现场总线与网络仪器期末总复习

2013/6/4现场总线复习

1．控制网络

答：将多个分散在生产现场，具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点(1)，采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信连接的纽带(1)，把现场控制设备连接成为可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统(1)。

2. 计算机网络

答：用通信手段将空间上分散的、具有独立处理能力的多台计算机系统互连起来，按照某种网络协议进行数据通信，以进行信息交换、实现资源共享和协同工作的计算机系统的集合。

3.请简述现场总线控制系统体系结构的特点。

基础性：现场总线是企业强有力的控制和通信的基础设施。(1分)

灵活性：现场总线使控制系统的设计、建设、维护、重组和扩容更加灵活简便。(1分)

易用性：简化了设计施工，方便了修理维护，也降低了系统投入的门槛，大大提高了可靠性和灵活性。(1分)

分散性：现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，具有高度的分散性。(1分)

经济性：化了控制系统的体系结构，节约了硬件设备和连接电缆，并将各种安装和维护费用降至最低。(1分)

4.请简述ProfiNet的通信协议模型

提供三个类型的通信通道：标准通信通道和两类实时通信通道。标准通道是使用TCP/IP协议的非实时通信通道, 应用层使用通用的IT应用层协议，主要用于设备参数化组态和读取诊断数据；实时通道RT是软实时SR方案,主要用于过程数据的高性能循环传输事件和事件控制的信号与报警。在第二层上为快速以太网定义了IRT时间槽控制传送过程。

5.现场总线通信模型有哪些主要特点？

(1)对OSI参考模型进行简化，通常只采用OSI模型的第1层和第2层及最高层应用层。目的简化通信模型结构，缩短通信开销，降低成本及提高实时性能。

(2)各种类型现场总线并存，并在各自的应用领域获得良好应用效果。

(3)采用相应的补充方法实现被删除的OSI各层功能。

(4)通信数据的信息量较小，因此，相对其他通信网络来说，通信模型相对简单，结构更紧凑，实时性更好，通信速率更快，成本更低。

6.现场总线：

现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线。（或现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。）

7.报文过滤：

报文过滤取决于整个标识符。为了报文过滤，允许吧屏蔽寄存器中任何的

标识符位设置为“不考虑”或’无关’。可以用这种寄存器选择多组标识符，使之与相关的接收缓冲器对应。在使用屏蔽寄存器时，它的每一位都是可编程的。也就是说，对于报文过滤，可将它们设置为允许或禁止。屏蔽寄存器的长度可以包含整个标识符，也可以是部分标识符。

8.CAN总线系统智能节点一般有微控制器、CAN控制器、CAN 收发器及光耦组成，简要说明每部分的功能，并画出原理框图。

微控制器：负责CAN控制器的初始化，通过控制CAN控制器实现数据的接收和发送等通信任务。

CAN控制器：对外它提供与微控制器的物理线路接口，通过微控制器对它编程，控制它的工作状态，进行数据的发送与接收，把应用层建立在它的基础之上。

CAN收发器：是CAN控制器与物理总线间的接口，提供对总线的差动发送和接收功能。

光耦：连接于CAN控制器与收发器之间，主要是为了实现总线上各CAN节点间的电气隔离，增强CAN节点的抗干扰能力。

原理框图：

9.简述CAN总线与RS－485相比较其优点有哪些？

①、RS－485总线是不支持竞争的，其通信采用的是“一主多从”的方式，运行效率低，高峰期易堵塞；而CAN总线具有非破坏性总线仲裁，支持竞争，通信采用”多主对等”方式；②、RS－485总线通信及组网的灵活性不强，通信速率

也比较低；CAN总线组网非常灵活，通信速率最大可达1Mbps；③、RS－485总线标准只是一个电气标准，并没有自己的通信协议，无故障定位和错误处理功能，所以由RS－485总线构成的网络维护也比较困难，往往一个节点出故障却要每个节点进行排查；而CAN总线在这些方面则具有较强的功能。

10. 为了保证报文完整的解码，采用的同步方式有哪些？同时遵循的同步规则有哪些？P37

同步方式：硬同步和重新同步；规则：①在一个位时间里只允许一个同步；②仅当采样点之前探测到的值与紧跟边沿后的总线值不相符合的，才把边沿用于同步；

③在总线空闲期间看，无论何时有一由隐性转变到显性的边沿，就会执行硬同步；

④符合规则①和②的所有其他隐性转变到显性的边沿都可用于重新同步。例外的情况是，如果只有隐性到显性的边沿用于重新同步，一个发送显性位的节点将不会执行如同具有真正相位误差的由隐性转变为显性的边沿所引起的那种重新同步。

11. 试画出SJA1000初始化流程

12. 分析一下CAN总线如何进行位仲裁的？

（1）CSMA/CD是“载波侦听多路访问/冲突检测”。利用CSMA访问总线，可对总线上信号进行检测，只有当总线处于空闲状态时，才允许发送。利用这种方法，可以允许多个节点挂接到同一网络上。当检测到一个冲突位时，所有节点重新回到‘监听’总线状态，直到该冲突时间过后，才开始发送。

（2）在总线超载的情况下，这种技术可能会造成发送信号经过许多延迟。为了避免发送时延，可利用CSMA/CD方式访问总线。当总线上有两个节点同时进行发送时，必须通过“无损的逐位仲裁”方法来使有最高优先权的的报文优先发送。在CAN总线发送的每一条报文都具有唯一的一个11位或29位数字的ID。（3）CAN总线状态取决于二进制数‘0’而不是‘1’，所以ID号越小，则该报文拥有越高的优先权。因此一个为全‘0’标志符的报文具有总线上的最高级优先权。可用另外的方法来解释：在消息冲突的位置，第一个节点发送0而另外的节点发送1，那么发送0的节点将取得总线的控制权，并且能够成功的发送出它的信息。

1.总线仲裁：总线在传送信息的操作过程中有可能会发生“冲突”(contention)。

为解决这种冲突，就需进行总线占有权的“仲裁”（arbitration)。总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。

13.某公司采用一条租用专线（Leased line）与在外地的分公司相连，使用的Modem的数据传输率为2400bps，现有数据12×106字节，若以异步方式传送，不加校验位，1位停止位，则最少需要多少时间（以秒为单位）才能传输完毕？（设数据信号在线路上的传播延迟时间忽略不计）。

解：以异步方式传输一个字节数据，需加1位起始位，一位停止位，实际需传送10位。

12×106×10/2400=5.3（秒）

即最少需5.3秒才能传输完毕。

14.用速率为2400bps的调制解调器（无校验位，一位停止位），30秒内最多能传输多少个汉字（一个汉字为两个字节）。（1）30秒传输位数（2）每个汉字传输位数（3）30秒传输的汉字数

解：（1）30秒传输位数：2400×30=72000位

（2）每个汉字传输位数：（8＋1＋l）×2=20位

（3）30秒传输的汉字数：72000÷20=3600个

15.请根据CAN2.0A规范，推导其数据帧在考虑位填充情况下得最大位数计算公式。

答：不考虑位填充情况下，CAN2.0A数据帧格式如下：

帧起始（1位）+标识符（11位）+RTR位（1位）+保留位（2位）+数

据长度码（4位）+数据场（0-64位）+CRC序列（15位）+CRC界定符（1位）+ACK间隙（1位）+ACK界定符（1位）+帧结束（7位）

其中，CRC界定符、应答场、帧结束有固定格式，不参加位填充。

按CAN规范，发送数据帧时，发送器在数值相同的5个连续位后会填充1位补码。可以知道，当数据帧具有类似下列模式时，填充位数最多：1111100001111000011110000……

经总结，可以给出公式：44+8s+[(34+8s-1)/4]

其中：s为数据场字节数，[ ]代表只取整数部分。

16.为什么CAN总线在位速率为1Mbps时，最大传输距离只有40米？

（1）CAN总线要求发送器在发送每一位的同时，都要监视总线电平，用以确定是否发送器竞争失败，是否总线发生了位错误，是否获得而来应答。这都需要在1位时间内完成。1Mbps时，位时间为1微秒。

（2）已知铜导线中电信号的传播速度是光速的2/3，1微秒内可以在总线上跑200米，由于要做折返跑，所以总线距离不能超过100米；

（3）考虑到可靠采样以及需留下一定的信息处理时间的问题，一般采样点设在位时间的50%左右，所以最大传输距离还要减半，即为50 米。

（4）还虑发射器延时、接收器延时，总线的最大传输距离还要打折扣，故定为40米。

17.模拟信号和数字信号

模拟信号是指信号的因变量对时间的取值是连续变化的信号。数字信号是指信号的因变量不随时间连续变化的信号通常表现为离散的脉冲形式。

18.通信方式有几种？

串行通信，并行通信

19.通信系统由哪几部分组成?各自具有什么功能?

通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。

信息源和接收者是信息的产生者和使用者

发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号，送往传输媒介。

传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的，也可以是有线的(包括光纤)。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。

接收设备的基本功能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。

20.通信方式按照信息的传输方向分为哪几种?

单工(simplex)方式；半双工(Half duplex)方式；全双工(Full duplex)方式

21.通信的传输模式分为哪几种?

基带传输载波（带）传输宽带传输异步转移模式ATM

22.在载带传输中有哪几种常用的数据表示方法？

调幅方式、调频方式、调幅方式

23.在数据通讯系统中，通常采用哪几种数据交换方式?

线路交换方式报文交换方式报文分组交换方式

24.比较通信系统中的几种拓扑结构。

星型结构：在星形拓扑中，每个站通过点-点连接到中央节点，任何两站之间通信都通过中央节点进行。中央节点的结构显得比较复杂，对其要求较高。

环型结构：通过中继器进行点-点连接，构成一个封闭的环路。中继器接收前驱站发来的数据，发往后继站。链路是单向的，工作站需有较复杂的网路处理功能。

总线型结构：在总线拓扑中，传输介质是一条总线，工作站通过相应硬件接口接至总线上。一个站发送数据，所有其它站都能接收。

25. 介质访问控制方式主要有哪两种?说明各自的含义。

1.CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测) 。载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。一个站要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。如果介质是空闲的，则可以发送。如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。

2.令牌访问控制方式。令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌(Token)的方法。谁得到令牌，谁才有发报权。

26. ISO/OSI参考模型为哪7层？各层的主要功能是什么？

ISO/OSI7层参考模型包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

物理层(physical layer)主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题。

数据链路层(data link layer)的主要任务是加强物理层传输原始比特的

功能，使之对网络层显现为一条无错线路。

网络层(network layer)关系到子网的运行控制，其中一个关键问题是确定分组从源端到目的端如何选择路由。

传输层(transport layer)的基本功能是从会话层接收数据，并且在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。

会话层(Session layer)允许不同机器上的用户建立会话(session)关系。

表示层(presentation layer)完成某些特定功能，例如用一种大家一致同意的标准方法对数据编码。

应用层(application layer)包含大量人们普遍需要的协议。

27.常用的网络互联设备有哪些？各自对应OSI参考模型的哪一层？

1.物理层使用中继器(Repeater)，通过复制位信号延伸网段长度

2.数据链路层使用网桥(bridge)，在局域网之间存储或转发数据帧

3.网络层使用路由器(Router)在不同网络间存储转发分组信号

4.传输层及传输层以上，使用网关(gateway)进行协议转换，提供更高层次的接口

28.工业控制系统的发展分为几个阶段？

工业统大致经历了基地试仪表控制系统、集中式数字控制控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等几个主要阶段。每个阶段的控制系统在结构上都有明显的改进，都有一种标志性的设备。

29.PROFIBUS由哪三个兼容部分组成？各自应用的行业有哪些？

包括PROFIBUS-PA、FMS、DP三个部分，PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的第1层（物理层）和第2层（数据链路层），其中FMS还采用了第7层（应用层）,另外增加了用户层，PROFIBUS-PA可以用在有爆炸危险区域内连接本质安全型的现场仪表；PROFIBUS-FMS主要用于车间级通用的控制及通信任务；PROFIBUS-DP主要用于现场级控制系统与分布式I/O

表 1 CAN总线系统任意两节点之间的最大距离

32. 详述CAN总线报文的帧结构?

答：在报文传输时，不同的帧具有不同的传输结构，下面将分别介绍四种传输帧的结构，只有严格按照该结构进行帧的传输，才能被节点正确接收和发送。○1数据帧由七种不同的位域(Bit Field)组成：帧起始(Start of )、仲裁域(Arbitration Field)、控制域(Control Field)、数据域(DataField)、CRC 域(CRC Field)、应答域(ACK Field)和帧结尾(End of )。数据域的长度可以为0～8个字节。

（2）错误帧错误帧由两个不同的域组成：第一个域是来自控制器的错误标志；第二个域为错误分界符。

1)错误标志：有两种形式的错误标志。

(3) 远程帧远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、控制域、CRC域、应答域、帧结尾。与数据帧相比，远程帧的RTR位为隐性，没有数据域，数据长度编码域可以是0～8个字节的任何值，这个值是远程帧请求发送的数据帧的数据域长度。当具有相同仲裁域的数据帧和远程帧同时发送时，由于数据帧的RTR位为显性，所以数据帧获得优先。发送远程帧的节点可以直接接收数据。

(4) 过载帧过载帧由两个区域组成：过载标识域及过载界定符域。下述三种状态将导致过载帧发送：

1)接收方在接收一帧之前需要过多的时间处理当前的数据(接收尚未准备好)；

2)在帧空隙域检测到显性位信号；

3)如果CAN 节点在错误界定符或过载界定符的第8位采样到一个显性位节点会发送一个过载帧。

33.CAN 总线的标准位时间结构都包括什么？

同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2

1.独立CAN 控制器SJA1000采用BASICCAN 模式，其接收滤波公式是：

（ID.10～ID.3）先和（AC.7～AC.0）按位同或，在和（AM.7～AM.0）按位或，若值为0XFF ，则接收。

2. CAN 总线两端应加终值电阻，其值为？

M

t clk 16=()M Brp Brp Brp Brp Brp Brp t t clk scl 5

.210.1.22.43.84.165.322=

++?+?+?+?+?=()M sjw sjw t t scl sjw 5

10.1.2=++??=s

（2）由和总线定时器1的各控制字位

M t t

scl syn 5

.21=

?=s (Tseg Tseg Tseg Tseg t t scl tseg 0.11.122.143.181++?+?+?=()Tseg Tseg Tseg t t scl tseg 5

.710.21.222.242=++?+?=与监听到文的节远程帧，11位标识符后是一个隐性位和一个显性位。据此可将标准格式数据帧与标准格式远程帧分开。对于扩展格式数据帧、扩展格式远程帧，11位标识符后为两个隐性位，据此可将扩展格式数据帧、扩展格式远程帧与标准格式数据帧、标准格式远程帧分开。而扩展格式数据帧、扩展格式远程帧之间可由扩展ID 后的RTR 位分开：扩展格式数据帧中RTR 位为显性位，扩展格式远程帧中RTR 位为隐性

位。

37.CAN现场总线的发送器和接收器均使用SJA1000，采用CAN2.0A规范，发送器发送的4个报文的ID分别为：（1）11001100001；（2）11001101001；（3）11001000001；（4）11001001001。欲使接收器只接收报文（1）、（3），应如何设置接收器SJA1000的ACR和AMR？

答：SJA1000采用CAN2.0A规范，其接收滤波公式为报文ID的ID.10-ID.3先与ACR的AC.7-AC.0按位同或，所得8位二进制数再与AMR 的AM.7-AM.0按位或，最终的结果如果为二进制数11111111，则具有该ID 的报文被接收，否则拒收。报文ID的ID.2-ID.0不参与接收滤波。观察上述四个报文ID，并经验算得知ACR=11001100（二进制）、AMR=00000100（二进制）为本题的一个易见解。

38.CAN节点使用SJA1000，振荡器频率为16MHz，若使波特率为1Mbps，如何设置SJA1000的BTR0和BTR1？

BTR0各位为：

SJW.1/ SJW.0/BRP.5/BRP.4/BRP.3/BRP.2/BRP.1/BRP.0

BTR1各位为：

.0

因tCLK=1/fXTAL=1/16M=62.5纳秒，

则CAN系统时钟tscl =2 tCLK BRP=125BRP纳秒。

若使波特率为1Mbps，则每一位的位时间T须为1微秒（即1000纳秒），

令其含有p（8-25的整数）个CAN系统时钟，则应使125*p*BRP=1000，故波特率预引比例因子BRP=1，p=8。

因BRP=32BRP.5+16BRP.4+8BRP.3+4BRP.2+2BRP.1+BRP.0+1，

故BRP.5-BRP.0各位皆应为0。

可取同步跳转宽度（不应超过下文的pTSEG1或pTSEG2）SJW为1，则SJW.1-SJW.0各位皆应为0。

故解得BTR0=0x00。

因波特率为1Mbps，属高速总线，所以应采用1次采样，SAM取值0。

因每一位时间T=tSYNCSEG+tTSEG1+tTSEG2，

所以有：p=pSYNCSEG+pTSEG1+pTSEG2

8=1+ pTSEG1+pTSEG2

可令pTSEG1=5，pTSEG2=2

则TSEG2.2=0、TSEG2.1=0、TSEG2.0=1

TSEG1.3=0、TSEG1.2=1、TSEG1.1=0、TSEG1.0=0

故解得BTR1=0x14。

所以BTR0=0x00、BTR1=0x14为本题的一组解。

（另外，本题还可有其它解，BTR0、BTR1可分别为0x00、0x23；0x40、0x14；0x400x23；0x80、0x23。）

39.一个设备，需以250微秒为周期，每次发送8个字节的I/O数据到DeviceNet总线上，请为其选择合理的总线通信速率。若使用SJA1000独立CAN控制器，晶振频率为16MHz，请设计出BTR0和BTR1的值。

答：根据题意，若满足要求，DeviceNet总线通信速率应不小于444kbps （即111x1000000÷250），因为DeviceNet只使用125kbps、250 kbps、500 kbps三种通信速率，故只有选择500kbps，才能满足要求。

BTR0各位为：

SJW.1/ SJW.0/BRP.5/BRP.4/BRP.3/BRP.2/BRP.1/BRP.0

BTR1各位为：

SAM/TSEG2.2/TSEG2.1/TSEG2.0/TSEG1.3/TSEG1.2/TSEG1.1/TSEG1 .0

因tCLK=1/fXTAL=1/16M=62.5纳秒，

则CAN系统时钟tscl =2 tCLK BRP=125BRP纳秒。

若使波特率为500kbps，则每一位的位时间T须为2微秒（即2000纳秒），令其含有p（8-25的整数）个CAN系统时钟，则应使125*p*BRP=2000，故波特率预引比例因子BRP=1，p=16。

因BRP=32BRP.5+16BRP.4+8BRP.3+4BRP.2+2BRP.1+BRP.0+1，

故BRP.5-BRP.0各位皆应为0。

可取同步跳转宽度（不应超过下文的pTSEG1或pTSEG2）SJW为1，则SJW.1-SJW.0各位皆应为0。

故解得。

因波特率为500kbps，属高速总线，所以应采用1次采样，SAM取值0。

因每一位时间T=tSYNCSEG+tTSEG1+tTSEG2，

所以有：p=pSYNCSEG+pTSEG1+pTSEG2

16=1+ pTSEG1+pTSEG2

可令pTSEG1=13，pTSEG2=2

则TSEG2.2=0、TSEG2.1=0、TSEG2.0=1

TSEG1.3=1、TSEG1.2=1、TSEG1.1=0、TSEG1.0=0

故解得BTR1=0x1C。

所以BTR0=0x00、BTR1=0x1C为本题的一组解。（本体答案不唯一，还有其它解）

40.CAN总线的主要特点？

1. 多主方式工作。网络上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，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。

2. 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。

3. 非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。

4. 采用报文滤波。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“调度”。

5.节点数主要取决于总线驱动电路，可达110个。

6.采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。

7.每帧CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。

3. CAN的通信模型只采用了ISO/OSI模型中的物理层和数据链路层。

4.CAN总线具有两种逻辑状态：隐形和显性。

5.CAN的最大传输速率：1Mbit/s；最远传输距离：10KM。

6. 数据链路层包括：逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）

7. 报文传送由哪4种不同类型的帧表示和控制？

数据帧携带数据由发送器至接收器；远程帧通过总线单元发送，以请求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任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。

41.请列举4类现场总线设备。

43.简述RS-485传输技术的基本特征。

网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻；

传输速率：9.6kbit/s—12Mbit/s；

介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）；

站点数：每段32站（无中继），127站（有中继）；

插头连接：9针D型插头

44.现场总线

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。

45.报文过滤

一个用软件或硬件设备对向网络上传或下载的数据流进行有选择的控制过程。

46.控制网络

将多个分散在生产现场，具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信连接的纽带，把现场控制设备连接成为可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。

47.计算机网络

用通信手段将空间上分散的、具有独立处理能力的多台计算机系统互连起来，按照某种网络协议进行数据通信，以进行信息交换、实现资源共享和协同工作的计算机系统的集合。

48.总线仲裁