橫河AFG10D-H4613現(xiàn)場(chǎng)控制單元AFG10D-H4613帶柜
《DCS培訓(xùn)教材》

10.2    位總線(BITBUS)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1984年Inb公司為單片機(jī)間的互連推出了BITBUS即位總線，為工業(yè)控制用分布式系統(tǒng)提供了一種高性能、低價(jià)格。靈活易用的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。 BITBUS是主從式、總線型高速串行網(wǎng)，它的電氣接口采用平衡傳送的RS－485標(biāo)準(zhǔn)，傳輸介質(zhì)是雙絞線或同軸電纜，鏈路協(xié)議符合IBM的同步數(shù)據(jù)鏈路控制(SDLC)標(biāo)準(zhǔn)。Inb公司為BITBUS提供專門硬件支持，即 8044（8344）BEM BITBUS增強(qiáng)型微控制器，并提供了應(yīng)用和開(kāi)發(fā)支持軟件。
10.2.1 8044 BEM硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介AFG10D-H4613
         BITBUS的核心是高性能的 VLSI芯片族 8044BEM(8744,8344)。其中，不帶片內(nèi) ROM的是8344；帶有片內(nèi)4K ROM的是 8044；帶有片內(nèi)4K EPROM的是 8744。8044與8051的區(qū)別主要在于8044內(nèi)部有一個(gè)可獨(dú)立工作的串行通信接口單元SIU；除此之外，在 8044片內(nèi)有192字節(jié)的片內(nèi)  RAM，而 8051只有128個(gè)字節(jié)；8044的內(nèi)部特殊功能寄存器(SFR)有35個(gè)，而8051只有21個(gè)；對(duì)于低 128個(gè)字節(jié)RAM 8044與8051一樣，都是直接地址訪問(wèn)的特殊功能寄存器(SFR)；而對(duì)于8044的128－192字節(jié)的內(nèi)部RAM，則必須通過(guò)間接尋址來(lái)訪問(wèn)，從而與有相同地址的特殊功能寄存器(SFR)相區(qū)分AFG10D-H4613。
1．8044系列單片機(jī)的引腳圖
          在 40個(gè)引腳之中，8044對(duì)其中 5個(gè)引腳（見(jiàn)表 10－1）賦予了比 8051更多的功能，引腳排列如圖10－3所示。這5個(gè)新擴(kuò)展的功能引腳意義分別是：
    RTS：用于多點(diǎn)方式或點(diǎn)一點(diǎn)方式，作為調(diào)制解調(diào)器的控制信號(hào)，表明8044己處于發(fā)送就緒狀態(tài)；其它場(chǎng)合作I/O使用AFG10D-H4613。
    CTS：與RTS相對(duì)應(yīng)，在使用調(diào)制解調(diào)器時(shí)，在多點(diǎn)或點(diǎn)-點(diǎn)方式中，作為通知8044接收機(jī)已經(jīng)就緒的控制信號(hào)；其它場(chǎng)合作為I/O使用。
    RxD/I/O：在多點(diǎn)主從方式或點(diǎn)、點(diǎn)方式中，用作收發(fā)器的方向控制引腳(I/O)了；在環(huán)形網(wǎng)中，用作數(shù)據(jù)接收引腳（RXD）；在側(cè)試方式時(shí)，也作為數(shù)據(jù)引腳。
TXD/DATA：在多點(diǎn)主從方式或點(diǎn)-點(diǎn)方式中,
用作數(shù)據(jù)輸入人偷出引腳（DATA）；在環(huán)形方式下，作為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳（TXD）；在側(cè)試方式時(shí)，向本腳寫(xiě)“0”，使8044進(jìn)入串行接口側(cè)試方式。
        T1/SCLK：在8044中，用作串行數(shù)據(jù)的時(shí)鐘（SCLK），讀信號(hào)在同步方式下使用，數(shù)據(jù)輸出時(shí)用下降沿移位，數(shù)據(jù)輸入時(shí)用上升沿采樣，其另一功能T；為計(jì)數(shù)／定時(shí)器的輸入信號(hào)，對(duì)8044和8051來(lái)講都是一致的。
2．8044內(nèi)部結(jié)構(gòu)
        8044單片機(jī)是一種雙微機(jī)控制結(jié)構(gòu)，這種雙微機(jī)控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了控制與通信任務(wù)的很好分離，如圖10－4所示。
        實(shí)時(shí)控制及計(jì)算功能由8051CPU實(shí)現(xiàn)，而通信則由智能通信處理器SIU完成。SIU實(shí)際上是一個(gè)CPU，它對(duì)8051的功能作了補(bǔ)充，SIU執(zhí)行同步數(shù)據(jù)鏈路控制（SDLC）協(xié)議，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。兩個(gè)處理器通過(guò)一個(gè)分時(shí)多路轉(zhuǎn)換雙LI RAM和一些雙口特殊功能寄存器進(jìn)行通信。
        除了SIU、805lCPU。192字節(jié)RAM。特殊功能寄存器之外，8044內(nèi)部還有2個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器、l個(gè)中斷控制器、32位并行I/O、4K字節(jié)的ROM等，要建立一個(gè)位總線的結(jié)點(diǎn)，只需用8044再加一個(gè)電源、一片晶體振蕩器和一個(gè)收發(fā)器就夠了。
10.2.2    BITBUS 通信規(guī)程
        BITBUS互連通信規(guī)定了四層結(jié)構(gòu)：即物理層。鏈路層、消息層和應(yīng)用層，下面分別作簡(jiǎn)要介紹
1．物理層（電氣接口）
        BITBUS通信的電氣接口符合 RS－485標(biāo)準(zhǔn)，采用平衡差分長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器/接收器（加75174和75175）半雙工傳送，通信介質(zhì)為雙絞線或同軸電纜。根據(jù)傳輸距離和速率的不同，可以設(shè)定不同的運(yùn)行模式：一是外同步模式，二是自同步模式。
         在外同步模式下，通過(guò)8044單片機(jī)的第15根引腳，提供串行數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘信號(hào)SCLK，這個(gè)同步信號(hào)來(lái)自8044之外的某個(gè)鎖相環(huán)。在外同步方式下，定義數(shù)據(jù)信息狀態(tài)高電平為1，低電平為0，稱為不歸零(NRZ)邏輯。數(shù)據(jù)輸出時(shí)，在SCLK下降沿處移
位；數(shù)據(jù)輸入時(shí)，在SCLK上升沿處采樣。
         采用自同步模式的數(shù)據(jù)信息傳送，不使用專門的公用數(shù)據(jù)時(shí)鐘，而是由SIU內(nèi)部的數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）從接收的數(shù)據(jù)流中慶復(fù)出同步信號(hào)。
DPLL要求16倍或32倍數(shù)據(jù)傳輸率的參考時(shí)鐘，這個(gè)參考時(shí)鐘由8044單片機(jī)的內(nèi)部或外部產(chǎn)生，內(nèi)部參考時(shí)鐘是通過(guò)8044單片機(jī)內(nèi)部邏輯時(shí)鐘或定時(shí)器1 的溢出信號(hào)產(chǎn)生的。在自同步模式下，采用不歸零反相（NRZI）邏輯，即定義不變化的電平為 1，變化的電平為 0。表 10-2給出了 BITBUS通信網(wǎng)絡(luò)外同步和自同步時(shí)的性能。
 2．鏈路層（數(shù)據(jù)鏈路控制）
        BITBUS通信的數(shù)據(jù)鏈路層符合SDLC規(guī)約，但有一些限制。SDLC是基于在公共通信鏈路上，主站和一個(gè)或多個(gè)從站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的規(guī)程。主站負(fù)責(zé)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它向從站發(fā)送各種控制命令，從站按照來(lái)自主站的命令動(dòng)作，并對(duì)主站的命令作出應(yīng)答。主站可以選拔任意一個(gè)從站交換數(shù)據(jù)信息，任一從站一旦被選中，既可以接收來(lái)自主站的信息，也可以依據(jù)主站的命令向主站發(fā)送信息。
1）幀結(jié)構(gòu)
       主站和從站間的信息傳輸格式必須符合SDLC規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)。SDLC規(guī)定：一個(gè)基本
信息單元叫一幀，一幀包括六個(gè)部分，如圖10－5所示。
  

 ①位插入與刪除
①位插人與刪除
        在SDLC幀的范圍內(nèi)起始標(biāo)志之后至結(jié)束標(biāo)志之前，允許任何一種位序列。這樣，就有可能在幀內(nèi)出現(xiàn)與標(biāo)志01111110相同的位序列字節(jié)信息，在傳送中，接收端就會(huì)把這一信息字節(jié)錯(cuò)誤地認(rèn)為是標(biāo)志信息F，從而造成錯(cuò)誤。為了解決這一問(wèn)題，SDLC規(guī)程中規(guī)定：除標(biāo)志字節(jié)F的編碼為01111110之外，在幀內(nèi)其它任何地方，當(dāng)有數(shù)字信息“0’之后連續(xù)5個(gè)“l(fā)”時(shí)，發(fā)送系統(tǒng)在第5個(gè)“l(fā)”之后要自動(dòng)插入一個(gè)“0”位；而接收端在接收信息中，對(duì)“0”后連續(xù)5個(gè)“1”位之后出現(xiàn)的“0”位，自動(dòng)加以刪除。采用零位插人和刪除手段之后，既防止了在幀內(nèi)出現(xiàn)與標(biāo)志相同的信息造成錯(cuò)誤理解，又保證了幀序列的完整不受破壞。
（3）位傳輸順序
         SDLC規(guī)定，地址字段和控制字段發(fā)送時(shí)，先發(fā)送低位；信息字段發(fā)送時(shí)，由設(shè)計(jì)者自己設(shè)定；發(fā)送幀檢驗(yàn)序列 FCS時(shí)，必須先發(fā)送高位。
    3.消息層（報(bào)文協(xié)議）
         通過(guò)一個(gè)信息幀傳送的信息字段，是通信中的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容，也就是消息層。在BD：TBUS位總線各節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)，定義采用Order／RePly（命令／應(yīng)答）結(jié)構(gòu)。
    （l）Order／RePly結(jié)構(gòu)
         BBBUS消息層協(xié)議按照多任務(wù)、多結(jié)點(diǎn)環(huán)境的Order／Roply結(jié)構(gòu)建立。
        Order被定義為主結(jié)點(diǎn)任務(wù)通過(guò)BITBUS傳送給從節(jié)點(diǎn)任務(wù)的消息。
        Reply被定義為從結(jié)點(diǎn)任務(wù)通過(guò)BBBUS傳回給主結(jié)點(diǎn)任務(wù)的消息，并作為對(duì)主結(jié)點(diǎn)任務(wù)Order的回答。所謂主結(jié)點(diǎn)任務(wù)指主設(shè)備或主設(shè)備擴(kuò)展器住模塊）上運(yùn)行的執(zhí)行某種功能的程序。同樣，從結(jié)點(diǎn)任務(wù)即為從設(shè)備或從設(shè)備擴(kuò)展器上運(yùn)行的執(zhí)行某種功能的程序。

（2）消息格式
        通過(guò)BBBUS傳送的信息。幀中的信息字段，是BITBUS通信中的消息層。BBBUS的
消息格式如圖10－6所示。
消息中的前面7個(gè)字節(jié)為消息標(biāo)題，標(biāo)志字節(jié)中的MT是消息類型，MT＝0為主站發(fā)的命令報(bào)文；MT＝1為從站回答信息。SE為源擴(kuò)展，SE＝0表示在主設(shè)備上，SE＝l表示在主擴(kuò)展設(shè)備上。DE為口的擴(kuò)展，DE＝0為從設(shè)備Z DE＝l為從設(shè)備擴(kuò)展。TR為跟蹤，TR＝0為發(fā)送信息，TR＝l為接收信息。保留4位全為0作為備用。
4．應(yīng)用層（遠(yuǎn)程存取控制）
         在消息層的基礎(chǔ)上，定義了遠(yuǎn)程存取控制（RAC）的一系列命令，實(shí)質(zhì)上，是對(duì)從結(jié)點(diǎn)定義的特殊任務(wù)，也就是說(shuō)，在傳送的數(shù)據(jù)當(dāng)中，規(guī)定了具體的數(shù)據(jù)格式，同時(shí)在命令中
定義了一系列相應(yīng)的代碼。從結(jié)點(diǎn)收到一幀信息后，由命令中取出的代碼確定屬于遠(yuǎn)程存
取控制的何種命令，然后由數(shù)據(jù)中確定地址和數(shù)據(jù)內(nèi)容。
10.2.3  BITBUS 通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
         BITBUS可實(shí)現(xiàn)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即點(diǎn)到點(diǎn)半雙工、多點(diǎn)半雙工、環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)。圖10－7給出了這三種結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系。
        因?yàn)?PC總線系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛，所以 BITBUS最常見(jiàn)的應(yīng)用形式是 8044與 IBM PC機(jī)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。一般以 IBM PC為主機(jī)，作為數(shù)據(jù)信息處理、分析、顯示、打印等主控設(shè)備。通過(guò)PICX－344模版，PC總線與一臺(tái)8044相連，以該8044為主站，負(fù)責(zé)與各個(gè)從站交換信息，對(duì)數(shù)據(jù)信息做簡(jiǎn)單處理，即判斷來(lái)自主機(jī)或從站的信息屬于何種信息，完成相應(yīng)的處理。用戶也可自行設(shè)計(jì)PC總線與BITBUS總線的接口電路，一般多采用一組雙口RAM。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要，配置若干臺(tái)8044作為從站，其任務(wù)是接收主站的命令，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作或?qū)⒅髡舅璧臄?shù)據(jù)傳送給主站。
主站與從站之間按BITBUS接口標(biāo)準(zhǔn)連接，電氣接口為RS－485，由各個(gè)8044的SIU控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖10－8所示AFG10D-H4613。

10．3 現(xiàn)場(chǎng)總線（FIEDBUS）技術(shù)
50年前，過(guò)程控制儀表基于3~15Psi氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。20世紀(jì)60至70年代發(fā)展了4~20mA信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，直到現(xiàn)在仍在使用。進(jìn)入80年代以來(lái)，用微處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制以及智能傳感器的發(fā)展，導(dǎo)致需要用數(shù)字信號(hào)取代4~20mA模擬信號(hào)，這就形成了現(xiàn)場(chǎng)總線（FIEDBUS）。現(xiàn)場(chǎng)總線是連接工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、雙向。
多站點(diǎn)的串行通信網(wǎng)絡(luò)，與控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)儀表聯(lián)用組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Field－busControl System－FCS）。現(xiàn)場(chǎng)總線不單單是一種通信技術(shù)，也不僅僅是用數(shù)字儀表代替模擬儀表，它是用新一代的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散型控制系統(tǒng)DCS（Distribute Control System），實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成AFG10D-H4613。
10．3．1現(xiàn)場(chǎng)總線概述
    1．現(xiàn)場(chǎng)總線及其體系結(jié)構(gòu)
         根據(jù)國(guó)際電L委員會(huì)IEC（International Electrotechnical Commision）標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì) FF(Fieldbus Foundation)的定義：現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線的體系結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在以下六個(gè)方面。
    （1）現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)AFG10D-H4613
         現(xiàn)場(chǎng)總線把通信一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或生產(chǎn)設(shè)備，用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，如圖10－9所示，該圖代表了FF現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
    （2）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連
         現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表是指變送器、執(zhí)行器。

服務(wù)器和網(wǎng)橋、輔助設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等，這些設(shè)備通過(guò)一對(duì)傳輸線互連（見(jiàn)圖10－9），傳輸線可使用雙絞線、同軸電纜、光纖等，并可根據(jù)需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質(zhì)。
 ①變送器
        常用的變送器有溫度、壓力。流量、物位和分析五大類，每類又有多個(gè)品種。變送器既有檢側(cè)、變換和補(bǔ)償功能，又有PID控制和運(yùn)算功能。
 ②執(zhí)行器
        常用的執(zhí)行器有電動(dòng)和氣動(dòng)兩大類，每類又有多個(gè)品種。執(zhí)行器的基本功能是控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行，還內(nèi)含調(diào)節(jié)問(wèn)輸出特性補(bǔ)償、PID控制和運(yùn)算功能，另外有閥門特性自動(dòng)校驗(yàn)和自診斷功能。
③服務(wù)器和網(wǎng)橋
        服務(wù)器下接H1和H2，上接局域網(wǎng)   LAN(Local   Area  Network);網(wǎng)橋上接 H2，下接 H1(見(jiàn)圖 10-9)。
 ④輔助設(shè)備
        輔助設(shè)備有計(jì)H1/氣壓轉(zhuǎn)換器、H1/電流轉(zhuǎn)換器。電流/H1轉(zhuǎn)換器。安全柵、總線電源、便攜式編程器等。
 ⑤監(jiān)控設(shè)備
        監(jiān)控設(shè)備主要有工程師站。操作員站和計(jì)算機(jī)站，工程師站提供現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)組態(tài)，操作員站供工藝操作與監(jiān)視，計(jì)算機(jī)站用于優(yōu)化控制和建模。
    （3）互操作性
        現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表種類繁多，沒(méi)有任何一家制造商可以提供一個(gè)工廠所需的全部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，
所以，不同廠商產(chǎn)品的交互操作與互換是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花很大力氣，而希望選用各廠商性能價(jià)格比最優(yōu)的產(chǎn)品集成在一起，實(shí)現(xiàn)“即接即用”，用戶希望對(duì)不同品牌的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成他所需要的控制回路，這就是現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備互操作性的含義。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連是基本要求，只有實(shí)現(xiàn)互操作性，用戶才能自由地集成FCS。
（4）分散功能塊
         FCS廢棄了DCS的輸入輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，從
而構(gòu)成虛擬控制站。由于功能分散在多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，供用戶靈活選用各種功能塊，構(gòu)成所需控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制，如圖10-10所示。其中差壓變送器含有模擬量輸入功能塊(AI110)，調(diào)節(jié)閥含有PID控制功能塊（PID110）及模擬量輸出功能塊（AO110），這三個(gè)功能塊構(gòu)成流量控制回路。
(5)通信線供電
        通信線供電方式允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通信線上攝取能量，這種方式提供用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場(chǎng)儀表，與其配套的還有安全柵。眾所周知，許多生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備必須嚴(yán)格遵守安全防爆標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備也不例外。
(6)開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)AFG10D-H4613
        現(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，即可與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)共享，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，使不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一本，構(gòu)成統(tǒng)一的FCS，如圖10－9所示。
2．現(xiàn)場(chǎng)總線和 FCS的變革