常用的工业控制计算机总线
三种工业总线及其中的现场总线
一，工业总线三种基本类型*传感器级总线，即485总线网络*设备级总线，即HART总线网络*现场总线，即FieldBus现场总线网络现场总线定义：现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网现场总线分为以下几种：下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。
1、基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF）这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。
该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。
基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。
FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。
后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。
FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。
2、CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。
CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。
CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。
CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。
已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。
《工业控制组态及现场总线技术》 6CAN总线的基本概念和技术标准
总线概念和报文格式
位仲裁
CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，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，站1的报 文标识符为011111;站2的报文标识符为0100110;站3的报文标识符为0100111。所有标识符都有相同的两位01，直到第3位进 行比较时，站1的报文被丢掉，因为它的第3位为高，而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4、5、6位相同，直到第 7位时，站3的报文才被丢失。注意，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，站2的报文被跟踪。这 种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在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，并且不会在总线再次空闲前发送报文。 CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处 理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可以保证在实时系统 中较低的个体隐伏时间。对于主站的可靠性，由于CAN协议执行非集中化总线控制，所有主要通信，包括总线读取 (许可)控制， 在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。
一、总线的基本概念和技术标准
总线概念和报文格式
CAN总线概念
一、总线的基本概念和技术标准
总线概念和报文格式
CAN总线概念
应答场(ACK)包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平(逻 辑1)，这时正确接收报文的接收站发送主控电平(逻辑0)覆盖它。用这种方法， 发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。报文的尾部由帧结束 标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，果这时没有站进行总线存取， 总线将处于空闲状态。
总线技术的分类和特点
总线技术的分类和特点随着现代信息技术的快速发展，各种设备逐渐普及并开始互联互通。
而设备之间的通信则离不开数据传输，而总线技术就是一种重要的数据传输方式。
总线技术（Bus Technology）指的是在计算机中集成的一种数据传输系统，其作用是将各种设备通过数据线连接在一起进行数据交互和控制。
总线技术的发展和应用，对于促进电子信息产业的繁荣发展和提高数据传输效率具有不可替代的作用。
本文将介绍总线技术的分类和特点。
一、总线技术的分类总线技术可以根据其使用的领域，分为计算机总线和工业现场总线两个大的类别。
在计算机总线方面，又可细分为ISA总线、VESA总线、PCI总线、AGP总线以及USB总线等几个子类。
1. ISA总线ISA总线是个使用较早的总线技术，主要应用在PC机和IBM 电脑上。
这种总线速度较慢、传输数据带宽有限，已经基本被更好的总线技术所取代。
2. VESA总线VESA总线（英文名称VESA Local Bus）一度被视为取代ISA 总线的主要技术。
它在16位宽的数据总线中，带宽可高达132Mbps。
但是，由于VESA总线的使用和开发成本过高，因此仅限制于少数厂商的硬件产品中。
3. PCI总线PCI总线（英文名称：Peripheral Component Interconnect）是一种新一代的外部I/O总线，是目前最为普遍的总线技术。
它可以支持多种硬件设备的连接，例如：图形加速卡、声卡、USB卡、网卡、磁盘控制器等。
PCI总线的传输速度有一定的保障，因此许多主板都采用这种总线技术。
4. AGP总线AGP总线(Advanced Graphics Port)也叫高级图像端口。
这种总线技术是一种新型的专用于图形加速卡的总线技术，其传输速度较之PCI总线要快得多。
5. USB总线USB总线（Universal Serial Bus）是另一种目前广泛采用的计算机总线技术，一般用于与外部设备的接口，如鼠标、打印机、扫描仪等。
常用的工业控制计算机总线
(6) 技术综合性要求高
工业控制计算机应用是系统工程问题。除了要解决计 算机的基本部分以外，还需要解决它如何与被测控对象的 接口，如何适应复杂的工业环境，如何与工艺过程与企业 管理相结合等一系列问题。
以上是工业控制计算机和其它类型计算机相比的区别
5.1.2 微型计算机系统总线的概念
总线：微型计算机系统中信号线的集合，是一种传送规定 信息的公共通道，有时亦称数据公路，通过它可以把各种 数据和命令传送到各自要去的地方。 在微型计算机系统中广泛采用三总线的结构形式 数据总线、地址总线和控制总线。
为了和 Intel 80286等高性能16位微处理器兼容， IBM公司在 PC总线基础上增加了一个36个引脚的 AT扩展插座而形成16位的AT总线，IBM／AT及其 兼容机机箱中，通常在母板上分别设置几个AT插 槽和PC插槽，这种结构也称之为IBM公司的ISA (Industrial Standard Architecture)结构，即工业标准 结构。
4 CompactPCI 工业控制计算机
第五章 工业控制计算机及其接口技术
5.1 概述 5.1.1 工业控制计算机的概念与特点
机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它往往代表着系统 的先进性和智能特征。因而，把机电一体化系统中的微机软、硬件称之为智能组成 要素。一般微型机往往在实验室、办公室或在家庭中使用，而机电一体化系统中的 微型机通常在条件不比较恶劣的条件下使用，必须采用工业控制机或按工业环境要 求设计的微型机、其要求是可靠性高、抗干扰能力强、环境适应能力好。
1. 工业控制计算机的概念
一般的把适合于工业环境使用的微型计算机系统称之为工业控制计算机。一 般也叫IPC[Industry Personal Computer]。严格说来，所谓工业控制计算机，是指那 些满足下述条件的计算机系统： · 能够提供各种数据采集和控制功能。 · 能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口。 · 能够在苛刻的工业环境下可靠运行。
工业控制计算机有哪些类型
工控机是专门为工业控制设计的计算机，用于对生产过程中使用的机器设备、生产流程、数据参数等进行监测与控制，由于工控机经常会在环境比较恶劣的环境下运行，对数据的安全性要求也更高，因此需要单独定制才能满足需求。
工控机的种类众多，常见的有以下五种：
1、IPC（PC总线工业电脑）IPC是基于PC总线的工业电脑，价格低、质量高、产量大、软/硬件资源丰富，因此使用广泛，其主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计，具有可靠性、实时性、扩充性等诸多特点。
2、PLC（可编程序控制器）它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，采用可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
3、DCS（分散型控制系统）又称分布式控制系统，它是一种高性能、高质量、低成本、配置灵活的分散控制系统系列产品，可以构成各种独立的控制系统、分散控制系统DCS、监控和数据采集系统，满足各种工业领域对过程控制和信息管理的需求。
4、FCS（现场总线系统）这是一种全数字串行、双向通信系统，系统内测量和控制设备如探头、激励器和控制器可相互连接、监测和控制。
在工厂网络的分级中，它既作为过程控制和应用智能仪表的局部网，又具有在网络上分布控制应用的内嵌功能，是常用的工控机之一。
5、CNC（数控系统）全称是数字控制系统，是根据计算机存储器中存储的控制程序，执
行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统，通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制位置、角度、速度等机械量和开关量等。
工业上的总线分类
总线技术按总线所在位置分类，可以把总线分为外部总线、内部总线和片内总线：一、外部总线：1、RS-232-C总线；2、RS-485总线；3、IEEE-488总线；4、SCSI总线；5、IDE总线；6、USB总线；7、Fire wire串行总线（IEEE-1394）；8、Centronics总线；二、内部总线（PC内部总线1-3）1、FSB总线；2、HT总线；HT总线是AMD 为K8平台专门设计的高速串行总线，它的发展历史可回溯到1999年，原名为“LDT总线”（Lightning Data Transport），闪电数据传输。
3、QPI总线；5、SPI总线；6、SCI总线；三、系统总线1、VESA总线；2、数据总线（DB）、控制总线（CB）、地址总线（AB）；3、IBM PC总线；4、ISA总线；5、EISA总线；6、PCI总线；PCI（peripheral component interconnect）总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线。
它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。
7、APG总线；8、2IC（intel integrated circuit bus)管理总线该总线是有飞利浦公司于80年代为音频和视频设备开发的串行总线，主要运用于服务器。
9、MCA总线；（微通道结构总线）在计算机系统总线中，还有另一大类为适应工业现场环境而设计的系统总线10、STD总线；12、PC/104总线；13、Compact PCI；Compact PCI的意思是“坚实的PCI”，是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统，是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准。
14、PCI-E总线PCI Express采用的也是目前业内流行这种点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。
计算机控制技术课后题答案整理版（1到5章基本都有了）
第一章1、计算机控制系统是由哪几部分组成的？画出方框图并说明各部分的作用。
答:计算机控制系统由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部分组成；框图P3。
1）工业控制机主要用于工业过程测量、控制、数据采集、DCS操作员站等方面。
2）PIO设备是计算机与生产过程之间的信息传递通道，在两者之间起到纽带和桥梁的作用。
3）生产过程就是整个系统工作的各种对象和各个环节之间的工作连接。
2、计算机控制系统中的实时性、在线方式与离线方式的含义是什么？为什么在计算机控制系统中要考虑实时性？（1）实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。
（2）实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。
3.计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？（1）操作指导控制系统（OIS）优点：结构简单、控制灵活和安全。
缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制对象。
（2）直接数字控制系统(DDC) （属于计算机闭环控制系统）优点：实时性好、可靠性高和适应性强。
（3）监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最有工况。
（4）集散控制系统优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
（5）现场总线控制系统优点：与DOS相比降低了成本，提高了可靠性。
（6）PLC+上位系统优点：通过预先编制控制程序实现顺序控制，用PLC代替电器逻辑，提高了控制是现代灵活性、功能及可靠性。
附加：计算机控制系统的发展趋势是什么？大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。
为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。
工业常用总线总结
目录INTERBUS系统用总线工行业中，用于连接传感器/执行器的信号到计算机控制站，是一种开放的串行总线系统。
距离：分布式，最长距离可达12.8km，系统安装费用低。
传输介质：双绞线、光缆、红外线等，网络可在各种工业环境联接，并可混合使用。
PROFIBUS-DP/FMS总线PROFIBUS – DP的DP即Decentralized Periphery。
它具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。
它与PROFIBUS－PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS (Fieldbus MessageCAN系统用总线AS INTERFACE系统用总线ASI现场总线能够直接连接二进制执行器和传感器，形成自动化底层控制系统，是属于现场总线（FIELDBUS）下层设备层的监控网络系统；是一个比较小的低成本的属于设备层的总线技术。
Device Net系统用总线Devicenet是90年代中期发展起来的一种基于CAN（Controller AreaNetwork）技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络，最初由美国Rockwell公司开发应用。
Devicenet现已成为国际标准IEC62026-3《低压开关设备和控制设备控制器设备接口》，并已被列为欧洲标准，也是实际上的亚洲和美洲的设备网标准。
2002年10月DeviceNet被批准为中国国家标准GB/T18858.3-2002，并于2003.4.1起实施。
目前，Devicenet技术属于"开放DeviceNet厂商协会"ODVA组织所有及推广。
ODVA在世界范围拥有300多家著名自动化设备厂商的会员（如Rockwell、ABB、Omron等）。
我国的ODVA组织由上海电器科学件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。
DeviceNet不仅仅使设备之间以一根电缆互相连接和通讯，更重要的是它给系统所带来的设备级的诊断功能。
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(4) 环境适应性强
工业现场环境恶劣，工业控制计算机必须采取必要的 措施，适应高温、高湿、腐蚀、振动冲击、灰尘等环境。 例如，工业现场环境下电、磁干扰严重，供电条件不良， 工业控制机必须有极高的电磁兼容性，有高抗干扰能力和 共模抑制能力。
(5) 有丰富的应用软件
工业控制软件正向结构化、组态化发展。工业控制计 算机一般与PC机兼容，在PC机上运行的软件一般都可以 在工业控制计算机上运行。
为了和 Intel 80286等高性能16位微处理器兼容， IBM公司在 PC总线基础上增加了一个36个引脚的 AT扩展插座而形成16位的AT总线，IBM／AT及其 兼容机机箱中，通常在母板上分别设置几个AT插 槽和PC插槽，这种结构也称之为IBM公司的ISA (Industrial Standard Architecture)结构，即工业标准 结构。
工业控制计算机与计算机系统相比较，具有以下主要特 点：
(1) 具有丰富的过程输入/输出(I/O)功能
工业控制计算机是与工业生产控制系统紧密结合，主要 面向机电一体化产品和成套装置控制应用的要求，与生 产工艺过程和机械设备相匹配的一个有机组成部分。它 必须与控制仪表、显示仪表、检测仪表、执行器以及联 锁保护系统联用，才能完成对各种设备和工艺装置的控 制。 因此，除了计算机的基本部分如CPU、存储器 外，还必须有丰富的过程输入／输出设备(相对于数据处 理机)和完善的外部设备，这些是工业控制机能否投入运 行的重要条件。
控制总线是用来确定数据总线上信息流时间序列的。 微型计算机系统总线是影响计算机性能的瓶颈。
5.1.3 常用的工业控制计算机总线
1M PC／XT个人计算机采用 的微型机总线，它是针对 Intel 8088微处理器设计 的，它有62条信号线，以适应8088的8位数据线和 20位地址线。这种总线是用户在 IBM PC／XT机 的大母板上扩展 I／O模板的 I／O总线。
PC 104 模块
PC 104总线工业控制计算机的应用
标准结构的IPC机有许多局限性，主要问题是体积和功耗太 大，在许多嵌入式应用中(例如航空航天产品，智能仪器仪表， 医疗设备，通信设备，机电一体化产品等)无法胜任，因而在在 80年代末产生了采用基于模块化设计方法的嵌入式工业PC系统。 PC/104总线模块系统已成为嵌入式PC机的标准。大量应用 于工业设备，仪器，医疗设备，通信设备等嵌入式应用场合， 而这些应用场合，既需要PC机的软硬件环境，又需要模块化、 标准化、小型化和低功耗的设计，这就需要建立嵌入式PC机的 标准，以便缩短产品的开发周期，降低开发成本，减少设备投 资，从而降低产品或系统的价格。 虽然 PC/104 总线工控机的功耗低，但其驱动能力差 (4mA) ， 其扩展能力和维护性也受到限制，使其在工业过程控制和自动 化 领 域 的 应 用 范 围 受 到 一 定 的 局 限 。
(2) 实时性高
所谓的“实时”，是指信号的输入、计算和 输出都要在一定的时间内完成，亦即“及时”， 超出这个时限，就失去了控制的时机，控制也就 失去了意义。 工业控制机具有时间驱动和事件驱动的能力， 要能对生产过程工况变化实时地进行监视和控制。 当过程参数出现偏差甚至故障时，能迅速响应， 予以判断，及时处理。为此，通常需配有实时操 作系统，完善的中断系统等，没有这些就无法很 好地执行工业控制任务。
数据总线上传送的是数据信息。 通常8位微处理器有8位数据总线，16位微处理器有16 位数据总线，32位的微处理器则有32位数据总线。当然， 也有例外，如采用复用等办法。
地址总线是单向的。 微处理器要用地址确切指定与之通信的外部硬件。每 一个存储单元有一个地址，每一个接口也有一个地址。
第五章 工业控制计算机及其接口技术
5.1 概述 5.1.1 工业控制计算机的概念与特点
机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它往往代表着系统 的先进性和智能特征。因而，把机电一体化系统中的微机软、硬件称之为智能组成 要素。一般微型机往往在实验室、办公室或在家庭中使用，而机电一体化系统中的 微型机通常在条件不比较恶劣的条件下使用，必须采用工业控制机或按工业环境要 求设计的微型机、其要求是可靠性高、抗干扰能力强、环境适应能力好。
1. 工业控制计算机的概念
一般的把适合于工业环境使用的微型计算机系统称之为工业控制计算机。一 般也叫IPC[Industry Personal Computer]。严格说来，所谓工业控制计算机，是指那 些满足下述条件的计算机系统： · 能够提供各种数据采集和控制功能。 · 能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口。 · 能够在苛刻的工业环境下可靠运行。
(3) 具有高可靠性 工业生产过程通常是昼夜连续的，一般的生 产装置要几个月甚至一年才大修一次，非正常停 机往往会造成还很大的损失，这就要求工业控制 机可靠性尽可能的高。 因此它要求： 低故障率；一般来说，要求工业控制机的平 均故障间隔时间(MTBF)不应低于数千甚至上万小 时。 短的故障修复时间(MTTR)； 可采用冗余技 术，更换模板容易，能够热拔插。 运行效率高；一定时间内(例如一年)，运行时 间占整个时间的比率一般要求99％以上。
工业标准结构 ISA
2. PC 104总线
PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总 线,近年来在国际上广泛流行，被IEEE协会定义为IEEEP996.1。我们知道， IEEE-P996是PC和PC/AT工业总线 规范，而从PC/104被定义为IEEE-P996.1 就可以看出， PC/104实质上是一种紧凑型，小型化的IEEE-P996. 其型 号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不 同，是一种优化的，小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。 PC/104模块本质上就是尺寸缩小为3.8" X 3.9" 的ISA总线 板卡。
(6) 技术综合性要求高
工业控制计算机应用是系统工程问题。除了要解决计 算机的基本部分以外，还需要解决它如何与被测控对象的 接口，如何适应复杂的工业环境，如何与工艺过程与企业 管理相结合等一系列问题。
以上是工业控制计算机和其它类型计算机相比的区别
5.1.2 微型计算机系统总线的概念
总线：微型计算机系统中信号线的集合，是一种传送规定 信息的公共通道，有时亦称数据公路，通过它可以把各种 数据和命令传送到各自要去的地方。 在微型计算机系统中广泛采用三总线的结构形式 数据总线、地址总线和控制总线。