现场总线与工业以太网及其应用技术

 

作者: 李正军
出版年: 2011-9
页数: 430
定价: 58.00元
ISBN: 9787111356073

内容简介 · · · · · ·
《现场总线与工业以太网及其应用技术》从工程实际应用出发，全面系统地介绍了现场总线与工业以太网技术及其应用系统设计，力求所讲内容具有较强的可移植性、先进性、系统性、应用性、资料开放性，起到举一反三的作用。全书共分9章，主要内容包括现场总线与工业以太网概论、控制网络技术、通用串行通信接口技术、PROFIBUS现场总线、PROFIBUS-DP通信控制器与网络接口卡、PROFIBUS-DP应用系统设计、DeviceNet现场总线、TCP/IP协议与以太网控制器、工业以太网应用系统设计。《现场总线与工业以太网及其应用技术》可作为高等院校自动化、测控技术及仪器、计算机应用、信息工程、机电一体化方向的研究生、本科生的教材，也可作为从事现场总线与工业以太网技术及其应用系统设计的工程技术人员参考用书。

目　 　 录
前言
第 1 章 概论 …………………………………………………………………………………… 1
1. 1　 现场总线的产生与发展 ………………………………………………………………… 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　 现场总线的现状………………………………………………………………………… 5
1. 1. 5　 现场总线网络的实现 …………………………………………………………………… 6
1. 1. 6　 现场总线技术的发展趋势 ……………………………………………………………… 7
1. 2　 工业以太网的产生与发展 ……………………………………………………………… 8
1. 2. 1　 以太网引入工业控制领域的技术优势 …………………………………………………… 8
1. 2. 2　 工业以太网与实时以太网 ……………………………………………………………… 9
1. 2. 3　 IEC 61786 – 2 标准 …………………………………………………………………… 10
1. 2. 4　 工业以太网技术的发展现状 …………………………………………………………… 11
1. 2. 5　 工业以太网技术的发展趋势与前景 …………………………………………………… 13
1. 3　 现场总线与企业网络…………………………………………………………………… 16
1. 3. 1　 企业网络概述 ………………………………………………………………………… 16
1. 3. 2　 企业网络技术 ………………………………………………………………………… 17
1. 3. 3　 企业网络的体系结构 ………………………………………………………………… 19
1. 3. 4　 企业网络的实现 ……………………………………………………………………… 21
1. 3. 5　 Intranet ……………………………………………………………………………… 24
1. 3. 6　 信息网络与控制网络 ………………………………………………………………… 27
1. 4　 流行现场总线简介……………………………………………………………………… 30
1. 4. 1　 基金会现场总线 ……………………………………………………………………… 30
1. 4. 2　 PROFIBUS …………………………………………………………………………… 30
1. 4. 3　 CAN ………………………………………………………………………………… 31
1. 4. 4　 DeviceNet …………………………………………………………………………… 32
1. 4. 5　 LonWorks …………………………………………………………………………… 33
1. 4. 6　 ControlNet …………………………………………………………………………… 34
1. 4. 7　 CC – Link …………………………………………………………………………… 35
1. 4. 8　 CompoNet …………………………………………………………………………… 37
1. 5　 工业以太网简介………………………………………………………………………… 41
1. 5. 1　 工业以太网的主要标准 ……………………………………………………………… 41
1. 5. 2　 IDA ………………………………………………………………………………… 43
Ⅴ
1. 5. 3　 Ethernet / IP …………………………………………………………………………… 43
1. 5. 4　 EtherCAT …………………………………………………………………………… 45
1. 5. 5　 Ethernet Powerlink …………………………………………………………………… 46
1. 5. 6　 PROFINET …………………………………………………………………………… 46
1. 5. 7　 HSE ………………………………………………………………………………… 51
1. 5. 8　 EPA ………………………………………………………………………………… 52
1. 6　 netX 网络控制器 ……………………………………………………………………… 55
1. 6. 1　 netX 系列网络控制器 ………………………………………………………………… 56
1. 6. 2　 netX 系列网络控制器的软件结构 ……………………………………………………… 58
1. 6. 3　 netX 可用的协议堆栈 ………………………………………………………………… 59
1. 6. 4　 基于 netX 网络控制器的产品分类 ……………………………………………………… 59
1. 6. 5　 开发工具和测试板 …………………………………………………………………… 62
1. 6. 6　 设计服务 ……………………………………………………………………………… 62
1. 6. 7　 价格模式 ……………………………………………………………………………… 63
1. 7　 习题……………………………………………………………………………………… 63
第 2 章 控制网络技术 ………………………………………………………………………… 64
2. 1　 数据通信技术基础……………………………………………………………………… 64
2. 1. 1　 数据通信的基本概念 ………………………………………………………………… 64
2. 1. 2　 通信系统的结构 ……………………………………………………………………… 66
2. 1. 3　 数据的编码技术 ……………………………………………………………………… 67
2. 1. 4　 数据的传输模式 ……………………………………………………………………… 70
2. 1. 5　 数据的通信方式 ……………………………………………………………………… 73
2. 1. 6　 计算机网络及其拓扑结构……………………………………………………………… 75
2. 1. 7　 传输介质 ……………………………………………………………………………… 76
2. 1. 8　 介质访问控制方式 …………………………………………………………………… 78
2. 1. 9　 差错控制编码技术 …………………………………………………………………… 79
2. 2　 网络互连技术…………………………………………………………………………… 83
2. 2. 1　 基本概念 ……………………………………………………………………………… 83
2. 2. 2　 网络互连规范 ………………………………………………………………………… 83
2. 2. 3　 网络互连和操作系统 ………………………………………………………………… 83
2. 2. 4　 现场控制网络互连 …………………………………………………………………… 84
2. 3　 网络互连设备…………………………………………………………………………… 84
2. 3. 1　 中继器 ……………………………………………………………………………… 85
2. 3. 2　 网桥 ………………………………………………………………………………… 85
2. 3. 3　 路由器 ……………………………………………………………………………… 86
2. 3. 4　 网关 ………………………………………………………………………………… 86
2. 4　 通信参考模型…………………………………………………………………………… 87
2. 4. 1　 OSI 参考模型 ………………………………………………………………………… 87
2. 4. 2　 TCP / IP 参考模型 ……………………………………………………………………… 90
Ⅵ
2. 4. 3　 现场总线的通信模型 ………………………………………………………………… 92
2. 5　 习题……………………………………………………………………………………… 93
第 3 章 通用串行通信接口技术 ……………………………………………………………… 94
3. 1　 串行通信技术基础……………………………………………………………………… 94
3. 1. 1　 串行通信基本概念 …………………………………………………………………… 94
3. 1. 2　 串行异步通信数据格式 ……………………………………………………………… 96
3. 2　 RS – 232C 串行通信接口技术 ………………………………………………………… 97
3. 2. 1　 RS – 232C 接口………………………………………………………………………… 97
3. 2. 2　 RS – 232C 通信接口的互连 …………………………………………………………… 98
3. 2. 3　 RS – 232C 驱动器/ 接收器 ……………………………………………………………… 98
3. 3　 RS – 485 串行通信接口技术 …………………………………………………………… 99
3. 3. 1　 RS – 485 接口 ………………………………………………………………………… 99
3. 3. 2　 RS – 485 收发器 ……………………………………………………………………… 100
3. 3. 3　 RS – 485 接口的典型应用 …………………………………………………………… 100
3. 3. 4　 RS – 485 网络互连 …………………………………………………………………… 101
3. 4　 Modbus 通信协议 ……………………………………………………………………… 103
3. 4. 1　 概述 ………………………………………………………………………………… 103
3. 4. 2　 两种传输方式 ……………………………………………………………………… 104
3. 4. 3　 Modbus 消息帧 ……………………………………………………………………… 105
3. 4. 4　 错误检测方法 ……………………………………………………………………… 108
3. 4. 5　 Modbus 的编程方法 ………………………………………………………………… 111
3. 4. 6　 PMM2000 电力网络仪表 Modbus – RTU 通信协议 ……………………………………… 113
3. 5　 习题 …………………………………………………………………………………… 115
第 4 章　 PROFIBUS 现场总线 ……………………………………………………………… 116
4. 1　 PROFIBUS 概述 ……………………………………………………………………… 116
4. 2　 PROFIBUS 的协议结构 ……………………………………………………………… 118
4. 2. 1　 PROFIBUS – DP 的协议结构 ………………………………………………………… 118
4. 2. 2　 PROFIBUS – FMS 的协议结构 ………………………………………………………… 119
4. 2. 3　 PROFIBUS – PA 的协议结构 ………………………………………………………… 119
4. 3　 PROFIBUS – DP 现场总线系统 ……………………………………………………… 119
4. 3. 1　 DP 的 RS – 485 传输技术和安装要点 ………………………………………………… 119
4. 3. 2　 PROFIBUS – DP 的三个版本 ………………………………………………………… 120
4. 3. 3　 PROFIBUS – DP 系统组成、 系统结构和总线访问控制 ………………………………… 124
4. 3. 4　 PROFIBUS – DP 系统工作过程 ……………………………………………………… 126
4. 4　 PROFIBUS – DP 的通信模型 ………………………………………………………… 129
4. 4. 1　 PROFIBUS – DP 的物理层 …………………………………………………………… 129
4. 4. 2　 PROFIBUS – DP 的数据链路层 ……………………………………………………… 132
4. 4. 3　 PROFIBUS – DP 的用户层 …………………………………………………………… 139
4. 4. 4　 PROFIBUS – DP 用户接口 …………………………………………………………… 140
Ⅶ
4. 5　 PROFIBUS – DP 的总线设备类型 …………………………………………………… 142
4. 5. 1　 概述 ………………………………………………………………………………… 142
4. 5. 2　 DP 设备类型 ………………………………………………………………………… 143
4. 6　 设备数据库文件 （GSD） …………………………………………………………… 144
4. 6. 1　 GSD 文件的作用和组成 ……………………………………………………………… 144
4. 6. 2　 GSD 文件的使用说明 ………………………………………………………………… 145
4. 6. 3　 GSD 文件的格式……………………………………………………………………… 146
4. 7　 习题 …………………………………………………………………………………… 151
第 5 章　 PROFIBUS – DP 通信控制器与网络接口卡 ……………………………………… 152
5. 1　 概述 …………………………………………………………………………………… 152
5. 2　 从站通信控制器 SPC3 ……………………………………………………………… 153
5. 2. 1　 ASICs 介绍…………………………………………………………………………… 153
5. 2. 2　 SPC3 功能简介 ……………………………………………………………………… 154
5. 2. 3　 SPC3 引脚介绍 ……………………………………………………………………… 154
5. 2. 4　 SPC3 存储器分配及参数 ……………………………………………………………… 156
5. 2. 5　 ASIC 接口 …………………………………………………………………………… 160
5. 2. 6　 PROFIBUS – DP 接口 ………………………………………………………………… 165
5. 2. 7　 通用处理器总线接口 ………………………………………………………………… 176
5. 2. 8　 UART ……………………………………………………………………………… 178
5. 2. 9　 PROFIBUS – DP 的 RS – 485 传输接口电路 …………………………………………… 178
5. 2. 10　 PROFIBUS – DP 从站的状态机制 …………………………………………………… 179
5. 3　 从站通信控制器 VPC3 系列 ………………………………………………………… 180
5. 3. 1　 MPI12x 多路接口控制器专用集成电路芯片 …………………………………………… 180
5. 3. 2　 VPC3 + C PROFIBUS – DP 从站专用集成电路芯片 …………………………………… 181
5. 3. 3　 VPCLS2 PROFIBUS – DP 从站简单型专用集成电路芯片 ……………………………… 182
5. 4　 主站通信控制器 ASPC2 与网络接口卡 ……………………………………………… 183
5. 4. 1　 ASPC2 介绍 ………………………………………………………………………… 183
5. 4. 2　 CP5611 网络接口卡 ………………………………………………………………… 184
5. 4. 3　 CP5613 网络接口卡 ………………………………………………………………… 185
5. 4. 4　 CP5511 和 CP5512 网络接口卡 ……………………………………………………… 185
5. 4. 5　 CP5611 和 CP5613 安装及组态 ……………………………………………………… 185
5. 5　 习题 …………………………………………………………………………………… 186
第 6 章　 PROFIBUS – DP 应用系统设计 …………………………………………………… 187
6. 1　 PROFIBUS – DP 开发包 4 …………………………………………………………… 187
6. 1. 1　 开发包 4 的组成……………………………………………………………………… 187
6. 1. 2　 硬件安装 …………………………………………………………………………… 190
6. 1. 3　 软件使用 …………………………………………………………………………… 190
6. 2　 PROFIBUS – DP 从站的开发 ………………………………………………………… 192
6. 2. 1　 硬件电路 …………………………………………………………………………… 192
Ⅷ
6. 2. 2　 软件开发 …………………………………………………………………………… 193
6. 3　 PROFIBUS – DP 从站智能测控节点的系统设计 …………………………………… 194
6. 3. 1　 PROFIBUS – DP 从站智能测控节点的系统结构 ……………………………………… 194
6. 3. 2　 FBPRO – 8DI 八路隔离型数字量输入智能节点的系统设计 …………………………… 194
6. 3. 3　 A / D 转换器 ADS1216 及其应用 ……………………………………………………… 213
6. 3. 4　 FBPRO – 4MV 四通道隔离型毫伏信号输入智能节点的系统设计 ……………………… 227
6. 3. 5　 FBPRO – 8DI 智能节点的设备数据库文件 …………………………………………… 231
6. 4　 PROFIBUS – DP 主站通信程序设计 ………………………………………………… 233
6. 4. 1　 通信程序中主要函数介绍 …………………………………………………………… 233
6. 4. 2　 主站通信程序开发实例 ……………………………………………………………… 239
6. 5　 PROFIBUS – DP 从站的测试过程 …………………………………………………… 243
6. 5. 1　 安装硬件和驱动程序 ………………………………………………………………… 243
6. 5. 2　 复制 GSD 文件 ……………………………………………………………………… 243
6. 5. 3　 启动 COM PROFIBUS ………………………………………………………………… 243
6. 5. 4　 添加主站和从站……………………………………………………………………… 243
6. 5. 5　 启动 Set PG / PC ……………………………………………………………………… 244
6. 5. 6　 软件测试 …………………………………………………………………………… 246
6. 6　 PROFINET 技术 ……………………………………………………………………… 248
6. 6. 1　 PROFINET 部件模型 ………………………………………………………………… 248
6. 6. 2　 PROFINET 运行期 …………………………………………………………………… 250
6. 6. 3　 PROFINET 的网络结构 ……………………………………………………………… 251
6. 6. 4　 PROFINET 与 OPC 的数据交换 ……………………………………………………… 252
6. 7　 基于嵌入式通信模块 COM – C 的 PROFIBUS – DP 主站系统设计 ………………… 253
6. 7. 1　 PROFIBUS – DP 主站系统设计方案 …………………………………………………… 253
6. 7. 2　 基于嵌入式通信模块 COM – C 的 DP 主站硬件设计 …………………………………… 253
6. 7. 3　 基于嵌入式通信模块 COM – C 的 DP 主站软件设计 …………………………………… 254
6. 7. 4　 PROFIBUS – DP 主站模块在新型 DCS 系统中的应用…………………………………… 256
6. 8　 习题 …………………………………………………………………………………… 257
第 7 章　 DeviceNet 现场总线 ………………………………………………………………… 258
7. 1　 DeviceNet 技术概述 …………………………………………………………………… 258
7. 1. 1　 设备级的网络 ……………………………………………………………………… 258
7. 1. 2　 DeviceNet 的特性 …………………………………………………………………… 259
7. 1. 3　 DeviceNet 的通信模式………………………………………………………………… 260
7. 2　 DeviceNet 通信模型 …………………………………………………………………… 261
7. 2. 1　 DeviceNet 的物理层 ………………………………………………………………… 261
7. 2. 2　 DeviceNet 的数据链路层 ……………………………………………………………… 264
7. 2. 3　 DeviceNet 的应用层 ………………………………………………………………… 265
7. 3　 DeviceNet 设备描述 …………………………………………………………………… 273
7. 3. 1　 DeviceNet 设备的对象模型 …………………………………………………………… 273
Ⅸ
7. 3. 2　 DeviceNet 设备的对象描述 …………………………………………………………… 274
7. 4　 DeviceNet 连接 ………………………………………………………………………… 276
7. 4. 1　 建立连接 …………………………………………………………………………… 276
7. 4. 2　 DeviceNet 预定义主/ 从连接组………………………………………………………… 277
7. 4. 3　 预定义主/ 从连接的工作过程 ………………………………………………………… 281
7. 5　 预定义主/ 从连接实例………………………………………………………………… 284
7. 5. 1　 显式报文连接 ……………………………………………………………………… 284
7. 5. 2　 轮询连接 …………………………………………………………………………… 285
7. 5. 3　 位 – 选通连接 ……………………………………………………………………… 286
7. 5. 4　 状态变化连接或循环连接 …………………………………………………………… 286
7. 5. 5　 DeviceNet 的通信过程理解 …………………………………………………………… 287
7. 6　 网络访问状态机制 …………………………………………………………………… 290
7. 6. 1　 网络访问事件矩阵 …………………………………………………………………… 290
7. 6. 2　 重复 MAC ID 检测 …………………………………………………………………… 291
7. 7　 指示器和配置开关 …………………………………………………………………… 292
7. 7. 1　 指示器 ……………………………………………………………………………… 292
7. 7. 2　 配置开关 …………………………………………………………………………… 292
7. 7. 3　 指示器和配置开关的物理标准 ……………………………………………………… 293
7. 7. 4　 DeviceNet 连接器图标………………………………………………………………… 293
7. 8　 CAN 的技术规范 ……………………………………………………………………… 293
7. 8. 1　 CAN 的基本概念 …………………………………………………………………… 294
7. 8. 2　 CAN 的分层结构 …………………………………………………………………… 295
7. 8. 3　 报文传送和帧结构 …………………………………………………………………… 296
7. 8. 4　 错误类型和界定……………………………………………………………………… 302
7. 8. 5　 位定时与同步的基本概念 …………………………………………………………… 303
7. 8. 6　 CAN 总线的位数值表示与通信距离…………………………………………………… 305
7. 9　 CAN 通信控制器及其收发器 ………………………………………………………… 306
7. 9. 1　 CAN 器件简介 ……………………………………………………………………… 306
7. 9. 2　 CAN 通信控制器 SJA1000 …………………………………………………………… 306
7. 9. 3　 CAN 总线收发器 …………………………………………………………………… 312
7. 10　 DeviceNet 节点的开发 ……………………………………………………………… 314
7. 10. 1　 DeviceNet 节点的开发步骤 ………………………………………………………… 314
7. 10. 2　 设备描述的规则 …………………………………………………………………… 322
7. 10. 3　 设备配置和电子数据文档 （EDS） ………………………………………………… 323
7. 11　 习题…………………………………………………………………………………… 327
第 8 章　 TCP / IP 协议与以太网控制器 ……………………………………………………… 328
8. 1　 TCP / IP 协议的体系结构 ……………………………………………………………… 328
8. 1. 1　 TCP / IP 协议的四个层次 ……………………………………………………………… 328
8. 1. 2　 TCP / IP 协议模型中的操作系统边界和地址边界 ……………………………………… 329
Ⅹ
8. 2　 IP 协议 ………………………………………………………………………………… 330
8. 2. 1　 IP 互联网原理 ……………………………………………………………………… 330
8. 2. 2　 IP 协议的地位与 IP 互联网的特点 …………………………………………………… 330
8. 2. 3　 IP 地址 ……………………………………………………………………………… 331
8. 2. 4　 子网与子网掩码……………………………………………………………………… 332
8. 2. 5　 IP 数据报格式 ……………………………………………………………………… 333
8. 3　 ICMP 协议……………………………………………………………………………… 336
8. 3. 1　 ICMP 报文的封装与格式……………………………………………………………… 336
8. 3. 2　 ICMP 请求与应答报文 ……………………………………………………………… 338
8. 4　 ARP 协议 ……………………………………………………………………………… 338
8. 4. 1　 ARP 报文格式 ……………………………………………………………………… 339
8. 4. 2　 ARP 工作原理 ……………………………………………………………………… 340
8. 4. 3　 ARP 高速缓存 ……………………………………………………………………… 341
8. 5　 端到端通信和端口号 ………………………………………………………………… 341
8. 5. 1　 端到端通信 ………………………………………………………………………… 341
8. 5. 2　 传输层端口 ………………………………………………………………………… 342
8. 6　 TCP 协议和 UDP 协议 ………………………………………………………………… 344
8. 6. 1　 TCP 报文段格式……………………………………………………………………… 344
8. 6. 2　 TCP 连接的建立与关闭 ……………………………………………………………… 346
8. 6. 3　 TCP 的超时重发机制………………………………………………………………… 347
8. 6. 4　 UDP 协议 …………………………………………………………………………… 348
8. 7　 RTL8019AS 全双工以太网控制器 …………………………………………………… 349
8. 7. 1　 概述 ………………………………………………………………………………… 349
8. 7. 2　 引脚介绍 …………………………………………………………………………… 349
8. 7. 3　 寄存器描述 ………………………………………………………………………… 352
8. 8　 DM9000A 全双工以太网控制器 ……………………………………………………… 358
8. 8. 1　 概述 ………………………………………………………………………………… 358
8. 8. 2　 引脚介绍 …………………………………………………………………………… 359
8. 8. 3　 寄存器描述 ………………………………………………………………………… 361
8. 8. 4　 功能描述 …………………………………………………………………………… 363
8. 9　 习题 …………………………………………………………………………………… 364
第 9 章 工业以太网应用系统设计 ………………………………………………………… 365
9. 1　 RTL8019AS 在 PMM2000 电力网络仪表中的应用 ………………………………… 365
9. 1. 1　 概述 ………………………………………………………………………………… 365
9. 1. 2　 PMM2000 电力网络仪表硬件总体设计………………………………………………… 365
9. 1. 3　 谐波测量算法 ……………………………………………………………………… 370
9. 1. 4　 软件总体设计 ……………………………………………………………………… 371
9. 2　 PMM2000 电力网络仪表以太网通信程序设计 ……………………………………… 373
9. 2. 1　 以太网协议的封装格式 ……………………………………………………………… 373
Ⅺ
9. 2. 2　 通信程序的头文件定义 ……………………………………………………………… 375
9. 2. 3　 通信主程序设计……………………………………………………………………… 380
9. 2. 4　 RTL8019AS 网络底层驱动程序的设计 ………………………………………………… 386
9. 2. 5　 ARP 程序设计方法…………………………………………………………………… 401
9. 2. 6　 ICMP 程序设计方法 ………………………………………………………………… 405
9. 2. 7　 TCP 程序设计方法 …………………………………………………………………… 407
9. 3　 上位机网络编程实例 ………………………………………………………………… 424
9. 3. 1　 网络编程概述 ……………………………………………………………………… 424
9. 3. 2　 网络组件介绍 ……………………………………………………………………… 425
9. 3. 3　 TCP / IP 应用程序开发过程 …………………………………………………………… 426
9. 4　 习题 …………………………………………………………………………………… 429
参考文献………………………………………………………………………………………… 430