1、1網絡化測控網絡化測控機電工程與自動化學院機電工程與自動化學院儀器科學與技術系儀器科學與技術系董志董志2第第8次課內容：現場總線技術次課內容：現場總線技術1、現場總線概述、現場總線概述2、控制局域網絡總線控制局域網絡總線CAN3、基金會現場總線、基金會現場總線FF4、PROFIBUS現場總線現場總線5、DeviceNet現場總線現場總線3網絡化測控系統的層次結構網絡化測控系統的層次結構以信息共享為目的以信息共享為目的公共公共Internet構建構建過程控制與處理過程控制與處理工業以太網構建工業以太網構建現場設備級網絡現場設備級網絡現場總線、以太網現場總線、以太網4第第9次課內容：次課內容： L

2、XI 總線總線1、概述、概述2、物理規范、物理規范3、同步與觸發、同步與觸發4、LAN通信規范通信規范5、Web接口規范接口規范5第第9次課內容：次課內容： LXI 總線總線1、概述、概述2、物理規范、物理規范3、同步與觸發、同步與觸發4、LAN通信規范通信規范5、Web接口規范接口規范61. 1 儀器互聯方式的發展儀器互聯方式的發展GPIB（General Purpose Interface Bus）通用標準接口總線通用標準接口總線n 1972年由美國年由美國HP公司首先提出的，定名為公司首先提出的，定名為HPIB。之后這。之后這套總線相繼為套總線相繼為IEEE和和IEC認可，并正式頒布了認

3、可，并正式頒布了IEEE488和和IEC625標準文本。我國也制定了相應的國家標準。標準文本。我國也制定了相應的國家標準。n 總線由總線由24芯無源電纜組成，其中芯無源電纜組成，其中16條為信號線，其余為屏蔽條為信號線，其余為屏蔽線和地線。線和地線。16條信號線中有條信號線中有8條數據總線，條數據總線，3條掛鉤總線和條掛鉤總線和5條管條管理總線。總線上最多可掛理總線。總線上最多可掛14臺儀器臺儀器 。n 系統各器件采用總線方式連接，總線連接器包括插頭和插座系統各器件采用總線方式連接，總線連接器包括插頭和插座。71. 1 儀器互聯方式的發展儀器互聯方式的發展81. 1 儀器互聯方式的發展儀器互聯

4、方式的發展9n VXI總線系統結構允許不同生產廠家的各種儀器、接口插板或計算總線系統結構允許不同生產廠家的各種儀器、接口插板或計算機，以模塊形式共存于同一機，以模塊形式共存于同一VXI總線主機箱總線主機箱中。中。n 對對VXI總線系統的控制可以通過主機箱外的總線系統的控制可以通過主機箱外的外部外部控制器（微型計算控制器（微型計算機），也可以通過嵌入主機箱內的機），也可以通過嵌入主機箱內的內部內部控制器。控制器。 n 內嵌內嵌式控制器及用于連接外部計算機的翻譯器和接口都是放置在式控制器及用于連接外部計算機的翻譯器和接口都是放置在VXI主機箱的零號槽位置。因此，也常稱為主機箱的零號槽位置。因此，也

5、常稱為零槽模塊零槽模塊或或零槽控制器零槽控制器。 n 有有ABCD四種四種尺寸模塊尺寸模塊，C尺寸模塊應用最廣。尺寸模塊應用最廣。 VXI通用背板總線通用背板總線（VMEbus extensions for Instrumentation VME總線在儀器領域的擴展總線在儀器領域的擴展）1. 1 儀器互聯方式的發展儀器互聯方式的發展101. 1 儀器互聯方式的發展儀器互聯方式的發展111. 1 儀器互聯方式的發展儀器互聯方式的發展121. 1 儀器互聯方式的發展儀器互聯方式的發展13PXI總線總線1. 1 儀器互聯方式的發展儀器互聯方式的發展14現有測試總線的局限性現有測試總線的局限性nGPI

6、B n無法提供多臺儀器同步和觸發的功能；無法提供多臺儀器同步和觸發的功能；n帶寬不足帶寬不足;nVXI n整個結構太貴，起步成本太高；整個結構太貴，起步成本太高；n插卡的應用必須受限于機箱插卡的應用必須受限于機箱;n射頻和微波應用受到限制；射頻和微波應用受到限制；n模塊數量受到限制；模塊數量受到限制；n帶寬不足；帶寬不足；1. 2 產生背景產生背景15現有測試總線的局限性現有測試總線的局限性nPXIn整個結構太貴，起步成本太高；整個結構太貴，起步成本太高；n插卡的應用必須受限于機箱插卡的應用必須受限于機箱;n射頻和微波應用受到限制；射頻和微波應用受到限制；n模塊數量受到限制；模塊數量受到限制；

7、n支持的供應商太少；支持的供應商太少； 以上總線都無法很好解決、實現以上總線都無法很好解決、實現遠程遠程的編程、控制、的編程、控制、測試測量、故障診斷、獲得數據等需求！測試測量、故障診斷、獲得數據等需求！1. 2 產生背景產生背景161. 2 產生背景產生背景17 LXI（LAN-based Extensions for Instrumentation局域網技術在局域網技術在儀器領域的擴展儀器領域的擴展) 總線是以總線是以LAN（局域網）（局域網）為基礎，建立在為基礎，建立在IEEE802.3(以太網以太網)和和IEEE1588(Trigger Bus)之上，是新一代測量儀之上，是新一代測量儀

8、器接口器接口標準標準，其具體思想是將成熟的以太網技術應用到自動測試系統，其具體思想是將成熟的以太網技術應用到自動測試系統中，以中，以替代替代傳統的測試總線技術（如傳統的測試總線技術（如GPIB 、 VXI、PXI等）。等）。 1. 3 定義定義n 2004年年9月美國安捷倫公司和月美國安捷倫公司和VXI科技公司聯合推出科技公司聯合推出LXI總線的概念；總線的概念；n 2005年年6月成立了月成立了LXI聯盟；聯盟；n 2005年年8月正式發布了月正式發布了LXI總線標準總線標準1.0版，標志著版，標志著LXI正式誕生；正式誕生；n 2006年年8月又推出了月又推出了LXI標準標準1.1版本；版

9、本；n 2006年年9月中國成立了月中國成立了LXI總線聯合體。總線聯合體。181. 3 定義定義191. 3 定義定義201. 3 定義定義21n可以提供多臺儀器同步和觸發的功能；可以提供多臺儀器同步和觸發的功能；n帶寬可達帶寬可達10Gbit/s;n成本較低；成本較低；n無需機箱支持無需機箱支持;n可接受射頻、微波等無線信號；可接受射頻、微波等無線信號；n設備數量不受限制；設備數量不受限制；n支持的供應商很多；支持的供應商很多；1. 4 LXI總線的優勢總線的優勢2223 以太網標準以太網標準 (TCP/IP, DHCP, URL / IP addresses, Dynamic DNS,

10、Auto-MDIX)接口標準接口標準 (IVI driver, VXI-11 discovery, Device locking, Security)儀器的網頁儀器的網頁 (Information, Set-up, control, and data access from a web browser)物理標準物理標準 (IEC sizes, Power, Cooling, Front panel Indicators, Reset button)觸發標準觸發標準 (LAN triggers, IEEE 1588 time synchronization, Trigger bus)24n可以提

11、供多臺儀器同步和觸發的功能；可以提供多臺儀器同步和觸發的功能；n帶寬可達帶寬可達10Gbit/s;n成本較低；成本較低；n無需機箱支持無需機箱支持;n可接受射頻、微波等無線信號；可接受射頻、微波等無線信號；n設備數量不受限制；設備數量不受限制；n支持的供應商很多；支持的供應商很多；nLXI 提供遠程的儀器的控制、監視和診斷；提供遠程的儀器的控制、監視和診斷；nLXI 總線基于總線基于LAN, LAN 是一個開放的工業標準，優點突出；是一個開放的工業標準，優點突出；1. 4 LXI總線的優勢總線的優勢25nC類：提供類：提供LXI標準的標準的LAN和和Web瀏覽器接口（不支持瀏覽器接口（不支持物

12、理觸發和物理觸發和IEEE1588定時要求）定時要求）;nB類：除類：除C類功能外，支持類功能外，支持IEEE1588定時要求定時要求;nA類：除類：除B類功能外，還支持硬件觸發。類功能外，還支持硬件觸發。1. 5 LXI總線設備的分類總線設備的分類26n1.制定規范的目的和適用范圍；制定規范的目的和適用范圍；n2.規定了機架安裝和非機架安裝設備的機械和電氣標準；規定了機架安裝和非機架安裝設備的機械和電氣標準；n3.控制模塊和系統的狀態序列；控制模塊和系統的狀態序列；n4.介紹模塊至模塊消息的數據格式；介紹模塊至模塊消息的數據格式；n5.用于精度要求較高的場合的相關規范；用于精度要求較高的場合

13、的相關規范；n6.所有所有LXI設備都必須使用設備都必須使用IVI規定的驅動程序；規定的驅動程序；n7.必須使用必須使用802.3規范的以太網，對速度和傳輸媒介沒有限制。規范的以太網，對速度和傳輸媒介沒有限制。1. 6 LXI總線規范總線規范27n8. LXI設備必須支持設備必須支持TCP/IP網絡；網絡；n9. LXI設備必須能夠提供設備必須能夠提供HTML Web網頁進行配置、網頁進行配置、控制、通信；控制、通信；n10. LXI設備必須支持能夠用于查找、識別的設備必須支持能夠用于查找、識別的VXI-11協議；協議；n11. 安全性安全性規范；規范；n12. 文件文件規范；規范；n13.

14、LXI標記使用規范。標記使用規范。1. 6 LXI總線規范總線規范28第第9次課內容：次課內容： LXI 總線總線1、概述、概述2、物理規范、物理規范3、同步與觸發、同步與觸發4、LAN通信規范通信規范5、Web接口規范接口規范292. 物理規范物理規范n規定了機架安裝和非機架安裝設備的機械和電氣標準。規定了機架安裝和非機架安裝設備的機械和電氣標準。n全寬度：全寬度：482.6mm（19英寸）英寸）n高度：高度：1U（44.45mm，1.75英寸）英寸） 4U（7英寸）英寸）n特別：規范了半寬度機架安裝標準。特別：規范了半寬度機架安裝標準。302. 物理規范物理規范31指示燈設置規范指示燈設置

15、規范電源電源LAN狀態狀態IEEE1588狀態狀態LED顏色顏色雙色（雙色（橙橙/綠綠）雙色（雙色（紅紅/綠綠）雙色（雙色（紅紅/綠綠）水平方向水平方向 左左中中右右垂直方向垂直方向 下下 中中 上上 標記標記POWER（PWR）LAN15882. 物理規范物理規范32電源規范電源規范n推薦：推薦：100V240V、4766Hz交流供電（兩相或三相均交流供電（兩相或三相均可）。可）。n允許：允許：48V直流供電（隔離的直流供電（隔離的DC輸入）；輸入）；PoE供電（通供電（通過以太網電纜供電）。過以太網電纜供電）。n電源開關位置推薦：后面板右下角（獨立使用）；前面電源開關位置推薦：后面板右下角

16、（獨立使用）；前面板右下角（機架安裝）。板右下角（機架安裝）。2. 物理規范物理規范33連接器（連接器（LAN、觸發、觸發、I/O）nLAN類型：類型：RJ-45連接器、連接器、M-12型連接器、屏蔽的型連接器、屏蔽的CAT5電纜（在惡劣環境中使用）。電纜（在惡劣環境中使用）。nLAN位置：后面板其他連接器左邊。位置：后面板其他連接器左邊。n觸發總線類型：觸發總線類型：25針連接器。針連接器。n觸發總線位置：后面板電源連接器右邊（從后面看）。觸發總線位置：后面板電源連接器右邊（從后面看）。nI/O連接器類型：由設備供應商或用戶確定。連接器類型：由設備供應商或用戶確定。nI/O位置：前面板（允許

17、后面板）。位置：前面板（允許后面板）。2. 物理規范物理規范34第第9次課內容：次課內容： LXI 總線總線1、概述、概述2、物理規范、物理規范3、同步與觸發、同步與觸發4、LAN通信規范通信規范5、Web接口規范接口規范353. 同步與觸發同步與觸發n觸發觸發 啟動一個動作的執行，啟動一個動作的執行， 如如測量、輸出、開關閉合、測量、輸出、開關閉合、儀器程序執行等。儀器程序執行等。n同步同步 基于一個共同的時間標準，基于一個共同的時間標準， 對對準多個動作，如測量序列、信準多個動作，如測量序列、信號激勵序列、時鐘等。號激勵序列、時鐘等。363. 同步與觸發同步與觸發GPIB總線設備的觸發方式

18、總線設備的觸發方式37VXI總線設備的觸發方式總線設備的觸發方式3. 同步與觸發同步與觸發38三種同步、觸發機制：三種同步、觸發機制：nLAN觸發；觸發；nIEEE1588精密時鐘協議觸發；精密時鐘協議觸發；nLXI觸發總線觸發。觸發總線觸發。5種同步、觸發操作：種同步、觸發操作：n來自來自控制器控制器的驅動程序命令；的驅動程序命令；n來自來自另一模塊另一模塊的的LAN消息；消息；n基于基于IEEE1588時間的觸發；時間的觸發；n來自來自LXI觸發總線觸發總線；n其他其他硬件電平硬件電平觸發。觸發。3.1 LXI設備的同步與觸發設備的同步與觸發39403.1 LXI設備的同步與觸發設備的同步

19、與觸發413.1 LXI設備的同步與觸發設備的同步與觸發423.1 LXI設備的同步與觸發設備的同步與觸發433.2 模塊至模塊的通信模塊至模塊的通信n利用利用UDP多點廣播多點廣播和和TCP點對點傳輸點對點傳輸實現模塊至模塊時間間實現模塊至模塊時間間的通信。的通信。n必須能夠收聽在必須能夠收聽在LAN上多點廣播的上多點廣播的UDP事件消息。（響應事件消息。（響應或不響應、發送或不發送）或不響應、發送或不發送）n忽略重復的忽略重復的UDP包接收（保證同步精度）。包接收（保證同步精度）。nC類設備也可利用數據包中時間標志為類設備也可利用數據包中時間標志為“0”的方法實現模塊的方法實現模塊間通信（

20、退化為間通信（退化為LAN同步）同步）44數據格式（數據格式（UDP）n1. HW檢測（檢測（3字節）：用于檢測是否是字節）：用于檢測是否是LXI數據包。當前應設數據包。當前應設值為值為“LXI”，“I”表示版本號，今后可能會變；表示版本號，今后可能會變；n2. 域（域（1字節）：保留。缺省為字節）：保留。缺省為“0”；n3. 事件事件ID（16字節）：表示字節）：表示LXI API定義的事件名（多于定義的事件名（多于16字字節截取前節截取前16字節；少于則補零）；字節；少于則補零）；n4. 序列（序列（4字節）：序列號。每一臺儀器都必須有自己的一段序字節）：序列號。每一臺儀器都必須有自己的一

21、段序列號，每發送一個數據包列號，每發送一個數據包+1（重復發送的數據包必須具有相同（重復發送的數據包必須具有相同的序列號）；的序列號）；3.2 模塊至模塊的通信模塊至模塊的通信45n5. 時間標志（時間標志（10字節）：秒（字節）：秒（4字節）、納秒（字節）、納秒（4字節）、字節）、飛秒（飛秒（2字節，保留），符號位用字節，保留），符號位用“納秒納秒”最高位表示，最高位表示，n如如+2.000000001表示為：表示為： 秒秒=0 x00000002,納秒納秒=0 x00000001；n如如-2.000000001表示為：表示為： 秒秒=0 x00000002,納秒納秒=0 x80000001

22、；3.2 模塊至模塊的通信模塊至模塊的通信數據格式（數據格式（UDP）46n6. 初始時間（初始時間（2字節）：表示字節）：表示IEEE1588的初始時間。的初始時間。n7. 標志（標志（2字節）：表示數據包的類型，字節）：表示數據包的類型， 位位0：錯誤信息，為：錯誤信息，為“1”，表示錯誤消息；，表示錯誤消息； 位位1：重發信息，為：重發信息，為“1”，表示重發的數據包；，表示重發的數據包； 位位2：硬件值，為：硬件值，為“1”，表示觸發事件的邏輯值；，表示觸發事件的邏輯值； 位位3：確認位，為：確認位，為“1”，表示前一個數據包成功接收；，表示前一個數據包成功接收； 位位4位位15：保留

23、，必須設置為：保留，必須設置為“0”。3.2 模塊至模塊的通信模塊至模塊的通信數據格式（數據格式（UDP）47n8. 數據（任意字節數，但不能超過數據包容量）：數據（任意字節數，但不能超過數據包容量）：數據長度（數據長度（2字節）：后面的數據長度；字節）：后面的數據長度；標識符（標識符（1字節）：字節）：0127是用戶自定義的數據類型，是用戶自定義的數據類型，128255是是LXI保留。保留。用戶數據（隨后的字節）：長度由數據長度字段給出，長用戶數據（隨后的字節）：長度由數據長度字段給出，長度值不包含度值不包含“標識符字段標識符字段”。n9. 當達到數據長度后遇到當達到數據長度后遇到“0”時，

24、數據包結束。時，數據包結束。3.2 模塊至模塊的通信模塊至模塊的通信數據格式（數據格式（UDP）483.3 IEEE1588精密時間協議精密時間協議n在分布式系統提供同步實時時鐘；在分布式系統提供同步實時時鐘；n通過通過LAN 實現納秒級的時間同步；實現納秒級的時間同步；n在工業自動化和電信行業已經得到了廣泛的應用；在工業自動化和電信行業已經得到了廣泛的應用；n由本地時鐘完成觸發行為；由本地時鐘完成觸發行為；n所有所有B類、類、A類類LXI系統至少應包含一個高穩定度的系統至少應包含一個高穩定度的時鐘源時鐘源（UTC時間基準模塊）時間基準模塊）n所有所有B類、類、A類類LXI設備都必須包含設備都

25、必須包含IEEE1588主時鐘功能主時鐘功能，僅支，僅支持持從從時鐘功能是不夠的。時鐘功能是不夠的。n推薦推薦IEEE1588設備應能夠實現設備應能夠實現40ns或更高的時間精度。或更高的時間精度。n對對UTC的可溯源性：的可溯源性：LXI的時間基準應是能夠的時間基準應是能夠跟蹤跟蹤UTC的。的。49503.4 LXI的硬件觸發的硬件觸發n利用硬件觸發可啟動利用硬件觸發可啟動LXI設備中的預訂動作，例如產設備中的預訂動作，例如產生一個信號、進行一次測量或閉合某個開關。生一個信號、進行一次測量或閉合某個開關。n用于需要較高精度、較小等待時間的觸發，是對用于需要較高精度、較小等待時間的觸發，是對L

26、AN觸發的補充。觸發的補充。n觸發總線由觸發總線由8對雙絞線組成，連接方式為菊花鏈、星形對雙絞線組成，連接方式為菊花鏈、星形或混合結構。或混合結構。51菊花鏈結構菊花鏈結構3.4 LXI的硬件觸發的硬件觸發52星形結構星形結構3.4 LXI的硬件觸發的硬件觸發53混合結構混合結構3.4 LXI的硬件觸發的硬件觸發54觸發電纜與連接器觸發電纜與連接器3.4 LXI的硬件觸發的硬件觸發55硬件觸發總線驅動硬件觸發總線驅動3.4 LXI的硬件觸發的硬件觸發56硬件觸發硬件觸發“線或線或”邏輯邏輯3.4 LXI的硬件觸發的硬件觸發57第第9次課內容：次課內容： LXI 總線總線1、概述、概述2、物理規范、物理規范3、同步與觸發、同步與觸發4、LAN通信規范通信規范5、Web接口規范接口規范584. LAN通信規范通信規范594. LAN通信規范通信規范n LXI 設備必須使用合適的設備必須使用合適的IEEE802.x PHY/MAC規范實規范實現以太網。以太網的物理連接必須使用現以太網。以太網的物理連接必須使用IEE