《現(xiàn)場總線控制技術(shù)》教學(xué)大綱(總14頁)

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1、《現(xiàn)場總線控制技術(shù)》教學(xué)大綱 課程名稱：現(xiàn)場總線控制技術(shù) 適用班級：2016級電氣自動化技術(shù) 輔導(dǎo)教材：《工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)》 王振力等編著 人民郵電出版社 一、本課程的地位、任務(wù)和作用 本課程綜合了電子、儀器儀表、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最新發(fā)展成果，旨在介紹現(xiàn)場總線這一自控領(lǐng)域的新技術(shù)，使學(xué)生了解工業(yè)自動化領(lǐng)域當今世界自控技術(shù)的研究熱點和發(fā)展方向。 本課程的主要任務(wù)是使學(xué)生在了解工業(yè)自動化的發(fā)展歷程以及在現(xiàn)場總線技術(shù)中使用的基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，掌握目前在工業(yè)現(xiàn)場使用最多的PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA的基本原理和具體應(yīng)用，對工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、AS-i技術(shù)及與現(xiàn)場總線密切相關(guān)

2、的OPC技術(shù)和IEC61131-3編程語言等新技術(shù)也要有所認識。通過本課程的學(xué)習(xí)能獨立承擔和開展現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)相關(guān)的研究工作。 二、本課程的相關(guān)課程 《可編程序控制器》、《可視化數(shù)據(jù)處理技術(shù)》、《計算機控制技術(shù)》，《機電傳動與控制》，《單片機原理與應(yīng)用》，《自動控制原理》等課程。 三、本課程的基本內(nèi)容及要求 教學(xué)基本要求： 第1章 概述 了解現(xiàn)場總線與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展，了解現(xiàn)場總線與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點。 第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 掌握通信模型、數(shù)據(jù)傳輸、傳輸媒體、傳輸數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)通信接口和差錯檢測與校正的概念及方法，了解多路復(fù)用技術(shù)的構(gòu)成及使用方法。 第3章

3、現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu) 了解網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念，掌握開放系統(tǒng)互連參考模型中的若干重要概念及 現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的建立方法和特點，了解現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。 第4章 媒體訪問控制技術(shù) 了解媒體訪問控制技術(shù)的概念，掌握集中控制型受控訪問方法，了解ALOHA隨機訪問方法和CSMA隨機訪問方法，了解物理環(huán)訪問方法和令牌總線訪問方法。 第5章 位傳輸現(xiàn)場總線 了解位傳輸總線的基本概念，和汽車總線的分類，了解CAN總線體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議標準，了解CAN控制器、CAN總線收發(fā)器、CAN節(jié)點的實現(xiàn)方法，了解CAN總線應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的基本方法。 第6章 設(shè)備現(xiàn)場總線 了解設(shè)備現(xiàn)場總線的基本概念，掌握Pro

4、fibus總線的特點、體系結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品開發(fā)的基本方法。 第7章 FF現(xiàn)場總線 了解基金會現(xiàn)場總線種類及體系結(jié)構(gòu)，了解FF-H1物理層、FF-H1通信棧、FF-H1用戶層以及FF的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。 第8章 工業(yè)以太網(wǎng) 了解工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和基本特性，了解高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線 FF-HSE。 第9章 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計與集成 了解企業(yè)信息網(wǎng)的一般組成，了解現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的一般設(shè)計應(yīng)用過程，掌握一種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成技術(shù)，了解連接設(shè)備的應(yīng)用方法，了解OPC技術(shù)及其應(yīng)用。 實驗內(nèi)容及要求： 實驗內(nèi)容主要讓學(xué)生了解現(xiàn)場總線的基本原理和結(jié)構(gòu)，以西門子Profibus 總線為例，學(xué)

5、習(xí)現(xiàn)場總線規(guī)范，通訊控制芯片，接口設(shè)計及應(yīng)用編程和操作等，并介紹了幾種常用的現(xiàn)場總線技術(shù)。 1、S7-200PLC與觸摸屏的串口通訊，用RS485串口電纜將CPU226直接連接到觸摸屏，在觸摸屏上組態(tài)一個按鈕和一個指示燈，操作電梯運行，并正確顯示指示燈的狀態(tài) 2、S7-200PLC與計算機組態(tài)軟件的PPI協(xié)議通訊，用PPI電纜將CPU226接到工控機的串口上，在計算機上用MCGS軟件直接操作電梯的運行，主要的實驗內(nèi)容是：在MCGS中設(shè)置PPI通訊協(xié)議，組態(tài)一個按鈕和一個狀態(tài)指示燈，操作電梯運行，并正確顯示指示燈的狀態(tài)。 3、Step7v5.4編程基礎(chǔ)，S7-300plc組態(tài)（2學(xué)時，選做

6、，驗證型），熟悉Step7v5.4軟件的操作環(huán)境和使用步驟以及怎樣在SIMATIC管理器中創(chuàng)建項目。 4、用一臺計算機同時連接S7 -300和S7 –400 PLC，在WINCC中，建立兩個設(shè)備，分別連接300PLC和400PLC，在畫面上組態(tài)兩個數(shù)值輸入單元分別讀寫兩套PLC中的數(shù)據(jù)。 5、S7-300plc 之間的Modbus通訊實驗（2學(xué)時，選做，驗證型），熟悉現(xiàn)場總線Modbus網(wǎng)絡(luò)通訊的基本原理和Step7硬件組態(tài)，掌握S7-300PLC編程和兩個PLC之間網(wǎng)絡(luò)通訊的具體方法。 6、S7-300plc之間的DP通訊實驗（2學(xué)時，選做，驗證型），熟悉現(xiàn)場總線DP網(wǎng)絡(luò)通訊的基本原理

7、，掌握S7-300PLC編程和兩個PLC之間DP網(wǎng)絡(luò)通訊的具體方法。 7、MCGS通過Modbus 協(xié)議控制風(fēng)機變頻器的啟停和調(diào)速，在計算機和變頻器之間，連接RS485通訊電纜，修改變頻器的參數(shù)，將變頻器啟、停和速度給定模式切換成串口模式，在MCGS中組態(tài)變頻器的按鈕和速度設(shè)定，最終實現(xiàn)在計算上啟、停變頻器并調(diào)整速度。 四、習(xí)題數(shù)量及要求 為幫助學(xué)生理解和鞏固本課程的基本概念、理論與基本分析、設(shè)計方法，從鞏固基礎(chǔ)和提高能力方面安排習(xí)題，也可以根據(jù)授課內(nèi)容布置學(xué)生撰寫設(shè)計論文。 五、教學(xué)方式與考核方式 教學(xué)方式：面授輔導(dǎo)、平時作業(yè) 考核方式：考勤、作業(yè)和考試 六、幾點說明 推

8、薦教材和主要參考書： 推薦教材：《工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)》 王振力等編著 人民郵電出版社 主要參考書： 1.張鳳登編著. 現(xiàn)場總線技術(shù)與應(yīng)用. 北京：科學(xué)出版社.2008 2.陽憲惠主編. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用(第2版). 北京：清華大學(xué)出版社.2008 3.陳在平編.著現(xiàn)場總線及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 北京：電子工業(yè)出版社.2008 4.李正軍編著. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社.2009 5.王永華.現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用教程. 北京：機械工業(yè)出版社，2007 6.李正軍主編.現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社，2005 7.王常力、羅安主編.集散型控制系統(tǒng)選

9、型與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社，1996 《現(xiàn)場總線控制技術(shù)》復(fù)習(xí)范圍 復(fù)習(xí)題 1、假設(shè)某個信道的帶寬為600Hz，且信噪比為3dB，這個信道的容量是多少？ 解答：香農(nóng)公式 B＝600Hz，(SNR)dB＝10lgSNR＝3dB，所以SNR＝2 根據(jù)香農(nóng)公式（2－9），得 C=600log2(1+2)=600*1.58=950 bps 2、一個數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)要求其工作在19200bps。 ⑴ 如果一個信號單元可編碼成4比特的單字，那么所需要的最小信道帶寬為多少？ ⑵ 在8比特單字的情況下又是多少？ 解答：根據(jù)奈奎斯特公式 C=2Blog2 M

10、，C=19200， ⑴ M=4，B=4800bps；⑵ M=8，B=3200bps； 3、信道的帶寬為10kHz，功率為1000W，操作環(huán)境溫度為50℃，則這個信道的熱噪聲值為多少？ 解答： k為玻爾茲曼常數(shù)，其值為1.380310-23J/oK；T為絕對溫度。我們認為噪聲與頻率無關(guān)。因此，在B Hz帶寬內(nèi)的熱噪聲N用瓦（W）表示就是： （2－5） N一般用分貝-瓦(dB-W)表示： N=-228.6+10lg（273+50）+10lg104 = -228.6+25.1+40 =-183.5dB-W 4、假設(shè)信道所要求的容量為20Mbps，信道帶寬為3MHz，為了達到

11、這一信道容量，要求信噪比為多少？ 解答：香農(nóng)公式，B＝3MHz 根據(jù)香農(nóng)公式得 C=3106 log2(1+SNR)=20106 SNR=104-1=103，（SNR）dB=10lgSNR=2 dB 5、假設(shè)信道所要求的容量為20Mbps，信道帶寬為6MHz，為了達到這一信道容量，要求信噪比為多少？ 解答：香農(nóng)公式，B＝6MHz 根據(jù)香農(nóng)公式得 C=6106 log2(1+SNR)=20106 SNR=10-1=9，（SNR）dB=10lgSNR=1 dB 6、同軸電纜是兩根導(dǎo)線的傳輸系統(tǒng)，如果將外層導(dǎo)體接地會有什么好處？ 解答：外殼接地時,外電場不會影響到內(nèi)部,內(nèi)電

12、場也不會影響到外部，所以同軸電纜外導(dǎo)體接地有屏蔽內(nèi)外信號互相干擾的好處，能提高信號質(zhì)量，并提高信號傳輸速率。 7、某個NRZ1數(shù)字信號編碼中，前一個比特的信號電平是高，這種編碼情況下，試畫出比特流的波形圖。 解答：NRZ1數(shù)字信號編碼的規(guī)則是：當前比特跟前一個比特相同表示“0”，當前比特跟前一個比特不相同表示“1”。 8、某個NRZ1數(shù)字信號編碼中，前一個比特的信號電平是高，這種編碼情況下，試畫出比特流的波形圖。 解答：NRZ1數(shù)字信號編碼的規(guī)則是：當前比特跟前一個比特相同表示“0”，當前比特跟前一個比特不相同表示“1”。 9、下圖中的波形圖是用曼徹斯特編碼后的二

13、進制數(shù)據(jù)流，求一個比特周期的起始和終止時間（也就是說，提取時鐘信息），并寫出其表示的數(shù)據(jù)序列。 解答：在曼徹斯特編碼中，每比特周期的中央存在一個跳變。比特中央位置的跳變不僅表示了數(shù)據(jù)，而且還提供了定時機制：從高到低的跳變遷表示0，從低到高的跳變表示1。 圖示數(shù)據(jù)為： 10、某個二進制的信號編碼用曼徹斯特編碼，畫出比特流的波形圖。 解答：在曼徹斯特編碼中，每比特周期的中央存在一個跳變。比特中央位置的跳變不僅表示了數(shù)據(jù)，而且還提供了定時機制：從高到低的跳變遷表示0，從低到高的跳變表示1。 圖示數(shù)據(jù)為： 11、假設(shè)有一個10,000個字符的文件以2400bps的速

14、率經(jīng)過一條線路傳送。 （1）如果使用異步傳輸，試計算其額外開銷有多少比特及其傳輸時間。假設(shè)每個字符包含有一個起始比特、一個1比特長的停止單元以及該字節(jié)本身的8個比特。這8個比特字符完全由數(shù)據(jù)比特組成，無檢驗比特。 解答：每8個比特數(shù)據(jù)需要2個bit額外開銷。所以總共額外開銷=1000082=2500bit；傳輸時間=（10000810）2400=5.2秒 （2）如果使用同步傳輸，試計算其額外開銷有多少比特及其傳輸時間。假設(shè)數(shù)據(jù)以幀傳送，每個幀包含了1000個字符，也就是8000比特，以及48個控制比特的額外開銷。 解答：每8000個比特數(shù)據(jù)需要48個bit額外開銷。所以總共額外開銷=（

15、Int（100008000）+1）48=96bit；傳輸時間=（10000+96）2400=4.2秒 12、假設(shè)有一個100,000個字符的文件以2400bps的速率經(jīng)過一條線路傳送。 （1）如果使用異步傳輸，試計算其額外開銷有多少比特及其傳輸時間。假設(shè)每個字符包含有一個起始比特、一個1比特長的停止單元以及該字節(jié)本身的8個比特。這8個比特字符完全由數(shù)據(jù)比特組成，無檢驗比特。 （2）如果使用同步傳輸，試計算其額外開銷有多少比特及其傳輸時間。假設(shè)數(shù)據(jù)以幀傳送，每個幀包含了1000個字符，也就是8000比特，以及48個控制比特的額外開銷。 解答：（1）每8個比特數(shù)據(jù)需要2個bit額外開銷

16、。所以總共額外開銷=10000082=25000bit；傳輸時間=（100000810）2400=52秒 解答：（2）每8000個比特數(shù)據(jù)需要48個bit額外開銷。所以總共額外開銷=（Int（1000008000）+1）48=624bit；傳輸時間=（100000+624）2400=42秒 13、假設(shè)文件長度為10,000個字符，數(shù)據(jù)率為9600bps的速率經(jīng)過一條線路傳送。 （1）如果使用異步傳輸，試計算其額外開銷有多少比特及其傳輸時間。假設(shè)每個字符包含有一個起始比特、一個1比特長的停止單元以及該字節(jié)本身的8個比特。這8個比特字符完全由數(shù)據(jù)比特組成，無檢驗比特。 （2）如果使用同

17、步傳輸，試計算其額外開銷有多少比特及其傳輸時間。假設(shè)數(shù)據(jù)以幀傳送，每個幀包含了1000個字符，也就是8000比特，以及48個控制比特的額外開銷。 解答：（1）每8個比特數(shù)據(jù)需要2個bit額外開銷。所以總共額外開銷=1000082=2500bit；傳輸時間=（10000810）9600=1.3秒 解答：（2）每8000個比特數(shù)據(jù)需要48個bit額外開銷。所以總共額外開銷=（Int（100008000）+1）48=96bit；傳輸時間=（10000+96）9600=1.05秒 14、IEC61158通信接口被多種現(xiàn)場總線（如FF-H1、Profibus-PA）作為物理層標準，它有哪兩條主

18、要功能，采用何種協(xié)議編碼，這種編碼方案應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)中有什么好處？ IEC61158.2用于實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與總線之間的連接，其基本功能是為現(xiàn)場總線設(shè)備與傳輸媒體的連接提供機械和電氣接口，為現(xiàn)場總線設(shè)備對總線的訪問提供合乎規(guī)范的信號。采用協(xié)議數(shù)據(jù)編碼，這種編碼的優(yōu)點是在每個時鐘周期的中間，都必然會存在一次電平的跳變，接收端利用位中間脈沖跳變很容易分離出同步時鐘信號，也就是說，發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)編碼中隱含了同步時鐘，因此不必另外設(shè)置同步信號。 15、IEC61158通信接口為現(xiàn)場設(shè)備提供哪兩種2種供電方式，各種供電方式的應(yīng)用場合有何區(qū)別？ IEC為現(xiàn)場設(shè)備提供兩種供電方式：總線供電和非總線供電。

19、總線供電是現(xiàn)場設(shè)備直接從總線上獲得工作能源；非總線供電是總線上的現(xiàn)場設(shè)備，其工作電源來自外部電源，而不是取自總線。在總線供電的場合，總線既要傳送數(shù)字信號，又要向現(xiàn)場設(shè)備供電。 16、IEC61158通信接口的傳輸速率是多少？傳輸媒體有哪些？ 按照IEC61158.2標準，傳輸速率為31.25kbps，IEC61158.2支持的傳輸媒體包括：雙絞線、多芯電纜、光纜和無線媒體。 17、敘述IEC61158通信接口標準中傳輸距離與傳輸導(dǎo)線的對應(yīng)關(guān)系。 在傳輸速率為31.25kbps時，下表列出了傳輸距離與傳輸導(dǎo)線的對應(yīng)關(guān)系 傳輸距離與傳輸導(dǎo)線的對應(yīng)關(guān)系 線纜類型 名稱 傳輸速

20、率 最大傳輸距離 A 屏蔽雙絞線 31.25kbps 1900m B 屏蔽多對雙絞線 31.25kbps 1200m C 屏蔽多對雙絞線 31.25kbps 400m D 屏蔽多芯電纜 31.25kbps 200m 18、現(xiàn)場總線的物理層可選用的傳輸技術(shù)主要有三種，分別為IEC61158.2傳輸技術(shù)、RS-485傳輸技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)，分別描述各自的主要特性。 IEC61158.2傳輸技術(shù)：用于實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與總線之間的連接，其基本功能是為現(xiàn)場總線設(shè)備與傳輸媒體的連接提供機械和電氣接口，為現(xiàn)場總線設(shè)備對總線的訪問提供合乎規(guī)范的信號。作為機械接口，由于現(xiàn)場

21、總線的傳輸媒體一般為兩根導(dǎo)線，如雙絞線，因而其機械接口相對較為簡單。功能分為發(fā)送和接收兩種，物理層作為工業(yè)現(xiàn)場的電氣接口，還具備電氣隔離、信號濾波、總線供電等功能。 RS-485傳輸技術(shù)：允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性；采用兩線差分平衡傳輸，使用一對雙絞線，大多數(shù)RS-485的端口連接采用半雙工通信方式。有多個驅(qū)動器和接收器共享一條信號通路，只用一對差分平衡線路 標準 項目 RS-485 最大傳輸距離 1200m（速率100kbps） 最大傳輸速率 10Mbps（距離12m） 驅(qū)動器最小輸出（V） 1.5 驅(qū)動器最大輸出（V）

22、 6 接收器敏感度（V） 0.2 最大驅(qū)動器數(shù)量 32單位負載 最大接收器數(shù)量 32單位負載 電氣特征類型 平衡 光纖：光纖的傳輸距離僅受波長的影響，衰減率極低，同時為了更有效增大傳輸距離，一般都采用1.55m零色散波長光纖，同時利用摻餌光纖放大器作為接收機的前置放大器或在光纖線路中作為中繼器，可使光纖的傳輸距離為幾十公里，甚至上百公里。光纖采用的是光譜技術(shù)，沒有泄漏信號的現(xiàn)象，也不受電磁波和高頻失真的影響，使它更適合有危險的、高壓的或者泄漏信號、干擾信號很強的環(huán)境。 19、開放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種新的解決方案是采用生產(chǎn)者/用戶（Producer/Consumer）數(shù)據(jù)傳輸模

23、式，請解釋這種模式，并與源/目的模式做出比較。 解答：源/目的模式是以通信節(jié)點地址為中心的編碼方式，適合于點對點的通信。源/目的模式采用應(yīng)答式通信，數(shù)據(jù)幀中必須包含源地址和目的地址。如果網(wǎng)絡(luò)要向多個設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，則需要對這些設(shè)備分別進行“呼”、“應(yīng)”通信，即使是同一數(shù)據(jù)，也需要傳送多次，從而增加了網(wǎng)絡(luò)的通信量，造成網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費和網(wǎng)絡(luò)效率的降低，但這種模式的可靠性較高。 生產(chǎn)者/用戶（producer/consumer）模式是以數(shù)據(jù)為中心的編碼方式，生產(chǎn)者在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)出一個數(shù)據(jù)幀后，用戶便可根據(jù)其中的標識符來判斷是否消費該數(shù)據(jù)。生產(chǎn)者/用戶模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點同時從單個數(shù)據(jù)源獲取相同的數(shù)

24、據(jù)，可以實現(xiàn)點對點、多點和廣播通信。 生產(chǎn)者/用戶模式下，當一個設(shè)備欲給其它多個設(shè)備發(fā)送同一信息時，這個設(shè)備只需發(fā)送一次數(shù)據(jù)，其它設(shè)備便都能接收到該數(shù)據(jù)，也不需要重復(fù)地發(fā)送，從而可節(jié)省大量的時間，提高網(wǎng)絡(luò)效率。另外，在這種模式下，節(jié)點可以實現(xiàn)精確的同步化；系統(tǒng)的組織方式也可以很靈活，能夠組成主/從、多主或?qū)Φ鹊耐ㄐ沤Y(jié)構(gòu)。 生產(chǎn)者/用戶模式的格式與常用的源/目的格式的比較如圖所示。 20、測控通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膽?yīng)用信息一般歸類為三種，分別是周期性數(shù)據(jù)、事件性數(shù)據(jù)和關(guān)鍵性數(shù)據(jù)。給出它們的定義，并舉例說明。 21、試畫出IEC建議的現(xiàn)場總線通信模型與ISO/OSI

25、參考模型之間的關(guān)系，并說明這樣分層的目的和優(yōu)點。 IEC建議的現(xiàn)場總線通信模型使用了ISO/OSI七層參考模型的三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。省去了ISO/OSI參考模型七層中的3~6層，即不具備網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層與表示層。不過它又在原有ISO/OSI參考模型第7層之上增加了新的一層——用戶層。這樣可將通信模型視為四層，其中物理層規(guī)定了信號如何發(fā)送；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定如何在設(shè)備之間共享網(wǎng)絡(luò)和進行調(diào)度通信；應(yīng)用層則規(guī)定了在設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請求應(yīng)答中的信息格式。用戶層則用于組成用戶所需要的應(yīng)用程序，如規(guī)定標準的功能塊、設(shè)備描述，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等。TS61158總線

26、標準充分考慮了測控自動化系統(tǒng)的特點，是一個不同于IT技術(shù)、具有嶄新框架的通信協(xié)議，可廣泛應(yīng)用于過程控制、制造自動化等領(lǐng)域。 22、試畫出發(fā)布/預(yù)訂接收型調(diào)度通信的鏈路結(jié)構(gòu)，說明調(diào)度數(shù)據(jù)的存儲方式和傳遞方法。 LAS內(nèi)有一張預(yù)定調(diào)度時間表（STL，Schedule Time List），一旦到了某臺設(shè)備要發(fā)送信息的時間，LAS就發(fā)送一個強制數(shù)據(jù)令牌（CD，Compel Data token）給這臺設(shè)備。該設(shè)備收到了這個CD令牌后，就可以向總線上發(fā)送它的信息。如圖3-18所示，LAS發(fā)出CD（a），設(shè)備a收到后，就立即將其緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)幀DT（a）形式向連接在總線上的所有設(shè)備進行

27、廣播，數(shù)據(jù)將被在系統(tǒng)組態(tài)時設(shè)定的接收設(shè)備接收。發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為發(fā)布者（publisher），而接收數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為預(yù)訂接收者（subscriber）。 23、定義并比較三個變量：行走時間，循環(huán)時間及傳播延遲時間。 節(jié)點1發(fā)完數(shù)據(jù)并且經(jīng)過一定的傳播時間后，主機就向節(jié)點2發(fā)出探詢分組。再經(jīng)過一定的傳播時間，探詢分組到達節(jié)點2。節(jié)點2要識別這個探詢分組（即根據(jù)探詢分組的地址捕捉到這個探詢分組），則又需要一些時間。上述這幾種時間之總和即為ω2，它代表節(jié)點1把發(fā)送權(quán)轉(zhuǎn)交給節(jié)點2所需的時間；ω2也稱為行走時間（walk time）。 這樣，輪詢?nèi)抗?jié)點一周所用的時間，就是各節(jié)點的發(fā)送時間ti與行

28、走時間ωi的總和（圖4-5），我們將這個時間稱為循環(huán)時間，并記為tc。 播延遲時間分組從發(fā)送端發(fā)出，到達接收端所需要的時間，它跟傳輸?shù)男盘柡兔襟w有關(guān)。 24、（4.2節(jié)行走時間L的計算）。 設(shè)主機向各節(jié)點發(fā)出的探詢幀為定長（如幀長為48bit），則探詢幀的發(fā)送時間tp亦為定長，N 個節(jié)點共需時間 Ntp。又設(shè)每個節(jié)點識別探詢分組平均需時間ts，N個節(jié)點共需時間Nts。再設(shè)各節(jié)點沿多點線路均勻分布，而主機到最遠的節(jié)點N的單程傳播時間為τ，整個探詢系統(tǒng)的行走時間L為： 25、在輪叫探尋系統(tǒng)中，現(xiàn)假設(shè)N＝10，節(jié)點間的距離為500km，傳播延遲為10s/km，ts＝10ms，線路容量

29、C＝2400bps，探詢幀長為48bit。試求整個探詢系統(tǒng)的行走時間L。當分組長度服從指數(shù)分布，其平均長度l/＝1200bit時。算出當ρ＝0時、ρ＝0.5時的W。 解：根據(jù)已知條件，得主機到最遠的節(jié)點N的單程傳播時間τ＝5001010-5(s)＝50ms。 這時，整個系統(tǒng)的傳播延遲為(10+1)50＝550ms。 由線路容量C和探詢幀長度，可得tp＝48/2400(s)＝20ms 代入4-14式算出 L＝N*tp+N*ts+（N+1）*τ=200+100+550=850ms＝0.85s 若分組長度服從指數(shù)分布，由（4－13）式可得： 當ρ＝0時，W＝L/2＝425ms＝0

30、.425s 當ρ＝0.5時，W＝0.85(1-0.5/10)/[2(1-0.5)]+12000.5/[2400(1-0.5)]=0.71s 26、傳遞探詢的系統(tǒng)中，現(xiàn)假設(shè)N＝10，節(jié)點間的距離為500km，傳播延遲為10s/km，ts＝10ms，線路容量C＝2400bps，探詢幀長為48bit。試求整個探詢系統(tǒng)的行走時間L。當分組長度服從指數(shù)分布，其平均長度l/＝1200bit時。算出當ρ＝0時、ρ＝0.5時的W。計算L 和算出當ρ＝0時、ρ＝0.5時的W。 解：主機到最遠的節(jié)點N的單程傳播時間τ＝5001010-5(s)＝50ms 由（4－15）式，L=Nts+2τ得L＝10

31、10+250＝200ms＝0.2s 若分組長度服從指數(shù)分布，由（4－13）式可得： 當ρ＝0時，W＝L/2＝100ms＝0.1s 當ρ＝0.5時，W＝0.2(1-0.5/10)/[2(1-0.5)]+12000.5/[2400(1-0.5)]=0.37s 27、 CAN 幀的位流采用非歸零碼（NRZ）方法編碼。這意味著，在整個位時間內(nèi)維持有效電平，要么為顯性，要么為隱性。其缺點是：在連續(xù)出現(xiàn)數(shù)值相同的位較多時，沒有用于各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同步的邊沿。CAN總線采用什么方法克服這一缺點，請簡述其原理。 幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場和 CRC 序列中使用了位填充，即發(fā)送器在5個相同

32、極性的位后插入一個相反極性的附加位。于是，使用附加沿的后同步就可以進行了。 28、 怎樣理解CAN總線的非破壞性總線仲裁技術(shù)？ CAN總線是使用的無損仲裁方式（即你所指的非破壞性仲裁）：就是當兩個或者以上的不同ID節(jié)點“同時”向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時候，優(yōu)先級最高的就能直接發(fā)送，優(yōu)先級低的就自動退回，等待空閑時候再向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，所以對于優(yōu)先級最高的節(jié)點來說“發(fā)送時間”就是無損的。（相對來說以太網(wǎng)就不是這種模式，是每一個節(jié)點都要退回來，隨機一個時間再發(fā)送出去，沒有優(yōu)先級的意思，所以從理論概念上說實時性差一些） 29、 CAN 協(xié)議采用 CSMA/CA 方法進行媒體訪問控制。假設(shè)當前總線上

33、有三個節(jié)點需要使用總線，它們的標識符分別是①；②；③。試在下圖中畫出三個參與者的仲裁過程和仲裁過程中的總線電平。 解答： 30、 CAN 協(xié)議采用 CSMA/CA 方法進行媒體訪問控制。假設(shè)當前總線上有三個節(jié)點需要使用總線，它們的標識符分別是①；②；③。試在下圖中畫出三個參與者的仲裁過程和仲裁過程中的總線電平。 解答： 31、 CAN報文的優(yōu)先權(quán)是如何確定的？ 采用面向報文的優(yōu)先級控制方式，用標識符定義靜態(tài)的報文優(yōu)先權(quán)?；诟偁幍闹俨靡揽繕俗R符和緊隨其后 RTR 位完成。具有不同標識符的兩個幀，優(yōu)先權(quán)就體現(xiàn)在幀中，較高優(yōu)先權(quán)的標識符具有較低的二進制數(shù)值。若具有

34、相同標識符的數(shù)據(jù)幀和遠程幀同時被初始化，數(shù)據(jù)幀具有更高優(yōu)先權(quán)，這一點是通過RTR位的數(shù)值體現(xiàn)的 32、 CAN節(jié)點有那些手段保證數(shù)據(jù)傳送的安全性？ 正是由于汽車對數(shù)據(jù)傳送安全性的要求較高，因此，最初為這一領(lǐng)域設(shè)計的CAN協(xié)議非常重視錯誤檢測功能。這些機制包括：監(jiān)測、填充規(guī)則校驗、幀校驗、15位CRC檢驗和應(yīng)答檢驗。 簡答題： 1、基金會現(xiàn)場總線 H1（FF-H1）是一個純粹的現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)F的H1總線的傳輸速率為31.25kbps，最大傳輸距離為1900m。FF設(shè)計的高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線HSE傳輸速率為100Mbps，最大傳輸距離為100m補償了H1總線的不足。 2、按照設(shè)

35、備的通信能力，F(xiàn)F-H1總線把通信設(shè)備分為三類：鏈路主設(shè)備、基本設(shè)備和網(wǎng)橋。 3、FF-H1總線中的鏈路主設(shè)備是指那些有能力成為LAS的設(shè)備；基本設(shè)備是指不具備成為LAS能力的設(shè)備。 4、FF-H1總線中，當網(wǎng)絡(luò)中幾個總線段進行擴展連接時，用于兩個總線段之間的連接設(shè)備稱為網(wǎng)橋，屬于鏈路主設(shè)備。 5、FF-H1現(xiàn)場總線中的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元（DLPDU，Data Link Protocol Data Unit）是什么，主要有哪幾個部分組成？ 答：數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元（DLPDU，Data Link Protocol Data Unit）提供數(shù)據(jù)鏈路的協(xié)議控制信息。協(xié)議控制信息由

36、三部分組成。第一部分是幀控制信息，它只有一個8位字節(jié)，指明了該DLPDU 的種類、地址長度、優(yōu)先權(quán)等；第二部分是數(shù)據(jù)鏈路地址，包括目的地址與源地址，第三部分用于指明該類DLPDU 的參數(shù)。 6、基金會現(xiàn)場總線的LAS應(yīng)具有哪幾種基本功能？ 答： ① 向設(shè)備發(fā)送強制數(shù)據(jù)令牌 CD。按照鏈路活動調(diào)度器內(nèi)擁有的調(diào)度表，向網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備發(fā)送CD。調(diào)度表內(nèi)只保存發(fā)送CD DLPDU的請求，其余功能分散在各調(diào)度實體之間。 ② 向設(shè)備發(fā)送傳遞令牌PT，為它們提供發(fā)送非周期數(shù)據(jù)的機會。 ③ 為新入網(wǎng)的設(shè)備探測未被采用過的地址。當為新設(shè)備找好地址后，把它們加入到設(shè)備活動表（LL，the Live L

37、ist）中。 ④ 監(jiān)視設(shè)備對PT令牌的響應(yīng)，當設(shè)備既不能隨著PT順序進入使用，也不能將令牌返還時，就從活動表中去掉這些設(shè)備。 ⑤ 定期對總線段發(fā)布數(shù)據(jù)鏈路時間和調(diào)度時間。 7、基金會現(xiàn)場總線的鏈路活動調(diào)度權(quán)競爭是如何實現(xiàn)的？ 答： 當一個總線段上存在多個鏈路主設(shè)備時，一般要經(jīng)過一個鏈路活動調(diào)度權(quán)的競爭過程，贏得競爭的鏈路主設(shè)備成為LAS。在系統(tǒng)啟動或正在運行的LAS 出錯而失去LAS 作用時，總線段上的鏈路主設(shè)備就會通過競爭爭奪 LAS 權(quán)。競爭過程中將選擇具有最低節(jié)點地址的鏈路主設(shè)備作為LAS。因此，在設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)時，可以給希望成為LAS的鏈路主設(shè)備分配一個低的節(jié)點地址。然而，

38、希望成為LAS的鏈路主設(shè)備并不一定能贏得競爭而真正成為LAS。例如，在系統(tǒng)啟動時的競爭中，某個設(shè)備的初始化可能比另一個鏈路主設(shè)備慢，因而，盡管它具有更低的節(jié)點地址，也不能贏得競爭而成為LAS。 具有低節(jié)點地址的鏈路主設(shè)備加入到已經(jīng)處于運行狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)時，由于網(wǎng)段上已經(jīng)有了一個在崗LAS，在沒有出現(xiàn)新的競爭之前，它也不可能成為LAS。 如果確實想讓某個鏈路主設(shè)備成為 LAS，數(shù)據(jù)鏈路層提供了申請成為 LAS 的幀 CL，可以通過發(fā)送CL幀，要求將LAS 轉(zhuǎn)交給它。不過要在該設(shè)備網(wǎng)絡(luò)管理信息庫（NMIB）的組態(tài)中置入這一信息，以便能讓設(shè)備了解到希望把LAS 轉(zhuǎn)交給它的這種要求。 8、為了把

39、設(shè)備中的各種通信協(xié)議集成起來，并監(jiān)督其運行，現(xiàn)場總線基金會采用了網(wǎng)絡(luò)管理者/網(wǎng)絡(luò)管理代理工作模式。請簡述網(wǎng)絡(luò)管理的主要功能有哪些？并畫出網(wǎng)絡(luò)管理者/網(wǎng)絡(luò)管理代理以及被管理對象之間的關(guān)系。 答：網(wǎng)絡(luò)管理負責(zé)以下工作： (1) 下載由虛擬通信關(guān)系組成的VCR 表或表中某個單一條目； (2) 對通信棧組態(tài)； (3) 下載鏈路活動調(diào)度表（LAS）； (4) 網(wǎng)絡(luò)運行性能監(jiān)督； (5) 差錯判斷監(jiān)視。 9、基金會現(xiàn)場總線采用的是系統(tǒng)管理者/代理者工作方式。簡單敘述系統(tǒng)管理的作用。畫出系統(tǒng)管理內(nèi)核與其他部分的關(guān)系圖。 答：系統(tǒng)管理用以協(xié)調(diào)分布式現(xiàn)場總線系統(tǒng)中各設(shè)備的運行?；饡F(xiàn)場

40、總線采用的是系統(tǒng)管理者/代理者工作方式。在這一方式中，每個設(shè)備的系統(tǒng)管理內(nèi)核（SMK，System Management Kernel）承擔了代理者任務(wù)，并響應(yīng)來自系統(tǒng)管理者（SMgr，System Manager）實體的指示。系統(tǒng)管理可以全部包含在一個設(shè)備中，也可以分布在多個設(shè)備之間。 系統(tǒng)管理的作用： (1) 現(xiàn)場設(shè)備地址分配； (2) 設(shè)備識別； (3) 位號查詢； (4) 應(yīng)用時鐘同步； (5) 功能塊調(diào)度。 ⑴ 資源塊 資源塊（resource block）描述現(xiàn)場設(shè)備的特征，如制造商、設(shè)備名稱、系列號等。每臺設(shè)備中僅有一個資源塊。為了使資源塊能夠表達這些特征，規(guī)

41、定了一組參數(shù)，但沒有輸入或輸出參數(shù)。資源塊將功能塊與設(shè)備硬件特性相隔離，可以通過資源塊在網(wǎng)絡(luò)上訪問與資源塊相關(guān)的設(shè)備的硬件特性。 資源塊也有相應(yīng)的算法，用來監(jiān)視和控制物理設(shè)備硬件的一般操作。其算法的執(zhí)行取決于物理設(shè)備的特性，由制造商規(guī)定，該算法可能引起事件的發(fā)生。 ⑵ 轉(zhuǎn)換塊 轉(zhuǎn)換塊（transducer block）用于讀取傳感器中的硬件數(shù)據(jù)，并寫入到相應(yīng)的要接收這一數(shù)據(jù)的硬件中。轉(zhuǎn)換塊從傳感器中讀取數(shù)據(jù)的頻率是可以設(shè)定的。它不含有運用該數(shù)據(jù)的功能塊，這樣便于把讀取、寫入數(shù)據(jù)的過程從制造商的專有物理I/O 特性中分離出來，提供功能塊的設(shè)備入口，并執(zhí)行一些功能。 轉(zhuǎn)換塊包含有量程數(shù)據(jù)、傳感器類型、標定日期、線性化、I/O 數(shù)據(jù)表示等信息。它可以加入到本地讀取傳感器功能塊或硬件輸出功能塊中， 通常每個輸入或輸出功能塊內(nèi)部都會有一個轉(zhuǎn)換塊。 ⑶ 功能塊 功能塊（function block）包括了圖 7-10 所示功能模塊的參數(shù)、算法和事件等各個組成部分，由外部事件驅(qū)動功能塊的執(zhí)行，通過算法把輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)化為輸出參數(shù)，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的控制功能。