工业控制网络复习重点

工业控制网络

题型：

填空（15*1’）

选择（10）

分析（2）

简答（5）

操作（10’）

第一章

1.现场总线

定义：国际电工委员会制定的国际标准IEC61158对现场总线（fieldbus）的定义：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。

现场总线——控制网络

现场总线——工业电话线

现场总线——底层控制网络

2.输入输出设备

总线上的数据输入设备：包括按钮、传感器、接触器、变送器、阀门等，传输其位置状态、参数值等数据；

总线上的输出数据用于：驱动信号灯、接触器、开关、阀门等。

3.现场总线特点

?适应工业应用环境。

?要求实时性强，可靠性高，安全性好。

?多为短帧传送。(短帧传输体现实时性)

?通信的传输速率相对较低。

4.几种现场总线

?Foundation Fieldbus，FF

?LonWorks

?Profibus

?ControlNet

?DeviceNet

?CAN

?Hart

5.现场总线系统组成与组织结构

硬件：

◆总线电缆，又称为通信线、通信介质（媒体/媒介/介体）。

◆连接在通信线上的设备称为总线设备，亦称为总线装置、节点（主节点、从

节点）、站点（主站、从站）。

软件包括：

系统平台软件：为系统构建、运行以及为系统应用软件编程而提供环境、条件或工具的基础软件。包括组态工具软件、组态通信软件、监控组态软件和设备编程软件。

系统应用软件：为实现系统以及设备的各种功能而编写的软件，包括系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件。

6.在现场总线控制系统中，总线设备主要分为6类

变送器／传感器（输入设备）；

执行器（输出设备）；

控制器；

监控／监视计算机；

网桥／网关/中继器/集线器/交换机/路由器（网络互联设备）；

其他现场总线设备（HMI）。

7.现场总线

技术特点：

1、现场通信网络

2、数字通信网络

3、系统的开放性

4、现场设备互连网络

5、系统结构和功能高度分散性

6、互操作性与互换性网络

优点（5个）：

1、导线和连接附件大量减少

2、仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减少

3、设计、安装和调试费用大大降低

4、维护开销大幅度下降

5、提高了系统的可靠性

6、提高了系统的测量与控制精度

7、系统具有优异的远程监控功能

8、系统具有强大的（远程）故障诊断功能

9、用户具有高度的系统集成主动权

10、现场设备更换和系统扩展更为方便

11、为企业信息系统的构建创造了重要条件

12.概括

现场总线是综合自动化的发展需要

综合自动化要求对企业信息的优化利用。

智能仪表为现场总线的出现奠定了基础

传输信号数字化是实现数字通信的基础。

现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展

系统开放性是指对同一标准的认同和遵守。

9.作业题

1.现场总线的定义。

2.现场总线系统的组成。

3.请列举4类现场总线设备。

4.请给出现场总线的技术特点。

5.请给出5个现场总线的优点。

6.请列举现场总线的一些应用领域

1.连续、离散制造业，如电力、石化、冶金、纺织、造纸，过程自动化

仪表；火车、汽车、轮船、机器人、数控机床；智能传感器

2.楼宇自控、仓储；

3.智能交通、环境监测（大气、水污染监测网络）

4.农、林、水利、养殖等

第二章

1.数字通信系统的基本组成：

发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议

?数据通信系统实际上是一个硬软件的结合体

?信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者。

?信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源。

?发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹配起来，即将信息源产生的信息信号

经过编码，并转换为便于传送的信号形式，送往传输介质。

?传输介质是指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是有线的也可以

是无线的。

?接收设备的基本功能就是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它

的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。

2.性能指标

?衡量一个数据通信系统好坏的主要性能指标包括传输的有效性和可靠性的指标。

?有效性指标：

数据传输速率

频带利用率

协议效率

通信效率

?可靠性指标：误码率

3.数字编码（数据在物理层的表示期中考试题目）

?数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式表达数据

?分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0，1状态称为模

拟数据编码

?用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0，1状态的，称为数字数据编码

模拟数据编码—调幅

幅值键控ASK中，载波信号的幅度随着调制信号而变化，而载波信号的频率、相位不变。例如在二进制数字信号调制后波形的时域表达式对应S A = a n A *cos w c t，a n=0，S A=0代表0，a n=1，S A波形代表1。

模拟数据编码——调频

频移键控FSK中，载波信号的频率随着调制信号而变化，而载波信号的幅度、相位不变。例如在二进制频移键控中、可定义为信号0对应的载波频率大，信号1对应的载波频率小。模拟数据编码——调相

相移键控PSK中，载波信号的相位随着调制信号而变化，而载波信号的幅度、频率不变。例如在二进制相移键控中、可定义为信号1对应的0o，信号0对应180o。

5.串行传输和并行传输

?数据传输方式是指数据代码的传输顺序和数据信号传输时的同步方式

?根据代码的传输顺序可分为

?串行传输

?并行传输

?根据数据信号传输时的同步方式可分为

?同步传输

?异步传输

?串行传输（Serial Transmission）中，数据流以串行方式逐位地在一条信道上传输。

?每次只能发送一个数据位，发送方必须确定是先发送数据字节的高位还是低位。同

样，接收方也必须知道所收到字节的第一个数据位应该处于什么位置。

?串行传输具有易于实现，在长距离连接中可靠性高等优点。适合远距离的数据通信。

?并行传输（Parallel Transmission）是将数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同

时传输。

?它可以同时传输一组数据位，每个数据位使用单独的一条导线，例如采用8条导线

并行传输一个字节的8个数据位，另外用一条“选通”线通知接收者接收该字节，接收方可对并行通道上各条导线的数据位信号并行取样。

?若采用并行传输进行字符通信时，不需要采取特别措施就可实现收发双方的字符同

步。

?串行传输和并行传输的区别在于组成一个字符或字节的各数据位是依顺序逐位传

输还是同时并行地传输。

6.通信方式

（1）单工通信：指所传送的信息始终朝着一个方向，而不进行与此相反方向的

传送，如设A为发送终端，B为接收终端，数据只能从A传送至B，而不能由B

传送至A。

?单工通信线路一般采用二线制。

（2）半双工通信：指信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向

传输。如信息可以从A传至B，或从B传至A，所以通信双方都具有发送器和

接收器。实现双向通信必须改换信道方向。

?半双工通信采用二线制线路，当A站向B站发送信息时，A站将发送器连

接在信道上，B站将接收器了解接在信道上，而当B站向A站发送信息时，B站则要将接收器从信道上断开，并把发送器接入信道。

（3）全双工通信是指信息流可同时在两个方向上传输，它相当于把两个相反方

向的单工通信方式组合在一起。

?这种方式常用于计算机——计算机之间的通信。

7.信号的传输方式

?基带传输

基带传输就是在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输，不包含有任何调制，它是最基本的数据传输方式。

?载波传输

载波传输（也称频带传输）采用数字信号对载波进行调制后实行传输。

最基本的调制方式有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）三种

?宽带网

宽带传输是指将多路基带信号、音频信号和视频信号的频谱分别移到一个物理信道的不同频段进行传输的传输方式

?异步转移模式ATM

ATM 是一种新的传输与交换数字信息技术，也是实现高速网络的主要技术

它支持多媒体通信，包括数据、语音和视频信号，按需分配频带，具有低延迟特性

8.差错控制，差错纠正

差错控制即是对数据通信中发现差错，并对差错进行纠正的技术。要解决的问题包括：如何保证不丢失帧，保证不乱序等。

?差错控制包括：差错检测和差错校正两个方面

?差错检测是让报文分组中包含使接收端发现差错的冗余信息，但它不能确

定是哪一比特出错，自己也不能纠正传输中的差错。常用的纠错码如海明码

?差错检测原理简单，实现容易，编码与解码速度快，在工业数据通信中得

到广泛使用。分为检错码和纠错码

常用的检错码有：奇偶校检码和循环冗余码（自己去看一下原理和如何计算）

8.作业题

1. 请说明数据通信方式都有哪几种，并简单说明其不同之处。

2. OSI 参考模型包括哪7层？

3. 应用层：为用户提供相关的服务，如：e-mail 服务，ftp 服务、www 服务

等。 表示层：提供多种数据格式之间的转换。 会话层：建立、管理和终止应用程序间的会话。

传输层：保证数据的可靠传输。

网络层：为处在不同位置的两个设备之间，提供连接和选择一条最佳路径。

数据链路层：规定了物理地址、网络拓扑结构、错误警告机制、所传数据帧的

排序和流量控制等。

物理层：定义了通信线路的一些规范。

4. TCP/IP 参考模型包括哪4层？

5. 请给出TCP 、IP 、UDP 、FTP 、OSI 、ISO 对应的中文全称？

第四章

1.串口通信有效方法

1.采用轮询或者中断来检测、接收信息；

2、设置通信帧的起始、停止位；

3、建立连接握手信号；

4、对接收数据的确认、数据缓存以及错误检查。

2.EIA-232-D

EIA-232-D 是由EIA （美国电子工业协会）制定的物理接口标准。它定义了数据终端设备（DTE ）与数据通信设备（DCE ）之间的物理接口。它具有机械、电气、功能和过程四个特性。 11000000

3.RS-485

为何要使用RS-485?

RS-232C虽然使用很广，但由于推出时间比较早，所以在现代通信网络中已暴露出明显的缺点，主要表现在：

（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。

（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

（4）传输距离有限。

EIA在1977年作了部分改进，制定了新标准RS-449：除了保留与RS-232-C兼容外，还在提高传输速率、增加传输距离、改进电气特性等方面做了很多努力，增加了RS—232-C没有的环测功能，明确规定了连接器，解决了机械接口问题。

在RS-449标准下，推出的子集有RS-423A/RS-422A，以及RS-422A的变型RS-485。

4.EIA-232和485的转换

1、转换芯片：MAX23

2、MAX485

2、信号线：TXD、RXD、RTS

3、收发控制：当RTS为高电平时，MAX485处于接收状态；当RTS为低电

平时，MAX485处于发送状态。

5.屏蔽与接地（作业题）

https://www.360docs.net/doc/8f8497941.html,B

定义：USB外设接口标准的基本思想是采用通用连接器和自动配置及热插拔技术和相应的软件，实现资源共享和外设简单快速连接，关键是提供设备共享接口来解决PC机与外部设备连接的通用性。

USB电缆由电源线+5V (VBUS)、地线(GND)和两根数据线(D+和D-)4线组成。

数据在D+和D-间通过差分方式以全速或低速传输，如下图所示。

电源线+5V (VBUS)：可提供5V/500mA电源

地线(GND)：

数据线D+ ：正电压数据线（读数据线）

数据线D-：负电压数据线（写数据线）

电源线+5V (VBUS)、地线(GND)可以单独做电源使用

两根数据线(D+和D-)4线提供外接设备的信号传输

5.作业题

1.试简要说明EIA-232D的特性，并详细说明其规程特性？

电气特性：

EIA-232采用负逻辑电平：

数据线：逻辑“1” -5 ~ -15V ；逻辑“0” +5 ~ +15V。

控制线：逻辑“1” -5 ~ -15V OFF ；逻辑“0” +5 ~ +15V ON。

功能特性：保护接地，发送数据，接收数据，请求发送，允许发送，DCE就绪，信号接地，载波检测，DTE就绪

注：EIA-232逻辑电平与TTL电平不兼容，若要实现TTL电路的连接，需进行电平转换。如采用MAX232芯片。

规程特性规定了数据终端设备DTE与数据通信设备DCE之间控制信号与数据信号的发送时序、应答关系及操作过程。

2、如何将RS232转换为RS485接口？绘出其接线图。

3、什么是屏蔽？它分为哪几种屏蔽？

有效的屏蔽能阻止电磁干扰对导线上通信信号的影响。它可分为电场屏蔽、电磁屏蔽和磁场屏蔽。

1、电场屏蔽是抑制电路间由于分布电容的耦合而产生的电场干扰。

2、电磁屏蔽是抑制高频电磁场对电路的影响，包括电磁感应干扰和电磁辐射

干扰。

3、磁场屏蔽是抑制低频磁场对电路的影响。

第五章

1.CAN总线

?CAN[Controller Area Network]是控制器局域网的简称。

2.CAN主要技术特点

?CAN网络上的节点不分主从

–任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活。

?CAN采用非破坏性的总线仲裁技术（载波监测，多主掌控／冲突避免）

?CAN网络上的节点具有不同的优先级

?CAN的直接通信距离长

?报文标识符多

?CAN节点具有良好的检错功能，出错率低

3.CAN的通信参考模型

–CAN的通信模型的分层结构

?数据链路层

–逻辑链路控制子层LLC

?LLC的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供

服务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收，并

为恢复管理和通知超载提供信息

–介质访问控制子层MAC

?MAC子层主要规定传输规则，即控制帧结构、执行

仲裁、错误检测、出错标定和故障界定

?物理层

物理层规定了节点的全部电气特性

4.CAN总线有哪4 种不同类型的帧？其中数据帧有哪几个位场组成？

CAN通信帧的类型

–数据帧、远程帧、出错帧、超载帧

?数据帧：携带数据，由发送器传送至接收器。

?远程帧：用以请求总线上的相关单元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

?数据帧由7个不同的位场（域）组成及各部分含义：

?帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结束

1、帧起始(SOF)，它仅由一个显位构成。

2、仲裁场由标识符和远程发送请求位(RTR)组成。

3、控制场

4、数据场：0 —8 字节

5.CRC场：对帧起始、仲裁场、控制场、数据场进行CRC编码的余数

6.应答场

7、帧结束：每个数据帧由7个隐位组成的标志序列界定。

5.实现CAN通信控制的几种ASIC芯片

?CAN通信控制器82C200:实现CAN2.0A的标准格式通信帧的通信控制

?CAN通信控制器SJA1000:实现CAN2.0B的两种格式通信帧的通信控制

?带CAN通信控制器与8位微控制器的P8XC592

?带CAN通信控制器与16位微控制器的87C196CA/CB

?带32位ARM7 处理器内核、可编程逻辑、存储子系统、CAN接口、以太网接口、I/O 接口等的片上系统TA7V

?带CAN通信控制器的CAN总线I/O器件82C150

?CAN总线收发接口器件82C250

第六章基金会现场总线

1.基金会现场总线（简称“FF总线）

在八种国际现场总线通信协议标准（IEC 61158）中，基金会现场总线就占有两个标准，即低速现场总线“FF H1”及高速现场总线“FF HSE”。其中，前者是专为过程控制开发的，用于取代4~20mA模拟信号传输标准，支持总线供电和本质安全，符合IEC物理层国际标准（IEC61158-2）。FF-HSE标准于2000年发布，是与FF H1配套的，主要用于工业实时网络中

的主设备间通信数据量较大或对响应时间有苛刻要求的场合，如断续生产的制造业，以及上位监控一级。FF H1与FF HSE统称为“基金会现场总线”。

2.基金会现场总线的通信技术

它包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、通信控制器芯片、通信网络与系统管理等内容。

它涉及一系列与网络相关的硬、软件，如通信栈软件，被称之为圆卡的仪表用通信接口卡，FF与计算机的接口卡，各种网关、网桥、中继器等。

它是现场总线的核心基础技术之一；无论对于现场总线设备的开发制造单位，还是系统设计单位、系统集成商以至用户，都具有重要作用。

3.设备描述DD与设备描述语言DDL

为实现现场设备的互操作性，支持标准的块功能操作，FF总线采用了设备描述技术。

设备描述为控制系统理解来自现场设备的数据意义提供必须的信息，因而也可以看做控制系统或主机对某个设备的驱动程序，即设备描述是设备驱动的基础。设备描述语言是一种用以进行设备描述的标准编程语言。采用设备描述编译器，把用DDL编写的设备描述源程序转换为机器可读的输出文件。

4.基金会参考模型

基金会现场总线同样采用了简化的ISO/OSI参考模型，具有典型的三层结构，即物理层（PHL）、数据链路层（DLL）以及应用层（APL），后两者统称为“通信栈”。此外，与ISO/OSI参考模型不同的是，基金会现场总线不仅指定了通信标准，而且还对使用总线通信的用户应用进行了规范，形成了独有的用户应用层（User Application Layer），简称用户层。虽然这会使协议规范内容变得复杂，但却为不同厂商设备间的可相互操作性带来了方便，并使各厂产品的独有功能在用户层上更易于实现。

5.通信设备类型（3层）

依据现场设备在基金会现场总线内可能承担的角色不同，可将现场设备分为三类，即基本设备、链路主设备(Link Master，简称“LM”)以及网桥。凡有能力成为LAS的设备均称为链路主设备,均有机会充当LAS。网桥属于网络链接设备，除具有LM的功能外，主要用于网段链接。凡没有能力成为LAS的设备称作基本设备.

6.链路活动调度器

链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的信息，由它来掌管总线段上的各设备对总线的操作。任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到LAS 的许可，才能向总线上发送数据。

链路活动调度器应具有以下五种基本功能：

(1)向设备发送强制数据CD。调度表内只保存要发送CD的请求，其余功能函数都分散在各调度实体之间。

(2)向设备发送传递令牌PT，使设备得到发送非周期数据的权力。

(3)为新入网的设备探测未被采用过的地址。当为新设备找好地址后，把它们加入到活动表中。

(4)定期对总线段发布数据链路时间和调度时间。

(5)监视设备对传递令牌PT的响应，当设备既不能随着PT顺序进入使用，也不能将令牌返还时，就从活动表中去掉这些设备。

7.通信活动（2个）

基金会现场总线的通信活动被分为两类：受调度通信和非调度通信。

第七章

1.PROFIBUS 应用领域

?PROFIBUS DP：

分布式外设

主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级设备高速通信。

?PROFIBUS PA：

过程自动化

电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。

?PROFIBUS FMS：

现场总线报文规范

主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。

2.RPOFIBUS的好处

一、节省硬件和安装费用

?减少硬件成份（I/O、终端块、隔离栅）

?更容易、更快捷和低成本的安装

二、节省工程费用

?更容易组态（对所有设备只需一套工具）

?更容易保养和维修

?更容易和更快捷的系统起动

三、更大的制造灵活性

?改进功能

?减少故障时间

?准确、可靠的诊断数据

?可靠的数字传输技术

3.PROFIBUS 网络的构成

4.协议结构

5.物理接口

6.数据传输特点

高速（H2），RS 485

依据RS 485，异步NRZ传输

波特率从9.6kBit/s到12MBit/s,可选双绞屏蔽电缆

每段32个站，最多允许127个站

距离：12MBit/s=100m; 1.5MBit/s=400;小于等187.5KBit/s=1000m;

有中继器距离可延长到10公里

9针，D型插头

低速（H1）IEC 1158-2

同步Manchester编码,31.25kBit/s

本质安全（可选）和通过总线对站供电（可选）

屏蔽或非屏蔽的双绞电缆

第一段距离达1900米，用中继器可延长到10公里

最多127个站，每段10=32个设备

（依赖于EX类型和供电消耗）

7.PROFIBUS总线存取协议

1.PUOFIBUS 总线访问协议（第二层）对三种PUOFIBUS 版本（FMS/DP/PA）均相同

2.这使通令透明和FMS/DP/PA网络区域容易组合

3.因为FMS/DP使用相同的物理介质（RS-485/FO），因此它们能组合在同一根电缆上。PROFIBUS介质存取控制MAC的基本要求：

在主站间通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务；

在主站和从站间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。

8.总线访问协议的特征

混合总线访问协议:

主站间的逻辑令牌环

从站间的主从协议

主站:

主动站在一个限定时间内（Token Hold Time)对总线有控制权

从站:

从站只是响应一个主站的请求，它们对总线没有控制权

9.PROFIBUS_DP定义的三种设备类型

DP-1类主设备（DPM1）

?中央控制器，它与分散的I/O设备（DP-从）交换数据；

?允许若干个DPM1，典型的设备是PLC，PC，VME。

DP-2类主设备（DPM2）

?组态、监视或工程工具，它被用来设定网络或参数/监视DP-从设备。DP- 从设备

?直接连接I/O信号的外围设备；

?典型的设备是输入、输出、驱动器、阀、操作面板等等。

10.通信模式

?点对点(用户数据传送)或广播(控制指令)

?循环主—从用户数据传送

?非循环主—主数据传送

11.耦合器的功能：段耦合器在不同的传输技术之间提供一个网关

DA/PA耦合器

12. PROFIBUS—FMS应用层包括以下两个部分：

1、FMS: 现场总线信息规范(FMS)描述通信对象和服务；

2、LLI: 低层接口(LLI)用于将FMS适配到第2 层。

13.PROFIBUS-FMS协议结构

第八章

1.什么是Lon；LonTalk协议；神经元芯片

（1）LON(Local Operating Network)总线是美国Echelon公司1991年推出的局部操作网络，广泛应用在工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域。

（2）Lonworks 使用的开放式通信协议LonTalk为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。LonTalk协议最大的特点是对OSI的七层协议的支持，是直接面向对象的网络协议。

（3）神经元芯片(Neuron chip)：是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，同时也可作为采集和控制的通用处理器，LonWorks技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它实现的。

（4）Lonworks网络的特点（作业题）

2.神经元芯片的硬件结构

三个CPU各自的功能及对应的层次结构

（1）MAC通信处理器完成介质访问控制，也就是ISO的OSI七层协议的第1和2层，这其中也包括碰撞回避算法。它和网络CPU间通过使用网络缓冲区达到数据的传递。

（2）网络处理器完成OSI的第3～6层网络协议，它处理网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等进程。

（3）应用处理器完成用户的编程，其中包括用户程序对操作系统的服务调用。

（4）在神经元芯片中，每个CPU都有自身的寄存器组，但所有的CPU都可以通过使用存储器和算术逻辑单元ALU共享数据。

3.收发器的类型

双绞线收发器、电源线收发器、电力线收发器、无线收发器、光纤收发器

（1）双绞线收发器

直接驱动使用神经元芯片的通信端口作为收发器，同时加入电阻和瞬态抑制器作为电流限制和静电放电ESD保护。

EIA485常用电气接口，其共模电压优于直接驱动，逊与变压器耦合

变压器耦合接口能够满足系统的高性能、高共模隔离、同时具有噪声隔离的作用。

（2）电力线收发器

电力线收发器，是将通信数据调制成载波信号或扩颇信号，然后通过耦合器耦合到220v或其他交直流电力线上，甚至是没有电力的双绞线。

4.Lonwork路由器作用

1）扩展通道容量；

2）连接不同的通信介质和波特率；

3）提高LON总线的可靠性；

4）全面提高网络性能

5.LonTalk协议

LonTalk协议是LON总线的专用协议，是LonWorks技术的核心。它符合1SO/OSI参考模型的七层体系结构，即含有物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

?物理层：定义通信信道上位流的传输，它确保源设备发送的位流准确地被目的设备接收。

?数据链路层：定义介质访问方法和单一信道的数据编码。

?网络层：定义设备名称和地址，源设备的报文如何选择路由到达一台或多台目的设备，以及当源设备和目的设备不在同一信道上时，如何确定报文路由。

?传输层：确保可靠的报文传输。

?会话层：对较低层数据交换加以控制。

?表示层：定义报文数据的编码。

?应用层：定义一种低层交换数据的公共语义解释，使不同应用程序中的网络变量改变时，均能自动将更新的网络变量值下传(发送)或上传(接收)。应用层还定义了一个

文件传输协议，用来传输应用程序间的传输流。

6.LonTalk协议的网络地址结构

LonTalk地址唯一地确定一个LonTalk数据包的源节点或目标节点，路由器则利用这些地址在信道之间选择数据包的传输路径。为了简化路由选择，LonTalk协议定义了分级的网络地址形式：域(Domain)、子网(Subnet)、节点(Node)地址、组地址。

1）域（domain）地址

?域是一个信道或多个信道上的节点的逻辑集合。一个域就是一个实际意义上的网络，通信只能在同一域中配置的节点之间进行。

?多个域可以占用同一个信道，所以，域地址可以用来隔离不同网络上的节点。域的结构可以保证在不同的域中通信是彼此独立的。

?域标识符是唯一的。

2）子网(Subnet)地址

?一个子网是在同一域中节点的逻辑集合，是一个或多个通道的逻辑分组。一个子网最多可有127个节点，一个域最多可有255个子网。一种子网层的智能路由器产品

可以实现子网间的数据交换。子网中的所有节点必须在同一信道上，如果一个节点

属于两个域，该节点必须属于每个域中的一个子网。

3）节点（Node）地址

?节点地址是节点被赋予的所属子网内的唯一的节点标识码。节点的标识码为7位，所以每个子网最多可以有127个节点。一个域中最多可以有32385个节点（255×127）。

任一节点可以分属一个或两个域，容许一个节点作为两个域之间的网关(gateway)，

也容许一个节点将采集来的数据分别发向两个不同的域。

4）组（Group）地址

?组是一个域内节点的逻辑集合。与子网不同，组不需要考虑节点的物理位置。组可以包括路由器，一个组可在一个域中跨越几个子网，或几个通道。每一个组对于需

应答服务的节点最多可包含64个，而对无应答服务的节点个数不限，一个节点最多

可以属于15个组，一个域最多可以有256个组。组地址的长度为1个字节。分组结

构可以使一个报文同时为多个节点所接收。

5）芯片地址（Neuron ID）

?每一个神经元芯片有一个独一无二的48位ID地址，这个ID地址是在神经元芯片出厂时由厂方规定的，这个ID码是唯一的。一般只在网络安装和配置时使用，可以作

为产品的序列号。节点也可以用Neuron ID寻址。

7.网络变量的服务、网络变量的使用

网络变量是LonTalk协议中表示层的数据项，网络变量可以是单个的数据项（Neuron C变量），也可以是一个数据结构或数组，其最大长度可达31个字节。网络变量用关键字Network在应用程序中定义，每一网络变量都有其数据类型。对于基于神经元芯片的节点来说，当定义为输出的网络变量改变时，能自动地将网络变量的值变成应用层协议数据单元（APDU）下传并发送，使所有把该变量定义为输入的节点收到该网络变量的改变。当收到信息时，能根据上传的APDU判断是否是网络变量，以及是哪一个输入网络变量并激活相应的处理进程。网络变量

?应用程序可以定义一个特殊的静态对象类——网络变量。网络变量的传送是通过LonTalk协议来完成的，对用户来说是透明的，网络变量提供了一个非常灵活的由系

统中节点操作分布数据的方法。

?网络变量可以是整型、字符型或结构等类型。网络变量可以与一个或多个其他节点

的网络变量互连。

?节点的数据可以通过网络变量进行共享。

?网络变量需要一个互联（Binding）的过程——将不同节点的同类型的网络变量互连在一起。

网络变量的使用：

?应用程序首先对输出网络变量赋值，然后调度程序构造这个网络变量并将该消息传递到网络层，网络层将地址信息附加到消息中后将消息传递到MAC层，MAC层再将该层的信息附加到网络变量中，最后将消息发送到通道上。当该网络变量消息被网络上任一节点接收后，消息包被拆开，MAC层证实消息的有效性，网络层检查消息中的地址信息是否是发向本节点的消息。

8. Neuron C概述

?LON系统是由神经元芯片为核心的各种节点构成的。LonWorks为产品开发者、系统集成商和最终用户提供了用于研制、构建、安装和维护控制网络所需要的所有支持，这种一步到位的解决方案十分有利于用户将主要精力集中在所擅长的应用层的开发工作上。而应用层的软件可在Node Builder或Lon Builder开发系统下，采用一种专门的编程语言Neuron C。

?Neuron C语言的主要特点包括：内部多任务调度程序、Run_Time函数库、I/O对象的定义、网络变量的定义、“When”语句、显示报文传递、针对ms和s计时器对象的语句。

?利用Neuron C语言，可简易地开发基于网络的应用系统。例如，该语言对不同节点所定义的变量都可简单地作为本地变量一样使用，只需在系统联调时给予互联即可。

?Neuron芯片的任务调度程序采用的是事件驱动方式，当给定的一个条件为真时，与该条件相关联的一段程序代码将被执行。因此Neuron C不再使用main()函数结构，而是代之以由When语句和函数组成的Neuron C程序的可执行对象。

?定义在When语句中的时间一般有预定义事件和用户定义事件两种类型。

第九章

1.什么是工业以太网

?工业以太网源于以太网、而又不同于普通以太网

?将普通以太网改进为适合工业应用环境

?添加控制应用功能、形成基于以太网通信的测量控制网络?工业以太网是工业应用环境下信息网络与控制网络的结合体

2.工业以太网与OSI的通信参考模型对比

3.以太网进入工控领域的优势

?价格优势：由于信息网络的存在和以太网的大量使用，使得其具有价格明显低于控制网络相应软硬件的特点，如网卡

?技术优势：技术成熟、易于得到、技术深入人心，已为许多人掌握。

?有利于企业网络的信息集成，便于与上层网络的连接，便于与外界沟通信息

?工业以太网沿用现有以太网技术可发挥其上述优势。

?工业以太网的标准化工作目前一是集中在应用层，二是致力于在数据链路层实现实时以太网

?工业以太网目前还没有一致的定义与规范

4.工业以太网是一系统称

?以太网的由来与标准

–以太网最早由Xerox 开发，后经数字仪器公司、Intel公司联合扩展，形成局域网标准

–IEEE802.3就是以这个技术规范为基础制定的

?以太网的通信参考模型

–按OSI开放系统互连参考模型的分层结构，以太网只包括通信模型中的物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层

?工业以太网含盖了一系列技术

–以太网规范（物理层与数据链路层）

–TCP/IP（网络层的网际互连协议IP；传输层的传输控制协议TCP；用户数据报协议UDP）。属TCP/IP协议组下层协议

–应用层上的SMTP、DNS、FTP、HTTP、动态网页发布等；属TCP/IP协议组的上层协议

5.工业以太网应用需要解决的关键问题

1、通信实时性问题

CSMA/CD的媒体访问控制方式不能满足一些控制场合的实时性要求

2、对环境的适应性与可靠性的问题

接插件、集线器、交换机等是为办公应用设计的，不适应工业现场恶劣环境的要求；

还要考虑到在工业环境下的安装要求，例如采用DIN导轨式安装等；如RJ45一类的连接器，在工业上应用太易损坏，应该采用带锁紧机构的连接件，使设备具有更好抗振动、抗疲劳能力。

3、总线供电

在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源的要求。现有的许多控制网络技术都可以利用网线对现场设备供电。工业以太网目前没有对网络节点供电做出规定。一种可能的方案是利用现有的5类双绞线中另一对空闲线对供电。一般在工业应用环境下，要求采用直流10~36V低压供电。

4、本质安全

工业以太网如果要用在一些易燃易爆的危险工业场所，就必须考虑本安防爆问题。这是在总线供电解决之后要进一步解决的问题。

6.工业以太网解决非确定性通信问题的措施

?通信的实时性

–以太网采用的CSMA/CD随机访问、平等竞争的介质访问控制方式具有不确定性（nondeterministic）

–不能满足工业自动化领域某些数据对通信实时性的要求