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    2019-03-22 09:29:06

    常见的工业通讯协议
    转载自@http://m.elecfans.com/article/578410.html?from=timelineTOC
    每个仪表都有自己独特的通讯协议,常见的有modbus通讯协议 、RS-232通讯协议、RS-485通讯协议 、HART通讯协议等等,那么这些通讯协议究竟是怎么工作的,有哪些优缺点呢?本文将重点介绍目前常见的几种通讯协议!

    通讯协议:又称通信规程,是指通讯双方对数据传送控制的一种约定。约定中包括对数据格式,同步方式,传送速度,传送步骤,检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定,通信双方必须共同遵守,它也叫做链路控制规程。

    常用的仪表通讯协议:
      · modbus通讯协议

    · RS-232通讯协议

    · RS-485通讯协议

    · HART通讯协议。

    · MPI通信

    · 串口通信

    · PROFIBUS通信

    · 工业以太网

    · ASI通信

    · PPI通信

    · 远程无线通信

    · TCP

    · UDP

    · S7

    · profibus

    · pofinet

    · MPI

    · PPI

    · Profibus-DP

    · Devicenet

    · Ethernet

    Modbus通讯协议1
      Modbus协议最初由Modicon公司开发出来,在1979年末该公司成为施耐德自动化部门的一部分,现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。

    由于modbus协议是完全公开透明的,所需的软硬件又非常简单,这就使它成为了一种通用的工业标准。许多工业设备,包括PLC,DCS,智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。

    特点
      Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。

    modbus通讯协议是一种主从式异步半双工通信协议,采用主从式通讯结构,可以使一个主站对应多个从站进行双向通信。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程,如何回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

    Modbus协议包括ASCII、RTU等通讯方式,并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式,数据通讯采用主-从方式,主站发出数据请求消息,从站接收到正确消息后就可以发送数据到主站以响应请求;主站也可以直接发消息修改从站的数据,实现双向读写。

    主/从原理

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      当在一Modbus网络上通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上,包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

    当在网络上通信时,Modbus协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成应答并使用Modbus协议发送给询问方。

    Modbus协议需要对数据进行校验,串行协议中除有奇偶校验外,ASCII模式采用LRC校验,RTU模式采用16位CRC校验。另外,Modbus采用主从方式定时收发数据,在实际使用中如果某从站点断开后(如故障或关机),主端可以诊断出来,而当故障修复后,网络又可自动接通。因此,Modbus协议的可靠性较好。

    Modbus与OSI参考模型
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    Modbus之ASCII通讯方式
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    数据帧
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    广播模式(只用于写操作)
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    非广播模式
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    Modbus之RTU通讯方式
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    RS-232通讯协议2
      RS-232是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写,232为标识号通常。RS-232 接口以9个引脚 (DB-9) 或是25个引脚(DB-25) 的型态出现,一般个人计算机上会有两组RS-232 接口,分别称为 COM1 和 COM2 。

    RS-232接口
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      RS-232标准设有25条信号线和9条信号线两种,包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道,对于一般双工通信,仅需几条信号线就可实现,如一条发送线、一条接收线及一条地线。

    传输速率
      RS-232标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特率。

    远程通信连接数据终端

    RS-232标准最初是远程通信连接数据终端设备(DTE)数据通信设备(DCE)而制定的。因此这个标准的制定,并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机(更准确的说,是计算机接口)与终端或外设之间的近端连接标准。显然,这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的,甚至是相矛盾的。有了对这种背景的了解,我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。

    “发送”和“接收”
      RS-232标准中所提到的“发送”和“接收”,都是站在DTE立场上,而不是站在DCE的立场来定义的。由于在计算机系统中,往往是CPU和I/O设备之间传送信息,两者都是DTE,因此双方都能发送和接收。

    电气特性
      EIA-RS-232 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。

    在TxD和RxD上:

    逻辑1(MARK)=-3V~-15V

    逻辑0(SPACE)=+3~+15V

    在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上:

    信号有效(接通,ON状态,正电压)=+3V~+15V

    信号无效(断开,OFF状态,负电压)=-3V~-15V

    RS-232接口定义(9芯)
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    RS-232接口定义(25芯)
      1频蔽地线

    2 发送数据 TXD

    3接收数据 RXD

    4 请求发送RTS

    5允许发送 CTS

    6 数据准备好 DSR

    7信号地 SG

    8 载波检测 DCD

    9 发送返回(+)

    10 未定义

    11 数据发送(-)

    12~17 未定义

    18 数据接收(+)

    19 未定义

    20 数据终端准备好 DTR

    21 未定义

    22 振铃 RI

    23~24 未定义

    25 接收返回(-)

    RS-232串口通信接线方法(三线制)

    串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现:同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连,两个串口相连或一个串口和多个串口相连。接收数据针脚(或线)与发送数据针脚(或线)相连,彼此交叉,信号地对应相接。

    9针D型串口:2“RXD”,3“TXD”,5“逻辑地”。

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    25针串口通信接线方法

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    RS-232缺点 :
      (1)接口的信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片,又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

    (2)传输速率较低,在异步传输时,波特率≤20Kbps。

    (3)接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式,这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。

    (4)传输距离有限,最大传输距离标准值为50英尺(实际≤15米)。

    RS-485通讯协议3
      RS-485标准是在RS232的基础上发展来的,增加了多点、双向通信能力,即允许多个发送器连接到同一条总线上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围,后命名为TIA/EIA-485-A标准。

    RS-485的电气特性:
      逻辑“1”以两线间的电压差为+(2—6)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2—6)V表示。接口信号电平比RS-232降低了,就不易损坏接口电路的芯片,且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL电路连接。

    传播速率:
      RS-485的数据最高传输速率为10Mbps

    RS-485接口:
      是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,即抗噪声干扰性好。

    波特率:
      1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、125K

    通信接口方式:
      RS485接口:异步,半双工,串行

    数据格式:
      1位起始位、8位数据位、1位停止位、无校验

    1位起始位、8位数据位、1位停止位、奇校验

    1位起始位、8位数据位、1位停止位、偶校验

    当与现场总线适配器PROFIBUS连接时采用默认数据格式。

    RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺,实际上可达 3000米(理论上的数据,在实际操作中,极限距离仅达1200米左右),另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器,即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

    9针型接口:
      RS485接口 信号含义

    3 RXD- 接收数据

    4 RXD+ 接收数据

    5 TXD+ 发送数据

    7 TXD- 发送数据

    缺点:
      很多情况下,连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接,这种连接方法在许多场合是能正常工作的,但却埋下了很大的隐患共模干扰问题:RS-485接口采用差分方式传输信号方式,并不需要相对于某个参照点来检测信号,系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围,RS-485收发器共模电压范围为-7~+12V,只有满足上述条件,整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠,甚至损坏接口。

    HART协议4
      HART(HighwayAddressable Remote Transducer),可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,是美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。 HART装置提供具有相对低的带宽,适度响应时间的通信,经过10多年的发展,HART技术在国外已经十分成熟,并已成为全球智能仪表的工业标准。

    HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号,在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯,数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0,不影响传送给控制系统模拟信号的大小,保证了与现有模拟系统的兼容性。在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送,在需要的情况下,另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。

    协议基本情况
      · 4~20mA模拟信号+数字控制信号(FSK技术)

    · 支持双绞线全数字通信,可构成15个站网络

    · 支持OSI开放体系结构,1、2、7、层

    通信模型:
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    物理层:
      基于Bell 202 通信标准的FSK 技术,基本内容:

    波特率 1200bps (速度较慢)

    逻辑1 1200HZ

    逻辑0 2400HZ

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    数据链路层

    通信方式:
      1)主从式通信

    由主设备来控制数据帧的传送

    最多允许15个从设备连接到一条多点通讯线上

    2)突发模式

    从设备定时重复发送数据帧

    3)半双工通讯方式

    寻址范围:0 ~ 15

    当地址为0时,处于4~20mADC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。

    规定通信数据的结构,每个字符由11位组成:

    1bit起始位 + 8bit数据 + 1bit奇偶校验位 + 1bit停止位

    应用层:

    通用命令:
      · 对所有符合HART协议的现场设备都适用的命令。包括以下内容:

    · 读变送器的量程、单位以及阻尼时间常数;

    · 读出传感器串联数目及其线制;

    · 读出制造厂及产品型号;

    · 读出主变量及单位;

    · 读出电流的输出及百分比输出;

    · 读写8个字符的标牌号,16个字符的描述内容以及日期等;

    通用命令适用于大部分符合HART协议的产品,但不同公司的HART产品可能会有少量区别,如写主变量单位,微调DA的零点和增益等:

    · 写入阻尼时间常数;

    · 写入变送器量程;

    · 标定(设置零点和量程);

    · 微调主变量零点;

    · 微调DAC的零点和增益;

    · 完成自检及主机复位;

    特殊命令:
      仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的产品自己所特有的命令,不互相兼容,如特征化,微调传感头校正等。:

    · 读出或写入开方小流量截断值;

    · 启动、停止或清除累积器;

    · 选择主变量(质量流量或密度);

    · 读出或写入组态信息资料;

    · 微调传感器的标定;

    HART通讯模式:

    第一种“问答式”:2次/秒,适用于点对点,多站连接

    第二种“成组模式”:3.7次/秒,只适用于点对点连接

    HART协议的优点:

    · 模拟信号带有过程控制信息,数字信号允许双向通信;

    · (智能化现场仪表+模拟仪表、记录仪及控制器)混合系统;

    · 支持多主站数字通信,节省导线,减少安装费;

    · 通过租用电话线连接仪表,使远方的现场仪表使用相对便宜的接口设备;

    · 允许“问答式”及“成组模式”通信方式;

    · 报文结构灵活、规范、一次通信可携带4个过程变量。

    HART通信的应用通常有三种方式:

    · 最普通的是用手持通信终端(HHT)与现场智能仪表通信。

    · 带HART通信功能的控制室仪表,可与多台HART仪表进行通信并组态。

    · 第三种方式是与PC机或DCS操作站进行通信。

    在智能变送器与HART协议通讯器之间互联需要遵循负载电阻之和在250~600 Ω之间,太小了不能通讯,太大了变送器无法工作。实践中,一般在校验室内都至少要串接一个250 Ω以上的标准电阻,但在现场中如果系统基本满足负载电阻要求,可以直接在控制室内接线端子上跨接HART通讯器。如图1所示

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    由于HART仪表与原4-20mA标准的仪表具有兼容性,HART仪表的开发与应用发展迅速,特别是在设备改造中受到欢迎。HART协议与FF等协议相比,较为简单,而且由于速度慢及低功耗的要求,数据链路层及应用层一般均由软件实现。物理层应用原有的Bell-202调制解调器。为解决不同厂家设备的互换性及互操作性问题,HART采用了设备描述语言(DDL)。

    MPI通讯协议5
      MPI协议,其英文全名为Multi-point-Interface。在PLC之间可组态为主/主协议或主/从协议.如何操作依赖于设备类型:如果控制站都是s7—300/400系列PLC,那么就建立主/主连接关系,因为MPI协议支持多主站通讯,所有的s7—300 CPU都可配置为网络主站,通过主/主协议可以实现PLC之间的数据交换。如果某些控制站是s7—200系列PLC,则可以建立主/从连接关系,因为s7—200 CPU是从站,用户可以通过网络指令实现s7—300 CPU对s7200 CPU的数据读写操作。

    PROFIBUS通讯协议6
      PROFIBUS,是一种国际化.开放式.不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时,所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络,从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

    PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准,以开放式系统互联网络(Open System Interconnection-OSI)作为参考模型的。该模型共有七层。 (1)PROFIBUS-DP:定义了第一.二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能,并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。 (2)PROFIBUS-FMS:定义了第一.二.七层,应用层包括现场总线信息规范(Fieldbus Message Specification - FMS)和低层接口(Lower Layer Interface - LLI)。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。 (3) PROFIBUS-PA:PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外,PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准,PA的传输技术可确保其本征安全性,而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。 注:第一层为物理层,第二层为数据链路层,第三-六层末使用,第七层为应用层。

    TCP/UDP协议7
      TCP (Transmission Control Protocol)和UDP(User Datagram Protocol)协议属于传输层协议。其中TCP提供IP环境下的数据可靠传输,它提供的服务包括数据流传送、可靠性、有效流控、全双工操作和多路复用。通过面向连接、端到端和可靠的数据包发送。通俗说,它是事先为所发送的数据开辟出连接好的通道,然后再进行数据发送;而UDP则不为IP提供可靠性、流控或差错恢复功能。一般来说,TCP对应的是可靠性要求高的应用,而UDP对应的则是可靠性要求低、传输经济的应用。TCP支持的应用协议主要有:Telnet、FTP、SMTP等;UDP支持的应用层协议主要有:NFS(网络文件系统)、SNMP(简单网络管理协议)、DNS(主域名称系统)、TFTP(通用文件传输协议)等。

    TCP:
      TCP是面向连接的通信协议,通过三次握手建立连接,通讯完成时要拆除连接,由于TCP是面向连接的所以只能用于端到端的通讯。

    TCP提供的是一种可靠的数据流服务,采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制,所谓窗口实际表示接收能力,用以限制发送方的发送速度。

    如果IP数据包中有已经封好的TCP数据包,那么IP将把它们向‘上’传送到TCP层。TCP将包排序并进行错误检查,同时实现虚电路间的连接。TCP数据包中包括序号和确认,所以未按照顺序收到的包可以被排序,而损坏的包可以被重传。

    TCP将它的信息送到更高层的应用程序,例如Telnet的服务程序和客户程序。应用程序轮流将信息送回TCP层,TCP层便将它们向下传送到IP层,设备驱动程序和物理介质,最后到接收方。

    面向连接的服务(例如Telnet、FTP、rlogin、X Windows和SMTP)需要高度的可靠性,所以它们使用了TCP。DNS在某些情况下使用TCP(发送和接收域名数据库),但使用UDP传送有关单个主机的信息。

    UDP:
      UDP是面向无连接的通讯协议,UDP数据包括目的端口号和源端口号信息,由于通讯不需要连接,所以可以实现广播发送。

    UDP通讯时不需要接收方确认,属于不可靠的传输,可能会出现丢包现象,实际应用中要求程序员编程验证。

    UDP与TCP位于同一层,但它不管数据包的顺序、错误或重发。因此,UDP不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务,UDP主要用于那些面向查询—应答的服务,例如NFS。相对于FTP或Telnet,这些服务需要交换的信息量较小。使用UDP的服务包括NTP(网络时间协议)和DNS(DNS也使用TCP)。

    欺骗UDP包比欺骗TCP包更容易,因为UDP没有建立初始化连接(也可以称为握手)(因为在两个系统间没有虚电路),也就是说,与UDP相关的服务面临着更大的危险。

    数据格式:
      数据帧:帧头+IP数据包+帧尾 (帧头包括源和目标主机MAC初步地址及类型,帧尾是校验字)

    IP数据包:IP头部+TCP数据信息(IP头包括源和目标主机IP地址、类型、生存期等)

    TCP数据信息:TCP头部+实际数据 (TCP头包括源和目标主机端口号、顺序号、确认号、校验字等)

    UDP(User Data Protocol,用户数据报协议)是与TCP相对应的协议。它是面向非连接的协议,它不与对方建立连接,而是直接就把数据包发送过去!

    PPI通讯协议8
      是西门子公司专为S7-200系列PLC开发的通讯协议。内置于S7-200CPU中。PPI协议物理上基于RS-485口,通过屏蔽双绞线就可以实现PPI通讯。PPI协议是一种主-从协议。主站设备发送要求到从站设备,从站设备响应,从站不能主动发出信息。主站靠PPI协议管理的共享连接来与从站通讯。PPI协议并不限制与任意一个从站的通讯的主站的数量,但在一个网络中,主站不能超过32个。PPI协议最基本的用途是让西门子STEP7-Micro/WIN编程软件上传和下载程序和西门子人机界面与PC通信。

    pofinet通讯协议9
      PROFINET由PROFIBUS国际组织(PROFIBUS International,PI)推出,是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。

    PROFINET由PROFIBUS国际组织(PROFIBUS International,PI)推出,是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新,PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案,囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题,并且,作为跨供应商的技术,可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线(如PROFIBUS)技术,保护现有投资。

    PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案,其功能包括8个主要的模块,依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。

    分布式现场设备:
      通过集成PROFINET接口,分布式现场设备可以直接连接到PROFINET上。

    对于现有的现场总线通讯系统,可以通过代理服务器实现与PROFINET的透明连接。例如,通过IE/PB Link(PROFINET和PROFIBUS之间的代理服务器)可以将一个PROFIBUS网络透明的集成到PROFINET当中,PROFIBUS各种丰富的设备诊断功能同样也适用于PROFINET。对于其他类型的现场总线,可以通过同样的方式,使用一个代理服务器将现场总线网络接入到PROFINET当中。

    运动控制:
      通过PROFINET的同步实时(IRT)功能,可以轻松实现对伺服运动控制系统的控制。

    在PROFINET同步实时通讯中,每个通讯周期被分成两个不同的部分,一个是循环的、确定的部分,称之为实时通道;另外一个是标准通道,标准的TCP/IP数据通过这个通道传输。

    在实时通道中,为实时数据预留了固定循环间隔的时间窗,而实时数据总是按固定的次序插入,因此,实时数据就在固定的间隔被传送,循环周期中剩余的时间用来传递标准的TCP/IP数据。两种不同类型的数据就可以同时在PROFINET上传递,而且不会互相干扰。通过独立的实时数据通道,保证对伺服运动系统的可靠控制。

    网络安装:
      PROFINET支持除星形、总线形和环形拓扑结构。为了减少布线费用,并保证高度的可用性和灵活性,PROFINET提供了大量的工具帮助用户方便的实现PROFINET的安装。特别设计的工业电缆和耐用连接器满足EMC和温度要求,并且在PROFINET框架内形成标准化,保证了不同制造商设备之间的兼容性。

    根据响应时间的不同,PROFINET支持下列三种通讯方式。

    TCP/IP标准通讯
      PROFINET基于工业以太网技术,使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP 是IT 领域关于通信协议方面事实上的标准,尽管其响应时间大概在100 ms的量级,不过,对于工厂控制级的应用来说,这个响应时间就足够了。

    实时(RT)通讯
      对于传感器和执行器设备之间的数据交换,系统对响应时间的要求更为严格,大概需要5-10ms的响应时间。目前,可以使用现场总线技术达到这个响应时间,如PROFIBUS DP。

    对于基于TCP/IP的工业以太网技术来说,使用标准通信栈来处理过程数据包,需要很可观的时间,因此,PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层(Layer 2)的实时通讯通道,通过该实时通道,极大地减少了数据在通讯栈中的处理时间,因此,PROFINET获得了等同、甚至超过传统现场总线系统的实时性能。

    同步实时(IRT)通讯
      在现场级通讯中,对通讯实时性要求最高的是运动控制(Motion Control),PROFINET的同步实时(Isochronous Real-Time, IRT)技术可以满足运动控制的高速通讯需求,在100个节点下,其响应时间要小于1ms,抖动误差要小于1μs,以此来保证及时的、确定的响应。

    DEVICENET通讯协议10
      Devicenet是90年代中期发展起来的一种基于CAN(Controller Area Network)技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络,最初由美国Rockwell公司开发应用。

    Devicenet是一种低成本的通讯总线。它将工业设备(如:限位开关,光电传感器,阀组,马达启动器,过程传感器,条形码读取器,变频驱动器,面板显示器和操作员接口)连接到网络,从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通讯,并同时提供了相当重要的设备级诊断功能,这是通过硬接线I/O接口很难实现的。

    Devicenet的优点:
      1、提高设计的弹性
      · 通过提供网络数据流的能力来提供无限制的IO端口

    · 提供互操作性和即插即用能力

    2、改善的过程数据管理
      · 提供对等(Peer-to-Peer)或主/从(Master/Slave)管理

    · 作为一个快速响应处理元的结果,提高了吞吐量和可重复性

    · 包含在位置刻度和预先事件及报警通知中的隐含诊断信息

    · 在诊断中可延长定期检修的间隔周期

    3、降低安装成本
      · 简化配线,避免了潜在的错误点,减少了所需的文件,减少劳动力资源并节省了安装空间

    Devicenet协议是一个简单、廉价而且高效的协议,适用于最低层的现场总线,例如:过程传感器、执行器、阀组、电动机起动器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器、操作员接口和其他控制单元的网络。可通过DeviceNet连接的设备包括从简单的挡光板到复杂的真空泵各种半导体产品。DeviceNet也是一种串行通信链接,可以减少昂贵的硬接线。DeviceNet所提供的直接互连性不仅改善了设备间的通信,而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能,这是通过硬接线I/O接口很难实现的。除了提供OSI模型的第7层(应用层)定义之外,DeviceNet规范还定义了部分第1层(物理收发器)和第0层(传输介质)。图为DeviceNet在ISO模型中的相关层。对DeviceNet节点的物理连接也作了清楚的规定。连接器、电缆类型和电缆长度,以及与通信相关的指示器、开关、相关的室内铭牌都作了详细规定。

    常见的工业通讯协议有哪些

    Ethernet通讯协议11
      以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范,是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术,并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802.3系列标准相类似。

    Ethernet的工作原理:
      以太网(Ethernet)采用带冲突检测的载波帧听多路访问(CSMA/CD)机制。以太网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息,因此,我们说以太网是一种广播网络。

    以太网的工作过程如下:
      当以太网中的一台主机要传输数据时,它将按如下步骤进行:

    1、监听信道上是否有信号在传输。如果有的话,表明信道处于忙状态,就继续监听,直到信道空闲为止。

    2、若没有监听到任何信号,就传输数据

    3、传输的时候继续监听,如发现冲突则执行退避算法,随机等待一段时间后,重新执行步骤1(当冲突发生时,涉及冲突的计算机会发送会返回到监听信道状态。

    注意:每台计算机一次只允许发送一个包,一个拥塞序列,以警告所有的节点)

    4、若未发现冲突则发送成功,所有计算机在试图再一次发送数据之前,必须在最近一次发送后等待9.6微秒(以10Mbps运行)。

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  • 常见的颜色空间概念

    千次阅读 2020-05-23 10:34:04
      是最常见的面向硬件设备的彩色模型,它是人的视觉系统密切相连的模型,根据人眼结构,所有的颜色都可以看做是3种基本颜色——红r、绿g、蓝b的不同比例的组合。国际照度委员会CIE规定的红绿蓝三种基本色的波长...

    1、RGB颜色空间

      是最常见的面向硬件设备的彩色模型,它是人的视觉系统密切相连的模型,根据人眼结构,所有的颜色都可以看做是3种基本颜色——红r、绿g、蓝b的不同比例的组合。国际照度委员会CIE规定的红绿蓝三种基本色的波长分别为700nm、546.1nm、435.8nm。
      RGB模型空间是一个正方体,如下图:
    在这里插入图片描述
      原点对应黑色,离原点最远的顶点对应白色,从黑到白的灰度分布值在体对角线上。
      一般为方便起见,将立方体归一化为单位立方体,这样所有的RGB值都在区间[0,1]之中。根据这个模型,每幅图像包括3个独立的基色平面,每种颜色亮度用0-255表示,3种颜色通道的变化以及他们相互之间的叠加可得到1670多万种颜色(256³=16777216)。

    2、HSV颜色空间

      孟塞尔彩色空间的简化形式,是一种基于感知的颜色模型。
      它将彩色信号分为3种属性:色调(Hue,H),饱和度(Saturation,S),亮度(Value,V)。
      色调表示从一个物体反射过来的或透过物体的光波长,也就是说,色调是由颜色的名称来辨别的,如红、黄、蓝;
      亮度是颜色的明暗程度;
      饱和度是颜色的深浅,如深红、浅红。
      HSV颜色空间反映了人观察色彩的方式,具有两个显著的特点:
      1、亮度分量与图像的彩色信息无关;
      2、色调和饱和度分量与人感受颜色的方式是紧密相连的。
    在这里插入图片描述

    3、YCbCr颜色空间

      视频图像和数字图像中常用的色彩空间。
      Y代表亮度,Cb和Cr代表蓝色分量和红色分量。该模型的数据可以是双精度类型的,但存储空间为8位无符号整形数据空间。Y的取值范围为16235,蓝红分量的取值范围为16240。在通用的图像压缩算法中(如JPEG算法),首要的步骤就是将图像的颜色空间转换为YCbCr空间。

    4、Lab颜色空间

      由CIE(国际照明委员会)制定的一种色彩模式。
      自然界中任何一点色都可以在Lab空间 中表达出来,它的色彩空间比RGB空间还要大。它是一种设备无关的颜色系统,也是一种基于生理特征的颜色系统。这也就意味着,它是用数字化的方法来描述人的视觉感应。,所以它弥补了RGB和CMYK模式必须依赖于设备色彩特性的不足。 由于Lab的色彩空间要 比RGB模式和CMYK模式的色彩空间大。这就意味着RGB以及CMYK所能描述的色彩信息在Lab空间中都能 得以映射。Lab颜色空间取坐标Lab,其中L亮度;a的正数代表红色,负端代表绿色;b的正数代表黄色, 负端代表蓝色。
    在这里插入图片描述

    5、YUV颜色空间

      在彩色电视中,用Y、C1, C2彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号,C1,C2的含义与具体的应用有关。
      在NTSC彩色电视制中,C1,C2分别表示I、Q两个色差信号;
      在PAL彩色电视制中,C1,C2分别表示U、V两个色差信号;
      在CCIR 601数字电视标准中,C1,C2分别表示Cr,Cb两个色差信号。
      所谓色差是指基色信号中的三个分量信号(即R、G、B)与亮度信号之差。根据美国国家电视制式委员会,NTSC制式的标准,当白光的 亮度用Y来表示时,它和红、绿、蓝三色光的关系可用如下式的方程描述:Y=0.3R+0.59G+0.11B 这就是常用 的亮度公式。色差U、V是由B-Y、R-Y按不同比例压缩而成的。如果要由YUV空间转化成RGB空间,只要进行 相反的逆运算即可。与YUV色彩空间类似的还有Lab色彩空间,它也是用亮度和色差来描述色彩分量,其中L为 亮度、a和b分别为各色差分量。
      例如在PAL彩色电视制中:
      PAL的YUV颜色空间与RGB颜色空间的转换关系如下:
      Y=0.30R+0.59G+0.11B
      U=0.493(B-Y) = -0.15R-0.29G+0.44B
      V=0.877(R-Y) = 0.62R-0.52G-0.10B

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  • 平面设计中的视觉空间转换有哪些

    千次阅读 2020-07-31 18:15:18
    平面设计中的视觉空间转换有哪些!视觉空间知觉是人类天生具有的能力,它是一种人类感知外界物体的空间特征的知觉。视觉空间中比较常见的就是空间感觉。在进行三维设计时,利用不同的技术,比如透明技术等,让形成的...

    本文由:“学设计上兔课网”原创,图片素材来自网络,仅供学习分享

    平面设计中的视觉空间转换有哪些!视觉空间知觉是人类天生具有的能力,它是一种人类感知外界物体的空间特征的知觉。视觉空间中比较常见的就是空间感觉。在进行三维设计时,利用不同的技术,比如透明技术等,让形成的画面具有立体感。在平面设计中,三维图像是指在二维平面上具有立体感觉风格的图像,也就是说,立体感觉就是三维空间,是三维图像形成视觉空间的感觉,三维空间是三维图形形成的立体空间的总称;二维画面是以三维真实画面为依托的,也就是三维的空间是真实空间,而二位空间就是将三维空间平面化。

    二维平面空间之间的转换

    由不同的基本图形,按照不同的规则和比例在平面的形成的图像就是二维平面设计,以及在二维轮廓图和地面之间的分割线的范围内,描绘图像。它是以人造物的服务形式创造的一部分,其目的是为了美化形状,与被装饰品构成审美统一体。

    二维平面空间在进行空间转换时,主要是平面的图画空间和背景空间之间的空间转换。也就是让观看的人在看到画面时,能够感受到视线中的图画在空间平面内的效果,一般比较适合实现图底或正负形的相互转换。

    二维平面空间与三维化空间的转换

    我们所说的二位平面空间在观看时也会产生立体的视觉效果,但是它并不是三维空间,只是人们在观看二维平面空间时会受到视觉上的影响,产生立体感,就像之前提到的鲁宾杯一样。那么接下来就研究一下二位平面空间与三维空间的转换。

    二维平面空间与三维化空间的组接

    平面和三维图像给人们两个不同的空间感。创造性的表达体的装帧设计中使用的三维图像和二维文本是一种很常见的组合表达,但一个平面图形或文本与三维图像的组合,将会产生一个非常有趣的画面。

    平面空间向三维空间转换

    图形设计模式中的某些元素经常出现在平面空间中。如标题文本,正文文本,地图等。人们在空间中以一种习惯的思维来看这些元素,但当这些元素所存在的平面空间被放置在三维空间中时。它会把我们带到一个神秘的空间。让人们有一种强烈的新奇感。

    三维化空间向平面空间转换

    在三维空间中的平面设计通常是给出了一个真实的空间感。人们已经身临其境的感觉到空间的存在。当一种带有暗示性的平面元素把观众的那种感受拉回到现实平面中的时候,让人有回到现实中来的感觉。使观众感受到强烈的视觉效果。

    三维化空间与平面空间的多项交替

    在设计中的三维空间和平坦空间,可以相互转换。通过观众的视觉空间的转换,引导观众的注意力。

    平面空间、三维化空间与现实空间的转换

    现代平面设计是创新形式的抢眼,把真实图像(混合媒体)引入平面设计,平面设计或使用切割、挖掘、折叠、贴纸等其他手段来创建现实的三维空间。这些逼真的立体图像在三维平面空间和三维空间相融合,产生绚丽的视觉冲击效果。

    强化平面设计中的三维视觉空间效果

    对于这种平面设计中视觉空间的转换效果如今已经在广泛的领域中推广和使用,比如,海报设计、杂志封面设计等方面,通过利用平面和立体的相互结合,实现二维和三维的相互转换,从而形成具体、生动、形象和真假难辨的趣味性和神秘性。为了能够增强在平面设计中二维和三维空间的视觉转换效果,我们需要做到以下几个方面。

    借用具象空间导向性、因势利导

    在一个平面空间内,要以简单的图形做切入点,根据不同图形的变化和错位等方式,让图像产生立体的感觉,也有些抽象的概念在其中。让人们在观看时能够有各自不同的视觉感受。

    借用视觉空间的延续性、随形就像

    在一个二维设计装饰中,图形创建的多以稳定,对称的稳定和不对称稳定为基础,从所需的开始,最终视觉效果的处理依赖于视觉的具体形式与艺术的组合。定期的和不定期的,简单的和复杂的,对称的和不对称的主体,与所述组合物的图像融为一体,不能相互分离。

    借用空间的变化、调整图形的大小

    目前的艺术表现手法中,包括了一种使用现代图形设计中视觉上的错觉的方式。相比之下,背景与图形,虚与实的对称,展现实力雄厚的创作空间,实现空间上的连续性。

    目前在平面设计中,有很多设计师采用这种方法,在一个平面空间中,将一个三维视觉画面利用视觉的延续性展现出来。这种创作手法的作品,表现力丰富,意境深远,为我们的二维平面设计立体视觉空间创造提供了许多有益的启发和借鉴。

    目前平面设计中,利用观众的视觉空间感觉来进行空间的转换已经成为了比较常见的方法之一,这种方法能够有效的让观众有强烈的三维视觉感受,而且还能让画面感更加真实,仿佛是三维的真实空间。通过不存在于现实生活中的,甚至是无法理解的视觉空间创意表现在平面设计中,来取得出其不意的效果,从而烙印在人们的脑海中,挥之不去。

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  • 二、线性组合、张成的空间和基 1. 坐标系的基 2. 线性组合 3. 向量张成的空间(线性相关与线性无关) (1)两个二维向量张成的空间 (2)两个三维向量张成的空间 (3)三个三维向量张成的空间 4. 向量和点的...

    课程地址:【官方双语/合集】线性代数的本质 - 系列合集

    目录

    一、什么是向量

    1. 向量的表达方式

    2. 向量的加法

    3. 向量的数乘

    二、线性组合、张成的空间和基

    1. 坐标系的基

    2. 线性组合

    3. 向量张成的空间(线性相关与线性无关)

    (1)两个二维向量张成的空间

     (2)两个三维向量张成的空间

    (3)三个三维向量张成的空间

    4. 向量和点的关系


    一、什么是向量

    1. 向量的表达方式

    给定两个矩阵,我们很容易就能算出它的结果,但是他的几何意义是什么呢?

     对于向量的认识,我们其实在高中阶段就已经接触过,在不同学科有不同的表达方式:

     物理学:向量有大小和方向。处于平面中的向量是二维的,我们所生活的空间中的向量是三维的。

      

     

    计算机:向量是数字列表,比如对房价进行建模,共有面积和价格两个特征,他们就可以组成二维向量。

      

           

    数学:向量可以是任何东西,只要保证两个向量相加以及数字与向量相乘是有意义的即可。

    在物理学中,向量可以在任何位置(向量是空间中的箭头);但是在线性代数中,向量经常以原点作为起点。

    向量是有序的数字列表:我们可以利用坐标系来理解这个概念。

    三维空间中的向量有三个数来表达,2:代表这个数沿着平行x轴走多远,1:代表这个数沿着平行y轴走的距离; 3:代表这个数沿着z轴走的距离。每一个向量恰好对应唯一的一个三元数组。

    2. 向量的加法

    向量的加法符合三角形法则。

        

         

     

    为什么向量的加法要这样定义呢?其实二维平面向量的加法运算可以看为在数轴上运算的拓展。

    如下图所示,先向右移动2步,再向右移动5步的总体效果与向右移动7步一样。

    类比到二维空间。第一个向量的坐标是(1,2),第二个向量的坐标是(3,-1),当你用向量首尾连接的方法计算向量之和时,向量之和可以把它看做一个从原点出发,到第二个向量终点的四步运动。可以看做先沿着x轴走了4步,然后沿着y轴走了1步。

          

          

      所以向量之和相加的结果就是对应的x向量相加,以及对应的y向量相加。

    3. 向量的数乘

     比如一个向量前面乘以1/3,相当于这个向量的长度缩短为原来的1/3。如果是与-1.8相乘,相乘后的结果是这个向量首先反向,然后伸长为原来的1.8倍。

    这种拉伸或者压缩,有时又使向量反向的过程称为“缩放”。几何角度看是缩放,实际上就是数乘。这个数字就叫标量。

        

        

    数字与向量相乘,相当于将其每个分量都分别与数字相乘。

      

         

    线性代数围绕两种基本运算:向量的加法与向量的数乘。

    二、线性组合、张成的空间和基

    1. 坐标系的基

    i和j向量长度都为1.

         

         

       如果我们任意选择两个向量为基向量,我们可以根据这两个向量得到空间中任何向量。

    当我们使用数字描述向量时,他是依赖于我们正在使用的基。不同的基向量的表达数字也不一样。

    2. 线性组合

    线性组合:两个数乘向量的组合被称为这两个向量的线性组合。

    如果固定一个标量,让另一个标量自由变化,所产生的向量的重点会描出一条直线。下图是分别固定w和v向量的标量后的变化情况。

       

          

    3. 向量张成的空间(线性相关与线性无关)

    (1)两个二维向量张成的空间

    向量张成的空间通俗的解释:仅通过向量的加法与向量的数乘这两种基础运算,你能获得的所有可能的向量集合是什么?

    比如如果v和w向量不共线,他们向量张成的空间就是一个二维平面。通过加法和数乘运算后的向量的终点可能在二维平面的任意位置。

    如果v和w向量共线,那他们向量张成的空间就是一条直线。终点始终落在一条直线上。

    对大部分二维向量对来说,他们张成的空间是整个无限大的二维平面。但是如果贡献,他们张成的空间就是一条直线。

      

          

     (2)两个三维向量张成的空间

    两个三维向量张成的空间是什么样的呢?

    (这两个向量张成的空间就是它们所有可能的线性组合,也就是缩放再相加之后的所有可能得到的向量)

    最终得到的向量的终点会画出三维空间中某个过原点的平面。这个平面就是这两个三维向量张成的空间。换句话说,所有终点落在这个平面上的向量的几何是这两个向量张成的空间。

    (3)三个三维向量张成的空间

    那么三个三维向量张成的空间是什么样的呢?(选择三个标量,对三个向量分别进行缩放,然后再相加)

     

        

    一共有两种情况:

    [1] 如果第三个向量恰好落在前面两个向量所张成的平面上,或者其中有两个向量刚好共线。即一组向量中至少有一个是多余的,没有对张成空间做出任何贡献。你有多个向量,并且可以移除其中一个而不减小张成的空间,这种情况下,我们称他们为线性相关的。这个向量可以表示为其他向量的线性组合,因为这个向量已经落在其他向量张成的空间之中。

    [2] 如果向量都给张成的空间增添了新的维度,它们就被称之为“线性无关”的

    4. 向量和点的关系

    当我们在二维平面用向量的方式表达时,当所有的二维向量铺满平面时,你会觉得非常拥挤。为了应付这种情况,通常我们就用向量的终点代表该向量(起点仍然位于原点)。

    实际上,你就不必考虑所有的箭头了,只需要考虑无限大的二维平面本身即可。

      

       

     当你只用考虑一个向量时,可以把它看做一个箭头;当考虑多个向量时,可以把它看做点。

    向量中一组基的严格定义:张成该空间的一个线性无关向量集。

     

     

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