第1章 现场总线与工业以太网概述 1
1.1现场总线的现状与发展 1
1.1.1现场总线的产生 1
1.1.2现场总线的本质 2
1.1.3现场总线的特点和优点 3
1.1.4现场总线标准的制定 5
1.1.5现场总线的现状 6
1.1.6现场总线网络的实现 7
1.1.7现场总线技术的发展趋势 8
1.2工业以太网的产生与发展 9
1.2.1以太网引入工业控制领域的技术优势 9
1.2.2工业以太网与实时以太网 11
1.2.3 IEC 61784-2标准 11
1.2.4工业以太网技术的发展现状 13
1.2.5工业以太网技术的发展趋势与前景 15
1.3企业网络信息集成系统 18
1.3.1企业网络信息集成系统的层次结构 18
1.3.2现场总线的作用 21
1.3.3现场总线与上层网络的互联 22
1.3.4现场总线网络集成应考虑的因素 23
1.4现场总线设备 23
1.4.1现场总线设备的分类与特点 24
1.4.2现场总线差压变送器 25
1.4.3现场总线温度变送器 26
1.4.4现场总线阀门定位器 27
1.4.5现场总线电动执行器 28
1.4.6现场总线-气压转换器 29
1.4.7电流-现场总线转换器 29
1.4.8现场总线-电流转换器 30
1.4.9现场总线接口类设备 30
1.4.10现场总线仪表圆卡 30
1.5现场总线简介 31
1.5.1基金会现场总线（FF） 31
1.5.2 CAN 32
1.5.3 DeviceNet 32
1.5.4 LonWorks 34
1.5.5 PROFIBUS 35
1.5.6 HART 35
1.5.7 INTERBUS 36
1.5.8 CC-Link 37
1.5.9 ControlNet 41
1.5.10 WorldFIP 44
1.5.11P-Net 45
1.5.12 SwiftNet 45
1.5.13 AS-i 45
1.5.14 RS-485 46
1.6工业以太网简介 46
1.6.1工业以太网的主要标准 46
1.6.2 IDA 47
1.6.3 Ethernet/IP 48
1.6.4 EtherCAT 49
1.6.5 Ethernet Powerlink 50
1.6.6 PROFINET 51
1.6.7 HSE 56
1.6.8 EPA 57
习题 57
第2章 网络与通信基础 58
2.1数据通信基础 58
2.1.1基本概念 58
2.1.2通信系统的组成 60
2.1.3数据编码 61
2.1.4通信系统的性能指标 62
2.1.5信号的传输模式 66
2.1.6局域网及其拓扑结构 67
2.1.7网络传输介质 68
2.1.8介质访问控制方式 70
2.1.9 CRC校验 71
2.2现场控制网络 72
2.2.1现场控制网络的节点 73
2.2.2现场控制网络的任务 74
2.2.3现场控制网络的实时性 74
2.3网络硬件 75
2.3.1网络传输技术 75
2.3.2局域网 76
2.3.3城域网 77
2.3.4广域网 77
2.3.5无线网 77
2.3.6互联网 77
2.4网络互联 78
2.4.1基本概念 78
2.4.2网络互联规范 78
2.4.3网络互联操作系统 78
2.4.4现场控制网络互联 79
2.5网络互联设备 79
2.5.1中继器 79
2.5.2网桥 80
2.5.3网关 81
2.5.4路由器 81
2.6通信参考模型 81
2.6.1 OSI参考模型 81
2.6.2 TCP/IP参考模型 85
2.6.3 OSI参考模型和TCP/IP参考模型的比较 87
2.6.4现场总线的通信模型 88
2.7 netX网络控制器 90
2.7.1 netX系列网络控制器 90
2.7.2 netX系列网络控制器的软件结构 92
2.7.3 netX可用的协议堆栈 93
2.7.4基于netX网络控制器的产品分类 94
2.7.5开发工具和测试板 97
2.7.6设计服务 97
2.7.7价格模式 97
2.8 ARM处理器 98
2.8.1ARM处理器概述 98
2.8.2 ARM体系架构的版本 98
2.8.3 ARM处理器的分类 99
2.9网络操作系统与工控组态软件 101
2.9.1 Windows操作系统 101
2.9.2 Netware 101
2.9.3 Windows CE 101
2.9.4 VxWorks 101
2.9.5 μC/OS-Ⅱ 101
2.9.6 Linux 102
2.9.7工控组态软件 102
2.10 OPC技术 102
2.10.1 OPC技术概述 102
2.10.2 OPC关键技术 103
2.10.3 OPC DA规范 104
2.10.4工业控制领域中的OPC应用实例 106
2.11 Web技术 107
2.11.1 Web技术概述 107
2.11.2 Web服务端技术 108
2.11.3 Web客户端技术 109
2.11.4 SCADA系统中的Web应用方案设计 109
习题 110
第3章 串行通信与Modbus - RTU通信协议 112
3.1串行通信基础 112
3.1.1串行异步通信数据格式 112
3.1.2连接握手 113
3.1.3确认 113
3.1.4中断 113
3.1.5轮询 114
3.1.6差错检验 114
3.2 RS-232C串行通信接口 115
3.2.1 RS-232C端子 115
3.2.2通信接口的连接 116
3.2.3 RS-232C电平转换器 117
3.3 RS - 485串行通信接口 117
3.3.1 RS -485接口标准 117
3.3.2 RS-485收发器 118
3.3.3应用电路 119
3.3.4 RS-485网络互联 119
3.4 USB接口 121
3.4.1 USB接口的定义 121
3.4.2 USB接口的特点 122
3.4.3 USB接口的应用 122
3.5 Modbus通信协议 122
3.5.1 Modbus通信协议概述 122
3.5.2两种传输方式 123
3.5.3 Modbus消息帧 124
3.5.4错误检测方法 127
3.5.5 Modbus的编程方法 131
3.6 PMM2000电力网络仪表及其应用 132
3.6.1 PMM2000电力网络仪表概述 132
3.6.2 PMM2000电力网络仪表 Modbus-RTU通信协议 133
3.6.3 PMM2000电力网络仪表在数字化变电站中的应用 138
习题 139
第4章CAN现场总线与CANopen 141
4.1 CAN的技术规范 141
4.1.1CAN的基本概念 142
4.1.2 CAN的分层结构 143
4.1.3报文传送和帧结构 144
4.1.4错误类型和界定 150
4.1.5位定时与同步的基本概念 151
4.1.6 CAN总线的位数值表示与通信距离 153
4.2 CAN通信控制器SJA1000 153
4.2.1 SJA1000内部结构 154
4.2.2 SJA1000引脚介绍 155
4.2.3 SJA1000应用说明 156
4.2.4 BasicCAN功能说明 157
4.2.5 PeliCAN功能说明 163
4.2.6 BasicCAN和PeliCAN的公用寄存器 165
4.3带SPI接口的CAN通信控制器MCP2515 169
4.3.1MCP2515概述 169
4.3.2 MCP2515的功能 170
4.4 CAN总线收发器 171
4.4.1CAN总线收发器概述 171
4.4.2 PCA82C250/251CAN总线收发器 171
4.4.3 TJA1050 CAN总线收发器 174
4.4.4 TJA1051CAN总线收发器 176
4.4.5 NCV7356 CAN总线单线收发器 176
4.4.6 AMIS-30660 CAN总线收发器 178
4.4.7 AMIS-30663 CAN总线收发器 179
4.4.8 AMIS-42700双高速CAN总线收发器 180
4.5 CAN总线应用节点设计 181
4.5.1硬件电路设计 181
4.5.2程序设计 182
4.6基于PCI总线的CAN智能网络通信适配器的设计 194
4.6.1 SCADA系统结构 194
4.6.2 PCI总线概述 196
4.6.3 PCI控制器CY7C09449PV 198
4.6.4 CAN智能网络通信适配器的设计 202
4.7 CAN智能节点的设计 214
4.7.1 CAN智能测控节点的一般结构 214
4.7.2 FBCAN-8 DI八路数字量输入智能节点的设计 215
4.8 CAN通信转换器的设计 217
4.8.1 CAN通信转换器概述 217
4.8.2 CAN通信转换器微控制器主电路的设计 218
4.8.3 CAN通信转换器UART驱动电路的设计 219
4.8.4 CAN通信转换器CAN总线隔离驱动电路的设计 219
4.8.5 CAN通信转换器USB接口电路的设计 220
4.9 CAN总线在汽车电子系统中的应用 220
4.9.1应用概述 220
4.9.2汽车CAN总线设计方案 220
4.10 CANopen 221
4.10.1 CANopen通信和设备模型 221
4.10.2 CANopen物理层 222
4.10.3 CANopen应用层 223
4.10.4 CANopen设备子协议 226
4.10.5 CANopen设备与网络 228
习题 230
第5章LonWorks智能控制网络 231
5.1 LonWorks智能控制网络概述 231
5.2神经元芯片 232
5.2.1神经元芯片概述 232
5.2.2神经元芯片TMPN3150B1AF 234
5.2.3网络通信端口 239
5.2.4收发器 241
5.3神经元芯片应用I/O 250
5.3.1I/O时序 251
5.3.2直接I/O对象 252
5.3.3串行I/O对象 255
5.3.4定时器/计数器I/O对象 256
5.4 LonWorks智能控制网络的组成 257
5.4.1 LonWorks智能控制网络结构 257
5.4.2 LonWorks的技术支持 259
5.5 LonTalk通信协议与LonMark对象 260
5.5.1 LonTalk协议介绍 260
5.5.2 LonTalk提供的服务 262
5.5.3介质访问控制和MAC层协议 266
5.5.4 LonTalk协议的链路层及网络层 268
5.5.5 LonTalk高层协议 269
5.5.6 LonMark对象 270
5.6 Neuron C——面向对象的编程语言 271
5.6.1Neuron C概述 271
5.6.2 Neuron C编程 271
5.6.3网络变量 272
5.6.4显式报文 272
5.7 LonWorks开发工具 273
5.7.1 LonBuilder开发工具 273
5.7.2 NodeBuilder节点开发工具 276
5.7.3第三代LNS网络工具 276
5.7.4 i.LON LonWorks互联网连接设备 277
5.8基于控制模块的LonWorks应用节点开发 277
5.8.1控制模块 278
5.8.2基于控制模块的节点开发实例 279
5.9基于PCI总线的LON网络智能适配器 284
5.9.1系统功能 284
5.9.2总体设计 284
5.9.3 CPLD译码 288
5.10 Host-Base结构节点的设计 289
5.10.1Host-Base结构节点的硬件设计 289
5.10.2 Host-Base结构节点的软件设计 291
习题 293
第6章PROFIBUS现场总线 294
6.1 PROFIBUS概述 294
6.2 PROFIBUS的协议结构 295
6.2.1 PROFIBUS-DP的协议结构 297
6.2.2 PROFIBUS-FMS的协议结构 297
6.2.3 PROFIBUS-PA的协议结构 297
6.3 PROFIBUS-DP现场总线系统 297
6.3.1 PROFIBUS-DP的三个版本 298
6.3.2 PROFIBUS-DP系统组成和总线访问控制 301
6.3.3 PROFIBUS-DP系统工作过程 304
6.4 PROFIBUS- DP的通信模型 307
6.4.1 PROFIBUS-DP的物理层 307
6.4.2 PROFIBUS-DP的数据链路层（FDL） 309
6.4.3 PROFIBUS-DP的用户层 317
6.4.4 PROFIBUS-DP用户接口 318
6.5 PROFIBUS-DP的总线设备类型和数据通信 320
6.5.1 PROFIBUS-DP总线设备与数据通信概述 320
6.5.2 DP设备类型 322
6.5.3 DP设备之间的数据通信 322
6.5.4 PROFIBUS-DP循环 325
6.5.5采用交叉通信的数据交换 327
6.5.6设备数据库文件（GSD） 327
6.6 PROFIBUS传输技术 328
6.6.1DP/FMS的RS-485传输技术和安装要点 328
6.6.2 PA的IEC1158-2传输技术和安装要点 329
6.6.3光纤传输技术 330
6.7 PROFIBUS总线存取协议 330
6.7.1 PROFIBUS-DP 331
6.7.2 PROFIBUS-PA 333
6.7.3 PROFIBUS-FMS 335
6.8从站通信控制器SPC3. 336
6.8.1 ASICs介绍 336
6.8.2功能简介 336
6.8.3引脚说明 337
6.8.4存储器分配 339
6.8.5 ASIC接口 342
6.8.6 PROFIBUS-DP接口 348
6.8.7通用处理器总线接口 349
6.8.8 UART 351
6.8.9 PROFIBUS接口 351
6.9主站通信控制器ASPC2与网络接口卡 352
6.9.1 ASPC2介绍 352
6.9.2 CP5611网络接口卡 353
6.9.3 CP5613网络接口卡 354
6.9.4 CP5511/5512网络接口卡 354
6.10 PROFIBUS-DP开发包4. 354
6.10.1开发包4 （PACKAGE 4）的组成 355
6.10.2硬件安装 358
6.10.3软件使用 358
6.11 PROFIBUS-DP从站的开发 360
6.11.1硬件电路 360
6.11.2软件开发 361
6.12 PROFIBUS-DP从站智能节点的设计 361
6.12.1 PROFIBUS-DP从站智能测控节点的一般结构 361
6.12.2 FBPRO-8DO八路数字量输出智能节点的设计 362
6.12.3 FBPRO-8DO从站的GSD文件 363
6.12.4 PROFIBUS-DP上位机通信程序设计 364
6.12.5 PROFIBUS-DP从站的测试过程 369
6.13 PROFInet技术 373
6.13.1 PROFInet部件模型 373
6.13.2 PROFInet运行期 375
6.13.3 PROFInet的网络结构 376
6.13.4 PROFInet与OPC的数据交换 377
6.14 PROFIBUS控制系统的集成技术 378
6.14.1 PROFIBUS控制系统的构成 378
6.14.2 PROFIBUS控制系统的配置 378
6.14.3 PROFIBUS系统配置中的设备选型 379
6.15 基于嵌入式通信模块COM-C的PROFIBUS-DP主站系统设计 388
6.15.1 PROFIBUS-DP主站系统设计方案 388
6.15.2基于嵌入式通信模块COM-C的DP主站硬件设计 388
6.15.3基于嵌入式通信模块COM-C的DP主站软件设计 389
6.15.4 PROFIBUS-DP主站模块在新型DCS系统中的应用 391
习题 392
第7章 基金会现场总线FF 393
7.1基金会现场总线FF 393
7.1.1基金会现场总线FF的主要技术 393
7.1.2通信系统的组成及其相互关系 395
7.1.3基金会现场总线的通信模型 397
7.1.4物理层 398
7.1.5数据链路层 401
7.1.6现场总线访问子层 403
7.1.7现场总线报文规范层 407
7.1.8网络管理 410
7.1.9系统管理 411
7.1.10 FF通信控制器 413
7.2 FF功能块参数 416
7.2.1功能块及参数概述 416
7.2.2控制变量的计算 418
7.2.3块模式参数 419
7.2.4量程标定参数 420
7.2.5错误状态和警报 421
7.3 FF的功能块库 422
7.3.1转换块和资源块 422
7.3.2功能块 422
7.4 FF的典型功能块 424
7.4.1模拟输入功能块AI 424
7.4.2模拟输出功能块AO 427
7.4.3开关量输入功能块DI 430
7.4.4开关量输出功能块DO 431
7.4.5 PID控制算法功能块PID 433
7.5功能块在串级控制设计中的应用 438
7.5.1炉温控制系统 438
7.5.2串级控制功能块连接 439
7.5.3功能块参数设置 439
习题 440
第8章CC-Link与WorldFIP现场总线 441
8.1 CC-Link现场总线 441
8.1.1 CC-Link结构及系统配置 441
8.1.2 CC-Link通信规范 441
8.1.3 CC-Link通信协议 442
8.1.4 CC-Link产品的开发 444
8.2 WorldFIP现场总线 446
8.2.1 WorldFIP现场总线概述 446
8.2.2 WorldFIP现场总线技术的体系结构 448
8.2.3 WorldFIP现场总线技术的硬件体系 450
8.2.4 WorldFIP现场总线技术的软件体系 451
8.2.5 WorldFIP现场总线技术开发工具 451
习题 453
第9章DeviceNet现场总线 454
9.1 DeviceNet概述 454
9.1.1 DeviceNet的特性 455
9.1.2对象模型 455
9.1.3 DeviceNet网络及对象模型 457
9.2 DeviceNet连接 459
9.2.1 DeviceNet关于CAN标识符的使用 459
9.2.2建立连接 460
9.3 DeviceNet报文协议 461
9.3.1显式报文 461
9.3.2输入输出报文 463
9.3.3分段/重组 463
9.3.4重复MAC ID检测协议 464
9.3.5设备监测脉冲报文及设备关闭报文 465
9.4 DeviceNet通信对象分类 465
9.5网络访问状态机制 466
9.5.1网络访问事件矩阵 467
9.5.2重复MAC ID检测 468
9.5.3预定义主/从连接组 468
9.6指示器和配置开关 470
9.6.1指示器 470
9.6.2配置开关 471
9.6.3指示器和配置开关的物理标准 471
9.6.4 DeviceNet连接器图标 472
9.7 DeviceNet的物理层和传输介质 472
9.7.1 DeviceNet物理层的结构 472
9.7.2物理层 473
9.7.3传输介质 474
9.7.4网络电源配置 476
9.8设备描述 476
9.8.1对象模型 477
9.8.2 I/O数据格式 478
9.8.3设备配置 478
9.8.4扩展的设备描述 478
9.8.5设备描述编码机制 479
9.9 DeviceNet节点的开发 480
9.9.1 DeviceNet节点的开发步骤 480
9.9.2设备描述的规划 483
9.9.3设备配置和电子数据文档（EDS） 484
习题 488
第10章 工业以太网 489
10.1 EtherCAT 489
10.1.1 EtherCAT协议概述 489
10.1.2 EtherCAT系统组成 490
10.1.3 EtherCAT应用层协议 492
10.1.4 EtherCAT从站控制芯片 494
10.1.5 EtherCAT硬件设计 495
10.1.6 EtherCAT伺服驱动器控制应用协议 495
10.2 SERCOS 496
10.2.1 SERCOS概述 496
10.2.2 SERCOS协议 497
10.2.3 SERCOS Ⅲ的接口实现 497
10.2.4 SERCOS工业应用 498
10.3 Ethernet Powerlink 498
10.3.1 POWERLINK的原理 498
10.3.2 POWERLINK网络拓扑结构 500
10.3.3 POWERLINK的实现方案 500
10.3.4 POWERLINK的应用层 502
10.3.5 POWERLINK在运动控制和过程控制的应用案例 503
10.4 EPA 503
10.4.1EPA概述 503
10.4.2 EPA技术原理 505
10.4.3基于EPA的技术开发 508
习题 511
第11章 基于现场总线与工业以太网的新型DCS的设计 512
11.1新型DCS概述 512
11.1.1通信网络的要求 512
11.1.2控制功能的要求 513
11.1.3系统可靠性的要求 513
11.1.4其他方面的要求 514
11.2现场控制站的组成 514
11.2.1 2个控制站的DCS结构 514
11.2.2 DCS测控板卡的类型 515
11.3新型DCS通信网络 516
11.3.1以太网实际连接网络 517
11.3.2双CAN网络 517
11.4新型DCS控制卡的硬件设计 518
11.4.1控制卡的硬件组成 519
11.4.2 W5100网络接口芯片 521
11.4.3双机冗余电路的设计 522
11.4.4存储器扩展电路的设计 524
11.5新型DCS控制卡的软件设计 525
11.5.1控制卡软件的框架设计 525
11.5.2双机热备程序的设计 526
11.5.3 CAN通信程序的设计 529
11.5.4以太网通信程序的设计 531
11.6控制算法的设计 533
11.6.1控制算法的解析与运行 533
11.6.2控制算法的存储与恢复 536
11.7 8通道模拟量输入板卡（8AI）的设计 537
11.7.18通道模拟量输入板卡的功能概述 537
11.7.2 8通道模拟量输入板卡的硬件组成 538
11.7.3 8通道模拟量输入板卡微控制器主电路的设计 539
11.7.4 8通道模拟量输入板卡的测量与断线检测电路设计 540
11.7.5 8通道模拟量输入板卡信号调理与通道切换电路的设计 541
11.7.6 8通道模拟量输入板卡的程序设计 542
11.8 8通道热电偶输入板卡（8TC）的设计 542
11.8.18通道热电偶输入板卡的功能概述 542
11.8.2 8通道热电偶输入板卡的硬件组成 543
11.8.3 8通道热电偶输入板卡的测量与断线检测电路设计 544
11.8.4 8通道热电偶输入板卡的程序设计 547
11.9 8通道热电阻输入板卡（8RTD）的设计 547
11.9.18通道热电阻输入板卡的功能概述 547
11.9.2 8通道热电阻输入板卡的硬件组成 548
11.9.3 8通道热电阻输入板卡的测量与断线检测电路设计 549
11.9.4 8通道热电阻输入板卡的程序设计 551
11.10 4通道模拟量输出板卡（4AO）的设计 551
11.10.1 4通道模拟量输出板卡的功能概述 551
11.10.2 4通道模拟量输出板卡的硬件组成 552
11.10.3 4通道模拟量输出板卡的PWM输出与断线检测电路设计 553
11.10.4 4通道模拟量输出板卡自检电路设计 554
11.10.5 4通道模拟量板卡输出算法设计 554
11.10.6 4通道模拟量板卡的程序设计 555
11.11 16通道数字量输入板卡（16DI）的设计 555
11.11.116通道数字量输入板卡的功能概述 555
11.11.2 16通道数字量输入板卡的硬件组成 556
11.11.3 16通道数字量输入板卡信号预处理电路的设计 556
11.11.4 16通道数字量输入板卡信号检测电路的设计 557
11.11.5 16通道数字量输入板卡的程序设计 559
11.12 16通道数字量输出板卡（16DO）的设计 559
11.12.1 16通道数字量输出板卡的功能概述 559
11.12.2 16通道数字量输出板卡的硬件组成 559
11.12.3 16通道数字量输出板卡开漏极输出电路的设计 560
11.12.4 16通道数字量输出板卡输出自检电路的设计 562
11.12.5 16通道数字量输出板卡外配电压检测电路的设计 563
11.12.6 16通道数字量输出板卡的程序设计 564
11.13 8通道脉冲量输入板卡（8PI）的设计 564
11.13.1 8通道脉冲量输入板卡的功能概述 564
11.13.2 8通道脉冲量输入板卡的硬件组成 564
11.13.3 8通道脉冲量输入板卡的程序设计 565
习题 565
参考文献 567