第1章 现场总线技术概述 1
1.1现场总线简介 1
1.1.1什么是现场总线 1
1.1.2基于现场总线的数据通信系统 3
1.1.3现场总线控制网络与网络化控制系统 4
1.1.4现场总线系统适应了综合自动化的发展需要 5
1.1.5早期的现场总线 6
1.2现场总线系统的特点 8
1.2.1现场总线系统的结构特点 8
1.2.2现场总线系统的技术特点 8
1.2.3现场总线系统的优势与劣势 9
1.3以现场总线为基础的企业网络系统 10
1.3.1企业网络系统的基本组成 10
1.3.2现场总线系统在企业网络中的地位与作用 11
1.3.3现场总线系统与上层网络的连接 12
1.4现场总线技术的标准化 13
第2章 数据通信基础 15
2.1基本术语 15
2.1.1总线 15
2.1.2数据通信系统 16
2.1.3数据通信的发送与接收设备 16
2.1.4传输介质 17
2.1.5通信软件 17
2.2通信系统的性能指标 18
2.2.1有效性指标 18
2.2.2可靠性指标 19
2.2.3通信信道的频率特性 19
2.2.4信号带宽与介质带宽 20
2.2.5信噪比对信道容量的影响 21
2.3数据编码 22
2.3.1数据编码波形 22
2.3.2模拟数据编码 25
2.4数据传输方式 26
2.4.1串行传输和并行传输 26
2.4.2同步传输与异步传输 26
2.4.3位同步、字符同步与帧同步 27
2.5通信线路的工作方式 28
2.5.1单工通信 28
2.5.2半双工通信 28
2.5.3全双工通信 28
2.6信号的传输模式 29
2.6.1基带传输 29
2.6.2载波传输 29
2.6.3宽带传输 29
2.7传输差错及其检测 29
2.7.1传输差错的类型 29
2.7.2传输差错的检测 30
2.7.3循环冗余校验的工作原理 31
2.8传输差错的校正 33
2.8.1自动重传 33
2.8.2前向差错纠正 34
2.8.3海明码的编码 35
2.8.4海明码的错误检测与纠正 36
2.8.5多比特错误的纠正 37
第3章 控制网络基础 38
3.1控制网络与计算机网络 38
3.2控制网络的特点 39
3.2.1控制网络的节点 39
3.2.2控制网络的任务与工作环境 40
3.2.3控制网络的实时性要求 41
3.3网络拓扑 41
3.3.1环形拓扑 42
3.3.2星形拓扑 42
3.3.3总线拓扑 43
3.3.4树形拓扑 43
3.4网络的传输介质 43
3.4.1双绞线 44
3.4.2同轴电缆 44
3.4.3光缆 45
3.4.4无线传输 46
3.5网络传输介质的访问控制方式 47
3.5.1载波监听多路访问／冲突检测 47
3.5.2令牌 48
3.5.3时分复用 50
3.6网络互连 51
3.6.1网络互连的基本概念 51
3.6.2网络互连规范 51
3.7网络互连的通信参考模型 52
3.7.1开放系统互连参考模型 52
3.7.2OSI参考模型的功能划分 53
3.7.3几种典型控制网络的通信模型 54
3.8网络互连设备 56
3.8.1中继器 56
3.8.2网桥 57
3.8.3路由器 59
3.8.4网关 60
第4章 CAN总线与基于CAN的控制网络 61
4.1CAN通信技术简介 61
4.1.1CAN通信的特点 61
4.1.2CAN的通信参考模型 62
4.1.3CAN信号的位电平 63
4.1.4CAN总线与节点的电气连接 63
4.1.5CAN节点的电气参数 64
4.2CAN报文帧的类型与结构 67
4.2.1CAN报文帧的类型 67
4.2.2数据帧 68
4.2.3远程帧 71
4.2.4出错帧 71
4.2.5超载帧 72
4.2.6帧间空间 72
4.3CAN通信中的几个问题 73
4.3.1发送器与接收器 73
4.3.2错误类型与出错界定 73
4.3.3位定时与同步 75
4.4CAN通信控制器 76
4.4.1CAN通信控制器82C200 77
4.4.2SJAl000CAN通信控制器 87
4.4.3Intel82527CAN通信控制器 91
4.4.4带有CAN通信控制器的CPU 92
4.5CAN应用节点的相关器件 96
4.5.1CAN总线收发器82C250 96
4.5.2CAN总线I／O器件82C150 98
4.6基于CAN通信的时间触发协议 99
4.6.1时间触发与通信确定性 99
4.6.2TT-CAN 100
4.6.3FTT-CAN 101
4.6.4TTP／C 101
4.6.5ByteFlight 102
4.6.6FlexRay 102
4.6.7几种时间触发协议的性能比较 103
4.7CAN的下层网段——LIN 104
4.7.1LIN的主要技术特点 104
4.7.2LIN的通信任务与报文帧类型 105
4.7.3LIN的报文通信 105
4.7.4LIN的应用 108
4.8基于CAN的汽车控制网络——SAEJ1939 108
4.8.1SAEJ1939规范 108
4.8.2SAEJ1939的物理连接与网络拓扑 109
4.8.3SAEJ1939报文帧的格式与定义 110
4.8.4ECU的设计说明 112
4.8.5SAEJ1939的多网段与网络管理 115
4.9汽车电子网络的体系结构 116
4.9.1网络化是汽车电子系统发展的趋势 116
4.9.2汽车电子网络的分类 117
4.9.3汽车电子混合网络 118
第5章 基金会现场总线FF 119
5.1FF的主要技术特点 119
5.1.1FF是一项完整的控制网络技术 119
5.1.2通信系统的主要组成部分及其相互关系 120
5.1.3Hl协议数据的构成与层次 122
5.1.4FF通信中的虚拟通信关系 122
5.2Hl网段的物理连接 124
5.2.1H1的物理信号波形 124
5.2.2H1的信号编码 125
5.2.3Hl网段的传输介质与拓扑结构 126
5.3H1网段的链路活动调度 128
5.3.1链路活动调度器LAS及其功能 128
5.3.2通信设备类型 129
5.3.3链路活动调度器的工作过程 130
5.3.4链路时间 131
5.4Hl网段的网络管理 132
5.4.1网络管理者与网络管理代理 132
5.4.2网络管理代理的虚拟现场设备 133
5.4.3通信实体 134
5.5Hl网段的系统管理 135
5.5.1系统管理概述 135
5.5.2系统管理的作用 137
5.5.3系统管理信息库SMIB及其访问 138
5.5.4SMK状态 139
5.5.5系统管理服务和作用过程 140
5.5.6地址与地址分配 143
5.6FF的功能块 145
5.6.1功能块的内部结构与功能块连接 145
5.6.2功能块中的用户应用块 147
5.6.3功能块的块参数 149
5.6.4功能块服务 153
5.6.5功能块对象字典 154
5.6.6功能块应用 156
5.7设备描述与设备描述语言 156
5.7.1设备描述 156
5.7.2设备描述的参数分层 157
5.7.3设备描述语言 157
5.7.4DD的开发 159
5.7.5CFF文件 161
5.8FF通信控制器与网卡 161
5.8.1FF的通信控制器FB3050 161
5.8.2基于FB3050的网卡设计 176
5.9H1的网段配置 179
5.9.1H1网段的构成 179
5.9.2网段长度 181
5.9.3H1网段的接地、屏蔽与极性 183
第6章 PROFIBUS 185
6.1PROFIBUS概述 185
6.1.1PROFIBUS简介 185
6.1.2PROFIBUS的组成 187
6.1.3PROFIBUS的通信参考模型 188
6.1.4PROFIBUS的主站与从站 189
6.1.5PROFIBUS总线访问控制的特点 189
6.2PROFIBUS的通信协议 191
6.2.1PROFIBUS的物理层及其网络连接 191
6.2.2PROFIBUS的数据链路层 195
6.2.3PROFIBUS的MAC协议 198
6.3PROFIBUS-DP 199
6.3.1PROFIBUS-DPV0 200
6.3.2PROFIBUS-DP的GSD文件 202
6.3.3PROFIBUS-DPVl 203
6.3.4PROFIBUS-DPV2 205
6.4PROFIBUS站点的开发与实现 209
6.4.1PROFIBUS的站点实现 209
6.4.2PROFIBUS的从站实现方案 216
6.4.3PROFIBUS的主站实现方案 218
6.4.4PROFIBUS系统的初始化过程 218
6.4.5PROFIBUS系统实现中的常见错误 220
6.4.6PROFIBUS的网络监听器 222
6.5PROFIBUS-PA 223
6.5.1PROFIBUS-PA的基本特点 224
6.5.2PROFIBUS的DP／PA连接接口 224
6.5.3PROFIBUS-PA总线的安装 226
第7章 工业以太网 229
7.1工业以太网简介 229
7.1.1工业以太网与以太网 229
7.1.2工业以太网的特色技术 231
7.1.3通信非确定性的缓解措施 233
7.2以太网的物理连接与帧结构 234
7.2.1以太网的物理连接 234
7.2.2以太网的帧结构 235
7.2.3以太网的通信帧结构与工业数据封装 236
7.3TCP／IP协议组 237
7.3.1TCP／IP协议组的构成 237
7.3.2IP协议 238
7.3.3用户数据报协议 242
7.3.4传输控制协议TCP 242
7.3.5简单网络管理协议SNMP 244
7.4实时以太网 245
7.4.1几种实时以太网的通信参考模型 245
7.4.2实时以太网的媒体访问控制 246
7.4.3IEEE1588精确时间同步协议 247
7.5PROFINET 250
7.5.1PROFINET的网络连接 250
7.5.2IO设备模型及其数据交换 251
7.5.3组件模型及其数据交换 257
7.5.4PROFINET通信的实时性 259
7.5.5PROFINET与其他现场总线系统的集成 261
7.5.6PROFINET的IP地址管理与数据集成 262
7.6EtherNet／IP 264
7.6.1EtherNet／IP的通信参考模型 264
7.6.2CIP的对象与标识 265
7.6.3EtherNet／IP的报文种类 266
7.6.4EtherNet／IP的技术特点 267
7.7高速以太网HSE 267
7.7.1HSE的系统结构 267
7.7.2HSE与现场设备间的通信 269
7.7.3HSE的柔性功能块 269
7.7.4HSE的链接设备 270
7.8嵌入式以太网节点与基于Web的远程监控 270
7.8.1嵌入式以太网节点 270
7.8.2基于Web技术的远程监控 272
第8章 LonWorks控制网络 277
8.1LonWorks技术概述及应用系统结构 277
8.1.1LonWorks控制网络的基本组成 278
8.1.2LonWorks节点 278
8.1.3路由器 280
8.1.4LonWorksInternet连接设备 280
8.1.5网络管理 281
8.1.6LonWorks技术的性能特点 282
8.2LonWorks网络中分散式通信控制处理器——神经元芯片 283
8.2.1处理单元 284
8.2.2存储器 284
8.2.3输入输出 285
8.2.4通信端口 287
8.2.5时钟系统 289
8.2.6睡眠-唤醒机制 289
8.2.7ServicePin 289
8.2.8Watchdog定时器 290
8.3通信 290
8.3.1双绞线收发器 290
8.3.2电力线收发器 295
8.3.3其他类型介质 296
8.3.4路由器 297
8.4LonWorks通信协议——LonTalk 301
8.4.1LonTalk协议概述 301
8.4.2LonTalk的物理层通信协议 304
8.4.3LonTalk协议的网络地址结构及对大网络的支持 305
8.4.4LonTalkMAC子层 306
8.4.5LonTalk协议的链路层 308
8.4.6LonTalk协议的网络层 308
8.4.7LonTalk协议的传输层和会话层 308
8.4.8LonTalk协议的表示层和应用层 309
8.4.9LonTalk协议的网络管理和网络诊断 309
8.4.10LonTalk协议的报文服务 309
8.4.11LonTalk网络认证 310
8.5面向对象的编程语言——NeuronC 310
8.5.1定时器 311
8.5.2网络变量 311
8.5.3显式报文 312
8.5.4调度程序 315
8.5.5附加功能 315
8.6LonWorks的互操作性 315
8.6.1LonMark协会 316
8.6.2收发器和物理信道准则 316
8.6.3应用程序准则 316
8.7LonWorks节点开发工具 320
8.7.1LonBuilder多节点开发工具 320
8.7.2NodeBuilder节点开发工具 321
8.8LNS网络操作系统 322
8.8.1概述 322
8.8.2LNS网络工具 324
8.9应用系统 325
8.9.1LonWorks技术在楼宇自动化抄表系统中的应用 325
8.9.2LonWorks技术在炼油厂原油罐区监控系统中的应用 327
8.9.3LonWorks在某铝电解厂槽控机中的应用 329
第9章 几种控制网络的特色技术 333
9.1ControlNet 333
9.1.1并行时间域多路存取 333
9.1.2ControlNet的帧结构 333
9.1.3通信调度的时间分片方法 334
9.1.4ControlNet的虚拟令牌 336
9.1.5ControlNet的显性报文与隐性报文 336
9.2WorldFIP 337
9.2.1WorldFIP技术简介 337
9.2.2WorldFIP通信 337
9.2.3WorldFIP的通信控制器 339
9.2.4新一代FIP 341
9.3Interbus的通信特色 341
9.3.1Interbus简介 341
9.3.2识别周期与数据传输周期 342
9.3.3Interbus的数据环单总帧协议 342
9.3.4Interbus的总线适配控制板 344
9.4ASI控制网络 345
9.4.1ASI的网络构成 345
9.4.2ASI的主从通信 346
9.4.3ASI的报文格式 346
9.4.4主节点的通信功能 347
9.4.5从节点的通信接口 348
9.5DeviceNet 350
9.5.1DeviceNet技术简介 350
9.5.2DeviceNet的通信参考模型 351
9.5.3DeviceNet的物理层和物理媒体 351
9.5.4DeviceNet的对象模型 352
9.5.5DeviceNet的连接与连接标识 352
9.5.6DeviceNet的通信方式 354
9.5.7DeviceNet的设备描述 355
9.6几种总线技术简介 356
9.6.1SwiftNet 356
9.6.2HART 357
9.6.3智能分布式系统SDS 359
9.6.4Seriplex与CEBUS 360
9.6.5光总线 361
第10章 短程无线数据通信 363
10.1无线数据通信的标准及其相关技术 363
10.1.1关于短程无线数据通信 363
10.1.2无线通信的一组术语 364
10.1.3无线局域网标准 366
10.2蓝牙无线微微网 367
10.2.1蓝牙技术简介 367
10.2.2蓝牙微微网与主从设备 368
10.2.3蓝牙协议和应用行规 369
10.2.4蓝牙设备的通信连接 369
10.2.5蓝牙设备的状态与状态转移 371
10.2.6蓝牙的安全管理 372
10.2.7蓝牙基带控制器芯片MT1020A 373
10.2.8蓝牙应用系统 374
10.3ZigBee低速短程网 375
10.3.1ZigBee的技术特点 375
10.3.2ZigBee的通信参考模型 376
10.3.3ZigBee的设备类型 379
10.3.4ZigBee的网络拓扑 380
10.3.5ZigBee的设备地址、寻址与路由 381
10.3.6ZigBee的节能与安全 384
10.3.7ZigBee通信节点芯片CC2430 385
10.3.8ZigBee的应用系统 388
结束语控制网络技术的比较与选择 390
主要参考文献 391