1、第四章,1,4.2 智能传感器的通信,4.2.1 引言 4.2.2 定义与背景 4.2.3 资源组织和标准 4.2.4 汽车协议 4.2.5 工业网络 4.2.6 办公室与楼宇自动化 4.2.7 家庭自动化 4.2.8 关于半导体的协议 4.2.9 网络通信的其它方式,第四章,2,4.2 智能传感器的通信,4.2.1 引言智能传感器的开发和大量使用，对来自分布式控制系统中传感信息的交换问题提出了许多新的要求。为了实现控制系统中的数据交换，许多企业和机构制定了众多相关协议，使统一标准相当困难，主要原因为以下两方面： 技术原因。现场的设备和仪表互联的通信网络涉及到行业的方方面面，不仅有技术难题，而
2、且有不同行业标准和用户习惯的继承，还有不同类型网络互联的协议制定。 商业利益。国际标准的制定要参照现存的企业集团或国家标准，吸取众家之长。这促使各企业拼命扩大自己已有技术在国际标准中所占份额，以货物更高市场占有率。结果互不相让，导致多种协议共存局面。,第四章,3,4.2 智能传感器的通信,4.2.2 定义与背景 1、定义传感器是内置控制系统的一部分。要创造一种可接受的协 议，这种协议将支持分布式控制的要求。选择协议时，必须考 虑系统功能和使用硬件，软件和开发工具的能力。,第四章,4,4.2 智能传感器的通信,描述系统的信息交换常用的几个术语与定义有： “协议”，它是为信息交换而达成共识的一套规
3、则。 “总线”，用于连接内部或外部电路元件并能串行或并行。其中串行入口更为普遍。器件标准总线把基本的控制元素如传感器执行器与控制器连接起来。 “复合传输”，是指几个信息结合起来通过同一通道进行传输，经过仲裁进程获准进入总线的能力。 “隐藏”，是指在限定时间段内确保有最高优先级的进入（总线），一个决定性的系统能够预见信号的将来的行动。 “数据链接控制”，是解决所有通信要求的低层执行的协议。,第四章,5,4.2 智能传感器的通信,相互作用的系统目标允许传感器或执 行器的供应商之间可互相代替。不同样式的网络见图4.2.1。从上到下， 依次为星型、环型和总线型，这是最常见的 拓扑结构。这种主从结构尽管
4、是控制网络的重要组 成部分，在许多方面即将更多地被分布式智 能式所取代。4-20mA的美国工业社会标准（ISA）作 为模拟数据传输标准超过了30年的时间，尽 管数字技术可以提供更多的系统功能并且提 高信号传输时的噪音抑制性能，许多数字接 口格式已存在于点到点或多点线路连接之间。,第四章,6,4.2 智能传感器的通信,2、背景国际标准组织（ISO）定义了一种开放系统内部互联模型OSI，它为数据 网络规划了七个层次，这些层次分别是： 第一层应用层(Application)： 用户语义、文件传输； 第二层表达层(Presentation)：数据压缩、用户数据转换； 第三层会话层(Session)：
5、同步对话结构； 第四层传输层(Transport)： 可靠数据传输器、端口间的通讯； 第五层网络层(Network)： 路由器、逻辑寻址、MAC独立接口； 第六层数据链(Data-Link)： 路层，媒介访问计划编制、误差校正； 第七层物理层(Physical)： 物理接口定义、接收发送接口。目前所有可用的或提议的标准种类很典型地是通过所有的或部分层的 出口来定义的。,第四章,7,4.2 智能传感器的通信,在一个分布式系统中，一个节点应包括传感器（或执行 器）、本地硬件和网络接口。传感器总线这个术语经常用到，当传感器用一个并行总线 提供数据，并行连接和允许数据包从不同的发送者到不同的接 收者间
6、传送。一个高水平的传感网络使用OSI模型中所有底层 以提供更多的信息并且简化用户系统的设计及维护。,第四章,8,4.2 智能传感器的通信,4.2.3 资源组织和标准 国际上有几所大学已研制了通信标准： 密歇根大学提出了密歇根平行标准MPS 代夫特工业大学研制了一种串行通信协议，集成智能传感器IS2总线是一种模拟与数字混合的双线串行总线接口。但是一个协议要求不仅仅是定义和示范硬件。实际上许多最终 决定的为人们所广泛接受的真正标准，大多是成为既成事实的实际 标准。大学制定的协议可以为工业用户接受，但其过程要比来自于 工业实际的标准耗时更长。,第四章,9,4.2 智能传感器的通信,下面讨论的重点是工
7、业已经支持的标准。总起来说，由大学、制造商和标准化 组织所研制的标准大致分四大类：汽车类标准、工业类标准、楼宇与办公自动化类 标准和家庭自动化类标准。其中： l 汽车类标准包括：J1850、J1939（CAN）、J1567C2D、J2058CSC、J2106 Token Slot、CAN、VAN、A-Bus、D2B、MI-Bus、TTP等； l 工业类标准包括：HART、DeviceNET、SmartDistributed Systems（SDSTM）、SP50fieldbus、LonTalkTM、Profibus、ASIbus、InterBus-S、Seriplex、SERCOS、IPCA、
8、ARCNet等； l 楼宇与办公自动化类标准包括：BACnet、LonTalkTM、IBIbus、Batibus、Elbus、CAB等； l 家庭自动化类标准包括：X-10、Smart House、CEBus、LonTalkTM、Michigan Parallel Standard、Integrated Smart-Sensor Bus、Time-triggered protocol等。,第四章,10,4.2 智能传感器的通信,4.2.4 汽车协议由于具有很大的容量，汽车协议的划分已经趋于规范化，并在一些产 品中获得实际应用。在汽车中，信息从一个传感器和/或数据从一个系统能与多路复用的其 它系
9、统通信，以减少传感器的数目和车辆需拥有的线路。其中两个著名的协 议已形成标准，但几个其它协议因为特定制造商的应用也同时存在。如表 4.2.1所示，汽车工程师协会SAE已建立了SAEJ1850作为在美国汽车行业多路 复用和数据通信的标准。但是在卡车和轮船的数据通信则基于Robert Bosch GmbH所提出的控制器局域网协议CAN。,第四章,11,4.2 智能传感器的通信,第四章,12,4.2 智能传感器的通信,多路复用与数据通信委员会关于SAE网络传输已定义三类传 输网络：A类、B类和C类。A类属于低速应用如车体灯光。B类用 于节点间的数据传输以排除多余传感器和其它系统设备。C类则 用于实时
10、控制系统 的快速通信与数据 传输。表4.2.2展示 了这三层数据传输 率及延迟时间。,第四章,13,4.2 智能传感器的通信,1、SAE J1850SAE J1850作为美国汽车制造商的标准协议于1994年被批准实行，1850 定义了OSI模型中的应用层数据链路层及物理层。J1850列入了两种执行版 本，PWM版本和VPW版本。二者不同之处已列在表4.2.1中。SAE J1850得到 了许多其它SAE 规范的支持。这 些都在J1850中 引用，例如J2178 信息策略文献。,第四章,14,4.2 智能传感器的通信,此外，SAE位编码技术在表4.2.2中已列出。其它普通的技术包括10位 非归零N
11、RZ、补位非归零NRZ、L-Man、E-Man和调频模型MFM，这些技术的区 别分别依据同步变量、仲裁、位传输、最大数据传输率、振荡公差和集成 度等。SAE J1850对于任一协议选择，根据按位仲裁原则，实行无破坏的优先 访问。把一次完备的信息传输定义为一帧，帧内领头部分包含的信息关注 了优先级、信息源、目标地址、信息格式和帧内响应。对于SAE J1850，每 帧仅包含一个信息，每帧的最大长度是101位。当总线空闲超过500ms时， 在一节点进入低耗或睡眠状态。在总线上的任何活动将重新唤醒它。,第四章,15,4.2 智能传感器的通信,2、CAN协议CAN是Bobert Bosch GmbH提出
12、的一种串行通信协议，初衷是应用于汽 车内部测量和执行部件之间的数据通信。现主要用于离散控制领域中的过 程监测和控制，特别是工业自动化的低层监控，解决控制与测试之间的可 靠性和实时数据交换。原CAN规则在1980年宣布，CAN2.0（修订版）在1991年宣布。CAN2.0 由A部分与B部分组成，A部分即著名的CAN2.0A与原来的CAN1.2版一致；B部 分是CAN1.2版的增强，称为扩展CAN。A部分规定了一个11位标识符定义地 址范围。增加的B部分包括扩展29位标识符定义了更大的地址范围。CAN是一种多用户协议。它允许任何网络节点在同一网络上与其它节点 通信。,第四章,16,4.2 智能传感
13、器的通信,CAN划分为不同层次： 目标层，功能包括：寻找被发送的报文，确定通过传输层接收的报文实际被使用以及提供与硬件有关应用层的接口。 传输层，实现传送规则，即控制帧结构执行仲裁错误检测出错标定和故障界定，确定开始一次新的发送，总线是否开放或是否马上接收。 物理层，该层是有关全部电气特性不同节点间位的实际传送。任何节点只要探知总线空闲就可进行一次传输。CAN特性包括用户定义信息优先级，它实际上是一非决定性系统，最高 优先级的最大潜伏时间能计算出来；较低优先级在统计的基础上决定。CAN利用载波监听，多路复用来解决冲突。仲裁技术是巧妙的，它使最 高优先级信息在最低延迟时间下得以传输。灵活的系统配
14、置允许用户选择， 这使其在自动化及工业上得到广泛应用。,第四章,17,4.2 智能传感器的通信,CAN的信息形式是一种混合形式，为可变的数据字节帧。CAN定义了四种帧类型：数据帧，远程帧，出错帧，超载帧。通过信息 识别与信息过滤的作用，信息被传输到接收节点。功能地址允许多用户节点去作用于一个单一的信息，但是在硬件中无 法保证避免用户用物理地址去获得节点到节点的地址。部分的错误检测方案是每一个信息被所有节点或无节点接收，即使一 个网络上竞争也不涉及这个被发送的信息，必须一直接收这个信息，循环 冗余码检验（CRC）和应答（ACK）接收。数据帧由7个不同的的位场组成：即帧起始仲裁场控制场数据场 CR
15、C场应答场帧结束。数据帧的组成如图4.2.2所示。,第四章,18,4.2 智能传感器的通信,数据通过远程帧获取请求，通过数据帧传送数据。远程帧不含数据场并且远程发送请求（RTR）位隐性发送，否则，远程帧将被数据帧识别。,第四章,19,4.2 智能传感器的通信,错误检测及错误发出信号是有可能的，因为CAN有一种不同的内置错误 统计功能。它有助于容错且保证已失败的节点在总线上交换信息不受限制。 一个有故障的传送结点要比其它正常节点增加其错误统计。因此，这个故 障的节点成为第一个“脱离总线”者。自动重发受损信息使无检测信息的可 能性减到最小。CAN还有一种区别功能，它能区分临时错误与持久的节点错误。
16、这使它 在更适用于自动化及工业应用的高噪音环境。这种出错帧的组成见图4.2.3。 位错、原错、CRC错误、结构错误和应答错误均可被检测出来。这种出错帧 包含由网络上不同的节点发出的错误叠加标志和错误界定符。在CAN总线上 被动错误代码和主动错误代码都是有可能出现的，这取决于节点的状态。,第四章,20,4.2 智能传感器的通信,这种CAN协议没有对物理层的寻址要求。这种接收不是指定的，而是留給用户的网络特征去定义自己的请求。已被接受的物理介质包括（但也不限于）：屏蔽或非屏蔽的双绞线、单股线、光纤和耦合动力线。RF传送也通过一些CAN系统的用户进行研制。可接收的传输率范围从5Kbps到1Mbps。
17、广泛使用的是在非归零NRZ位格式中的双绞线总线。简化系统设计的双绞线CAN 驱动是可行的。,第四章,21,4.2 智能传感器的通信,3、其它汽车业协议除上述协议之外，其它汽车协议亦已有了很大的发展，它们中的一些已被SAE规范所覆盖。这些替换性协议的实施应满足足够多的用户由此获益，同时半导体制造商愿意在硅制硬件中执行这些协议。作为一个比较，对汽车串行位通用接口系统（A-bus）和车辆局域网络（VAN）都作一讨论。,第四章,22,4.2 智能传感器的通信,A-bus由Volkswagen AG所研制。错误检测按位进行，单线与光纤均可作为传播介质。最大总线长度没有特别指定，但标准为30m。最大500
18、Kbps的数据传输率要高于在SAE J1850中所指定的速率。 VAN由法国汽车制造商Renault研制。被认为是一种ISO标准。传播途径是双绞线。最大数据传输率由用户定义，最大数目16个节点与最长数据总线20m相配。位编码是两种曼彻斯特编码形式之一，曼彻斯特编码技术在第一个半位时间用高电平1表示，在第二半位时间用低电平0来表示。,第四章,23,4.2 智能传感器的通信,奥地利的Wien技术大学已研制了一种时间触发协议（TTP）,这个协议提出通过定时算法提供未来系统的品质信息。所有的系统活动均通过实时进程触发。这种构造要求统一时钟基准。TTP支持高速分布式控制系统，这里容错操作是很关键的。 德
19、国与法国的汽车制造商协会为汽车电子学研制了一种操作系统OS标准。德语是指用于汽车电子学开放系统的操作系统即OSEKOS。它是MCU硬件的头尾扩展。它倾向于这样一种设计结构，用附加的较高的软件标准来封装较低标准，从而减小车辆中分布控制系统的软件复杂程度。这种标准允许标准化的软件成分应用于多种操作平台来降低市场的升级费用和时间。,第四章,24,4.2 智能传感器的通信,4.2.5 工业网络 分布式多路复用系统的功能很容易在工厂自动化的应用中显示出来。在许多情况下，用户完成多路复用系统安装布线需要一两个人一天的时间，而在以前要由电器技术人员好几天才能完成。还有，这些安装工作成功地一次性完成,大大降低
20、了成本。多路复用系统的布线包括一对双绞线，电源和接地。这些大大地简化了相互连线的过程，一旦形成了整个的系统策略，可以轻而易举地添加与删除节点而不需要重整系统。这些节点可以包括传感器、阀电机和灯光负载。关键是一个开放性标准和即插即用功能。,第四章,25,4.2 智能传感器的通信,工业市场有比汽车市场更多的提议和正在研发的标准。“现场总线”是在自动化工业进程中的非专有双向数字通信标准。现场总线规则将定义ISO模型中的应用层、数据链接层和物理层，带有一些四层服务定义。图4.2.4给出了一现场总线控制系统结构，以现场总线作为最高层，传感器总线作为最低层。当下“现场总线”尚未完全实现，还没有可用的半导体
21、产品去实现控制节点。而建立于实用硅制产品基础之上的两个协议是CAN和LonTalkTM，它们吸引了众多的工业用户。,第四章,26,4.2 智能传感器的通信,第四章,27,4.2 智能传感器的通信,1、CAN的工业应用CAN被Allen-Bradley和Honeywell这样的制造商在分别工业应用领域的DeviceNETTM系统及SDSTM中采用与推崇。作为对现场总线的替代，这些通信网络由于更简单和更低成本而获得发展，并被发展为一种工业标准。当然，现场总线趋向于处理更大数量的数据。所有这三种网络都已设计为实时操作，但每种处理不同量的传输数据。CAN协议已用于SDSTM和DeviceNETTM，但
22、这两种系统不具互换可操作性。两者不同之处在于物理层，这在CAN规则中没有定义，允许用户去执行不同的方式。,第四章,28,4.2 智能传感器的通信,2、LonTalkTM协议该协议由Echelon 公司提出，为部分工业界及消费应用者所接受并给予强有力的支持。该协议定义了OSI模型中的所有七个层。它使用不同的曼彻斯特编码，数据长度为256字节，通信速率高达1.25Mbps。仲裁通过预测性载波侦听和多路访问作出，具有冲突检测和优先级选择功能。LonTalkTM协议能用于支持传感器网络面向现场总线要求。一个LonWorksTM系统就基于对等的原则工作，并不要求一个主CPU，在一个特别装置里发生的事件直
23、接传输于模块之间。LonWorks控制网络技术作为一种标准被国际半导体设备材料协会SEMI选中，SEMI标准E-61规定LonWorks作为一种传感器总线，连接简单或复杂传感器和其它半导体制造设备。,第四章,29,4.2 智能传感器的通信,3、其它工业协议其它工业协议为分布式控制系统提供了便利。这里将简单介绍一些常提及的、应用比较广泛的著名协议。包括可寻址远程传感器通道HART、现场总线、过程现场总线PROFIBUS、SERCOS、Topaz和ARCNetTM协议等。,第四章,30,4.2 智能传感器的通信,（1）可寻址远程传感器通道HART1986年，Rosemount提出HART通信协议。
24、它是在420mA直流模拟信号上叠加频率调制键控FSK数字信号，既可用做420mA直流仪表，也可用做数字通信仪表。HART协议参照ISO/OSI模型的第1，2，7层，即物理层、数据链路层、和应用层，主要有以下特征：,第四章,31,4.2 智能传感器的通信,l 物理层：采用基于Bell 202通信标准的FSK调制技术,即在4-20mA直流模拟信号上叠加FSK数字信号.逻辑1为1200Hz，逻辑0为2200Hz,波特率为1200bps,调制信号为1mA或0.25V(250负载 )。用屏蔽双绞线，单台设备距离为3000m，多台设备互联距离为1500m。 l 数据链路层：数据帧长度不固定，最长25字节。
25、寻址范围0-25。当地址为0时，处于4-20mA模拟信号与数字信号通讯兼容状态；当地址为1-15时，处于全数字通讯状态，通信模式为“问答式”或“广播式”。 l 应用层：规定了三类命令:第一类是通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品；第二类是普通命令，适用于遵守HART协议的大部分产品；第三类是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品。另外,为用户提供了设备描述语言DDL。,第四章,32,4.2 智能传感器的通信,（2）过程现场总线PROFIBUS1986年,德国开始制定PROFIBUS总线标准，它由三部分组成:PROFIBUS-分布式外设DP，PROFIBUS-现场总线信息规范FMS和P
26、ROFIBUS-过程自动化PA。不同的部分针对不同的应用场合，因此PROFIBUS应用领域十分广泛。PROFIBUS以ISO/OSI模型为基础，取其物理层和数据层。FMS还采用了应用层。DP和FMS使用同样的传输技术和统一的总线访问协议，因此两系统可在同一跟踪线上混合互操作。通过段耦合或链接器，使PA系统很方便地集成到DP网络。DP和FMS有两种传输技术：一种是RS485，采用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线型， 通信速率为 9.6Kbps，距离为 1200m；通信速率为12Mbps，距离为100m。每段最多节点数为32，不支持总线供电和本安；另一种是采用光线，用于电磁兼容性要求较高和长距离要求的场
27、合。,第四章,33,4.2 智能传感器的通信,PROFIBUS采用IEC1158-2传输技术，采用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线型或树型，通信速率为31.25Kbps/1900m，每段最多节点数为32，支持总线供电和本安。PROFIBUS的通信介质访问控制方式为分布式令牌方式（混合介质存取）。主节点之间为令牌环传递方式，主节点与从节点之间为主从轮询方式。当主节点得到令牌后，允许在一定的时间内与从节点和/或其他节点通信。令牌在所有主节点中循环一周的最长时间TTR（设定周期）是预先预定的，决定了个主节点的令牌具体保持时间的长短。主节点传输数据必须保证在事先定义的时间间隔内主节点有充足的时间完成数据的实
28、时传输。按这种方式，完成周期性与非周期性的数据交换。,第四章,34,4.2 智能传感器的通信,为此，PROFIBUS的介质访问控制MAC协议设置了两类时钟计时器：一类是令牌运行周期计时器，用于令牌的实际运行周期TRR计时；另一类是持牌计时器，用于主节点令牌保持时间TTH计时。当令牌到达某个主节点时，此节点的周期计时器开始计时。当令牌又一次到达此主节点时，MAC把周期计时器的TRR值与设定周期值TTR的差值赋予持牌计时器，即TTH=TTR-TRR，持牌计时器根据该值控制信息的传送。在持牌计时器控制信息发送时，如果令牌到达超时，即TTH0。则此节点只可发送一个高优先级信息；如果令牌计时到达，则此节
29、点可连续发送多个等待发送的高优先级信息后，直到高优先级信息全部发送完毕，或者持牌时间超时；如果在发送完所有待发送高优先级信息，仍然有持牌时间,则可用同样的方式发送低先级信息。无论发送高优先级信息，还是发送低优先级信息，都是在发送前检测持牌时间是否超时，而不是预先检测发送完此信息是否超时，影响了周期性实时通信的实现。,第四章,35,4.2 智能传感器的通信,PROFIBUS-DP主要用于对时间要求苛刻的分散外围间的高速数据传输，解决分散I/O间的通信，适合于加工自动化领域，具有高效低成本。PROFIBUS-PA主要用于流程工业自动化、对安全性要求高和由总线供电的场合。PROFIBUS-FMS主要
30、用于解决车间级通用性的通信任务（主要针对主节点之间的通信）。PROFIBUS协议的苛刻时间部分由协议芯片实现，其余部分由控制器的软件实现，针对不同的应用，采用三种不同的传输技术。总之，PROFIBUS由DP、PA、FMS三部分组成，有针对性地适应于不同的应用场合，是一种功能强大、成熟、应用广泛的现场总线。,第四章,36,4.2 智能传感器的通信,（3）TOPaz能掌管高达255个节点并以1MHz的速度操作。在1km距离，这个速率将降低到500Kbps。多主系统有决定权，并使用仲裁标记传送，物理层使用EIA-485接口。,第四章,37,4.2 智能传感器的通信,（4）计算机网络资源配置ARCNe
31、tTM这是Datapoint公司的一个贸易标识，是一种确定性的标识传送协议。在一个ARCNETTM系统中，所有的节点平等地进入网络，在繁忙的网络上消除传输冲突。如果添加或删除一个节点，这种ARCNETTM协议自动重新配置在网络上，不用软件安装。 其它专用总线，包括ControlNet、GeniusI/O和Sensoplex,由工业控制制造商研发，表4.2.3列出了14种工业总线系统的特征。基于其广泛的兼容能力，可以很容易地看出为什么如此多的不同总线会得到发展。,第四章,38,4.2 智能传感器的通信,第四章,39,4.2 智能传感器的通信,4.2.6 办公室与楼宇自动化 BACnet协议由楼宇
32、自动化工业发展而来。Ethernet、ARCNetTM 、MS/TP、LonWorksTM 都在这种网络中。这种网络能够在BAC网络兼容系统中进行通信，这是由美国加热、致冷和空调工程师协会ASHRAE所研发的网络系统。能源管理系统也已研发了相关的标准。另外，自动读取测量协会AMRAL正致力于发展一种自动读取测量标准。IBI总线则由智能建筑学会研制。,第四章,40,4.2 智能传感器的通信,智能办公楼宇建筑提供了 一种高度自动化。图4.2.5显 示了几种系统的相互联系。 在办公室，节点传感随环境而 变，将状态和信息传送给能够 响应这种改变的节点。动力节 点断开或关闭气阀、改变风扇 速度，并依据相
33、关信息作出其它调整。这些系统的其它方面是自诊断、数据记录、防火、喷灌系统、能 源使用监视器和安全系统。,第四章,41,4.2 智能传感器的通信,4.2.7 家庭自动化 未来家庭的计算机控制是智能化住宅工程的目标，用于网络接口需考虑的问题有供暖、通风、空调系统、热水器、安全系统和照明等。远程抄表和需求方管理是公用事业公司在家庭应用方面的驱动力量，在消费者环境下的协议接受伴随着单位节点的低成本和操作上的便利。这些系统的速度范围由低到高，取决于连接到系统的设备。信息大小及信息协议的复杂程度应当是适中的。多年以前，X-10公司就为家庭研制了X-10协议，广泛应用于照明及电器控制。近年来智能住宅应用语言
34、SHAL已发展起来，它包括100种以上不同的信号形式以实现专门的功能，在家庭中要求有专用多路导线。该统能对900个结点寻址并以最大为9.6Kbps的速率进行操作。在此领域，另外两个竞争对象是CEBus和LonTalkTM。,第四章,42,4.2 智能传感器的通信,1、CEBus消费者电子总线CEBus是由电子工业协会EIA的电子消费集 团创立的。CEBus提供数据和控制通道并以最大10Kbps的速率 进行处理。它在与公用事业相关的工业中为越来越多的用户所 接受。,第四章,43,4.2 智能传感器的通信,2、LonTalkTMLonTalkTM在楼宇自动化中为人所接受，完全OSI层的实用性和互用
35、性都是使其能很好地适应家庭自动化环境的原因。简易的安装也起了重要作用，尤其是附加设备。在其它市场的为人广泛接受也将驱使该市场需求的成本大大降低。,第四章,44,4.2 智能传感器的通信,4.2.8 关于半导体的协议上述几个通信协议在硅制硬件中已经执行并从多重资源中加以利用。在某些情况下，通信协议包含在单独的集成电路中，尽管如此，集成在MCU中的协议提供了计算能力和各种不同的系统特征，影响着单个系统节点的成本效率。,第四章,45,4.2 智能传感器的通信,1、MCU与SAE J1850的集成标准协议为半导体制造商设计不同的集成电路提供了充足的潜在容量。在许多情况下，高度集成方案提供了最低的单位节
36、点成本。如摩托罗拉的MC68HC705V8就集成了J1850通信协议，有片上电压调节，物理层接口，J1850数字标号（VPW版本）和其它的系统关联功能。集成方案有很多特点，可使系统设计更加容易并减少了元器件数量，降低了系统成本。J1850芯片的核心是摩托罗拉的数据链接控制器MDLC，如图4.2.6所示。 MDLC处理通信任务，包括完成信息缓冲、总线访问、仲裁和错误检测。其它一些J1850版本也已由许多供应商执行。,第四章,46,4.2 智能传感器的通信,第四章,47,4.2 智能传感器的通信,2、MCU与CAN的集成有不少半导体制造商已在不同的微控制器上执行了CAN协议。集成CAN方案包含不同
37、的I/O、存储器和其它系统特征。CAN协议的一个关键点是尽管一套基本特征的设置必须能在任何CAN设备上执行，但某些扩展的特征也可在硅制半导体硬件上实现，这取决于面向目标的应用趋向。当考虑互用性和互变性时，必须明白其含义。许多半导体制造商已设计并提供了几种方案。实际上，在诸多原因之中，产品的广泛实用性是工业用户选择CAN的主要原因。,第四章,48,4.2 智能传感器的通信,CAN协议在MCU中实施的一个例子是摩托罗拉的M68HC05微控制器系列。这种CAN遵从CAN2.0 A部分规范。所有摩托罗拉CAN即MCAN装置包括自动化总线仲裁、冲突决定、传输重发、数字噪音滤波、信息ID过滤，帧形成和校验
38、、CRC形成和校验以及单传输和多用户接收帧缓冲。这种MCAN模块包含整体信息传送和接收缓冲以及有限的信息滤波能力。这种集成化总线接口包括输入比较和CMOS输出驱动。但是，还可能需要一个外部收发器，这取决于用户的应用。,第四章,49,4.2 智能传感器的通信,2、MCU与CAN的集成CAN模块完全独立于CPU、并能与CPU内核、其它MCU硬件和I/O功能口集成在一块芯片上。比如MPC555 Power PCTM MCU就是这样一种带有两个CAN2.0B模块的32位缩减指令集计算机RISC的微控制器。它具有如下特点： l RISC MCU 中心处理单元（RCPU）； l 40MHZ工作频率； l
39、32-bit PowerPC结构；两个CAN2.0B控制模块(TouCANs) l 18 通道模块I/O系统（MIOS1）； l 两个队列模数转换模块（QADC）； l 448Kbytes CDR Monet Flash-EEPROM 存储器（CMF）；,第四章,50,4.2 智能传感器的通信,l 26Kbytes内部静态RAM； l 两个时间处理单元（TPU3）； l 两个串行通信接口（SCI）； l 排列的串行外设接口（QSPI）；这种复杂芯片是为汽车动力控制而设计的。汽车制造商要获取完备的系统功能，产品的范围必须是实 用的，表4.2.4列出了具有各种不同特征的其它一些较低价格 的8位MC
40、U。,第四章,51,4.2 智能传感器的通信,第四章,52,4.2 智能传感器的通信,3、Neurom芯片与LonTalkTM协议LonTalkTM协议是神经元集成电路NeuromIC的一个组成部分，如摩托罗拉的MC143150或MC143120。NeuromIC是一种用于多媒体网络环境的嵌入LonTalkTM协议的通信及控制处理器，其中接收到的网络输入用于控制处理器输出。MC143150有三个CPU，一个用作媒体访问控制MAC处理器；一个用作网络处理器，一个用作应用处理器。媒体访问控制处理器处理ISO堆栈协议的1层和2层，这包括驱动通信子系统硬件和激发冲突避免算法。该处理器利用位于共享存储器
41、中的网络缓冲器与网络处理器进行通讯。网络控制器执行ISO堆栈中的3到6层。网络变量处理、寻址、事物处理、鉴定、背景诊断、软件计时、网络管理和路由功能均由这个单元管理。除与MAC处理器通信之外，与应用处理器间的信息交换通过应用缓冲器进行。,第四章,53,4.2 智能传感器的通信,应用处理器执行由用户写入的代码和由用户代码提出的操作服务请求。初级编程语言是Neuron C，一种派生的C语言。增强的Neurom C在分布控制中的应用是以软硬件的结合为支持的。这样，用户可以用较少的程序存储器编制复杂的应用程序。神经元集成芯片包括了直接代码收发器和25种I/O应用模型。其它集成功能包括网络通信端口；几种
42、I/O功能包括两个定时器/计数、时钟和控制能力；及MC143150中2KB的RAM和512字节的EEPROM。模糊逻辑内核已写入神经元芯片，用作模糊逻辑的支持工具，是分布式网络的控制执行部分。,第四章,54,4.2 智能传感器的通信,4MI-Bus摩托罗拉推出了一种称为MI-Bus的协议，作为低成本的网络实施方案。用于类别A操作的这一方案是围绕摩托罗拉的HC05和HC11MCU系列建立的，在设定的主从控制应用中取得低成本，MI-Bus协议的设计面向低频电力负载的直接控制。主从方式的安排允许一个主控制器控制八个之多的从控制器。MI-BUS可通过外部I/O端口的输出驱动。应该注意的是，即使已付出巨
43、大努力扩展到J1850和CAN规范，并研制了硬件实现方式，作为一种替换方案的需要，仍应当由消费者以足够的事实去判断一个消费方案的发展，并确立最终的实施方式。MCU初始协议有8个数据位，包括3位地址和5位控制。这三个地址位允许对八个装置寻址。传送数据后，MCU从所选择的装置中读取串行数据。总线访问方法、帧序列协议、信息确认、错误检测和缺省值都要在MI-Bus中定义。,第四章,55,4.2 智能传感器的通信,5、其它MCU与协议在某些半导体装置中，Profibus协议在RAM中微编码是可行的。一种面向以太网接口和各种传感器网络包括Profibus的单片局域网LAN方案已经推出。如图4.2.7所示,
44、网络节点可 用双绞电缆连接到以太网中心.这 一应用中的MC68360有32位CPU,可 在任何现存的以太网系统以25MHz 的频率提供4.5MIPS的能力和灵活 性。,第四章,56,4.2 智能传感器的通信,4.2.9 网络通信的其它方式 除了已经讨论的协议之外，MCU制造商也在相同印刷电路板上的集成电路间使用串行通信协议。这些接口可看作通信网络的子系统。当使用MCU协议或任何先前讨论过的协议时，会产生对不同协议间的过渡需求，尤其是在复杂系统更是如此。MCU协议、协议间的过渡和标准协议方式是有关通信的几个仍需讨论的问题。,第四章,57,4.2 智能传感器的通信,1、MCU协议串行外设接口SPI
45、是一种用于板上串行网络中主从单元间同步数据传输的高速协议。如图4.2.8所示，SPI模式是一个定义的模块，在系统内，可通过软件定义的协议用于发送数字信息。这种模式已经容纳在不少MCU系列产品中。序列SPI即QSPI是一种具有16个入口、完全双工序列的智能型同步串行接口。它能连续地扫描多达16个独立的外设，没有CPU的介入就能维持最近期获得的信息序列。,第四章,58,4.2 智能传感器的通信,串行通信接口SCI仅使用MCU上的两个管脚进行发送。SCI协议被用于发展为前面讨论过的MI-Bus，这种选择将在后面详细讨论。内部IC或I2C是一种双绞线半双工串行接口，通过最有意义的首位设置可实现数据的发
46、送和接收。两根线中一根是串行数据线SDL，一根是串行时钟线SCL。协议由启动条件、从机寻址、数据的n个字节和停止条件组成。每字节跟随一确认位。I2C外设可以是借助同步串行I/O口SIOP的接口。,第四章,59,4.2 智能传感器的通信,2、协议间的过渡因为存在好几种通信协议，协议间的频繁过渡是需要的。网关节点提供了使用不同协议的网络间的过渡。在某些情况下，用户硬件和软件网关把信息从一个系统的语言转换为其它系统的语言。理想的情况下，在这个节点的MCU有一个或两个允许实施很容易过渡的协议。最糟糕的情况，MCU使用分立的外设用于每个协议。图4.2.9表明了网关控制从CAN到MI-Bus的情况。在主控
47、端，可使用对许多MCU通用的SCI协议。在网关的另一端，MCU具有CAN标准用于在CAN网络的通信。它允许控制信息从CAN网络穿过去驱动输出负载。在受控（从）一边，I/O控制器向负载提供了接口。一个步进电机控制器MC33192是在汽车应用环境下使用MI-Bus的第一台负载控制装置。集成设备同时拥有MI-Bus控制器和用于步进电机的双全控桥驱动器。还可以很容易地设计其它模式，通过简单地修订MI-Bus设备的输出口去控制其它负载。,第四章,60,4.2 智能传感器的通信,第四章,61,4.2 智能传感器的通信,3、系统间的过渡网关能为控制系统提供安全和增加保险。现代化汽车为通信、计算机和娱乐产品提
48、供了独特的环境。此外，智能化运输系统ITS致力于改进运输的效率和安全性的努力也将在某些面向用户的产品上产生对新技术的需求，以达到其目标。无论如何，汽车制造商对现存系统可靠性和多功能性的关注却可能受到附加硬件和软件的不良影响，因为他们不具用于汽车的资格。考虑的结果，SAE研制了ITS数据总线IDB标准。IDB实际上起一个放火墙的作用，控制和限制两个网络间那些仅对二者都有价值的信息的流动。ITS数据总线方案利用MCU网关连接用户电子元器件、用户系统以及现存的汽车系统网络。,第四章,62,4.2 智能传感器的通信,4、模块式协议利用模块式设计方法，协议可以很容易地重新规划为新的MCU设计。除了CPU和其它模块，串行通信协议包括CAN、SAE J1850的两种版本、SPI、SCI和I2C均可处理为模块式外设。这使得新的特性很容易地加入具有满足不同应用要求的集成化协议的MCU。同时，一个协议也能很容易地加入到现存的MCU设计中，使其变为通信网络的一部分。总起来说，传感器与其它控制系统设备的通信能力允许更多的传感节点及更多分布式控制的智能化。利用硬件方案的协议有更高的接收可能性。目前已研制了许多典型的标准，但具体的应用选项将限制它们的兼容性。用于特殊传感应用的全新协议的研发必须有完备的定义且由传感器用户所接受，以判断在半导体上执行该协议时所需的研发成本。,
