1.4 现场总线

1.4.1 什么是现场总线及主要种类

1.现场总线的定义

现场总线是安装在生产现场，对许多现场物理量进行监测控制的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间实现连接的一种串行、数字式、双向及多点通信的数据通信总线。或者说，现场总线是应用在生产现场，将许多智能现场设备和自动化监测仪表和数字控制系统进行连接，实现这些设备、检测仪表及控制系统的全数字化、多分支结构互联互通的数据通信网络系统。网络中分散、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能。

2.现场总线的种类及常用的现场总线

当前国际上总共约有40多种现场总线，如INTERBUS、DeviceNet（设备网）、ModBus、ARCnet、CAN（控制器局域网）、P-Net、EIB等，分布应用在工业的各个不同行业和应用领域，其中一部分现场总线在楼宇自控（BAC）技术领域中也有广泛和深入的应用。

现场总线和传感器总线、设备总线在传输的数据量方面有很大差别，传感器总线属于位传输，设备总线主要按字节传输。而现场总线传输的数据流，可以是短小的测控指令，也可以是周期性和非周期性的测控指令，还可以是数据量较大的面向连接和非面向连接的数据文件。

不同行业和应用领域适合使用哪一种现场总线，需根据具体情况来决定。但在40多种现有的现场总线当中，由于具有不同的技术特点，所以还没有哪一种能够覆盖所有的应用面，每一种现场总线都有自己特有的应用领域和应用范围。

主要现场总线的应用领域如图1-12所示。

图1-12 主要现场总线的应用领域

主要的现场总线在部分行业中的应用情况如下：

1）过程控制：FF、PROFIBUS、HART（可寻址远程传感器的数据公路）、WorldFIP（世界工厂仪表协议）；

2）制造业自动化：PROFIBUS、INTERBUS；

3）农业、养殖业、食品加工业：P-Net；

4）楼宇自动化：LonWorks、PROFIBUS、ModBus、CAN。

经过十几年的竞争发展，IEC（国际电工委员会）的现场总线标准化组织制定了IEC 61158现场总线标准，包含以下8种现场总线：PROFIBUS、HART、ControlNet、DeviceNet、CAN、AS-I总线、FF、ModBus。

第4版的IEC 61158国际标准将20种类型现场总线收录进标准规范体系中，具体包含总线类型见表1-2。

表1-2 第4版IEC 61158国际标准包括的20种类型现场总线

国际电工委员会（IEC）／SC65C制定了IEC 61784系列的配套标准，标准组成如下：

1）IEC 61784-1：工业通信网络、配置文件、第1部分：现场总线配置文件。

2）IEC 61784-2：工业通信网络、配置文件、第2部分：基于ISO／IEC 8802.3标准的实时网络用附加数据总线配置文件。

3）IEC 61784-3：工业通信网络、配置文件、第3部分：工业网络中功能安全通信行规。

4）IEC 61784-4：工业通信网络、配置文件、第4部分：工业网络中信息安全通信行规。

5）IEC 61784-5：工业通信网络、配置文件、第5部分：工业控制系统中通信网络安装行规。

IEC 61784-1规定了现场总线通信行规；IEC 61784-2提供了实时以太网的通信行规。通信行规给出了接入现场总线的设备进行互通信、互操作的特征及选项说明。IEC 61784-2通信行规具体规范了实时以太网中进行数据通信时的传递时间、网络中节点数、网络所使用的拓扑结构、中断节点交换机的数量、实时以太网的流通量、带宽、时间同步准确度和冗余恢复时间等。

在原来8种类型现场总线的基础上不断完善扩充，于2001年8月制定出由10种类型现场总线组成的第3版现场总线标准，它们是：Type1 TS61158现场总线、Type2 ControlNet和Ethernet／IP现场总线、Type3 PROFIBUS现场总线、Type4 P-Net现场总线、Type5 FF HSE现场总线、Type6 SwiftNet现场总线、Type7 WorldFIP现场总线、Type8 INTERBUS现场总线、Type9 FF H1现场总线以及Type10 PROFINET现场总线，该标准于2003年4月成为正式国际标准。

FF H1、ControlNet、PROFIBUS、INTERBUS、P-Net、WorldFIP、SwiftNet和FF的高速以太网（HSE）规范，由于这些现场总线所使用的通信协议各不相同，彼此之间属于异构网络，一般情况下无法实现互通信和互操作，各自不同的应用系统在应用于相同监控目的时，也无法实现互换互用、互连互通。

在工控领域中，同一个控制系统的通信网络架构可以包含两种或两种以上的现场总线，每一种现场总线架构的系统部分构成了一个控制域、连通域，不同现场总线架构的系统部分构成不同的控制域，这些不同控制域是不连通的，如果要使不同的控制域实现连通，就要使用网关将不同的现场总线实现互连。

现场总线技术还在低速现场总线领域和高速现场总线领域继续深入发展。低速现场总线及应用系统，应用于数据传输速率较低领域，因此实现传输速率要求较低的控制，如过程控制等。高速现场总线技术组成的控制系统如果和Internet互联实现远程监控，组成的综合网络环境的瓶颈速率可大幅度提高。这里的瓶颈速率是指两个异构网络互联，网络的通信瓶颈速率仅仅为两个异构网络中速率较低的那个网络的数据传输速率。

IEC 61158现场总线标准已经发展了一系列的标准，最新版本为IEC 61158-6-20（2007年发布），总共有20种现场总线加入该标准。近年来，随着工业以太网、实时以太网作为现代控制网络技术的发展，IEC 61158现场总线标准的8种现场总线都在各自修改通信协议的高层即应用层协议，支持IEC 61784规范（行规族及行规），目的是通过高层协议的修改增加这些现场总线彼此之间的兼容性，完善IEC 61158标准。

由于本书的主要内容是“BACnet标准与楼宇自控技术”，所以下面仅仅概要性地介绍在楼宇自控系统中有较深入应用的部分现场总线技术。

1.4.2 PROFIBUS

1.PROFIBUS的结构

PROFIBUS是过程现场总线（Process Field Bus）的缩写，主要用于制造自动化、过程自动化，以及交通、楼宇控制及电力等领域的自动化，实现现场级的分散控制和车间级或工厂级的集中监控。

PROFIBUS是当今较为流行的现场总线技术之一，1989年批准为德国标准DIN19245。经应用完善后，于1996年6月批准为欧洲现场总线标准EN50170 V.2。根据IEC达成的关于现场总线国际标准的妥协方案，PROFIBUS标准于1999年已成为国际现场总线标准IEC 61158的一个组成部分，2001年被批准成为我国工业自动化领域行业标准中惟一的现场总线标准。

PROFIBUS技术目前在离散制造业和过程自动化领域占据主导地位，在楼宇自控技术领域也有较多的应用。

PROFIBUS由PA、DP和FMS 3个部分组成：PA主要应用于过程自动化，适合于本征安全的场合；DP的特点在于它的高速、廉价，专为现场级分散IO节点设计；FMS主要为车间级通信任务提供大量的通信服务。PROFIBUS系统的PA、DP和FMS 3个部分彼此兼容。PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分散型外围设备）系专门为过程控制系统与分散的外围设备之间高速数据信息交换而设计的。其传输介质为双绞线或光纤连接的RS-485传输制式，波特率为9.6～12Mbit／s，系统构成成本低，高速可靠；PROFIBUS-PA（Process Automation，过程自动化）专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本征安全规范；PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，现场总线信息规范）用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。

PROFIBUS系统结构如图1-13所示。

PROFIBUS总线可承担现场、控制、监控三级通信。PROFIBUS现场总线网络有FMS、DP、PA 3种协议方式，一个很大的优势在于这3种PROFIBUS系列网络可以进行灵活的配置，可根据不同的应用对象灵活地选取不同的总线。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信网络，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信，使用PROFIBUS-DP可取代DC 24V或4～20mA信号传输。

为高速传输用户数据而优化的FROFIBUS-DP总线，适合用于PLC与现场分散外设间的通信，可被实时性和可靠性要求高的楼宇自控系统采用。在有些场合，采用工业级的PLC作为控制器代替使用广泛的DDC，可以减少系统的从站而提高系统的可靠性。

图1-13 PROFIBUS系统结构

2.PROFIBUS通信参考模型

PROFIBUS通信参考模型如图1-14所示。

图1-14 PROFIBUS通信参考模型

3.总线存取技术

PROFIBUS的3种通信协议类型（DP、PA、FMS）均使用一致的总线存取控制机制，并通过数据链路层（第2层）来实现。PROFIBUS采用混合的总线存取控制机制来控制数据传输。在主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。

（1）令牌传送方式

一个PROFIBUS系统由3个主站和7个从站组成，如图1-15所示。3个主站之间确定了一个逻辑令牌环，在令牌环中，主站按照地址的升序一个接一个地进行逻辑排列，特殊的令牌帧在各主站之间顺序传递，以此赋予各主站与从站间通信的权利。在总线初始化和启动阶段，通过辨认主站来建立令牌环，主站的令牌保持时间长短取决于逻辑环路内令牌的循环时间。

在PROFIBUS的令牌环通信机制中，主站按照地址的顺序构成一个循环顺序，形成了一个封闭逻辑令牌环，所以最高地址的主站后接着的是最低地址的主站。本地主站（TS）负责管理令牌，TS从先行站（PS）获得令牌处理完数据后，再传递给后继站（NS）。

主站间通信采用令牌环控制的媒体访问控制（MAC）方式，所有的主站构成一个逻辑令牌环，确保在任何时刻只有一个主站点发送数据。拥有令牌的主站可与从站通信，向从站发送或索取信息。

图1-15 主站和从站从设备进行通信的原理

（2）主从机制

图1-15所示系统中的主站分别通过PROFIBUS总线与其相连的从站构成主从系统。获得令牌并拥有通信权的当前主站有权发送信息、存取指定给它的从站设备。这些从站是被动节点，主站可以发送信息给从站或从从站获取信息。

1.4.3 LonWorks总线技术

1.LonWorks技术的主要组成

在工控领域和楼控领域，LonWorks总线技术有着广泛而深入的应用，LonWorks是Local Oper-ating Network（局部操作网络）的缩写，LonWorks是由美国Echelon公司于1991年推出的一种性能优良的测控网络，使用LonWorks技术架构的控制网络，其网络协议是完全开放的，可以同时支持多种不同的通信介质，网络拓扑结构灵活。LonWorks技术非常适合部分工控项目和楼宇自控系统中的信号采集和数据传送。

LonWorks技术主要由以下7个部分组成，即

1）智能神经元芯片；

2）LonTalk协议；

3）LonMark互操作性标准；

4）LonWorks收发器；

5）LonWorks网络服务架构；

6）Neuron C语言；

7）LonBuilder网络开发工具和NodeBuilder节点开发工具。

LonWorks网络的基本单元是节点。一个网络节点包括神经元芯片、电源、一个收发器和有监控设备接口的I／O电路。

2.Lonworks技术中重要的技术单元

（1）LonWorks应用系统的组成

LonWorks总线网络是控制域网络，可将数据检测、数据处理、系统监控功能统一起来。Lon-Works总线网络由控制计算机、现场智能节点、网络适配器和通信介质等组成，LonWorks总线是生产现场具有数字通信能力的测控仪表与控制计算机之间的串行数字通信链路。

LonWorks总线网络中的智能节点通过通信介质与周边的外部设备进行通信并实现监控。当控制网络中存在几种不同的通信介质时，可以通过路由器互联。LonWorks控制网络可以通过网关与其他异构网络相连而构成覆盖区域更大的控制网络。LonWorks总线网络可以构造实现在控制层提供互操作的测控系统，控制的实时性好。

LonWorks应用系统中包括LonWorks节点、路由器、LonWorks收发器、网络接口产品模块以及开发平台。其中，神经元芯片是LonWorks节点的核心，它与收发器一起构成了网络智能节点；网络接口产品模块可以使非神经元芯片的节点与LonWorks总线网络通信；开发工具平台包括LonBuilder和NodeBuilder，提供了网络开发的基本工具和网络协议分析工具。

（2）LonWords技术使用的通信协议

LonWorks技术使用了LonTalk通信协议。LonTalk通信协议是一个开放的协议，采用了ISO／OSI的7层参考模型，由于使用了LonTalk通信协议，LonWorks总线网络通信具有以下鲜明的优点：通信过程的交换数据包不大，响应及时、安全、可靠、用对等的方式通信，即通信的实时性好、可靠性高。

LonWorks通信协议被固化在叫做Neuron（神经元）芯片中，这个芯片是LonWorks智能设备中的核心器件。

（3）LonWorks技术核心器件——神经元芯片

Neuron（神经元）芯片是一个超大规模集成电路器件，分为MC143150和MC143120两个型号系列，是LonWorks网络技术的核心器件，它实现网络功能，并执行节点中的特定应用程序。一个典型的节点包含Neuron芯片、电源、收发器和I／O电路（输入／输出通道），如图1-16所示。

图1-16 一个典型的LonWorks网络节点

Neuron芯片内含3个8位CPU，分别为网络CPU、媒体访问CPU和应用CPU，带有网络通信端口，可提供单端、差分、专用模式，可选的传输速率为0.6kbit／s～1.25Mbit／s。

Neuron芯片内的3个微处理器在系统固件中各有独特的功能。媒体访问控制（MAC）CPU主要控制七层网络协议中的1、2层，它负责驱动通信子系统的硬件，并执行避免冲突的算法。媒体访问控制处理器和网络处理器通过共享存储器中的网络缓冲区进行网络信息的收发工作。

网络（Net）CPU主要控制网络协议中的3～6层，它处理网络变量进程、寻址、鉴别认证、软件定时器、网络管理和路由等功能。网络处理器使用共享存储器中的网络缓冲区同媒体访问控制处理器互传信息，使用共享存储器中的应用缓冲区同应用处理器互传信息。在更新共享缓冲区的数据时，用硬件信号来仲裁对共享缓冲区数据访问的冲突。

应用（APP）CPU主要执行用户代码和为用户代码调用的操作系统服务。应用程序使用的编程语言是Neuron C，它派生于ANSI（美国国家标准学会）C，并为适应集散控制应用作了优化和扩展。Neuron芯片上所有的程序利用LonBuilder网络开发工具或NodeBuilder节点开发工具进行软、硬件调试。

（4）LNS网络操作系统

LNS（LonWorks Network Service，LonWorks网络服务）网络操作系统是为LonWoks控制网络提供监测、管理、安装和设置服务的，通用的，网络化服务的操作系统。它保证了网络工具和应用之间的互操作性，提供了一个支持LonWorks网络互操作应用的标准平台，是设计、组态、安装和维护LonWorks系统的互操作工具及应用的基础。对应用程序来说，通过LNS COM组件的标准接口，访问LonWorks网络设备，遵循同一个访问规则，有利于在不同的应用中共享资源。

（5）LonWorks网络与Internet的互联

如果LonWorks应用系统要连入Internet实现远程监控，可以使用iLON1000 LonWorks／IP服务器，并利用隧道（Tunneling）技术通过IP网络将用户的监控指令和服务请求通过Internet发送至目标节点的传感器、执行器或工作站，实现远程的在线监控。

LonWorks／IP服务器是一个实现从LonWorks网络到Internet连接的服务器，它有一个高性能的网络接口，它可以连接LonWorks网络到企业IP网络或者Internet。它内置了一个Web Server，可以基于Web方式工作。

（6）可灵活使用网络拓扑结构、多种不同传输介质

LonWorks的控制网络拓扑结构灵活多变，可以是总线型、星形、环形和混合型，可根据建筑物的结构特点采用不同的网络连接方式。可以最大限度地降低布线系统的复杂性和工作量，提高系统可靠性、可维护性，充分满足楼宇设备自动控制的要求。

可以灵活地使用多种不同的传输介质，如双绞线、光纤、电力线、同轴电缆和无线传输方式等。

（7）LonWorks总线收发器

LonWorks应用系统中，根据通信介质的不同，可使用不同的总线收发器，如双绞线收发器、电源线收发器、电力线收发器等。除上述收发器外，LonWorks技术中还广泛采用无线电收发器、光纤收发器等，以满足不同应用环境的需求。

（8）LonWorks总线开发工具和网络管理

LonWorks技术包含了一系列开发工具，可使节点开发和系统联网开发快速有效，主要有No-deBuilder节点开发工具和LonBuilder网络开发工具、LonManage网络管理工具和LNS技术。

（9）控制程序的编程语言——Neuron C语言

Neuron C语言是专门为Neuron芯片设计的程序设计语言。它在标准C语言的基础上进行了自然扩展，直接支持Neuron芯片的固化软件，删除了标准C语言中一些不需要的功能（如某些标准的C语言函数库），并为分布式LonWorks环境提供了特定的对象集合及访问这些对象的内部函数。

Neuron C语言提供了一些适用于LonWorks网络开发的新功能，增加了一个新的对象类——网络变量（Network Variable），网络变量分为输出和输入类型，LON网络上各节点之间可通过网络变量互传信息，且网络变量的传送工作由固件自动完成，开发人员只需在Neuron C应用程序中给网络变量赋值即可；此外，还增加了一个新的语句类型—when语句，引入事件（Events）驱动机制，整个应用程序用when语句引导；通过对I／O对象（Object）的声明，使Neuron芯片的多功能I／O得以标准化，便于对多种类型的信号进行监控。

1.4.4 ModBus

1.ModBus技术及控制系统的技术特征

ModBus是一种通用的现场总线，除了在工控领域中有很广泛的应用以外，在楼宇自控系统中也有较多的应用。工业自动控制系统和楼宇自动控制系统在控制网络化过程中，利用现场总线技术，将符合同一标准的各种智能设备统一起来，彻底实现整个监测系统的分散控制，将提高系统集成度和数据传输效率、延长有效控制距离，并有利于提高系统抗干扰性能和扩展系统功能。ModBus作为一种通用的现场总线，很多厂商的工业控制器、PLC、智能I／O与A-D转换模块具备ModBus通信接口。

ModBus是自1979年以来的工业通信标准，其应用层非常简单，且被广为接受。它是控制系统跟现场仪表或设备进行通信的一个很好的选择。

ModBus控制系统的技术特征：

1）ModBus通信协议是一种工业现场总线通信协议，ModBus协议把通信对象定义为“主站”（Master）和“从站”（Slave）。ModBus总线网络中的各个智能设备通过异步串行总线连接起来，系统中只能有一个控制器是主站，其余智能设备作为从站。主站发出请求，从站应答请求，并送回数据或状态信息。

2）ModBus系统开发成本低，简单易用，通过ModBus，可以很方便地将不同厂商生产的控制设备连接控制网络，进行集中监控。

2.ModBus网络体系结构

ModBus网络体系结构的一个实例如图1-17所示。

图1-17 ModBus网络体系结构的一个实例

图1-17中的HMI（Human Machine Interface，人机界面）是ModBus技术中的人机界面或称为用户界面。HMI的接口种类很多，有RS-232、RS-485、RJ-45网线接口等。

在不同的现场总线应用系统中，现场总线是控制网络，控制网络还要与处于信息域中的管理网络互联组成完整的监控系统，一般通过网关来实现这种连接，如图1-18所示，在ModBus网络体系中就是这种结构。

3.ModBus协议和ISO／OSI参考模型

ModBus协议和ISO／OSI参考模型的关系如图1-19所示。

图1-18 用网关来实现现场总线和管理网络的互联

图1-19 ModBus协议和ISO／OSI参考模型的关系

1.4.5 CAN总线网络

1.CAN通信技术的特点

CAN（Controller Area Network，控制局域网）总线网络技术是由德国Bosch公司为汽车的监测和控制而开发设计的一种串行数据通信总线技术，CAN总线网络有很高的可靠性，适用于低成本、高性能的现场控制设备及其互联，可构成智能化系统的实时过程监测控制与管理系统。由于CAN总线具有优越的性能和较广的应用范围，现已成为ISO 11898标准，并成为工业数据通信的主流技术之一。

CAN作为数字串行通信技术，在可靠性、实时性和灵活性方面具有较强的技术优势。CAN通信技术的主要特点如下：

1）挂接在CAN总线网络上的节点不分主从，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发起一个通信进程，通信方式灵活。

2）CAN总线网络上的节点信息可划分为不同的优先级，使用优先级来控制网络节点间传输数据的紧迫程度和不同的实时性要求。高优先级的数据传输等待不会超过134μs。

3）CAN总线采用总线仲裁技术，当出现多个节点同时向总线发送信息时，优先级高的节点可以继续，优先级较低的节点会主动退出发送。

4）网络节点间的通信速率在5kbit／s以下时，CAN总线网络的最大直接通信距离为10km；最高通信速率可达1Mbit／s，对应的通信距离为40m。

5）CAN总线网络上的节点数可多达110个。

6）CAN总线网络采用短帧结构，每一帧的有效字节为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，具有极好的检错效果。

7）CAN总线网络每帧都有循环冗余校验（CRC）及其他检错手段，数据出错率低。

8）CAN总线网络的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。

9）CAN总线网络应用器件可被设置为休眠方式，相当于同总线断开，降低系统功耗。其休眠状态可借助任何总线激活或者系统的内部条件被唤醒。

10）CAN节点在系统出现严重错误时可自动关闭输出，使总线上其他节点的操作不受影响。

CAN总线网络具有以下一些鲜明的优点：

1）CAN总线网络信息传输采用短帧结构，每一个数据帧的数据量仅为8B，传输时间短、抗干扰性强。

2）CAN总线网络数据传送具有较强的差错控制能力，保证数据传送的准确性。

3）CAN总线网络采用总线仲裁技术，出现多个节点同时向总线发送信息时，优先级高的节点可以继续，而优先级低的节点将停止发送，以此保证重要数据传送的可靠性。

4）CAN总线网络成本低，许多厂商生产的相关设备都带有CAN接口。

随着CAN总线在各种领域成功应用和推广，CAN于1993年11月成为ISO 11898标准。图1-20给出了CAN总线网络控制方式。

图1-20 CAN总线网络控制方式

2.使用优先级控制结合CSMA／CA媒体访问控制模式

CAN是一种对等式的现场总线，其物理层使用双绞线。在数据链路层上，CAN总线使用的是一种叫做“带碰撞检测的载波侦听多址访问”（CSMA／CA）的媒体访问控制方式。容许总线上面的任何设备有一定的机会获取总线的控制权来向外发送信息，如果同一时刻有两个以上的设备欲发送信息，就会发生数据碰撞，CAN总线能够实时地监测这些碰撞情况，并作出相应的位仲裁，而使获得仲裁的信息帧不受任何损坏地继续传送。

CSMA／CA媒体访问控制模式的最大缺点就是：网络上不同的站点发送数据时，首先要对传输信道进行侦听，来避免碰撞，导致数据传送的实时性变差。在CAN总线技术中，尽管使用了CSMA／CA媒体访问控制模式，但同时有实施优先级控制机制，使得具有高优先权的数据帧可以不受阻碍地立即传送，避免了CSMA／CD媒体访问控制模式的缺点。

CAN总线的主要缺点是：CAN总线挂接负荷的能力不是很强，因为CAN总线可挂接的设备数量最多为110个，对于智能楼宇来讲，楼宇控制系统中要监测的控制点数可能很大，因此不能满足整个智能楼宇的需求。解决的办法是：使用中继器对CAN总线网段进行扩展，从而解决挂接大量监控点的系统使用问题。

3.CAN通信节点和报文帧

（1）CAN通信节点

CAN总线技术中的CAN通信控制器芯片就是一个CAN总线中节点的重要组成部分。要构成一个具有CAN通信能力的控制应用节点，一般还需要有CPU的支持。一个CAN通信节点就是由CAN通信控制器、一定位数的CPU（高性能16位CPU或高性能8位CPU）以及部分外设及存储器组成的应用节点。CAN通信节点通过模拟与数字I／O接口与其他通信组件或设备相连。

CAN通信节点可以直接挂接在总线上使用。由于考虑到总线信号的驱动能力、短路保护、过热保护等环节，实际使用CAN通信节点时，一般在在总线与CAN通信节点接口之间增加一个CAN总线收发器。

（2）CAN总线通信中的报文帧

CAN总线上的通信是通过报文帧来实现的。报文帧分三种类型：即数据帧、远程帧和错误帧。每一个报文帧都由特定的结构组成，报文帧内都具备一些字段，对发送的帧类型做出定义，并提供相关信息。比如，数据帧由6个字段组成，分别是仲裁字段、控制字段、数据字段、CRC（循环冗余校验）字段、确认字段以及帧结束字段。在帧发送期间，仲裁字段被网络中的每个节点用来识别或解决碰撞；仲裁字段还用来识别报文的类型及其发送目的地；控制字段定义了数据帧的长度；数据帧包含数据，其字节数在控制字段中作了规定；CRC字段用来检测数据错误。最后，每次发送均需取得CAN总线上所有接收节点的确认帧。

4.使用CAN组织系统方式灵活

工业控制和楼宇自动化控制中，大量地使用RS-232／RS-485串行总线，在CAN总线应用系统中，可以方便地接力传递RS-232／RS-485数据块，如图1-21所示。

图1-21 接力传递RS-232／RS-485数据块

CAN总线和以太网组成的数据传输方案如图1-22所示。

CAN总线能够在安全运行要求较高的应用环境中进行可预测的可靠通信，可以通过仲裁划分报文的优先级，硬件和数据链接层配置灵活。但CAN总线技术不适合在有防爆要求的场所使用，对于这位一点，应用时务必注意。

1.4.6 EIB

1.EIB及主要技术特点

欧洲安装总线（European Installing Bus，EIB）在欧洲的楼宇自动化（BA）和家庭自动化（HA）领域中有着广泛的应用，是欧洲安装总线协会创建的一种EIB标准。EIB技术可以采用多种不同的网络传输介质，如用双绞线、电力线、同轴电缆、无线介质等，但大多数应用场合中使用双绞线和电力线。使用双绞线时，每个物理网段可长达1000m，传输速率为7.6kbit／s；使用电力线时，最大传输距离为600m。

图1-22 CAN总线和以太网组成的数据传输方案

EIB应用于BA和HA领域中，有着较优良的性能，已经被美国消费电子制造商协会（CE-MA）吸收作为住宅网络EIA-776标准。使用EIB组成的系统开放性、互操性较好，灵活性高。EIB协议没有使用“控制中心”结构，在应用于楼宇的智能控制中，如采暖通风空调、照明、安防和时间事件管理控制过程中，有以下4个主要特点：

（1）分布式结构

无控制中心分布式结构，使被控系统能够处于一个高效率的运行状态中，布线量小，安装费用低廉。

（2）互操性

开放性结构与组编址通信的结合使系统内的设备具有良好的互操作性。

（3）灵活性

EIB对多种传输介质的支持，尤其是对电力线传输和无线传输方式的支持，使系统组建和扩充简化。

（4）系统的其他一些特点

1）采用DC24V供电；

2）采用CSMA／CA媒体访问技术；

3）使用优先权定义，处理监测控制的实时性；

4）控制电缆和电力电缆被单一多芯电缆替代。

EIB最大的特点是用单一多芯电缆替代了传统上分离使用的控制电缆和电力电缆，总线电缆可以以总线型、树形或星形拓扑结构铺设，系统规模调整便利。智能化的控制器可以通过编程来实现不同的功能和应用场所。EIB应用系统具有高度的灵活性和开放性，只要是基于EIB协议开发的电气设备可以完全兼容。

2.EIB系统的基本结构

EIB系统的基本结构是使用支线（Line）挂接元件，线路耦合器（Line Coupler）最多可以将15条支线连接为一个区域（Area），还可以通过干线耦合器（Backbone Line Coupler）将15个区域连接成一个大点数系统。

EIB协议应用两种类型的地址：物理地址和组地址。在EIB系统中，对于每一个总线元件都分配了惟一的物理地址。物理地址的数据结构组成包括域、线和元件标识3个部分。3个部分之间用一个点来分开：如7.13.51，7是域地址，13是线地址，51是元件地址。组地址通过电信号用于多个接收元件之间的通信，这些接收元件构成了一个组。组地址是一个用功能连接的地址，并且不同的级用一个斜线分隔开来。

3.EIB网络的拓扑结构

EIB网络是一个完全对等的分布式网络，网络内的设备具有同等的地位，EIB网络采用了域（Domain）、区（Area）、线（Line）的三层级结构。最下层的每一条线上最多可以连接255个设备，第二层的每个区最多可容纳15条线。最顶层的一个域则可容纳15个区。使用线耦合器、区耦合器实现连接。线地址为8位，区地址为4位、线地址为4位。EIB网络没有使用控制中心的结构，提高了控制系统的工作可靠性，网络中的某一节点出现故障，不会造成系统瘫痪，当监控点数较多时，不会形成有控制中心结构的网络中出现的中心信息拥塞的问题。

4.EIB通信协议和系统性能

（1）EIB通信协议

EIB技术的通信协议采用了OSI七层参考模型。EIB通信协议通过使用优化防碰撞的方法避免了载波侦听多路访问的媒体访问控制方式控制媒体接口来达到提高系统控制的实时性和可靠性。

EIB网络中，组成系统的基本单元为总线耦合单元和应用单元。总线耦合单元中，固化了EIB的部分通信协议，实现了设备与总线间的数据交换。在总线耦合单元基础上，不同的应用环境选择不同的应用单元。

EIB技术应用于楼宇自动化系统，应用系统的无中心真正分布式模式，具有良好的开放性、灵活性。但EIB网络的传输速率不高，仅为9.6kbit／s。

（2）EIB应用系统的性能描述

EIB应用系统的系统参数、数据传输特性如下：

1）最大单条电缆长度（包括分支）1000m；

2）最大装置与电源长度350m；

3）最大装置间距700m；

4）系统组网规模灵活；

5）区域数15个；

6）每区域线路数15个；

7）每线路并一线装置数64个（可扩充至256个）；

8）数据存取方式：分布式总线存取（CSMA／CA）；

9）数据传输方式：串行异步传输；

10）数据传输速率：9.6kbit／s。

5.EIB传输介质

EIB支持多种传输介质，如双绞线、电力线、无线电波。其中双绞线系统是应用最广泛的介质，它采用2×2×0.8的标准EIB，具有良好的抗干扰性。电力线系统多用于对旧建筑的改建，利用建筑中敷设的电力线作为载体传送信号。无线和红外系统则用于一些难以敷设线路的场合。

EIB系统中，控制为对等控制方式，不同于传统的主从控制方式，总线采用四芯屏蔽双绞线，其中两芯为总线使用，另外两芯备用。所有元件均采用DC24V工作电源，并且DC24V供电与电信号复用总线。

1.4.7 CEBus

1.CEBus对应的标准

CEBus（消费电子总线），标准是美国电子工业协会（EIA）的开放标准（EIA-600）。CEBus描述了家庭电子产品之间的通信方法，通过CEBus可实现家庭网络的组网，该标准采用了简化的OSI参考模型：分为物理层、数据链路层、网络层和应用层。

CEBus的物理层使用了5种不同的传输介质：电力线、双绞线、同轴电缆、射频广播和红外线。CEBus网络是一个完全面向报文分组的对等网络，使用载波侦听多路访问／冲突检测（CS-MA／CDCR）。CEBus的数据传输速率为10kbit／s，一个CEBus信息由报头和数据包组成，报头是CSMA／CDCR协议的一部分，发送方用侦听传输介质中是否有其他发送方占用信道，以获取对传输通道的控制权。

人们知道，低压电力线是家庭中分布广泛的有线物理线缆，几乎所有家用电子设备都挂在220V的电力线上，如果用低压电力线来实现家庭网络中许多设备的控制，不需要重新布线就可以实现。CEBus在应用层定义了一种“公共应用语言”来实现网络设备的通信。

2.CEBus协议模型

CEBus是参考了ISO的OSI七层参考模型设计的，采用了其中的四层级结构，如图1-23所示。

（1）物理层

物理层又分为SE子层和MDP子层。SE子层的作用是在发送和接收的过程中进行编码和解码，MDP子层作为与物理介质的硬件接口，完成数据信息的发送和接收。

CEBus是一个开放系统，它的物理层定义了在几乎所有传输介质中信号的传输标准（如电力线、双绞线、同轴电缆线、光纤、红外线和无线电等），并要求控制信号在所有的介质中都要以相同的传输速度（10kbit／s）传送。

图1-23 CEBus协议模型

（2）数据链路层

数据链路层可以分为逻辑链路控制（LLC）和媒体访问控制（MAC）子层。在发送数据时，MAC子层将来自LLC子层的链路层协议数据单元（LPDU）包打成MAC层协议数据单元（MP-DU）包，再发送给物理层的SE子层，MPDU包就是CEBus网络传输的数据帧结构。在接收数据时，MAC子层将来自SE子层的MPDU包进行解包，得到LPDU包，发送给LLC子层。LLC子层是个空壳，只转发命令，不承担其他工作。数据链路层保证正确收发数据帧，发送的数据帧分为响应和无响应带地址和不带地址广播和非广播的。此外，数据帧有高、正常、低3个优先级，可以满足不同种类数据传输对实时性的要求。

（3）网络层

网络层的主要功能是为了连接不同的物理媒体，例如连接在双绞线和电力线上的设备之间要传递信息，就必须通过网络层来转发。网络层负责路由、确定网络、流量控制等。

（4）应用层

应用层包括了3个子层：消息传递子层（Message Transfer Layer），可传递四种类型的消息；CAL（Common Application Language，公共应用语言）子层，解释执行CAL；用户子层，根据CAL执行的结果来控制设备的运行。应用层通过CAL和应用程序连接。CAL是CEBus专为设备之间相互通信而设计的面向对象的CAL，一个设备就是一个对象。网络资源的分配和控制也通过CAL来完成。

3.低压电力线信道状况

由于220V的电力线广泛存在于家庭和楼宇中，使用这种低压电力线作为一种总线网络实现对许多对象的监控是很便利的。但由于电力线与双绞线等专用网络介质不同，用电力线实现数据通信必须考虑其特殊性，表现为干扰的复杂性、信道的时变性。

电力线受到的干扰有人为干扰和非人为干扰，如雷电干扰将导致电力线数据通信的瞬间失序和错乱，但可以通过数据自动重发机制和纠错机制来进行数据流纠错；连接在电力线上的用电设备在工作中也会对正在传输数据的电力线构成更为频繁的严重干扰。

一般情况下，家用电子设备中含有开关元件对交流电波形进行斩波的电子线路，家庭中的空调器、电风扇等设备的运行会产生大量的谐波，这些谐波的频谱覆盖的频段宽，可能部分覆盖信号频谱，造成信噪比的降低，导致误码率的增加。

使用电力线做CEBus网络的传输介质时，要考虑以上诸种干扰对网络数据流的干扰和影响。