總線（Field Bus，也稱現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)）是20世紀(jì)90年代初逐步發(fā)展并推廣起來的一種網(wǎng)絡(luò)作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之一，可以用于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域中現(xiàn)場智能設(shè)備（

11、如智能化儀器/儀表、控制器、執(zhí)行設(shè)備等）之間的，或者現(xiàn)場智能設(shè)備和控制室內(nèi)監(jiān)控機(jī)之間的互連概述現(xiàn)場總線（Field Bus，也稱現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)）是20世紀(jì)9在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸中，長期使用低數(shù)據(jù)速率和點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。在工業(yè)控制或生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器，若采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，安裝成本和介質(zhì)造價(jià)高。在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸中，長期使用低數(shù)據(jù)速率和點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)采用了現(xiàn)場總線技術(shù)后，控制室與廠房之間這段較長的距離，只需要布設(shè)一根線纜即可，而廠房內(nèi)部基于總線，各種設(shè)備只需要通過短距離連線進(jìn)行接入。采用了現(xiàn)場總線技術(shù)后，控制室與廠房之間這段較長的距離，只需要現(xiàn)場總線應(yīng)具有如下特點(diǎn)協(xié)議簡

12、單，控制成本布線簡單，是布線方式的革命全數(shù)字化通信開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，包括通信規(guī)約的開放性，開發(fā)的開放性，并可與不同的控制系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)互可操作性與互用性具備較強(qiáng)的抗干擾性、穩(wěn)定性、容錯(cuò)能力，以及便于查找和更換故障結(jié)點(diǎn)的診斷能力。并且具有較高的實(shí)時(shí)性多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特?，F(xiàn)場總線應(yīng)具有如下特點(diǎn)協(xié)議簡單，控制成本基于現(xiàn)場總線開發(fā)的系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)有維護(hù)軟件、設(shè)備軟件和監(jiān)控軟件等。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，對整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、調(diào)控等測量系統(tǒng)其特點(diǎn)為多變量、高性能的測量，使測量儀表具有智能計(jì)算能力等更多功能設(shè)備管理系統(tǒng)對設(shè)備自身及運(yùn)行過程的診斷信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、廠商

13、提供的設(shè)備制造信息等進(jìn)行統(tǒng)一的管理和維護(hù)基于現(xiàn)場總線開發(fā)的系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)現(xiàn)狀目前，世界上存在著大約四十余種的現(xiàn)場總線，主流的現(xiàn)場總線包括基金會現(xiàn)場總線（Foundation Field bus，F(xiàn)F）控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）LonworksDeviceNetProfibusHART（Highway Addressable Remote Transducer）CC-Link等現(xiàn)狀目前，世界上存在著大約四十余種的現(xiàn)場總線，CAN總線概述最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信CAN所具有的高可靠性、實(shí)時(shí)性和良好的錯(cuò)誤檢

14、測能力受到了越來越多的重視已有多家公司開發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、汽車、傳感器、醫(yī)療設(shè)備、智能化大廈、電梯控制、環(huán)境控制等分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)CAN總線規(guī)范的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層已被ISO制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)CAN總線概述最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部案例基于CANOpen的電梯監(jiān)控系統(tǒng)CANOpen是基于CAN總線的一個(gè)高層應(yīng)用層協(xié)議，而CiA DSP 417是CANOpen在電梯領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)，可以很好的滿足電梯通信的需求案例基于CANOpen的電梯監(jiān)控系統(tǒng)CANOpen是基于案例基于CAN的車載網(wǎng)絡(luò)廈門藍(lán)斯通信的車載終端通過與汽車CAN總線對接，可與GP

15、S、自動(dòng)報(bào)站器、客流統(tǒng)計(jì)儀、POS機(jī)、車載視頻，或其它車載電子設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)工作，形成一個(gè)小型的車內(nèi)局域網(wǎng)還可以通過3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)把車輛行駛記錄（如發(fā)動(dòng)機(jī)工況、車輪轉(zhuǎn)速、油門踩踏位置、剎車位置、開關(guān)門、車內(nèi)燈、水溫、機(jī)油壓力等）和報(bào)警記錄等傳輸?shù)街悄苷{(diào)度系統(tǒng)。調(diào)度中心還可以通過它向車上其它車載電子設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)及指令案例基于CAN的車載網(wǎng)絡(luò)廈門藍(lán)斯通信的車載終端通過與汽車CAN總線系統(tǒng)組成CAN總線系統(tǒng)組成CAN收發(fā)器安裝在控制器內(nèi)部，同時(shí)兼具接收和發(fā)送的功能，將控制器傳來的數(shù)據(jù)化為電信號并將其送入數(shù)據(jù)傳輸線，或者從總線收到的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)交給控制器。數(shù)據(jù)傳輸終端即電阻，防止電信號在總線線端被

16、反射，影響數(shù)據(jù)的傳輸。 數(shù)據(jù)傳輸線雙向的數(shù)據(jù)總線，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號的傳輸。CAN收發(fā)器CAN拓?fù)淇偩€形拓?fù)溆筛?、低電壓兩根線絞合而成，實(shí)現(xiàn)一路信號的差分發(fā)送CAN拓?fù)淇偩€形拓?fù)錁錉钔負(fù)浞种ЬW(wǎng)絡(luò)通過中繼器（Repeater）連接到干線樹狀拓?fù)銫AN協(xié)議物理層CAN的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。但最常用的就是雙絞線CAN的通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（5kbps），通訊速率最高可達(dá)1M bps（40m），網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)CAN的信號調(diào)制解調(diào)方式采用的是不歸零（NRZ）編碼/解碼方式，其信號使用差分電壓傳送CAN協(xié)議物理層CAN的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或總線電平=CAN_H -

17、CAN_LCAN使用下面方式表示邏輯1和邏輯0：隱性，總線電平小于等于0，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯“1”。顯性，總線電平大于0時(shí)，此時(shí)狀態(tài)表示邏輯“0”?！帮@性”具有“優(yōu)先”的意味總線電平=CAN_H - CAN_LCAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層CAN的媒體控制非常簡單，在總線空閑態(tài)，最先開始發(fā)送消息的單元獲得發(fā)送權(quán)，其它處于接收狀態(tài)在發(fā)送前，結(jié)點(diǎn)的收發(fā)器需要對總線進(jìn)行監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)總線空閑時(shí)，就可以啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳送。在數(shù)據(jù)傳送過程中，收發(fā)器還需要繼續(xù)監(jiān)測總線的信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)與傳送的信息不相符時(shí)，表示產(chǎn)生了數(shù)據(jù)的沖突，中斷本次發(fā)送。CAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層CAN的媒體控制非常簡單，在總線空閑有些類似于以太網(wǎng)的CSMA

18、/CD協(xié)議不同的是，當(dāng)出現(xiàn)沖突的時(shí)候，CAN總線可以根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行非破壞性仲裁而CSMA/CD協(xié)議的破壞性丟棄數(shù)據(jù)并進(jìn)行強(qiáng)化碰撞。有些類似于以太網(wǎng)的CSMA/CD協(xié)議按優(yōu)先級進(jìn)行仲裁CAN總線幀的優(yōu)先級是結(jié)合在11位標(biāo)識符中的，具有最低標(biāo)識符的結(jié)點(diǎn)具有最高的優(yōu)先級這種優(yōu)先級一旦確定就不能更改連續(xù)輸出顯性電平最多（標(biāo)識符中含有的0最多，即標(biāo)識符最小）的單元可繼續(xù)發(fā)送舉例：結(jié)點(diǎn)1的標(biāo)識符為011111（優(yōu)先級最低），結(jié)點(diǎn)2的標(biāo)識符為0100110（優(yōu)先級最高），結(jié)點(diǎn)3的標(biāo)識符為0100111按優(yōu)先級進(jìn)行仲裁CAN總線幀的優(yōu)先級是結(jié)合在11位標(biāo)識符中的結(jié)點(diǎn)1的標(biāo)識符為011111（優(yōu)先級最低）結(jié)點(diǎn)2

19、的標(biāo)識符為0100110（優(yōu)先級最高）結(jié)點(diǎn)3的標(biāo)識符為0100111某時(shí)，3結(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送幀，它們的標(biāo)識符前兩位相同，即使同時(shí)發(fā)送，也相互不干擾，此時(shí)，三結(jié)點(diǎn)都不會認(rèn)為產(chǎn)生了沖突，繼續(xù)發(fā)送第3位進(jìn)行比較時(shí)，結(jié)點(diǎn)1的標(biāo)識符是1，是隱性的，被結(jié)點(diǎn)2和3的顯性位所覆蓋。結(jié)點(diǎn)1停止發(fā)送結(jié)點(diǎn)2和3的幀標(biāo)識符在4、5、6位相同，繼續(xù)發(fā)送自己的標(biāo)識符，并不認(rèn)為產(chǎn)生了沖突。直到第7位，結(jié)點(diǎn)3發(fā)現(xiàn)自己發(fā)送的標(biāo)識符被顯性化了，自己的優(yōu)先級比不過結(jié)點(diǎn)2，停止發(fā)送在仲裁過程中被取消發(fā)送的結(jié)點(diǎn)，等待總線的下一個(gè)空閑期嘗試重新發(fā)送結(jié)點(diǎn)1的標(biāo)識符為011111（優(yōu)先級最低）結(jié)點(diǎn)2的標(biāo)識符為CAN協(xié)議應(yīng)用層用戶需要自己定義應(yīng)用層的協(xié)議在CAN總線的發(fā)展過程中出現(xiàn)了各種版本的CAN應(yīng)用層協(xié)議目前定義了應(yīng)用層協(xié)議的有：SAE J1939、ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000 等CAN協(xié)議應(yīng)用層用戶需要自己定義應(yīng)用層的協(xié)議串口USB現(xiàn)場總線X-10電力載波協(xié)議串口國際通用的電力載波協(xié)議針對智能家居網(wǎng)絡(luò)化控制平臺英國Pico Electronics（皮可）公司于1976年研發(fā)出的通過常用的電力線，可以將控制信號傳輸給各個(gè)電氣設(shè)備，將各個(gè)房間的所有電氣產(chǎn)品連接起來國際通用的電力載波協(xié)議利