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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82C20077

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CPU92

4.5CAN应用节点的相关器件96

4.5.1CAN总线收发器82C25096

4.5.2CAN总线I／O器件82C15098

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-CAN100

4.6.3FTT-CAN101

4.6.4TTP／C101

4.6.5ByteFlight102

4.6.6FlexRay102

4.6.7几种时间触发协议的性能比较103

4.7CAN的下层网段——LIN104

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——SAEJ1939108

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FF119

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FB3050161

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 PROFIBUS185

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-DP199

6.3.1PROFIBUS-DPV0200

6.3.2PROFIBUS-DP的GSD文件202

6.3.3PROFIBUS-DPVl203

6.3.4PROFIBUS-DPV2205

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-PA223

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TCP242

7.3.5简单网络管理协议SNMP244

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

7.5PROFINET250

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／IP264

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HSE267

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

8.2.7ServicePin289

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——LonTalk301

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——NeuronC310

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

9.1ControlNet333

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

9.2WorldFIP337

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FIP341

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

9.5DeviceNet350

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

9.6.1SwiftNet356

9.6.2HART357

9.6.3智能分布式系统SDS359

9.6.4Seriplex与CEBUS360

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MT1020A373

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CC2430385

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