串行通信 現場總線（網絡）

  串行通信

        串行通信是指使用一條資料線，将資料一位一位地依次傳輸，每一位資料占據一個固定的時間長度。其隻需要少數幾條線就可以在系統間交換資訊，特别适用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信。發送和接收到的每一個字元實際上都是一次一位的傳送的，每一位為1或者為0。

在通信領域内，資料通信中按每次傳送的資料位數，通信方式可分為：并行通信和串行通信。在并行通信中，一個位元組（8位）資料是在8條并行傳輸線上同時由源傳到目的地。而在串行通信方式中，資料是在單條1位寬的傳輸線上一位接一位地順序傳送。這樣一個位元組的資料要分8次由低位到高位按順序一位位地傳送。

       串行通信又分為串行同步通信和串行異步通信。

同步通信是一種連續串行傳送資料的通信方式，一次通信隻傳送一幀資訊。要求發送時鐘和接收時鐘保持嚴格的同步。

異步通信中，在異步通信中有兩個比較重要的名額：字元幀格式和波特率。資料通常以字元或者位元組為機關組成字元幀傳送。字元幀由發送端逐幀發送，通過傳輸線被接收裝置逐幀接收。發送端和接收端可以由各自的時鐘來控制資料的發送和接收，這兩個時鐘源彼此獨立，互不同步。接收端檢測到傳輸線上發送過來的低電平邏輯"0"（即字元幀起始位）時，确定發送端已開始發送資料，每當接收端收到字元幀中的停止位時，就知道一幀字元已經發送完畢。

串行異步通信時的資料格式：是計算機通信中最常用的資料資訊傳輸方式。

⑴ 起始位：起始位必須是持續一個比特時間的邏輯“0”電平，标志傳送一個字元的開始。

⑵ 資料位：資料位為5-8位，它緊跟在起始位之後，是被傳送字元的有效資料位。傳送時先傳送字元的低位，後傳送字元的高位。資料位究竟是幾位，可由硬體或軟體來設定。

⑶ 奇偶位：奇偶校驗位僅占一位，用于進行奇校驗或偶校驗，也可以不設奇偶位。

⑷ 停止位：停止位為1位、1.5位或2位，可有軟體設定。它一定是邏輯“1”電平，标志着傳送一個字元的結束。

⑸ 空閑位：空閑位表示線路處于空閑狀态，此時線路上為邏輯“1”電平。空閑位可以沒有，此時異步傳送的效率為最高。

串行異步通信時的資料接收

串行異步通信時，接收方不斷地檢測或監視串行輸入線上的電平變化，當檢測到有效起始位出現時，便知道接着是有效字元位的到來，并開始接收有效字元，當檢測到停止位時，就知道傳輸的字元結束了。經過一段随機時間間隔之後，又進行下一個字元的傳送過程。 

   串行通信協定

       最被人們熟悉的串行通信技術标準RS-232、RS-422和RS-485。目前EIA-232是 PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。此外，USB是英文 Universal Serial Bus 的縮寫，是“通用串行總線”。最大特性是支援即插即用和熱插拔功能。但是，在工業領域，使用USB接口的産品則甚為少見。在工業領域，人們更要求産品的可靠性和穩定性，目前，EIA标準下的串行通信技術完全可以滿足人們對工業裝置傳輸的各種性能要求，而且，這些産品價格非常低廉。相比之下，USB價格較高，并且其即插即用的功能在工業通信中沒有優勢。因為工業裝置一般連接配接好以後很少進行重複插拔，USB特性的優越性不能很好地被展現出來，也就得不到工業界的普遍認可。是以，在工業領域，EIA标準依然占據統治地位。

總線          

 總線（Bus）是計算機各種功能部件之間傳送資訊的公共通信幹線，它是由導線組成的傳輸線束， 按照計算機所傳輸的資訊種類，計算機的總線可以劃分為資料總線、位址總線和控制總線，分别用來傳輸資料、資料位址和控制信号。總線是一種内部結構，它是cpu、記憶體、輸入輸出裝置傳遞資訊的公用通道，主機的各個部件通過總線相連接配接，外部裝置通過相應的接口電路再與總線相連接配接，進而形成了計算機硬體系統。在計算機系統中，各個部件之間傳送資訊的公共通路叫總線，微型計算機是以總線結構來連接配接各個功能部件的。

  如果說主機闆（Mother Board）是一座城市，那麼總線就像是城市裡的公共汽車（bus），能按照固定行車路線，傳輸來回不停運作的比特（bit）。這些線路在同一時間内都僅能負責傳輸一個比特。是以，必須同時采用多條線路才能傳送更多資料，而總線可同時傳輸的資料數就稱為寬度（width），以比特為機關，總線寬度愈大，傳輸性能就愈佳。總線的帶寬（即機關時間内可以傳輸的總資料數）為：總線帶寬 = 頻率 x 寬度（Bytes/sec）。當總線空閑（其他器件都以高阻态形式連接配接在總線上）且一個器件要與目的器件通信時，發起通信的器件驅動總線，發出位址和資料。其他以高阻态形式連接配接在總線上的器件如果收到（或能夠收到）與自己相符的位址資訊後，即接收總線上的資料。發送器件完成通信，将總線讓出（輸出變為高阻态）。

現場總線 （網絡 ）

 現場總線是指以工廠内的測量和控制機器間的數字通訊為主的網絡，也稱現場網絡。也就是将傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進行特化的網絡。這些機器間的主體配線是ON/OFF、接點信号和模拟信号，通過通訊的數字化，使時間分割、多重化、多點化成為可能，進而實作高性能化、高可靠化、保養簡便化、節省配線（配線的共享）。它是一種工業資料總線，是自動化領域中底層資料通信網絡。

 簡單說，現場總線就是以數字通信替代了傳統4-20mA模拟信号及普通開關量信号的傳輸，是連接配接智能現場裝置和自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統。主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場裝置間的數字通信以及這些現場控制裝置和進階控制系統（PC上位軟體）之間的資訊傳遞問題。

現場總線是當今3C(Computer、Communication、Control)技術發展的結合點，也是過程控制技術、自動化儀表技術和計算機網絡技術發展的交彙點，是資訊技術、網絡技術的發展在控制領域的集中展現，是資訊技術、網絡技術延伸到現場的必然結果。

根據國際電工委員會(IEC，International Electrotechnical Commission)标準和現場總線基金會(FF，Fieldbus Foundation)的定義，現場總線是連接配接智能現場裝置和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。現場總線技術将專用微處理器置入傳統的測量控制儀表，使其都具有數字計算和數字通信能力，成為能獨立承擔某些檢測、控制和通信任務的網絡節點。通過普通雙絞線把多個測量控制儀表、計算機等作為節點連接配接成的網絡系統;使用公開、規範的通信協定，在位于生産控制現場的多個微機化測控裝置之間、以及現場儀表與用作監控、管理的遠端計算機之間，實作資料傳輸與資訊共享，形成各種适應實際需要的自動控制系統。

現場總線主要是面向過程控制，除傳輸數字與模拟信号的直接資訊外，還可傳輸控制資訊，網絡交換的資料單元是幀(Frame)。與集散控制系統(Distributed Control System，DCS) 相比，現場總線控制系統(Fieldbus Control System，FCS)具有可靠性高以及更好的安全性、互換性和互操作性、開放性、分散性等優點。

綜上所述，現場總線是将自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表裝置互連的實時控制通信網絡，它遵循ISO/OSI開放系統互聯參考模型的全部或部分通信協定。

特征：

(1) 全數字化通信

(2) 開放型的網際網路絡

(3) 互可操作性與互用性

(4) 現場裝置的智能化

(5) 系統結構的高度分散性

(6) 對現場環境的适應性

總線特點：

現場控制裝置具有通信功能，便于構成工廠底層控制網絡。

通信标準的公開、一緻，使系統具備開放性，裝置間具有互可操作性。

功能塊與結構的規範化使相同功能的裝置間具有互換性。

控制功能下放到現場，使控制系統結構具備高度的分散性。

總線優點：

現場總線使自控裝置與系統步入了資訊網絡的行列，為其應用開拓了更為廣闊的領域；

一對雙絞線上可挂接多個控制裝置， 便于節省安裝費用；

節省維護開銷；

提高了系統的可靠性；

為使用者提供了更為靈活的系統內建主動權。

總線缺點：

       網絡通信中資料包的傳輸延遲，通信系統的瞬時錯誤和資料包丢失，發送與到達次序的不一緻等都會破壞傳統控制系統原本具有的确定性，使得控制系統的分析與綜合變得更複雜，使控制系統的性能受到負面影響。

發展趨勢：

從現場總線技術本身來分析，它有兩個明顯的發展趨勢：

        一是尋求統一的現場總線國際标準

        二是Industrial Ethernet走向工業控制網絡

可以預見Ethernet技術将會十分迅速地進入工業控制系統的各級網絡。

國際上形成的工業以太網技術的四大陣營：

主要用于離散制造控制系統的是：

  Modbus-IDA工業以太網

  Ethernet/IP工業以太網

  PROFInet工業以太網

主要用于過程控制系統的是：Foundation Fieldbus HSE工業以太網

總線并存

世界上存在着大約四十餘種現場總線，

      德國西門子公司Siemens的ProfiBus，RoberBosch公司的CAN，美國的DeviceNet與ControlNet等。

工業總線網絡可歸為三類：485網絡、HART網絡、FieldBus現場總線網絡。

485網絡：RS485/MODBUS是現在流行的一種工業組網方式，其特點是實施簡單友善，而且支援RS485的儀表又特别多。儀表商也紛紛轉而支援RS485/MODBUS，原因很簡單， RS485的轉換接口不僅便宜而且種類繁多。至少在低端市場上，RS485/MODBUS仍将是最主要的工業組網方式。

HART網絡：HART是由艾默生提出的一個過渡性總線标準，主要特征是在4-20毫安電流信号上面疊加數字信号，但該協定并未真正開放，要加入他的基金會才能拿到協定，而加入基金會要一定的費用。從長遠來看，由于HART通信速率低、組網困難等原因，HART儀表的應用将呈下滑趨勢。

FieldBus現場總線網絡：現場總線是當今自動化領域的熱點技術之一，被譽為自動化領域的計算機區域網路。它的出現标志着自動化控制技術又一個新時代的開始。其關鍵标志是能支援雙向、多節點、總線式的全數字化通信。現場總線技術成為國際上自動化和儀器儀表發展的熱點，它的出現使傳統的控制系統結構産生了革命性的變化，使自控系統朝着“智能化、數字化、資訊化、網絡化、分散化”的方向進一步邁進，形成新型的網絡通信的全分布式（分散）控制系統——現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)。然而，現場總線還沒有形成真正統一的标準，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多種标準并行存在，并且都有自己的生存空間。何時統一，遙遙無期。支援現場總線的儀表種類還比較少，可供選擇的餘地小，價格又偏高，用量也較小。

 分布式（分散）控制系統 ： 以微處理器為基礎，采用控制功能分散（多裝置分散）、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協調的設計原則的新一代儀表控制系統。

注意事項

 現場總線逐漸在工業現場推廣，不少裝置不但具有傳統儀表的功能，而且還具備現場總線的功能、在DCS（分布式控制系統）中，現場總線被廣泛應用。

現場總線在使用中需要注意以下幾個問題：

1）通信距離。現場總線的通信距離一般有一定的要求，例如，PROFIBUS/DP在12Mbps速率時，采用标準電纜，可以達到200m，如果采用187.5kbps速率，可以達到1000m。通信距離有兩層含義，第一個，是兩個節點之間不通過中繼器能夠實作的距離，一般來說，距離和通信速率成反比；另一個，是整個網絡最遠的兩個節點之間的距離。往往在廠家的介紹材料中對于此類的描述不夠清楚，在實際使用中，必須考慮整個網絡的範圍，電磁波信号在電纜中傳遞是需要時間的，特别在—些高速的現場總線中，如果增大距離，就必須對一些通信參數進行修改；

2）線纜選擇。現場的環境決定現場總線的通信速度和通信媒體。一般而言，現場總線采用電信号傳遞資料，在傳輸的過程中不可避免地收到周圍電磁環境的影響。大多數現場總線采用屏蔽雙絞線。必須注意的是，不同種類現場總線要求的屏蔽雙絞線可能是不同的。現場總線的開發者一般規定一種特制的線纜，在正确使用這種線纜的條件下才能實作規定的速率和傳輸距離。在電磁條件極度惡劣的條件下，光纜是合理的選擇，否則局部的幹擾，可能影響整個現場總線網絡的工作；

3）隔離。一般來說，現場總線的電信号與裝置内部是電氣隔離的。現場總線電纜分布在工廠中的房間的各個角落，一旦發生高電壓串入，會造成整個網段所有裝置的總線收發器損壞。如果不加以隔離，高電壓信号會繼續将裝置内部其他電路損壞，導緻嚴重的後果；

4）屏蔽。現場總線采用的屏蔽電纜的外層必須在一點良好接地，如果高頻幹擾嚴重，可以采用多點電容接地，不允許多點直接接地，避免産生地回路電流；

5）連接配接器。現場總線一般沒有對連接配接器做嚴格的規定，但是如果處理不當，會影響整個系統通信。例如，現場總線一般采用總線型菊花鍊連接配接方式，在連接配接每一個裝置時，必須注意如何不影響在現有通信的條件下，實作裝置插入和摘除，這對連接配接器就有一定的要求；

6）終端比對。現場總線信号和所有電磁波信号一樣具有反射現象，在總線每一個網段的兩個終端，都應該采用電阻比對，第一個作用可以吸收放射，第二個作用是在總線的兩端實作正确的電平，保證通信。

是以，現場總線技術是控制、計算機、通訊技術的交叉與內建，它的出現和快速發展展現了控制領域對降低成本、提高可靠性、增強可維護性和提高資料采集的智能化的要求。

比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、醫藥、冶金等行業的過程控制領域；

LonWorks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet适用于樓宇、交通運輸、農業等領域；

DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造業，而這些劃分也不是絕對的。

主流現場總線

1、基金會現場總線（FoundationFieldbus 簡稱FF）

2、CAN（ControllerAreaNetwork控制器區域網路）

       最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領域，其總線規範已被ISO國際标準組織制定為國際标準，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支援。CAN協定分為二層：實體層和資料鍊路層。CAN的信号傳輸采用短幀結構，傳輸時間短，具有自動關閉功能，具有較強的抗幹擾能力。CAN支援多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術，通過設定優先級來避免沖突，通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達40M /1Mbp/s，網絡節點數實際可達110個。已有多家公司開發了符合CAN協定的通信晶片。

3、Lonworks  它采用ISO/OSI模型的全部7層通訊協定，采用面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設定。

4、DeviceNet   美國的

      DeviceNet是一種低成本的通信連接配接  也是一種簡單的網絡解決方案，有着開放的網絡标準。DeviceNet具有的直接互聯性不僅改善了裝置間的通信而且提供了相當重要的裝置級陣地功能。DeviceNet基于CAN技術，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s,每個網絡的最大節點為64個，其通信模式為：生産者/客戶（Producer/Consumer），采用多信道廣播資訊發送方式。位于DeviceNet網絡上的裝置可以自由連接配接或斷開，不影響網上的其他裝置，而且其裝置的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結構是Open DeviceNet Vendor Association（開放式裝置網絡供應商協會，簡稱“ODVA”）。

5、PROFIBUS    6、HART     7、CC-Link      8、WorldFIP     9、INTERBUS  

       現場總線技術是控制、計算機、通訊技術的交叉與內建，幾乎涵蓋了所有連續、離散工業領域，如過程自動化、制造加工自動化、樓宇自動化、家庭自動化等等。

       現場總線技術的發展展現為兩個方面：

一個是低速現場總線領域的不斷發展和完善；

另一個是高速現場總線技術的發展。

 而現場總線産品主要是低速總線産品，應用于運作速率較低的領域，對網絡的性能要求不是很高。從實際應用狀況看，大多數現場總線，都能較好地實作速率要求較低的過程控制。國内廠商的規模相對較小，研發能力較差，更多的是依賴技術供應商的支援，比較容易受現場總線技術供應商 (晶片制造商等)對國内的支援和市場推廣力度的影響。而且，還有一個不可忽視的一點就是在建構自動化管理系統時，選擇的上位機，比如 組态軟體  對總線裝置的支援程度，有些監控組态軟體，比如紫金橋監控組态軟體或者InTouch等對一些主流的總線裝置比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有着良好的支援，通過DDE、OPC或者直接連接配接等方式進行通訊，采集資料。這樣可以友善使用者的選擇，而一些組态軟體則支援的種類較少，是使用者選擇的範圍也随之減少。

          工廠自動化資訊網絡可分為以下三層結構：工廠管理級、工廠中的房間監控級、現場裝置級

而現場總線是工廠底層裝置之間的通信網絡。這裡先介紹一下以太網，這裡特指工業以太網，工業以太網是作為辦公室自動化領域衍生的工業網絡協定，按習慣主要指IEEE 802.3協定，如果進一步采用TCP/IP協定族，則采用“以太網+TCP/IP”來表示，其技術特點主要适合資訊管理、資訊處理系統，并在IT業得到了巨大的成功。在工廠管理級、工廠中的房間監控級資訊內建領域中，工業以太網已有不少成功的案例，在裝置層對實時性沒有嚴格要求場合也有許多應用。由于現場總線種類繁多，标準不一，很多人都希望以太網技術能介入裝置低層，廣泛取代現有現場總線技術，施耐德公司就是該想法的積極倡導者和實踐者，已有一批工業級産品問世和實際應用，以太網還不能夠真正解決實時性和确定性問題，大部分現場層仍然會首選現場總線技術。由于技術的局限和各個廠家的利益之争，這樣一個多種工業總線技術并存，以太網技術不斷滲透的現狀還會維持一段時間。使用者可以根據技術要求和實際情況來選擇所需的解決方案。