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第1章 绪论 1

1.1　现场总线技术简介 1

1.1.1　现场总线技术与现场总线系统 1

1.1.2　现场总线数据通信系统 3

1.1.3　现场总线控制网络 4

1.1.4　现场总线网络化控制系统 4

1.1.5　全分布式控制系统 5

1.1.6　现场总线系统在企业网络中的地位与作用 6

1.2　相关名词术语 7

1.2.1　总线与总线操作 7

1.2.2　通信设备 9

1.2.3　报文与协议 10

1.2.4　通信术语 11

1.3　现场总线的技术发展 13

1.3.1　早期的现场总线技术 13

1.3.2　现场总线技术的标准化 14

1.3.3　现场总线系统的特点 15

1.3.4　现场总线网络与上层网络的连接 17

练习题 18

第2章 串行通信与串行通信接口 19

2.1　通信编码 19

2.1.1　数字编码与编码波形 19

2.1.2　曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码 20

2.1.3　模拟数据编码 21

2.2　串行通信中的几个环节 22

2.2.1　数据的串行化与串行传输 22

2.2.2　单字节数据的报文帧 22

2.2.3　通信连接与确认 23

2.2.4 串行通信的中断请求与处理 23

2.2.5　轮询 24

2.2.6 出错处理 24

2.3　串行通信接口 25

2.3.1 EIA-232 25

2.3.2 EIA-485 27

2.3.3　通用串行总线USB 30

2.3.4 IEEE 1394 30

2.4　通信传输的差错检测 31

2.4.1　传输差错的类型 31

2.4.2　差错检测 32

2.4.3　循环冗余校验的原理与实现 33

2.5　传输差错的校正 35

2.5.1　纠错 35

2.5.2 自动重传 35

2.5.3　前向差错纠正 36

2.5.4　海明码的编码 37

2.5.5　海明码的错误检测与纠正 38

2.5.6　多比特错误的纠正 39

练习题 40

第3章 控制网络与网络互连 41

3.1　控制网络 41

3.1.1 现场总线控制网络与计算机网络 41

3.1.2　现场总线控制网络的节点 41

3.1.3　现场总线控制网络的任务与工作环境 42

3.1.4　现场总线控制网络的实时性要求 43

3.2 网络互连 43

3.2.1 网络互连的通信参考模型 43

3.2.2　通信参考模型的分层功能 44

3.2.3　现场总线对OSI通信参考模型的简化 46

3.2.4　几种现场总线网络的通信参考模型 47

3.2.5　网络互连设备 48

3.3　网络传输介质的种类 51

3.3.1 双绞线 51

3.3.2　屏蔽电缆 51

3.3.3　同轴电缆 52

3.3.4　光缆 52

3.3.5　无线传输 53

3.4　网络传输介质的性能 54

3.4.1　传输介质的频率特性 54

3.4.2　介质带宽 54

3.4.3　信噪比对信道容量的影响 56

3.4.4　导线传输介质的性能参数 56

3.5 网络拓扑 57

3.5.1　环形拓扑 57

3.5.2　星形拓扑 57

3.5.3　总线拓扑 58

3.5.4　树形拓扑 58

3.6　网络传输介质的访问控制 59

3.6.1 主从通信 59

3.6.2　载波监听多路访问／冲突检测 60

3.6.3　载波监听多路访问／逐位仲裁 60

3.6.4　令牌 61

3.6.5　时分复用 63

3.6.6　几种访问控制方式的综合 63

3.7　网络操作系统 64

3.7.1　局域网操作系统 64

3.7.2 Netware与NetBEUI 65

3.7.3　Windows操作系统系列 65

3.7.4 UNIX 66

3.7.5 Linux 66

3.7.6　嵌入式操作系统 67

练习题 68

第4章　基金会现场总线FF 69

4.1　H1的通信模型与编码 69

4.1.1　H1的通信模型 69

4.1.2　H1的数据组织 73

4.1.3 H1的通信编码 73

4.1.4　H1的信号波形 74

4.2　H1的通信调度 76

4.2.1　现场设备的类型 76

4.2.2　链路活动调度器LAS 77

4.2.3　通信调度的工作过程 77

4.2.4　总线上的时间 79

4.2.5　通信控制器 79

4.3　网络与系统管理 81

4.3.1 网络管理 81

4.3.2　设备标识与工作状态 82

4.3.3　系统管理的功能与服务 83

4.3.4　系统管理信息库SMIB 86

4.4　功能块 87

4.4.1　功能块的内部结构与功能块连接 87

4.4.2　功能块中的用户应用块 90

4.4.3　功能块的块参数 91

4.4.4　功能块应用 95

4.5 FF的应用系统 96

4.5.1 H1网段的基本组成 96

4.5.2　H1网段的传输介质 97

4.5.3　H1网段的拓扑结构 98

4.5.4　网段的连线长度 99

4.5.5　H1网段的接地与屏蔽 101

4.5.6　应用系统的设计与运行 102

练习题 103

第5章 工业以太网 104

5.1　工业以太网简介 104

5.1.1 工业以太网与以太网 104

5.1.2 以太网的工业级产品 106

5.1.3 以太网通信的非确定性问题 107

5.1.4　工业以太网应用层的控制功能 108

5.1.5 以太网的嵌入式控制节点 109

5.2 以太网的物理连接与数据封装 110

5.2.1 以太网的物理连接 110

5.2.2 以太网的帧格式 111

5.2.3 以太网的数据封装 112

5.3 TCP/IP协议组 113

5.3.1 TCP/IP协议组的构成 113

5.3.2　IP协议 114

5.3.3　用户数据报协议 117

5.3.4 传输控制协议TCP 117

5.4　实时以太网 119

5.4.1 实时以太网及其通信参考模型 119

5.4.2　实时以太网的介质访问控制 120

5.4.3 IEEE 1588精确时间同步协议 121

5.5 PROFINET 124

5.5.1　PROFINET的网络连接 124

5.5.2　IO设备模型及其数据交换 124

5.5.3　组件模型及其数据交换 130

5.5.4　PROFINET通信的实时性 132

5.5.5　PROFINET与其他现场总线系统的集成 134

5.5.6　PROFINET的IP地址管理与数据集成 135

5.6　高速以太网HSE 137

5.6.1　HSE的系统结构 137

5.6.2　HSE与现场设备间的通信 138

5.6.3　HSE的柔性功能块 139

5.6.4　HSE的链接设备 139

练习题 140

第6章　PROFIBUS 141

6.1　PROFIBUS概述 141

6.1.1　PROFIBUS的三个子集 141

6.1.2　PROFIBUS-DP的三个版本 143

6.1.3　PROFIBUS的通信参考模型 144

6.1.4　PROFIBUS的主站与从站 145

6.1.5　PROFIBUS总线访问控制的特点 145

6.2　PROFIBUS的通信协议 146

6.2.1　PROFIBUS的物理层及其网络连接 146

6.2.2　PROFIBUS的数据链路层协议 150

6.2.3 PROFIBUS的MAC协议 153

6.3 PROFIBUS-DP 155

6.3.1 PROFIBUS-DP-V0 155

6.3.2 PROFIBUS-DP的GSD文件 158

6.3.3　PROFIBUS-DP-V1 159

6.3.4 PROFIBUS-DP-V2介绍 161

6.4 PROFIBUS站点的开发与实现 165

6.4.1 PROFIBUS的站点实现 165

6.4.2　从站的实现方案 169

6.4.3　主站的实现方案 171

6.4.4 PROFIBUS的网络监听器 172

6.5 PROFIBUS-PA 172

6.5.1 PROFIBUS-PA的基本特点 172

6.5.2 DP/PA的连接 173

练习题 175

第7章　LonWorks总线 176

7.1　LonWorks总线的技术概述 176

7.1.1　LonWorks总线的技术组成 176

7.1.2　LonWorks节点 177

7.1.3　路由器（router） 179

7.1.4 LonWorks的Internet连接设备 180

7.1.5　网络管理 180

7.1.6　通信端口 181

7.2　LonTalk通信协议 184

7.2.1　LonTalk协议概述 184

7.2.2 LonTalk的物理层 184

7.2.3 LonTalk的网络地址 185

7.2.4 LonTalk的MAC子层 186

7.2.5 LonTalk协议的网络层 188

7.2.6　LonTalk协议的传输层和会话层 188

7.2.7　LonTalk协议的表示层和应用层 189

7.2.8　LonTalk协议的网络管理和网络诊断 189

7.2.9　LonTalk协议的报文服务 189

7.3　收发器与路由器 190

7.3.1　双绞线收发器 190

7.3.2　电力线收发器 194

7.3.3　其他类型介质 196

7.3.4　路由器 196

7.4　LonMark对象与网络变量 197

7.4.1　LonMark对象和功能模式 197

7.4.2　配置属性 199

7.4.3 网络变量 199

7.4.4　LonMark程序ID 201

7.5　LonWorks节点开发工具 201

7.5.1 LonBuilder多节点开发工具 201

7.5.2　NodeBuilder节点开发工具 202

7.6　LNS网络操作系统与网络工具 203

7.6.1 网络操作系统LNS 203

7.6.2　LNS网络工具 205

练习题 206

第8章 几种现场总线技术简介 207

8.1　Modbus 207

8.1.1　Modbus通信参考模型 207

8.1.2　串行链路的主从通信 208

8.1.3　站点状态与时序 209

8.1.4　RTU传输模式 210

8.1.5　ASCII串行传输模式 213

8.1.6 Modbus TCP/IP应用数据单元 214

8.2 CAN总线 216

8.2.1 CAN总线的特点 216

8.2.2　CAN的通信参考模型 217

8.2.3　CAN总线报文帧的类型与结构 218

8.2.4　CAN的通信控制器与相关芯片 223

8.3 DeviceNet 227

8.3.1　DeviceNet技术简介 227

8.3.2　DeviceNet的物理层和物理媒体 228

8.3.3　DeviceNet的对象模型 228

8.3.4　DeviceNet的连接与连接标识 229

8.3.5　DeviceNet的通信方式 230

8.3.6　DeviceNet的设备描述 231

8.4　无线短程、低速数据通信技术ZigBee 232

8.4.1　ZigBee的技术特点 232

8.4.2　ZigBee的通信参考模型 233

8.4.3　ZigBee的设备类型 236

8.4.4　ZigBee的网络拓扑结构 237

8.4.5　ZigBee的设备地址、寻址与路由 238

8.4.6　ZigBee的应用系统 241

8.5　现场总线的选择 242

练习题 243

主要参考文献 244