袁中凡主編李彬彬陳爽副主編冼進(jìn)審郵箱：china_54@機(jī)電一體化技術(shù)

第七章多機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信知識(shí)點(diǎn)：機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本概念機(jī)電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵共性技術(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展概況本章導(dǎo)讀

隨著計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求：既希望共享網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，又希望調(diào)用網(wǎng)內(nèi)幾個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)共同完成某項(xiàng)任務(wù)。這就要求用戶對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的資源像使用自己的主機(jī)系統(tǒng)資源一樣方便。7.1基本概念、功能、分類和性能參數(shù)7.1.1基本概念和功能所謂計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是通過(guò)線路互聯(lián)起來(lái)的，自治的計(jì)算機(jī)集合，確切地講，就是將分布在不同地理位置上的具有獨(dú)立工作能力的計(jì)算機(jī)、終端及其附屬設(shè)備用通信設(shè)備和通信線路連接起來(lái)，并配置網(wǎng)絡(luò)軟件，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源共享的系統(tǒng)。7.1.2分類計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類可按不同的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。1．按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭澐钟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的物理連接方式即通常所稱的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Topolodg)分為：總線型、星型、環(huán)型、網(wǎng)狀、樹(shù)狀和星環(huán)型拓?fù)洹?．按網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍劃分(1)局域網(wǎng)(LAN：LocalAreaNetwork)(2)城域網(wǎng)(MAN：MetropolitanAreaNetwork)(3)廣域網(wǎng)(WAN：WideAreaNetwork)3．按數(shù)據(jù)傳輸所用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)劃分可分為交換網(wǎng)和廣播網(wǎng)。4．按通信傳輸介質(zhì)劃分可分為雙絞線網(wǎng)、同軸電纜網(wǎng)、光纖網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)等。5．按信號(hào)頻帶占用的方式劃分可分為基帶網(wǎng)和寬帶網(wǎng)。7.1.3性能參數(shù)評(píng)價(jià)一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能最常用的性能參數(shù)和指標(biāo)有：(1)延遲(delay)；(2)吞吐率(throughput)(3)丟失率(LossRate)；(4)抖動(dòng)(jitter)；(5)同步(synchronous)。7.2多機(jī)系統(tǒng)總線單片機(jī)的多機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。而在工業(yè)測(cè)試領(lǐng)域，多機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是大中型現(xiàn)代工程系統(tǒng)(如監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、機(jī)器人、FMS、CIMS等)中的主要應(yīng)用形式。7.2.1單總線（1）概述1-wire單總線是Maxim全資子公司Dallas的一項(xiàng)專有技術(shù)。它采用單根信號(hào)線既傳輸時(shí)鐘又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。1-wire單總線適用于單個(gè)主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。（2）硬件結(jié)構(gòu)顧名思義，單總線只有一根數(shù)據(jù)線，設(shè)備(主機(jī)或從機(jī))通過(guò)一個(gè)漏極開(kāi)路或三態(tài)端口，連接至該數(shù)據(jù)線，這樣允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)釋放數(shù)據(jù)總線，以便總線被其他設(shè)備所使用。單總線端口為漏極開(kāi)路。其內(nèi)部等效電路如圖7-1所示。圖7-1單總線的硬件結(jié)構(gòu)示意圖（3）命令序列典型的單總線命令序列如下：第一步，初始化。第二步，ROM命令跟隨需要交換的數(shù)據(jù)。第三步，功能命令跟隨需要交換的數(shù)據(jù)。（4）信號(hào)方式所有的單總線器件要求采用嚴(yán)格的通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀0和讀1。圖7-2單總線初始化序列圖7-3主機(jī)讀/寫(xiě)時(shí)隙的時(shí)序示意圖7.2.2I2C總線I2C總線是一個(gè)多主站總線?？偩€上各節(jié)點(diǎn)的主從關(guān)系只基于當(dāng)時(shí)總線上數(shù)據(jù)流的方向，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可作為主站或從站。作為主站的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)并控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始、方向及結(jié)束。總線由串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時(shí)鐘線(SCL)組成。所有的節(jié)點(diǎn)通過(guò)“線與”的關(guān)系連接到總線上。圖7-4I2C總線系統(tǒng)構(gòu)成（1）主器件與從器件當(dāng)總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，—個(gè)器件既可以是主器件，也可以是從器件。起動(dòng)傳輸并生成此次傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)的就是主器件。此時(shí)，其他任何被尋址的器件都被當(dāng)作從器件。需要注意的是，主器件既可是發(fā)送器也可是接收器。（2）數(shù)據(jù)傳送每個(gè)時(shí)鐘脈沖期間傳送一個(gè)數(shù)據(jù)位，在時(shí)鐘脈沖高電平期間SDA總線上數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定才能有效。在此期間數(shù)據(jù)線電平的變化將被譯解為控制信號(hào)。（3）尋址總線中每個(gè)器件都有自己的獨(dú)一無(wú)二的地址。傳輸任何數(shù)據(jù)之前，主器件都要往總線上發(fā)出此次處理要訪問(wèn)的從器件的地址。如果網(wǎng)絡(luò)中存在與此地址匹配且工作正常的從器件，那么他應(yīng)應(yīng)答主器件的尋址。（4）I/O擴(kuò)展I2C總線有很強(qiáng)的I/O擴(kuò)展能力。例如：PCF8574芯片給總線提供高達(dá)64個(gè)可選用的能與之通信的I/O通道。其擴(kuò)展辦法如圖7-5所示。I2C總線系列的各種功能芯片的串行口均為開(kāi)路集電極(OC門(mén))電路，只要直接掛在I2C總線上即可。圖7-5I2C總線的I/O擴(kuò)展（5）多主能力分布式智能，分布式處理，資源共享以及為增加整個(gè)系統(tǒng)的信息吞吐量都可以由分布式控制結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而且對(duì)I/O接口也允許共享I/O資源。接入目標(biāo)I2C總線系統(tǒng)用于生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控和調(diào)節(jié)的主計(jì)算機(jī)，多主能力也是必要的。7.2.3ulan總線利用單片機(jī)的串行接口構(gòu)成多個(gè)單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的一種典型例子是Intel公司推出的μlan現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(FieldBus)是當(dāng)今分散式測(cè)控系統(tǒng)中的熱門(mén)話題。現(xiàn)場(chǎng)總線的主要特點(diǎn)有：現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備只處理一些簡(jiǎn)單、較低級(jí)的任務(wù)；只傳送和接收小量數(shù)據(jù)的報(bào)文；價(jià)格相應(yīng)低廉。82510的結(jié)構(gòu)如圖7-6所示。包括總線接口、串行、定時(shí)和Modem接口四個(gè)模塊。與IBM-PC用的16450兼容，支持高達(dá)288kbit/s的異步通信。圖7-7STD總線μlan網(wǎng)適配器模板原理框圖7.2.4位總線位總線(BITBUS)通信協(xié)議是由Intel公司推出的。BIBUS是主從式、總線型高速串行網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖7-8所示，它的電氣接口采用平衡傳送的RS-485標(biāo)準(zhǔn)，傳輸介質(zhì)是雙絞線或同軸電纜，鏈路協(xié)議符合IBM的同步數(shù)據(jù)鏈路控制(SDLC)標(biāo)準(zhǔn)，性能如表7-1所示。圖7-8BITBUS網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成圖7-98044結(jié)構(gòu)圖7-10BITBUS消息格式7.2.5Can總線CAN(ControllerAreaNetwork)協(xié)議是德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多測(cè)控儀器間的數(shù)據(jù)通信而開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。7.2.6以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到今天，在實(shí)際應(yīng)用中已相當(dāng)普及。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展都遵循“優(yōu)勝劣汰”的規(guī)律，好的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被保留下來(lái)，而且發(fā)展得更好網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，是指網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)、訪問(wèn)控制方式及傳輸媒介等符合某種公認(rèn)的規(guī)則。網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)上最常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有Ethernet、ARCnet、TokenRing、FDDI、FastEthernet及ATM等。本書(shū)的重點(diǎn)便是介紹別Ethernet(以太網(wǎng))。Ethernet基本網(wǎng)絡(luò)有3種架線方法，即10Base5、10Base2、10Base-T三種。圖7-1110Base2網(wǎng)絡(luò)連接示意圖圖7-1210Base-T網(wǎng)絡(luò)連接示意圖圖7-13100Base-T與10Base-T混合組網(wǎng)根據(jù)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的定義，該協(xié)議由下面3個(gè)基本部分組成：1）—系列物理層的指導(dǎo)原則，用于確定電纜的類型，布線的限制條件和用于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸方法。2）數(shù)據(jù)幀格式，用于定義以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中傳輸?shù)母鱾€(gè)信息位的順序和功能。3）介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)機(jī)制，稱為使用沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)技術(shù)，它使LAN上的所有計(jì)算機(jī)都能夠平等地訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)。7.3工業(yè)控制網(wǎng)互連和通信是網(wǎng)絡(luò)的核心，而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑼ㄐ沤橘|(zhì)、傳輸控制和通道利用方式則是局域網(wǎng)絡(luò)的四大要素。1．網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中通過(guò)傳輸線互連的點(diǎn)稱為站點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的物理連接結(jié)構(gòu)稱為拓?fù)?。常用的網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)有三種：星形、總線形和環(huán)形2．通信介質(zhì)目前普遍使用的通信介質(zhì)有雙絞線、多股屏蔽電纜、同軸電纜和光纖電纜。雙絞線把兩根導(dǎo)線扭絞在一起，可以減少外部電磁干擾。雙絞線成本低、安裝簡(jiǎn)單，RS485口多用此電纜。同軸電纜共有四層。最內(nèi)層為中心導(dǎo)體，導(dǎo)體的外層為絕緣層，包著中心導(dǎo)體，再向外一層為屏蔽層，繼續(xù)向外一層為表面的保護(hù)皮。光纖電纜有全塑光纖電纜APF、塑料護(hù)套光纖電纜PCF和硬塑料護(hù)套光纖電纜。3．介質(zhì)訪問(wèn)控制介質(zhì)訪問(wèn)控制是指對(duì)網(wǎng)絡(luò)通道占有權(quán)的管理和控制。局域網(wǎng)通常使用三種信息交換技術(shù)：線路交換、報(bào)文交換和分組交換。線路交換是在發(fā)送源節(jié)點(diǎn)和接收目的節(jié)點(diǎn)之間建立一條固定的物理通道，該通道一直保持到通話結(jié)束，如電話系統(tǒng)。報(bào)文交換是把目的站名附加在報(bào)文上，從一個(gè)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，直到目的站。局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問(wèn)控制有三種方式1)沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA/CD)CSMA/CD又稱隨機(jī)訪問(wèn)技術(shù)或爭(zhēng)用技術(shù)。2)令牌環(huán)（TokenRing)令牌環(huán)適用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。在這種方式中，令牌是控制標(biāo)志，網(wǎng)中只設(shè)一張令牌，令牌依次沿每個(gè)節(jié)點(diǎn)循環(huán)傳送，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有平等獲得令牌發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)。3)令牌總線(TokenBus)令牌總線方式適用于總線形網(wǎng)絡(luò)中。受令牌環(huán)的影響，它把總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)邏輯環(huán)。4．通道利用方式常用的方式有兩種：基帶和頻帶。基帶方式即利用通信介質(zhì)的整個(gè)帶克進(jìn)行信號(hào)傳送；頻帶方式即把通信信道以不同的載頻劃分成若干通道，在同一通信介質(zhì)上同時(shí)傳送多路信號(hào)。前者優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠性高。缺點(diǎn)是通道利用串低，長(zhǎng)距離傳送衰減大。后者優(yōu)點(diǎn)是通道利用率高，但因需加調(diào)制解調(diào)器，其成本較高。7.3.2工業(yè)控制網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層結(jié)構(gòu)對(duì)工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)的要求和標(biāo)準(zhǔn)是可靠性、確定性、吞吐能力、靈活性和穩(wěn)定性五個(gè)方面。為了保證通信的正常講行，除需具備良好、可靠的通信信道外，還需通各方遵守共問(wèn)的協(xié)議，才能保證高效、可靠的通信。通信協(xié)議一般采用分層設(shè)計(jì)的方法。7.3.2工業(yè)控制網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層結(jié)構(gòu)1979年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提出了開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型0SI(0penSystemInterconnection/ReferenceModel)。（1）物理層(Physical)物理層在信道上傳輸未經(jīng)處理的信息，該層協(xié)議涉及通信雙方的機(jī)械、電氣和連接規(guī)程。（2）數(shù)據(jù)鏈路層(DataLink)數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)是將可能有差錯(cuò)的物理鏈路改造成對(duì)于網(wǎng)絡(luò)層來(lái)說(shuō)是無(wú)差錯(cuò)的傳輸線路。（3）網(wǎng)絡(luò)層(Network)網(wǎng)絡(luò)層也稱分組層，它的任務(wù)是使網(wǎng)絡(luò)中傳輸分組。（4）傳輸層(Transport)傳輸層的基本功能是從會(huì)話層接收數(shù)據(jù)，把它們傳到網(wǎng)絡(luò)層，并保證這些數(shù)據(jù)正確地到達(dá)目的地。（5）會(huì)話層(Session)它控制一個(gè)通信會(huì)話進(jìn)程的建立或結(jié)束。這一層檢查并確定一個(gè)正常的通信是否正在發(fā)生。（6）表示層(Presentation)表示層實(shí)現(xiàn)不同信息格式和編碼之間的轉(zhuǎn)換。常用的轉(zhuǎn)換有：正文壓縮（7）應(yīng)用層(Application)應(yīng)用層的內(nèi)容，要根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的不同要求而定。7.3.3工業(yè)控制網(wǎng)設(shè)計(jì)的一般內(nèi)容工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所包括的具體內(nèi)容大致如下：

(1)確定網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)：包括網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)服務(wù)模式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議、數(shù)據(jù)庫(kù)類型等。

(2)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置方案與選型：包括系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理主機(jī)，服務(wù)器

(3)網(wǎng)絡(luò)布線設(shè)計(jì)：根據(jù)主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備、各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝的地理位置，設(shè)計(jì)出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

(4)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件配置；包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、維護(hù)管理、開(kāi)發(fā)工具、應(yīng)用軟件等。本章小結(jié)本章主要介紹了在工業(yè)控制局域網(wǎng)中常用到的各種總線的工作方式，適用場(chǎng)合及其各自的通信協(xié)議。在控制領(lǐng)域，往往需要進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)控制，如機(jī)械手、柔性加工單元的控制，需多CPU同時(shí)進(jìn)行，而單片機(jī)的多機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)很容易滿足其需要。另外，機(jī)電行業(yè)的大中型設(shè)備的改造也是多機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的用武之地。思考練習(xí)1、什么叫計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)?工業(yè)上常用哪幾種網(wǎng)絡(luò)類型?2、什么是通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)?常用介質(zhì)有哪幾種?3、何謂通信協(xié)議？為什么網(wǎng)絡(luò)通信中必須有