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《现场总线技术》
论文

论文题目:
现场总线技术文献综述

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文献综述

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2016 年 6 月 6 日

摘要
现场总线(Fieldbus)是指开放式、国际标准化、数字化、相互交换操作的双向传送、连接智能仪表和控制系统的通信网络。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和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。这是一项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术是信息化带动工业化和工业化推动信息化的适用技术是能应用于各种计算机控制领域的工业总线因现场总线潜在着巨大的商机世界范围内的各大公司投入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究[1]。当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域由于现场总线技术的不断创新过程控制系统由第四代的 DCS发展至今的 FCS(Fieldbus Control System)系统已被称为第五代过程控制系统[2]。而 FCS 和 DCS 的真别在于其现场总线技术。现总线技术以数字信号取代模拟信号在 3C(Computer 计算机、Control 控、Commcenication 通信)技术的基础上大量现场检测和控制信息就地采集、就地处理、就地使用许多控制功能从控制室移至现场设备。由于国际上各大公司在现场总线技术这一领域的竞争仍未形成一个统一的标准目前现场总线网络互联都是遵守 OSI 参考模型[3]。由于现场总线以计算机、微电子、网络通讯技术为基础这一技术正在从根本上改变控制系统的理念和方法将极大地推动整个工业领域的技术进步对工业自动化系统的影响将是积极和深远的。

关键字CAN总线、LonWorks总线、FF总线
Abstract
Fieldbus (Fieldbus) refers to open, international standardization, digital and mutual exchange operations two-way transmission, connecting intelligent instrument and control system of communication network. It as plant digital communication network, the basis of the production process communication between field and the control equipment with higher control management level and the contact between. It s not only a grass-roots network, but also a kind of open, new whole distribution control system. This is an intelligent sensing, control, computer, digital communication technology as the main contents of the comprehensive technology, is
becoming an information based society impetus industrialization and the industrialization push the applicable technology, information can be applied to various computer control areas of industrial bus, because of fieldbus potential great opportunities, the worldwide each big companies invest considerable human, material nd financial resources to develop research [1]. Today's Fieldbus technology has been international companies competitive field, because of Fieldbus technology unceasing innovation, process Control System consists of the fourth generation since the DCS development of Fieldbus Control System (FCS) System, has been called the fifth generation process Control System [2]. But the real difference of DCS and FCS in the fieldbus technology. Now bus technology replaced with digital signal analog signals in 3C (Computer Control Control, Computer, Commcenication communication) technology, and on the basis of field test and Control information of in situ Set, in situ treatment and on-the-spot use, many control functions from the control room moved to site equipment. The big company because international in the fieldbus technology this field of competition, still not form an unified standards, currently fieldbus network interconnection abide by the OSI reference model [3]. Because of fieldbus to computers, microelectronics, network communication technology as the
foundation, this technology are fundamentally change control system concepts and methods, will greatly promote the whole industry to progress of technology, industrial automation system, the effect will be positive and far-reaching.

Key word: thecan bus, LonWorks fieldbus, FF bus

现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表和控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行数字式多点双向通信的数据总线。 现场总线技术自70年代诞生至今由于它在减少系统线缆简化系统安装、维护和管理 降低系统的投资和运行成本增强系统性能等方面的优越性引起人们的广泛注意得到大 范围的推广导致了自动控制领域的一场革命。 现场总线技术近年迅速发展目前有FF(现场总线基金会)、Profibus过程现场总线、LonWorks局部操作网络、CAN控制局域网络、HART可寻址远程传感器数据通路等LonWorks 已经广泛的应用 得到包括IBM 、Honeywell 、ABB等大公司在内的2500家生产厂家的支持占领了约1/3的楼宇自动化市场已成为美国空调暖通工程师协会ASHRAE的楼宇自动化的标准。 随着计算机技术及应用的发展现场总线技术不断向数字化、微型化、分散化、个性化、专用化发展工业控制机系统向网络化、集成化、综合化、智能化方向发展随着信息化带动工业化工业化促进信息化的进展企业信息化、
社区信息化、家庭信息化的发展现场总线技术的市场不断扩大前景宽广。国内外发展状况。

1984年美国Inter公司提出一种计算机分布式控制系统-位总线BITBUS它主要是将低速的面向过程的输入输出通道和高速的计算机总线多MULTIBUS分离形成了现场总线的最初概念。80年代中期美国Rosemount 公司开发了一种可寻址的远程传感器HAR通信协议。采用在420mA模拟量叠加了一种频率信号用双绞线实现数字信号传输。HART协议已是现场总线的雏形。1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起成立了World FIP制定了FIP协议。1987年以SiemensRosemount横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议ISP并制定了PROFIBUS协议。后来美国仪器仪表学会。 也制定了现场总线标准IEC/ISA SP50。随着时间的推移世界逐渐形成了两个针锋相对的互竞争的现场总线集团一个是以Siemens、Rosemount,横河为首的ISP集团另一个是由Honeywell、Bailey等公司牵头的WorldFIP集团。1994年两大集团宣布合并融合成现场总线基金会Fieldbus Foundation简称FF。对于现场总线的技术发展和制定标准基金委员会取得以下共识共同制定遵循IEC/ISA SP50协议标准商定现场总线技术发展阶段时间表。

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的并最终成为国际标准ISO118?8。是国际上应用最广泛的现场总线之一。 在北美和西欧CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境CAN 是Controller Area Network 的缩写以下称为CAN是ISO国际标准化的串行通信协议。当前的汽车产业中出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同由多条总线构成的情况很多线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN进行大量数据的高速通信”的需要1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。 现在CAN 的高性能和可靠性已被认同并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。
CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言, 基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性 网络各节点之间的数据通信实时性强 首先,CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、可靠性较差。

CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL和物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象,即当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而保证不会出现象在网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于“死锁”状态。而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期,这些是仅有电气协议RS-485所无法比拟的。 已形成国际标准的现场总线
另外,和其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前 CAN总线应用于众多领域,具有强劲的市场竞争力的重要原因。 最有前途的现场总线之一 CAN 即控制器局域网络,属于工业现场总线的范畴。和一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领上的应用是最广泛的,世界上一些著名的汽车制造厂商,如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统和各检测和执行机构间的数据通信。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用议有 SAE J1939/ISO11783CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA2000等。

控制器局部网CANCONTROLLER AREA NETWORK是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。

随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求工业控制系统的发展主要表现为控制面向多元化系统面向分散化即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。 分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心将 5C技术--COMPUTER计算机技术、CONTROL自动控制技术、COMMUNICATION通信技术、CRT显示技术和 CHANG转换技术紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面较之分散型仪表系统和集中型计算机控制系统具有明显的优越性。 典型的分散式控制系统由现场设备、接口和计算设备以及通信设备组成。现场总线FIELDBUS能同时满足过程控制和制造业自动化的需要因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究和应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标但现场总线的高性能价格必将吸引众多工业控制系统采用。同时正由于现场总线的标准尚未统一也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网 CANCONTROLLER AERANETWORK正是在这种背景下应运而生的。 由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广导致要求各种应用域通信报文的标准化。1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制并发布了 CAN技术规范VERSION 2.0。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式能提供11位地址而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式提供29位地址。此后1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网CAN国际标准ISO11898为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。
CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制和测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议它是一种多主总线通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。 完成对通信数据的成帧处理

简单介绍总体框图 基于FF 现场总线协议的无线PC 接口卡的基本功能是能够自主地和符合FF 协议的无线通信设备进行通信。无线PC 接口卡的总体结构框图如图一所示。其硬件电路包括CPU 和PC 主机CPU 的通信接口、CPU 和通信控制器的硬件接口、通信控制器数据缓冲存储器的接口、通信控制器和无线收发单元的接口等4个部分。其中双口RAM 采用CY7C09449PV-AV 芯片CPU 选用嵌入式控制中最常用的Intel80188CPU;通信控制器选用SMAR 公司的FB3050 无线收发单元由单片无线收发芯片nRF401及其外围电路构成。

接口卡CPU和PC的接口 随着计算机技术的发展,PC总线日新月异。PCISIG(Peripheral Component Interconnect Special Inter2est Group) 因其具有32/64 位宽度、最高传输率在64位时达264 MB/ s、独立总线时钟、总线操作和CPU的无关性、极小的存取延误、强兼容性、自动配置、低成本等特点,使其在高性能PC领域有替代ISA (工业标准结构) 总线的趋势,考虑到当前需求及今后发展,在宿主总线的选择上采用PCI 总线。硬件接口芯片为Cypress Semiconductor 公司的PCI 总线双口RAM。CY7C09449PV-AC 是一款适于PCI2.2 总线规范的功能完善、价格低廉的双端口RAM 接口芯片,其中一个端口是PCI接口,适合和PC 机通信,另一个端口是本地接口,适合和各类本地CPU 通信,其总线通信时钟速率可达50 MHz ,两个端口均可以独立读/ 写静态存储器SRAM。其主要特点如下: ①完全兼容PCI规范2.2 版本②128k双向静态SRAM;③可作为主/ 从设备进行数据的传输,支持PCI突发方式工作及DMA 操作④具有I2O( Intelligent Input/Output)功能,当I2O单元工作时包含4 组32 位FIFO(First In First Out) 、中断寄存器及部分SRAM其余SRAM用于一般储目的⑤支持3 V、5 V 电压工作⑥可通过I2O 总线对芯片进行初始化设置,并把设置参数存于非易失性NVRAM中⑦160 脚扁平方形塑封 。 Y7C09449PV-AC 可以采用总线仲裁加等待的方式,允许两边CPU 在指令级共享SRAM,允许两边的CPU 相互通过中断交换信息,还允许通过状态信号相互同步。在此采用状态寄存器及中断的方式进行通信握手并快速传递数据。 接口卡CPU和通信控制器FB3050的接口 FB3050是SMAR公司推出的第三代基金会现场总线通信控制器芯片,该芯片符合ISASP50 - 2 -1992 ,PART2中所规定的现场物理层标准。FB3050芯片功能框图如图二所示。从图二中可以看出FB3050 通过3总线和CPU 相连接,右边部分FB3050 输出的存储器总线,CPU 和FB3050二者都能够通过存储器总线访问挂接

在该总线上的存储器。下边部分是FB3050通过介质存取单元和现场总线网络相连接,中间部分是FB3050 的内部功能块。FB3050 的主要功能是实现总线上的信号驱动和接收、传输数据的串并行转换、串行数据的编码和解码、信息帧的打包和解包、帧校验序列的产生和验证等 。

由于FB3050 的接口设计上已经充分考虑了和Intel系列CPU接口的问题, 因此FB3050 和Intel80188 的接口是非常简单的。Intel80188 的地址总线数据总线可以直接和FB3050 的地址数据总线相连接,4条片选线MCS0MCS3中的任一条都可以作FB3050的存储器片选线。7条I/O片选线PCS0PCS6 中的任一条都可以作为FB3050 的内部存储器片选线;FB3050 内部共需要38个I/O址,Intel80188每条I/O片选线可以提供128个I/O口地址,因此完全可以满足要求。FB3050的中断输出为低电平有效,而Intel80188CPU 的中断输入线需要高电平或上升沿信号,因此需要加一反向器。FB3050的READY 输出线可以直接接到Intel80188 的AREADY引脚上,使得FB3050 的DMA 和CPU 能够共享FB3050 的局部存储器总线。Intel 80188的时钟输出信号可以直接作为FB3050 的系统时钟输入。 FB3050 和无线收发单元的接口

nRF401。nRF401是NORDIC 公司最新推出的工作于ISM频段(433 MHz)的单片无线收发一体芯片。它是目前集成度最高的无线数传产品,20脚双列直插封装。nRF401 内部包含高频接收/发射、PLL合成FSK调制/解调和双频切换等单元。该芯片有如下特点:FSK调制方式,直接数据输入输出,抗干扰能力强,特别适合工业场合采用DSS + PLL频率合成技术,频率稳定性极好;灵敏度高,达到-105dBm无需曼彻斯特编码工作速率最高可达20 kb/s最大发射功率达+ 10dBm开阔地的使用距离最远可达1000m工作在ISM 频段433MHz和双信道频率433192 MHz/433134 MHz ,使用不需要申请许可证。 利用nRF401实现的无线收发单元和FB3050接口电路原理图如图三所示。其中,无线收发单元的天线设计采用环形差分天线。nRF401的时钟输入要和CPU和B3050同步因此nRF401必须和CPU和FB3050共用一个时钟源。nRF401 芯片的数据输出(DOUT)/输入(DIN)和FB3050的接收输入(PIPHPDU)、发送输出(PO- PHPDU)信号线相连接接FB3050 的数据发送允许信号引脚PO- TACT,当PO- TACT 输出
为高电平时为发送模式,反之为接收模式CS 为频率选择引脚,接PCB跳线,由高低电平选择所使用的频率PWR- UP为节电模式选择信号引脚,也接PCB跳线,高电平时为工作模式,低电平时为待机模式。

总 结
在经过几周的不懈努力中终于完成了毕业设计任务。通过本设计锻炼了我们的实践能力也是对以后我们实际工作能力的训练和考察过程。现在是一个高科技的时代单片机的应用无处不在这更坚定了我要学好单片机的决心。 本设计本身就比较简单整个毕业设计的过程中每一步都是自己亲自做过的在经过遇到问题思索问题到解决问题的过程中收获是最多的。以往没有注意到的问题都在这一次的毕业设计中得以体现这培养了我的细心耐心和专心。我觉得能够在这次的毕业设计中学到很多的东西以往不注意的细节这一次中是必须让自己去注意的。也是我这三年来所学到知识的一个体现。我深深知道每一次的学习实践环节都是那么的来之不易都是通过老师的深思熟虑后才给我们定下目标。然后让我们在知识的海洋里翱翔让我们随着年龄的增长不断的扩充自己的知识领域也逐渐成熟逐渐长大老师同时也教导我们逐渐成为一个能够为身边的人为家庭为国家做出点点贡献的人教导我们学会感恩。所以我在这次的毕业设计中认真对待每一个过程希望自己的认真自己最后的毕业设计的成果能够回报老师这么多年来的教导这么多年的奉献。感谢教导我们的所有老师。 最后由于毕业期间时间仓促错误和不妥之处在所难免敬请老师批评指正。

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