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原创 嵌入式系统设计中常用总线和接口2

2009-10-8 20:26 2203 0 分类: MCU/ 嵌入式


四、现场总线



1LonWorks 总线



LonWorks 是由美国 Echelon 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导,于 1990 年正式公布而形成的。其通信协  LonTalk 支持 ISO/OSI 的全部 7 层模型,这是 Lon 总线最杰出的特点。LonTalk 协议通过神经元芯片
(Neuron Chip)
上的硬件和固件实现,提供介质存取、事物确认和对等通信服务;还有一些先进服务如接收认证、优先级传输、单一/广播/组播消息 发送等。另外,它采用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,其通信速率从 300bps 1.5Mbps 不等,直接通信距 离可达 2700m(78Kbps,双绞线);持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质,并开发了相应的本质安全防爆产品。其编址 方法提供了巨大的网络寻址能力(系统支持 32385 个网络设备)



高可靠性、安全性、易于实现和互操作性,使得 LonWorks 产品应用非常广泛,如灌溉管理、电路板诊断、分散和过程控制、电梯控制、能源管理、环境监视、污水处理、火灾报警、采暖通风和家庭网络自动化等。



2Profibus 总线



Profibus 是德国国家标准 DIN9245 和欧洲标准 EN50170 的现场总线标准。Profibus 在实际应用中成绩斐然,在 众多总线中居于前列,广泛用于各种行业。目前的 Profibus  3 种系列:Profibus-DPProfibus- FMS  Profibus-PAProfibus-DP应用于现场级,是一种高速低成本通信,适用于设备级控制系统与分散式 I/O 的实时通 信;Profibus-FMS 用于车间级监控网络,是一个令牌结构、实时多主网络;Profibus-PA 专为过程自动化设计,它采用  IEC1158-2 传输技术,可实现总线供电和本质安全防爆。



Profibus 总线访问协议是一种混合的协议,包括主站之间的令牌传递方式(Token Ring)和主站与从站之间的主从方式。主站在一个限定的时间框内(令牌占有时间)有总线访问权。Profibus 应用于制造业、流程工业、交通、冶金、楼宇自动化等领域。



3、基金会现场总线



基金会现场总线(FFFoundation Fieldbus)是在过程自动化领域得到了广泛支持和具有良好发展前景的技术。它是由  Fisher-Rosement 公司为首,联合 Foxboro、横河、ABB、西门子等 80 家公司制定的 ISP 协议和以美  Honeywell 公司为首,联合欧洲等地的 150 家公司制定的 WorldFIP 协议,于 1994 年合并统一而成的现场总线技术。它  ISO/OSI 开放系统互联模型为基础,取其物理层、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。用户层主要针对自动化测控应 用的需要,定义了信息存取的统一规则,采用设备描述语言规定了通用的功能块集。



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 ),可支持总线供电,支持本质安全防爆环境。H2 的传输速率可为 1Mbps  2.5Mbps 两种,其通信距离分别为750m  500m



基金会现场总线的主要技术内容,包括 FF 通信协议,用于完成开放互联模型中的第 2层通信协议的通信栈、用于描述设备特征、参数、属性 及操作接口的DDL 设备描述语言、设备描述字典、控制工程量转化等应用的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系 统、网络系统的系统集成技术。



FF总线适用于石油、化工、钢铁、电站连续生产过程和部分批量生产,其相应的 FCS 产品适合连续的生产过程自动化。



4CAN 总线



CAN 是控制器局域网络(Controller Area NetWork)的简称。它是德国 Bocsh 公司及几个半导体集成电路制造商开 发出来的,起初是专门为汽车工业设计的,目的是为了节省接线的工作量,后来由于自身的特点被广泛地应用于各行各业。目前 CAN 已由 ISO 技术委员 会批准为国际标准,在现场总线中,它是惟一被国际标准化组织批准的现场总线。CAN 协议也遵循 ISO/OSI 模型,采用了其中的物理层、数据链路层 与应用层。CAN 采用多主工作方式,节点之间不分主从,但节点之间有优先级之分,通信方式灵活,可实现点对点、一点对多点及广播方式传输数据,无需调 度。CAN 总线可采用双绞线,同轴电缆或光纤作力传输介质。通信速率可达 1Mbps/40m,直接通信距离最远可达 10km/5Kbps。可挂接设 备数最多可达 110 个。



CAN 的信号传输采用短帧结构,每帧有效字节为 8 个,传输距离短,受干扰的概率低。当节点严重错误时,具有自动关闭功能,以切断该节点与总线的联系,使总线上的其它节点及通信不受影响。可见,CAN 是所有总线中最为可靠的。



5HART 总线



HARTHighway Addressable Remote Transducer的缩写。最早由 Rosemount公司开发并得  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器高速通道的开放通信协议,其特点是在现有 模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品,然而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力,得到了较快发展。它规 定了一系列命令,按命令方式工作。它有 3 类命令,第 1 类称为通用命令,这是所有设备都理解、执行的命令;第 2 类称为一般行为命令,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 3 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 命令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 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。但这种模拟数字混合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,可满足本质安全防爆要求,并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。



从以上的比较可以看出,每一种现场总线都有其主应用领域,如:ProfibusFF 总线是从支持 PLC 控制发展起来的,它们更适合化 工、钢铁、电站等连续生产过程和部分批量生产的过程控制领域。在智能建筑控制方面,由于国际标准化组织迟迟未定出关于楼宇自动化控制网络的标准规范,所以 目前尚未有一个国际统一的标准。当前在该领域有两种技术应用最为广泛:一是美国供热、制冷与空调工程师协会(American Society of HeatingRefrigerating,
and Air Conditioning Engineers, ASHRAE)
制定的 BACnet 标准协议;二是 Echlon 公司提出的 LonWorks 总线技术。世界各大楼宇自控公司一致认为这两种技术是当前最先进 有非常大的潜在能力的技术。





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