短距离有线通信技术课件

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/1/30,#,单击此处编辑母版标题样式,在物联网的感知控制层中存在大量的物联网终端，这些终端用来感知“物”的信息，并将所感知到的信息通过短距离通信系统传送到网络传输层的汇聚设备，通过汇聚设备的处理与转换后进入网络传输层，为综合应用层提供“物”的信息；同时，感知控制层内的物联网终端还要接收综合应用层的各种控制命令，这些控制命令是通过网络传输层、汇聚设备及短距离通信系统到达物联网的感知控制终端的。从感知控制终端到汇聚设备之间的通信系统可称之为感知层通信系统。感知控制层通信系统可分为有线和无线通信系统两类。有线和无线通信系统主要是采用各种短距离有线及无线通信技术来完成感知控制终端与汇集设备之间的数据传输的。目前，常用的短距离有线通信技术为各种串行通信、各种总线通信等；常用的短距离无线通信为红外、蓝牙、无线局域网、超带宽无线通信技术、无线传感网络等。,3.1,数据终端间的通信及接口特性,物联网中的感知控制层通信系统可认为是一个点对点的数据通信系统，物联网感知控制终端（以下简称为物联网终端）和汇聚设备均可看成两个对等通信的数据终端设备。数据终端间通信时需要通过数据通信设备对数据信息进行某种变换和处理才能适合有线或无线信道的传输。数据终端间通信的系统结构如图,3.1,所示。,图,3.1,中，数据终端设备,(DTE,Data Terminal Equipment),是指物联网终端或物联网中的计算机设备、以及其他数据终端设备。数据通信设备,(DCE,Data Communication Equipment),可以是调制解调器,(Modem),、线路适配器、信号变换器等。对于不同的通信线路，为了使不同厂家的产品能够互联，,DTE,与,DCE,在插接方式、引脚分配、电气性能及应答关系上均应符合统一的标准及规范。,国际电报电话咨询委员会,(CCITT),、国际标准化组织,(ISO),和美国电子工业协会,(Electronic Industries Association,，,EIA),为各种数据通信系统提供了开放互联的系统标准，这些标准如表,3.1.1,所示，它包括了机械性能、电气特性、功能特性、过程特性,4,个方面。,表,3.1.1 DTE,和,DCE,接口标准,分类,标准序号,兼容标准,说明,机械特性,ISO-2110,EIA RS-232 EIA RS-366A,25,针,D,型连接器，用于音频,Modem,、电路接口和自动呼叫设备,ISO-2593,34,针，用于,CCITT V.35,的宽带,Modem,ISO-4902,EIA RS-449,37,针和,9,针的,D,连接器，用于音频和宽带,Modem,ISO-4903,15,针,D,型连接器，用于,CCITT X.20,、,X.21,、,X.22,所指定的,PDN,接口,电气特性,V.10/X.27,RS-423A,新型非平衡式电气性能,V.10/X.26,RS-422A,新型平衡式电气性能,V.28,RS-232C,非平衡式电气性能,功能特性,V.24,RS-232C,RS-449,定义了用于通过电话网进行数据通信的,DTE,/DCE,间接口的,43,种交换电路，用于,DTE/ACE,（自动呼叫设备）接口的,12,种交换电路,X.24,X.20,、,X.21,和,X.22,基础上发展的，用于,PDN,中的,DTE/DCE,间接口交换电路,过程特性,V.24,RS-232C,RS-449,利用公用电话网进行数据传输制订的规程,X.20 X.21,利用公用数据网进行同步数据传输制订的规程,X.20bis X.21bis,RS-232C,RS-449,公用数据网上进行同步传输的,DTE,与,V,系列同步,Modem,之间接口规程,机械特性,(Mechanical Characteristics),涉及的是,DTE,和,DCE,的实际物理连接。典型的是，信号以及控制信息的交换电路被捆扎成一根电缆，该电缆的两端各有一个终接插头，该插头或者是公插头、或者是母插头。位于电缆两端的,DCE,和,DCE,必须具有“性别”相反的插头，以实现物理上的连接。如一端为公插头、则另一端必须为母插头。,电气特性,(Electrical Characteristics),与电压电平及电压变换的时序相关。,DET,和,DCE,都必须使用相同的编码，相向的电压电平必须不是相同的含义，还必须使用持续时间相同的信号元素等。这些特性决定了能够达到的数据传输速率和传输距离。,功能特性,(Function Characteristic),定义的各种功能由具有不同含义的各种交换电路来执行。这些功能分为数据电路、控制电路、时序电路以及电气接地等。,过程特性,(Procedural Characteristic),定义了传输数据时发生的时间序列，它依据的是接口的功能特性。,DTE/DCE,间的接口类型较多，目前最通用的类型有，美国电子工业协会的,RS-232C,接口；国际电报电话咨询委员会的,V,系列接口、,X,系列接口；国际标准化组织的,ISO 2110,、,ISO 1177,等。,EIA RS-232C,接口是美国电子工业协会于,1969,年颁布的一个使用串行二进制方式的,DTE,与,DCE,间的接口标准。,RS,是,Recommended Standard,的缩写，,232,是标准的标记号码。由于该接口标准推出较早，并对各种特性都做了明确的规定，因此成为了一种非常通用的串行通信接口，目前几乎所有的计算机和数据通信都兼容该标准。,3.2 EIA RS-232C,RS-232C,接口标准是一种非常广泛使用的标准，它广泛应用在数据通信、自动化、仪器仪表等领域，也是物联网中常用的一种接口及通信方式。,RS-232C,不但可以与诸如,Modem,等,DCE,配合来完成远程数据通信，而且还完成近距离本地通信。,3.2.1,特性功能,1,）机械性能,RS232C,标准中定义了一个具有特定引脚排列顺序的,25,针插头和,插座，其引脚排列如图,3.2,所示。,上下共两排。第一排，从左到右共,13,针，第二排从左到右共,12,针。各针的功能如表,3.2.1,所示。虽然,RS-232C,定义了,25,个引脚，但实际应用于串行通信时仅需要,9,个电压信号，即,2,个收发数据信号,RXD,和,TXD,、,6,个控制信号和,1,个信号地。由于计算机除支持,EIA,电压接口外，还需支持,20mA,电流接口，另需,4,个电流信号，因此采用了,25,针连接器作为,DTE,与,DCE,间通信电缆的连接器。由于大部分数据终端设备取消了电流环路接口，所以常采用,9,针连接器。,9,针连接器的引脚分配如图,3.3,所示。,针号,功能,针号,功能,针号,功能,1,保护地,10,保留备用,19,反向信道请求发送,2,发送数据,TxD,11,选择发送频率,20,DTE,就绪,DTR,3,接收数据,RxD,12,反向信道载波探测,21,信号质量检测,4,请求发送,RTS,13,反向信道清除发送,22,振铃指示,RI,5,清除发送,CTS,14,反向信道发送数据,23,数据速率选择,6,准备就绪,DSR,15,发送定时,24,外发送定时,7,信号地,GND,16,反向信道接收数据,25,未定义,8,载波探测,DCD,17,接收定时,9,保留备用,18,未定义,表,3.2.1 RS-232C,各针功能,图,3.3,中，引脚,1,为载波探测,DCD,；引脚,2,为接收数据,RxD,；引脚,3,为发送数据,TxD,；引脚,4,为,DTE,就绪,DTR,；引脚,5,为信号地,GND,；引脚,6,为准备就绪,DSR,；引脚,7,为请求发送,RTS,；引脚,8,为清除发送,CTS,；引脚,9,为振铃指示,RI,。,2,）电气特性,（,1,）电气特性,数据终端设备,(DTE)/,数据通信设备,(DCE),接口的电气标准特性主要规定了发送端驱动器与接收端接收器的电平关系、负载要求、信号速率及连接距离等。,在,TxD,和,RxD,上要求，逻辑“,1,”,(MARK),为,-3V-15V,；逻辑“,0,”,(SPACE),为,+3V+15V,。,在,RTS,、,CTS,、,DTR,和,DCD,等控制线上要求信号有效电压为,+3V+15V,，信号无效电压为,-3V-15V,。,（,2,）,RS-232C,与,TTL,的转换,RS232C,是用正负电压来表示逻辑“,0,”和“,1,”的，与,TTL(,Transistor-Transistor Logic,),以,高低电平表示逻辑“,1,”和“,0,”不同。为了使数据终端设备的,TTL,部件能够与,RS-232,接口连接，须在这两者之间进行转换，转换电路可采用集成电路芯片来完成。目前较为广泛使用的转换芯片有,MAX232,、,MC1488,、,SN75150,、,MC1489,和,SN75154,等。其中,MAX232,能实现,TTL,到,RS232C,间的双向转换。,3,）功能特性,DTE/DCE,接口连线的功能特性主要是各引脚的功能进行定义，并说明了它们之间的相互关系。,RS-23C,规定了,21,条信号线和,25,芯连接，表,3.2.2,为接口电路的功能约定。,组成接口的信号线按其功能可分为，数据信号线、控制信号线、定时和接地,4,类。,数据信号线是用来传送数据的，,RS-232C,是串行传输的接口标准，接收、发送各用一条信号线。在,RS-232C,中，正向传输控制线共有,9,条，其中请求发送、允许发送、数据线路设备准备就绪、数据终端准备就绪、数据载波检测、呼叫指示是最基本的控制电路。定时是用于同步通信方式的，是传送数据信号定时信息的信号线路，有发送端控制和接收端控制两种。定时功能在异步通信时无效。另外,RS-23C,中还定义了两条保护地线和信号地线。,4,）过程特性,DTE/DCE,接口的过程特性规定了各接口之间的相互关系、动作顺序以及维护测试操作等方面的内容。以下就以发送数据为例来说明接口的工作过程。,当数据终端设备,(DTE),有数据要发送时，置,RS-232C,中的,CD,线（数据终端准备就绪,DTR,）为高电平（,ON,状态），通知本地数据通信设备,(DCE),，如,Modem,等，表示数据终端已准备好。本地,Modem,如果也准备好，即说明,DCE,与,DTE,连接成功，此时,Modem,中的,RS232C,中的,CC,（数据设备准备,DSR,）响应此信号，,DTE,和,DCE,可以开始控制信号的收发。,DTE,置电路,RS-23C,中,CA,（请求发送,RTS,）为高电平，通知本地,Modem,请求发送数据。本地,Modem,检测到,CA,信号后，一方面立即控制,Modem,发送载波，另一方面通过延迟电路控制,RS-232C,中,CB,（允许发送,CTS,）的接通。电路,RTS,和,CTS,间的关系如图,3.4,所示。由于远端设备从载波到达至载波检出，直到接通,RS-232C,中,CF,（数据载波检测,DCD,）必须经过一定的时延,t,3,，如果此时将数据发送出去，数据是不能被远端正确接收的，所以本地的,CTS,变成,ON,之前的时间,t,1,必须大于,t,3,，时序如图,3.5,所示。当远端,Modem,检测到载波信号后，置,DCD,为,ON,，通知远端接收发送来的数据。,DTE,检测到,CTS,位,ON,后，即可通过,RS-232C,中,BA,（发送数据,TxD,）发送数据。并用,RS-232C,中的,BB,（数据接收,RxD,）接收远端发来的数据。,DTE,发送完数据后，置,RTS,线为,OFF,，通知本地,Modem,发送结束。本地,Modem,检测到,RTS,位,OFF,后，立即停止发送载波，并置,CTS,为,OFF,，作为对,DTE,的应答。远端,Modem,检测不到载波后，置,DCD,和,CE,（呼叫指示器）线为低电平，恢复初始状态。,本地,DTE,置,DTR,为,OFF,，通知,Modem,拆线，,Modem,收到,DTR,的,OFF,信号后拆线，并将,CC,变成,OFF,作为应答。整个发送过程结束。,3.2.2 RS-232C,的近距离通信,在近距离通信时，不需要数据通信设备，可直接用电缆来连接，此时仅用少量几根线即可。,一种常用的最简单的情况是不使用,RS-232,中任何控制线，只需要用发送线,TxD,、接收线,RxD,和信号地线,SG,这,3,根线，便可实现全双工异步通信。连接方式如图,3.6,所示。在图,3.6,中，,DTE1,中,2,号线与,DTE,中的,3,号线连接，,DET1,中的,3,号线与,DTE2,中的,2,号线连接，,DTE1,与,DTE2,中的,7,号线直接连接，,DTE1,及,DTE2,中的,4,与,5,连接、,6,与,20,连接。,另一种较简单的情况是考虑它们之间的联络控制信号，连接方式如图,3.7,所示。这种情况下通信双方的握手信号关系如下：,（,1,）一方的数据终端准备好,(DTR),和对方的数据设备准备好,(DSR),及振铃信号,(RI),两个信号线互连。这时，若,DTR,有效，对方的,RI,就立即有效，产生呼叫，并应答，同时又使对方的,DSR,有效。,（,2,）一方的请求发送,(RTS),端及允许发送,(CTS),端自环，并与对方的数据载波检出,(DCD),端互连，这时若请求发送,(RTS),有效，则立即得到发送允许,(CTS),有效，同时使对方的,(DCD),有效，即检测到载波信号，表明数据通信信道已接通。,（,3,）双方的发送数据,(TxD),端和接收数据,(RxD),端互连，即意味着双方都是数据终端，只要上述双方的握手信号一经建立即可进行全双工或半双工通信。,EIA RS-232C,接口标准规定了最大传输距离为,15m,，最高传输速率不高于,20bit/s,。为了解决传输距离及传输速率不够远和高的问题，,EIA,在,RS-232C,的基础上，制订了更高性能的串行通信标准。,3.3.1 RS-422A,、,RS-423,及,RS-485,1,）,RS-422A,RS-422A,标准是一种以平衡方式传输的标准。平衡方式是指双端发送和双端接收，因此传输信号须采用两条线路，发送端和接收端分别采用平衡发送器和差动接收器。其结构如图,3.8,所示。,RS-422A,标准的电气特性对逻辑电平的定义是根据两条线间的电压差来决定的。当,AA,的电平比,BB,的电平低,-2V,时，表示逻辑“,1,”；当,AA,的电平比,BB,的电平高,+2V,时，表示逻辑“,0,”。这种方式与,RS-232C,采用单端接收器和单端发送器时仅采用一条信号线来传送信息，且由信号线与公共信号地线间的电平的大小来决定逻辑“,1,”和“,0,”的方式是不同的。,RS-422A,电路是通过平衡发送器把逻辑电平转换为电位差来发送信息的，同时，通过差动接收器把电位差转换为逻辑电平，从而实现信息的收发。,RS-422A,由于采用了双线传输，大大增加了抗共模干扰的能力，因此当传输距离限制在,15m,内时，它的最大传输速率可达,10Mbit/s,；当传输速率在,90kbit/s,时，其最大传输距离为,120m,。,RS-422,标准规定了发送端只有,1,个发送器，而接收端可以有多个接收器，这就意味着，它可以实现点对多点,通信,最多可接,256,个节点。即一个主设备（,Master,），其余为从设备（,Slave,），从设备之间不能通信。,RS-422A,标准允许驱动器输出为,+2+6V,，接收器输入电平可以低到,+200mV,。,常用的,RS-422A,标准接口的芯片为：,MC3487/MC3486,、,SN75174/SN75175,等，它们是平衡驱动,/,接收器集成电路。,2,）,RS-423A,RS-423A,标准是非平衡方式传输的，即以单线来传输信号，规定信号的参考电平为地。该标准规定电路中只允许有,1,个单端发送器，但可以有多个接收器。因此，允许在发送器和接收器间有一个电位差。标准规定逻辑“,1,”的电平必须超过,4V,，但不能超过,6V,；逻辑“,0,”的电平必须低于,-4V,，但不能低于,-6V,。,RS-423A,标准由于采用了差动接收，提高了抗共模干扰能力，因此与,RS-232C,相比，传输距离较远、传输速率较快。当传输距离为,90m,时，最大传输速率为,100kbit/s,；若传输速率为,1kbit/s,时，传输距离可达,1200m,。,3,）,RS-485,RS-485,接口标准是一种平衡传输方式的串行通信接口标准，它与,RS-422A,兼容，并且扩展了,RS-422A,的功能。,RS-422A,只允许电路中有一个发送器，而,RS-485,标准允许有多个发送器，因此，,RS-485,是一个多发送器的标准，它允许一个发送器驱动多个可以是被动发送器、接收器或收发器组合单元的负载设备。,RS-485,采用共线电路结构，即在一对平衡传输线的两端配置终端电阻，其发送器、接收器、以及组合收发单元可以挂在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共用同一传输线的多路传输。,RS-485,接口标准的抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远。采用双绞线，不用调制解调器等通信设备的情况下，当传输速率为,100kbit/s,时，传输距离可达,1200m,；在,9600bit/s,时，传输距离可达,15km,。在传输距离为,15m,时，它的最大传输速率可达,10Mbit/s,。,RS-485,允许在平衡电缆上连接,32,个发送器,/,接收器，因此它的应用非常广泛，尤其在工业现场总线等方面，同时也是物联网中物联网终端常用的接口方式。,RS-485,串行通信集成芯片可用实现，目前常用的芯片有,MAX485/MAX491,等。,3.4 USB,串行总线及其应用,3.4.1USB,串行总线的特点,通用串行总线,(Universal Serial Bus,，,USB),是一种串行技术规范，其主要目的是简化计算机与外围设备的连接过程，目前已广泛应用到了计算机、通信、自动化、仪器仪表等多个领域，也同时成为物联网中应用最广泛的串行通信技术之一。,USB,并不完全是一个串行接口，而是一种串行总线。目前，计算机设备均配置了多个,USB,接口，它可以接入种类繁多的外设，成为了计算机及数据通信等电子、电气设备的通用接口。,USB,具有以下特点：,1,）使用方便,USB,的方便性体现在可自动设置、连接便捷、无需外部电源、接口通用等方面。在自动设置方面，当将,USB,设备连接到计算机上时，操作系统会自动检测该设备，并为其加载适当的驱动程序。尤其在第一次安装时，操作系统会提醒用户加载驱动程序，其后的安装，操作系统会自动完成，一般不需要重启。另外，,USB,的安装不需要设置如端口地址、中断号码等参数，安装程序会自动检测。,在连接方面，,USB,等外设可直接插入到计算机的,USB,接口上。不需要时，可直接将其拔下，,USB,设备的插拔不会损坏计算机和,USB,外设。,USB,接口处包含了一个,+5V,的电源和地线接口，,USB,外设可直接使用接入系统的电源和地，因此,USB,外设无需提供额外的电源，但当所接入的系统所提供的电源功率不足时，才需要给,USB,外设供电。,USB,的接口是通用的，在加入到计算机时，系统会多个通信端口地址和一个中断号给,USB,使用，因此,USB,的接口的通用性非常强。,2,）,USB,的传输速率快,USB,支撑,3,种信道速率，即,1.5Mbit/s,的低速、,12Mbit/s,的全速，以及,480Mbit/s,以上的高速。目前计算机的,USB,接口均能支撑这三种速率。,USB,的这三种速率可应用于表,3.4.1,所示的场合。,表,3.4.1 USB,的传输速率及其应用领域,性能,应用领域,说明,低速：,10100kbit/s,鼠标、键盘等,价格低廉、使用方便、动态插拔，可接到个外设,全速：,500kbit/s10Mbit/s,广播、音频、麦克风,价格低廉、使用方便、动态插拔，可接到个外设，保证带宽,高速：,25Mbit/s400Mbit/s,影像、存储设备,价格低廉、使用方便、动态插拔，可接到个外设，高带宽,3,）功耗低、性能稳定,当,USB,外设处于待机状态时，它会自动启动省电模式来降低功耗。当激活时，会自动恢复原来状态，因此,USB,外设的功耗较低。,USB,的驱动程序、硬件及电缆均尽量减少噪声干扰以免产生差错，所有的设计均采用了差错处理机制，因此使用时,USB,设备较稳定。,4,）操作系统的支持性与灵活性,Windows 98,是第一个支持,USB,的操作系统，以后主流的操作系统如,Linux,，,NetBSD,和,FreeBSD,等也支持,USB,。每个操作系统都支持下列,3,项底层功能：,（,1,）与新连接的设备沟通来确认交换数据的方式；,（,2,）自动检测设备是否连接到系统或已删除；,（,3,）提供驱动程序与,USB,硬件以及应用程序的沟通机制。,在高级的支持上，操作系统可能提供有设备的驱动程序来让应用程序调用存取函数。如果操作系统没有提供适当的驱动程序，,USB,设备的厂商应提供。,目前在,Windows,操作系统上，已有键盘、鼠标、音响设备、调制解调器、数码相机、扫描仪、打印机以及外存等均提供了驱动程序，应用程序可方便地调用这些设备。,USB,的控制、中断、批量和实时,4,种传输类型与低速、全速及高速,3,中传输速率可让外设灵活选择。不论是交换少量或大量的数据，还是有无时效的限制，都适合传输类型。,3.4.2 USB,总线体系结构,USB,系统主要包括,USB,主机、,USB,设备和,USB,互连,3,部分。其中,USB,互连是指,USB,设备与,USB,主机连接并通信的方式，它是通过一定的拓扑结构来实现互连的。,1,）,USB,拓扑结构,集线器是,USB,拓扑连接的核心部件，与主机相连的集线器为根集线器，它可以与其它集线器相连，也可以与设备相连。一个集线器与多个设备相连可组成复合设备，例如一个鼠标和一个键盘可以组合在一个集线器内形成一个多功能的复合设备,。最多可串接下来,127,个外设,2,）,USB,总线,USB,总线由,4,个主要部分构成，即主机和设备部分、物理构成部分、逻辑构成部分和客户软件构成部分。,（,1,）主机和设备,在整个,USB,系统中，只允许存在一个主机。主机的基本结构如图,3.10,所示。它由,USB,主控制器、,USB,系统软件和,USB,客户软件构成。,USB,主控制器是指主机的,USB,接口，它可以是硬件与软件构成的实体。,USB,主控器的作用是将数据转换成在管道中传输的格式，而且能被操作系统理解。,USB,主控器的另一个作用负责管道上的通信。根集线器被集成在主机系统中，用来提供一个或多个接入。根集线器与主控制器共同作用来检测设备的接入和移除。,USB,主机是,USB,中唯一的用于协调控制所有,USB,访问的实体。当一个,USB,访问请求到来时，必须首先得到主机的允许，,USB,设备才能获得对总线的访问权。,USB,系统中主机主要进行检测,USB,设备的接入与移除，主机与,USB,设备间数据流的管理，搜索状态信息和活动信息统计，为接入的,USB,设备提供电源。,USB,的系统软件是用来管理,USB,设备的和主机进行信息交互的，它主要完成设备的枚举和配置、同步数据传输、电源管理以及设备和总线信息管理。,USB,设备包括集线器和功能部件。功能部件是指向系统提供特定功能的设备，如鼠标、键盘、扫描仪及打印机等。,一个物理,USBS,设备主要有,USB,总线接口、,USB,逻辑设备和功能模块组成，如图,3.11,所示。一个功能设备是指可以从,USB,总线上收发数据信息和控制信息的设备，它提供了特定的功能。一个功能设备由一个独立的外设来实现的，它通过一根电缆接入到集线器的端口上。功能设备在使用前必须由主机对其配置，配置包括分配,USB,带宽和为该设备选择特定的配置选项等操作。,3,）,USB,的机械及电气特性,USB,设备都有“上行”,(Up-stream),和“下行”,(Down-stream),连接。对于,USB,主机，连接的是下行。上行和下行连接在机械性能方面是不能互换的，所以要尽量避免集线器上发生环路连接。,USB,连接器上都有,4,个触点，具有屏蔽外壳，规定的坚固性和易于插拔的特性。对应的,USB,电缆具有,4,根导线，其中一对是标准规格的双绞线作为信号线，分别标有,D,+,和,D,-,，另一对为规格的电源线，分别标有,Vbus,和,GND,。,信号线的特性阻抗为,90,，使用一个差模输出驱动器向,USB,电缆传输数据信号，因此接收端可在不低于,200mA,的范围内保证接收的准确性。,USB,支持两种信号速率，最高速率,12Mbit/s,和较低速率,1.5Mbit/s,。较低速率的传输对线路的要求较低，而较高速率的传输对线路的要求较高。对于最高速率的连接，要求采用一对屏蔽双绞线电缆来产生，要求电缆的特性阻抗为,90,15%,，电缆长度不超过,15m,。每个驱动器的阻抗必须位于,1944,之间。数据信号上升和下降沿的时间必须处于,4ns20ns,之间。低速率的连接可以利用一对非屏蔽双绞线电缆实现，最大长度为,3m,。,3.4.3 USB,系统在物联网中的应用,1,）,USB,近距离数据采集系统,USB,的传输距离一般在,15m,以内，属于近距离传输，不采用数据通信设备所构成数据采集系统为近距离数据采集系统。,USB,近距离数据采集系统的硬件结构如图,3.12,所示。它由主机（计算机或信息处理系统）、,USB,通信接口、微处理器、,A/D,转换器等构成。,微处理器有两个作用，一是用来进行,USB,通信，二是进行数据采集的控制。,A/D,将传感器采集的模拟量变为数字量，状态量输入接口是将“物”的开关量转换为微处理器能识别的“,0,”、“,1,”电平量，状态量输出接口是将微处理器输出的“,0,”、“,1,”逻辑电平转为能驱动“物”的开关量。,目前，已有多家芯片厂商推出了具有,USB,通信接口的微处理器，可以减轻系统硬件设计的复杂度。,2,）,USB,远程数据采集系统,USB,的通信距离限制了数据采集的范围，要想扩大数据采集的距离就须在,USB,近距离数据采集系统的基础上增加相关的接口来延长传输距离。目前在工业现场中广泛采用,RS-485,接口来传输数据，,RS-485,接口的优点是传输距离可达,1km,以上，并且可以跨接多台设备，但其缺点是传输速度慢、成本高、安装不便。而将两个相互结合则可以获得传输距离、传输速率、成本及安装等方面的综合优势。于是可将图,3.12,中的数据采集器作为单独的模块与,USB/RS-485,转换器结合进行设计，其系统结构如图,3.13,所示。,485,总线的长度可长达,1km,以上，在该总线上可跨接,32,个数据采集器，数据采集器的通信接口为,RS-485,。这些数据采集器采集的数据经,485,总线到达,USB/RS-485,双向转换器后成为,USB,信号进入到主机。,3.4.4 IEEE-1394,接口,与,USB,接口相似的另一个接口标准是,IEEE-1394,，它比,USB,具有更快的传输速率、更为灵活方便，但其成本较高。,USB,和,IEEE-1394,的应用场合是有所区别的。,USB,适合使用在键盘、鼠标、扫描仪、移动硬盘及打印机等中低速的设备上，而,IEEE-1394,则非常适合于视频或其他高速系统的连接，以及没有主机的场合。,对于许多外设来说，,USB,和,IEEE-1394,都适用。在使用,USB,时，一台主机可以控制多台外设，控制信息的处理均由主机完成，因此这些外设的电路相对简单，因而成本也较低。,IEEE-1394,采用的是点对点的通信方式，外设间可以直接相互通信，并且还可以采用点对多点的通信方式。所以,IEEE-1394,比,USB,更灵活，但外设电路较复杂，成本也较高。,USB 1.x,的传输速率为,12Mbit/s,，,USB 2.0,的传输速率可达,480Mbit/s,。,IEEE-1394,的传输速率为,400Mbit/s,，比,USB 1.1,快,30,倍以上，,IEEE-1394.b,的传输速率可达,3.2Gbit/s,以上，比,USB2.0,快,6,倍以上。,除了成本外，,IEEE-1394,从灵活性、速度上都比,USB,有优势。,总结,RS-232C,接口标准规定了最大传输距离为,15m,，最高传输速率不高于,20bit/s,。,RS-422A,由于采用了双线传输，大大增加了抗共模干扰的能力，因此当传输距离限制在,15m,内时，它的最大传输速率可达,10Mbit/s,；,当传输速率在,90kbit/s,时，其最大传输距离为,120m,。,RS-423A,标准由于采用了差动接收，提高了抗共模干扰能力。当传输距离为,90m,时，最大传输速率为,100kbit/s,；若传输速率为,1kbit/s,时，传输距离可达,1200m,。,RS-485,接口标准的抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远。采用双绞线，不用调制解调器等通信设备的情况下，当传输速率为,100kbit/s,时，传输距离可达,1200m,；在,9600bit/s,时,，传输距离可达,15km,。在传输距离为,15m,时，它的最大传输速率可达,10Mbit/s,。,总结,USB 1.x,的传输速率为,12Mbit/s,，,USB 2.0,的传输速率可达,480Mbit/s,。,IEEE-1394,的传输速率为,400Mbit/s,，比,USB 1.1,快,30,倍以上，,IEEE-1394.b,的传输速率可达,3.2Gbit/s,以上，比,USB2.0,快,6,倍以上。,3.5 CAN,总线,3.5.1 CAN,总线的特点,物联网的一个重要的应用领域是工业与自动化，在该领域中需要对大量的生产现场进行实时控制，以实现生产的自动化，因此现场总线的技术及应用应为物联网通信技术、控制技术所必备的。,目前，常用的现场总线主要有以下几种类型：,基金会现场总线,(Foundation Field bus,，,FF),、,ProfiBus,、,CAN,、,DeviceNet,、,HART,等。其中,CAN(Controller Area Network),现场总线，即控制器局域网，因其具有高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到关注，被公认为几种最有前途的现场总线之一。,CAN,现场总线是在上世纪八十年代初，德国,BOSCH,公司为实现现代汽车生产中众多的汽车内部测量与执行部件之间的数据通信而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线，具有很高的可靠性，支持分布式控制和实时控制。,CAN,总线历经,20,多年的发展，尤其是随着其国际标准化,(ISO11898),的制定，更加推动了它的发展和应用。目前已有,Intel,、,Motorola,、,Philips,、,Siemens,等百余家国际大公司支持,CAN,总线协议。,目前，,CAN,总线在国外已有很多方面的应用，,CAN,总线已被广泛地应用于汽车、火车、轮船、机器人、智能楼宇、机械制造、数控机床、各种机械设备、交通管理、传感器、自动化仪表等领域。同时也成为了物联网中广泛应用的感知控制层的通信总线。,CAN,总线属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设计，与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的性能、可靠性、实时性和灵活性。其特点可以概括如下：,（,1,）通信方式灵活。,CAN,为多主方式工作，网络上的任意节点均可在任意时刻主动地向其他节点发送信息，而不分主从，且不需站地址等结点信息；,（,2,）,CAN,网络上的节点信息分成不同的优先级，以满足和协调各自不同的实时性要求；,（,3,）采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时发送信息时，按优先级顺序通信，大大节省总线冲突仲裁时间，避免网络瘫痪；,（,4,）,CAN,通过报文滤波实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送数据，无需专门的,“,调度,”,；,（,5,）传输速率最高可以达到,1Mbit/s(40m),，直接传输距离最远可以达到,10km(,传输速率在,5kbit/s,以下,),；,（,6,）,CAN,上的结点数主要取决于总线驱动电路，目前可达,110,个。报文标志符可达,2032,种,(CAN2.0A),，扩展标准,(CAN2.0B),的报文标志符几乎不受限制；,（,7,）短帧，传输时间短，抗干扰能力强,检错效果好。其中每帧字节数最多为,8,个，能够满足工业领域的一般要求，也能保证通信的实时性；,（,8,）,CAN,每帧信息都有,CRC,校验及其他检错措施，保证了通信的可靠性；,（,9,）,CAN,总线通信接口中集成了,CAN,协议的物理层和数据链路层功能，可完成数据通信的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等；,（,10,）通信介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；,（,11,）网络结点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能，使总线上其他节点的操作不受影响；,（,12,）已经实现了标准化、规范化（国际标准,ISO 11898,）。,3.5.2 CAN,总线网络层次与通信协议,1,）,CAN,总线网络层次,CAN,协议主要描述设备之间的信息传递方式。,ISO,开放系统互连参考模型将网络协议分为,7,层，由上至下分别为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。根据,ISO/OSI,开放系统互连参考模型，为了满足现场设备间通信的实时性要求，在,CAN,规范中只是在物理层和数据链路层进行了定义，其层次结构如图,3.14,所示。,物理层：该层的任务是透明地传送信息比特流，在物理层上所传输的数据是以比特为单位的。,数据链路层：该层的任务是在两个相邻结点间的链路上，实现以帧为单位的无差错的数据传输。,网络层：网络层的任务就是要选择合适的路由，使发送结点的数据分组能够正确无误地按照地址找到目标结点，并交付给目标结点的运输层。,运输层：运输层的任务是根据下面通信网的特性，以最佳的方式利用网络资源，并以可靠经济的方式为发送结点和接收结点建立一条运输连接，来透明地传送报文。,会话层：会话层不参与具体的数据传输，但该层却对数据传输给予了管理。它在两个相互通信的进程之间进行组织、协调和建立。,表示层：该层主要解决了用户信息的语法表示。表示层将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法变换为适合于,OSI,内部使用的语法。,应用层：该层对应用进程进行了抽象，它只保留应用进程中与进程间交互有关的那些部分。经过抽象后的应用进程就成为了,OSI,应用层中的应用实体。,OSI,的应用层并不是把各种应用进行了标准化，应用层所标准化的是一些应用进程经常使用的功能，以及实现这些功能所应用的协议。,网络中的各层当需要演进时，只要保持上下两层的接口功能不变，就不会影响整个网络的运行，因此保持各层次间接口的相对稳定，对整个网络的分布演进具有非常重要的作用。,在数据链路层，,CAN,定义了逻辑链路子层,(LLC),部分和完整的媒体访问控制子层,(MAC),。逻辑链路子层,(LLC),的作用范围包括：为远程数据请求以及数据传输提供服务，确定由实际要使用的,LLC,子层接收哪一个报文，为恢复管理和过载通知提供手段。,MAC,子层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文，以及什么时候开始接收报文，均在,MAC,子层里确定。位定时的一些普通功能也可以看作是,MAC,子层的一部分。,MAC,子层的修改是受到限制的。,MAC,子层是,CAN,协议的核心。它把接收到的报文提供给,LLC,子层，并接收来自,LLC,子层的报文。,物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。同一网络的物理层，对于所有的节点当然是相同的。,CAN,协议规范，在物理层只定义了信号是如何实际地传输的，包括对位时间、位编码、同步的解释。,CAN,规范没有定义物理层的驱动器,/,接收器特性，以便允许根据它们的应用对发送媒体和信号电平进行优化。,2,）,CAN,总线通信协议,CAN,的通信协议基于如下,5,条基本规则进行通信协调：,（,1,）总线访问。,CAN,是共享媒体的总线，对媒体的访问机制类似于以太网的媒体访问机制，即采用载波监听多路访问,(Carrier Sense Multiple Access,CSMA),的方式。,CAN,控制器只能在总线空闲时开始发送，并采用硬同步，所有,CAN,控制器同步都位于帧起始的前沿。为避免异步时钟因累计误差而错位，,CAN,总线中用硬同步后，满足一定条件的跳变进行重同步。,（,2,）非破坏性的位仲裁方式。当总线空闲时呈隐形电平，此时任何一个节点都可以向总线发送一个显性电平作为一个帧的开始。如果有两个或两个以上的节点同时发送，就会产生总线冲突。,CAN,总线解决总线冲突的办法比以太网的,CSMA/CD,方法有很大的改进。,（,3,）编码,/,解码。帧起始域、仲裁域、控制域、数据域和,CRC,序列均使用位填充技术进行编码。在,CAN,总线中，每连续,5,个同状态的电平插入一位与它相补的电平，还原时每,5,个同状态的电平后的相补电平删除，从而保证了数据的透明。,（,4,）出错标注。当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，检测出错条件的,CAN,控制器将发送一个出错标志。,（,5,）超载标注。一些,CAN,控制器会发送一个或多个超载帧以延迟下一个数据帧或远程帧的发送。,3,）,CAN,报文的帧类型,CAN,通信协议,2.0A,规定了,4,种不同的帧格式：数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。,（,1,）数据帧,数据帧用来携带数据从发送器传输到接收器的。数据帧由,7,个不同的域组成，即帧起始标识位,(SOF),、仲裁域,(Arbitration Field),、控制域,(Control Field),、数据域,(Data Field),、,CRC,检查域、,ACK,应答域和帧结束。其中数据域的长度可以为,0,。数据帧的组成如图,3.15,所示。,CAN2.0B,协议中存在着两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符,(Identifier),的长度。具有,11,位标识符的帧称为标准帧，而包括,29,位标识符的帧称为扩展帧。标准格式和扩展格式数据帧的结构如图,3.16,所示。,（,2,）远程帧,远程帧被用来请求总线上某个远程节点发送自己想要接收的数据，具有发送这种远地消息的结点收到这个远程帧后，就应尽力响应这个远地传送要求。所以对远程帧本身来说是没有数据域的。在远程帧中，除了,RTR,位被设置为,1,，表示被动状态外，其余部分与数据帧完全相同。,（,3,）错误帧,错误帧由两个不同的域组成。第一个域是标志错误，用作为不同节点提供错误标志,(Error Flag),的叠加；第二个域是错误界定符。报文传输过程中，检测到任何一个结点出错，即于下一位开始发送错误帧，通知发送端停止发送。,（,4,）超载帧,超载帧和错误帧一样由两个域组成，即超载标志和超载界定符。当某接收器因内部原因要求缓发下一个数据帧或远程帧时，它向总线发出超载帧。另外，在间歇场,(Intermission),检测到一“显性”位，也要发送超载帧。超载帧还可以引发另一次超载帧，但以两次为限。,（,5,）帧间空间,数据帧和远程帧同前面的帧相同，不管是何种帧,均以帧间空间,(Inter Frame spacing),的场位分开。在错误帧和超载帧前面没有帧间空间，并且多个超载帧前面也不被帧间空间分隔。,帧间空间包括间歇场和总线空闲的场位。间歇场包括,3,个隐性位，在间歇场期间，所有的节点均不允许传送数据帧或者远程帧，仅标示一个超载条件。,4,）,CAN,报文的帧格式,以下，我们以,CAN2.0B,协议为代表，简单地介绍一下在常用的,CAN,控制器寄存器中,CAN,数据帧的格式。,（,1,）,CAN2.0B,标准帧,CAN,标准帧信息为,11,个字节，包括信息和数据两部分。前,3,个字节为信息部分。具体内容如表,3.5.1,所示。,表,3.5.1 CAN2.0B,标准帧,位,7,6,5,4,3,2,1,0,字节,1,FF,RTR,X,X,DLC,（数据长度）,字节,2,ID.10,ID.3,（报文识别码）,字节,3,ID.2,ID.0,RTR,字节,4,数据,1,字节,5,数据,2,字节,6,数据,3,字节,7,数据,4,字节,8,数据,5,字节,9,数据,6,字节,10,数据,7,字节,11,数据,8,字节,1,为帧信息。第,7,位,FF,表示帧格式，在标准帧中，,FF=0,。第,6,位,RTR,表示帧的类型，,RTR=0,表示为数据帧，,RTR=1,表示为远程帧。,DLC(,数据长度码，,Data Length Cod,DLC),标识了在数据帧时实际的数据长度。字节,2,、,3,为报文识别码，,11,位有效。字节,4,到,11,为数据帧的实际数据，远程帧时无效。,（,2,）,CAN2.0B,扩展帧,CAN,扩展帧信息为,13,个字节，也包括信息和数据两部分。前,5,个字节为信息部分。具体内容如表,3.5.2,所示。,位,7,6,5,4,3,2,1,0,字节,1,FF,RTR,X,X,DLC,（数据长度）,字节,2,ID.28ID.21(,报文识别码,),字节,3,ID.20ID.13,字节,4,ID.12ID.5,字节,5,ID.4,ID.0,X,X,X,字节,6,数据,1,字节,7,数据,2,字节,8,数据,3,字节,9,数据,4,字节,10,数据,5,字节,11,数据,6,字节,12,数据,7,字节,13,数据,8,字节,1,为帧信息。第,7,位,FF,表示帧格式，在标准帧中，,FF=1,。第,6,位,RTR,表示帧的类型，,RTR=0,表示为数据帧，,RTR=1,表示为远程帧。,DLC,标识在数据帧时实际的数据长度。字节,2,到,5,为报文识别码，,29,位有效。,字节,6,到,13,为数据帧的实际数据，远程帧时无效。需要注意的是，数据帧对于不同的,CAN,上层协议存在着不同的定义,。,5,）,CAN,的位仲裁技术,CAN,总线采用“载波,监测,/,冲突避免”,(CSMA/CA),的通信技术。载波监测的意思是指在总线上的每个节点在发送信息报文前都必须监测到总线上有一段时间的空闲状态，一旦此空闲状态被监测到，那么每个节点都有均等的机会来发送报文。这被称为多主掌控。冲突避免是指在两个以上节点同时发送信息时，节点本身首先会检测到出现冲突，然后采取相应的措施来解决这一冲突情况。此时优先级高的报文先发送，低优先级的报文会暂停。在,CAN,总线协议中是通过一种非破坏性的仲裁方式来实现冲突检测的。这也就意味着当总线出现发送冲突时，通过仲裁后原发送信息不会受到影响。所有的仲裁判别都不会破坏优先级高的报文信息内容，也不会对其发送产生任何时延。,虽然这种仲裁方式有很多的优点，但是也存在一些不足。很明显，当所有的节点都随机地向总线上发送数据时，具有低优先级的节点总是比具有高优先级的节点有比较大的发送失败的几率。如果出现了这样的情况，会导致该节点一个数据都发不出去，或者发出的数据具有较大的延迟，这对于工业领域的实时控制，当延时超过了预订值时，接收到的数据就已经失去了实际的意义。,3.5.3 CAN,总线的应用,CAN,总线常用于工业现场控制，以实现自动化生产。现以流水线生产为背景，应用,CAN,总线技术来实现对流水线的控制为例，简单介绍,CAN,总线的应用。,1,）,CAN,总线控制流水线作业硬件结构,流水线生产中，产品的生产均需按一定流程，经过若干环节的装配而成的。各部件装配成产品的过程中，每个环节均由该工位（环节所对应的工作岗位）的工人或设备来进行安装、及调试。每经过一个环节，流水线的输送带都要在相应的工位等待一段时间，待该工位的工作完成后才能启动流水线的输送带将产品送入到下一个工位。因此，对整条流水的监控应完成以下任务：,（,1,）协调输送带在各工位上的启停及逗留时间；,（,2,）各工位控制输送带电机的启、停、转速等动作；,（,3,）控制机械手等设备完成相应的操作；,（,4,）对各工位的工序进行检测；,（,5,）将各工位的工作情况数据实时上报到控制中心；,（,6,）接收控制中心的各种控制参数，以及时调整各工位及输送带电机的工作参数。,对于每个工位，流水线控制系统应采集相应的模拟量（遥测）、状态量（开关量或遥信），控制系统的控制量是向各工位的控制单元发送相应的模拟量（遥调）、状态量（遥控）。系统总体结构如图,3.17,所示。,2,）,CAN,总线通信模块,CAN,收发驱动电路，主要实现,CAN,协议物理层部分功能。主要实现电信号的转换（,TTL,电平与差分电平的转换）、总线功能、电气保护、过热保护等功能。,CAN,控制电路，实现,CAN,协议的物理层和数据链路层功能。可完成对通信数据的比特流和成帧处理，如比特填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等、比特速率控制、接收滤波、总线错误管理和微处理器器接口等任务。通过对其编程，微处理器可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接收，所有的应用层均是建立在它的基础上的。,微处理器，这是整个,CAN,通信总线模块的控制中心。通过访问,CAN,控制器来实现对,CAN,总线的访问。同时，它又通过数据采集与控制接口与监控单元连接，实现监测和控制功能。,