智能仪器课件第3版-(9)[122页].pptx

1、第第7 7章章 总线和数据通信技术总线和数据通信技术概述概述7.1内总线内总线7.2通用总线通用总线7.3串行通信接口串行通信接口7.4首页首页本章内容本章内容86 短距离无线通短距离无线通信技术信技术7.6现场总线现场总线7.5工业工业4.0相关的数据相关的数据通信技术通信技术7.7返 回上 页下 页 现场总线现场总线(Fieldbus)是计算机网络与生产过程是计算机网络与生产过程专用网络或工业控制网络与生产现场基层的自动化测专用网络或工业控制网络与生产现场基层的自动化测控设备之间传送信息的控设备之间传送信息的共同通路共同通路。现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域现场总线是一种工业数据总

2、线，是自动化领域中中,底层底层数据通信数据通信网络，是应用在生产现场，连接智网络，是应用在生产现场，连接智能现场设备和自动化测量控制系统的通信网络。能现场设备和自动化测量控制系统的通信网络。在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景化系统中具有广泛的应用前景。7.5 现场总线现场总线返 回上 页下 页 1984年，

3、美国仪表协会（年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实）下属的标准与实施工作组中的施工作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准；开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由年，国际电工委员会决定由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；作；1986年，德国开始制定过程现场总线年，德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标准，简称为）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。7.5 现场总线现场总线返 回

4、上 页下 页7.5 现场总线现场总线返 回上 页下 页7.5 现场总线现场总线返 回上 页下 页7.5.1现场总线概述现场总线概述 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连线。现场总线系统能够把原先路分别进行连线。现场总线系统能够把原先DCS系系统中处于控制室的控制模块，各输入输出模块置入现统中处于控制室的控制模块，各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信功能，现场的测量变场设备，加上现场设备具有通信功能，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行

5、机构直接传送信号，因而控送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。7.5.17.5.1返 回上 页下 页系统的开放性系统的开放性 开放是指相对标准的一致性、公开性，强调对标开放是指相对标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连线。界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连线。通信协议一致公开，各不同厂家的设备

6、之间可实现通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意系和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。7.5.17.5.1现场总线系统技术特点：现场总线系统技术特点：返 回上 页下 页互可操作性和互用性互可操作性和互用性 互可操作性，是指实现互联设备间、系统间的互可操作性，是指实现互联设备间

7、、系统间的信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的实现可相互能类似的实现可相互替替 换。换。现场设备的智能化和功能自治性现场设备的智能化和功能自治性 传感传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场散到现场 设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的制的 基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的现场总线已构成一种新的 全分散性控制系统的体系全分散性控制

8、系统的体系结构。从根本上改变了结构。从根本上改变了 现有现有DCS集中与分散相结合集中与分散相结合的控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。的控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。7.5.17.5.1现场总线系统技术特点：现场总线系统技术特点：返 回上 页下 页对现场环境的适应性对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工作网络底层的现场工作在生产现场前端，作为工作网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两

9、线制实现供电与通信，可满的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，可满足本质安全防爆要求等。足本质安全防爆要求等。7.5.17.5.1现场总线系统技术特点：现场总线系统技术特点：返 回上 页下 页现场总线现场总线优越性优越性:1.节省硬件数量与投资节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调制器、可减少变送器的数量，不再需要单独的调制器、计算单元等，也不需要计算单元等，也不需要DCS系统的信号调理、系统的信号调理、转换、隔离

10、等功能单元及复杂连线，还可以用转换、隔离等功能单元及复杂连线，还可以用工控工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积件投资，并可减少控制室的占地面积7.5.17.5.1返 回上 页下 页 节省安装费用节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆线通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒桥缆线通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒桥架的用量大大减少，连线设计与校对的工作量也大大架的用量大大减少，连线设计与校对的工作量也大大减少。当需要增加现场设备时无需要增设新的电缆，减

11、少。当需要增加现场设备时无需要增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程测算资了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程测算资料表明，可节省安装费用料表明，可节省安装费用60%以上。以上。7.5.17.5.12.现场总线现场总线优越性优越性:返 回上 页下 页 3.节省节省维护开销维护开销 现场现场控制设备具有自诊断和简单故障处理能力，并通控制设备具有自诊断和简单故障处理能力，并通过数字通讯将相应的诊断维护信息送往控制室，用户过数字通讯将相应的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行

12、，诊断维护信息，以便早期可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并及时排除，缩短了维护停工分析故障原因并及时排除，缩短了维护停工时间。同时间。同时系统时系统结构结构简单，简单，连线连线简单，减少简单，减少了维护工作量。了维护工作量。7.5.17.5.1现场总线现场总线优越性优越性:4.提供系统的准确性与可靠性提供系统的准确性与可靠性 现场总线现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构化，设备与连线减少，误差。同时，由于

13、系统的结构化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返运输，提现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返运输，提高了系统的工作可靠性。高了系统的工作可靠性。返 回上 页下 页目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。统一的国际标准尚未建立。主流的现场总线包括基金会现场总线主流的现场总线包括基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、）、CAN总线、总线、ProfiBus现场总线、现场总线、Lonworks现场总线等。现场总线等。7.5.17.5.1返 回上 页下 页7.5.2 CAN总线的发展与特

14、点总线的发展与特点由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应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。更 加 丰 富 的 依 据。控 制 器 局 部 网控 制 器 局 部 网 C A N（CONTROLLER AERANETWORK）正是在这种背正是在这种背景下应运而生的。景下应运而生的。CAN总线是总线是BOSCH（博世，德国（博世，德国的工业企业之一）公司为现代汽车应用领先推出的一的工业企业之一）公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛

15、应用于工种多主机局部网，由于其卓越性能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、电梯、纺织机器、医药系统（建筑、环境控制、电梯、纺织机器、医药系统（X射射线）都有用到。新的领域的开发：如家电、娱乐等。线）都有用到。新的领域的开发：如家电、娱乐等。7.5.27.5.2返 回上 页下 页在汽车应用领域，车内电控单元、电子通讯系统越来在汽车应用领域，车内电控单元、电子通讯系统越来越多，除了发动机控制单元外，还有传动控制、自动越多，除了发动机控制单元外，还有传动控制、自动变速器控制系统、安全气囊、变速器控制系统、安全气囊

16、、ABS防抱死制动系统、防抱死制动系统、巡航控制、车载多媒体系统、门窗控制和电池管理等巡航控制、车载多媒体系统、门窗控制和电池管理等模块。这些模块之间均需要进行数据交换，更需要系模块。这些模块之间均需要进行数据交换，更需要系统控制执行器和接收传感器反馈。用导线进行点对点统控制执行器和接收传感器反馈。用导线进行点对点的连接传输方式很难满足以上交换的数据量。因此，的连接传输方式很难满足以上交换的数据量。因此，就必须采用串行数据传输系统方式。就必须采用串行数据传输系统方式。CAN总线就能总线就能实现汽车内传统的点对点互连方式向总线式系统连接实现汽车内传统的点对点互连方式向总线式系统连接的转变，大大降

17、低汽车内电子系统布线的复杂度。的转变，大大降低汽车内电子系统布线的复杂度。7.5.27.5.2CAN总线示例：总线示例：返 回上 页下 页7.5.27.5.2汽车内的汽车内的CAN总线系统主要分为两部分，一种是动总线系统主要分为两部分，一种是动力系统，另一种是舒适系统，动力系统由高速力系统，另一种是舒适系统，动力系统由高速CAN总线组成，传输速度快，能够达到总线组成，传输速度快，能够达到500kb/s。汽车采。汽车采用用CAN总线系统可以实现各总线系统可以实现各ECU之间的信息共享，之间的信息共享，减少不必要的线束和传感器。而且还可实现多减少不必要的线束和传感器。而且还可实现多ECU之间的实时

18、关联控制。之间的实时关联控制。7.5.27.5.2返 回上 页下 页7.5.27.5.2由于由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。求各种应用领域通信报文的标准化。1991年年9月月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发制订并发布了布了 CAN技术规范（技术规范（VERSION 2.0）。该技术规范）。该技术规范包括包括A和和B两部分。两部分。2.0A给出了曾在给出了曾在CAN技术规范版技术规范版本本1.2中定义的中定义的CAN报文格式，而报文格式，而2.0B给出了标准的给出了标准的和扩展的两种报文格式。

19、此后，和扩展的两种报文格式。此后，1993年年11月月ISO正式正式颁布了道路交通运载工具颁布了道路交通运载工具-数字信息交换数字信息交换-高速通信高速通信控制器局部网（控制器局部网（CAN）国际标准（）国际标准（ISO11898），为），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。7.5.2 CAN总线的发展与特点总线的发展与特点返 回上 页下 页 CAN属于总线式串行通信网络，采用了许多新属于总线式串行通信网络，采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，技术及独特的设计，与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

20、灵活总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：性。其特点可概括如下：是到目前为止的唯一是到目前为止的唯一ISO国际标准的现场总线国际标准的现场总线;遵遵循了循了ISO/OSI参考模型的三层协议。参考模型的三层协议。是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。信网络。多主方式工作，网络上任一节点均可在任一时刻多主方式工作，网络上任一节点均可在任一时刻 主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主 从，通信方式灵活。且无需站地址等节点信息。从，通信方式灵活。且无需站地址等节点信息。利用这一特

21、点可方便的构成多机备份系统利用这一特点可方便的构成多机备份系统7.5.27.5.27.5.2 CAN总线的发展与特点总线的发展与特点返 回上 页下 页采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总 线线 发出信息时，优先级较低的节点会主动的退出发发出信息时，优先级较低的节点会主动的退出发 送，而最高优先级的节点可不受影响的传输数据，送，而最高优先级的节点可不受影响的传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络 负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况（以太负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况（以太

22、网则可能）。网则可能）。只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及 全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的 “调度调度”。CAN的直接通讯距离最远可达的直接通讯距离最远可达10km(速率在速率在5kbps 以下以下)；通信速率最高可达；通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最多为此时通信距离最多为40m)。7.5.27.5.27.5.2 CAN总线的发展与特点总线的发展与特点返 回上 页下 页节点数取决于总线驱动电路，目前可达节点数取决于总线驱动电路，目前可达110个；个；报文标识符可达报文标识符可达

23、2032种（种（CAN2.0A），而扩展），而扩展 标准（标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受影响。）的报文标识符几乎不受影响。采用短帧结构，每一帧采用短帧结构，每一帧8个字节，传输时间短，受个字节，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。干扰概率低，保证了数据出错率极低。具有极好的检具有极好的检错效果。错效果。通信介质可为双绞线、同轴电缆或光线，选择灵活。通信介质可为双绞线、同轴电缆或光线，选择灵活。节点在错误严重时具有自动关闭输出功能，以使总节点在错误严重时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。线上其他节点的操作不受影响。网络上的节点信息分成不同的优先级，可

24、网络上的节点信息分成不同的优先级，可 满足不同满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在的实时要求，高优先级的数据最多可在134微妙内得微妙内得到传输到传输7.5.27.5.27.5.2 CAN总线的发展与特点总线的发展与特点返 回上 页下 页7.5.3 CAN的分层结构的分层结构CAN按照OSI基本模型的原则划分为两层:数据链路层和物理层。返 回上 页下 页7.5.3 CAN的分层结构的分层结构按照IEEE802.2和802.3标准，数据链路层又划分为逻辑链路控制层(LLC-Logic Link Control)和媒体访问控制层(MAC-Medium Access Control)。当CAN

25、的网络结构确定后，网络的性能将主要取决于MAC层。返 回上 页下 页（一）LLC子层功能 (1)帧接收滤波：帧由标识符命名。标识符并不指明帧 的目的地，但描述数据的含义。每个接收器通过帧 接收滤波确定此帧与其是否有关。如果相关则接 受，并通知应用层。(2)超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个 LLC数据帧或LLC远程帧，则通过LLC子层开始发 送超载帧，最多可产生两个超载帧，以延迟下一个 数据帧或远程帧。(3)恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰 的帧LLC子层具有自动重发送功能。在发送成功完 成前，帧发送服务不被应用层认可。一、一、逻辑链路控制逻辑链路控制(LLC)子层子层7.

26、5.37.5.3返 回上 页下 页（二）、（二）、LLC帧结构帧结构（1）LLC数据帧数据帧 LLC数据帧由三个位场，即标识符场、数据长度码数据帧由三个位场，即标识符场、数据长度码 (DLC-Data Length Code)场和场和LLC数据场组成，数据场组成，如图如图（2）LLC远程帧远程帧 LLC远程帧由两个位场远程帧由两个位场(标识符场和标识符场和DLC场场)组成，组成，标识符格式与数据帧标识符格式相同，如图所标识符格式与数据帧标识符格式相同，如图所 示。示。7.5.37.5.3返 回上 页下 页二、二、媒体访问控制媒体访问控制(MAC)子层子层 MAC子层可划分为相对独立工作的两个部

27、分，子层可划分为相对独立工作的两个部分，即发送部分和接收部分。即发送部分和接收部分。发送部分功能发送部分功能为发送数据封装，包括接收为发送数据封装，包括接收LLC帧及控帧及控制信息、制信息、CRC计算、在计算、在LLC帧的基础上，附加帧的基础上，附加MAC特定信息构造特定信息构造MAC帧；发送媒体访问管理，确认总帧；发送媒体访问管理，确认总线空闲后，开始发送、并应答，包括线空闲后，开始发送、并应答，包括MAC帧串行化、帧串行化、插入填充位插入填充位(位填充位填充)、在丢失仲裁情况下，退出仲裁、在丢失仲裁情况下，退出仲裁并转入接收方式、错误检测并转入接收方式、错误检测(监控，格式校验监控，格式校

28、验)、应答、应答校检、确认超载条件、构造超载帧、构造出错帧、校检、确认超载条件、构造超载帧、构造出错帧、输出串行位流至物理层。输出串行位流至物理层。（一）（一）MAC子层功能子层功能7.5.37.5.3返 回上 页下 页 接收部分功能接收部分功能为接收媒体访问管理，包括由物理层接为接收媒体访问管理，包括由物理层接收串行位流、解除串行结构并重新构筑帧结构、检测收串行位流、解除串行结构并重新构筑帧结构、检测填充位填充位(解除位填充解除位填充)、错误检测、发送应答、构造错、错误检测、发送应答、构造错误帧并开始发送、确认超载条件、重激活超载帧结构误帧并开始发送、确认超载条件、重激活超载帧结构并开始发送

29、；接收数据卸载，包括由接收帧中去除并开始发送；接收数据卸载，包括由接收帧中去除MAC特定信息和输出特定信息和输出LLC帧和控制信息至帧和控制信息至LLC子层。子层。7.5.37.5.3返 回上 页下 页 CAN系统中，数据在节点间发送和接收四种不同类型系统中，数据在节点间发送和接收四种不同类型的帧的帧。以。以CAN 2.0A为例论述为例论述MAC层的帧类型层的帧类型。1MAC数据帧数据帧 数据帧将数据由发送器传至接收器，数据帧将数据由发送器传至接收器，MAC数据数据帧由七个不同位场构成，帧起始帧由七个不同位场构成，帧起始(SOF-Start Of Frame)、仲裁场、控制场、仲裁场、控制场(

30、两位保留两位保留DLC场场)、数据场、数据场、CRC场、场、ACK场和帧结束场和帧结束(EOF-End Of Frame)。7.5.37.5.3返 回上 页下 页2MAC远程帧远程帧 用以请示发送具有相同标识符的数据帧。远帧程由用以请示发送具有相同标识符的数据帧。远帧程由 6个位场构成：帧起始个位场构成：帧起始(SOF)、仲裁场、控制场、仲裁场、控制场、CRC场、场、ACK场和帧结束场和帧结束(EOF)，如图所示。，如图所示。7.5.37.5.3返 回上 页下 页3出错帧出错帧CAN是广播式发送。总线上的每一个节点都对帧接是广播式发送。总线上的每一个节点都对帧接收、校验，如果发现错误就向总线发

31、出错帧。出错帧收、校验，如果发现错误就向总线发出错帧。出错帧由两个不同场构成。如图由两个不同场构成。如图出错帧结构出错帧结构7.5.37.5.3返 回上 页下 页4超载帧超载帧 超载帧为相邻的数据帧或远程帧之间提供附加延超载帧为相邻的数据帧或远程帧之间提供附加延时。超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。时。超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。超载帧结构超载帧结构 7.5.37.5.3返 回上 页下 页（三）、（三）、MAC帧编码和发送帧编码和发送/接收接收帧起始、仲裁场、控制场、数据场和帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC场均以位填充方法进场均以位填充方法进行编码。行编码。位填充位

32、填充 一帧报文中的每一位都由不归零码表示一帧报文中的每一位都由不归零码表示,可保证位编码的最可保证位编码的最大效率。然而大效率。然而,如果在如果在 一帧报文中有太多相同电平的位一帧报文中有太多相同电平的位,就有就有可能失去同步。在五个连续相等位后可能失去同步。在五个连续相等位后,发送站自动插入一个发送站自动插入一个与之互补的补码位与之互补的补码位;接收时接收时,这个填充位被自动丢掉。这个填充位被自动丢掉。例如例如,五个连续的低电平位后五个连续的低电平位后,CAN自动插入一个高电平位。自动插入一个高电平位。CAN通过这种编码规则检查错误通过这种编码规则检查错误,如果在一帧报文中有如果在一帧报文中

33、有6个相个相同位同位,CAN就知道发生了错误。就知道发生了错误。如果至少有一个站通过以上如果至少有一个站通过以上方法探测到方法探测到 一个或多个错误一个或多个错误,它将发送出错标志终止当前的它将发送出错标志终止当前的发送。这可以阻止其它站接收错误的报文发送。这可以阻止其它站接收错误的报文,并保证网络上报并保证网络上报文的一致性。当大量发送数据被终止后文的一致性。当大量发送数据被终止后,发送站会自动地重发送站会自动地重新发送数据。作为规则新发送数据。作为规则,在探测到错误后在探测到错误后23个位周期内重新个位周期内重新开始发送。在特殊场合开始发送。在特殊场合,系统的恢复时间为系统的恢复时间为31

34、个位周期。个位周期。7.5.37.5.3 帧起始、仲裁场、控制场、数据场和帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC场均以场均以位填充方法进行编码。位填充方法进行编码。u位填充位填充 一帧报文中的每一位都由不归零码表示一帧报文中的每一位都由不归零码表示,可保证位编可保证位编码的最大效率。然而码的最大效率。然而,如果在如果在 一帧报文中有太多相同一帧报文中有太多相同电平的位电平的位,就有可能失去同步。在五个连续相等位后就有可能失去同步。在五个连续相等位后,发送站自动插入一个与之互补的补码位发送站自动插入一个与之互补的补码位;接收时接收时,这个这个填充位被自动丢掉。填充位被自动丢掉。（三）、（三）、M

35、AC帧编码和发送帧编码和发送/接收接收7.5.37.5.3当发送器在发送位流中检测到当发送器在发送位流中检测到5个数值相同的连续位个数值相同的连续位(包括填充位包括填充位)时，它在实际发送位流中，自动插入一时，它在实际发送位流中，自动插入一个补码，如下所示；个补码，如下所示；末填充位流末填充位流 100000abc 0111111abc 填充位流填充位流 1000001abc 0111110abc 其中：其中：abc0，1（三）、（三）、MAC帧编码和发送帧编码和发送/接收接收7.5.37.5.3返 回上 页下 页 发送器和接收器对帧的有效时点是不同的。发送器和接收器对帧的有效时点是不同的。对

36、于发送器，若在帧结束完成前不存在错误，则对于发送器，若在帧结束完成前不存在错误，则该帧为有效。该帧为有效。对于接收器，若在帧结束最后一位前不存在错误，对于接收器，若在帧结束最后一位前不存在错误，则该帧为有效。则该帧为有效。7.5.37.5.3返 回上 页下 页（四）媒体访问和仲裁（四）媒体访问和仲裁 在在间歇场中未检测到显性位，即认为总线被所有节间歇场中未检测到显性位，即认为总线被所有节点释放。允许节点访问总线，帧可以起始发送。点释放。允许节点访问总线，帧可以起始发送。发送期间，发送数据帧或远程帧的节点为总线主站。发送期间，发送数据帧或远程帧的节点为总线主站。当许多节点一起开始发送时，会产生冲

37、突。解决冲突当许多节点一起开始发送时，会产生冲突。解决冲突的机制是非破坏性的优先权逐位仲裁规则。数据帧和的机制是非破坏性的优先权逐位仲裁规则。数据帧和远程帧的优先权标注于帧的仲裁字段中。较高优先权远程帧的优先权标注于帧的仲裁字段中。较高优先权的标识符具有较低的二进制数值。若具有相同标识符的标识符具有较低的二进制数值。若具有相同标识符的数据帧和远程帧同时被发送，按照的数据帧和远程帧同时被发送，按照RTR位，数据帧位，数据帧较之远程帧具有较高优先权。较之远程帧具有较高优先权。7.5.37.5.3位仲裁位仲裁 CAN总线以报文为单位进行数据传送总线以报文为单位进行数据传送,报文的优先级结合在报文的优

38、先级结合在11位标识符中位标识符中,具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。当几个站同时发送报文线读取中的冲突可通过位仲裁解决。当几个站同时发送报文时时,站站1的报文标识符为的报文标识符为011111;站站2的报文标识符为的报文标识符为0100110;站站3的报文标识符为的报文标识符为0100111。所有标识符都有相同的两位。所有标识符都有相同的两位01,直到第直到第3位进行比较时位进行比较时,站站1的报文被丢掉的报文被

39、丢掉,因为它的第因为它的第3位位为高为高,而其它两个站的报文第而其它两个站的报文第3位为低。站位为低。站2和站和站3报文的报文的4、5、6位相同位相同,直到第直到第7位时位时,站站3的报文才被丢失。注意的报文才被丢失。注意,总线中的总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中,站站2的报文被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于的报文被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于,在在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前网络最终确定哪一个站的报文被传送以前,报文的起始部分报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具

40、已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站有最高优先权报文的接收站,并且不会在总线再次空闲前发并且不会在总线再次空闲前发送报文。送报文。7.5.37.5.3返 回上 页下 页（五）、错误检测和（五）、错误检测和CAN节点的状态节点的状态 CAN总线中任何一个节点可能处于总线中任何一个节点可能处于“错误激活错误激活(Error Active)“错误认可错误认可(Error Passive)”和和“总线关闭总线关闭”三三种状态。种状态。7.5.37.5.3返 回上 页下 页 在每一个节点的在每一个节点的MAC层，都有两个错误计数器，层，都有两个错误计数器，“发送错

41、误计数器发送错误计数器(TEC)”和和“接收错误计数器接收错误计数器(REC)”。根据计数器的值决定节点的状态和变化。根据计数器的值决定节点的状态和变化。如如图图7.39节点初始化后，节点初始化后，REC和和TEC为零，节点是为零，节点是“错误激活状态错误激活状态”。当检测到发送错误，。当检测到发送错误，TEC增加，增加，检测到接收错误，检测到接收错误，REC增加。如果发送成功，增加。如果发送成功，TEC减少，接收成功，减少，接收成功，REC减少。计数器采用非比例计减少。计数器采用非比例计数的方法，出错计数的比例大于成功计数的比例。错数的方法，出错计数的比例大于成功计数的比例。错误计数器的内容

42、反映了总线干扰的相对程度。当误计数器的内容反映了总线干扰的相对程度。当REC或或TEC大于大于127，则由激活状态变为认可状态。，则由激活状态变为认可状态。当当TEC大于大于255，节点由认可状态变为总线关闭状态。，节点由认可状态变为总线关闭状态。7.5.37.5.3返 回上 页下 页 允许允许“认可认可”、“激活激活”状态的节点继续参加总线状态的节点继续参加总线通信。当它们监测到错误时，所不同的是：错误认可通信。当它们监测到错误时，所不同的是：错误认可状态节点发具有状态节点发具有“认可错误标志认可错误标志”的出错帧，错误激的出错帧，错误激活状态节点发具有活状态节点发具有“活动错误标志活动错误

43、标志”的出错帧。的出错帧。不允许不允许“总线关闭总线关闭”的节点参与通信，即不发送也的节点参与通信，即不发送也不接收。只有应用户的干预或其他节点的请求，才能不接收。只有应用户的干预或其他节点的请求，才能恢复通信。恢复通信。7.5.37.5.3返 回上 页下 页三、三、物理层物理层 从实际应用的角度，从实际应用的角度，CAN的物理层主要包括接口的的物理层主要包括接口的连接方式、总线电平和传输速率等内容。连接方式、总线电平和传输速率等内容。CAN总线电总线电气连接为对称差分驱动。总线末端均应接入电阻以抑气连接为对称差分驱动。总线末端均应接入电阻以抑制反射。制反射。CAN中的总线数值为：中的总线数值

44、为：“显性显性”(Dominant)或或“隐性隐性”(Recessive)，显性表示逻辑，显性表示逻辑“0”，隐性，隐性表示逻辑表示逻辑“1”CAN总线具有总线具有“线与线与”的能力，显性的能力，显性和隐性位同时发送，总线数值是显性。和隐性位同时发送，总线数值是显性。CAN的传输速的传输速率与节点之间的距离率与节点之间的距离有关。有关。7.5.37.5.3返 回上 页下 页CAN总线节点之间的距离与传输速率的关系总线节点之间的距离与传输速率的关系7.5.37.5.3下 页上 页返 回由于由于无线通信的无线通信的诸多便利诸多便利，对，对无线通信的需求越来无线通信的需求越来越大越大。通常。通常认为

45、认为，通信通信的收发双方通过无线电波传的收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内输信息，并且传输距离限制在较短的范围内（一般（一般几十米以内，不超过数百米），就可以几十米以内，不超过数百米），就可以称为短距离称为短距离无线通信无线通信。通信。通信终端的发射功率普遍都很低，通常终端的发射功率普遍都很低，通常在毫瓦级，低功耗成为短距离无线通信的一大特点在毫瓦级，低功耗成为短距离无线通信的一大特点。对等通信是短距离无线通信的重要特征，终端之间对等通信是短距离无线通信的重要特征，终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，空中接口设计对等通信，无须网络设备进行中转，空中接口设计和高层协

46、议都相对比较简单。和高层协议都相对比较简单。7.6 7.6 短距离无线通信技术短距离无线通信技术下 页上 页返 回1998年，年，IEEE 802.15 工作组成立，专门从事适工作组成立，专门从事适用于短程无线通信的标准化工作，用于短程无线通信的标准化工作，通常称之为通常称之为无线无线个人区域网个人区域网(WPAN，Wireless Personal Area Network)。蓝牙技术、。蓝牙技术、ZigBee技术均属于该工作技术均属于该工作组的不同分支，在物联网的通信中将承担重要作用组的不同分支，在物联网的通信中将承担重要作用。计算机网络计算机网络技术特别是局域网技术，推动了无线局技术特别

47、是局域网技术，推动了无线局域网近年来的迅猛发展，以域网近年来的迅猛发展，以IEEE 802.11系列标准系列标准为规范的为规范的WiFi技术作为无线局域网中的事实标准技术作为无线局域网中的事实标准，应用广泛应用广泛。7.6 7.6 短距离无线通信技术短距离无线通信技术下 页上 页返 回7.6.1 蓝牙技术的产生及概况蓝牙技术的产生及概况蓝牙技术作为一个全球公开的无线应用标准，通蓝牙技术作为一个全球公开的无线应用标准，通过把数据设备用无线链路连接起来，使人们能随时过把数据设备用无线链路连接起来，使人们能随时随地的进行数据信息的交换和传输。随地的进行数据信息的交换和传输。1994年，爱立信公司倡导

48、建立一种低功耗，低成年，爱立信公司倡导建立一种低功耗，低成本的无线连接口，以解决互连设备间的电缆问题，本的无线连接口，以解决互连设备间的电缆问题，后来将这项技术正式命名为蓝牙后来将这项技术正式命名为蓝牙。7.6 7.6 短距离无线通信技术短距离无线通信技术蓝牙（蓝牙（Bluetooth）：一：一种无线技术标准，可实种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据离数据交换交换返 回上 页下 页2001年，年，蓝牙蓝牙1.1版本正式列入版本正式列入 IEEE 802.15.1 标标准，该标准定义了物理层（准，该标准定义了物理层（P

49、HY）和媒体访问控制）和媒体访问控制（MAC）规范，用于设备间的无线连接）规范，用于设备间的无线连接。2004年发布的蓝牙年发布的蓝牙2.0版本的传输速度大幅提高，版本的传输速度大幅提高，在耳机、音箱等产品上广泛应用在耳机、音箱等产品上广泛应用。几乎。几乎可以被集成到可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备不高的移动设备和便携设备。2010年发布的蓝牙年发布的蓝牙4.0版本加入了低耗电的新标准版本加入了低耗电的新标准BLE（Bluetooth Low Energy），适应了物联网的），适应了物联网的发展发展

50、趋势趋势。2016年发布的蓝牙年发布的蓝牙5.0版本，针对物联网进行底层版本，针对物联网进行底层优化优化，以，以更低的功耗和更高的性能为物联网领域服务，更低的功耗和更高的性能为物联网领域服务，蓝牙蓝牙SIG组织并已分步弃用、撤销原先的蓝牙版本。组织并已分步弃用、撤销原先的蓝牙版本。7.6.17.6.1随着随着蓝牙技术的不断完善，其芯片制造工艺的不断改蓝牙技术的不断完善，其芯片制造工艺的不断改进，价格的大幅度降低将使其大规模应用成为可能，进，价格的大幅度降低将使其大规模应用成为可能，并逐渐走向人们的生活。并逐渐走向人们的生活。返 回上 页下 页7.6.17.6.17.6.1 蓝牙技术的产生及概况