CAN-bus现场总线基础教程【第1章】现场总线CAN-bus-CAN-bus物理层(2)
文库资料 ?2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.
第1章 现场总线CAN-bus
1.1 CAN-bus 物理层
物理层主要是完成设备间的信号传送，把各种信息转换为可以传输的物理信号（通常为电信号或光信号），并将这些信号传输到其他目标设备。基于该目的，CAN-bus 对信号电平、通信时使用的电缆及连接器等做了详细规定。
CAN-bus 由ISO 标准化后发布了两个标准，分别是ISO11898（125kbps~1Mbps 的高速通信标准）和ISO11519（小于125kbps 的低速通信标准）。这两个标准仅在物理层不同，在数据链路层是相同的。
1.1.1 CAN 收发器与信号电平
位于CAN-bus 物理层的器件要完成逻辑信号与电缆上物理信号的转换，该器件被称为收发器，其外形如图1.1所示。
图1.1 CAN 收发器的引脚与实物图
CAN-bus 使用两根线缆进行信号传输，如图1.2所示，这两根线缆的名称分别为CAN_High 和CAN_Low （简称CAN_H 和CAN_L ）。
CAN 收发器根据两根线缆之间的电压差来判断总线电平，这种传输方式被称为差分传输。线缆上传输的电平信号只有两种可能，分别为显性电平和隐性电平，其中显性电平代表逻辑0，隐性电平代表逻辑1。
ISO11898和
ISO11519-2电信号数据对比如表1.1
所示。
表1.1 ISO11898和ISO11519-2电信号数据对比
图1.2 双绞线
文库资料 ?2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.
双绞线（屏蔽/非屏蔽）
双绞线（屏蔽/非屏蔽）
CAN-bus 采用双绞线连接，并配合差分传输方式，可以有效的抑制共模干扰。共模干扰是指信号线上的干扰信号的幅度和相位都相同，如图1.3所示。例如通信电缆被一个电磁脉冲辐射了，根据中学的物理知识我们知道交变的磁场能感应出产生交变的电场，反映在信号电位上就是出现了瞬间的电压跌落或尖峰。双绞线是将两根线缆紧密的绞合在一起，所以这种干扰会在两根线缆上同时出现，但两根线缆之间的电压差不会被影响，所以CAN 收发器仍能正确的读取到数据值。
图1.3 双绞线对共模干扰的抑制原理
1.1.2 接插件
CAN-bus 线缆与CAN 节点设备的接口常采用如图1.4所示的三种接口元件。
图1.4 常用接口
文库资料 ?2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.
1.1.3 线与原理
CAN-bus 收发器的输出示意图如图1.5所示。输出隐性电平时开关断开，因为上拉电阻的存在，输出电平为高电平。输出显性电平时开关闭合，输出对地短路变为低电平。
我们已经知道CAN-bus 是许多CAN 节点同时连接到CAN_High 和CAN_Low 线上进行数据收发的，当有多个节点同时输出信号时会出现什么情况呢？如图1.6所示当有多个节点同时连接在一根线缆上时，某个节点内部的开关闭合（输出显性电平），
线路电平将被拉低。此时即使其它节点输出高电平（隐性电平）线路电平也仍然为低。
因为所有收发器的输出开关都是并联的，所以有一个或多个开关闭合时，线路就会输出低电
平。这种关系和逻辑“与”相同，所以被称为“线
与”。因为线与的存在，当多个收发器同时输出不
同电平的信号时，隐性电平会被显性电平“覆盖”，
使信号线缆呈现显性电平。CAN 控制器在发送的
同时会监听总线的当前电平是否与自己发送的一致，如果不一致则会做相应的处理，如果发生在仲裁域就会迫使输出隐性电平的节点退出发送，如果发生在其它区域则会触发错误，关于仲裁和错误我们会在数据链路层做进一步的叙述。 1.1.4 同步与填充位
CAN-bus 属于异步串行通信的方式，这种通信方式是不传输时钟同步信号的，各个接收器按实现设置的节拍（波特率）来对总线上的电平信号进行分片，每一片的值就代表一个位。就像每个接收器手上都有一个秒表，时间一到就读总线的电平状态。大家熟悉的UART 就是异步串行通信，SPI 是同步串行通信。同步串行通信与异步串行通信如图1.7和图1.8所示。
图1.7 同步串行通信靠时钟边沿触发采样
图1.5 单节点信号示意图
图1.6 线与示意图
文库资料
?2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.
图1.8 异步串行通信靠接收器内部定时触发采样
异步串行通信的优点是减少了一根时钟线。缺点是各接收器的时钟不可能完全一致，总是会有偏差，有些偏快有些偏慢，这些误差会累计直到通信出错。例如一个节点的实际波特率比标准值快1%，那么这种误差会在100个位以后累计达到1个位，从而使通信出错。就像有的表快有的表慢，大家对表后短时间内看不出差别，过几天大家再看表时，误差就显现出来了。图1.9是波特率误差10%时导致数据错误的示意图。
图1.9 波特率误差带来的数据错误
要解决这个问题，很容易想到的办法是提高时钟的精度。大家都带上极其精准的手表，这样就可以保证长时间没有误差了。但是这会使设备成本激增，同时这种办法也只是缩小了误差，并不能消除这种累计误差。
聪明的工程师采用了更经济更可靠的方法——同步。同步就像给表校时一样，隔一段时间所有节点的时钟就同步一次（例如归零）。这样尽管大家的时钟仍有误差，但是可以消除累计误差。CAN-bus 规定信号的跳变沿即为同步信号，所以只要信号发生变化了，节点时钟就会被同步。经过综合考虑后，CAN-bus 的同步最大周期为5个位。但是因为传输的数据内容不可能都满足最长5个位就要变化一次。于是CAN-bus 进一步做了规范，如果传输的信号连续5个位是相同的，就要插入一个电平相反的位，这个额外插入的位被称为“填充位”。例如要传输的数据中有0x00这个数据，其对应的二进制是0000 0000b ，那么该字节数据在传输时将被替换成0000 01000，如图1.10所示。接收方会自动过滤填充位。整个插入与过滤的过程都在CAN 控制器中自动完成，用户的程序是无需干预的。
文库资料
?2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.
图1.10 位填充示意图
1.1.5 传输速率与距离
CAN 是Control Area Network 的缩写，意思是区域控制网络，而且其最早是用于解决车身电子设备通信问题而问世的。所以其主要的应用领域是小范围实时可靠的通信网络。如图1.11所示，CAN-bus 的通信距离与通信速率成反比，即速率越高距离越短。下表列出了在一个CAN 网络中常用波特率下的最大通信距离。
图1.11 通信速率与距离
现在CAN 的应用越来越广泛，在一些应用场合已经超过了上表的最大通信距离，例如煤矿矿井的通信网络。此时可以使用CAN 网关或网桥等设备将CAN 网络划分成更多的子网，让每个子网的速率与距离控制在规定范围内即可。 1.1.6 终端电阻
大家知道光在媒介中传播时，如果遇到媒介密度变化时光会发生反射和折射，例如光从空气中射入水中时。电信号在电缆中传播与光类似，只是电信号对线缆的阻抗比较敏感，当阻抗不连续或发生突变时就会发生电信号的反射，反射过程比较复杂，甚至可能发生多次反射，反射的信号可能会混叠在正常信号上，引起电平变化，导致数据传输错误。
文库资料 ?2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.
消减这种信号反射的方法是使传输线缆的阻抗连续，但是线缆总是有终点的，终点的阻抗肯定是突变的。为了使终点阻抗连续，CAN-bus 规定要在线缆两端或一端接入匹配电阻，该电
阻被称为“终端电阻”。终端电阻并不是CAN-bus 中独有的，总线类型的通信网络几乎都需要，例如RS-485和Profibus 等。终端电阻的阻值和接法如图1.12和图1.13所示。
1.1.7 物理层小结
在物理层一节中我们了解到为了使所有CAN-bus 设备能互相通信，CAN-bus 规范对信号电平、信号同步及位填充、最高速率与距离以及终端电阻都做了详细的规定。在物理层工作的器件主要是CAN 收发器，发送时它会将逻辑信号1或0转换为可在总线上传输的隐性或显性电平，另外它也能完成相反的接收过程。符合上述规定的CAN 节点安装在一个网络中就可以实现物理层的互相通信了。
图1.12 低速CAN-bus （ISO11519）终端电阻接法
图1.13 高速CAN-bus （ISO11898）终端电阻接法
几种常见的现场总线简介
几种常见的现场总线简介从1984年IEC开始制订现场总线国际标准至今，经过16年的努力和有关各方的协商妥协，最终，采用包括8种类型现场总线的IEC6lI58标准，并于1999年底的投票中得以通过。 2.1 Type l IEC技术报告（即FF H1）FF H1现场总线的网络协议是按照ISOOSI参考模型建立的，它由物理层、数据链路层、应用层，以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。基金会现场总线（FF）是Type1现场总线的一个子集（Subset）。 2.2 Type 2 ControlNet ControlNet现场总线得到美国Rockwell公司支持。它采用了一种新的通信模式：生产者/客户（Producer/Consumermodel）模式。这种模式允许网络上的所有节点，同时从单个数据源存取相同的数据。这种模式最主要的特点是增强了系统的功能，提高了效率和实现精确的同步。 2.3 Type 3 Profibus Profibus得到德国Siemens公司支持。Profibus数据链路层总线存取有两种方式，即令牌环（Token-Ring）方式和主站/从站（Master/Slave）方式。Profibus系列由3个兼容部分组成，即Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA。Profibus-DP适用于设备级控制系统与分散I/O之间高速通信，它使用物理层、数据链路层以及用户接口。Profibus-FMS适用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。Profibus-PA专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连接到一根公共总线，符合IEC61158.2物理层规范，
主流现场总线简介
主流现场总线简介 下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。 1、基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF） 这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。 基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。 2、CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域网） 最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN 支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。 3、Lonworks 它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/s），被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。 4、DeviceNet DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet基于CAN技术，传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个，其通信模式为：生产者/客户（Producer/Consumer），采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是Open
常用现场总线种类介绍
常用现场总线种类介绍公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
常用现场总线种类介绍 1、PROFIBUS Profibus 作为一种快速总线，被广泛应用于分布式外围组件(PROFIBUS-DP)。除了 PROFIBUS-DP 和 FMS 以外，Beckhoff 还支持驱动器通讯标准 PROFIBUS MC。过程现场总线 2、EtherCAT EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology，用于控制和自动化技术的以太网)是一种用于工业自动化的实时以太网解决方案，性能优越，使用简便。 3、Lightbus 这种经过验证的 Beckhoff 光纤总线系统具有极为优秀的抗 EMI 性能，易于安装，数据流快速、循环且具有确定性。 4、Interbus Interbus 易于配置，通讯快速而可靠。主/从系统的移位寄存器协议可提供高效循环通讯。 5、CANopen 通过有效利用总线带宽，CANopen 可在即使相对较低的数据传输速率时也能实现较短的系统响应时间。秉承了 CAN 的传统优点，例如数据安全性高且具备多主站能力。 6、ControlNet ControlNet 是一种开放式标准现场总线系统。该总线协议允许循环数据和非循环数据通过总线同时进行交换，而两者之间互不影响。 7、SERCOS interface SERCOS 最初作为用于驱动器的快速光纤总线系统研发。采用 Beckhoff SERCOS 总线耦合器，I/O 设备可以实现高速率数据传输和较短的循环时间。 8、Ethernet
各类总线的介绍
总线 一．总线的概念 总线是一组用于计算机之间各部件之间进行数据和命令的传送的公用信号线。二．总线的分类 （一）总线（微机通用总线）按功能和规范可分为三大类型: (1)片总线(Chip Bus, C-Bus) 又称元件级总线，是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通路。 (2)内总线(Internal Bus, I-Bus) 又称系统总线或板级总线，是微机系统中各插件(模块)之间的信息传输通路。例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。 (3) 外总线(External Bus, E-Bus) 又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路，如EIA RS-232C、IEEE-488等。（现场总线CAN属于外总线） 三类总线在微机系统中的地位和关系 其中的系统总线，即通常意义上所说的总线，一般又含有三种不同功能的总线，即数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB
（Control Bus）。 （二）总线按照传输数据的方式划分：可以分为串行总线和并行总线。串行总线中，二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件；并行总线的数据线通常超过2根。常见的串行总线有SPI、I2C、USB及RS232等。 （三）总线按照时钟信号是否独立划分：可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。SPI、I2C是同步串行总线，RS232采用异步串行总线。 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。 三．各类总线介绍 内部总线 1．I2C总线是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。 2．SPI总线串行外围设备接口SPI是一种同步串行接口，SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以与SPI有关的软件就相当简单，使CPU 有更多的时间处理其他事务。 3．SCI总线串行通信接口SCI是一种通用异步通信接口UART，与MCS-51的异步通信功能基本相同。 系统总线 1．ISA总线总线标准是IBM 公司推出的系统总线标准。它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。它在80286至80486时代应用非常广泛，以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽，ISA总线有98只引脚。 2．EISA总线是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。在实用中，EISA总线完全兼容ISA总线信号。 3．VESA总线是一种局部总线，简称为VL(VESA local bus)总线。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache 的直接相连，通常把这部分总线称为CPU总线或主总线，其他设备通过VL总线与CPU总线相连，所以VL总线被称为局部总线。它定义了32位数据线，且可通过扩展槽扩展到64 位，使用33MHz时
常用现场总线种类介绍
常用现场总线种类介绍 1、PROFIBUS Profibus 作为一种快速总线，被广泛应用于分布式外围组件(PROFIBUS-DP)。除了PROFIBUS-DP 和FMS 以外，Beckhoff 还支持驱动器通讯标准PROFIBUS MC。过程现场总线 2、EtherCAT EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology，用于控制和自动化技术的以太网)是一种用于工业自动化的实时以太网解决方案，性能优越，使用简便。 3、Lightbus 这种经过验证的Beckhoff 光纤总线系统具有极为优秀的抗EMI 性能，易于安装，数据流快速、循环且具有确定性。 4、Interbus Interbus 易于配置，通讯快速而可靠。主/从系统的移位寄存器协议可提供高效循环通讯。 5、CANopen 通过有效利用总线带宽，CANopen 可在即使相对较低的数据传输速率时也能实现较短的系统响应时间。秉承了CAN 的传统优点，例如数据安全性高且具备多主站能力。 6、ControlNet ControlNet 是一种开放式标准现场总线系统。该总线协议允许循环数据和非循环数据通过总线同时进行交换，而两者之间互不影响。 7、SERCOS interface SERCOS 最初作为用于驱动器的快速光纤总线系统研发。采用Beckhoff SERCOS 总线耦合器，I/O 设备可以实现高速率数据传输和较短的循环时间。 8、Ethernet 以太网是办公环境中的主流标准。在Beckhoff 以太网产品中，也秉承并发扬了以太网的优点，例如数据传输速率高，与现有网络的简便集成以及广泛的服务和接口等。 9、PROFINET PROFINET 是一种由PNO(PROFIBUS 用户组织)针对开放式工业以太网制定的标准：国际上订立的一种针对通讯的IT 标准(如TCP/IP 协议)。 10、USB USB 已成为PC 技术的标准接口，具有传输速率高，拓扑结构灵活(通过集成集线器)等特点，加上Beckhoff USB 总线耦合器，在距离较短时，该系统可替代现场总线。 11、Modbus Modbus 是一种基于主/从结构的开放式串行通讯协议。可非常轻松地在所有类型的串行接口上实现，已被广泛接受。 12、RS232/RS485 RS232 和RS485 是精典的串行接口，一直被广泛使用。Beckhoff RS485/RS232 I/O模块采用的是易于实现的简单串行通讯协议。 13、CC-Link CC-Link(Control & Communication Link，控制与通信链路)是一种开放式总线系统，用于控制级和现场总线级之间的通讯。应用方面主要以亚洲地区为主。 14、AS-Interface AS interface 通过简单、经济的布线方法，连接传感器、执行器与上位控制层。AS interface 已通过EN 50295 和IEC 62026-2 标准，在国际上实现了标准化。 15、LON LON(Local Operating Network，局部操作网络)是一种能够进行多网络连接的通讯系统，用于分布式应用。 16、EIB EIB(European Installation Bus，欧洲安装总线)是一种用于楼宇布线的总线系统，主要在欧洲得到广泛应用。 17、SNMP 简单网络管理协议 18、QOS 服务质量，解决延时和阻塞的一种技术。 19、CAN 控制器局域网络
工业现场总线体系介绍
1.现场总线概述 现场总线（Field bus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。 它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。现场总线应用行业：现场总线的产生对工业的发展起着非常重要的作用，对国民经济的增长
有着非常重要的影响。现场总线主要应用于石油、化工、电力、医药、冶金、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域。 现场总线是应用在生产现场与微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点通信的系统也称为开放式．全数字化．多点通信的底层控制网络。 ①现场总线的定义： 现场总线是用于现场仪表与控制室之间的一种“全数字化，双向．多变量，多点多站的通信系统”其本质含义表现在以下六个方面：现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散功能模块和开放式互连网络 ②现场总线的优点： 实现了全数字化通信，不同厂家产品互操作；实现了真正的分布式控制(分散式控制)：可以传送多个过程变量的同时可将仪表标识符和简单诊断信息一并传送，可以产生最先进的现场仪表，多变量变送器；提高了测试精度；增强了系统的自治性。 现场总线特征 (1) 全数字化通信 (2) 开放型的互联网络 (3) 互可操作性与互用性 (4) 现场设备的智能化 (5) 系统结构的高度分散性 (6) 对现场环境的适应性 现场总线特点及缺陷 现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。 通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。 控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。 现场总线总线优点 现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的
Dupline现场总线简介
现场总线
现场总线的定义： 是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要 解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以 及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 现场总线的特点： (1)现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。 (2)通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。 (3)功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。控制功能下放到 (4)现场，使控制系统结构具备高度的分散性。 现场总线的优点: (1)现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为 广阔的领域； (2)一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装费用； (3)节省维护开销； (4)提高了系统的可靠性； (5)为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。 Dupline 现场总线的主要应用优势 1、自由的拓扑结构可以持久的，灵活的以及方便的一步步安装 2、友好的用户界面：易于编写地址和测试，易于从 PC/PLC 机读取数据 3、高亢电子干扰性能，不需要屏蔽电缆，可利用现存的电缆/导线管/管道 4、10km 以内的数据通信不需要信号中继器 5、仪表系统可与 Dupline 的门-照明灯-远程控制及负载开关结合起来 6、与普通系统相比经济实惠 7、后期维护比传统布线更方便、简单。 通信原理： Dupline?信号传输基于时分复用原理，相对传统的面向信息的方法而言，能 使简单信号的传输更加有效。因此，Dupline?运行的的载波频率可低至 1 kHz， 这也是 Dupline?传输距离远、 抗扰性高和稳定性高的关键所在。 控制器产生的方 波信号有一个 8 ms 同步期，随后是 128 个长度为 1ms 的脉冲。这条 136ms 的脉 冲串不断重复。 每个脉冲定义一个时隙，分配到具体脉冲号的模块则可传输和接 收信息。因此，实际上 I/O 模块是互用（交替使用）两条线。不论网络的节点数 量和主要信号如何，Dupline?系统的响应时间通常低于 272ms. 拓扑结构： 总线系统的拓扑指确定采用哪一种电缆布线方式。Dupline?采用 完全自由的拓扑结构，构建的网络可以是线型、环型、星型或其中几 种的组合。这种拓扑结构便于规划，为任何时候的变更和未来的系统 扩展提供了高度的灵活性。
现场总线种类及标准介绍
现场总线种类及标准介绍 现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站数字通信系统。随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展，以全数字式现场总线（FIELDBUS）为代表的互联规范，正在迅猛发展和扩大。由于采用现场总线将使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护；用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的优点，现场总线技术正越来越受到人们的重视。近十几年由于现场总线的国际标准不能建立，现场总线发展的种类较多，约有40余种：如德国西门子公司Siemens的ProfiBus，法国的FIP，英国的ERA，挪威的FINT，Echelon 公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI （ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet 与ControlNet等等。 现场总线的种类主要有：基金会现场总线FF；ProfiBus；WorldFIP；ControlNet/DeviveNet；CAN等 1、基金会现场总线FF 现场总线基金会包含100多个成员单位，负责制订一个综合IEC/ISA标准的国际现场总线。它的前身是可互操作系统协议ISPInterperableSystemProtocol）--基于德国的ProfiBis标准，和工厂仪表世界协议WORLD （WorldFactoryInstrumentationProtocol）--基于法国的FIP标准。ISP和WORLDFIP于1994年6月合并成立了现场总线基金会。 基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层）。另外增加了用户层。 2、ProfiBus
现场总线(PROFIBUS)技术简介
现场总线（PROFIBUS）技术简介 摘要： 本文详细的介绍PROFIBUS的概念以及相关的基础知识。 内容： 第一章：现场总线技术及PROFIBUS 1.1 现场总线技术的由来 1.1.1 CIMS体系结构及工业数据结构的层次划分 根据工厂管理、生产过程及功能要求，CIMS体系结构可分为5层，即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。简化的CIMS则分为3层，即工厂级、车间级和现场级。在一个现代化工厂环境中，在大规模的工业生产过程控制中，工业数据结构同样分为这三个层次，与简化的网络层次相对应。如图1-1所示。 图1-1：简化的CIMS网络体系结构
1.1.2 现场级与车间级自动化监控及信息集成是工厂自动化及CIMS不可缺少的重要部分。 现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化及CIMS系统的基础。 1.1.3 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统（包括：基于PC、PLC、DCS 产品的分布式控制系统），其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。如图1-2所示： 图1-2：传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 1.1.4 系统主要缺点 （1）信息集成能力不强：控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA 模拟量信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足CIMS系统对底层数据的要求。 （2）系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设备均靠标准4-20mA/24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互
(完整版)DeviceNet现场总线协议讲解
厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通讯，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运产生的。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。 由于标准实质上并未统一，所以对现场总线的定义也是各有各的定义。下面给出的是现场总线的两种有代表性的定义。 (l) ISA SP50中对现场总线的定义。现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备(即场地级设备)之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备(即车间级设备)之间的联系。 这里的现场设备指最底层的控制监测、执行和计算设备，包括传感器、控制器、智能阀门、微处理器和内存等各种类型的仪表产品。 (2)根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网路。现场总线的本质含义表现在以下6个方面： a)现场通讯网路：用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通讯网路。
b)现场设备互连：现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。 c)互操作性：现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场设备，所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。用户不希望为选用不同的产品而在硬件或软件上花很大气力，而希望选用各制造商性能价格比最优的产品，并将其集成在一起，实现“即接即用；用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成他所需要的控制回路。这些就是现场总线设备互操作性的含义。现场设备互连是基本的要求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成FCS。 d)分散功能块：FCS废弃了DCS的输入／输出单元和控制站,把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如，流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入模块，而且有PID控制和运算功能块。调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，也可以有PlD 控制和运算模块，甚至有阀门特性自检验和自诊断功能。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。 e)通讯线供电：通讯线供电方式允许现场仪表直接从通讯线
几种常见的现场总线简介
几种常见的现场总线简介 从1984年IEC开始制订现场总线国际标准至今，经过16年的努力和有关各方的协商妥协，最终，采用包括8种类型现场总线的IEC6lI58标准，并于1999年底的投票中得以通过。 2.1 Type l IEC技术报告（即FF H1） FF H1现场总线的网络协议是按照ISO OSI参考模型建立的，它由物理层、数据链路层、应用层，以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。 基金会现场总线（FF）是Type1现场总线的一个子集（Subset）。 2.2 Type 2 ControlNet ControlNet现场总线得到美国Rockwell公司支持。它采用了一种新的通信模式：生产者/客户（Producer/Consumer model）模式。这种模式允许网络上的所有节点，同时从单个数据源存取相同的数据。这种模式最主要的特点是增强了系统的功能，提高了效率和实现精确的同步。 2.3 Type 3 Profibus Profibus得到德国Siemens公司支持。Profibus数据链路层总线存取有两种方式，即令牌环（Token-Ring）方式和主站/从站（Master/Slave）方式。 Profibus系列由3个兼容部分组成，即Profibus-DP、Profibus-FMS 和Profibus-PA。 Profibus-DP适用于设备级控制系统与分散I/O之间高速通信，它使
用物理层、数据链路层以及用户接口。 Profibus-FMS适用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。 Profibus-PA专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连接到一根公共总线，符合IEC61158.2物理层规范，使用两根线可以完成供电和数据通信，并实现本质安全。 2.4 Type 4 P－Net P-Net得到丹麦Process Data公司支持。P-Net为带多网络和多端口功能的多主总线，允许在几个总线区直接寻址，无需递阶网络结构，是一种多网络结构。通信采用虚拟令牌（Virtual-Token）传递方式。该总线物理层基于RS-485标准，使用屏蔽双绞线电缆，传输距离l.2km。 2.5 Type 5 FF HSE FF HSE即原FF H2，美国Fisher-Rosemount公司支持。FF HSE 现场总线使用框架式以太网（Shelf-Ethernet）技术，传输速率从100Mb/s到1Gb/s或更高。HSE完全支持Type 1现场总线的各项功能，并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与H1装置相连接。HSE总线成功地采用CSMA/CD链路控制协议和TCP/IP传输协议，并使用了高速以太网IEEE 802.3 11标准的最新技术。 2.6 Type 6 SwiftNet SwiftNet得到美国波音公司支持。SwiftNet现场总线是一种结构简单、实时性强的总线，协议仅包括物理层和数据链路层，在标准中没
现场总线系统
现场总线系统 制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。 2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。 Type 1 TS61158现场总线 Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线 Type 3 Profibus现场总线 Type 4 P-NET现场总线 Type 5 FF HSE现场总线 Type 6 SwiftNet现场总线 Type 7 World FIP现场总线 Type 8 Interbus现场总线 Type 9 FF H1现场总线 Type 10 PROFInet现场总线 现场总线的技术特征 (1) 全数字化通信 (2) 开放型的互联网络 (3) 互可操作性与互用性 (4) 现场设备的智能化 (5) 系统结构的高度分散性 (6) 对现场环境的适应性 现场总线的特点 现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。 通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。 控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。
现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域； 一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用； 节省维护开销； 提高了系统的可靠性； 为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。 现场总线技术的发展趋势 从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势： 一是寻求统一的现场总线国际标准 二是Industrial Ethernet走向工业控制网络 统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA 技术（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的进展。 随着FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet 技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。 工业以太网的发展 国际上形成的工业以太网技术的四大阵营： 主要用于离散制造控制系统的是： Modbus-IDA工业以太网 Ethernet/IP工业以太网 PROFInet工业以太网 主要用于过程控制系统的是： Foundation Fieldbus HSE工业以太网 随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150多年前出现的基于5－13psi的气动信号标准（PCS，Pneumatic Control System气动控制系统），标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念；20世纪50年代，随着基于0－10mA或4－20mA 的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今；20世纪70年代，随着数字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分是依然沿用4－20mA的模拟信号，不久人们也发现了伴随着“集
CAN总线概述
现场总线技术综述 现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点:具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。 现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有 FoudationFieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。本文将在简要描述现场总线技术特点的基础，紧扣系统的可靠性、实用性等，介绍现场总线网络结构、体系结构等关键技术及目前较为流行的几种有实力的现场总线技术的现状，最后阐述现场总线的发展趋势与技术展望。 一、现场总线的技术特点 1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 2、互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 4、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 5、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 二、现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常
几种主流的现场总线介绍
几种主流的现场总线 1、基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF）这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。 2、CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域网）最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN 支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过
设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。 3、Lonworks 它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/s），被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用Lonworks 技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。 4、DeviceNet DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet基于CAN技术，传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个，其通信模式为：生产者/客户（Producer/Consumer），采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设
几种现场总线介绍
现场总线 百科名片 现场总线结构图 现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是 ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。 现场总线简介 它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。按照IEC的解释 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。 简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输。
定义 是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。 主要用于 制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。典型的现场总线技术 2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。 Type 1 TS61158现场总线 Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线 Type 3 Profibus现场总线 Type 4 P-NET现场总线 Type 5 FF HSE现场总线 Type 6 SwiftNet现场总线 Type 7 World FIP现场总线 Type 8 Interbus现场总线 Type 9 FF H1现场总线 Type 10 PROFInet现场总线 现场总线的特点及优点 (1) 全数字化通信 (2) 开放型的互联网络 (3) 互可操作性与互用性 (4) 现场设备的智能化 (5) 系统结构的高度分散性 (6) 对现场环境的适应性 现场总线的特点 现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。 通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。