第七章 总线技术 习题及参考答案
1.何谓总线？总线有什么功能？总线标准是怎样形成的？
总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间(或插件内部芯片间)、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。
在微型计算机的硬件设计中，许多厂商设计和提供了许多具有不同功能的插件(亦称“模板”)。用户为了构成计算机应用系统，希望这些模板能互相兼容。这种兼容是指插件的尺寸、插座的针数及类型、插针的逻辑定义、控制插件工作的时序及电气特性等相同。也就是说为了使插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对连接各插件或各系统的基础——总线，制定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产插件模块提供统一的依据。因此，采用同一总线标准的不同厂家的插件模块，就可以组成可正常工作的系统。 ?
2.试述总线的分类、各类总线间的关系。
a.根据总线不同的结构和用途，总线有如下的几种类型： （1）专用总线?
我们将只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线。专用总线的基本优点是其具有较高的流量，多个部件可以同时发送或接受信息，几乎不会出现总线争用的现象。在全互连或部分互连以及环形拓扑结构中使用的总线就是专用总线。
（2）非专用总线?
非专用总线可以被多种功能或多个部件所共享，所以也称之为共享总线。每个部件都能通过共享总线与接在总线上的其他部件相连，但在同一时刻，却只允许2个部件共享通信，其他部件间的通信要分时进行，因此准确地应称之为分时共享总线。?
b.根据总线的用途和应用环境，总线可以有如下几种类型：? （1）局部总线?
局部总线又称为芯片总线。它是微处理器总线的延伸，是微处理器与外部硬件接口的通路，如图所示。它是构成中央处理机或子系统内所用的总线。局部总线通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类。?
（2）系统总线?
?系统总线又称内总线和板线总线，即微型计算机总线，用于各单片机微处理机之间、模块之间的通信，可用于构成分布式多机系统，如Multibus总线、STD总线、VME总线、PC总线等。一般微型机系统总线如图所示。
（3）外总线?
外总线又称为通信总线，用于微处理机与其他智能仪器仪表间的通信。外总线通常通过总线控制器挂接在系统总线上，外总线如图所示。?
常用的外总线有：连接智能仪器仪表的IEEE-488通用接口总线；RS-232C和RS-422串行通信总线等。 ?
3.根据总线传送信号的形式，总线又可分为两种。?
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（1）并行总线?
如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。并行总线的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。
（2）串行总线?
串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。其特点是可以用几根信号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。
3.简述STD总线的特点。
STD总线在工业控制中广泛采用，是因为它有以下特点： (1)小板结构，高度模块化。 (2)严格的标准化，广泛的兼容性。
(3)面向I/O的开放式设计，适合工业控制应用。 (4)高可靠性。
4.简述RS—232C总线的特点。
微机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通讯。通讯距离可达15m，传输数据的速率可任意调整，最大可达20Kb/s。
5.什么是现场总线？有哪几种典型的现场总线？它们的特点是怎样的？
现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。所以现场总线既是通信网络，又是自控网络。 下面是几种典型的现场总线。?
（1）CAN(Control Area Network)控制器局域网络
控制器局域网络CAN是由德国Bosch公司的为汽车的监测和控制而设计的，逐步发展到用于其它工业领域的控制。CAN已成为国际标准化组织ISO 11898标准。CAN具有如下特性：
(a)通信速率为5Kbps/10km,1Mbps/40m,节点数110个，传输介质为双绞线或光纤等。 (b)采用点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据。
(c)可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，用此特点可方便地构成多机备份系统。
(d)采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络发送信号时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息；按节点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。
(e)支持三类报文帧：数据帧、远程帧、超载帧。采用短帧结构，每帧有效字节数为8个。这样传输时间短，受干扰的概率低，且具有较好的检错效果。
(f)采用循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)及其它检错措施，保证了极低的信息出错率。 (g)节点具有自动关闭功能，当节点错误严重时，则自动切断与总线的联系，这样不影响总线正常工作。 (h)CAN单片机：Motorola公司生产带CAN模块的MC68HC05x4，Philips公司生产82C200，Intel公司生产带CAN模块的P8XC592。
(j)CAN控制器：Philips公司生产的82C200，Intel公司生产的82527。
(k)CAN I/O器件：Philips公司生产的82C150，具有数字和模拟I/O接口。（2）LONWORKS(Local Operating Network)局部操作网络?
LONORKS是美国Echelon公司研制，主要有如下特性：
(a)通信速率为78Kbps/2700m、1.5Mbps/130m,节点数32000个，传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线等。
(b)采用Lon Talk通储备协议，该协议遵循国际标准化组织ISO定义的开放系统互连OSI(Open System Interconnection)全部7层模型。
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(c)其核心是Neuron(神经元)芯片，内含了3个8位的CPU；第1个CPU为介质访问控制处理器，实现Lon Talk协议的第1层和第2层；第2个CPU为网络处理器，实现Lon Talk协议的第3层至第6层；第3个CPU为应用处理器，实现Lon Talk协议的第7层，执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。
(d)Neuron芯片的编程语言为Neuron C，它是从ANSI C派生出来的。LONWORKS提供了一套开发工具LonBuilder与NodeBuilder。
(e)Lon Talk协议提供了5种基本类型的报文服务：确认(Acknowledged)、非确认(Unacknowledged)、请求/响应(Request/Response)、重复(Repeated)、非确认重复(Unacknowledge Repeated)。
(f)Lon Talk协议的介质访问控制子层(MAC)对CSMA作了改进，采用一种新的称作Predictive P-Persistent CSMA，根据总线负载随机调整时间槽n(1～63)，从而在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能最小化。
（3）PROFIBUS(Process Field Bus)过程现场总线
PROFIBUS是德国标准，1991年在DIN 19245中分布了标准，PROFIBUS有几种改进型，分别用于不同的场合，例如：
(a)PROFIBUS-PA(Process Automation)用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险防爆区域。
(b)PORFIBUS-FMS(Field bus Message Specification)用于一般自动化，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。
(c)PROFIBUS-DP用于加工自动化领域，适用于分散的外围设备之间的高速数据传输。
传输速率为9.6Kbps～12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为100m、1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至10Km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接127个站点。
PROFIBUS引入功能模块的概念，不同的应用需要使用不同的模块。在一个确定的应用中，按照PROFIBUS规范来定义模块，写明其硬件和软件的性能，规范设备功能与PORFIBUS通信功能的一致性。?
PROFIBUS为开放系统协议，为保证产品质量，在德国建立了FZI信息研究中心，对制造厂和用户开放，对其产品进行一致性检测和实验性检测。
（4）HART(Highway Addressable Remote Transclucer)可寻址远程传感器数据通路
HART是美国Rosemount研制，HART协议参照ISO/OSI模型的第1、2、7层，即物理层、数据全连路层和应用层，主要有如下特性：
(a)物理层：采用基于Bell 202通信标准的FSK技术，即在4～20mA(DC)模拟信号上叠加FSK数字信号，逻辑1为1200Hz、逻辑0为2200Hz，波特率为1200bps，调制信号为?±0.5mA?或0.25VP-P(250Ω负载)。用屏蔽双绞线单台设备距离3000m，而多台设备互连距离1500m。
(b)数据链路层：数据帧长度不固定，最长25个字节。可寻地址为0～15，当地址为0时，处于4～20mA(DC)与数字通信兼容状态；当地址为1～15时，则处于全数字通信状态。通信模式为“问答式”或“广播式”。
(c)应用层：规定了三类命令，第1类是通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品；第2类是普通命令，适用于遵守HART协议的大部分产品；第3类是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品。另外，为用户提供了设备描述语言DDL(Device Description Language)。
HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。
（5）FF(Foundation Fieldbus 现场总线基金会)现场总线
FF现场总线是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据全连路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。
FF现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25Kbps,通信距离可达1900m(可加中继器延长)，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线，光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。
FF的主要技术内容，包括FF通信协议；用于完成开放互连模型中第2～7层通信协议的通信栈
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(Communication Stack)；用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。 本章作业
简述五种通用现场总线的特点及其应用领域。
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