現(xiàn)場總線與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)場總線概念定義：現(xiàn)場總線（Fieldbus）是指將現(xiàn)場設(shè)備（如數(shù)字傳感器、變送器、儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）與工業(yè)過程控制單元、現(xiàn)場操作站等互連而成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，具有全數(shù)字化、分散、雙向傳輸和多分支的特點(diǎn)，是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場級發(fā)展的產(chǎn)物。自控領(lǐng)域的局域網(wǎng)，控制現(xiàn)場的底層網(wǎng)絡(luò)?？刂葡到y(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變1、初級控制系統(tǒng)20世紀(jì)50年代以前，由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較小，各類檢測、控制儀表處于發(fā)展的初級階段，生產(chǎn)設(shè)備以機(jī)械設(shè)備為主，所用的設(shè)備主要是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場、具有簡單測控功能的基地式儀表，信號基本上都是在本儀表內(nèi)起作用（主要是顯示功能），一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，各測控點(diǎn)為封閉狀態(tài)，無法與外界溝通信息，操作人員只能通過對生產(chǎn)現(xiàn)場的巡檢來了解生產(chǎn)過程的運(yùn)行狀況?？刂葡到y(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變2、模擬儀表控制系統(tǒng)（PCS、ACS）60年代至70年代后期，先后出現(xiàn)了以電子管、晶體管、集成電路為核心的氣動和電動單元組合式儀表兩大系列。它們分別以壓縮空氣和直流電源作為動力，用于對防爆要求較高的化工生產(chǎn)和其他行業(yè)，防爆等級為本質(zhì)安全型，并以氣壓信號0.02MPa～0.1MPa，直流電流信號0mA～10mA、4mA～20mA，直流電壓信號0V～5V，1V～5V等作為儀表的標(biāo)準(zhǔn)信號，在儀表內(nèi)部實(shí)行電壓并聯(lián)傳輸，外部實(shí)行電流串聯(lián)傳輸，以減小傳輸過程的干擾。控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變3、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)（CCS）模擬信號的傳遞需要一對一的物理連接，信號變化緩慢，提高計(jì)算速度與精度的開銷、難度都較大，信號傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差，因此，80年代初人們開始尋求用數(shù)字信號取代模擬信號，研制出直接數(shù)字控制（DirectDigitControl，DDC）系統(tǒng)，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替控制室內(nèi)的儀表來完成控制系統(tǒng)功能。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，人們總是用一臺計(jì)算機(jī)取代控制室的所有儀表，于是出現(xiàn)了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。這樣，解決了信號傳輸及抗干擾問題。風(fēng)險(xiǎn)高度集中控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變4、集散控制系統(tǒng)（DCS）隨著計(jì)算機(jī)可靠性的提高和價(jià)格的下降，自控領(lǐng)域又出現(xiàn)了新型控制方案——集散控制系統(tǒng)，它由數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制器（PLC）以及多臺計(jì)算機(jī)構(gòu)成，當(dāng)一臺計(jì)算機(jī)出故障時(shí)，其他計(jì)算機(jī)立即接替該計(jì)算機(jī)的工作，使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。在集散系統(tǒng)中系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)被分散到多臺計(jì)算機(jī)承擔(dān)，避免了集中控制系統(tǒng)的高風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，它被工業(yè)生產(chǎn)過程廣泛接受，這就是今天正在被許多企業(yè)采用的DCS系統(tǒng)。在DCS系統(tǒng)中，測量儀表、變送器一般為模擬儀表，控制器多為數(shù)字式，因而它又是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。封閉控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變5、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)突破了DCS通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，即可以將來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動化設(shè)備通過現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)把DCS集中與分散結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場?，F(xiàn)場總線具有較高的測控性能，一是得益于儀表的智能化，二是得益于設(shè)備的通信化。控制網(wǎng)絡(luò)vs.信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸控制網(wǎng)絡(luò)信息網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募皶r(shí)性、響應(yīng)的實(shí)時(shí)性0.01~0.5s2.0~6.0s（大部分甚至可忽略）完整性可靠性惡劣環(huán)境也能保證非惡劣環(huán)境通信方式可廣播或組播大部分是一對一互操作性必須解決一般要求控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)要求有高實(shí)時(shí)性與良好的時(shí)間確定性；傳送信息多為短幀信息，且信息變換頻繁；容錯(cuò)能力強(qiáng)，可靠性、安全性好；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡單實(shí)用，工作效率高；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有高度分散性；控制設(shè)備的智能化與控制功能的自治性高；與信息網(wǎng)絡(luò)之間有高效率的通信，易于實(shí)現(xiàn)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成；DCS、FCS均屬控制網(wǎng)絡(luò)的范疇?？刂葡到y(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變控制器遠(yuǎn)程傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)...控制器現(xiàn)場總線智能自治節(jié)點(diǎn)控制器工控機(jī)...遠(yuǎn)程傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)場總線控制集散控制集中控制控制系統(tǒng)測控能力現(xiàn)場智能儀表內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型4～20mA標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型傳輸介質(zhì)類型傳輸介質(zhì)比較全數(shù)字通信多分支結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的開放性交互性現(xiàn)場設(shè)備的智能化和功能自治性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性對現(xiàn)場環(huán)境的高度適應(yīng)性多為短幀傳送，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，安全性好低帶寬現(xiàn)場總線的特點(diǎn)信息化與自動化層次信息層控制層設(shè)備層各類局域網(wǎng)802（IEEE），TCP/IP實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，容許符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備方便接入。傳感器、I/O部件、變送器、閥門、驅(qū)動器等，各設(shè)備廠商遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備可互操作。三層網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)信息層（管理層）高速報(bào)文傳送高容量數(shù)據(jù)共享控制層支持I/O信息，報(bào)文的傳輸和診斷功能開放性技術(shù)能夠設(shè)置信息的優(yōu)先級支持多主、廣播和點(diǎn)對點(diǎn)

(Peer-to-Peer)的通信方式高速I/O信息和報(bào)文的傳送有效地?cái)?shù)據(jù)共享確定性和可重復(fù)性

(Determinism&Repeatability)設(shè)備層有類似于控制層的要求，但更強(qiáng)調(diào)降低安裝費(fèi)用、系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間。典型現(xiàn)場總線簡介基金會現(xiàn)場總線（FoundationFieldbus，F(xiàn)F）1994年，由ISP和WorldFIP兩大集團(tuán)合并成立現(xiàn)場總線基金會，擁有120多個(gè)成員如AB、ABB、Honeywell等。采用ISO/OSI物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，增加了用戶層。有低速（H1，31.25kb/s,200m，400m，1200m，1900m）與高速（H2，1Mbps,2.5Mpbs,750m,500m）之分，H2逐漸被HSE（100Mb/s，甚至更高）取代。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和無線發(fā)射等傳輸介質(zhì)。應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動化為主，比如化工，石油，污水處理。典型現(xiàn)場總線簡介過程現(xiàn)場總線（Processfieldbus，Profibus）西門子為首的13家公司共有3種版本Profibus-FMS（FieldbusMessageSpecification），適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。Profibus-PA（ProcessAutomation），用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC61158-2標(biāo)準(zhǔn)。Profibus-DP（DecentralisedPeripherals），分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。采用ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。傳輸速率為9.6kbps-12Mbps，傳輸距離為100m-1.2km。采用總線型、樹型、星型。支持雙絞線和光纖。制造自動化和過程控制自動化,電力，鐵路交通。典型現(xiàn)場總線簡介控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）由德國Bosch開發(fā),起初專為汽車工業(yè)設(shè)計(jì)。遵循ISO/OSI模型，采用了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，應(yīng)用層協(xié)議允許用戶自行開發(fā)。采用短幀結(jié)構(gòu)，最可靠?？刹捎秒p絞線、同軸電纜、光纜等傳輸介質(zhì)。通訊速率最高1Mb/s，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)10km。成為ISO國際標(biāo)準(zhǔn)。芯片由摩托羅拉、Intel、Philips等公司生產(chǎn)，價(jià)格低廉，用量最大。典型現(xiàn)場總線簡介局部操作網(wǎng)絡(luò)（LocalOperatingNetwork，LON）由美國Echelon公司推出，摩托羅拉、東芝支持倡導(dǎo)，組成LonMARK互操作協(xié)會。采用ISO/OSI模型全部7層通訊協(xié)議。通訊速率從300b/s到1.5Mb/s，通訊距離可達(dá)2700m。采用總線型、樹型。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線、電力線、無線發(fā)射等傳輸介質(zhì)。LonTalk協(xié)議固化在Neuron芯片中，每片芯片帶3個(gè)8位微處理器。最大的應(yīng)用領(lǐng)域在樓宇自動化，在工業(yè)控制領(lǐng)域如石油、鐵路也有應(yīng)用。典型現(xiàn)場總線簡介設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）由Rockwell推出，交由ODVA管理后得到全球眾多制造商的支持，如Omron，Hitachi，ABB采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層?？蛇x數(shù)據(jù)傳輸速率125Kbps、250Kbps、500Kbps。對等、多主和主從通信方式。可帶電更換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在線修改網(wǎng)絡(luò)配置?；贑AN的技術(shù)，低成本，高可靠性。典型現(xiàn)場總線簡介控制網(wǎng)（ControlNet）由美國RockwellAutomation推出，交由CI管理后在全世界范圍內(nèi)擁有包括RockwellAutomation、ABB、Honeywell等70家著名廠商組成的成員單位。通訊速率5Mb/s，通訊距離30km。采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。支持總線型、樹型和星型。應(yīng)用于交通運(yùn)輸、汽車制造、冶金、礦山、電力、食品等領(lǐng)域。基于CAN的技術(shù)。典型現(xiàn)場總線簡介WorldFIP（WorldFactoryInstrumentationProtocol）WorldFIP基于FIP協(xié)議，其最初由法國于80年代開發(fā)，并成為法國國家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)，有WorldFIP協(xié)會組織。采用ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。具有單一的總線結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。不同應(yīng)用領(lǐng)域采用不同的總線速率，過程控制采用31.25kpbs，制造業(yè)為1Mbps，驅(qū)動控制為1-5Mbps。主要應(yīng)用在過程自動化、制造自動化、電力、鐵路運(yùn)輸。典型現(xiàn)場總線簡介AS-i（ActuatorSensorInterface）AS-i由德國11家傳感器/執(zhí)行器制造商針對機(jī)床控制中的二進(jìn)制開/關(guān)設(shè)備聯(lián)合開發(fā)，成立ASI國際協(xié)會。AS-i系純粹的主從系統(tǒng)，支持最多31個(gè)從節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)帶4位數(shù)據(jù)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)共有124個(gè)可尋址輸入/輸出。采用黃色的非屏蔽、非絞的雙線傳輸數(shù)據(jù)和電源。AS-i可通過具網(wǎng)關(guān)功能的主設(shè)備（PLC或PC）連接至高一級總線系統(tǒng)，特別適用于作為小型PLC的通訊總線。典型現(xiàn)場總線簡介HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）HART協(xié)議為可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路通信協(xié)議。最早由Rosemount公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持和加盟，于1993年成立了HART通信基金會。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，是模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品，因而在現(xiàn)場總線發(fā)展的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場競爭能力，得到了較快的發(fā)展。主要現(xiàn)場總線技術(shù)比較總線類型

技術(shù)特點(diǎn)

主要應(yīng)用場合

價(jià)格

支持公司

FF

功能強(qiáng)大，本安，實(shí)時(shí)性好，總線供電；但協(xié)議復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用少

流程控制

較貴

Honeywell，Rosemount，ABB,Foxboro,橫河,山武等

WorldFIP

有較強(qiáng)的抗干擾能力，實(shí)時(shí)性好，穩(wěn)定性好

工業(yè)過程控制

一般

Alstone

ProfibusPA

本安，總線供電，實(shí)際應(yīng)用較多；但支持的傳輸介質(zhì)較少，傳輸方式單一

過程自動化

較貴

Siemens

Profibus

DP/FMS

速度較快，組態(tài)配置靈活

車間級通訊、工業(yè)、樓宇自動化

一般

Siemens

InterBus

開放性好，與PLC的兼容性好，協(xié)議芯片內(nèi)核由國外廠商壟斷

過程控制

較便宜

獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商支持

P-NET

系統(tǒng)簡單，便宜，再開發(fā)簡易，擴(kuò)展性好；但響應(yīng)較慢，支持廠商較少

農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、食品加工業(yè)

便宜

PROCES-DATAA/S

SwiftNET

安全性好，速度快

航空

較貴

Boeing

CAN

采用短幀，抗干擾能力強(qiáng)，速度較慢，協(xié)議芯片內(nèi)核由國外廠商壟斷

汽車檢測、控制

較便宜

Philips,siemens,

Honeywell等

LonWorks

支持OSI七層協(xié)議，實(shí)際應(yīng)用較多，開發(fā)平臺完善，協(xié)議芯片內(nèi)核由國外廠商壟斷

樓宇自動化、工業(yè)、能源

較便宜

Echelon

現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，凡屬設(shè)備間需要數(shù)據(jù)通信的場合都需要它。連續(xù)、離散制造業(yè)，如電力、石化、冶金、紡織、造紙，過程自動化儀表；火車、汽車、輪船、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床；智能傳感器樓宇自控、倉儲智能交通、環(huán)境監(jiān)測（大氣、水污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)）農(nóng)、林、水利、養(yǎng)殖等其技術(shù)與產(chǎn)品在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、測控板卡、儀器儀表、系統(tǒng)集成、應(yīng)用系統(tǒng)等領(lǐng)域都有良好的發(fā)展前景。全球現(xiàn)場總線新增節(jié)點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)來自IMSResearch現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化（IEC61158）Type1，IEC

61158技術(shù)規(guī)范。由IEC/ISA負(fù)責(zé)制訂的，曾試圖使之成為統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)技術(shù)規(guī)范，基金會現(xiàn)場總線FF的H1（低速現(xiàn)場總線）是其子集。

Type2，ControlNet現(xiàn)場總線。美國AB公司、Rockwell開發(fā)，ControlNet

International（CI）組織支持。

Type3，Profibus現(xiàn)場總線。德國西門子公司開發(fā)，Profibus用戶組織（PNO）支持。歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)三大總線之一。

Type4，PNet現(xiàn)場總線。丹麥Process

Data公司開發(fā)，PNet用戶組織支持。歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)三大總線之一。Type5，F(xiàn)F

HSE（High

Speed

Ethernet，高速以太網(wǎng)）。現(xiàn)場總線基金會FF開發(fā)的H2（高速現(xiàn)場總線）。

Type6，SwiftNet現(xiàn)場總線。美國SHIP

STAR協(xié)會主持制定，波音公司支持。

Type7，WorldFIP現(xiàn)場總線。法國WorldFIP協(xié)會制訂并支持。歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)三大總線之一。

Type8，Interbus現(xiàn)場總線。德國Phoenix

Contact公司開發(fā)，Interbus

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現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化（IEC61158）數(shù)據(jù)來自IEC61158第4版現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化IEC62026AS-I，德國西門子公司支持DeviceNet，美國羅克韋爾公司、日本OMRON公司支持SDS，美國Honeywell公司支持Seriplex，美國Honeywell公司支持ISOCAN，ISO11898(1Mb/s)CAN，ISO11519(125kb/s)BACnet，ISO16484-5CC-Link，ISO15745-5數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息和信號數(shù)據(jù)的類型模擬數(shù)據(jù)（AnalogData）是由傳感器采集得到在某個(gè)區(qū)間連續(xù)變化的值，例如溫度、壓力，以及目前在電話、無線電和電視廣播中的聲音和圖像。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（DigitalData）則是在某個(gè)區(qū)間產(chǎn)生的離散的值，例如文本信息、整數(shù)和脈沖數(shù)等，或者模擬數(shù)據(jù)經(jīng)量化后得到的離散的值，例如在計(jì)算機(jī)中用二進(jìn)制代碼表示的字符、圖形、音頻與視頻數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)、信息和信號信號與數(shù)據(jù)、信息有所不同，信號是數(shù)據(jù)的具體物理表現(xiàn)，具有確定的物理描述形式，如電壓、磁場強(qiáng)度等。數(shù)據(jù)通常需要用某種信號進(jìn)行傳遞和處理（即編碼）。模擬信號是指取值隨時(shí)間連續(xù)變化的信號。數(shù)字信號是指時(shí)間和數(shù)值上都不連續(xù)的信號。模擬信號和數(shù)字信號之間有著明顯的差異，但兩者在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)換。模擬信號可以通過采樣、量化、編碼等步驟變成數(shù)字信號，這個(gè)過程通常稱為模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號也可通過解碼、平滑等步驟恢復(fù)為模擬信號，這個(gè)過程通常稱為數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換。通信線路的工作方式單工單工是指信號在任何時(shí)間內(nèi)只能沿信道的一個(gè)方向傳輸，不允許改變方向。采用這種通信方式時(shí)，信源只允許發(fā)送信息，而信宿只能接收數(shù)據(jù)。半雙工方式半雙工是指信號在信道中可以雙向傳輸，但兩個(gè)方向只能交替進(jìn)行，而不能同時(shí)進(jìn)行。全雙工方式全雙工方式允許通信的雙方在任何一個(gè)時(shí)刻，均可同時(shí)在兩個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)信號。也就是說，通信雙方在發(fā)送數(shù)據(jù)信息的同時(shí)仍可以接收對方發(fā)送來的信息。數(shù)據(jù)的傳輸模式并行傳輸數(shù)據(jù)以成組的方式在多條并行信道上同時(shí)進(jìn)行傳輸，每位單獨(dú)使用一條線路。串行傳輸數(shù)據(jù)按照順序一位一位地在通信設(shè)備之間的一條通信信道上傳輸。數(shù)據(jù)的傳輸模式在串行傳輸過程中，數(shù)據(jù)是一位一位依次傳輸?shù)?，發(fā)送端通過發(fā)送時(shí)鐘確定數(shù)據(jù)位的起始和結(jié)束。信號通過傳輸線路的到達(dá)接收端，為了保證能夠被準(zhǔn)確無誤地接收，接收端必須與發(fā)送端同步。所謂同步就是要求通信的發(fā)送端和接收端在時(shí)間基準(zhǔn)上保持一致。也就是說接收端不但要知道一組二進(jìn)制位的開始與結(jié)束，還要知道每位二進(jìn)制持續(xù)的時(shí)間，這樣才能做到用適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率采樣所收到的數(shù)據(jù)。由于發(fā)送端與接收端的時(shí)鐘信號不能絕對一致，因此必須采取一定的同步手段。異步傳輸同步傳輸。異步傳輸數(shù)據(jù)傳輸以字符為單位，即每個(gè)字符作為一個(gè)獨(dú)立的整體進(jìn)行發(fā)送，字符與字符之間的間隔可以是任意的。實(shí)現(xiàn)方法是：當(dāng)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，傳輸線路處于空閑狀態(tài)，線路信號電平與二進(jìn)制“1”對應(yīng)的電平相同。當(dāng)發(fā)送端發(fā)送字符時(shí)，為了通知接收端準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，在要發(fā)送的字符前加上一個(gè)起始位，起始位的長度為1bit，其信號電平與二進(jìn)制“0”對應(yīng)的電平相同。接收端通過檢測信號電平發(fā)生的跳變來判斷新數(shù)據(jù)的到達(dá)，從而與發(fā)送端取得同步。為了通知接收端一個(gè)字符已經(jīng)傳輸結(jié)束，在字符代碼的最后加上1位、1.5位或2位終止位（邏輯“1”）。異步傳輸方式簡單、易實(shí)現(xiàn)，但傳輸效率較低，開銷較大，這是因?yàn)槊總€(gè)字符都要附加起始位和終止位。因此，異步傳輸常用于低速設(shè)備。異步傳輸8位字符8位字符1b1.5b1.5b1b起始位終止位起始位終止位……同步傳輸同步傳輸是將若干個(gè)字符組合起來（稱作數(shù)據(jù)幀或簡稱為幀）一起進(jìn)行傳輸。在數(shù)據(jù)幀的第一部分包含一組同步字符，類似于異步傳輸?shù)钠鹗嘉唬糜谕ㄖ邮辗揭粋€(gè)數(shù)據(jù)幀已經(jīng)到達(dá)，它同時(shí)還能確保接收方的采樣速度和比特的到達(dá)速度保持一致，使收發(fā)雙方進(jìn)入同步。數(shù)據(jù)幀的最后一部分是一個(gè)幀結(jié)束標(biāo)記，類似于異步傳輸方式中的終止位，用于表示在下一幀開始之前沒有別的即將到達(dá)的數(shù)據(jù)。SYNSYN控制字符數(shù)據(jù)字符控制字符幀起始標(biāo)記幀結(jié)束標(biāo)記同步傳輸同步傳輸以數(shù)據(jù)幀為單位來傳送數(shù)據(jù)，幀中的字符是連續(xù)的，字符間無需加入附加位，因此同步傳輸比異步傳輸效率高，開銷也很小。缺點(diǎn)是發(fā)送端和接收端的控制復(fù)雜，且對線路要求也較高。信號的編碼技術(shù)在通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而根據(jù)傳遞的信號的性質(zhì)不同，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ酪部煞譃槟M通信信道與數(shù)字通信信道。這樣不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸時(shí)形成了4種組合：模擬數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在模擬信道上傳輸、模擬數(shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸、以及數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸。無論哪種組合，在傳輸數(shù)據(jù)之前，都應(yīng)解決數(shù)據(jù)的編碼問題，使數(shù)據(jù)表示為適合于該信道傳輸?shù)木幋a。模擬信號傳輸模擬數(shù)據(jù)幅度調(diào)制（AM）簡稱調(diào)幅，使載波信號幅度隨原始的模擬數(shù)據(jù)（即調(diào)制信號）的幅度變化而得到的信號（已調(diào)信號），載波的頻率是不變的。頻率調(diào)制（FM）簡稱調(diào)頻，使載波信號頻率隨原始的模擬數(shù)據(jù)的頻率變化而得到的信號，而載波的幅度是不變的。相位調(diào)制（PM）簡稱調(diào)相，使載波信號的相位隨原始的模擬數(shù)據(jù)的相位變化而得到的信號，而載波的幅度、頻率是不變的。模擬信號傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號傳輸模擬數(shù)據(jù)抽樣在每隔固定長度的時(shí)間點(diǎn)上抽取模擬數(shù)據(jù)的瞬時(shí)值，作為從這一次抽樣到下一次抽樣之間該模擬數(shù)據(jù)的代表值。根據(jù)采樣定理，當(dāng)抽樣的頻率大于或等于模擬數(shù)據(jù)的最大主頻率的兩倍時(shí)，所得的離散信號可以無失真地代表被抽樣的模擬數(shù)據(jù)。量化把抽樣取得的電平幅值按照一定的分級標(biāo)度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的整數(shù)。這樣，就把連續(xù)的電平幅值轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量。編碼編碼是指把量化的結(jié)果轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進(jìn)制碼。數(shù)字信號傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字通信vs.模擬通信數(shù)字通信與模擬通信相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：安全性好，便于加密?？垢蓴_能力強(qiáng)。模擬信號在傳輸過程中和疊加的噪聲很難分離，噪聲會隨著信號被傳輸、放大、嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。數(shù)字通信中的信息是包含在脈沖的有無之中的，只要噪聲絕對值不超過某一門限值，接收端便可判別脈沖的有無，以保證通信的可靠性。遠(yuǎn)距離傳輸仍能保證質(zhì)量。因?yàn)閿?shù)字通信是采用再生中繼方式，能夠消除噪音，再生的數(shù)字信號和原來的數(shù)字信號一樣，可繼續(xù)傳輸下去，這樣通信質(zhì)量便不受距離的影響，可高質(zhì)量地進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)要求（如電話、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)等），便于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，便于采用大規(guī)模集成電路，便于實(shí)現(xiàn)加密處理，便于實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)的計(jì)算機(jī)管理。數(shù)字通信正向著小型化、智能化、高速大容量的方向迅速發(fā)展，最終必將取代模擬通信。應(yīng)用傳輸物理數(shù)據(jù)鏈路表示會話網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用傳輸物理數(shù)據(jù)鏈路表示會話網(wǎng)絡(luò)1234567通信子網(wǎng)邊界應(yīng)用協(xié)議表示協(xié)議會話協(xié)議傳輸協(xié)議OSI參考模型主機(jī)A主機(jī)B比特幀分組TPDUSPDUPPDUAPDU應(yīng)用傳輸物理數(shù)據(jù)鏈路表示會話網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用傳輸主機(jī)至網(wǎng)絡(luò)互連網(wǎng)絡(luò)1234567OSI與TCP/IP在模型中不存在OSITCP/IP應(yīng)用傳輸物理數(shù)據(jù)鏈路表示會話網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用1234567OSI與現(xiàn)場總線在模型中不存在OSI現(xiàn)場總線物理數(shù)據(jù)鏈路物理層 物理層采用EIA-RS232、EIA-RS422/RS485等協(xié)議。由于在某些情況下，現(xiàn)場傳感器、變送器要從現(xiàn)場總線“竊取”電能作為它們的工作電源，因此對總線上數(shù)字信號的強(qiáng)度（驅(qū)動能力）、傳輸速率、信噪比以及電纜尺寸、線路長度等都提出一定要求。數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層考慮到現(xiàn)場設(shè)備故障較多，更換頻繁，所以數(shù)據(jù)鏈路層媒體訪問控制多采用受控訪問（包括輪詢和令牌）協(xié)議，通常，各PC、PLC作為主站；傳感器、變送器等作為從站。另外，須支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)和廣播通信方式。應(yīng)用層

應(yīng)用層解決應(yīng)用什么樣的高級語言（VC、VB或過程控制語言）來作為面向用戶的編程（或組態(tài)）語言，其中包括設(shè)備名稱、網(wǎng)絡(luò)變量與配置（捆綁）關(guān)系，參數(shù)與功能調(diào)用及相關(guān)說明等，一般應(yīng)具有符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的圖形用戶界面（GUI）現(xiàn)場總線通信模型對OSI參考模型進(jìn)行簡化。通常只采用OSI模型的第1層和第2層及最高層應(yīng)用層。目的簡化通信模型結(jié)構(gòu)，縮短通信開銷，降低成本及提高實(shí)時(shí)性能。各種類型現(xiàn)場總線并存，并在各自的應(yīng)用領(lǐng)域獲得良好應(yīng)用效果。采用相應(yīng)的補(bǔ)充方法實(shí)現(xiàn)被刪除的OSI各層功能。通信數(shù)據(jù)的信息量較小，因此，相對其他通信網(wǎng)絡(luò)來說，通信模型相對簡單，結(jié)構(gòu)更緊湊，實(shí)時(shí)性更好，通信速率更快，成本更低。EIA-RS-485總線

DPEPICSMAP/MMS工業(yè)以太網(wǎng)沖壓車間FMS500kBaud車身車間DP裝配車間PLCPLCPLCPLCPLCPLCRS-485RS-485RS-485RS-485RS-485應(yīng)用框圖機(jī)械特性

采用RS-232/RS-485連接器（如CNET適配器）將PC串口RS-232信號轉(zhuǎn)換成RS-485信號，或接入TTL/RS-485轉(zhuǎn)換器（如MAX485）將I/O接口芯片TTL電平信號轉(zhuǎn)換成RS-485信號，進(jìn)行遠(yuǎn)距離高速雙向串行通信。電氣特性 信號邏輯，＋2V～＋6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”，二線雙端半雙工差分電平發(fā)送與接收，無公共地線，能有效克服共模干擾、抑制線路噪聲，傳輸距離1.2km，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10Mbit/s（<40m）。線A線B差分電壓A-B121=數(shù)據(jù)傳輸開始2=空閑段、無數(shù)據(jù)傳輸、總線終端終止的電平信號電平網(wǎng)絡(luò)媒體

采用雙絞線、同軸電纜或光纖，安裝簡易，電纜數(shù)量、連接器、中繼器、濾波器使用數(shù)量較少（每個(gè)中繼器可延長線路1.2km），網(wǎng)絡(luò)成本低廉。

RS-485總線的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議 除有的采用符合ISO高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議（HighDataLinkControl—HDLC）的數(shù)據(jù)鏈路處理器件或?qū)Ｓ薪涌谄骷?zhí)行外，大多數(shù)產(chǎn)品是參照HDLC或其他一些標(biāo)準(zhǔn)自行定義而成，由此可組建經(jīng)濟(jì)實(shí)用型工業(yè)局域網(wǎng)。

由于國內(nèi)許多電子產(chǎn)品都含有通用異步串行傳輸接口（UniversalAsynchronousReceiveandTransfer—UART）如單片機(jī)，另外RS-232接口也是PC的標(biāo)準(zhǔn)配置，因此，開發(fā)RS—485總線數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議較好的方案是以字節(jié)式異步通信為基礎(chǔ)，相應(yīng)的幀格式所示。至于媒體訪問控制部分則可采用受控訪問或隨機(jī)訪問等不同方式。PROFIBus

PROFIBus原理Profibus簡介

PROFIBus（ProcessFieldBus），歐洲開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)（EN50170），由Profibus—FMS（FieldbusMessageSpecification）、Profibus-PA（ProcessAutomation）和Profibus-DP（DistributivePeripheral）等三部分組成。其中Profibus-DP是一種高速（數(shù)據(jù)傳輸速率9.6Kbit/s～12Mbit/s）、經(jīng)濟(jì)的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時(shí)間要求；Profibus-PA用IECII58一2標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率為31.25Kbii／s，提供本質(zhì)安全特性，適用于安全性要求較高以及由總線供電的場合；Profibus一FMS主要解決車間級通信問題，完成中等傳輸速度的循環(huán)或非循環(huán)數(shù)據(jù)交換任務(wù)。使用PROFIBus技術(shù)的核心公司有Siemens、NAIS、E+H、Sanson和