现场总线复习要点2024

现场总线重点

第一章 绪论

1. 总线的发展历程。（5个，加对应的特点）

1. 现场总线数据通信系统：采用总线式网络连接，通过串行数据通信方式构建数据通道，实现众多节点之间的数据通信。
2. 现场总线控制网络：由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点，以现场总线作为网络传输介质，多个网络节点借助网络连接共同完成控制任务的网络系统。
3. 现场总线网络化控制系统：总线作为网络传输介质，在传感器、控制器、执行器各环节之间传递信号，通过现场总线在各环节之间的信息传输，形成控制系统，其中网络作为各组成环节之间的信号传输通道。
4. 全分布式控制系统：将控制系统功能彻底分散在现场，依靠现场仪表之间的信号传递完成控制功能的系统。提高了系统运行的可靠性。

1. 报文与协议（填协议两个字）； 语法、语义、时序是协议的三要素。

通信协议：用于规定通信内容、次序安排、格式等内容的一组规则。

总线协议：总线上的现场设备如何使用总线的一整套规则。

1. 串行传输、并行传输、串行化、并行化、反串行化、波特率、比特率、冲突的概念

1. 波特率：指每秒传输信号波的个数，单位为波特，记作Baud或B。
2. 比特率：指每秒传输的比特数量，即数据传输速率。 当每个变化波形表示单一数据位时，二者相等。当每个变化波形表示多个数据位时，二者不同。
3. 串行传输：指数据流逐位依次地在一条线路上传输。（适合远距离）
4. 并行传输：指数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同时传输。并行传输的位数与总线个数相同。

1. 串行化：指发送者逐位地将数据按规定地顺序排列成一串。
2. 反串行化：指接收者收到串行后的数据串后，按照与发送者预先规定好的相同规则，把数据串还原为原始的数据。
3. 串行通信：使用串行化传输方式在个现场设备间通信。
4. 冲突：在传输路径上有多个设备同时占用总线时引发的矛盾。
5. 总线仲裁：指对总线冲突的处理过程。
   1. 分为集中仲裁和分布式仲裁。
   2. 集中仲裁指仲裁过程由某个特定单元完成。
   3. 分布式仲裁指仲裁过程在各个设备中自主完成。
6. 同步是串行通信必须解决的问题。
   1. 位同步：要求收发两端按数据位保持同步。（基础），时钟同步就属于位同步。
   2. 字符同步：指将字符作为一个独立整体组织成组后的组同步工作方式。
   3. 帧同步：指数据帧发送时，收发双方以数据帧的起始标志和帧尾的结束标志为特征实行同步的工作方式。

1. 通信的确定性和实时性问题（P18）

现场总线系统的基本任务是是先测量控制，有些测控任务需要有严格的时序和实时性的要求，达不到实时性可能造成严重的后果。因此要求现场总线系统对某些数据的传输提供有确定的通信机制和时间管理。

第二章 串行通信与串行通信接口

1. 各通信编码（差分码、归零码、非归零码、曼彻斯特编码等）

（1） 差分码：根据波形是否跳变分别表示1或0，其中1变，0不变。

    

差分曼彻斯特编码特点：0变化与上一个1的变化相同，1与上一个1的变化相反。

2． 串行通信接口

1. 1. EIA-232采用负逻辑，以-5~-15V电平表示逻辑“1”，以+5~+15V电平表示逻辑“0”。只适合于两台设备之间的数据传输，信号传输距离限于15m。
   2. EIA-485采用平衡差分电路，平衡差分电路最大的优点是能抑制噪声。允许多个发送器连接在同一条总线上，实现多点、双向通信。

3. 传输差错类型：单比特错误，多比特错误，突发错误（多比特值多个不连续的位发

生错误，突发错误是连续的多个位发生错误）。

4. 奇偶校验：一个单一的校验位被加在传输数据域上，接收端通过指定的校验方式检验

数据的1个数的奇偶。

    奇偶校验、求和校验、纵向冗余检验、循环冗余检验。

5.  循环冗余校验(CRC)的原理与计算（CRC循环冗余校验，经典例子讲解~_crc循环冗余码的例题-优快云博客）

• 原理：

1. 将要发送的数据位序列当成一个多项式f(x)；
2. 将f(x)后面补G(x)的最高次幂的0个数后；
3. 变化后的fx*使用规定好的一个多项式G(x)去除（相同为0，相异为1）;
4. 得到的余数加在f(x)后fx'，发送到接收端;
5. 接收端收到数据后，除以同样的多项式G(x)数据；
6. 如果最终的余数为0，则表明数据发送没有出现错误。

6.  海明码的原理与计算（错误检验与校正）

• 原理

• 计算

注意定位的时候是从1开始，不是从0开始。

 

第三章 控制网络与网络互连

1 . 现场总线控制网络的实时性要求

1. 为什么采用载波监听多路访问/冲突检测的介质访问控制机制的网络是非确定性网络？
   1. 载波监听多路访问/冲突检测的介质访问控制机制中，节点要求发送数据时，先监听总线是否空闲，如果空闲就发送数据，如果总线忙就只能以某种方式继续监听，等总线空闲后再发送数据。即便如此还是会出现几个节点同时发送而产生冲突的可能性，因而称为非确定性网络。
2. 现场总线不同于普通计算机网络的最大特点在于它必须满足对控制的实时性要求。
3. 对动作时间有严格要求的系统称为实时系统。
4. 实时系统分为硬实时和软实时。硬实时系统要求实时任务必须在规定的时限内完成。软实时系统中，实时任务在超过截止期后的一定时限内，仍可以执行处理。
5. 现场总线中通过任务的实时调度，实现网络系统通信的确定性。

2 . 网络互连设备（后面看一下用不用细看一下，与profibus、profinet结合起来考）

1. 1. 中继器（物理层），主要作用是延长电缆或光缆的传输距离，也可用于增加网段上挂接的节点数量。相当于一个再生器而不是放大器。
   2. 网桥（物理层和数据链路层），
   3. 路由器（物理层、数据链路层、网络层）
   4. 网关（传送层及以上），用于实现不同通信协议的网络之间的互连。 profibus-dp和profibus-pa之间的两种连接方式（链路器和耦合器）均属于网关的作用。

3 . 网络传输介质的种类

• 有线：双绞线、屏蔽线、同轴电缆、电力电缆、光缆
• 无线：无线电波、光波、红外线

4 . 网络传输介质的访问控制（总线仲裁）

用于解决介质争用冲突的方法称为传输介质的访问控制，或总线仲裁。

1. 主从方式：

主节点对从节点一次逐一轮询，形成严格的周期性报文传输。主节点发送报文给从节点，如果从节点发现报文中有自己的地址，就发送数据给主节点，主节点收到应答报文，就完成通信。

2. 载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD)：

节点要求发送数据时，先监听总线是否空闲，如果空闲就发送数据，如果总线忙就只能以某种方式继续监听，等总线空闲后再发送数据。当几个节点同时发送时产生冲突。冲突发生时，立即停止发送，并向总线发送拥塞信号。（是破坏性的，需要重新监听）（难以满足确定性、实时性的要求。被称为非确定性访问控制方式。）

3. 载波监听多路访问/逐位仲裁：

节点按通信实时性要求的紧急程度划分优先级，各节点都有自己的优先级编号。当多个节点同时向总线发送报文而引起冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线仲裁时间，提高了数据传输的确定性与实时性。（没有破坏传输的数据，非破坏性总线仲裁）（CAN的介质访问控制方式）

4. 令牌：

令牌作为获得介质访问权的一种标志，只有得到令牌者才能在传输介质上发起通信，从而避免多个节点同时对总线发起通信。对所有节点都有公平的访问权。

5. 时分复用：

为共享介质的每个节点预先分配好一段特定的占用总线的时间，各个节点按分配的时间段及其先后顺序占用总线。分为同步时分复用和异步时分复用。同步时分复用指为每个节点分配相同的时间，异步时分复用指为每个节点分配的像网络发送数据的时间片长度不一。

第五章 工业以太网

1. 以太网通信的非确定性问题

工业以太网采用载波监多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的介质访问控制，是不确定的介质访问控制机制。

采用以下措施提高以太网的通信确定性：

1. 利用以太网的高通信速率
2. 控制网络负荷
3. 采用全双工以太网技术
4. 采用交换式以太网技术

但是以上的方法只能缓解非确定问题，没有从根本上解决实时性和确定性问题，因此必须采用实时以太网。

2. 实时以太网通信参考模型

下图必考，但是不知道考哪一个，有点考察，作为下节课的主要任务。应该是PROFINET。

以太网的数据信道有标准通道和实时通道之分：

标准通道：按照普通以太网等平等竞争的方式传输数据帧，主要用于传输没有实时性要求的非实时性数据。

实时通道：传输有实时性要求的数据，按照软时或者等时同步的实时通道方式传输数据帧。

3. 实时以太网的介质访问控制

一方面实时以太网要控制通信对实时性的要求，另一方面要求需要实时性的节点和不需要实时性的节点可以方便的共存在同一个网络。

（1）非实时性的节点遵循载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD），实时节点遵循RT-CSMA/CD。非实时节点检测到冲突时就停止发送，与之前相同。但是实时节点检测到冲突时，发送长度不小于最小竞争时隙（网络上相距最远的两个节点之间信号传输时延时间的两倍）的信号，实时节点竞争的过程中，遵循优先级排序，当改时间过后网络上冲突已经消失，则该节点获得控制权，进而重新发送被破坏的数据帧。可以保证优先级高的实时节点的实时性要求。

（2） 确定性分时调度。在MAC上增加实时调度层实现，改成保证实时性和非实时性的结点传输。

通信过程有多个循环周期，每个周期分为4个时段。

        起始时段：进行必要的准备和时钟同步。

        周期性通信的实时时段：保证周期性实时数据的传输。每个节点被分配一定的微时隙，只有在指定的微时隙内才能进行数据通信，进而从根本上解决了冲突的产生。

        非周期性通信的异步时段：传输非实时数据，通过竞争完成。

        保留时段：用于发布时钟，控制时钟同步或实行网络的维护。

实时调度的确定性分时方案为各节点的实时通信任务预定了固定的通信时间，保证了通信的实时性。

4. IEEE 1588精确时间同步协议（必考）

• 时钟同步的原因：只有每个节点的时钟同步（统一的时间基准），才能实现动作的协调一致。
• 该系统将网络上的节点划分为两类，主时钟节点和从时钟节点。

主时钟：作为时间同步标准、即提供同步时钟源。

从时钟：根据主时钟进行调整的节点时钟。

• 时钟偏移量和传输延迟的测量过程

1. 测量测量时钟偏移值:

主时钟发出一个包含一个时间戳的同步（sync）报文到从时钟，紧接着发送一个包含sync报文发送时间（TM1

）的报文。从时钟收到报文后，得到sync的发送时间和接受时间(TS1)

，这样就得到了主从时钟间的偏移量，和传输报文路径延迟时间。

        2.测量传输时延:

从时钟向主时钟发一个延迟请求报文，并且从时钟测出发出该报文的时间(TS3)

，接着主时钟接收到该报文后，发送一个包含接收到时刻信息(TM3)

的延迟响应报文信息。

        3.计算时钟偏差和传输时延：

3. PROFINET通信的实时性（怎么解决的）

（1） PROFINET的关键特性：

• 在一个网段上同时存在实时通信和基于TCP/IP的标准以太网通信。
• 实施协议适用于所有的应用，包括分布式系统中组件之间的通信以及控制器与分散式现场设备之间的通信。
• 有从一般性能到高性能时间同步的实时通信。

（2） 在一个网段上同时三种不同时间性能等级的通信：

• 基于TCP/UDP/IP的标准以太网通信：传输没有严格实时要求的数据。
• 实时通信：软实时（SRT）通信：传输有实时要求的过程数据。
• 等时同步实时（IRT）通信：传输对时间要求特别严格的数据。

以上三种不同通信可覆盖工厂自动化应用的全范围。

（3）PROFINET中的时间槽分配：

    通信传输周期分为两个部分：时间确定性部分和开放性部分。

（4） PROFINET-IO通信和PROFINET-CAB组件之间的通信（P146），感觉应该不用。

第六章 PROFIBUS

1. PROFIBUS的三个子集+仲裁模式+应用场景

PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA

仲裁模式：主站之间使用令牌，主站与从站之间使用主从通信。

应用场景：

（1） PROFIBUS-DP是专为自动控制系统与设备级分散I/O之间的通信而设计的，用于分布式控制系统现场层设备间的高速数据传输。

（2）PROFIBUS-FMS适用于承担车间级通用数据通信，可提供通信量大的相关服务，完成周期性和非周期性通信任务。

（3）PROFIBUS-PA是专为过程自动化而设计的，采用IEC 1158-2中规定的通信规程，适用于安全性要求较高的本质安全应用及需要总线供电的场合。

PROFIBUS-DP和FMS均采用RS-485（采用平衡差分的传输方式，与前面EIA-485结合看，信号高低电平的表示等）作为物理层的连接接口，物理连接采用屏蔽单对双绞铜线的A型电缆，网段的最大长度取决于传输速度。（填空题下表）

2. PROFIBUS总线访问控制的特点

主站之间使用令牌，主站与从站之间使用主从通信。得到令牌（按地址升序在主站间传送， 并且规定每个主站的持有令牌的时间）的主站获得总线访问权，进而可以与从站进行通信。

3. PROFIBUS物理层

（1） PROFIBUS-DP和FMS均采用RS-485（采用平衡差分的传输方式，系统采用总线形拓扑结构，传输速率在9.6Kbps—12Mbps之间可选每一个网段可以接入的最大设备数为32，每个网段的最长长度为1200m。

（2） 连接器在RS-485总线电缆上主要使用9针的D形接头，D形连接器插头和插座分别与总线站点和RS-485电缆连接。PROFIBUS的RS-485总线电缆由一对双绞线组成（A和B线）。

4. DP/PA的连接

1. PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP的区别：

• 报文帧：PA采用双向L曼彻斯特编码，DP采用NRZ编码。
• PA中每个字节表示8位，DP中每个字节表示11位。

1. DP/PA网络连接设备的作用是：实现NRZ信号和曼彻斯特信号之间的转换。并且都      起着网关的作用，实现不同通信协议的网络间的互连。
   • 耦合器：能够双向转换NRZ信号与曼彻斯特信号，从上层网络协议来看，耦合             器是“透明”的。DP网段的传输速率受限为93.75Kb/s。

PA网段上的设备连接在耦合器的后面，相当于DP网段上的设备，DP主站将分配统一的地址（0-125）。

• 链接器：在链接器内有匹配两个网段接口的智能控制器，内有缓冲器、编码与解码器，能把PA网段的各个PA设备“映像”为RS-485网段中的各个DP从站，PA在链接器的后面不能被DP主站探知，所以链接器一般是“非透明”的。DP网段的传输速率不受限制，最高可达12Mb/s。

相对于DP，链接器相当于一个DP网段上从站的设备，与主站通信。相对于PA，链接器相当于一个主站。链接器等同于是一个DP上的拓展器，每个链接器占用DP网段上的一个从站地址，最多扩展连接31个PA（危险区域扩展10个）。

传输时，链接器内有数据缓存区，从站先将数据发送到链接器的缓存区，在一并发往DP，相反，DP发送数据给PA时，先发送到缓存区，在一并分配给从站。

第八章 几种现场总线技术简介

• Modbus

1. Modbus的物理层

物理层支持无线介质和有线介质的多种传输介质。其中RS-232采用负逻辑编码：

1：-5V -- -15V
0:  5V -- 15V

1. 串行链路的主从通信（填空题）

1. 仲裁模式:主从通信

主从通信的实现：网络中的一个节点被指定为主节点，其他节点为从站，由主节点负责控制该网段上的所有的通信的连接。主节点通常对从节点依次的轮询，形成严格的周期性报文传输。从节点间也不能互相通信。

1. 主站像从站发送请求方式，单播与广播

• 单播模式：主站对单个从站寻址（请求报文），每个从站有一个唯一的地址（1-247）用于区别不同的从站，从站接收并且处理完请求后，发送一个应答报文。
• 广播模式：主站像所有的从站发送请求，从站无须发送应答报文，广播请求是写命令，广播的地址为0.
• Modbus的地址分配

Modbus 寻址空间有 256 个不同地址。Modbus 主节点没有地址， 只有子节点必须有一个地址。 该地址必须在 Modbus 串行总线上唯一。地址0 保留为广播地址。 所有的子节点必须识别广播地址。

1. RTU（远程终端单元）传输模式（还有一中是ASCII模式）

• 前者比后者有更高的数据吞吐量。
• 数据中的每个8位域都是一个两个十六进制字符组成（不是二进制）。例如43就是2B，数据流为：00101011。这里老师上课好像没有说。
• 其中每个数据流由8位的数据和一个起始位一个校验位一个停止位，一共11位组成。串行的发送数据是从地位到高位。考试的时候提一下这个，在发送的数据上标注高低位即可。
• 帧连续和字符连续的判断。其中每个相邻帧间的间隔为大于3.5个字符时间长度。字符连续为不小于1.5个字符长度时间。
• 进行CRC校验时，仅仅针对8位的数据进行，而不用加上起始位校验位和停止位。

• CAN总线

1. CAN总线的特点

• CAN总线的节点是不分主从的，因此每一个节点都可以随机的向总线上的其他节点发送数据，通信较为灵活，但是同时会产生冲突（冲突产生的原因）。
• 仲裁模式：载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性仲裁模式。显性可以覆盖隐性，并且节点间有优先级。
• CAN报文通过报文滤波实现点对点、一点多多点及全局广播等几种方式发送接受数据，无须专门的调度。
• CAN总线具有较强的出错检验措施和良好的检验效果。采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低。
• CAN总线在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，使得总线上的其他节点不会收到影响。
• CAN器件可被置于无任何内部活动的睡眠模式，降低系统的功耗。睡眠状态可以被唤醒通过激活或者内部的条件。
• CAN总线的直接通信最远可以达到10km（传输速率在5Kb/s一下），最快达到1Mb/s（通信距离最长40m），介质可以选双绞线、同轴电缆、光纤。

1. 冲突的产生与解决

• 产生：CAN总线的节点是不分主从的，因此每一个节点都可以随机的向总线上的其他节点发送数据，当多个节点同时发起通信时，信号在传输介质上混淆遭到破坏。
• 解决：采用了载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性仲裁模式，并且显性（0）可以覆盖隐性（1）（当两个不同的节点同时传输显性和隐性位时，总线上呈现显性）。节点间有优先级（最大优先级为0），在发生冲突时，优先级低的节点自动的退出竞争，优先级高的节点获得通信权。很大程度提升了实时性和确定性（但是还是不确定性）。

结合数据帧的结构说明：节点的优先级编号最为标识符的组成部分放在仲裁场中。在总线的仲裁期间，依靠显性可以覆盖隐性的特点，在参与仲裁的多个节点中实现逐位仲裁，优先级低的节点主动退出竞争，最终优先级高的节点获得总线的通信权。

1. CAN总线的非确定性

采用了载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性仲裁模式，对于优先级较高的节点有较短的等待访问时间，但是对于优先级较低的节点可能有很长时间的访问等待时间，这种非破坏性的仲裁技术仍然数据事件触发的通信方式。因此无法根本的保证每个节点的实时数据传输。

1. 通信参考模型

CAN总线的信号电平为两条线之间的差分电压。

在“隐性”状态下，Vdiff近似为零。在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。在“显性”状态下，以大于最小阀值的差分电压（一般为2-3V）表示。（显性位一般为0, 隐性位一般为1）

在“显性”位期间，可以将“显性”状态改写“隐性”状态并发送。 0可以覆盖1。

1. CAN总线与节点的电气连接

考点：电阻：120Ω

具体的电气连接看上图，感觉可以大概看一下这个有点影响。

1. 报文帧的类型与结构

1. CAN总线的帧种类

数据帧：携带数据由发送器至接收器；

远程帧：通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；

出错帧：由检测出总线错误的任何单元发送；

超载帧：用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。

1. 数据帧结构

数据帧由7个不同的位场组成，帧起始(1b)、仲裁场(11+1b or 29+3b)、控制场(6b)、数据场(0-8B)、CRC场(16b)、应答场(2b)和帧结束(7b)，数据长度可为0。

• 标准帧，11位标识符的帧称为标准帧。

• 扩展帧，29位标识符的称为扩展帧。

• 帧起始：（1b）

由一个显位构成（0），只有空闲时间时节点才被允许发送起始位。

• 仲裁场，由标识符和远程发送请求位（RTR）组成

1. 标准帧（11b标识符+RTR）（11+1b）

在标准帧中RTR必定为显性（0），在远程帧中RTR必定为隐性（1）。

1. 扩展帧（29b标识符+RTR）（29b+3b）

SRR（远程请求替代位），替代标准帧中的RTR位，因此为隐性（1），这样避免了标准帧和扩展帧的格式上的冲突。

其次扩展位标识符ID位（IDE），在标准帧中以显性信号发送，在扩展帧中以隐性发送，区别两个帧。

1. 区别标准帧和扩展帧：

看扩展ID位IDE的显隐性。如果是显性就是标准帧，如果是隐性就是扩展帧。

1. 区别标准帧和远程帧：

看RTR位，在标准帧中是显性，在扩展帧中是隐性。

注：CAN总线只要涉及到发送数据冲突或者判断哪一个能获得通信权。就回答显性覆盖隐性，优先级，其次解释一下两个方面哪里的显隐性和优先级等等。

• 控制场（6b）

1. 包括保留位和数据长度码。
2. 两个保留位必须以2b的显性位发送，但接收器认可显性和隐性的全部组合。
3. DLC指出数据场的字节数目。数据长度码为四位，在控制场中被发送，数据字节的允许使用数目为0-8。

• 数据场（0-8B）

1B等于8b，且先发最高有效位。

• CRC场（16b）

包括CRC序列，后随CRC界定符。CRC序列由循环冗余码求得的帧检查序列组成，最适用于位数小于127（BCH码）的帧。

指定的除数多项式，最高次幂为15。

被除的多项式包括仲裁场，控制场，数据场在内的无填充的位。

CRC序列之后是CRC界定符，包含1b的隐性（1）

• 应答场（2b）

包括应答间隙和应答界定符。

在应答场中，发送器送出两个隐性位（2b的1）。一个正确地接收到有效报文的接收器，在应答间隙，将此信息通过发送一个显性位报告给发送器。所有接收到匹配CRC序列的站，通过在应答间隙内把显性位写入发送器的隐性位来报告。应答界定符是应答场的第二位，并且必须是隐性位。

• 帧结束（7b）

每个数据帧和远程帧均由7个隐性位组成的标志序列界定。

• DeviceNet（填空题）

• 采用了和CAN一样的载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性仲裁技术。
• 提供了请求/应答和快速I/O数据通信两种通信方式。
• 支持125Kb/s,250Kb/s,500Kb/s三种通信速率。
• 定义了两种网络连接方式：输入输出连接（I/O）和显示连接。
• 支持的通信方式：周期性通信，状态改变触发通信，选通，轮询等。
• 传输两种报文：I/O报文和显示报文。