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第1章 现场总线与工业以太网概述1

1.1现场总线的现状与发展1

1.1.1现场总线的产生1

1.1.2现场总线的本质2

1.1.3现场总线的特点和优点3

1.1.4现场总线标准的制定5

1.1.5现场总线的现状6

1.1.6现场总线网络的实现7

1.1.7现场总线技术的发展趋势8

1.2工业以太网的产生与发展9

1.2.1以太网引入工业控制领域的技术优势9

1.2.2工业以太网与实时以太网11

1.2.3 IEC 61784-2标准11

1.2.4工业以太网技术的发展现状13

1.2.5工业以太网技术的发展趋势与前景15

1.3企业网络信息集成系统18

1.3.1企业网络信息集成系统的层次结构18

1.3.2现场总线的作用21

1.3.3现场总线与上层网络的互联22

1.3.4现场总线网络集成应考虑的因素23

1.4现场总线设备23

1.4.1现场总线设备的分类与特点24

1.4.2现场总线差压变送器25

1.4.3现场总线温度变送器26

1.4.4现场总线阀门定位器27

1.4.5现场总线电动执行器28

1.4.6现场总线-气压转换器29

1.4.7电流-现场总线转换器29

1.4.8现场总线-电流转换器30

1.4.9现场总线接口类设备30

1.4.10现场总线仪表圆卡30

1.5现场总线简介31

1.5.1基金会现场总线（FF）31

1.5.2 CAN32

1.5.3 DeviceNet32

1.5.4 LonWorks34

1.5.5 PROFIBUS35

1.5.6 HART35

1.5.7 INTERBUS36

1.5.8 CC-Link37

1.5.9 ControlNet41

1.5.10 WorldFIP44

1.5.11P-Net45

1.5.12 SwiftNet45

1.5.13 AS-i45

1.5.14 RS-48546

1.6工业以太网简介46

1.6.1工业以太网的主要标准46

1.6.2 IDA47

1.6.3 Ethernet/IP48

1.6.4 EtherCAT49

1.6.5 Ethernet Powerlink50

1.6.6 PROFINET51

1.6.7 HSE56

1.6.8 EPA57

习题57

第2章 网络与通信基础58

2.1数据通信基础58

2.1.1基本概念58

2.1.2通信系统的组成60

2.1.3数据编码61

2.1.4通信系统的性能指标62

2.1.5信号的传输模式66

2.1.6局域网及其拓扑结构67

2.1.7网络传输介质68

2.1.8介质访问控制方式70

2.1.9 CRC校验71

2.2现场控制网络72

2.2.1现场控制网络的节点73

2.2.2现场控制网络的任务74

2.2.3现场控制网络的实时性74

2.3网络硬件75

2.3.1网络传输技术75

2.3.2局域网76

2.3.3城域网77

2.3.4广域网77

2.3.5无线网77

2.3.6互联网77

2.4网络互联78

2.4.1基本概念78

2.4.2网络互联规范78

2.4.3网络互联操作系统78

2.4.4现场控制网络互联79

2.5网络互联设备79

2.5.1中继器79

2.5.2网桥80

2.5.3网关81

2.5.4路由器81

2.6通信参考模型81

2.6.1 OSI参考模型81

2.6.2 TCP/IP参考模型85

2.6.3 OSI参考模型和TCP/IP参考模型的比较87

2.6.4现场总线的通信模型88

2.7 netX网络控制器90

2.7.1 netX系列网络控制器90

2.7.2 netX系列网络控制器的软件结构92

2.7.3 netX可用的协议堆栈93

2.7.4基于netX网络控制器的产品分类94

2.7.5开发工具和测试板97

2.7.6设计服务97

2.7.7价格模式97

2.8 ARM处理器98

2.8.1ARM处理器概述98

2.8.2 ARM体系架构的版本98

2.8.3 ARM处理器的分类99

2.9网络操作系统与工控组态软件101

2.9.1 Windows操作系统101

2.9.2 Netware101

2.9.3 Windows CE101

2.9.4 VxWorks101

2.9.5 μC/OS-Ⅱ101

2.9.6 Linux102

2.9.7工控组态软件102

2.10 OPC技术102

2.10.1 OPC技术概述102

2.10.2 OPC关键技术103

2.10.3 OPC DA规范104

2.10.4工业控制领域中的OPC应用实例106

2.11 Web技术107

2.11.1 Web技术概述107

2.11.2 Web服务端技术108

2.11.3 Web客户端技术109

2.11.4 SCADA系统中的Web应用方案设计109

习题110

第3章 串行通信与Modbus - RTU通信协议112

3.1串行通信基础112

3.1.1串行异步通信数据格式112

3.1.2连接握手113

3.1.3确认113

3.1.4中断113

3.1.5轮询114

3.1.6差错检验114

3.2 RS-232C串行通信接口115

3.2.1 RS-232C端子115

3.2.2通信接口的连接116

3.2.3 RS-232C电平转换器117

3.3 RS - 485串行通信接口117

3.3.1 RS -485接口标准117

3.3.2 RS-485收发器118

3.3.3应用电路119

3.3.4 RS-485网络互联119

3.4 USB接口121

3.4.1 USB接口的定义121

3.4.2 USB接口的特点122

3.4.3 USB接口的应用122

3.5 Modbus通信协议122

3.5.1 Modbus通信协议概述122

3.5.2两种传输方式123

3.5.3 Modbus消息帧124

3.5.4错误检测方法127

3.5.5 Modbus的编程方法131

3.6 PMM2000电力网络仪表及其应用132

3.6.1 PMM2000电力网络仪表概述132

3.6.2 PMM2000电力网络仪表 Modbus-RTU通信协议133

3.6.3 PMM2000电力网络仪表在数字化变电站中的应用138

习题139

第4章CAN现场总线与CANopen141

4.1 CAN的技术规范141

4.1.1CAN的基本概念142

4.1.2 CAN的分层结构143

4.1.3报文传送和帧结构144

4.1.4错误类型和界定150

4.1.5位定时与同步的基本概念151

4.1.6 CAN总线的位数值表示与通信距离153

4.2 CAN通信控制器SJA1000153

4.2.1 SJA1000内部结构154

4.2.2 SJA1000引脚介绍155

4.2.3 SJA1000应用说明156

4.2.4 BasicCAN功能说明157

4.2.5 PeliCAN功能说明163

4.2.6 BasicCAN和PeliCAN的公用寄存器165

4.3带SPI接口的CAN通信控制器MCP2515169

4.3.1MCP2515概述169

4.3.2 MCP2515的功能170

4.4 CAN总线收发器171

4.4.1CAN总线收发器概述171

4.4.2 PCA82C250/251CAN总线收发器171

4.4.3 TJA1050 CAN总线收发器174

4.4.4 TJA1051CAN总线收发器176

4.4.5 NCV7356 CAN总线单线收发器176

4.4.6 AMIS-30660 CAN总线收发器178

4.4.7 AMIS-30663 CAN总线收发器179

4.4.8 AMIS-42700双高速CAN总线收发器180

4.5 CAN总线应用节点设计181

4.5.1硬件电路设计181

4.5.2程序设计182

4.6基于PCI总线的CAN智能网络通信适配器的设计194

4.6.1 SCADA系统结构194

4.6.2 PCI总线概述196

4.6.3 PCI控制器CY7C09449PV198

4.6.4 CAN智能网络通信适配器的设计202

4.7 CAN智能节点的设计214

4.7.1 CAN智能测控节点的一般结构214

4.7.2 FBCAN-8 DI八路数字量输入智能节点的设计215

4.8 CAN通信转换器的设计217

4.8.1 CAN通信转换器概述217

4.8.2 CAN通信转换器微控制器主电路的设计218

4.8.3 CAN通信转换器UART驱动电路的设计219

4.8.4 CAN通信转换器CAN总线隔离驱动电路的设计219

4.8.5 CAN通信转换器USB接口电路的设计220

4.9 CAN总线在汽车电子系统中的应用220

4.9.1应用概述220

4.9.2汽车CAN总线设计方案220

4.10 CANopen221

4.10.1 CANopen通信和设备模型221

4.10.2 CANopen物理层222

4.10.3 CANopen应用层223

4.10.4 CANopen设备子协议226

4.10.5 CANopen设备与网络228

习题230

第5章LonWorks智能控制网络231

5.1 LonWorks智能控制网络概述231

5.2神经元芯片232

5.2.1神经元芯片概述232

5.2.2神经元芯片TMPN3150B1AF234

5.2.3网络通信端口239

5.2.4收发器241

5.3神经元芯片应用I/O250

5.3.1I/O时序251

5.3.2直接I/O对象252

5.3.3串行I/O对象255

5.3.4定时器/计数器I/O对象256

5.4 LonWorks智能控制网络的组成257

5.4.1 LonWorks智能控制网络结构257

5.4.2 LonWorks的技术支持259

5.5 LonTalk通信协议与LonMark对象260

5.5.1 LonTalk协议介绍260

5.5.2 LonTalk提供的服务262

5.5.3介质访问控制和MAC层协议266

5.5.4 LonTalk协议的链路层及网络层268

5.5.5 LonTalk高层协议269

5.5.6 LonMark对象270

5.6 Neuron C——面向对象的编程语言271

5.6.1Neuron C概述271

5.6.2 Neuron C编程271

5.6.3网络变量272

5.6.4显式报文272

5.7 LonWorks开发工具273

5.7.1 LonBuilder开发工具273

5.7.2 NodeBuilder节点开发工具276

5.7.3第三代LNS网络工具276

5.7.4 i.LON LonWorks互联网连接设备277

5.8基于控制模块的LonWorks应用节点开发277

5.8.1控制模块278

5.8.2基于控制模块的节点开发实例279

5.9基于PCI总线的LON网络智能适配器284

5.9.1系统功能284

5.9.2总体设计284

5.9.3 CPLD译码288

5.10 Host-Base结构节点的设计289

5.10.1Host-Base结构节点的硬件设计289

5.10.2 Host-Base结构节点的软件设计291

习题293

第6章PROFIBUS现场总线294

6.1 PROFIBUS概述294

6.2 PROFIBUS的协议结构295

6.2.1 PROFIBUS-DP的协议结构297

6.2.2 PROFIBUS-FMS的协议结构297

6.2.3 PROFIBUS-PA的协议结构297

6.3 PROFIBUS-DP现场总线系统297

6.3.1 PROFIBUS-DP的三个版本298

6.3.2 PROFIBUS-DP系统组成和总线访问控制301

6.3.3 PROFIBUS-DP系统工作过程304

6.4 PROFIBUS- DP的通信模型307

6.4.1 PROFIBUS-DP的物理层307

6.4.2 PROFIBUS-DP的数据链路层（FDL）309

6.4.3 PROFIBUS-DP的用户层317

6.4.4 PROFIBUS-DP用户接口318

6.5 PROFIBUS-DP的总线设备类型和数据通信320

6.5.1 PROFIBUS-DP总线设备与数据通信概述320

6.5.2 DP设备类型322

6.5.3 DP设备之间的数据通信322

6.5.4 PROFIBUS-DP循环325

6.5.5采用交叉通信的数据交换327

6.5.6设备数据库文件（GSD）327

6.6 PROFIBUS传输技术328

6.6.1DP/FMS的RS-485传输技术和安装要点328

6.6.2 PA的IEC1158-2传输技术和安装要点329

6.6.3光纤传输技术330

6.7 PROFIBUS总线存取协议330

6.7.1 PROFIBUS-DP331

6.7.2 PROFIBUS-PA333

6.7.3 PROFIBUS-FMS335

6.8从站通信控制器SPC3.336

6.8.1 ASICs介绍336

6.8.2功能简介336

6.8.3引脚说明337

6.8.4存储器分配339

6.8.5 ASIC接口342

6.8.6 PROFIBUS-DP接口348

6.8.7通用处理器总线接口349

6.8.8 UART351

6.8.9 PROFIBUS接口351

6.9主站通信控制器ASPC2与网络接口卡352

6.9.1 ASPC2介绍352

6.9.2 CP5611网络接口卡353

6.9.3 CP5613网络接口卡354

6.9.4 CP5511/5512网络接口卡354

6.10 PROFIBUS-DP开发包4.354

6.10.1开发包4 （PACKAGE 4）的组成355

6.10.2硬件安装358

6.10.3软件使用358

6.11 PROFIBUS-DP从站的开发360

6.11.1硬件电路360

6.11.2软件开发361

6.12 PROFIBUS-DP从站智能节点的设计361

6.12.1 PROFIBUS-DP从站智能测控节点的一般结构361

6.12.2 FBPRO-8DO八路数字量输出智能节点的设计362

6.12.3 FBPRO-8DO从站的GSD文件363

6.12.4 PROFIBUS-DP上位机通信程序设计364

6.12.5 PROFIBUS-DP从站的测试过程369

6.13 PROFInet技术373

6.13.1 PROFInet部件模型373

6.13.2 PROFInet运行期375

6.13.3 PROFInet的网络结构376

6.13.4 PROFInet与OPC的数据交换377

6.14 PROFIBUS控制系统的集成技术378

6.14.1 PROFIBUS控制系统的构成378

6.14.2 PROFIBUS控制系统的配置378

6.14.3 PROFIBUS系统配置中的设备选型379

6.15 基于嵌入式通信模块COM-C的PROFIBUS-DP主站系统设计388

6.15.1 PROFIBUS-DP主站系统设计方案388

6.15.2基于嵌入式通信模块COM-C的DP主站硬件设计388

6.15.3基于嵌入式通信模块COM-C的DP主站软件设计389

6.15.4 PROFIBUS-DP主站模块在新型DCS系统中的应用391

习题392

第7章 基金会现场总线FF393

7.1基金会现场总线FF393

7.1.1基金会现场总线FF的主要技术393

7.1.2通信系统的组成及其相互关系395

7.1.3基金会现场总线的通信模型397

7.1.4物理层398

7.1.5数据链路层401

7.1.6现场总线访问子层403

7.1.7现场总线报文规范层407

7.1.8网络管理410

7.1.9系统管理411

7.1.10 FF通信控制器413

7.2 FF功能块参数416

7.2.1功能块及参数概述416

7.2.2控制变量的计算418

7.2.3块模式参数419

7.2.4量程标定参数420

7.2.5错误状态和警报421

7.3 FF的功能块库422

7.3.1转换块和资源块422

7.3.2功能块422

7.4 FF的典型功能块424

7.4.1模拟输入功能块AI424

7.4.2模拟输出功能块AO427

7.4.3开关量输入功能块DI430

7.4.4开关量输出功能块DO431

7.4.5 PID控制算法功能块PID433

7.5功能块在串级控制设计中的应用438

7.5.1炉温控制系统438

7.5.2串级控制功能块连接439

7.5.3功能块参数设置439

习题440

第8章CC-Link与WorldFIP现场总线441

8.1 CC-Link现场总线441

8.1.1 CC-Link结构及系统配置441

8.1.2 CC-Link通信规范441

8.1.3 CC-Link通信协议442

8.1.4 CC-Link产品的开发444

8.2 WorldFIP现场总线446

8.2.1 WorldFIP现场总线概述446

8.2.2 WorldFIP现场总线技术的体系结构448

8.2.3 WorldFIP现场总线技术的硬件体系450

8.2.4 WorldFIP现场总线技术的软件体系451

8.2.5 WorldFIP现场总线技术开发工具451

习题453

第9章DeviceNet现场总线454

9.1 DeviceNet概述454

9.1.1 DeviceNet的特性455

9.1.2对象模型455

9.1.3 DeviceNet网络及对象模型457

9.2 DeviceNet连接459

9.2.1 DeviceNet关于CAN标识符的使用459

9.2.2建立连接460

9.3 DeviceNet报文协议461

9.3.1显式报文461

9.3.2输入输出报文463

9.3.3分段/重组463

9.3.4重复MAC ID检测协议464

9.3.5设备监测脉冲报文及设备关闭报文465

9.4 DeviceNet通信对象分类465

9.5网络访问状态机制466

9.5.1网络访问事件矩阵467

9.5.2重复MAC ID检测468

9.5.3预定义主/从连接组468

9.6指示器和配置开关470

9.6.1指示器470

9.6.2配置开关471

9.6.3指示器和配置开关的物理标准471

9.6.4 DeviceNet连接器图标472

9.7 DeviceNet的物理层和传输介质472

9.7.1 DeviceNet物理层的结构472

9.7.2物理层473

9.7.3传输介质474

9.7.4网络电源配置476

9.8设备描述476

9.8.1对象模型477

9.8.2 I/O数据格式478

9.8.3设备配置478

9.8.4扩展的设备描述478

9.8.5设备描述编码机制479

9.9 DeviceNet节点的开发480

9.9.1 DeviceNet节点的开发步骤480

9.9.2设备描述的规划483

9.9.3设备配置和电子数据文档（EDS）484

习题488

第10章 工业以太网489

10.1 EtherCAT489

10.1.1 EtherCAT协议概述489

10.1.2 EtherCAT系统组成490

10.1.3 EtherCAT应用层协议492

10.1.4 EtherCAT从站控制芯片494

10.1.5 EtherCAT硬件设计495

10.1.6 EtherCAT伺服驱动器控制应用协议495

10.2 SERCOS496

10.2.1 SERCOS概述496

10.2.2 SERCOS协议497

10.2.3 SERCOS Ⅲ的接口实现497

10.2.4 SERCOS工业应用498

10.3 Ethernet Powerlink498

10.3.1 POWERLINK的原理498

10.3.2 POWERLINK网络拓扑结构500

10.3.3 POWERLINK的实现方案500

10.3.4 POWERLINK的应用层502

10.3.5 POWERLINK在运动控制和过程控制的应用案例503

10.4 EPA503

10.4.1EPA概述503

10.4.2 EPA技术原理505

10.4.3基于EPA的技术开发508

习题511

第11章 基于现场总线与工业以太网的新型DCS的设计512

11.1新型DCS概述512

11.1.1通信网络的要求512

11.1.2控制功能的要求513

11.1.3系统可靠性的要求513

11.1.4其他方面的要求514

11.2现场控制站的组成514

11.2.1 2个控制站的DCS结构514

11.2.2 DCS测控板卡的类型515

11.3新型DCS通信网络516

11.3.1以太网实际连接网络517

11.3.2双CAN网络517

11.4新型DCS控制卡的硬件设计518

11.4.1控制卡的硬件组成519

11.4.2 W5100网络接口芯片521

11.4.3双机冗余电路的设计522

11.4.4存储器扩展电路的设计524

11.5新型DCS控制卡的软件设计525

11.5.1控制卡软件的框架设计525

11.5.2双机热备程序的设计526

11.5.3 CAN通信程序的设计529

11.5.4以太网通信程序的设计531

11.6控制算法的设计533

11.6.1控制算法的解析与运行533

11.6.2控制算法的存储与恢复536

11.7 8通道模拟量输入板卡（8AI）的设计537

11.7.18通道模拟量输入板卡的功能概述537

11.7.2 8通道模拟量输入板卡的硬件组成538

11.7.3 8通道模拟量输入板卡微控制器主电路的设计539

11.7.4 8通道模拟量输入板卡的测量与断线检测电路设计540

11.7.5 8通道模拟量输入板卡信号调理与通道切换电路的设计541

11.7.6 8通道模拟量输入板卡的程序设计542

11.8 8通道热电偶输入板卡（8TC）的设计542

11.8.18通道热电偶输入板卡的功能概述542

11.8.2 8通道热电偶输入板卡的硬件组成543

11.8.3 8通道热电偶输入板卡的测量与断线检测电路设计544

11.8.4 8通道热电偶输入板卡的程序设计547

11.9 8通道热电阻输入板卡（8RTD）的设计547

11.9.18通道热电阻输入板卡的功能概述547

11.9.2 8通道热电阻输入板卡的硬件组成548

11.9.3 8通道热电阻输入板卡的测量与断线检测电路设计549

11.9.4 8通道热电阻输入板卡的程序设计551

11.10 4通道模拟量输出板卡（4AO）的设计551

11.10.1 4通道模拟量输出板卡的功能概述551

11.10.2 4通道模拟量输出板卡的硬件组成552

11.10.3 4通道模拟量输出板卡的PWM输出与断线检测电路设计553

11.10.4 4通道模拟量输出板卡自检电路设计554

11.10.5 4通道模拟量板卡输出算法设计554

11.10.6 4通道模拟量板卡的程序设计555

11.11 16通道数字量输入板卡（16DI）的设计555

11.11.116通道数字量输入板卡的功能概述555

11.11.2 16通道数字量输入板卡的硬件组成556

11.11.3 16通道数字量输入板卡信号预处理电路的设计556

11.11.4 16通道数字量输入板卡信号检测电路的设计557

11.11.5 16通道数字量输入板卡的程序设计559

11.12 16通道数字量输出板卡（16DO）的设计559

11.12.1 16通道数字量输出板卡的功能概述559

11.12.2 16通道数字量输出板卡的硬件组成559

11.12.3 16通道数字量输出板卡开漏极输出电路的设计560

11.12.4 16通道数字量输出板卡输出自检电路的设计562

11.12.5 16通道数字量输出板卡外配电压检测电路的设计563

11.12.6 16通道数字量输出板卡的程序设计564

11.13 8通道脉冲量输入板卡（8PI）的设计564

11.13.1 8通道脉冲量输入板卡的功能概述564

11.13.2 8通道脉冲量输入板卡的硬件组成564

11.13.3 8通道脉冲量输入板卡的程序设计565

习题565

参考文献567