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ASI(Actuator-Sensor-Interface)是执行器-传感器-接口的英文缩写,它是一种用在控制器(主站)和传感器/执行器(从站)之间双向交换信息的总线网络,它属于现场总线(Fieldbus)下面底层的监控网络系统。
在ASi总线系统中,主站和从站之间采用了串行双向数字通信方式。因为报文较短,如若在有一个主站和31个从站的系统中,ASI的通信周期大约为5ms,也就是说主站在5ms内就可以对31个从站轮流访问一遍。
ASi总线是一个主从系统,主站和所有的从站可双向交换信息,当主站与上层现场总线进行通信时,主站担当了AS-i和上层网络信息交换的出入口,因ASi主要传输的是开关量,所以它的数据结构比较简单,用户仅需关心数据格式、传输率和参数配置等。
一个ASI总线系统通过它主站中的网关可以和多种现场总线(如FF、Profibus、CANbus)相连接。ASi主站可以作为上层现场总线的一个节点服务器,在它的下面又可以挂接一批ASi从站。ASi总线主要运用于具有开关量特征的传感器和执行器系统,传感器可以是各种原理的位置接近开关以及温度、压力、流量、液位开关等。执行器可以是各种开关阀门,电/气转换器以及声、光报警器,也可以是继电器、接触器、按钮等低压开关电器。当然AS-i总线也可以连接模拟量设备,只是模拟信号的传输要占据多个传输周期。必须注意的是在连接主站和从站的两芯电缆上除传输信号外,同时还提供工作电源。
这是一种控制方式
DSP芯片TMS320F2812 DSP片外扩展 64K * 16位SRAM(基本配置),最大可扩展到512K * 16位。内部RAM不够用时,用来扩充内存,当然是并行的。
一线总线器件以其硬件接口简单在各个领域越来越广泛地得到应用,其读写都必须按照严格的时序要求。本文给出了一线总线的标准软件接口及其源代码。该软件接口已在实际工程项目中应用,数据读取和写入准确,可靠。 关...
在ASi总线不同的应用情况下,功能可靠包含下列内容,首先是通信数据的可靠性方面,ASi总线在许多方面采取了抗干扰措施。在接收数据时,必须进行错误检验,此方法十分有效,出错误后信息可以重发。另外如系统部件出现故障时主站会很快检测到故障信息,并自动与发生故障的从站切断通信联系,通知操作人员故障地址,以便及时进行维修。主站还具备网络运行监视功能,在任何时刻用户都能得到系统中所有从站当前运行状态的完整资料。
ASI(Actuator-Sensor Interface)是用于在控制器(主站)和传感器/执行器(从站)之间进行双向、多站点数字通信的总线网络,它由主站、从站、传输系统3部分组成,而传输系统又由两芯传输电缆、ASI电源和数据解耦电路构成。
ASI总线推荐使用的电缆型号为CENELEC或DIN VDE 0281[CENE-90],并且要标明HO5VV-F2x1.5,这是一种两芯、横截面积为1.5mm2的柔性电源线,它既便宜又随处可见。另一种是具有相同电特性的ASI专用扁平电缆,它在安装上非常方便。因为ASI电缆既要传输信号又是要提供电源,所以在选择电缆时必须注意两个方面的技术指标:第一是通信频谱特性,第二是直流阻抗特性。在认为有较大干扰的情况下,则需要选择使用屏蔽电缆,如型号为(N)YMHCY-02x1.5的电缆,但它也必须满足规定的频谱特性要求。特别要注意的是屏蔽层在ASI电源端只能接地,而不能接在ASI+和ASI-端。
ASI电源的电压为29.51-31.5VDC,每个从站向传感器/执行器提供的电源电压VDC(+10[%]或-15[%])。在一个ASI总线系统中,ASI电源可给31个从站提供的最大电流为2A,因此每个从站平均消耗的电流为65mA。如果从站带动的执行器功率较大,所需电流大于65mA时,则必须外接辅助电源。整个系统允许在ASI电缆上的最大压降为3V,因此电缆的横截面积不能小于1.5mm2,这样才能保证网络中每个从站都能得到规定的电压值。
ASI电缆的等效电路模型,分为两芯电缆和带屏蔽层两芯电缆两种模型。电阻(R')、电容(C')、电感(L')和电导(G')值为ASI电缆的等效参数。传输速率为167Kb/s时,两芯电缆总的极限参数范围为:R'=20-50mΩ/m,L'=200-600nH/m,C'=35-70pF/m,G'=1-3μS/m。在同样的传输速率下,带屏蔽层的两芯电缆的极限参数为:R's=10mΩ/m,Ls'=800nH/m,Cs'=300pF/m,Gs'=15μS/m。
ASI电缆的复数阻抗与传输速率之间的关系对系统的响应特性具有十分重要的意义。在传输速率为167Kb/s时,阻抗为80-120Ω,而低于或高于167Kb/s时,阻抗会迅速下降,因此当采用167Kb/s的传输速率时,将得到最大的信号幅值。
ASI信号在传输前要进行调制,采用什么调制方法要考虑诸多的因素。例如附加在电源电压上的传输信号必须是交变的;主站和从站之间的双向通信要求双主都能够产生简单、有效和节省时间的窄带传输信号;使用非屏蔽电缆时不应有太多的干扰等等。ASI信号的调制采用交变脉冲调制方式(APM),这是一种在基频进行调制的串行通信方式。
主站发出的请求信号位序列首先转换为能执行相位变换的位序列,即曼彻斯特II编码,这样就产生了相应的传输电流。当传输电流通过电感元件时会产生电压突变,就产生了请求信号电压。每一个增加的电流产生一个负电压脉冲,而每一个减小的电流产生一个正电压脉冲,通过这种方法从站很容易得到请求信号。因为信号是叠加在电源上的,所以信号电压有时会大于从站的电源电压。在从站内并不需要电感元件,这就使得智能型传感器/执行器上的带有Slave Chip元件的一体化从站电路更小、更简单、更经济。在从站中接收电缆上的请求信号电压并转化为初始的位序列,就完成了一次主站向从站的请求信号的转换过程。
信号传输的电压脉冲被设计成正弦平方波方式,但要考虑到低频干扰的影响,通过选择合适的传输波形可以提高可靠性。经过这种调制后的信号在规定的拓扑结构中,每两位脉冲信号的间隔只有6μs。
ASI电源和与之相连的数据解耦电路,ASI电源可以提供29.5-31.6VDC电压,完全满足国际电工委员会(IEC)对安全隔离低电压的技术要求,并具有可靠的短路过载保护。数据解耦电路由两个50μH的电感和两个39Ω的电阻相互并联组成,通过电感可以将传输信号的电流脉冲转变为电压脉冲,同时它还具有防止数据传输频率信号经过电源而造成短路的作用,两个电阻代表了网络的边界终端。为使电路信号噪声最低,必须采用高对称性的电路结构,两个电容CE和两个电感L应完全相等,接地点要可靠接地,若采用屏蔽电缆,屏蔽层也应接到地上。如果2A电流仍不能满足从站的要求,就必须采用带有辅助电源的从站模式或使用带有附加电源的中继器。
ASI总线系统为主从结构,采用请求-应答的访问方式。主站先发出一个请求信号,信号中包括从站的地址。接到请求的从站会在规定的时间内给予应答,在任何时间只有1个主站和最多31个从站进行通信。一般访问方式有两种:一种是带有令牌传递的多主机访问方式;另一种是CSMA/CD方式,它带有优先级选择和帧传输过程。而ASI的访问方式比较简单,为了降低从站的费用、提高灵活性,一方面在不增加传输周期的条件下尽量包括更多的参数和信息,另一方面传输周期的时间应能自动调整,例如系统中只有6个从站时,传输周期为1ms,而有31个从站时周期约为5ms。如果在网上有短暂的干扰时,主站没有收到从站的应答信号或收到的是错误无效的信号时,主站可以重发信息而无需重复整个传输周期。
ASI总线的总传输速率为167Kb/s,它包括所有功能上必要的暂停。允许的网络传输速率为53.3Kb/s,从这一点看它的传输效率为32[%],与其它现场总线系统相比,这个数值较好。但在电磁干扰的环境下应采取进一步措施,以保证数据传输的可靠性。
一个ASI报文由主站请求、主站暂停、从站应答和从站暂停4个环节组成。所有的主站请求都是14位,从站应答为7位,每一位的时间长度为6μs。主站暂停最少为3位,最多为10位。如果从站是同步的话,在主站3位暂停后从站就可以发送应答信号。如果不是同步信号,那么从站就必须在5位暂停后发送应答信号,因为在这段时间内从站会在接收到完整有效的请求信号后监测主站的暂停情况,看看是否还会有其它信息。但是如果主站在10个暂停位后没有接收到从站的应答信号的起始位,主站会认为不再有应答信号而发出下一个地址的请求信号。从站的暂停只有1位或2位的时间。
在ASI报文中主站请求由以下具体信息组成:
ST 起始位 主站请求开始,0为有效,1为无效。
SR 控制位 数据/参数/地址位或命令位,0为数据/参数/地址位,1为命令位。
A0~A4 从站地址位 被访问的从站地址(5位)。
I0~I4 信息位 要传输的信息(5位),请求类型。
PB 奇偶校验位 在主站请求信息中不包括结束位为1的各位总和必须是偶数。
EB 结束位 请求结束,0为无效,1为有效。
在ASI报文中从站应答由以下具体信息组成:
ST 起始位 从站应答开始,0为有效,1为无效。
I0~I3 信息位 要传输的信息(4位),应答类型。
PB 奇偶校验位 在从站应答信息中不包括结束位为1的各位总和必须是偶数。
EB 结束位 应答结束,0为无效,1为有效。
在ASI主从结构中,主站所发出的报文在系统数据交换中占有重要的地位。主站的请求报文共有9种:(1)数据交换 要求从站把测量数据上传给主站,而主站又可以把控制指令下达给从站。(2)写参数 设置从站功能,如传感器的测量范围、激活定时器、在多传感器系统中改变测量方法等。(3)地址分配 只有当从站地址为00H时才有效。从站接到这个请求后,用06H回答,表示已收到了主站的正确请求,从站从此就可以在这个新地址被呼叫了,同时把这个新地址存储在从站的EEPROM中,这个过程大约需要15ms。这种方式使主站可以对运行中损坏后重新置换的从站自动进行原有地址的设置。(4)复位 把被呼叫的从站地址恢复到初始状态,从站用06H回答,整个过程需2ms。(5)删除操作地址 暂时把被呼叫的从站地址改为00H,这个报文一般和"地址分配"报文一起使用。当新地址确定后,从站用06H回答。如果使用指令"Reset-ASI-Slave"就可以恢复原地址。(6)读I/O配置。(7)读ID编码 从站的I/O设置和ID编码在出厂时已经确定,不能改变。(6)、(7)结合使用的目的是确定从站的身份。(8)状态读取 读取从站状态缓冲器中的4个数据位,以获得在寻址和复位过程中出现的错误信息。(9)读出状态和状态删除 读出从站状态缓冲器的内容,然后删除。
在以上9种主站请求报文中,数据和参数的传输有两种,设置和改变从站地址的有两种,对从站进行识别和查询的有5种。表1列出的是主站9种报文的名称和内容。
如果在非屏蔽电缆上进行高速ASI传输通信,那么电磁兼容性(EMC)问题就非常重要了。发射干扰和现场的场强辐射干扰都不应超过欧洲标准EN55011给出极限值,ASI系统的抗干扰能力在IEC801文件中已有详细的说明。大量的ASI系统测试数据表明,由于传输信号采用了正弦平方波,因此ASI系统的发射干扰保持在IEC的规定值以下。ASI系统对于静态放电在26M-1GHz频率范围内的电磁高速瞬间干扰的抵抗能力可达到3级。在最坏的情况下,通信将出现故障,但系统具有检测功能并可以对报文进行重发。因为是短信息,重发不会增加周期时间,只有在报文发生严重错误时,才会增加报文的周期长度。当位传输错误率在70b/s时,系统周期大约为5ms;如果错误率再高一点,周期时间变化不大,ASI仍能保持它所有的功能。只有误差超过5000b/s时,正常的数据传输才难以维持。
当ASI电缆被切断时(如错误短接或故障断开),主站将不能访问位于断点另一侧的从站,而位于主站一侧的从站仍可以被主站呼叫。通过管理服务程序主站能够诊断和发出故障信号,但前提是数据解耦电路和电源这时应在同一侧,否则系统就会完全瘫痪。如果在ASI系统中没有使用中继器,那么当电源发生故障时,ASI系统将停止工作,有关故障的信息也不会得到。但如果使用了中继器,因中继器可以向网络供电,那么电源故障的影响就会减小,系统将维持部分功能。
ASI总线的传输系统是连接网络系统中主站、从站、电源、控制器、传感器/执行器的通路和桥梁。报文信号在传输系统中要经过多次的变换和恢复,并要抵抗各种外界的干扰以保证准确、快捷、可靠的信息交换,它是ASI总线系统中重要的组成部分。
现场总线简介及总线电缆的设计
本文主要介绍了目前工业自动化控制系统中广泛使用的几种现场总线及其总线电缆的特点,并以基金会现场总线FF-H1(低速)和Profibus PA总线电缆为例,探讨了现场总线电缆的设计。
基于PXI总线的MIC总线通讯模块设计
MIC总线是专门为了解决现代军事及工业领域中极其复杂和恶劣的工作环境下电力/数据的分配和管理而开发的一种具有结构简单及高可靠性的现场总线;在详细分析MIC总线的体系结构和通信协议之后,提出了基于PXI总线体系结构的MIC总线通讯模块的软硬件设计方案;系统可通过PXI总线灵活配置MIC的各种通讯模式参数,具有即插即用、高可靠性和小型化易集成等特点;实验证明,主模块PIM工作模式与远程从模块间数据通讯稳定且可靠,对国内MIC总线的研究与应用有重要意义。
ASI楼宇自动化系统简介
楼宇自动化系统是智能建筑的重要组成部分,是由中央管理站、各种DDC控制器及各类传感器、执行机构组成的、能够完成多种控制及管理功能的网络系统,主要致力于暖通空调、给排水、冷热源、照明、通风、电力、热交换及其他机电设备的管理,其目的是使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活环境和高效的工作环境,并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。通过对大厦内的空调系统、新风机组、变配电监测系统、给排水系统等实施监测与控制,实现楼宇的设备管理自动化、能源管理自动化,达到节约能源,降低成本的目的。通过对空调系统的自动监测与控制,使大厦内夏季凉爽清新,冬季温暖如春,给人们提供一种舒适的工作环境。同时先进的BMS系统通过计算机管理系统对大厦内各种设备进行实时监测,存储各种信息与数据,经过分析处理,为物业管理提供科学依据。
美国亚司艾自控公司推出的ASI楼宇自动化系统主要应用于综合办公大楼、工厂、通讯业、高科技、星级宾馆、公共设施、医院及能源管理,是国际上先进的系统之一。ASI楼宇自动系统适应性非常强,可分为不同等级的独立系统,每级都具有非常清楚的功能和权限,这就使ASI Controls既可用于单独的楼宇管理,也可用于一个区域的、分散的楼宇集中管理。
ASI楼宇自控系统的特性
可靠性
ASI楼宇自控系统充分体现了分散控制、集中管理的特点,保证各子系统独立控制,由中央工作站集中管理,同时ASI实行统一的生产管理体系,保证了系统的配套性,大大提高了系统可靠性。
先进性
·ASI是开放式架构系统,可与冷冻机、锅炉、数字电表、灯光、消防系统、安保系统所提供的软/硬件接口,以及其它系统进行介接/联机。
·可提供第三方或业主完整的通讯协议(protocol)。
·提供个人数据处理器(PDA),供操作人员进行系统读值、强制控制及调整控制参数,可直接插入DDC取得资料,并能进入DDC内启动/停止控制点。
·提供Object Linking And Embedding For Process Controls (OPC)资料转换服务器供DDC与工作站间的通讯及资料转换。
·可利用系统的能源管理模式(EMS)节约能源成本。
·提供长时间历史纪录,记录所有设备的操作情况。
·DDC通讯连接速率最快可达100Mbps,可快速存取信息。
·监控简便,利用中文化的软件并配合动态彩色功能图形。
·反应迅速,快速反应楼内客户需求及设备故障情况。
·编程程序直接写入 EEPROM ,不会因停电而造成编程程序流失。
· ASI楼宇自控系统在网络扩展方面提供了强大的功能,可与其它厂家的系统或产品(包括各种形式PLC,消防系统等)联接。
·ASI楼宇自控系统优越的远程通讯功能,能够使不同楼宇、厂房间的控制系统联系起来,组成一个群集系统。
·ASI楼宇自控系统的网络结构具有开放性和兼容性,可与先进通讯技术结合,保证系统结构在产品更新换代时产生延续性。
经济性
ASI楼宇自控系统控制方式极其灵活,控制层的维护和扩展极为方便,使得楼宇管理系统可以很方便地扩展,节省初期投资,系统各部分可分别随调试完成投入使用。同时在节能的基础上,满足用户的高标准和舒适性要求。2100433B
系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息,因此,系统总线包含有三种不同功能的总线,即数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus)和控制总线CB(Control Bus)。
数据总线DB用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式(双向是指可以两个方向传输,可以A->B也可以A<-B;三态指 0,1和第三态(tri-state)。tri-state既不是一也不是零,三态门的闭合无输出高阻状态。)的总线,即他既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件,也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标,通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位,其数据总线宽度也是16位。需要指出的是,数据的含义是广义的,它可以是真正的数据,也可以指令代码或状态信息,有时甚至是一个控制信息,因此,在实际工作中,数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。
地址总线AB是专门用来传送地址的,由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口,所以地址总线总是单向三态的,这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小,比如8位微机的地址总线为16位,则其最大可寻址空间为2^16=64KB,16位微型机的地址总线为20位,其可寻址空间为2^20=1MB。一般来说,若地址总线为n位,则可寻址空间为2^n(2的n次方)个地址空间(存储单元)。 举例来说:一个16位元宽度的位址总线(通常在1970年和1980年早期的8位元处理器中使用)可以寻址的内存空间为 2 的 16 次方=65536=64 KB的地址,而一个 32位元 位址总线(通常在像现今 2004年 的 PC 处理器中) 可以寻址的内存空间为4,294,967,296=4GB(前提:数据总线的宽度是8位)的位址。
注释:位元=bit。
上面提到的2^n=X=YGB中的B其实是bit,这个结果其实是乘以可寻址的位元8bit之后得到的。
控制总线CB用来传送控制信号和时序信号。控制信号中,有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的,如读/写信号,片选信号、中断响应信号等;也有是其它部件反馈给CPU的,比如:中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。因此,控制总线的传送方向由具体控制信号而定,一般是双向的,控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。
国际上有40多种现场总线,但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面,按其传输数据的大小可分为3类:传感器总线(sensor bus),属于位传输;设备总线(device bus),属于字节传输;现场总线,属于数据流传输。
基金会现场总线,即Foudation Fieldbus,简称FF,这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首,联合Foxboro、横河、ABB、西门子Siemens等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首,联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。屈于用户的压力,这两大集团于1994年9月合并,成立了现场总线基金会,致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础,取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层。
基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为 31.25Kbps,通信距离可达 1900m (可加中继器延长),可支持总线供电,支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为 1Mbps和 2 5Mbps两种,其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射,协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码,每位发送数据的中心位置或是正跳变,或是负跳变。正跳变代表0,负跳变代表1,从而使串行数据位流中具有足够的定位信息,以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的"1"、"0"状态,也可根据数据的中心位置精确定位。
为满足用户需要,Honeywell、Ronan等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片,许多仪表公司已开发出符合FF协议的产品,1总线已通过a测试和β测试,完成了由 13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总线工厂试验系统。2总线标准也已经形成。
1996年10月,在芝加哥举行的ISA96展览会上,由现场总线基金会组织实施,向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品,并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品,用醒目的橙红色电缆,互连为七段现场总线演示系统,各展台现场设备之间可实地进行现场互操作,展现了基金会现场总线的成就与技术实力。
LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术,它是由美国Ecelon公司推出并由它 们与摩托罗拉Motorola、东芝Hitach公司共同倡导,于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议,采用了面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置,其通讯速率从300bps至15Mbps不等,直接通信距离可达到2700m(78kbps,双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质,并开发相应的本安防爆产品,被誉为通用控制网络。
LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU;一个用于完成开放互连模型中第 1~ 2层的功能,称为媒体访问控制处理器,实现介质访问的控制与处理 ;第二个用于完成第3~6层的功能,称为网络处理器,进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理,并负责网络通信控制、收发数据包等;第三个是应用处理器,执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区,以实现CPU之间的信息传递,并作为网络缓冲区和应用缓冲区。如Motorola公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。
LonWoeks技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本 (每片价格约 5~9美元),而芯片的低成本又返过来促进了LonWorks技术的推广应用,形成了良好循环,据Ecelon公司的有关资料,到1996年7月,已生产出 500万片神经元芯片。
LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片,开发自己的应用产品,已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术:1000多家公司已经推出了LonWorks产品,并进一步组织起LonWark互操作协会,开发推广LonWorks技术与产品。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为了支持LonWorks与其它协议和网络之间的互连与互操作,该公司正在开发各种网关,以便将LonWorks与以太网、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互连为系统。
另外,在开发智能通信接口、智能传感器方面,LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。根据刚刚收到的消息,美国消费电子制造商协会已经通过决议,以LonWorks技术为基础制定了EIA-709标准。
这样,LonWorks已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、应用体系结构,吸引了数万家企业参与到这项工作中来,这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。
Profibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准prEN 50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus -Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。DP型用于分散外设间的高速传输,适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范,适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化,而PA型则是用于过程自动化的总线类型,它遵从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层,由这两部分形成了其标准第一部分的子集,DP型隐去了3~7层,而增加了直接数据连接拟合作为用户接口,FMS型只隐去第3~6层,采用了应用层,作为标准的第二部分。PA型的标准还处于制定过程之中,其传输技术遵从IEC1158-2 (1 )标准,可实现总线供电与本质安全防爆。
Porfibus支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权,可主动发送信息。对多主站系统来说,主站之间采用令牌方式传递信息,得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权,共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按Profibus的通信规范,令牌在主站之间按地址编号顺序,沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时,可以按主-从方式,向从站发送或索取信息,实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播 (不要求应答)或有选择地向一组站点广播。
Profibus的传输速率为96~12kbps最大传输距离在12kbps时为1000m,15Mbps时为400m,可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线,也可以是光缆,最多可挂接 127个站点。
CAN是控制网络Control Area Network的简称,最早由德国BOSCH公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准,得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持,已广泛应用在离散控制领域。
CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的,不过,其模型结构只有3层,只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线,通信速率最高可达 1Mbps/40m,直接传输距离最远可达 1 0km/kbps,可挂接设备最多可达 110个。
CAN的信号传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个,因而传输时间短,受干扰的概率低。当节点严重错误时,具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系,使总线上的其它节点及其通信不受影响,具有较强的抗干扰能力。
CAN支持多主方式工作,网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息,支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术,当出现几个节点同时在网络上传输信息时,优先级高的节点可继续传输数据,而优先级低的节点则主动停止发送,从而避免了总线冲突。
已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片,如Intel公司的 82 52 7,Motorola公司的MC68HC05X4,Philips公司的82 C2 50等。还有插在PC机上的CAN总线接口卡,具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。
HART是Highway Addressable Remote Transduer的缩写。最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持,于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议,其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品,因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力,得到了较好的发展。
HART通信模型由3层组成 :物理层、数据链路层和应用层。物理层采用FSK(Frequency Shift Keying)技术在4~20mA模拟信号上迭加一个频率信号,频率信号采用Bell202国际标准;数据传输速率为1200bps,逻辑0的信号频率为2200Hz,逻辑1的信号传输频率为 1200Hz。
数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息格式。其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。其数据字节结构为1个起始位,8个数据位,1个奇偶校验位,1个终止位。应用层的作用在于使HART指令付诸实现,即把通信状态转换成相应的信息。它规定了一系列命令;按命令方式工作。它有 3类命令,第一类称为通用命令,这是所有设备理解、执行的命令;第二类称为一般行为命令,它所提供的功能可以在许多现场设备 (尽管不是全部 )中实现,这类命令包括最常用的现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令,以便在某些设备中实现特殊功能,这类命既可以在基金会中开放使用,又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这3类命令。HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。按应答应方式工作时的数据更新速率为2~3次/s,按广播方式工作时的数据更新速率为 3~4次 /s,它还可支持两个通信主设备。总线上可挂设备数多达 15个,每个现场设备可有256个变量,每个信息最大可包含4个变量。最大传输距离3000m,HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性,由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典,主设备运用DDL技术,来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混信号制,导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电,可满足本安防爆要求。
尽管RS-485不能称为现场总线,但是作为现场总线的鼻祖,还有许多设备继续沿用这种通讯协议。采用RS-485通讯具有设备简单、低成本等优势,仍有一定的生命力。以RS-485为基础的OPTO-22命令集等也在许多系统中得到了广泛的应用。