《《現(xiàn)場總線控制技術(shù)》教學(xué)大綱(總14頁)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《現(xiàn)場總線控制技術(shù)》教學(xué)大綱(總14頁)（14頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、《現(xiàn)場總線控制技術(shù)》教學(xué)大綱 課程名稱：現(xiàn)場總線控制技術(shù) 適用班級：2016級電氣自動化技術(shù) 輔導(dǎo)教材：《工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)》 王振力等編著 人民郵電出版社 一、本課程的地位、任務(wù)和作用 本課程綜合了電子、儀器儀表、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最新發(fā)展成果，旨在介紹現(xiàn)場總線這一自控領(lǐng)域的新技術(shù)，使學(xué)生了解工業(yè)自動化領(lǐng)域當(dāng)今世界自控技術(shù)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。 本課程的主要任務(wù)是使學(xué)生在了解工業(yè)自動化的發(fā)展歷程以及在現(xiàn)場總線技術(shù)中使用的基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，掌握目前在工業(yè)現(xiàn)場使用最多的PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA的基本原理和具體應(yīng)用，對工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、AS-i技術(shù)及與現(xiàn)場總線密切相關(guān)

2、的OPC技術(shù)和IEC61131-3編程語言等新技術(shù)也要有所認(rèn)識。通過本課程的學(xué)習(xí)能獨(dú)立承擔(dān)和開展現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)相關(guān)的研究工作。 二、本課程的相關(guān)課程 《可編程序控制器》、《可視化數(shù)據(jù)處理技術(shù)》、《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》，《機(jī)電傳動與控制》，《單片機(jī)原理與應(yīng)用》，《自動控制原理》等課程。 三、本課程的基本內(nèi)容及要求 教學(xué)基本要求： 第1章 概述 了解現(xiàn)場總線與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展，了解現(xiàn)場總線與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。 第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 掌握通信模型、數(shù)據(jù)傳輸、傳輸媒體、傳輸數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)通信接口和差錯檢測與校正的概念及方法，了解多路復(fù)用技術(shù)的構(gòu)成及使用方法。 第3章

3、現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu) 了解網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念，掌握開放系統(tǒng)互連參考模型中的若干重要概念及 現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的建立方法和特點(diǎn)，了解現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 第4章 媒體訪問控制技術(shù) 了解媒體訪問控制技術(shù)的概念，掌握集中控制型受控訪問方法，了解ALOHA隨機(jī)訪問方法和CSMA隨機(jī)訪問方法，了解物理環(huán)訪問方法和令牌總線訪問方法。 第5章 位傳輸現(xiàn)場總線 了解位傳輸總線的基本概念，和汽車總線的分類，了解CAN總線體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，了解CAN控制器、CAN總線收發(fā)器、CAN節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法，了解CAN總線應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。 第6章 設(shè)備現(xiàn)場總線 了解設(shè)備現(xiàn)場總線的基本概念，掌握Pro

4、fibus總線的特點(diǎn)、體系結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品開發(fā)的基本方法。 第7章 FF現(xiàn)場總線 了解基金會現(xiàn)場總線種類及體系結(jié)構(gòu)，了解FF-H1物理層、FF-H1通信棧、FF-H1用戶層以及FF的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。 第8章 工業(yè)以太網(wǎng) 了解工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和基本特性，了解高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線 FF-HSE。 第9章 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與集成 了解企業(yè)信息網(wǎng)的一般組成，了解現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)應(yīng)用過程，掌握一種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成技術(shù)，了解連接設(shè)備的應(yīng)用方法，了解OPC技術(shù)及其應(yīng)用。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求： 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要讓學(xué)生了解現(xiàn)場總線的基本原理和結(jié)構(gòu)，以西門子Profibus 總線為例，學(xué)

5、習(xí)現(xiàn)場總線規(guī)范，通訊控制芯片，接口設(shè)計(jì)及應(yīng)用編程和操作等，并介紹了幾種常用的現(xiàn)場總線技術(shù)。 1、S7-200PLC與觸摸屏的串口通訊，用RS485串口電纜將CPU226直接連接到觸摸屏，在觸摸屏上組態(tài)一個按鈕和一個指示燈，操作電梯運(yùn)行，并正確顯示指示燈的狀態(tài) 2、S7-200PLC與計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件的PPI協(xié)議通訊，用PPI電纜將CPU226接到工控機(jī)的串口上，在計(jì)算機(jī)上用MCGS軟件直接操作電梯的運(yùn)行，主要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是：在MCGS中設(shè)置PPI通訊協(xié)議，組態(tài)一個按鈕和一個狀態(tài)指示燈，操作電梯運(yùn)行，并正確顯示指示燈的狀態(tài)。 3、Step7v5.4編程基礎(chǔ)，S7-300plc組態(tài)（2學(xué)時，選做

6、，驗(yàn)證型），熟悉Step7v5.4軟件的操作環(huán)境和使用步驟以及怎樣在SIMATIC管理器中創(chuàng)建項(xiàng)目。 4、用一臺計(jì)算機(jī)同時連接S7 -300和S7 –400 PLC，在WINCC中，建立兩個設(shè)備，分別連接300PLC和400PLC，在畫面上組態(tài)兩個數(shù)值輸入單元分別讀寫兩套PLC中的數(shù)據(jù)。 5、S7-300plc 之間的Modbus通訊實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時，選做，驗(yàn)證型），熟悉現(xiàn)場總線Modbus網(wǎng)絡(luò)通訊的基本原理和Step7硬件組態(tài)，掌握S7-300PLC編程和兩個PLC之間網(wǎng)絡(luò)通訊的具體方法。 6、S7-300plc之間的DP通訊實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時，選做，驗(yàn)證型），熟悉現(xiàn)場總線DP網(wǎng)絡(luò)通訊的基本原理

7、，掌握S7-300PLC編程和兩個PLC之間DP網(wǎng)絡(luò)通訊的具體方法。 7、MCGS通過Modbus 協(xié)議控制風(fēng)機(jī)變頻器的啟停和調(diào)速，在計(jì)算機(jī)和變頻器之間，連接RS485通訊電纜，修改變頻器的參數(shù)，將變頻器啟、停和速度給定模式切換成串口模式，在MCGS中組態(tài)變頻器的按鈕和速度設(shè)定，最終實(shí)現(xiàn)在計(jì)算上啟、停變頻器并調(diào)整速度。 四、習(xí)題數(shù)量及要求 為幫助學(xué)生理解和鞏固本課程的基本概念、理論與基本分析、設(shè)計(jì)方法，從鞏固基礎(chǔ)和提高能力方面安排習(xí)題，也可以根據(jù)授課內(nèi)容布置學(xué)生撰寫設(shè)計(jì)論文。 五、教學(xué)方式與考核方式 教學(xué)方式：面授輔導(dǎo)、平時作業(yè) 考核方式：考勤、作業(yè)和考試 六、幾點(diǎn)說明 推

8、薦教材和主要參考書： 推薦教材：《工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)》 王振力等編著 人民郵電出版社 主要參考書： 1.張鳳登編著. 現(xiàn)場總線技術(shù)與應(yīng)用. 北京：科學(xué)出版社.2008 2.陽憲惠主編. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用(第2版). 北京：清華大學(xué)出版社.2008 3.陳在平編.著現(xiàn)場總線及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 北京：電子工業(yè)出版社.2008 4.李正軍編著. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2009 5.王永華.現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用教程. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007 6.李正軍主編.現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 7.王常力、羅安主編.集散型控制系統(tǒng)選

9、型與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社，1996 《現(xiàn)場總線控制技術(shù)》復(fù)習(xí)范圍 復(fù)習(xí)題 1、假設(shè)某個信道的帶寬為600Hz，且信噪比為3dB，這個信道的容量是多少？ 解答：香農(nóng)公式 B＝600Hz，(SNR)dB＝10lgSNR＝3dB，所以SNR＝2 根據(jù)香農(nóng)公式（2－9），得 C=600log2(1+2)=600*1.58=950 bps 2、一個數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)要求其工作在19200bps。 ⑴ 如果一個信號單元可編碼成4比特的單字，那么所需要的最小信道帶寬為多少？ ⑵ 在8比特單字的情況下又是多少？ 解答：根據(jù)奈奎斯特公式 C=2Blog2 M

10、，C=19200， ⑴ M=4，B=4800bps；⑵ M=8，B=3200bps； 3、信道的帶寬為10kHz，功率為1000W，操作環(huán)境溫度為50℃，則這個信道的熱噪聲值為多少？ 解答： k為玻爾茲曼常數(shù)，其值為1.380310-23J/oK；T為絕對溫度。我們認(rèn)為噪聲與頻率無關(guān)。因此，在B Hz帶寬內(nèi)的熱噪聲N用瓦（W）表示就是： （2－5） N一般用分貝-瓦(dB-W)表示： N=-228.6+10lg（273+50）+10lg104 = -228.6+25.1+40 =-183.5dB-W 4、假設(shè)信道所要求的容量為20Mbps，信道帶寬為3MHz，為了達(dá)到

11、這一信道容量，要求信噪比為多少？ 解答：香農(nóng)公式，B＝3MHz 根據(jù)香農(nóng)公式得 C=3106 log2(1+SNR)=20106 SNR=104-1=103，（SNR）dB=10lgSNR=2 dB 5、假設(shè)信道所要求的容量為20Mbps，信道帶寬為6MHz，為了達(dá)到這一信道容量，要求信噪比為多少？ 解答：香農(nóng)公式，B＝6MHz 根據(jù)香農(nóng)公式得 C=6106 log2(1+SNR)=20106 SNR=10-1=9，（SNR）dB=10lgSNR=1 dB 6、同軸電纜是兩根導(dǎo)線的傳輸系統(tǒng)，如果將外層導(dǎo)體接地會有什么好處？ 解答：外殼接地時,外電場不會影響到內(nèi)部,內(nèi)電

12、場也不會影響到外部，所以同軸電纜外導(dǎo)體接地有屏蔽內(nèi)外信號互相干擾的好處，能提高信號質(zhì)量，并提高信號傳輸速率。 7、某個NRZ1數(shù)字信號編碼中，前一個比特的信號電平是高，這種編碼情況下，試畫出比特流的波形圖。 解答：NRZ1數(shù)字信號編碼的規(guī)則是：當(dāng)前比特跟前一個比特相同表示“0”，當(dāng)前比特跟前一個比特不相同表示“1”。 8、某個NRZ1數(shù)字信號編碼中，前一個比特的信號電平是高，這種編碼情況下，試畫出比特流的波形圖。 解答：NRZ1數(shù)字信號編碼的規(guī)則是：當(dāng)前比特跟前一個比特相同表示“0”，當(dāng)前比特跟前一個比特不相同表示“1”。 9、下圖中的波形圖是用曼徹斯特編碼后的二

13、進(jìn)制數(shù)據(jù)流，求一個比特周期的起始和終止時間（也就是說，提取時鐘信息），并寫出其表示的數(shù)據(jù)序列。 解答：在曼徹斯特編碼中，每比特周期的中央存在一個跳變。比特中央位置的跳變不僅表示了數(shù)據(jù)，而且還提供了定時機(jī)制：從高到低的跳變遷表示0，從低到高的跳變表示1。 圖示數(shù)據(jù)為： 10、某個二進(jìn)制的信號編碼用曼徹斯特編碼，畫出比特流的波形圖。 解答：在曼徹斯特編碼中，每比特周期的中央存在一個跳變。比特中央位置的跳變不僅表示了數(shù)據(jù)，而且還提供了定時機(jī)制：從高到低的跳變遷表示0，從低到高的跳變表示1。 圖示數(shù)據(jù)為： 11、假設(shè)有一個10,000個字符的文件以2400bps的速

14、率經(jīng)過一條線路傳送。 （1）如果使用異步傳輸，試計(jì)算其額外開銷有多少比特及其傳輸時間。假設(shè)每個字符包含有一個起始比特、一個1比特長的停止單元以及該字節(jié)本身的8個比特。這8個比特字符完全由數(shù)據(jù)比特組成，無檢驗(yàn)比特。 解答：每8個比特?cái)?shù)據(jù)需要2個bit額外開銷。所以總共額外開銷=1000082=2500bit；傳輸時間=（10000810）2400=5.2秒 （2）如果使用同步傳輸，試計(jì)算其額外開銷有多少比特及其傳輸時間。假設(shè)數(shù)據(jù)以幀傳送，每個幀包含了1000個字符，也就是8000比特，以及48個控制比特的額外開銷。 解答：每8000個比特?cái)?shù)據(jù)需要48個bit額外開銷。所以總共額外開銷=（

15、Int（100008000）+1）48=96bit；傳輸時間=（10000+96）2400=4.2秒 12、假設(shè)有一個100,000個字符的文件以2400bps的速率經(jīng)過一條線路傳送。 （1）如果使用異步傳輸，試計(jì)算其額外開銷有多少比特及其傳輸時間。假設(shè)每個字符包含有一個起始比特、一個1比特長的停止單元以及該字節(jié)本身的8個比特。這8個比特字符完全由數(shù)據(jù)比特組成，無檢驗(yàn)比特。 （2）如果使用同步傳輸，試計(jì)算其額外開銷有多少比特及其傳輸時間。假設(shè)數(shù)據(jù)以幀傳送，每個幀包含了1000個字符，也就是8000比特，以及48個控制比特的額外開銷。 解答：（1）每8個比特?cái)?shù)據(jù)需要2個bit額外開銷

16、。所以總共額外開銷=10000082=25000bit；傳輸時間=（100000810）2400=52秒 解答：（2）每8000個比特?cái)?shù)據(jù)需要48個bit額外開銷。所以總共額外開銷=（Int（1000008000）+1）48=624bit；傳輸時間=（100000+624）2400=42秒 13、假設(shè)文件長度為10,000個字符，數(shù)據(jù)率為9600bps的速率經(jīng)過一條線路傳送。 （1）如果使用異步傳輸，試計(jì)算其額外開銷有多少比特及其傳輸時間。假設(shè)每個字符包含有一個起始比特、一個1比特長的停止單元以及該字節(jié)本身的8個比特。這8個比特字符完全由數(shù)據(jù)比特組成，無檢驗(yàn)比特。 （2）如果使用同

17、步傳輸，試計(jì)算其額外開銷有多少比特及其傳輸時間。假設(shè)數(shù)據(jù)以幀傳送，每個幀包含了1000個字符，也就是8000比特，以及48個控制比特的額外開銷。 解答：（1）每8個比特?cái)?shù)據(jù)需要2個bit額外開銷。所以總共額外開銷=1000082=2500bit；傳輸時間=（10000810）9600=1.3秒 解答：（2）每8000個比特?cái)?shù)據(jù)需要48個bit額外開銷。所以總共額外開銷=（Int（100008000）+1）48=96bit；傳輸時間=（10000+96）9600=1.05秒 14、IEC61158通信接口被多種現(xiàn)場總線（如FF-H1、Profibus-PA）作為物理層標(biāo)準(zhǔn)，它有哪兩條主

18、要功能，采用何種協(xié)議編碼，這種編碼方案應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)中有什么好處？ IEC61158.2用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與總線之間的連接，其基本功能是為現(xiàn)場總線設(shè)備與傳輸媒體的連接提供機(jī)械和電氣接口，為現(xiàn)場總線設(shè)備對總線的訪問提供合乎規(guī)范的信號。采用協(xié)議數(shù)據(jù)編碼，這種編碼的優(yōu)點(diǎn)是在每個時鐘周期的中間，都必然會存在一次電平的跳變，接收端利用位中間脈沖跳變很容易分離出同步時鐘信號，也就是說，發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)編碼中隱含了同步時鐘，因此不必另外設(shè)置同步信號。 15、IEC61158通信接口為現(xiàn)場設(shè)備提供哪兩種2種供電方式，各種供電方式的應(yīng)用場合有何區(qū)別？ IEC為現(xiàn)場設(shè)備提供兩種供電方式：總線供電和非總線供電。

19、總線供電是現(xiàn)場設(shè)備直接從總線上獲得工作能源；非總線供電是總線上的現(xiàn)場設(shè)備，其工作電源來自外部電源，而不是取自總線。在總線供電的場合，總線既要傳送數(shù)字信號，又要向現(xiàn)場設(shè)備供電。 16、IEC61158通信接口的傳輸速率是多少？傳輸媒體有哪些？ 按照IEC61158.2標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率為31.25kbps，IEC61158.2支持的傳輸媒體包括：雙絞線、多芯電纜、光纜和無線媒體。 17、敘述IEC61158通信接口標(biāo)準(zhǔn)中傳輸距離與傳輸導(dǎo)線的對應(yīng)關(guān)系。 在傳輸速率為31.25kbps時，下表列出了傳輸距離與傳輸導(dǎo)線的對應(yīng)關(guān)系 傳輸距離與傳輸導(dǎo)線的對應(yīng)關(guān)系 線纜類型 名稱 傳輸速

20、率 最大傳輸距離 A 屏蔽雙絞線 31.25kbps 1900m B 屏蔽多對雙絞線 31.25kbps 1200m C 屏蔽多對雙絞線 31.25kbps 400m D 屏蔽多芯電纜 31.25kbps 200m 18、現(xiàn)場總線的物理層可選用的傳輸技術(shù)主要有三種，分別為IEC61158.2傳輸技術(shù)、RS-485傳輸技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)，分別描述各自的主要特性。 IEC61158.2傳輸技術(shù)：用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與總線之間的連接，其基本功能是為現(xiàn)場總線設(shè)備與傳輸媒體的連接提供機(jī)械和電氣接口，為現(xiàn)場總線設(shè)備對總線的訪問提供合乎規(guī)范的信號。作為機(jī)械接口，由于現(xiàn)場

21、總線的傳輸媒體一般為兩根導(dǎo)線，如雙絞線，因而其機(jī)械接口相對較為簡單。功能分為發(fā)送和接收兩種，物理層作為工業(yè)現(xiàn)場的電氣接口，還具備電氣隔離、信號濾波、總線供電等功能。 RS-485傳輸技術(shù)：允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護(hù)特性；采用兩線差分平衡傳輸，使用一對雙絞線，大多數(shù)RS-485的端口連接采用半雙工通信方式。有多個驅(qū)動器和接收器共享一條信號通路，只用一對差分平衡線路 標(biāo)準(zhǔn) 項(xiàng)目 RS-485 最大傳輸距離 1200m（速率100kbps） 最大傳輸速率 10Mbps（距離12m） 驅(qū)動器最小輸出（V） 1.5 驅(qū)動器最大輸出（V）

22、 6 接收器敏感度（V） 0.2 最大驅(qū)動器數(shù)量 32單位負(fù)載 最大接收器數(shù)量 32單位負(fù)載 電氣特征類型 平衡 光纖：光纖的傳輸距離僅受波長的影響，衰減率極低，同時為了更有效增大傳輸距離，一般都采用1.55m零色散波長光纖，同時利用摻餌光纖放大器作為接收機(jī)的前置放大器或在光纖線路中作為中繼器，可使光纖的傳輸距離為幾十公里，甚至上百公里。光纖采用的是光譜技術(shù)，沒有泄漏信號的現(xiàn)象，也不受電磁波和高頻失真的影響，使它更適合有危險(xiǎn)的、高壓的或者泄漏信號、干擾信號很強(qiáng)的環(huán)境。 19、開放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種新的解決方案是采用生產(chǎn)者/用戶（Producer/Consumer）數(shù)據(jù)傳輸模

23、式，請解釋這種模式，并與源/目的模式做出比較。 解答：源/目的模式是以通信節(jié)點(diǎn)地址為中心的編碼方式，適合于點(diǎn)對點(diǎn)的通信。源/目的模式采用應(yīng)答式通信，數(shù)據(jù)幀中必須包含源地址和目的地址。如果網(wǎng)絡(luò)要向多個設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，則需要對這些設(shè)備分別進(jìn)行“呼”、“應(yīng)”通信，即使是同一數(shù)據(jù)，也需要傳送多次，從而增加了網(wǎng)絡(luò)的通信量，造成網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)效率的降低，但這種模式的可靠性較高。 生產(chǎn)者/用戶（producer/consumer）模式是以數(shù)據(jù)為中心的編碼方式，生產(chǎn)者在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)出一個數(shù)據(jù)幀后，用戶便可根據(jù)其中的標(biāo)識符來判斷是否消費(fèi)該數(shù)據(jù)。生產(chǎn)者/用戶模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)同時從單個數(shù)據(jù)源獲取相同的數(shù)

24、據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、多點(diǎn)和廣播通信。 生產(chǎn)者/用戶模式下，當(dāng)一個設(shè)備欲給其它多個設(shè)備發(fā)送同一信息時，這個設(shè)備只需發(fā)送一次數(shù)據(jù)，其它設(shè)備便都能接收到該數(shù)據(jù)，也不需要重復(fù)地發(fā)送，從而可節(jié)省大量的時間，提高網(wǎng)絡(luò)效率。另外，在這種模式下，節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)精確的同步化；系統(tǒng)的組織方式也可以很靈活，能夠組成主/從、多主或?qū)Φ鹊耐ㄐ沤Y(jié)構(gòu)。 生產(chǎn)者/用戶模式的格式與常用的源/目的格式的比較如圖所示。 20、測控通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膽?yīng)用信息一般歸類為三種，分別是周期性數(shù)據(jù)、事件性數(shù)據(jù)和關(guān)鍵性數(shù)據(jù)。給出它們的定義，并舉例說明。 21、試畫出IEC建議的現(xiàn)場總線通信模型與ISO/OSI

25、參考模型之間的關(guān)系，并說明這樣分層的目的和優(yōu)點(diǎn)。 IEC建議的現(xiàn)場總線通信模型使用了ISO/OSI七層參考模型的三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。省去了ISO/OSI參考模型七層中的3~6層，即不具備網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層與表示層。不過它又在原有ISO/OSI參考模型第7層之上增加了新的一層——用戶層。這樣可將通信模型視為四層，其中物理層規(guī)定了信號如何發(fā)送；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定如何在設(shè)備之間共享網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行調(diào)度通信；應(yīng)用層則規(guī)定了在設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請求應(yīng)答中的信息格式。用戶層則用于組成用戶所需要的應(yīng)用程序，如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能塊、設(shè)備描述，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等。TS61158總線

26、標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了測控自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)，是一個不同于IT技術(shù)、具有嶄新框架的通信協(xié)議，可廣泛應(yīng)用于過程控制、制造自動化等領(lǐng)域。 22、試畫出發(fā)布/預(yù)訂接收型調(diào)度通信的鏈路結(jié)構(gòu)，說明調(diào)度數(shù)據(jù)的存儲方式和傳遞方法。 LAS內(nèi)有一張預(yù)定調(diào)度時間表（STL，Schedule Time List），一旦到了某臺設(shè)備要發(fā)送信息的時間，LAS就發(fā)送一個強(qiáng)制數(shù)據(jù)令牌（CD，Compel Data token）給這臺設(shè)備。該設(shè)備收到了這個CD令牌后，就可以向總線上發(fā)送它的信息。如圖3-18所示，LAS發(fā)出CD（a），設(shè)備a收到后，就立即將其緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)幀DT（a）形式向連接在總線上的所有設(shè)備進(jìn)行

27、廣播，數(shù)據(jù)將被在系統(tǒng)組態(tài)時設(shè)定的接收設(shè)備接收。發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為發(fā)布者（publisher），而接收數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為預(yù)訂接收者（subscriber）。 23、定義并比較三個變量：行走時間，循環(huán)時間及傳播延遲時間。 節(jié)點(diǎn)1發(fā)完數(shù)據(jù)并且經(jīng)過一定的傳播時間后，主機(jī)就向節(jié)點(diǎn)2發(fā)出探詢分組。再經(jīng)過一定的傳播時間，探詢分組到達(dá)節(jié)點(diǎn)2。節(jié)點(diǎn)2要識別這個探詢分組（即根據(jù)探詢分組的地址捕捉到這個探詢分組），則又需要一些時間。上述這幾種時間之總和即為ω2，它代表節(jié)點(diǎn)1把發(fā)送權(quán)轉(zhuǎn)交給節(jié)點(diǎn)2所需的時間；ω2也稱為行走時間（walk time）。 這樣，輪詢?nèi)抗?jié)點(diǎn)一周所用的時間，就是各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時間ti與行

28、走時間ωi的總和（圖4-5），我們將這個時間稱為循環(huán)時間，并記為tc。 播延遲時間分組從發(fā)送端發(fā)出，到達(dá)接收端所需要的時間，它跟傳輸?shù)男盘柡兔襟w有關(guān)。 24、（4.2節(jié)行走時間L的計(jì)算）。 設(shè)主機(jī)向各節(jié)點(diǎn)發(fā)出的探詢幀為定長（如幀長為48bit），則探詢幀的發(fā)送時間tp亦為定長，N 個節(jié)點(diǎn)共需時間 Ntp。又設(shè)每個節(jié)點(diǎn)識別探詢分組平均需時間ts，N個節(jié)點(diǎn)共需時間Nts。再設(shè)各節(jié)點(diǎn)沿多點(diǎn)線路均勻分布，而主機(jī)到最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)N的單程傳播時間為τ，整個探詢系統(tǒng)的行走時間L為： 25、在輪叫探尋系統(tǒng)中，現(xiàn)假設(shè)N＝10，節(jié)點(diǎn)間的距離為500km，傳播延遲為10s/km，ts＝10ms，線路容量

29、C＝2400bps，探詢幀長為48bit。試求整個探詢系統(tǒng)的行走時間L。當(dāng)分組長度服從指數(shù)分布，其平均長度l/＝1200bit時。算出當(dāng)ρ＝0時、ρ＝0.5時的W。 解：根據(jù)已知條件，得主機(jī)到最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)N的單程傳播時間τ＝5001010-5(s)＝50ms。 這時，整個系統(tǒng)的傳播延遲為(10+1)50＝550ms。 由線路容量C和探詢幀長度，可得tp＝48/2400(s)＝20ms 代入4-14式算出 L＝N*tp+N*ts+（N+1）*τ=200+100+550=850ms＝0.85s 若分組長度服從指數(shù)分布，由（4－13）式可得： 當(dāng)ρ＝0時，W＝L/2＝425ms＝0

30、.425s 當(dāng)ρ＝0.5時，W＝0.85(1-0.5/10)/[2(1-0.5)]+12000.5/[2400(1-0.5)]=0.71s 26、傳遞探詢的系統(tǒng)中，現(xiàn)假設(shè)N＝10，節(jié)點(diǎn)間的距離為500km，傳播延遲為10s/km，ts＝10ms，線路容量C＝2400bps，探詢幀長為48bit。試求整個探詢系統(tǒng)的行走時間L。當(dāng)分組長度服從指數(shù)分布，其平均長度l/＝1200bit時。算出當(dāng)ρ＝0時、ρ＝0.5時的W。計(jì)算L 和算出當(dāng)ρ＝0時、ρ＝0.5時的W。 解：主機(jī)到最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)N的單程傳播時間τ＝5001010-5(s)＝50ms 由（4－15）式，L=Nts+2τ得L＝10

31、10+250＝200ms＝0.2s 若分組長度服從指數(shù)分布，由（4－13）式可得： 當(dāng)ρ＝0時，W＝L/2＝100ms＝0.1s 當(dāng)ρ＝0.5時，W＝0.2(1-0.5/10)/[2(1-0.5)]+12000.5/[2400(1-0.5)]=0.37s 27、 CAN 幀的位流采用非歸零碼（NRZ）方法編碼。這意味著，在整個位時間內(nèi)維持有效電平，要么為顯性，要么為隱性。其缺點(diǎn)是：在連續(xù)出現(xiàn)數(shù)值相同的位較多時，沒有用于各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同步的邊沿。CAN總線采用什么方法克服這一缺點(diǎn)，請簡述其原理。 幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場和 CRC 序列中使用了位填充，即發(fā)送器在5個相同

32、極性的位后插入一個相反極性的附加位。于是，使用附加沿的后同步就可以進(jìn)行了。 28、 怎樣理解CAN總線的非破壞性總線仲裁技術(shù)？ CAN總線是使用的無損仲裁方式（即你所指的非破壞性仲裁）：就是當(dāng)兩個或者以上的不同ID節(jié)點(diǎn)“同時”向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時候，優(yōu)先級最高的就能直接發(fā)送，優(yōu)先級低的就自動退回，等待空閑時候再向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，所以對于優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)來說“發(fā)送時間”就是無損的。（相對來說以太網(wǎng)就不是這種模式，是每一個節(jié)點(diǎn)都要退回來，隨機(jī)一個時間再發(fā)送出去，沒有優(yōu)先級的意思，所以從理論概念上說實(shí)時性差一些） 29、 CAN 協(xié)議采用 CSMA/CA 方法進(jìn)行媒體訪問控制。假設(shè)當(dāng)前總線上

33、有三個節(jié)點(diǎn)需要使用總線，它們的標(biāo)識符分別是①；②；③。試在下圖中畫出三個參與者的仲裁過程和仲裁過程中的總線電平。 解答： 30、 CAN 協(xié)議采用 CSMA/CA 方法進(jìn)行媒體訪問控制。假設(shè)當(dāng)前總線上有三個節(jié)點(diǎn)需要使用總線，它們的標(biāo)識符分別是①；②；③。試在下圖中畫出三個參與者的仲裁過程和仲裁過程中的總線電平。 解答： 31、 CAN報(bào)文的優(yōu)先權(quán)是如何確定的？ 采用面向報(bào)文的優(yōu)先級控制方式，用標(biāo)識符定義靜態(tài)的報(bào)文優(yōu)先權(quán)?；诟偁幍闹俨靡揽繕?biāo)識符和緊隨其后 RTR 位完成。具有不同標(biāo)識符的兩個幀，優(yōu)先權(quán)就體現(xiàn)在幀中，較高優(yōu)先權(quán)的標(biāo)識符具有較低的二進(jìn)制數(shù)值。若具有

34、相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時被初始化，數(shù)據(jù)幀具有更高優(yōu)先權(quán)，這一點(diǎn)是通過RTR位的數(shù)值體現(xiàn)的 32、 CAN節(jié)點(diǎn)有那些手段保證數(shù)據(jù)傳送的安全性？ 正是由于汽車對數(shù)據(jù)傳送安全性的要求較高，因此，最初為這一領(lǐng)域設(shè)計(jì)的CAN協(xié)議非常重視錯誤檢測功能。這些機(jī)制包括：監(jiān)測、填充規(guī)則校驗(yàn)、幀校驗(yàn)、15位CRC檢驗(yàn)和應(yīng)答檢驗(yàn)。 簡答題： 1、基金會現(xiàn)場總線 H1（FF-H1）是一個純粹的現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)F的H1總線的傳輸速率為31.25kbps，最大傳輸距離為1900m。FF設(shè)計(jì)的高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線HSE傳輸速率為100Mbps，最大傳輸距離為100m補(bǔ)償了H1總線的不足。 2、按照設(shè)

35、備的通信能力，F(xiàn)F-H1總線把通信設(shè)備分為三類：鏈路主設(shè)備、基本設(shè)備和網(wǎng)橋。 3、FF-H1總線中的鏈路主設(shè)備是指那些有能力成為LAS的設(shè)備；基本設(shè)備是指不具備成為LAS能力的設(shè)備。 4、FF-H1總線中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中幾個總線段進(jìn)行擴(kuò)展連接時，用于兩個總線段之間的連接設(shè)備稱為網(wǎng)橋，屬于鏈路主設(shè)備。 5、FF-H1現(xiàn)場總線中的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元（DLPDU，Data Link Protocol Data Unit）是什么，主要有哪幾個部分組成？ 答：數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元（DLPDU，Data Link Protocol Data Unit）提供數(shù)據(jù)鏈路的協(xié)議控制信息。協(xié)議控制信息由

36、三部分組成。第一部分是幀控制信息，它只有一個8位字節(jié)，指明了該DLPDU 的種類、地址長度、優(yōu)先權(quán)等；第二部分是數(shù)據(jù)鏈路地址，包括目的地址與源地址，第三部分用于指明該類DLPDU 的參數(shù)。 6、基金會現(xiàn)場總線的LAS應(yīng)具有哪幾種基本功能？ 答： ① 向設(shè)備發(fā)送強(qiáng)制數(shù)據(jù)令牌 CD。按照鏈路活動調(diào)度器內(nèi)擁有的調(diào)度表，向網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備發(fā)送CD。調(diào)度表內(nèi)只保存發(fā)送CD DLPDU的請求，其余功能分散在各調(diào)度實(shí)體之間。 ② 向設(shè)備發(fā)送傳遞令牌PT，為它們提供發(fā)送非周期數(shù)據(jù)的機(jī)會。 ③ 為新入網(wǎng)的設(shè)備探測未被采用過的地址。當(dāng)為新設(shè)備找好地址后，把它們加入到設(shè)備活動表（LL，the Live L

37、ist）中。 ④ 監(jiān)視設(shè)備對PT令牌的響應(yīng)，當(dāng)設(shè)備既不能隨著PT順序進(jìn)入使用，也不能將令牌返還時，就從活動表中去掉這些設(shè)備。 ⑤ 定期對總線段發(fā)布數(shù)據(jù)鏈路時間和調(diào)度時間。 7、基金會現(xiàn)場總線的鏈路活動調(diào)度權(quán)競爭是如何實(shí)現(xiàn)的？ 答： 當(dāng)一個總線段上存在多個鏈路主設(shè)備時，一般要經(jīng)過一個鏈路活動調(diào)度權(quán)的競爭過程，贏得競爭的鏈路主設(shè)備成為LAS。在系統(tǒng)啟動或正在運(yùn)行的LAS 出錯而失去LAS 作用時，總線段上的鏈路主設(shè)備就會通過競爭爭奪 LAS 權(quán)。競爭過程中將選擇具有最低節(jié)點(diǎn)地址的鏈路主設(shè)備作為LAS。因此，在設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)時，可以給希望成為LAS的鏈路主設(shè)備分配一個低的節(jié)點(diǎn)地址。然而，

38、希望成為LAS的鏈路主設(shè)備并不一定能贏得競爭而真正成為LAS。例如，在系統(tǒng)啟動時的競爭中，某個設(shè)備的初始化可能比另一個鏈路主設(shè)備慢，因而，盡管它具有更低的節(jié)點(diǎn)地址，也不能贏得競爭而成為LAS。 具有低節(jié)點(diǎn)地址的鏈路主設(shè)備加入到已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)時，由于網(wǎng)段上已經(jīng)有了一個在崗LAS，在沒有出現(xiàn)新的競爭之前，它也不可能成為LAS。 如果確實(shí)想讓某個鏈路主設(shè)備成為 LAS，數(shù)據(jù)鏈路層提供了申請成為 LAS 的幀 CL，可以通過發(fā)送CL幀，要求將LAS 轉(zhuǎn)交給它。不過要在該設(shè)備網(wǎng)絡(luò)管理信息庫（NMIB）的組態(tài)中置入這一信息，以便能讓設(shè)備了解到希望把LAS 轉(zhuǎn)交給它的這種要求。 8、為了把

39、設(shè)備中的各種通信協(xié)議集成起來，并監(jiān)督其運(yùn)行，現(xiàn)場總線基金會采用了網(wǎng)絡(luò)管理者/網(wǎng)絡(luò)管理代理工作模式。請簡述網(wǎng)絡(luò)管理的主要功能有哪些？并畫出網(wǎng)絡(luò)管理者/網(wǎng)絡(luò)管理代理以及被管理對象之間的關(guān)系。 答：網(wǎng)絡(luò)管理負(fù)責(zé)以下工作： (1) 下載由虛擬通信關(guān)系組成的VCR 表或表中某個單一條目； (2) 對通信棧組態(tài)； (3) 下載鏈路活動調(diào)度表（LAS）； (4) 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能監(jiān)督； (5) 差錯判斷監(jiān)視。 9、基金會現(xiàn)場總線采用的是系統(tǒng)管理者/代理者工作方式。簡單敘述系統(tǒng)管理的作用。畫出系統(tǒng)管理內(nèi)核與其他部分的關(guān)系圖。 答：系統(tǒng)管理用以協(xié)調(diào)分布式現(xiàn)場總線系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行。基金會現(xiàn)場

40、總線采用的是系統(tǒng)管理者/代理者工作方式。在這一方式中，每個設(shè)備的系統(tǒng)管理內(nèi)核（SMK，System Management Kernel）承擔(dān)了代理者任務(wù)，并響應(yīng)來自系統(tǒng)管理者（SMgr，System Manager）實(shí)體的指示。系統(tǒng)管理可以全部包含在一個設(shè)備中，也可以分布在多個設(shè)備之間。 系統(tǒng)管理的作用： (1) 現(xiàn)場設(shè)備地址分配； (2) 設(shè)備識別； (3) 位號查詢； (4) 應(yīng)用時鐘同步； (5) 功能塊調(diào)度。 ⑴ 資源塊 資源塊（resource block）描述現(xiàn)場設(shè)備的特征，如制造商、設(shè)備名稱、系列號等。每臺設(shè)備中僅有一個資源塊。為了使資源塊能夠表達(dá)這些特征，規(guī)

41、定了一組參數(shù)，但沒有輸入或輸出參數(shù)。資源塊將功能塊與設(shè)備硬件特性相隔離，可以通過資源塊在網(wǎng)絡(luò)上訪問與資源塊相關(guān)的設(shè)備的硬件特性。 資源塊也有相應(yīng)的算法，用來監(jiān)視和控制物理設(shè)備硬件的一般操作。其算法的執(zhí)行取決于物理設(shè)備的特性，由制造商規(guī)定，該算法可能引起事件的發(fā)生。 ⑵ 轉(zhuǎn)換塊 轉(zhuǎn)換塊（transducer block）用于讀取傳感器中的硬件數(shù)據(jù)，并寫入到相應(yīng)的要接收這一數(shù)據(jù)的硬件中。轉(zhuǎn)換塊從傳感器中讀取數(shù)據(jù)的頻率是可以設(shè)定的。它不含有運(yùn)用該數(shù)據(jù)的功能塊，這樣便于把讀取、寫入數(shù)據(jù)的過程從制造商的專有物理I/O 特性中分離出來，提供功能塊的設(shè)備入口，并執(zhí)行一些功能。 轉(zhuǎn)換塊包含有量程數(shù)據(jù)、傳感器類型、標(biāo)定日期、線性化、I/O 數(shù)據(jù)表示等信息。它可以加入到本地讀取傳感器功能塊或硬件輸出功能塊中， 通常每個輸入或輸出功能塊內(nèi)部都會有一個轉(zhuǎn)換塊。 ⑶ 功能塊 功能塊（function block）包括了圖 7-10 所示功能模塊的參數(shù)、算法和事件等各個組成部分，由外部事件驅(qū)動功能塊的執(zhí)行，通過算法把輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)化為輸出參數(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的控制功能。