1、課程簡介特點(diǎn)：涉及工程概念和設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容 較多，理論內(nèi)容較少 （技術(shù)規(guī)范多，公式推導(dǎo)少）重點(diǎn)：設(shè)計(jì)與應(yīng)用主要介紹的總線類型：Modbus CAN（經(jīng)典），Profibus（標(biāo)準(zhǔn)），Lonworks （專業(yè)） Industrial EtherNet（趨勢）第1章 現(xiàn)場總線技術(shù)概述現(xiàn)場總線是20世紀(jì)90年代發(fā)展形成的，用于過程自動過程自動化、制造業(yè)自動化、樓宇自動化、家庭自動化化、制造業(yè)自動化、樓宇自動化、家庭自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場設(shè)備互連的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線是目前自動化領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是現(xiàn)場總線與控制系統(tǒng)的集成 Fieldbus Control System本章的主要內(nèi)容1.

2、1 現(xiàn)場總線的由來1.2 現(xiàn)場總線的定義和分類1.3 現(xiàn)場總線的特點(diǎn)1.4 現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展1.1 現(xiàn)場總線的由來現(xiàn)場總線技術(shù)是為了滿足控制（測控）系統(tǒng)向 數(shù)字化發(fā)展的需要而產(chǎn)生的數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)：信息量更豐富控制系統(tǒng)的4個發(fā)展階段： 模擬儀表控制系統(tǒng)； 直接數(shù)字控制系統(tǒng)； 集散控制系統(tǒng)； 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)模擬儀表控制系統(tǒng) Analog Control System出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代之前基地式儀表：功能簡單統(tǒng)一的模擬信號：0.020.1MPa，010mA，15V，420mA 典型的單回路控制系統(tǒng)：控制算法簡單模擬儀表控制系統(tǒng) Analog Control System 常規(guī)模擬單回路調(diào)

3、節(jié)（控制）系統(tǒng) 調(diào)節(jié)儀表：輸入輸出 測量儀表：輸出 420mADC 執(zhí)行器：輸入直接數(shù)字控制系統(tǒng) Direct Digital Control System出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代初隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及而得到應(yīng)用多回路控制：控制功能增強(qiáng)，算法先進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測量變送儀表仍采用模擬量 （420mA）需要模/數(shù)（A/D）、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換直接數(shù)字控制系統(tǒng) Direct Digital Control System用計(jì)算機(jī)代替模擬控制儀表 可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法和協(xié)調(diào)控制 缺點(diǎn)：控制功能集中導(dǎo)致危險性加大集散控制系統(tǒng) Distributed Control System出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代中期隨著大

4、規(guī)模集成電路和微處理器的發(fā)展和成熟而得到應(yīng)用控制功能分散到多個子系統(tǒng)（控制站）組成：包括過程控制站、操作站（人機(jī)界面）和通信系統(tǒng)集中操作、分散控制-集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng) Distributed Control System現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) Fieldbus Control System出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代后期在DCS的基礎(chǔ)上進(jìn)一步數(shù)字化控制功能進(jìn)一步向下（現(xiàn)場設(shè)備）分散用串行數(shù)字化接口代替測量變送儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬量接口（420mA）雙向通信方式使傳輸?shù)男畔⒘看蟠筘S富現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) Fieldbus Control System傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)（1）信息集成能力不強(qiáng) 控制器與現(xiàn)

5、場設(shè)備之間通過I/O連線 連接，傳送420mA模擬量信號或24VDC 開關(guān)量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備。這樣，控制器獲取信息量有限，如設(shè)備參數(shù)、故 障記錄等有用數(shù)據(jù)很難得到。 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)（2）系統(tǒng)開放性、可集成性差 除現(xiàn)場設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)的420mA或者24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能 使用同一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏 互操作性、互換性，因此可集成性差。 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)（3）成本高、可靠性差 對于大范圍的分布式控制系統(tǒng)，大量 的I/O電纜及敷設(shè)施工，不僅增加成本， 更是增加了系統(tǒng)的故障點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的 可靠性。 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)（4）可維護(hù)性不高 由于現(xiàn)場級設(shè)備

6、信息不全，現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強(qiáng)。 另一方面也很難完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護(hù)性。 現(xiàn)場總線技術(shù)就是為了克服上述缺點(diǎn)而產(chǎn)生和發(fā)展的 現(xiàn)場設(shè)備的串行通信接口是現(xiàn)場總線技術(shù)的原形 由于嵌入式技術(shù)的發(fā)展，許多測量變送儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)了智能化，即內(nèi)置微處理器，完成諸如線性化、量程轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波甚至回路調(diào)節(jié)等功能。因此，對于這些智能現(xiàn)場設(shè)備增加一個串行數(shù)據(jù)接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了這樣的接口， 控制器就可以按其規(guī)定協(xié)議，通過串行通信方式（而不是并行I/O方式）完成對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。如果設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場設(shè)備都具

7、有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場設(shè)備連接，從而完成對所有現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。這就是產(chǎn)生現(xiàn)場總線技術(shù)的初始想法和技術(shù)基礎(chǔ)這就是產(chǎn)生現(xiàn)場總線技術(shù)的初始想法和技術(shù)基礎(chǔ)現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生 基于以上初始想法，設(shè)想使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議和通信接口的現(xiàn)場設(shè)備連接，這樣，在設(shè)備層傳遞的不再是模擬量信號，而是基于現(xiàn)場總線的數(shù)字化信號，進(jìn)而構(gòu)成由數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)連接起來的控制系統(tǒng)。發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了至少幾十種現(xiàn)場總線。 1.2 現(xiàn)場總線的定義及分類現(xiàn)場總線的定義（4種）：用于現(xiàn)場儀表與控制主機(jī)系統(tǒng)之間的一種開放的、全數(shù)字化的、雙向、多站的通信系統(tǒng)；廣義上是

8、控制系統(tǒng)與現(xiàn)場檢測儀表、執(zhí)行裝置進(jìn)行雙向數(shù)字通信的串行總線系統(tǒng)；基于智能化儀表及現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)FCS；一種數(shù)字化的串行雙向通信系統(tǒng)。1.2 現(xiàn)場總線的定義及分類IEC（國際電工委員會）定義： 一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間進(jìn)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)、數(shù)字式的數(shù)據(jù)交換的通信技術(shù)?？偩€的分類毫米級：芯片內(nèi)總線厘米級：芯片間總線、元件總線分米級：機(jī)箱內(nèi)總線（Multi-bus、 STD、PCL、ISA、PCI等）十米級：機(jī)柜間總線（RS-232、GPIB、VME、VXI等）百千米級：現(xiàn)場總線（Modbus、FF、Profibus等）按數(shù)據(jù)通信寬度分類（1）傳感器現(xiàn)場總線（

9、數(shù)據(jù)寬度為位-Bit）： 適用于簡單的開關(guān)裝置和輸入輸出位的 通信,如Seriplex總線、AS-i總線等。（2）裝置現(xiàn)場總線（數(shù)據(jù)寬度為字節(jié)-Byte）： 適用于以字節(jié)為單位的裝置類通信,如 Interbus總線、Device-Net總線和CAN總線等。按數(shù)據(jù)通信寬度分類（3）全服務(wù)的現(xiàn)場總線（數(shù)據(jù)寬度為數(shù)據(jù)流或模塊Block）： 以報文通信為主，除了對裝置進(jìn)行讀取 數(shù)據(jù)外，還包括一些對裝置的操作和控制 功能,如FF(Foundation Fieldbus)總線、Lonworks總線、Hart總線等。按應(yīng)用行業(yè)分類（1）過程控制（連續(xù)生產(chǎn)過程）用現(xiàn)場 總線：FF的H1、Profibus-PA

10、等（2）離散控制用現(xiàn)場總線： Profibus-DP、Device-Net等（3）樓宇自動化用現(xiàn)場總線：Lonworks等（4）車輛制造業(yè)用現(xiàn)場總線：CAN等（5）飛機(jī)制造業(yè)用現(xiàn)場總線：SwiftNet等（6）農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)用現(xiàn)場總線：P-Net等1.3 現(xiàn)場總線的特點(diǎn)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)FCS與DCS的對比現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)現(xiàn)場總線的主要優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于采用了現(xiàn)場總線設(shè)備，能夠把原來DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、輸入輸出模塊置于設(shè)備現(xiàn)場，加上現(xiàn)場總線設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行器直接傳送信號，因而控制功能能夠不依賴控制室

11、的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （2）由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實(shí)現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號(包括多個運(yùn)行參數(shù)值、多個設(shè)備狀態(tài)、故障信息)，同時又為多個現(xiàn)場總線設(shè)備提供電源；現(xiàn)場總線設(shè)備以外不再需要A/D、D/A轉(zhuǎn)換部件。這樣就為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件。 FCS與DCS的結(jié)構(gòu)對比FCS與DCS的詳細(xì)對比FCSDCS(1)結(jié)構(gòu)一對多：一對傳輸線接多臺儀表，雙向傳輸多個信號。一對一：一對傳輸線接一臺儀表，單向傳輸一個信號。(2)可靠性可靠性好：數(shù)字信號傳輸抗干擾能力強(qiáng)，精度高?？煽啃圆睿耗?/p>

12、擬信號傳輸不僅精度低，而且容易受干擾。FCS與DCS的詳細(xì)對比FCSDCS（3）失控狀態(tài)操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場設(shè)備過現(xiàn)場儀表的工作情況，也能對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測或?qū)ふ夜收?，使設(shè)備始終處于操作員的過程監(jiān)控與可控狀態(tài)之中。操作員在控制室既不了解模擬儀表的工作情況，也不能對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測故障，導(dǎo)致操作員對儀表處于“失控”狀態(tài)。（4）控制控制功能分散在各個智能儀器中。所有的控制功能集中在控制站中。FCS與DCS的詳細(xì)對比FCSDCS （5） 互換性用戶可以自由選擇不同制造事故內(nèi)提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備和儀表，并將不同品牌的儀表互連，實(shí)現(xiàn)“即插即用”。盡管模擬儀表統(tǒng)一了

13、信號標(biāo)準(zhǔn)（420mADC），可是大部分技術(shù)參數(shù)仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表不能互換。 （6） 儀表智能儀表除了具有模擬儀表的檢測、變換、補(bǔ)償?shù)裙δ芡猓€具有數(shù)字通信能力，并且具有控制和運(yùn)算能力。模擬儀表只具有檢測、變換、補(bǔ)償?shù)裙δ堋，F(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)（1）系統(tǒng)的開放性 通信協(xié)議公開，各不同廠商的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換。（2）互可操作性與互用性 互可操作性是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用性則意味著不同制造商性能類似的設(shè)備可進(jìn)行更換，實(shí)現(xiàn)相互替換。現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)（3）現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性 將傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場總線設(shè)備中完成。（4

14、）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提高了可靠性?，F(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)（5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等多種傳輸介質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求。現(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)（1）FCSFCS實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化通信實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化通信 DCS采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，通信網(wǎng)絡(luò)分布于各層并采用數(shù)字通信方式，唯有生產(chǎn)現(xiàn)場層的常規(guī)模擬儀表仍然是一對一模擬信號(如420mADC)傳輸方式，因此DCS是一個“半數(shù)字信號”系統(tǒng)。 FCS采用全數(shù)字化、雙向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健淖畹讓拥膫鞲衅?、變送器和?zhí)行器

15、就采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直到最高層均為通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。多條分支通信線延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場，用來連接現(xiàn)場數(shù)字儀表，采用一對N連接。現(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)（2）FCSFCS實(shí)現(xiàn)徹底的全分散式控制實(shí)現(xiàn)徹底的全分散式控制 在DCS中，生產(chǎn)現(xiàn)場的多臺模擬儀表集中接于輸入輸出單元，每臺儀表只有單一的信號變換功能，而與控制有關(guān)的輸入、輸出、控制、運(yùn)算等功能塊都集中于DCS的控制站內(nèi)。從這個意義上講，DCS只是一個“半分散”系統(tǒng)。 FCS舍棄了DCS的輸入輸出單元，由現(xiàn)場儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，功能塊分散地分配給現(xiàn)場總線上的數(shù)字儀表。從而構(gòu)成虛擬控制站，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制?，F(xiàn)場總線技術(shù)的主要

16、優(yōu)點(diǎn)（3 3）FCSFCS實(shí)現(xiàn)不同廠商產(chǎn)品互聯(lián)、互操作實(shí)現(xiàn)不同廠商產(chǎn)品互聯(lián)、互操作 DCS系統(tǒng)的硬件、軟件甚至現(xiàn)場級設(shè)備都是各制造商自行研制開發(fā)的，不同廠商的產(chǎn)品由于通信協(xié)議的專有與不兼容，彼此難以互聯(lián)、互操作。而FCS的現(xiàn)場設(shè)備只要采用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的產(chǎn)品既可互聯(lián)也可互換，并可以統(tǒng)一組態(tài)，從而徹底改變傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性。FCS允許用戶選用各制造商性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品集成控制系統(tǒng)，因而具有很好的可集成性。現(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)（4 4）FCSFCS增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性 FCS采用總線連接方式替代傳統(tǒng)的DCS一對一的I/O連線，對于大規(guī)模的I

17、/O系統(tǒng)來說，減少了DCS由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時，數(shù)字化的現(xiàn)場設(shè)備替代模擬儀表，F(xiàn)CS具有現(xiàn)場設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、參數(shù)修改等工作，因而增強(qiáng)系統(tǒng)的可維護(hù)性?，F(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)（5 5）FCSFCS降低系統(tǒng)工程成本降低系統(tǒng)工程成本 FCS對于大范圍、大規(guī)模分布式控制系統(tǒng)來說，節(jié)省了電纜、I/O裝置及電纜敷設(shè)費(fèi)用。以每23臺現(xiàn)場儀表接到一根電纜計(jì)算，平均可減少1/2到2/3的輸入輸出卡、輸入輸出柜和隔離器等。因此，現(xiàn)場總線儀表與控制室間的電纜連接和安裝等費(fèi)用估計(jì)可節(jié)約50。1.2 相關(guān)名詞術(shù)語1.2.1 總線的基本概念（1）總線與總線段（2）

18、主設(shè)備與從設(shè)備（3）總線上的控制信號（4）總線協(xié)議1.2.1 總線的基本概念（1）總線（總線（busbus）與總線段）與總線段(bus segment)(bus segment)從廣義說，總線總線就是傳輸信號或信息的公共 路徑，是遵循同一技術(shù)規(guī)范的連接與操作方式。一組設(shè)備通過總線連在一起稱為總線段總線段。 可以通過總線段相互連接把多個總線段連接成一個網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)系統(tǒng)。（2 2）主設(shè)備與從設(shè)備）主設(shè)備與從設(shè)備可在總線上發(fā)起信息傳輸?shù)脑O(shè)備叫做“總線主設(shè)主設(shè)備備”(bus mastermaster) ，又稱命令者。不能在總線上主動發(fā)起通信、只能掛接在總線上、 對總線信息進(jìn)行接收查詢的設(shè)備稱為總線從設(shè)備(

19、bus slaverslaver)，也稱基本設(shè)備。在總線上可能有多個主設(shè)備，某一設(shè)備既可以是 主設(shè)備，也可以是從設(shè)備，但不能同時既是主設(shè)備又是從設(shè)備。1.2.1 總線的基本概念（3 3）控制信號（三種類型）控制信號（三種類型）（a）控制連接在總線上的設(shè)備，讓其進(jìn)行所規(guī)定的操作，如設(shè)備清零、初始化、啟動和停止等。（b）用于改變總線操作的方式，如改變數(shù)據(jù)流的方向，選擇數(shù)據(jù)字段的寬度和字節(jié)等。（c）表明地址和數(shù)據(jù)的含義，如對于地址，可用于指定某一地址空間，或表示出現(xiàn)了廣播操作；對于數(shù)據(jù)，可用于指定它能否轉(zhuǎn)譯成輔助地址或命令。（4 4）總線協(xié)議）總線協(xié)議管理主、從設(shè)備使用總線的一套規(guī)則稱為“總線協(xié)議”

20、(bus protocol)。協(xié)議是一套事先規(guī)定的、總線上所有設(shè)備必須共同遵守的規(guī)約。1.2.1 總線的基本概念1.2.2 通信術(shù)語數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信的基本含義是指在2個或2個以上相互獨(dú)立的計(jì)算機(jī)類設(shè)備之間傳遞數(shù)字化 信息。比如：工業(yè)控制機(jī)與PLC之間，計(jì) 算機(jī)與手機(jī)、PDA之間，校園網(wǎng)中計(jì)算機(jī) 與計(jì)算機(jī)之間等。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳遞計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳遞，如CPU與顯示卡、CPU與硬盤之間等，一般不歸于數(shù)據(jù)通信的范疇。 1.2.4 通信術(shù)語在計(jì)算機(jī)等數(shù)字化設(shè)備中，信息的基本描述形式為二進(jìn)制數(shù)，而目前最基本、最常用的表述形式為8位數(shù)據(jù)位。若在2臺計(jì)算機(jī)之間傳遞一條信息，從信息傳遞的方式上看，可以采

21、用串行通信串行通信方式或并行通信并行通信方式。 1.2.4 通信術(shù)語一條信息的各位數(shù)據(jù)被同時傳送的通信方式稱為并行通并行通信信。并行通信的特點(diǎn)是：各數(shù)據(jù)位同時傳送，傳送速度快、效率高，但有多少數(shù)據(jù)位就需多少根數(shù)據(jù)線，因此傳送成本高，只適用于近距離（相距數(shù)米）的通信。一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通信方式稱為串行通信串行通信。串行通信的特點(diǎn)是：各個數(shù)據(jù)位的傳送是按位序順序進(jìn)行，最少只需一根數(shù)據(jù)傳輸線即可完成，成本低但傳送速度慢。串行通信的距離可以從幾米到幾千米。 1.2.4 通信術(shù)語一般常說的數(shù)據(jù)通信就指的是串行數(shù)據(jù)通信一般常說的數(shù)據(jù)通信就指的是串行數(shù)據(jù)通信 1.2.4 通信術(shù)語（1）通信

22、系統(tǒng)的組成（2）數(shù)據(jù)通信基本原理（3）數(shù)據(jù)交換方式（1 1）通信系統(tǒng)的組成）通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)是傳遞信息所需的一切技術(shù)設(shè)備 的總和。它一般由信息源和信息接收者， 發(fā)送、接收設(shè)備，傳輸介質(zhì)幾部分組成。信息源和接收者信息源和接收者信息源和接收者是信息的產(chǎn)生者和使用者。在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔⑹菙?shù)據(jù)，是數(shù)字化了的信息。這些信息可能是原始數(shù)據(jù)，也可能是經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后的結(jié)果，還可能是某些指令或標(biāo)志。信息源可根據(jù)輸出信號的性質(zhì)不同分為模擬信息源和離散信息源。發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信息源和傳輸媒介匹配起來，即將信息源產(chǎn)生的消息信號經(jīng)過編碼，并變換為便于傳送的信號形式，送往傳輸媒介。信源

23、編碼：把連續(xù)消息變換為數(shù)字信號；信道編碼：使數(shù)字信號與傳輸介質(zhì)匹配，提高傳輸?shù)目煽啃曰蛴行?。發(fā)送設(shè)備還要包括為達(dá)到某些特殊要求所進(jìn)行的各種處理，如多路復(fù)用、保密處理、糾錯編碼處理等。傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)指發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間信號傳遞所經(jīng)媒介。它可以是無線的，也可以是有線的(包括光纖)。有線和無線均有多種傳輸媒介，如電磁波、紅外線為無線傳輸介質(zhì)，各種電纜、光纜、雙絞線等為有線傳輸介質(zhì)。介質(zhì)在傳輸過程中必然會引入某些干擾，如熱噪聲、脈沖干擾、衰減等。媒介的固有特性和干擾特性直接關(guān)系到變換方式的選取。接收設(shè)備接收設(shè)備接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解密等。它的任務(wù)

24、是從帶有干擾的信號中正確恢復(fù)出原始信息來，對于多路復(fù)用信號，還包括解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路。以上所述是單向通信系統(tǒng)，但在大多數(shù)場合下，信源兼為收信者，通信的雙方需要隨時交流信息，因此要求雙向通信。(2) 數(shù)據(jù)通信基本原理數(shù)據(jù)通信基本原理 A.通信方式按照信息的傳輸方向分為 ：(i)單工 (Simplex)方式 信息只能沿單方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為單工方式；(ii)半雙工(Half duplex)方式 信息可以沿著兩個方向傳輸，但在某一時刻只能沿一個方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為半雙工方式；(iii)全雙工 (Full duplex)方式 信息可以同時沿著兩個方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為全雙工方式。單工、半雙

25、工和全雙工通信方式單工、半雙工和全雙工通信方式 B. 傳輸模式基帶傳輸 載波（帶）傳輸 寬帶傳輸 基帶傳輸 基帶傳輸是指在基本不改變數(shù)據(jù)信號頻率的情況下，在數(shù)字通信中直接傳送數(shù)據(jù)的基帶信號，即按數(shù)據(jù)波的原樣進(jìn)行傳輸，不采用任何調(diào)制措施。它是目前廣泛應(yīng)用的最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式。局域網(wǎng)、控制局域網(wǎng)載波（帶）傳輸載波傳輸是先用數(shù)字信號對載波進(jìn)行調(diào)制，然后進(jìn)行傳輸?shù)膫鬏斈Ｊ健Ｗ罨镜恼{(diào)制方式有幅值鍵控 (ASK)，頻移鍵控 (FSK)和相移鍵控 (PSK)3種。在載波傳輸中，發(fā)送設(shè)備首先要產(chǎn)生某個頻率的信號作為基波來承載信息信號，這個基波就稱為載波信號，基波頻率就稱為載波頻率;然后按幅值鍵控、頻移鍵控

26、、相移鍵控等不同方式改變載波信號的幅值、頻率、相位，形成調(diào)制信號后發(fā)送。寬帶傳輸 由于基帶網(wǎng)不適于傳輸語言、圖像等信息，隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)、文字、語音、圖像等多種信號的任務(wù)愈來愈重，因此提出了寬帶傳輸?shù)囊?。寬帶傳輸與基帶傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別:一是數(shù)據(jù)傳輸速率不同，基帶網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為0l0Mbit/s，寬帶網(wǎng)可達(dá)0400Mbit/s;二是寬帶網(wǎng)可劃分為多條基帶信道，能提供良好的通信路徑。一般寬帶局域網(wǎng)可與有線電視系統(tǒng)共建，以節(jié)省投資。 C. 二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示方法基帶傳輸中數(shù)據(jù)的表示方法 (i)信息傳輸有平衡傳輸和非平衡傳輸。(ii)根據(jù)對零電平的關(guān)系，信息傳輸可以分為歸零

27、傳輸和不歸零傳輸。(iii)根據(jù)信號的極性，信息傳輸分為單極性傳輸和雙極性傳輸。 單極性碼 雙極性碼常用的數(shù)據(jù)表示方法常用的數(shù)據(jù)表示方法a)平衡、歸零、雙極性b)平衡、歸零、單極性c)平衡、不歸零、單極性d)非平衡、歸零、雙極性e)非平衡、歸零、單極性f)非平衡、不歸零、單極性數(shù)據(jù)表示方法數(shù)據(jù)表示方法 載帶傳輸中的數(shù)據(jù)表示方法(1)調(diào)幅方式 調(diào)幅方式AM (Amplitude Modulation)又稱為幅移鍵控法 ASK (Amplitude-Shift Keying)(2)調(diào)頻方式 調(diào)頻方式FM (Frequency Modulation)又稱為頻移鍵控法FSK (Frequency-Sh

28、ift Keying)(3)調(diào)相方式 調(diào)相方式PM (Phase Modulation)又稱為相移鍵控法PSK (Phase-Shift Keying) 數(shù)據(jù)調(diào)制方式數(shù)據(jù)調(diào)制方式（a）調(diào)幅調(diào)幅 （b）調(diào)頻調(diào)頻 （c）調(diào)相調(diào)相1.2.3報文與協(xié)議OSI 七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議1.報文 通信過程中傳送的信息2.協(xié)議 一套事先約定好的共同遵守的規(guī)范3.總線協(xié)議 總線上的設(shè)備如何使用總線的規(guī)定4.語法 數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)格式及次序1.2.3報文與協(xié)議OSI 七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議5. 數(shù)據(jù)流中每個部分的含義6. 時序 與數(shù)據(jù)發(fā)送的先后次序和數(shù)據(jù)的發(fā)送速率有關(guān)，收發(fā)雙方往往需要以某種方式校對時鐘周期，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)處理的快慢。1.2.4

29、 差錯控制n為什么要進(jìn)行差錯控制n傳輸錯誤的種類有哪些n差錯控制方法n奇偶校驗(yàn)為什么要進(jìn)行差錯控制？ 分布控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)是在條件比較惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作的，因此，在信息傳輸過程中，各種各樣的干擾可能造成傳輸錯誤。這些錯誤輕則會使數(shù)據(jù)發(fā)生變化，重則會導(dǎo)致生產(chǎn)過程事故。因此必須采取一定的措施來檢測錯誤并糾正錯誤，檢錯和糾錯統(tǒng)稱為差錯控制差錯控制。傳輸錯誤的種類：突發(fā)錯誤：由突發(fā)噪聲引起的，誤碼連續(xù)成片出現(xiàn)；隨機(jī)錯誤：由隨機(jī)噪聲引起的，誤碼與其前后的代碼是否出錯無關(guān)。差錯控制方法：在傳輸信息中附加冗余度在傳輸方法中附加冗余度 1.4 現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定現(xiàn)有現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)（國際、

30、國內(nèi)）現(xiàn)場總線發(fā)展中存在的問題現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定標(biāo)準(zhǔn)化的重要性 標(biāo)準(zhǔn)化是經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科技進(jìn)步、國際貿(mào)易和社會發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)。它不僅與人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，也與國際貿(mào)易和科技合作的開展密切相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)的重要保證，是規(guī)范市場秩序，連接國內(nèi)外市場的重要手段。因此，現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)，特別是國際標(biāo)準(zhǔn)受到了大家的重視。制定標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)(一)世界上 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO (International Standard Organization) 國際電工委員會IEC (International Electrotechnical Commission) 國際

31、電信聯(lián)盟ITU （ International Telegraphy Union） 歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會CENELEC（歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN）(二)國內(nèi) 制訂國家標(biāo)準(zhǔn)GB的組織是全國標(biāo)準(zhǔn)化委員會現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) 2004年4月，IEC公布了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) 第三版（即IEC61158 Ed.3），規(guī)定了10種類型的現(xiàn)場總線，分別是：Type1 TS61158 現(xiàn)場總線Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 現(xiàn)場總線Type3 Profibus現(xiàn)場總線Type4 P-NET現(xiàn)場總線現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)Type5 FF HSE現(xiàn)場總線Type6 Swift-Net 現(xiàn)場總線Type7 W

32、orldFIP現(xiàn)場總線Type8 INTERBUS現(xiàn)場總線Type9 FF H1現(xiàn)場總線Type10 PROFInet現(xiàn)場總線現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)2006年11月，全國工業(yè)測量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會發(fā)布了中國第一個工業(yè)通信領(lǐng)域現(xiàn)場總線技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)：國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20540-2006Profibus規(guī)范國家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件GB/Z20541-2006Profibus規(guī)范現(xiàn)場總線發(fā)展中存在的問題(1)各種現(xiàn)場總線都是受國際上一些處于壟斷地位的跨國大公司所支持。(2)跨國大公司為了他們的長遠(yuǎn)利益和保持他們的壟斷地位又不得不去開發(fā)現(xiàn)場總線，以領(lǐng)導(dǎo)新潮流。(3)有的公司早期投人大量資金使得產(chǎn)品間世較

33、早。(4)一些小國家在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上很大程度地依賴于一些跨國的大公司。(5)IEC是多極化的組織，其代表都來自各個國家的一些大公司，不可避免地出現(xiàn)斗爭的復(fù)雜性和反復(fù)性。 多標(biāo)準(zhǔn)多標(biāo)準(zhǔn) = = 無標(biāo)準(zhǔn)！無標(biāo)準(zhǔn)！現(xiàn)場總線發(fā)展中存在的問題現(xiàn)場總線自出現(xiàn)以來，一直以開放性、全數(shù)字化、互可操作性、智能化等特點(diǎn)著稱，用戶對現(xiàn)場總線的應(yīng)用與推廣充滿信心。而現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的門戶之爭日見白熱化，多種現(xiàn)場總線互不兼容，不同協(xié)議的產(chǎn)品之間無法實(shí)現(xiàn)高速的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸，“自動化孤島現(xiàn)象并未真正得到解決。而且近20年的標(biāo)準(zhǔn)之爭和市場大戰(zhàn)最終形成了多種標(biāo)準(zhǔn)共存的局面，這種情況無論在技術(shù)層面還是市場層面都給用戶帶來了疑問和困惑?，F(xiàn)場總線發(fā)展中存在的問題（1）多標(biāo)準(zhǔn)共