第7章 通信技術(shù)

第七章通信技術(shù)1、并行通信技術(shù)2、串行通信技術(shù)3、現(xiàn)場總線技術(shù)4、無線通信技術(shù)1、并行通信技術(shù)1.1、并行通信的原理和特點(diǎn)原理：在并行通信中，一組數(shù)據(jù)的各個(gè)數(shù)據(jù)位將在多條數(shù)據(jù)線上同時(shí)被傳輸。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)、快速不要求固定的數(shù)據(jù)格式缺點(diǎn)：成本高，資源開銷大，抗干擾能力差傳輸距離短1.2并行通信的實(shí)現(xiàn)用并行接口芯片8255實(shí)現(xiàn)并行通信用C口進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)若C口的值變化（如：加1），則有新數(shù)據(jù)到來。1.2并行通信的實(shí)現(xiàn)用并行接口芯片8255實(shí)現(xiàn)并行通信利用CPU的EXINT口來中斷聯(lián)絡(luò)1.2并行通信的實(shí)現(xiàn)利用雙口RAM實(shí)現(xiàn)并行通信雙口RAM是具有兩組獨(dú)立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的雙端口RAM雙口RAM可以簡單可靠地實(shí)現(xiàn)主從機(jī)之間的數(shù)據(jù)共享如：IDT7132/134 DS1609利用IDT7132/134雙口RAM實(shí)現(xiàn)地址線L地址線R數(shù)據(jù)線L數(shù)據(jù)線R硬件沖突時(shí)，后操作一端有效；或使用軟件協(xié)議避免硬件沖突和操作速度不同帶來的錯(cuò)誤。利用DS1609雙口RAM實(shí)現(xiàn)DS1609為256字節(jié)的雙口RAM，數(shù)據(jù)線和地址線公用，結(jié)構(gòu)緊湊DS1609的讀寫時(shí)序邏輯以I/O口方式讀寫AD0~7與一雙向I/O口相連，如：8255的PA口（應(yīng)設(shè)為輸入和輸出雙向口），PB口為控制線（輸出）。以總線模式操作由于DS1609沒有ALE地址鎖存引腳，所以在片外需將地址譯碼的片選線先與ALE相或。2、串行通信技術(shù)2.1、串行通信的原理和特點(diǎn)原理：在串行通信中，一組數(shù)據(jù)的各個(gè)數(shù)據(jù)位在一條數(shù)據(jù)線上逐位地依次傳輸。優(yōu)點(diǎn)：成本低，節(jié)省資源，抗干擾能力強(qiáng)傳輸距離遠(yuǎn)缺點(diǎn)：傳輸效率低實(shí)時(shí)性較差2.2串行異步通信的三種同步機(jī)制相同的波特率——位同步預(yù)定的起始位和停止位——幀同步如：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，1個(gè)停止位。數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)塊）的同步——數(shù)據(jù)包同步通過每幀多發(fā)1位實(shí)現(xiàn)，如利用可編程第9位。通過發(fā)特定的數(shù)據(jù)幀（組合）實(shí)現(xiàn)，如增加包頭包尾。2.3PC與單片機(jī)的串行通信PC與單片機(jī)之間的串行接口定義數(shù)據(jù)包如：包頭——通信內(nèi)容——校驗(yàn)字節(jié)2.4多機(jī)串行通信單片機(jī)與單片機(jī)之間的多機(jī)通信利用單片機(jī)（96系列）串行通信方式2和方式3中斷條件的不同實(shí)現(xiàn)方式2只有當(dāng)接收到的可編程第9位為1的情況下，才能發(fā)生接受中斷方式3無論接收到的可編程第9位是1還是0均中斷方式2下接收地址，方式3下接收數(shù)據(jù)PC為主機(jī)的多機(jī)通信利用8250控制寄存器實(shí)現(xiàn)利用VB的MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)2.5RS-485、RS-422與RS-232特性比較傳輸速率提高，可達(dá)10Mbit/s。傳輸距離增大。10Mbit/s速率下，達(dá)300m。適當(dāng)降低速率，距離可達(dá)1200m。差分傳輸，抗干擾能力增強(qiáng)。驅(qū)動器輸出為±2V~±6V，接收器可以監(jiān)測到的輸入信息電平可低到200mV。RS-485/422通信接口電路MAX483：RS-485/422低功率收發(fā)器應(yīng)用范圍：低功率RS-485/422收發(fā)器；電平變換器；在對EMI敏感的應(yīng)用中作收發(fā)器；工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)RS-485/422通信接口電路MAX1480：RS-485/422通信數(shù)據(jù)接口電氣隔離；-7V~±12V共模輸入；單一5V電源3、現(xiàn)場總線技術(shù)3.1、現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?？偩€的分類毫米級：芯片內(nèi)總線；厘米級：芯片間總線；分米級：機(jī)箱內(nèi)總線，如STD,ISA,PCI等；十米級：機(jī)柜間總線，如RS232，GPIB，VME和VXI等；千米級：現(xiàn)場總線，如FF，Profibus，WorldFIP等；什么是現(xiàn)場總線？國際電工委員會IEC61158標(biāo)準(zhǔn)定義：現(xiàn)場總線是“安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備、儀表與控制室的自動控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線”。現(xiàn)場總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，也稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem）?，F(xiàn)場總線的誕生為實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的信息集成，需要一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換。在這種實(shí)際需求的驅(qū)動下,20世紀(jì)80年代中期現(xiàn)場總線在國際上發(fā)展起來了。技術(shù)基礎(chǔ)：計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)開放系統(tǒng)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以微處理器芯片為基礎(chǔ)的各種智能儀表，為現(xiàn)場信號的數(shù)字化以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用功能提供了條件。但不同廠商所提供的設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，嚴(yán)重束縛了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。從用戶到設(shè)備制造商都強(qiáng)烈要求形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，組成開放互連網(wǎng)絡(luò)。把不同廠商提供的自動化設(shè)備互連為系統(tǒng)。這里的開放意味著對同一標(biāo)準(zhǔn)的共同遵從，意味著這些來自不同廠商而遵從相同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可互連為一致通信系統(tǒng)。從這個(gè)意義上說，現(xiàn)場總線就是工廠自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)首先必須制定相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。真正形成開放互連系統(tǒng)，是大勢所趨?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)示意圖現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)開放性：現(xiàn)場總線的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)是公開的，而DCS制造廠商的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)是各有各的專利，彼此是封閉的?；ゲ僮餍裕翰煌瑥S商的主機(jī)或現(xiàn)場儀表可以相互通信或操作，而DCS中則往往需要接口核驅(qū)動軟件來實(shí)現(xiàn)。智能化與自治性：現(xiàn)場總線設(shè)備具有較高的智能，能處理各種參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息及故障信息，可以自診斷，甚至能在部件、網(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨(dú)立工作?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)高度分散：各現(xiàn)場設(shè)備有足夠的主動性，它們可以相互通信，完全可以把各種控制功能分散到各種設(shè)備中。對現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性：工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計(jì)的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)節(jié)省硬件數(shù)量與投資節(jié)省安裝費(fèi)用節(jié)省維護(hù)開銷用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)基金會現(xiàn)場總線（FF，F(xiàn)oundationFieldbus）LonWorks現(xiàn)場總線過程現(xiàn)場總線PROFIBUS（PROcessFieldBUS）CAN(ControlAreaNetwork)總線HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)總線技術(shù)對比3.2CAN總線CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)（ControlAreaNetwork）的簡稱，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。其總線規(guī)范現(xiàn)已被150國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)。由于得到了Motorola，Intel，Philip，Siemens，NEC等公司的支持，它廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的。其模型結(jié)構(gòu)為三層，即只取OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線。通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5kbps?？蓲旖釉O(shè)備數(shù)最多可達(dá)110個(gè)。CAN總線的性能特點(diǎn)采用多主方式工作網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息有多個(gè)優(yōu)先級采用非破壞性總線仲裁技術(shù)通過報(bào)文濾波實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等方式收發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文標(biāo)識符可達(dá)2032種(CAN2.0A)，擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2.0B)則幾乎不受限制采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短具有較強(qiáng)抗干擾能力CAN總線的邏輯狀態(tài)“顯性”（Dominant）數(shù)值表示邏輯“0”“隱性”（Recessive）數(shù)值表示邏輯“1”CAN節(jié)點(diǎn)的分層結(jié)構(gòu)報(bào)文及其幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)幀：攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器遠(yuǎn)程幀：請求發(fā)送具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)幀：由檢測出總線錯(cuò)誤的任何單元發(fā)送超載幀：提供當(dāng)前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀的附加延遲通信介質(zhì)訪問控制方式帶有優(yōu)先級的多主競爭方式網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可以在發(fā)現(xiàn)總線空閑時(shí)主動地往其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息非破壞性總線優(yōu)先仲裁技術(shù)當(dāng)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息時(shí)，根據(jù)幀中開始部分的標(biāo)識符，逐位仲裁，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送信息CAN智能節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)、SJA1000、82C250可以構(gòu)成一個(gè)最小的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)SJA1000是一種獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000主要功能標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)報(bào)文的接收和發(fā)送BasicCAN和PeliCAN兩種工作方式標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展幀格式都具有單/雙接收濾波器……智能節(jié)點(diǎn)硬件電路與SJA1000的TX0和RX0通過光耦相連，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間電氣隔離與地之間并聯(lián)2個(gè)30pF的小電容，可以濾除總線上的高頻干擾3.3LonWorksLonWorks是由美國Echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而形成的。LonWorks使用開放式通信協(xié)議LonTalk。LonTalk采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)置。其通信速率從300bps至1.5Mbps不等，直接通信距離可達(dá)2700m（78kbps，雙絞線）。支持雙絞線、同軸電纜、光纖、電力線、紅外線、射頻等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品。被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。Neuron神經(jīng)元芯片LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的神經(jīng)元芯片中而得以實(shí)現(xiàn)。4、無線通信技術(shù)無線通信技術(shù)在測量與控制領(lǐng)域的應(yīng)用包括無線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)（WPAN）和無線局域網(wǎng)（WLAN）。用于現(xiàn)場設(shè)備層的無線短程網(wǎng)，采用的主流通信協(xié)議是WPAN（802.15系列），特別是IEEE802.15.4/ZigBee。用于較大傳輸覆蓋面積和較大信息傳輸量的無線局域網(wǎng)，采用的主流通信協(xié)議則是WLAN（IEEE802.11系列）。幾種主要無線通信技術(shù)的比較MarketNameStandardGPRS/GSM1×RTT/CDMAWi-Fi802.11bBluetooth802.15.1ZigBee802.15.4ApplicationFocusWideAreaVoice&DataWeb，E-mail，VideoCableRePlacementMonitoring&ControlSystemResources16MB+1MB+250KB+4KB~32KBBatteryLife(day)1~70.5~51~7100~1000+NetworkSize1327255/65000Bandwidth(Kbps)64~128+11000+72020~250TransmissionRange(meter)1000+1~1001~10+1~100SuccessMetricsReach，QualitySpeedFlexibilityCost，ConvenienceReliability，Power，Cost4.1IEEE802.11b協(xié)議IEEE802.11b協(xié)議是全球第一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，它可以支持最高11Mbps的數(shù)據(jù)速率，運(yùn)行在2.4GHz的ISM頻段上，采用補(bǔ)碼編碼鍵控（CCK）的調(diào)制方式。最流行的WLAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議結(jié)構(gòu)（右圖）。IEEE802.11的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由無線站點(diǎn)STA、無線接入點(diǎn)AP、獨(dú)立基本服務(wù)集IBSS、基本服務(wù)集BSS、分布式系統(tǒng)DS、擴(kuò)展服務(wù)集ESS等組成。擴(kuò)展服務(wù)集ESS示意圖，包括了無線站點(diǎn)、無線接入點(diǎn)、基本服務(wù)集等。IEEE802.11的幀結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)據(jù)幀、管理幀、控制幀三種。幀的一般結(jié)構(gòu)如圖。4.2藍(lán)牙技術(shù)一種由愛立信、IBM、Intel、諾基亞和東芝等公司聯(lián)合推出的低成本、短距離無線通信技術(shù)。2005年3月，BluetoothSIG宣布采用藍(lán)牙核心規(guī)范2.0版本。新規(guī)范傳輸范圍可達(dá)100m，最高速率達(dá)到10Mbps。藍(lán)牙協(xié)議棧藍(lán)牙體系結(jié)構(gòu)中的協(xié)議可分為四層。核心協(xié)議：基帶、LMP、L2CAP、SDP。電纜替代協(xié)議：RFCOMM。電話傳送控制協(xié)議：TCS二進(jìn)制、AT命令集?？蛇x協(xié)議：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、vCard、vCal、WAP、WAE。藍(lán)牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)藍(lán)牙局域網(wǎng)自組織網(wǎng)絡(luò)：分為微微網(wǎng)和散射網(wǎng)。微微網(wǎng)：最多256個(gè)藍(lán)牙單元設(shè)備，其中只有一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備是主設(shè)備，1~7個(gè)激活的從設(shè)備，而其它設(shè)備則處于待機(jī)狀態(tài)。藍(lán)牙局域網(wǎng)自組織網(wǎng)絡(luò)：分為微微網(wǎng)和散射網(wǎng)。散射網(wǎng)：幾個(gè)互相獨(dú)立且不同步的微微網(wǎng)以特定方式互聯(lián)起來，構(gòu)成一個(gè)散射網(wǎng)（又稱微微互聯(lián)網(wǎng)或分布式網(wǎng)絡(luò)）。藍(lán)牙局域網(wǎng)藍(lán)牙接入網(wǎng)關(guān)：藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行互聯(lián)的無線設(shè)備，具有相當(dāng)于橋接器或路由器的功能。藍(lán)牙接入網(wǎng)關(guān)為每一個(gè)所連接的藍(lán)牙設(shè)備提供LAN或Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。藍(lán)牙局域網(wǎng)藍(lán)牙設(shè)備的應(yīng)用主要是將兩個(gè)或者更多的藍(lán)牙設(shè)備組成組成一個(gè)對等的自組網(wǎng)絡(luò)（簡稱對等網(wǎng)），且這些藍(lán)牙設(shè)備能夠通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（藍(lán)牙接入網(wǎng)關(guān)）訪問遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。對等網(wǎng)絡(luò)組實(shí)際上相當(dāng)于多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備組成的微微網(wǎng)。對等網(wǎng)絡(luò)組是一個(gè)設(shè)備齊全并且獨(dú)立的組群網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)組群網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備之間的互相通信，不需要