第五章短距離有線通信技術(shù)

第五章短距離有線通信技術(shù)第1頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月在物聯(lián)網(wǎng)的感知控制層中存在大量的物聯(lián)網(wǎng)終端，這些終端用來感知“物”的信息，并將所感知到的信息通過短距離通信系統(tǒng)傳送到網(wǎng)絡(luò)傳輸層的匯聚設(shè)備，通過匯聚設(shè)備的處理與轉(zhuǎn)換后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)傳輸層，為綜合應(yīng)用層提供“物”的信息；同時(shí)，感知控制層內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)終端還要接收綜合應(yīng)用層的各種控制命令，這些控制命令是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層、匯聚設(shè)備及短距離通信系統(tǒng)到達(dá)物聯(lián)網(wǎng)的感知控制終端的。從感知控制終端到匯聚設(shè)備之間的通信系統(tǒng)可稱之為感知層通信系統(tǒng)。感知控制層通信系統(tǒng)可分為有線和無線通信系統(tǒng)兩類。有線和無線通信系統(tǒng)主要是采用各種短距離有線及無線通信技術(shù)來完成感知控制終端與匯集設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。目前，常用的短距離有線通信技術(shù)為各種串行通信、各種總線通信等；常用的短距離無線通信為紅外、藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)、超帶寬無線通信技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等。第2頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1數(shù)據(jù)終端間的通信及接口特性物聯(lián)網(wǎng)中的感知控制層通信系統(tǒng)可認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)感知控制終端（以下簡稱為物聯(lián)網(wǎng)終端）和匯聚設(shè)備均可看成兩個(gè)對(duì)等通信的數(shù)據(jù)終端設(shè)備。數(shù)據(jù)終端間通信時(shí)需要通過數(shù)據(jù)通信設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行某種變換和處理才能適合有線或無線信道的傳輸。數(shù)據(jù)終端間通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。第3頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1中，數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE,DataTerminalEquipment)是指物聯(lián)網(wǎng)終端或物聯(lián)網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)設(shè)備、以及其他數(shù)據(jù)終端設(shè)備。數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE,DataCommunicationEquipment)可以是調(diào)制解調(diào)器(Modem)、線路適配器、信號(hào)變換器等。對(duì)于不同的通信線路，為了使不同廠家的產(chǎn)品能夠互聯(lián)，DTE與DCE在插接方式、引腳分配、電氣性能及應(yīng)答關(guān)系上均應(yīng)符合統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。第5頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)(CCITT)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(ElectronicIndustriesAssociation，EIA)為各種數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)提供了開放互聯(lián)的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)如表3.1.1所示，它包括了機(jī)械性能、電氣特性、功能特性、過程特性4個(gè)方面。第6頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月表

3.1.1DTE和DCE接口標(biāo)準(zhǔn)分類標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)兼容標(biāo)準(zhǔn)說明機(jī)械特性ISO-2110EIARS-232EIARS-366A25針D型連接器，用于音頻Modem\、電路接口和自動(dòng)呼叫設(shè)備ISO-259334針，用于CCITTV.35的寬帶ModemISO-4902EIARS-44937針和9針的D連接器，用于音頻和寬帶ModemISO-490315針D型連接器，用于CCITTX.20、X.21、X.22所指定的PDN接口電氣特性V.10/X.27RS-423A新型非平衡式電氣性能V.10/X.26RS-422A新型平衡式電氣性能V.28RS-232C非平衡式電氣性能功能特性V.24RS-232CRS-449定義了用于通過電話網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的DTE/DCE間接口的43種交換電路，用于DTE/ACE（自動(dòng)呼叫設(shè)備）接口的12種交換電路X.24X.20、X.21和X.22基礎(chǔ)上發(fā)展的，用于PDN中的DTE/DCE間接口交換電路過程特性V.24RS-232CRS-449利用公用電話網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸制訂的規(guī)程X.20X.21利用公用數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)傳輸制訂的規(guī)程X.20bisX.21bisRS-232CRS-449公用數(shù)據(jù)網(wǎng)上進(jìn)行同步傳輸?shù)腄TE與V系列同步Modem之間接口規(guī)程第7頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械特性(MechanicalCharacteristics)涉及的是DTE和DCE的實(shí)際物理連接。典型的是，信號(hào)以及控制信息的交換電路被捆扎成一根電纜，該電纜的兩端各有一個(gè)終接插頭，該插頭或者是公插頭、或者是母插頭。位于電纜兩端的DCE和DCE必須具有“性別”相反的插頭，以實(shí)現(xiàn)物理上的連接。如一端為公插頭、則另一端必須為母插頭。第8頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣特性(ElectricalCharacteristics)與電壓電平及電壓變換的時(shí)序相關(guān)。DET和DCE都必須使用相同的編碼，相向的電壓電平必須不是相同的含義，還必須使用持續(xù)時(shí)間相同的信號(hào)元素等。這些特性決定了能夠達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離。第9頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月

功能特性(FunctionCharacteristic)定義的各種功能由具有不同含義的各種交換電路來執(zhí)行。這些功能分為數(shù)據(jù)電路、控制電路、時(shí)序電路以及電氣接地等。

過程特性(ProceduralCharacteristic)定義了傳輸數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生的時(shí)間序列，它依據(jù)的是接口的功能特性。第10頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月

DTE/DCE間的接口類型較多，目前最通用的類型有，美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)的RS-232C接口；國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)的V系列接口、X系列接口；國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO2110、ISO1177等。EIARS-232C接口是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)于1969年頒布的一個(gè)使用串行二進(jìn)制方式的DTE與DCE間的接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是RecommendedStandard的縮寫，232是標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)記號(hào)碼。由于該接口標(biāo)準(zhǔn)推出較早，并對(duì)各種特性都做了明確的規(guī)定，因此成為了一種非常通用的串行通信接口，目前幾乎所有的計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)通信都兼容該標(biāo)準(zhǔn)。第11頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2EIARS-232CRS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)是一種非常廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)，它廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)通信、自動(dòng)化、儀器儀表等領(lǐng)域，也是物聯(lián)網(wǎng)中常用的一種接口及通信方式。RS-232C不但可以與諸如Modem等DCE配合來完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，而且還完成近距離本地通信。第12頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1特性功能第13頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月1）機(jī)械性能

RS232C標(biāo)準(zhǔn)中定義了一個(gè)具有特定引腳排列順序的25針插頭和插座，其引腳排列如圖3.2所示。上下共兩排。第一排，從左到右共13針，第二排從左到右共12針。各針的功能如表3.2.1所示。雖然RS-232C定義了25個(gè)引腳，但實(shí)際應(yīng)用于串行通信時(shí)僅需要9個(gè)電壓信號(hào)，即2個(gè)收發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)RXD和TXD、6個(gè)控制信號(hào)和1個(gè)信號(hào)地。由于計(jì)算機(jī)除支持EIA電壓接口外，還需支持20mA電流接口，另需4個(gè)電流信號(hào)，因此采用了25針連接器作為DTE與DCE間通信電纜的連接器。由于大部分?jǐn)?shù)據(jù)終端設(shè)備取消了電流環(huán)路接口，所以常采用9針連接器。9針連接器的引腳分配如圖3.3所示。第14頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月針號(hào)功能針號(hào)功能針號(hào)功能1保護(hù)地10保留備用19反向信道請(qǐng)求發(fā)送2發(fā)送數(shù)據(jù)TxD11選擇發(fā)送頻率20DTE就緒DTR3接收數(shù)據(jù)RxD12反向信道載波探測(cè)21信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)4請(qǐng)求發(fā)送RTS13反向信道清除發(fā)送22振鈴指示RI5清除發(fā)送CTS14反向信道發(fā)送數(shù)據(jù)23數(shù)據(jù)速率選擇6準(zhǔn)備就緒DSR15發(fā)送定時(shí)24外發(fā)送定時(shí)7信號(hào)地GND16反向信道接收數(shù)據(jù)25未定義8載波探測(cè)DCD17接收定時(shí)9保留備用18未定義表3.2.1RS-232C各針功能第15頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.3中，引腳1為載波探測(cè)DCD；引腳2為接收數(shù)據(jù)RxD；引腳3為發(fā)送數(shù)據(jù)TxD；引腳4為DTE就緒DTR；引腳5為信號(hào)地GND；引腳6為準(zhǔn)備就緒DSR；引腳7為請(qǐng)求發(fā)送RTS；引腳8為清除發(fā)送CTS；引腳9為振鈴指示RI。第16頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月2）電氣特性第17頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）電氣特性數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)/數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)特性主要規(guī)定了發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器與接收端接收器的電平關(guān)系、負(fù)載要求、信號(hào)速率及連接距離等。在TxD和RxD上要求，邏輯“1”(MARK)為-3V~-15V；邏輯“0”(SPACE)為+3V~+15V。

在RTS、CTS、DTR和DCD等控制線上要求信號(hào)有效電壓為+3V~+15V，信號(hào)無效電壓為-3V~-15V。第18頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）RS-232C與TTL的轉(zhuǎn)換

RS232C是用正負(fù)電壓來表示邏輯“0”和“1”的，與TTL(Transistor-TransistorLogic)以高低電平表示邏輯“1”和“0”不同。為了使數(shù)據(jù)終端設(shè)備的TTL部件能夠與RS-232接口連接，須在這兩者之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路可采用集成電路芯片來完成。目前較為廣泛使用的轉(zhuǎn)換芯片有MAX232、MC1488、SN75150、MC1489和SN75154等。其中MAX232能實(shí)現(xiàn)TTL到RS232C間的雙向轉(zhuǎn)換。第19頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3）功能特性DTE/DCE接口連線的功能特性主要是各引腳的功能進(jìn)行定義，并說明了它們之間的相互關(guān)系。RS-23C規(guī)定了21條信號(hào)線和25芯連接，表3.2.2為接口電路的功能約定。第20頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月組成接口的信號(hào)線按其功能可分為，數(shù)據(jù)信號(hào)線、控制信號(hào)線、定時(shí)和接地4類。數(shù)據(jù)信號(hào)線是用來傳送數(shù)據(jù)的，RS-232C是串行傳輸?shù)慕涌跇?biāo)準(zhǔn)，接收、發(fā)送各用一條信號(hào)線。在RS-232C中，正向傳輸控制線共有9條，其中請(qǐng)求發(fā)送、允許發(fā)送、數(shù)據(jù)線路設(shè)備準(zhǔn)備就緒、數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒、數(shù)據(jù)載波檢測(cè)、呼叫指示是最基本的控制電路。定時(shí)是用于同步通信方式的，是傳送數(shù)據(jù)信號(hào)定時(shí)信息的信號(hào)線路，有發(fā)送端控制和接收端控制兩種。定時(shí)功能在異步通信時(shí)無效。另外RS-23C中還定義了兩條保護(hù)地線和信號(hào)地線。第21頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月4）過程特性DTE/DCE接口的過程特性規(guī)定了各接口之間的相互關(guān)系、動(dòng)作順序以及維護(hù)測(cè)試操作等方面的內(nèi)容。以下就以發(fā)送數(shù)據(jù)為例來說明接口的工作過程。

當(dāng)數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，置RS-232C中的CD線（數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒DTR）為高電平（ON狀態(tài)），通知本地?cái)?shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)，如Modem等，表示數(shù)據(jù)終端已準(zhǔn)備好。本地Modem如果也準(zhǔn)備好，即說明DCE與DTE連接成功，此時(shí)Modem中的RS232C中的CC（數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備DSR）響應(yīng)此信號(hào)，DTE和DCE可以開始控制信號(hào)的收發(fā)。第22頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月DTE置電路RS-23C中CA（請(qǐng)求發(fā)送RTS）為高電平，通知本地Modem請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。本地Modem檢測(cè)到CA信號(hào)后，一方面立即控制Modem發(fā)送載波，另一方面通過延遲電路控制RS-232C中CB（允許發(fā)送CTS）的接通。電路RTS和CTS間的關(guān)系如圖3.4所示。由于遠(yuǎn)端設(shè)備從載波到達(dá)至載波檢出，直到接通RS-232C中CF（數(shù)據(jù)載波檢測(cè)DCD）必須經(jīng)過一定的時(shí)延t3，如果此時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，數(shù)據(jù)是不能被遠(yuǎn)端正確接收的，所以本地的CTS變成ON之前的時(shí)間t1必須大于t3，時(shí)序如圖3.5所示。當(dāng)遠(yuǎn)端Modem檢測(cè)到載波信號(hào)后，置DCD為ON，通知遠(yuǎn)端接收發(fā)送來的數(shù)據(jù)。第23頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月DTE檢測(cè)到CTS位ON后，即可通過RS-232C中BA（發(fā)送數(shù)據(jù)TxD）發(fā)送數(shù)據(jù)。并用RS-232C中的BB（數(shù)據(jù)接收RxD）接收遠(yuǎn)端發(fā)來的數(shù)據(jù)。DTE發(fā)送完數(shù)據(jù)后，置RTS線為OFF，通知本地Modem發(fā)送結(jié)束。本地Modem檢測(cè)到RTS位OFF后，立即停止發(fā)送載波，并置CTS為OFF，作為對(duì)DTE的應(yīng)答。遠(yuǎn)端Modem檢測(cè)不到載波后，置DCD和CE（呼叫指示器）線為低電平，恢復(fù)初始狀態(tài)。

本地DTE置DTR為OFF，通知Modem拆線，Modem收到DTR的OFF信號(hào)后拆線，并將CC變成OFF作為應(yīng)答。整個(gè)發(fā)送過程結(jié)束。第25頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2RS-232C的近距離通信第27頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月

在近距離通信時(shí)，不需要數(shù)據(jù)通信設(shè)備，可直接用電纜來連接，此時(shí)僅用少量幾根線即可。一種常用的最簡單的情況是不使用RS-232中任何控制線，只需要用發(fā)送線TxD、接收線RxD和信號(hào)地線SG這3根線，便可實(shí)現(xiàn)全雙工異步通信。連接方式如圖3.6所示。在圖3.6中，DTE1中2號(hào)線與DTE中的3號(hào)線連接，DET1中的3號(hào)線與DTE2中的2號(hào)線連接，DTE1與DTE2中的7號(hào)線直接連接，DTE1及DTE2中的4與5連接、6與20連接。第28頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月

另一種較簡單的情況是考慮它們之間的聯(lián)絡(luò)控制信號(hào)，連接方式如圖3.7所示。這種情況下通信雙方的握手信號(hào)關(guān)系如下：

（1）一方的數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好(DTR)和對(duì)方的數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好(DSR)及振鈴信號(hào)(RI)兩個(gè)信號(hào)線互連。這時(shí)，若DTR有效，對(duì)方的RI就立即有效，產(chǎn)生呼叫，并應(yīng)答，同時(shí)又使對(duì)方的DSR有效。（2）一方的請(qǐng)求發(fā)送(RTS)端及允許發(fā)送(CTS)端自環(huán)，并與對(duì)方的數(shù)據(jù)載波檢出(DCD)端互連，這時(shí)若請(qǐng)求發(fā)送(RTS)有效，則立即得到發(fā)送允許(CTS)有效，同時(shí)使對(duì)方的(DCD)有效，即檢測(cè)到載波信號(hào)，表明數(shù)據(jù)通信信道已接通。（3）雙方的發(fā)送數(shù)據(jù)(TxD)端和接收數(shù)據(jù)(RxD)端互連，即意味著雙方都是數(shù)據(jù)終端，只要上述雙方的握手信號(hào)一經(jīng)建立即可進(jìn)行全雙工或半雙工通信。第29頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月EIARS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大傳輸距離為15m，最高傳輸速率不高于20bit/s。為了解決傳輸距離及傳輸速率不夠遠(yuǎn)和高的問題，EIA在RS-232C的基礎(chǔ)上，制訂了更高性能的串行通信標(biāo)準(zhǔn)。第30頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月 3.3.1RS-422A、RS-423及RS-485第31頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月1）RS-422ARS-422A標(biāo)準(zhǔn)是一種以平衡方式傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。平衡方式是指雙端發(fā)送和雙端接收，因此傳輸信號(hào)須采用兩條線路，發(fā)送端和接收端分別采用平衡發(fā)送器和差動(dòng)接收器。其結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。第32頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月RS-422A標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性對(duì)邏輯電平的定義是根據(jù)兩條線間的電壓差來決定的。當(dāng)AA’的電平比BB’的電平低-2V時(shí)，表示邏輯“1”；當(dāng)AA’的電平比BB’的電平高+2V時(shí)，表示邏輯“0”。這種方式與RS-232C采用單端接收器和單端發(fā)送器時(shí)僅采用一條信號(hào)線來傳送信息，且由信號(hào)線與公共信號(hào)地線間的電平的大小來決定邏輯“1”和“0”的方式是不同的。第33頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月RS-422A電路是通過平衡發(fā)送器把邏輯電平轉(zhuǎn)換為電位差來發(fā)送信息的，同時(shí)，通過差動(dòng)接收器把電位差轉(zhuǎn)換為邏輯電平，從而實(shí)現(xiàn)信息的收發(fā)。

RS-422A由于采用了雙線傳輸，大大增加了抗共模干擾的能力，因此當(dāng)傳輸距離限制在15m內(nèi)時(shí)，它的最大傳輸速率可達(dá)10Mbit/s；當(dāng)傳輸速率在90kbit/s時(shí)，其最大傳輸距離為120m。第34頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月RS-422標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了發(fā)送端只有1個(gè)發(fā)送器，而接收端可以有多個(gè)接收器，這就意味著，它可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信,最多可接256個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備（Master），其余為從設(shè)備（Slave），從設(shè)備之間不能通信。RS-422A標(biāo)準(zhǔn)允許驅(qū)動(dòng)器輸出為+2~+6V，接收器輸入電平可以低到+200mV。

常用的RS-422A標(biāo)準(zhǔn)接口的芯片為：

MC3487/MC3486、SN75174/SN75175等，它們是平衡驅(qū)動(dòng)/接收器集成電路。第35頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月2）RS-423ARS-423A標(biāo)準(zhǔn)是非平衡方式傳輸?shù)?，即以單線來傳輸信號(hào)，規(guī)定信號(hào)的參考電平為地。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電路中只允許有1個(gè)單端發(fā)送器，但可以有多個(gè)接收器。因此，允許在發(fā)送器和接收器間有一個(gè)電位差。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定邏輯“1”的電平必須超過4V，但不能超過6V；邏輯“0”的電平必須低于-4V，但不能低于-6V。RS-423A標(biāo)準(zhǔn)由于采用了差動(dòng)接收，提高了抗共模干擾能力，因此與RS-232C相比，傳輸距離較遠(yuǎn)、傳輸速率較快。當(dāng)傳輸距離為90m時(shí)，最大傳輸速率為100kbit/s；若傳輸速率為1kbit/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)1200m。第36頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3）RS-485RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)是一種平衡傳輸方式的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，它與RS-422A兼容，并且擴(kuò)展了RS-422A的功能。RS-422A只允許電路中有一個(gè)發(fā)送器，而RS-485標(biāo)準(zhǔn)允許有多個(gè)發(fā)送器，因此，RS-485是一個(gè)多發(fā)送器的標(biāo)準(zhǔn)，它允許一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)可以是被動(dòng)發(fā)送器、接收器或收發(fā)器組合單元的負(fù)載設(shè)備。RS-485采用共線電路結(jié)構(gòu)，即在一對(duì)平衡傳輸線的兩端配置終端電阻，其發(fā)送器、接收器、以及組合收發(fā)單元可以掛在平衡傳輸線上的任何位置，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸中多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器共用同一傳輸線的多路傳輸。第37頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)的抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)。采用雙絞線，不用調(diào)制解調(diào)器等通信設(shè)備的情況下，當(dāng)傳輸速率為100kbit/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)1200m；在9600bit/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)15km。在傳輸距離為15m時(shí)，它的最大傳輸速率可達(dá)10Mbit/s。

RS-485允許在平衡電纜上連接32個(gè)發(fā)送器/接收器，因此它的應(yīng)用非常廣泛，尤其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線等方面，同時(shí)也是物聯(lián)網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)終端常用的接口方式。RS-485串行通信集成芯片可用實(shí)現(xiàn)，目前常用的芯片有MAX485/MAX491等。第38頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4USB串行總線及其應(yīng)用第40頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1USB串行總線的特點(diǎn)第41頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月通用串行總線(UniversalSerialBus，USB)是一種串行技術(shù)規(guī)范，其主要目的是簡化計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備的連接過程，目前已廣泛應(yīng)用到了計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)化、儀器儀表等多個(gè)領(lǐng)域，也同時(shí)成為物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的串行通信技術(shù)之一。USB并不完全是一個(gè)串行接口，而是一種串行總線。目前，計(jì)算機(jī)設(shè)備均配置了多個(gè)USB接口，它可以接入種類繁多的外設(shè)，成為了計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)通信等電子、電氣設(shè)備的通用接口。USB具有以下特點(diǎn)：第42頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月1）使用方便

USB的方便性體現(xiàn)在可自動(dòng)設(shè)置、連接便捷、無需外部電源、接口通用等方面。在自動(dòng)設(shè)置方面，當(dāng)將USB設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)上時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)該設(shè)備，并為其加載適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序。尤其在第一次安裝時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)提醒用戶加載驅(qū)動(dòng)程序，其后的安裝，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成，一般不需要重啟。另外，USB的安裝不需要設(shè)置如端口地址、中斷號(hào)碼等參數(shù)，安裝程序會(huì)自動(dòng)檢測(cè)。第43頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月在連接方面，USB等外設(shè)可直接插入到計(jì)算機(jī)的USB接口上。不需要時(shí)，可直接將其拔下，USB設(shè)備的插拔不會(huì)損壞計(jì)算機(jī)和USB外設(shè)。USB接口處包含了一個(gè)+5V的電源和地線接口，USB外設(shè)可直接使用接入系統(tǒng)的電源和地，因此USB外設(shè)無需提供額外的電源，但當(dāng)所接入的系統(tǒng)所提供的電源功率不足時(shí)，才需要給USB外設(shè)供電。USB的接口是通用的，在加入到計(jì)算機(jī)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)多個(gè)通信端口地址和一個(gè)中斷號(hào)給USB使用，因此USB的接口的通用性非常強(qiáng)。第44頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月2）USB的傳輸速率快

USB支撐3種信道速率，即1.5Mbit/s的低速、12Mbit/s的全速，以及480Mbit/s以上的高速。目前計(jì)算機(jī)的USB接口均能支撐這三種速率。USB的這三種速率可應(yīng)用于表3.4.1所示的場(chǎng)合。第45頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月表

3.4.1USB的傳輸速率及其應(yīng)用領(lǐng)域性能應(yīng)用領(lǐng)域說明低速：10~100kbit/s鼠標(biāo)、鍵盤等價(jià)格低廉、使用方便、動(dòng)態(tài)插拔，可接到個(gè)外設(shè)全速：500kbit/s~10Mbit/s廣播、音頻、麥克風(fēng)價(jià)格低廉、使用方便、動(dòng)態(tài)插拔，可接到個(gè)外設(shè)，保證帶寬高速：25Mbit/s~400Mbit/s影像、存儲(chǔ)設(shè)備價(jià)格低廉、使用方便、動(dòng)態(tài)插拔，可接到個(gè)外設(shè)，高帶寬第46頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3）功耗低、性能穩(wěn)定當(dāng)USB外設(shè)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，它會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)省電模式來降低功耗。當(dāng)激活時(shí)，會(huì)自動(dòng)恢復(fù)原來狀態(tài)，因此USB外設(shè)的功耗較低。USB的驅(qū)動(dòng)程序、硬件及電纜均盡量減少噪聲干擾以免產(chǎn)生差錯(cuò)，所有的設(shè)計(jì)均采用了差錯(cuò)處理機(jī)制，因此使用時(shí)USB設(shè)備較穩(wěn)定。第47頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月4）操作系統(tǒng)的支持性與靈活性Windows98是第一個(gè)支持USB的操作系統(tǒng)，以后主流的操作系統(tǒng)如Linux，NetBSD和FreeBSD等也支持USB。每個(gè)操作系統(tǒng)都支持下列3項(xiàng)底層功能：（1）與新連接的設(shè)備溝通來確認(rèn)交換數(shù)據(jù)的方式；（2）自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備是否連接到系統(tǒng)或已刪除；

（3）提供驅(qū)動(dòng)程序與USB硬件以及應(yīng)用程序的溝通機(jī)制。第48頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月在高級(jí)的支持上，操作系統(tǒng)可能提供有設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序來讓應(yīng)用程序調(diào)用存取函數(shù)。如果操作系統(tǒng)沒有提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序，USB設(shè)備的廠商應(yīng)提供。

目前在Windows操作系統(tǒng)上，已有鍵盤、鼠標(biāo)、音響設(shè)備、調(diào)制解調(diào)器、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、打印機(jī)以及外存等均提供了驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序可方便地調(diào)用這些設(shè)備。USB的控制、中斷、批量和實(shí)時(shí)4種傳輸類型與低速、全速及高速3中傳輸速率可讓外設(shè)靈活選擇。不論是交換少量或大量的數(shù)據(jù)，還是有無時(shí)效的限制，都適合傳輸類型。第49頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2USB總線體系結(jié)構(gòu)第50頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月USB系統(tǒng)主要包括USB主機(jī)、USB設(shè)備和USB互連3部分。其中USB互連是指USB設(shè)備與USB主機(jī)連接并通信的方式，它是通過一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)互連的。第51頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月1）USB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集線器是USB拓?fù)溥B接的核心部件，與主機(jī)相連的集線器為根集線器，它可以與其它集線器相連，也可以與設(shè)備相連。一個(gè)集線器與多個(gè)設(shè)備相連可組成復(fù)合設(shè)備，例如一個(gè)鼠標(biāo)和一個(gè)鍵盤可以組合在一個(gè)集線器內(nèi)形成一個(gè)多功能的復(fù)合設(shè)備。最多可串接下來127個(gè)外設(shè)第52頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月2）USB總線USB總線由4個(gè)主要部分構(gòu)成，即主機(jī)和設(shè)備部分、物理構(gòu)成部分、邏輯構(gòu)成部分和客戶軟件構(gòu)成部分。第53頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）主機(jī)和設(shè)備在整個(gè)USB系統(tǒng)中，只允許存在一個(gè)主機(jī)。主機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖3.10所示。它由USB主控制器、USB系統(tǒng)軟件和USB客戶軟件構(gòu)成。第54頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月USB主控制器是指主機(jī)的USB接口，它可以是硬件與軟件構(gòu)成的實(shí)體。USB主控器的作用是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在管道中傳輸?shù)母袷?，而且能被操作系統(tǒng)理解。USB主控器的另一個(gè)作用負(fù)責(zé)管道上的通信。根集線器被集成在主機(jī)系統(tǒng)中，用來提供一個(gè)或多個(gè)接入。根集線器與主控制器共同作用來檢測(cè)設(shè)備的接入和移除。USB主機(jī)是USB中唯一的用于協(xié)調(diào)控制所有USB訪問的實(shí)體。當(dāng)一個(gè)USB訪問請(qǐng)求到來時(shí)，必須首先得到主機(jī)的允許，USB設(shè)備才能獲得對(duì)總線的訪問權(quán)。第55頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月USB系統(tǒng)中主機(jī)主要進(jìn)行檢測(cè)USB設(shè)備的接入與移除，主機(jī)與USB設(shè)備間數(shù)據(jù)流的管理，搜索狀態(tài)信息和活動(dòng)信息統(tǒng)計(jì)，為接入的USB設(shè)備提供電源。USB的系統(tǒng)軟件是用來管理USB設(shè)備的和主機(jī)進(jìn)行信息交互的，它主要完成設(shè)備的枚舉和配置、同步數(shù)據(jù)傳輸、電源管理以及設(shè)備和總線信息管理。USB設(shè)備包括集線器和功能部件。功能部件是指向系統(tǒng)提供特定功能的設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤、掃描儀及打印機(jī)等。第56頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月一個(gè)物理USBS設(shè)備主要有USB總線接口、USB邏輯設(shè)備和功能模塊組成，如圖3.11所示。一個(gè)功能設(shè)備是指可以從USB總線上收發(fā)數(shù)據(jù)信息和控制信息的設(shè)備，它提供了特定的功能。一個(gè)功能設(shè)備由一個(gè)獨(dú)立的外設(shè)來實(shí)現(xiàn)的，它通過一根電纜接入到集線器的端口上。功能設(shè)備在使用前必須由主機(jī)對(duì)其配置，配置包括分配USB帶寬和為該設(shè)備選擇特定的配置選項(xiàng)等操作。第57頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3）USB的機(jī)械及電氣特性USB設(shè)備都有“上行”(Up-stream)和“下行”(Down-stream)連接。對(duì)于USB主機(jī)，連接的是下行。上行和下行連接在機(jī)械性能方面是不能互換的，所以要盡量避免集線器上發(fā)生環(huán)路連接。USB連接器上都有4個(gè)觸點(diǎn)，具有屏蔽外殼，規(guī)定的堅(jiān)固性和易于插拔的特性。對(duì)應(yīng)的USB電纜具有4根導(dǎo)線，其中一對(duì)是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的雙絞線作為信號(hào)線，分別標(biāo)有D+和D-，另一對(duì)為規(guī)格的電源線，分別標(biāo)有Vbus和GND。第58頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月信號(hào)線的特性阻抗為90Ω，使用一個(gè)差模輸出驅(qū)動(dòng)器向USB電纜傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，因此接收端可在不低于200mA的范圍內(nèi)保證接收的準(zhǔn)確性。USB支持兩種信號(hào)速率，最高速率12Mbit/s和較低速率1.5Mbit/s。較低速率的傳輸對(duì)線路的要求較低，而較高速率的傳輸對(duì)線路的要求較高。對(duì)于最高速率的連接，要求采用一對(duì)屏蔽雙絞線電纜來產(chǎn)生，要求電纜的特性阻抗為90Ω15%，電纜長度不超過15m。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的阻抗必須位于19~44Ω之間。數(shù)據(jù)信號(hào)上升和下降沿的時(shí)間必須處于4ns~20ns之間。低速率的連接可以利用一對(duì)非屏蔽雙絞線電纜實(shí)現(xiàn)，最大長度為3m。第59頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3USB系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用第60頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月1）USB近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)USB的傳輸距離一般在15m以內(nèi)，屬于近距離傳輸，不采用數(shù)據(jù)通信設(shè)備所構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。USB近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3.12所示。它由主機(jī)（計(jì)算機(jī)或信息處理系統(tǒng)）、USB通信接口、微處理器、A/D轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。第61頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月微處理器有兩個(gè)作用，一是用來進(jìn)行USB通信，二是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的控制。A/D將傳感器采集的模擬量變?yōu)閿?shù)字量，狀態(tài)量輸入接口是將“物”的開關(guān)量轉(zhuǎn)換為微處理器能識(shí)別的“0”、“1”電平量，狀態(tài)量輸出接口是將微處理器輸出的“0”、“1”邏輯電平轉(zhuǎn)為能驅(qū)動(dòng)“物”的開關(guān)量。目前，已有多家芯片廠商推出了具有USB通信接口的微處理器，可以減輕系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。第62頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月2）USB遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)USB的通信距離限制了數(shù)據(jù)采集的范圍，要想擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集的距離就須在USB近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加相關(guān)的接口來延長傳輸距離。目前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中廣泛采用RS-485接口來傳輸數(shù)據(jù)，RS-485接口的優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離可達(dá)1km以上，并且可以跨接多臺(tái)設(shè)備，但其缺點(diǎn)是傳輸速度慢、成本高、安裝不便。而將兩個(gè)相互結(jié)合則可以獲得傳輸距離、傳輸速率、成本及安裝等方面的綜合優(yōu)勢(shì)。于是可將圖3.12中的數(shù)據(jù)采集器作為單獨(dú)的模塊與USB/RS-485轉(zhuǎn)換器結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.13所示。第63頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月485總線的長度可長達(dá)1km以上，在該總線上可跨接32個(gè)數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器的通信接口為RS-485。這些數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)485總線到達(dá)USB/RS-485雙向轉(zhuǎn)換器后成為USB信號(hào)進(jìn)入到主機(jī)。第64頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.4IEEE-1394接口第65頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月與USB接口相似的另一個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)是IEEE-1394，它比USB具有更快的傳輸速率、更為靈活方便，但其成本較高。USB和IEEE-1394的應(yīng)用場(chǎng)合是有所區(qū)別的。USB適合使用在鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、移動(dòng)硬盤及打印機(jī)等中低速的設(shè)備上，而IEEE-1394則非常適合于視頻或其他高速系統(tǒng)的連接，以及沒有主機(jī)的場(chǎng)合。對(duì)于許多外設(shè)來說，USB和IEEE-1394都適用。在使用USB時(shí)，一臺(tái)主機(jī)可以控制多臺(tái)外設(shè)，控制信息的處理均由主機(jī)完成，因此這些外設(shè)的電路相對(duì)簡單，因而成本也較低。第66頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月IEEE-1394采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，外設(shè)間可以直接相互通信，并且還可以采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式。所以IEEE-1394比USB更靈活，但外設(shè)電路較復(fù)雜，成本也較高。USB1.x的傳輸速率為12Mbit/s，USB2.0的傳輸速率可達(dá)480Mbit/s。IEEE-1394的傳輸速率為400Mbit/s，比USB1.1快30倍以上，IEEE-1394.b的傳輸速率可達(dá)3.2Gbit/s以上，比USB2.0快6倍以上。

除了成本外，IEEE-1394從靈活性、速度上都比USB有優(yōu)勢(shì)。第67頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大傳輸距離為15m，最高傳輸速率不高于20bit/s。

RS-422A由于采用了雙線傳輸，大大增加了抗共模干擾的能力，因此當(dāng)傳輸距離限制在15m內(nèi)時(shí)，它的最大傳輸速率可達(dá)10Mbit/s；當(dāng)傳輸速率在90kbit/s時(shí)，其最大傳輸距離為120m。

RS-423A標(biāo)準(zhǔn)由于采用了差動(dòng)接收，提高了抗共模干擾能力。當(dāng)傳輸距離為90m時(shí)，最大傳輸速率為100kbit/s；若傳輸速率為1kbit/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)1200m。

RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)的抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)。采用雙絞線，不用調(diào)制解調(diào)器等通信設(shè)備的情況下，當(dāng)傳輸速率為100kbit/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)1200m；在9600bit/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)15km。在傳輸距離為15m時(shí)，它的最大傳輸速率可達(dá)10Mbit/s。第68頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)USB1.x的傳輸速率為12Mbit/s，USB2.0的傳輸速率可達(dá)480Mbit/s。IEEE-1394的傳輸速率為400Mbit/s，比USB1.1快30倍以上，IEEE-1394.b的傳輸速率可達(dá)3.2Gbit/s以上，比USB2.0快6倍以上。第69頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5CAN總線第70頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1CAN總線的特點(diǎn)第71頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)與自動(dòng)化，在該領(lǐng)域中需要對(duì)大量的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，因此現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)及應(yīng)用應(yīng)為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、控制技術(shù)所必備的。目前，常用的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有以下幾種類型：

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FoundationFieldbus，F(xiàn)F)、ProfiBus、CAN、DeviceNet、HART等。其中CAN(ControllerAreaNetwork)現(xiàn)場(chǎng)總線，即控制器局域網(wǎng)，因其具有高性能、高可靠性以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)而越來越受到關(guān)注，被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。第72頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月CAN現(xiàn)場(chǎng)總線是在上世紀(jì)八十年代初，德國BOSCH公司為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中眾多的汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它是一種多主總線，具有很高的可靠性，支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制。CAN總線歷經(jīng)20多年的發(fā)展，尤其是隨著其國際標(biāo)準(zhǔn)化(ISO11898)的制定，更加推動(dòng)了它的發(fā)展和應(yīng)用。目前已有Intel、Motorola、

Philips、Siemens等百余家國際大公司支持CAN總線協(xié)議。第73頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月目前，CAN總線在國外已有很多方面的應(yīng)用，CAN總線已被廣泛地應(yīng)用于汽車、火車、輪船、機(jī)器人、智能樓宇、機(jī)械制造、數(shù)控機(jī)床、各種機(jī)械設(shè)備、交通管理、傳感器、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。同時(shí)也成為了物聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的感知控制層的通信總線。CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于采用了許多新技術(shù)以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的性能、可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)可以概括如下：第74頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）通信方式靈活。CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上的任意節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，且不需站地址等結(jié)點(diǎn)信息；（2）CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，以滿足和協(xié)調(diào)各自不同的實(shí)時(shí)性要求；（3）采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，按優(yōu)先級(jí)順序通信，大大節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間，避免網(wǎng)絡(luò)癱瘓；（4）CAN通過報(bào)文濾波實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”；（5）傳輸速率最高可以達(dá)到1Mbit/s(40m)，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到10km(傳輸速率在5kbit/s以下)；第75頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）CAN上的結(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)。報(bào)文標(biāo)志符可達(dá)2032種(CAN2.0A)，擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2.0B)的報(bào)文標(biāo)志符幾乎不受限制；（7）短幀，傳輸時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng),檢錯(cuò)效果好。其中每幀字節(jié)數(shù)最多為8個(gè)，能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域的一般要求，也能保證通信的實(shí)時(shí)性；（8）CAN每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了通信的可靠性；（9）CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成數(shù)據(jù)通信的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等；第76頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（10）通信介質(zhì)可以為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活；（11）網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下可以自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響；（12）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化（國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898）。第77頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.2CAN總線網(wǎng)絡(luò)層次與通信協(xié)議第78頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月1）CAN總線網(wǎng)絡(luò)層次CAN協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。ISO開放系統(tǒng)互連參考模型將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分為7層，由上至下分別為：應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。根據(jù)ISO/OSI開放系統(tǒng)互連參考模型，為了滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的實(shí)時(shí)性要求，在CAN規(guī)范中只是在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了定義，其層次結(jié)構(gòu)如圖3.14所示。第79頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月第80頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月

物理層：該層的任務(wù)是透明地傳送信息比特流，在物理層上所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是以比特為單位的。數(shù)據(jù)鏈路層：該層的任務(wù)是在兩個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)間的鏈路上，實(shí)現(xiàn)以幀為單位的無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)就是要選擇合適的路由，使發(fā)送結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組能夠正確無誤地按照地址找到目標(biāo)結(jié)點(diǎn)，并交付給目標(biāo)結(jié)點(diǎn)的運(yùn)輸層。運(yùn)輸層：運(yùn)輸層的任務(wù)是根據(jù)下面通信網(wǎng)的特性，以最佳的方式利用網(wǎng)絡(luò)資源，并以可靠經(jīng)濟(jì)的方式為發(fā)送結(jié)點(diǎn)和接收結(jié)點(diǎn)建立一條運(yùn)輸連接，來透明地傳送報(bào)文。會(huì)話層：會(huì)話層不參與具體的數(shù)據(jù)傳輸，但該層卻對(duì)數(shù)據(jù)傳輸給予了管理。它在兩個(gè)相互通信的進(jìn)程之間進(jìn)行組織、協(xié)調(diào)和建立。第81頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月表示層：該層主要解決了用戶信息的語法表示。表示層將欲交換的數(shù)據(jù)從適合于某一用戶的抽象語法變換為適合于OSI內(nèi)部使用的語法。應(yīng)用層：該層對(duì)應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行了抽象，它只保留應(yīng)用進(jìn)程中與進(jìn)程間交互有關(guān)的那些部分。經(jīng)過抽象后的應(yīng)用進(jìn)程就成為了OSI應(yīng)用層中的應(yīng)用實(shí)體。OSI的應(yīng)用層并不是把各種應(yīng)用進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用層所標(biāo)準(zhǔn)化的是一些應(yīng)用進(jìn)程經(jīng)常使用的功能，以及實(shí)現(xiàn)這些功能所應(yīng)用的協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)中的各層當(dāng)需要演進(jìn)時(shí)，只要保持上下兩層的接口功能不變，就不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，因此保持各層次間接口的相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的分布演進(jìn)具有非常重要的作用。第82頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月第83頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月在數(shù)據(jù)鏈路層，CAN定義了邏輯鏈路子層(LLC)部分和完整的媒體訪問控制子層(MAC)。邏輯鏈路子層(LLC)的作用范圍包括：為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)，確定由實(shí)際要使用的LLC子層接收哪一個(gè)報(bào)文，為恢復(fù)管理和過載通知提供手段。MAC子層的作用主要是傳送規(guī)則，也就是控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)定、故障界定?？偩€上什么時(shí)候開始發(fā)送新報(bào)文，以及什么時(shí)候開始接收?qǐng)?bào)文，均在MAC子層里確定。位定時(shí)的一些普通功能也可以看作是MAC子層的一部分。MAC子層的修改是受到限制的。第84頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月MAC子層是CAN協(xié)議的核心。它把接收到的報(bào)文提供給LLC子層，并接收來自LLC子層的報(bào)文。

物理層的作用是在不同節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)所有的電氣屬性進(jìn)行位的實(shí)際傳輸。同一網(wǎng)絡(luò)的物理層，對(duì)于所有的節(jié)點(diǎn)當(dāng)然是相同的。CAN協(xié)議規(guī)范，在物理層只定義了信號(hào)是如何實(shí)際地傳輸?shù)?，包括?duì)位時(shí)間、位編碼、同步的解釋。CAN規(guī)范沒有定義物理層的驅(qū)動(dòng)器/接收器特性，以便允許根據(jù)它們的應(yīng)用對(duì)發(fā)送媒體和信號(hào)電平進(jìn)行優(yōu)化。第85頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月2）CAN總線通信協(xié)議CAN的通信協(xié)議基于如下5條基本規(guī)則進(jìn)行通信協(xié)調(diào)：

（1）總線訪問。CAN是共享媒體的總線，對(duì)媒體的訪問機(jī)制類似于以太網(wǎng)的媒體訪問機(jī)制，即采用載波監(jiān)聽多路訪問(CarrierSenseMultipleAccess,CSMA)的方式。CAN控制器只能在總線空閑時(shí)開始發(fā)送，并采用硬同步，所有CAN控制器同步都位于幀起始的前沿。為避免異步時(shí)鐘因累計(jì)誤差而錯(cuò)位，CAN總線中用硬同步后，滿足一定條件的跳變進(jìn)行重同步。

第86頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）非破壞性的位仲裁方式。當(dāng)總線空閑時(shí)呈隱形電平，此時(shí)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以向總線發(fā)送一個(gè)顯性電平作為一個(gè)幀的開始。如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，就會(huì)產(chǎn)生總線沖突。CAN總線解決總線沖突的辦法比以太網(wǎng)的CSMA/CD方法有很大的改進(jìn)。第87頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）編碼/解碼。幀起始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域和CRC序列均使用位填充技術(shù)進(jìn)行編碼。在CAN總線中，每連續(xù)5個(gè)同狀態(tài)的電平插入一位與它相補(bǔ)的電平，還原時(shí)每5個(gè)同狀態(tài)的電平后的相補(bǔ)電平刪除，從而保證了數(shù)據(jù)的透明。

（4）出錯(cuò)標(biāo)注。當(dāng)檢測(cè)到位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤或應(yīng)答錯(cuò)誤時(shí)，檢測(cè)出錯(cuò)條件的CAN控制器將發(fā)送一個(gè)出錯(cuò)標(biāo)志。（5）超載標(biāo)注。一些CAN控制器會(huì)發(fā)送一個(gè)或多個(gè)超載幀以延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的發(fā)送。第88頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月3）CAN報(bào)文的幀類型CAN通信協(xié)議2.0A規(guī)定了4種不同的幀格式：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和超載幀。第89頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀用來攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鞯摹?shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的域組成，即幀起始標(biāo)識(shí)位(SOF)、仲裁域(ArbitrationField)、控制域(ControlField)、數(shù)據(jù)域(DataField)、CRC檢查域、ACK應(yīng)答域和幀結(jié)束。其中數(shù)據(jù)域的長度可以為0。數(shù)據(jù)幀的組成如圖3.15所示。第90頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月CAN2.0B協(xié)議中存在著兩種不同的幀格式，其主要區(qū)別在于標(biāo)識(shí)符(Identifier)的長度。具有11位標(biāo)識(shí)符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀，而包括29位標(biāo)識(shí)符的幀稱為擴(kuò)展幀。標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖3.16所示。第91頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）遠(yuǎn)程幀遠(yuǎn)程幀被用來請(qǐng)求總線上某個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己想要接收的數(shù)據(jù)，具有發(fā)送這種遠(yuǎn)地消息的結(jié)點(diǎn)收到這個(gè)遠(yuǎn)程幀后，就應(yīng)盡力響應(yīng)這個(gè)遠(yuǎn)地傳送要求。所以對(duì)遠(yuǎn)程幀本身來說是沒有數(shù)據(jù)域的。在遠(yuǎn)程幀中，除了RTR位被設(shè)置為1，表示被動(dòng)狀態(tài)外，其余部分與數(shù)據(jù)幀完全相同。第92頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）錯(cuò)誤幀錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同的域組成。第一個(gè)域是標(biāo)志錯(cuò)誤，用作為不同節(jié)點(diǎn)提供錯(cuò)誤標(biāo)志(ErrorFlag)的疊加；第二個(gè)域是錯(cuò)誤界定符。報(bào)文傳輸過程中，檢測(cè)到任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)出錯(cuò)，即于下一位開始發(fā)送錯(cuò)誤幀，通知發(fā)送端停止發(fā)送。第93頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）超載幀超載幀和錯(cuò)誤幀一樣由兩個(gè)域組成，即超載標(biāo)志和超載界定符。當(dāng)某接收器因內(nèi)部原因要求緩發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀時(shí)，它向總線發(fā)出超載幀。另外，在間歇場(chǎng)(Intermission)檢測(cè)到一“顯性”位，也要發(fā)送超載幀。超載幀還可以引發(fā)另一次超載幀，但以兩次為限。第94頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）幀間空間數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同前面的幀相同，不管是何種幀,均以幀間空間(InterFramespacing)的場(chǎng)位分開。在錯(cuò)誤幀和超載幀前面沒有幀間空間，并且多個(gè)超載幀前面也不被幀間空間分隔。

幀間空間包括間歇場(chǎng)和總線空閑的場(chǎng)位。間歇場(chǎng)包括3個(gè)隱性位，在間歇場(chǎng)期間，所有的節(jié)點(diǎn)均不允許傳送數(shù)據(jù)幀或者遠(yuǎn)程幀，僅標(biāo)示一個(gè)超載條件。第95頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月4）CAN報(bào)文的幀格式以下，我們以CAN2.0B協(xié)議為代表，簡單地介紹一下在常用的CAN控制器寄存器中CAN數(shù)據(jù)幀的格式。第96頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀CAN標(biāo)準(zhǔn)幀信息為11個(gè)字節(jié)，包括信息和數(shù)據(jù)兩部分。前3個(gè)字節(jié)為信息部分。具體內(nèi)容如表3.5.1所示。第97頁，課件共108頁，創(chuàng)作于2023年2月表3.5.1CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀位76543210字節(jié)1FFR