工業通信網絡與技術

（現場總線）許勇xuy@主要教學內容和學時分配第一章工業通信概述 2第二章數據通信基礎 4第三章通信總線技術及應用 8計算機接口總線工控機與測控儀器接口總線常用工業通信總線第四章現場總線/控制網絡的核心技術 8現場總線概述FF/Lonworks/Profibus等

網絡集成式控制系統第五章汽車網絡和CANbus

14第六章工業以太網及其應用 4合計

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任何一個控制處理器都要與一定數量的部件和外圍設備連接。簡單通信任務可以用一組線路實現，而多點之間的多任務通信，連線將會錯綜復雜，甚至不能實現。用一組線路，配置以適當的接口電路，與各部件和外圍設備連接，這組線路被稱為總線。換句話說，總線是系統的各插件間(或插件內部芯片間)傳送規定信息的公共通道。采用總線結構便于部件和設備的擴充，尤其制定了統一的總線標準則容易使不同設備間實現互連?？偩€的概念從計算機內部通信開始，現在擴展應用到通信系統的各個應用系統，特別是在工業通信領域。。1.

什么是總線電子設備內，主板通過各種總線來達到將CPU和各種部件有機地連接起來的目的。總線的基本工作方式是由發送信息的部件分時地將信息發往總線，再由總線將這些信息同時發往各個接收信息的部件。究竟由哪個部件接收信息，要由CPU給出的設備地址經譯碼產生的控制信號來決定。總線是計算機系統的神經中樞，實際上也是所有圍繞計算機處理器芯片構成系統的核心，比如是工業控制和儀器測試行業的核心技術。總線簡化通訊電路、減少連接線。統一的總線標準則可以方便系統的構成、擴充或更新?？偩€技術使設計、生產走向標準化。各生產廠家可以按照統一的標準設計、生產計算機的部件，這些部件具有通用性和互換性，因而可大批量生產?？偩€的性能指標主要有下面幾條：1）總線帶寬，即最大數據傳輸速率，是最重要指標：在計算機總線中用B/s表示，其它常用bps（bp/s）。例如，PCI總線的寬度為32位，總線時鐘頻率為33MHz，則最大數據傳輸速率為:(32/8)×4=132MB／s；2）總線時鐘：總線中各種信號的定時基準。；3）總線寬度：總線中數據總線的數量，用Bit(位)表示，總線寬度有8位、16位、32位和64位之分；4）信號線數：總線中信號線的總數，包括數據總線、地址總線和控制總線；5）負載能力：總線中信號線帶負載的能力。該能力強表明可接的總線板卡可多一些。當然，不同的板卡對總線的負載是不一樣的，所接板卡負載的總和不應超過總線的最大負載能力?？偩€的性能2.串行通訊及其接口并行通信:數據的各位同時傳送。

優點：傳送速度快缺點：數據線多，成本較高，且由于并行數據傳輸線的耦合和共模干擾，傳輸距離短。主要應用于數據傳送量很大的場合，如打印機，液晶屏等。隨著現代電子技術的發展，并行通信的應用在逐漸減少。串行通信：將數據按順序分解為一位（或幾位，一般不大于4位）的序列，按順序傳送。優點：傳送線路簡單，成本低，傳送距離長缺點：傳送速度比并行通信低隨著現代電子技術的發展，傳送速度越來越快，應用越來越廣泛。如USB、1394、Profibus、SERCOS、各種網絡等串行通訊的一般概念a.異步通信在異步通信中，沒有統一的時鐘信號，各設備使用自己的時鐘信號,各設備時鐘必須在頻率上保證一致（誤差允許范圍很?。?，每個傳送字節必須用其始位來同步時鐘，用1~2個停止位來表示傳送字節的結束。由起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位等4部分組成的串行數據稱為字符幀（CharacterFrame）也叫數據幀。

異步通信的優點是不需要傳送同步時鐘，字符幀長度不受限制，故設備簡單。缺點是字符幀中因包含起始位和停止位而降低了有效數據的傳輸速率。

D0PD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3…起始位空閑位停止位

異步串行通信的字符幀格式串行通信格式照串行數據的時鐘控制方式，串行通信可分為同步通信和異步通信。起始位檢測異步通信中，每秒鐘傳送二進制數碼的位數為波特率(BaudRate),單位為bps。異步串行通信的收發設備，必須使用相同的波特率。異步通信設備，都具有自己的波特率時鐘發生器，其時鐘頻率一般為波特率的16倍，在檢測到起始時位跳變時，接收方同步其接收時鐘，然后，間隔24個時鐘，檢測第一個數據位，以后每間隔16個時鐘檢測一位，直到停止位，1幀數據結束。用起始位同步接受時鐘，消除了時鐘誤差的累積，降低了對收發時鐘頻率的一致性要求，一般，時鐘誤差<3%即可。

發送時鐘接收時鐘數據讀取第1個數據位讀取第2個數據位b.同步通信

在通信的設備中,采用同一時鐘信號,這個時鐘信號可以是其中一臺設備產生的,也可以采用外部時鐘信號源。00111101由于具有同步時鐘,傳送速度快;但若傳送距離較長時,時鐘信號易受干擾,且不經濟。多用于板內芯片間的數據通信和短距離設備間的數據通信。如：I2C、SPI、LVDS等在同步通信中，除了位同步，還需要幀（字符）同步，幀同步可以由單獨的硬件信號實現，也可以用數據線上的同步字符來實現（非2進制數據）微處理器常用串行總線：通用異步接收器傳輸總線UART（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter）同步外設接口(SPI-SerialPeripheralInterface)、內部集成電路(I2C-Inter-IntegratedCircuit)?？偩€類型線數通信類型多主支持數據率總線上器件的數量線纜長度（米）UART2異步不支持3Kbps到4Mbps21.5@128KbpsSPI3同步不支持>1Mbps<10<3I2C2同步支持<3.4Mbps<10<31）I2C

同步串行總線標準I2C總線采用2線制全雙工串行通信。主站從站0A2A1A0……000001111從站1A2A1A0從站7A2A1A0SDASCL12串行外圍設備接口SPI（serialperipheralinterface）總線技術是Motorola公司推出的一種同步串行接口SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強總線上可以連接多個可作為主機的MCU，裝有SPI接口的輸出設備，輸入設備如液晶驅動、A/D轉換等外設也可以簡單連接到單個TTL移位寄存器的芯片總線上允許連接多個能作主機的設備，但在任一瞬間只允許有一個設備作為主機2）SPI

同步串行總線標準時鐘發生器主器件MOSI從器件MISONSSSCK2）SPI

同步串行總線標準

SPI總線采用3線制全雙工串行通信。7654321076543210MSBbit6bit5bit4bit3bit2bit1LSBSCKMISO/MOSINSSRS232C

RS232是應用最早,最廣泛的雙機異步串行通信總線標準。是美國電子工業協會的推薦標準RS=recommendedstandard

標準規定了數據終端設備(DTE)和數據通信設備(DCE)間串行通信接口的物理(電平)、信號和機械連接標準常用異步串行通訊接口標準DCE計算機DTEDCEDCEDTE電話線

Modem

Modem計算機

RS232C

RS232C計算機計算機

TXD

TXD

RXD

RXD

GND

GNDRS232C的電氣標準和機械連接DTE插針式DCE內孔式25針DB插連接器DTE插針式DCE內孔式9針DB插連接器RS232C的電氣標準：3V~15V:邏輯0-3V~-15V:邏輯150ft@9600bpsTTL/CMOS-RS232電平轉換芯片：MAX232、MAX202等RS232C接口信號定義引腳(9針)引腳(25針)信號信號源類型描述18CDDCE控制載波信號檢測23RxDDCE數據接收數據32TxDDTE數據發送數據420DTRDTE控制終端準備好57GND--信號地66DSRDCE控制數據機準備好74RTSDTE控制請求發送85CTSDCE控制清除以便發送922RIDCE控制振鈴信號計算機間RS232C通信的常用連接方法全握手無握手計算機計算機

TXD

TXD

RXD

RXD

GND

GNDTxDRxDRTSCTSDTRDSRCDRIGNDTxDRxDRTSCTSDTRDSRCDRIGNDRS422和RS485平衡和非平衡線路非平衡線路（單端收發器）平衡線路（差分收發器）RS422和RS485接口標準規格RS422RS485傳輸模式平衡平衡差動輸出（V）±2±1.5接收器敏感度（V）±0.2±0.2驅動器負載，最?。é福?0060最大驅動器數量132最大接收器數量1032最大傳輸速度(bps)10M10M最大電纜長度@90Kbps(ft)40004000最大電纜長度@10Mbps(ft)5050RS422的連接線路……R主站RRS422多采用1:N的全雙工連接方式從站1從站NRS485的連接線路……RRRS485多半雙工的連接方式38051的串行通訊端口3-18051串行口結構8051具有一個全雙工的通用異步接收器/發送器UART（UniversalAsychronousReceiver/Transmitter）,接收或發送數據，是通過對兩個獨立收發引腳RXD(P3.0)、TXD(P3.1)來實現的。CPU則通過3個特殊功能寄存器(SBUF、SCON、PCON)來實現對UART的控制。a.收發緩沖器SBUF8051的UART，包含兩個物理上獨立的接收、發送寄存器SBUF，一個用于存放接收到的數據，另一個用于存放欲發送的數據，二者共用一個字節地址（99H），發送緩沖器只能寫入不能讀出，接收緩沖器只能讀出不能寫入，當對SBUF進行寫操作時，操作的目標是發送寄存器，當對SBUF進行讀操作時，操作的目標是接收寄存器如：

MOV A，SBUF ；A接收寄存器

MOV SBUF，A ；發送寄存器A

b.電源和波特率控制寄存器

PCON（87H）

SMOD1SMOD0-POF2GF1GF0PDIDLD7D6D5D4D3D2D1D0SMOD1為波特率倍頻選擇位。在方式1、2和3時，串行通信的波特率與SMOD有關。當SMOD=1時，通信波特率乘2；當SMOD=0時，通信波特率不變。SMOD0用于選擇串口控制寄存器SCON最高位的功能：當SMOD0=0時，SCON的最高位為工作方式選擇（SM0）；當SMOD0=1時，SCON的最高位為幀錯誤標志（FE）。c.串行控制寄存器SCONSCON用來控制串行口的工作方式和狀態，可以位尋址，字節地址為98H。SM0/FESM1SM2RENTB8RB8TIRID7D6D5D4D3D2D1D0SM0、SM1：串行方式選擇位

SM0SM1工作方式功能波特率00方式08位同步移位寄存器fOSC//1201方式18位UART可變(T1或T2溢出率/n)10方式29位UART

fOSC//64或fOSC//3211方式39位UART可變(T1或T2溢出率/n)FE:

幀錯誤標志。當UART檢測到停止位為0時，置位FE。需軟件清除。SM2：主-從式多機通信控制位，用于方式2和方式3中。在以方式2和方式3處于接收方式時，若SM2=1：當接收到的第9位數據RB8為0時，則RI=0；當接收到的第9位數據RB8為1時，則RI=1。若SM2=0：不論接收到的第9位RB8為0還是為1，RI都以正常方式被激活。主-從式多機通信：在通訊開始時，各從機都應置位SM2。因為主機發出的第一幀數據是地址幀(RB8=1)，各從機都激發中斷，并進入各自的中斷服務程序。只有地址相符的從機才在中斷服務程序中使SM2=0，為以后接收或發送數據作準備；其他從機仍保持SM2=1，對數據幀不予理睬。這樣就實現了主機只能與被尋址的從機實現通訊。在方式1處于接收時，若SM2=1，則只有收到有效的停止位后，RI=1。在方式0中，SM2應為0。REN:允許接收。REN=0時，禁止接收。由軟件置位或清零。TB8:

發送數據的第9位。在方式2和方式3中，由軟件設置，可做奇偶校驗位。在多機通信中，可作為區別地址幀或數據幀的標識位。一般約定地址幀時，TB8為1，數據幀時，TB8為0。RB8:接收數據的第9位。功能同TB8。TI：發送中斷標志位。發送完一幀數據的標志，由硬件置位,軟件清除，可觸發CPU中斷。RI：接收中斷標志位。接收完一幀數據的標志，由硬件置位,軟件清除，可觸發CPU中斷。

3-28051串行口的工作方式根據SCON中SM0、SM1：8051的UART有4中工作方式，用于不同場合。1）方式0

——移位寄存器方式串行數據從RXD(P3.0)端輸入或輸出，同步移位脈沖由TXD(P3.1)送出。這種方式常用于擴展I/O口。2）方式1——

波特率可調的10位通用異步接口UART。

發送或接收一幀信息，包括1位起始位0，8位數據位和1位停止位。傳送的波特率取決于定時器T1或T2的溢出率和PCON中的SMOD位。c）方式2——

固定波特率的11位UART通信方式。

傳送波特率只與SMOD

有關。發送或接收一幀數據包括1位起始位0，8位數據位，1位可編程位(用于奇偶校驗)和1位停止位1。d）方式3——

波特率可變的11位UART通信方式。傳送的波特率取決于定時器T1或定時器T2的溢出率和PCON中的SMOD

位。除了波特率以外，方式3和方式2完全相同。

8051串行口的波特率對于串口的工作方式1、3，波特率通常由定時器T1或T2的溢出脈沖來確定。１）定時器T1用做波特率發生器時波特率的計算定時器T1的工作方式2常用作波特率發生器：２）定時器Ｔ２用做波特率發生器時波特率的計算EIA-232-E接口標準DTE(DataTerminalEquipment)是數據終端設備，是具有一定的數據處理能力和發送、接收數據能力的設備。DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)是數據電路端接設備，它在DTE和傳輸線路之間