现场总线技术及应用

总线基本概念部分

1、现场总线的概念P1

现场总线——应用于现场仪表与控制系统和控制室自动化系统之间的一种全分散、全数字化、双向、互联、多站的信息通信链路，实现相互操作以及数据共享。 2、现场总线的5个发展阶段P2

a.基地式气动仪表控制系统、b.电动单元组合式模拟仪表控制系统、c.集中式数字控制系统、d.集散控制系统DCS、e.现场总线控制系统FCS。 3、现场总线分类P3

Foundation Fieldbus、ControlNet、PROFIBUS(传感器总线：ASI；设备总线：CAN) 4、现场总线的技术特点P8

a.系统的开放性 b.互可操作性 c.通信的实时性与确定性 d.现场设备的智能与功能自主性 e.对现场环境的适应性 5、现场总线的优势与劣势P9

a.优势：节省硬件数量与投资、节省安装费用、节约维护开销、用户具有高度的系统集成主动权、提高了系统的准确性与可靠性

b.劣势：网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析与综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。 6、总线操作、总线仲裁概念P15

a.总线操作：总线上数据发送者与接收者之间的连接→数据传送→脱开这一操作序列称为一次总线操作。 b.总线仲裁：对总线冲突的处理过程，根据某种裁决规则来确定下一个时刻具有总线占有权的设备。 7、信道容量香农公式P24 错误！未找到引用源。 W：信道带宽 S/N：信噪比 8、模拟数据编码P25

模拟数据编码：采用用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0，1状态 9、数据传输方式分类P26-29

a.按数据流的组织方式分：并行通信，串行通信。

b.按信息同时传输的方向分：单工通信，半双工通信，全双工通信。 c.按传输信号的频率范围分：基带传输，宽带传输。 d.按通信的同步方式分：同步通信，异步通信 10、传输差错的检测方法P30-31

a.冗余：如对每个字符都传输两次。如果没有能够连续两次收到相同的字符，就意味着发生了一个传输错误。 b.回送：将接收到的信号回送给发送者；如在操作人员手工键盘输入的应用场合，接收端把收到的每一个字符都回送给操作人员，让操作人员来确认字符是否被正确输入。如通过回送发现了传输错误则重传 11、前向差错纠正的冗余位判断P34

在接收端检测和纠正差错，无需请求重发；将一些额外的位按照某种方式进行编码，加入到通信数据中。根据这些位的状态可检测到一定数量的错误并进行纠正。 12、控制网络与计算机网络的异同P38

a. 控制网络属于特殊类型的计算机网络，是用于完成自动化任务的网络系统。 13、曼切斯特编码和差分曼切斯特编码P25 （1）曼切斯特编码

规则：a.把时间划分为等间隔的小段。 b.其中每小段代表一个比特(位/bit)。 c.每个比特时间又被分为两半，前半段所传信号是该时间段比特值的反码，后半段传送的是该比特值本身。 d.从高电平跳变到低电平表示0，从低电平跳变到高电平表示1。

特点：a.其波形中间点总有一次信号电平的变化，因而具有使网络上各节点保持时钟同步的内在时钟信息 b.信号本身携带有同步信息，无需另外传送同步信号。 （2）差分曼切斯特编码：

a.时钟周期起点电平的变化与否代表数据的“1”、“0”状态。b.既具有差分码的特点，又具有曼彻斯特编码的特点。 14、控制网络的实时性要求P41

如准确定时刷新变量数据，生产工艺要求分布节点间的动作应满足一定的时序要求，如由PLC控制的一个生产装置不同部件的动作时序与时限，而且它们的动作通常需要严格互锁。 15、控制网络的网络拓扑结构P42-43

网络的拓扑结构：指网络中节点的互联形式 （环形、星形、总线形和树形、混合型）

16、载波监听多路访问/冲突检测的工作原理P47

CSMA工作原理：网络上的任何节点都没有预定的通信时间，随机向网络发起通信。多个节点同时发起通信，使信号在传输线上相互混淆而遭破坏产生冲突，为避免冲突，每个节点在发送信息之前，都要侦听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听”。

CD工作原理：由于在传输线上存在传输延迟，从而导致冲突，故每个节点在开始发送信息之后，还要继续侦听线路，判定是否有其他节点正与本节点同时向传输介质发送，一旦发现，便中止当前发送，这就是“冲突检测”。 17、几种典型控制网络的通信模型P55 OSI模型

现场总线部分

1、 CAN总线的主要技术特点、技术规范、报文帧类型、帧结构、网络控制体系以及常见的CAN通信控制器 (1)主要技术特点：a. CAN网络上的节点不分主从 b. CAN采用非破坏性的总线仲裁技术 c. CAN网络上的节点具有不同的优先级

(2)技术规范：CAN2.0A与CAN2.0B是1991年颁布的CAN技术规范的两个部分 (3)报文帧类型：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧

(4)帧结构：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结束 (5)网络控制体系：

(6)常见的CAN通信控制器： a.CAN通信控制器82C200 b.CAN通信控制器SJA1000

c.带CAN通信控制器与8位微控制器的P8XC592 d.带CAN通信控制器与16位微控制器的87C196CA/CB

e.带32位ARM7 处理器内核、可编程逻辑、存储子系统、CAN接口、以太网接口、I/O接口等的片上系统TA7V f. 带CAN通信控制器的CAN总线I/O器件82C150 g. CAN总线收发接口器件82C250

2、 CAN的下层网段LIN总线的主要技术特点

7 6 5 4 3 2 1

a.低成本、单总线实现方式 b.单主多从的时间触发通信概念 c.基于通用UART/SCI硬件接口的芯片 d.从节点的自我同步机制，无需晶振 e.数据校验机制 3、 应用于车载网络的主要网络协议

a. SAE J1939 b. IEEE1394b c.CAN（TTCAN、FTTCAN、TTP/C、ByteFlight、FlexRay） d.LIN 4、 PROFIBUS的通信参考模型、采用的传输技术以及总线访问方式 （1）通信参考模型。

用户界面 应用层 第3~6层

数据链路层

物理层

（2）传输技术。提供三种不同的物理层选择：RS 485： 用于DP和FMS（对称传输，称H2） IEC 1158-2： 用于PA（位同步协议，称H1） 光纤： 用于DP和FMS

（3）总线访问方式：a.主站之间的令牌传递方式 b.主站与从站之间的主从方式 5、 控制网络中，本质安全和总线供电的基本概念

本质安全：指将送往易燃易爆危险场合的能量，控制在引起火花所需能量的限度之内，从根本上防止在危险场合产生电火花而使系统安全得到保障。 总线供电：

6、 工业以太网的基本概念、应用分类、TCP/IP分层模型 基本概念：工业以太网是普通以太网技术在控制网络延伸的产物，是工业应用环境下信息网络与控制网络的结合体。 应用分类：a.作为工业环境中的计算机网络 b.作为其他现场总线网段的上层（高速）网络 c.基于普通以太网技术的控制网络 d.基于实时以太网技术的控制网络 TCP/IP分层模型：

7、 以太网技术在工控领域应用受限的原因

a.CSMA/CD的媒体访问控制方式不能满足一些控制场合的实时性要求 b.接插件、集线器、交换机等是为办公应用设计的，不适应工业现场恶劣环境的要求 c.抗电磁干扰能力 d.本质安全 e.总线供电

8、 以太网技术为适应工业应用环境的解决方案

a.可安装在DIN 导轨上的导轨式收发器、集线器、交换机系列 b.工业级接插件 c.冗余电源供电 d.设备壳体与电路板应具有抗电磁干扰、防水防雨、抗雷击等方面保护措施。 9、以太网技术针对通信实时性的解决方案 a.利用以太网现有的技术优势，扬长避短 b.开发实时以太网技术，如研制实时以太网通信接口芯片

控制网络部分

1、 LonWork网络使用哪几种介质

介质：双绞线、电力线、光纤、无线、红外等。 2、 神经元芯片有几个处理器，分别有何用途

3个微处理器，一个用于链路层的控制；一个用于网络层的控制；另一个用于用户的应用程序。 MAC处理器：完成介质访问控制，也就是ISO的OSI七层协议的1层

网络处理器：完成OSI的3~6层网络协议，处理网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等进程。

应用处理器：完成用户的编程

3、 LonWorks网络由那几部分组成 LonWorks节点 LonWorks路由器

LonWorks Internet联接设备 LonWorks收发器 LonTalk协议

LonWorks网络和节点开发工具（LonBuilder多节点开发工具，NodeBuilder节点开发工具） LNS（LonWorks Network Service）Lon网络服务工具（操作系统；LonMaker for Windows;LNS DDE Server;LonManager 协议分析）

LonWorks网络管理工具

4、 LonWorks网络现场控制节点主要包含哪些部分 应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、收发器和电源 5、 LonWorks网络路由器的特点、功能 特点：

a.路由器使LonWorks网络突破了传统现场总线在通信介质、通信距离、通信速率方面的限制 b.路由器支持在同一网络中使用多种介质

c.路由器可用于控制网络业务量（将网络分段，抑止来自其他网段的数据流量，因而可增加网络的通信量）

功能：a. 扩展通道容量 b.连接不通的通信介质或波特率 c.提高LonWorks网络可靠性 d.全面提高网络性能。 6、 LonWorks网络变量特点

a.简化了产品间的互可操作，方便了LONWORKS应用程序的设计 b.以信息为基础而不是以指令为基础的控制系统设计理念 7、 LonWorks网络、LonTalk协议及其神经元芯片的特点 LonWorks网络：

LonTalk协议：a.发送的报文都是很短的数据 b.通信带宽不高 c.网络上的节点往往是低成本、低维护费用的单片机 d.多节点，多通信介质 e.可靠性高 f.实时性高

神经元芯片：a.内部资源丰富，具有强大的通信功能，而且集采集控制于一体。 8、 ControlNet通信调度方法

时间分片方法——针对控制网络数据传输类型的需要

a.可满足对时间有严格要求的控制数据的传输需要：I/O刷新、PLC之间的数据传递

b.也可满足信息量大、对时间没有苛求的数据与程序的传输：远程组态、调整、故障查询等 9、 ControlNet虚拟令牌如何传递

a.令牌隐含在普通数据帧中

-网络上不存在专门起令牌作用的帧

-每个节点都有一个唯一的MAC地址(1～99) -每个节点都设有一个隐性令牌寄存器

-节点监视收到的每个报文帧的源MAC地址 -隐性令牌寄存器的值为收到的源MAC地址加1

-如果隐性令牌寄存器的值与某个站点自己的MAC地址相等,意味着得到了虚拟令牌，该站点就可立即发送数据。 b.所有站点的隐性令牌寄存器在任一时刻的值都应相同

c.如果站点得到隐性令牌时没有数据发送, 从传递虚拟令牌的角度，它需发送一个空帧的报文

d.空帧中会含有本站点的MAC地址，使各节点的隐性令牌寄存器能正常工作，以传递虚拟令牌。 10、Interbus协议特点

协议特点：Interbus协议覆盖物理层、数据链路层和应用层。 11、Interbus帧结构特点

单总帧协议：Interbus采用数据环结构，把总线上所有设备的所有输入输出和过程参数数据按要求顺序排列，集总成一帧。

a.该帧由回路返回检查字开始，所有过程数据都顺序排列其后，帧的最后为帧检查序列FCS和控制字 b.FCS为对数据进行CRC校验的结果

c.控制字则包括标记、控制、模式等信息。

d.传输数据同时、双向地在数据环上与各节点间进行交换。

e.多个节点的数据共存于数据环的单总帧中，使多个节点共享总线而无需总线仲裁。

f.单总帧结构中有效数据所占比例高，加上所有节点的输入输出和过程参数几乎在同时进行，因而通信帧的有效利用率很高。

计算机总线部分

1、 计算机总线的分类

按照总线内部信息传输的性质：a.数据总线DB b.地址总线AB c.控制总线CB d.电源总线PB

按照总线在系统结构中的层次位置：a.片内总线 (On-Chip Bus) b.内部总线 (Internal Bus) c.外部总线 (External Bus) 根据总线的数据传输方式：a.并行总线 b.串行总线 2、 总线的主要性能指标

a.总线频率 b.总线宽度 c.总线带宽 d.同步方式 e.总线复用 f.信号线数 g.总线控制方式 3、总线的两种控制方式 a.集中式 b.分布式

4、PCI局部总线的主要技术特点和性能指标 主要技术特点：

a.支持64位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式

b.具有即插即用功能(PnP，Plug and Play，可自动找到一个不冲突的中断和I/O 地址分配给外部设备 ) c.最高传送数据132Mbps d.兼容性强、成本低 性能指标：

5、PCI-Express 的结构、主要技术特点以及与 PCI的主要区别

主要技术特点：a.串行的点对点互连 b.差分信号传送 c.采用交换开关互连多台设备 d.PCI Express 事务与包（PCI Express 的事务分成两类：非转发事务、转发事务） e.具有更高的数据传输率 f. PCI Express 设备采用层次结构 g. 错误处理 h. 具有优先级的传送 i. 两种中断方式 j. 支持热插拔（即带电插拔，允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出设备）

与 PCI的主要区别：PCI Express 和PCI不同的是实现了传输方式从并行到串行的转变。 PCI-Express 的结构：

6、RS232C的电气特性，最简单的RS232C通信结构 （1）电气连接方式

•TTL 电平：+5V 为逻辑“1” ，0V为逻辑“0” ； •EIA电平：3~15V 为逻辑“1” ，-3~-15V 为逻辑“0” （2）电气参数

a.引线信号状态：RS-232C标准引线状态必须是以下三种之一，即SPACE/ MARK(空号/传号)、或ON/OFF(通/断)、或逻辑0/ 逻辑1。

b.引线逻辑电平：用-3 ～-15V表示逻辑1；用+3～+15V表示逻辑0 c.短路抑制性能：RS-232C的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路

（3）通信速率：最高通信速率为115200bps；RS-232C标准规定通信距离应小于15m。

最简单的RS232C通信结构

7、RS422和RS485的主要特性和相互区别 （1）RS422主要特性：

a. RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输的总线标准。 b.RS-422的数据信号采用差分传输方式传输。

c.RS-422 有4根信号线，两根发送、两根接收，RS-422 的收与发是分开的，支持全双工的通讯方式。 d. RS-422的最大传输距离为1200m，最大传输速率为10Mbps 。 （2）RS422主要特性：

a.RS-485的电气特性：逻辑“1” 以两线间的电压差为+2V~+6V表示；逻辑“0” 以两线间的电压差为-2V~ -6V表示。

b.RS-485的数据最高传输速率为10Mbps

c.RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强。 d.RS-485接口的最大传输距离为1200m，在总线上是允许连接多达128 个收发器,即具有多站能力和多机通信功能。 （3）相互区别：

a.硬件线路上，RS-422至少需要4根通信线，而RS-485仅需2根。 b.通信方式上，RS-422可以全双工，而RS-485只能半双工。

c.RS-485驱动器共模电压的输出范围是-7V 和+12V之间；而RS-422驱动器这个指标只有7V；RS-422接收器的最小输入电阻是4 千欧姆，而RS-485的最小输入电阻则是12千欧姆。

d.RS-485 的驱动器可以用在RS-422的应用中，因为RS-485 满足所有的RS-422规范，反之则不成立。 8、USB的主要特性、体系结构、传输方式，以及USB设备和主机之间的连接方法 （1）主要特性

a.采用USB接口的设备支持热拔插

b.USB接口可以同时连接127 台USB设备。

c.速度方面，USB 1.1 总线规范定义了12 Mb/s 的带宽，而USB2.0可提供480Mb/s 的传输速度。 d.USB总线能够提供500 mA 的电流。 （2）体系结构

USB总线系统的设备可以分为三个类型：USB主机、USB集线器（HUB）、USB总线的设备，又称USB功能外设。 （3）传输方式

a.控制(Control)传输方式：设备控制指令、状态查询及确认命令

b.中断(Interrupt) 传输方式：数据量小、需及时处理的数据，如键盘、鼠标

c.同步(Isochronous) 传输方式：对数据正确性要求不高、对时间敏感的外部设备，如麦克风、喇叭 d.批(Bulk) 传输方式：正确无误的大批量数据，如移动硬盘、打印机、扫描仪和数码相机 （4）USB设备和主机之间的连接方法

USB集线器通过监视差分数据线来检测设备是否已连接到集线器的端口上。 a.当没有设备连接到USB端口时，D+和D-通过下拉电阻Rpd电平是近地的。 b.USB设备必须至少在D+和D-线的任意一条上有一个上拉电阻Rpu c.由于Rpu=1.5KΩ,Rpd=15K Ω,所以数据线上会有90% 的Vcc 电压

d.集线器通过检测不同的数据线电压接近Vcc 来判别是哪一类USB设备连接到其端口上

–如D+电平接近Vcc ，D-近地，则所连设备为全速设备

–如D-电平接近Vcc ，D+近地，则所连设备为低速设备

–当D+和D-的电压都降到0.8V以下，并持续2.5微秒以上的话，就认为该设备断开连接了。 9、I2C总线的主要特点和三种数据传输格式 （1）I2C总线的主要特点

（2）三种数据传输格式

10、SPI总线的主要特点以及SPI与I2C间的比较 （1）SPI总线主要特点：

a.总线速度：时钟速度很快，范围可从几兆赫兹到几十兆赫兹，且没有系统开销

b.流控：缺乏流控机制，无论主器件还是从器件均不对消息进行确认，主器件无法知道从器件是否繁忙 c.多主：没有多主器件协议，必须采用很复杂的软件和外部逻辑来实现多主器件架构

d.添加从器件：每个从器件需要一个单独的从选择信号。总信号数最终为n+3个，其中n 是总线上从器件的数量。在SPI总线上添加新的从器件也不方便。对于额外添加的每个从器件，都需要一条新的从器件选择线或解码逻辑 e.可实现全双工通信

（2）SPI与I2C间的比较

a.总线速度：总线速度为从0Hz 到3.4MHz，没有SPI那样快

b.流控：存在系统开销，这些开销包括起始位/停止位、确认位和从地址位，但它因此拥有流控机制 c.多主：允许多个主器件工作在同一总线上，多个主器件可以轻松同步其时钟

d.添加从器件：I2C总线只有两条导线，因此新从器件只需接入总线即可，而无需附加逻辑 e.非全双工，一般无FIFO