总线和数据通信技术

一无线网络中的安全问题 安全威胁来源 非法窃听 非授权访问 服务拒绝 耗能攻击 返 回 上 页 下 页 非法窃听是指入侵者通过对无线信道的监听来获取传输的信息是对通信网络最常见的攻击方法这种威胁源于无线链路的开放性但是由于无线传输距离受到功率和信噪比的限制窃听者必须与源结点距离较近蓝牙技术标准建议采用较低的发射功率标准通信距离仅有十米这在一定程度上保证了网络的可靠性 1非法窃听 返 回 上 页 下 页 非法访问是指入侵者伪装成合法用户来访问网络资源以期达到破坏目的或者是违反安全策略利用安全系统的缺陷非法占有系统资源或访问本应受保护的信息必须对网络中的通信设备增加认证机制以防止非授权用户使用网络资源 2非法访问 返 回 上 页 下 页 服务拒绝是指入侵者通过某些手段使合法用户无法获得其应有的网络服务这种攻击方式在Internet中最为常见也最为有效在蓝牙网络中这种威胁包括阻止合法用户建立连接或通过向网络发送大量垃圾数据来破坏合法用户的正常通信对于这种威胁通常可采用认证机制和流量控制机制来防止 3服务拒绝 返 回 上 页 下 页 耗能攻击也称为能源消耗攻击现有蓝牙设备为节约电池能量使用节能机制在不进行通信时进入休眠状态能源消耗攻击目的是破坏节能机制如不停地发送连接请求使设备无法进入节能模式最终达到消耗能量的目的目前对这种攻击还没有行之有效的办法 4耗能攻击 返 回 上 页 下 页 二蓝牙采用的安全技术 蓝牙技术标准除了采用上述的跳频扩频技术和低发射功率等常规安全技术外还采用内置的安全

机制来保证无线传输的安全性 1 安全模式 在这种模式下蓝牙设备屏蔽链路级的安全功能适于非敏感信息的数据库的访问这方面的典型的例子有自动交换名片和日历 即vCard和vCalendar ●安全模式1无安全要求 返 回 上 页 下 页 提供业务级的安全机制允许更多灵活的访问过程例如并行运行一些有不同安全要求的应用程序在这种模式中蓝牙设备在信道建立后启动安全性过程也就是说它的安全过程在较高层协议进行 ●安全模式2强制业务级安全 提供链路级的安全机制链路管理器对所有建立连接的应用程序以一种公共的等级强制执行安全标准在这种模式中蓝牙设备在信道建立以前启动安全性过程也就是说它的安全过程在较低层协议进行 ●安全模式3强制链路级安全 返 回 上 页 下 页 2 设备和业务的安全等级 1设备定义了三个级别的信任等级 ●可信任设备设备已通过鉴权存储了链路密钥在设备数据库中标识为可信任可信任设备可以无限制的访问所有的业务 ●不可信任设备设备已通过鉴权存储了链路密钥但在设备数据库中没有标识为可信任不可信任设备访问业务是受限的 ●未知设备无此设备的安全性信息为不可信任设备 返 回 上 页 下 页 2业务的三种安全级别 ●需授权只允许信任设备自动访问的业务 例如在设备数据库中已登记的那些设备 不信任的设备需要在授权过程完成后才能访问该业务授权总是需要鉴权以确认远端设备是正确的设备 ●需鉴权在连接到应用程序之前远端设备必须接受鉴权 ●需加密在允许访问业务前必须切换到加密模式下 返 回 上 页 下 页 3 链路级安全参数 蓝牙技

术在应用层和链路层上提供了安全措施链路层采用的四种不同实体来保证安全所有链路级的安全功能都是基于链路密钥的概念实现的链路密钥是对应每一对设备单独存储的一些128位的随机数 返 回 上 页 下 页 4 密钥管理 蓝牙系统用于确保安全传输的密钥有几种其中最重要的密钥是用于两个蓝牙设备之间鉴权的链路密钥加密密钥可以由链路密钥推算出来这将确保数据包的安全而且每次传输都会重新生成最后还有PIN码用于设备之间互相识别 返 回 上 页 下 页 一共有四种可能存在的链路密钥所有链路密钥都是128位的随机数它们或者是临时的或者是半永久性的加密密钥由当前的链路密钥推算而来每次需要加密密钥时它会自动更换之所以将加密密钥与鉴权密钥分离开是因为可以使用较短的加密密钥而不减弱鉴权过程的安全性 链路密钥 返 回 上 页 下 页 通常称为PIN 个人识别号码 是一个由用户选择或固定的数字长度可以为16个字节通常采用四位十进制数用户在需要时可以改变它这样就增加了系统的安全性另外同时在两个设备输入PIN比其中一个使用固定的PIN要安全得多事实上它是唯一的可信的用于生成密钥的数据典型情况是四位十进制PIN码与其他变量结合生成链路密钥和加密密钥 蓝牙安全码 返 回 上 页 下 页 蓝牙系统加密算法为数据包中的净荷 即数据部分 加密其核心部分是数据流密码机E0它包括净荷密钥生成器密钥流生成器和加解密模块由于密钥长度从8比特到128比特不等信息交互双方必须通过协商确定密钥长度 5 加密算法 返 回 上 页 下 页 有几种加密模式可供使用如果使用了

单元密钥或者联合密钥广播的数据流将不进行加密点对点的数据流可以加密也可以不加密如果使用了主密钥则有三种可能的模式 ●加密模式1不对任何进行加密 ●加密模式2广播数据流不加密点对点数据流用临时密钥Kmaste进行加密 ●加密模式3所有数据流均用临时密钥Kmaste进行加密 返 回 上 页 下 页 6 认证机制 两个设备第一次通信时借助结对初始化过程生成一个共用的链路密钥结对过程要求用户输入16字节 或128位 PIN到两个设备根据蓝牙技术标准结对过程如下 ●根据用户输入的PIN生成一个共用随机数作为初始化密钥此密钥只用一次然后即被丢弃 ●在整个鉴权过程中始终检查PIN是否与结对设备相符 ●生成一个普通的128位随机数链路密钥暂时储存在结对的设备中只要该链路密钥储存在双方设备中就不再需要重复结对过程只需实现鉴权过程 返 回 上 页 下 页 ●基带连接加密不需要用户的输入当成功鉴权并检索到当前链路密钥后链路密钥会为每个通信会话生成一个新的加密密钥加密密钥长度依据对安全等级而定一般在8128比特之间最大的加密长度受硬件能力的限制防止非授权用户的攻击蓝牙标准规定如果认证失败蓝牙设备会推迟一段时间重新请求认证每增加一次认证请求推迟时间就会增加一倍直到推迟时间达到最大值同样认证请求成功后推迟时间也相应地成倍递减直到达到最小值 返 回 上 页 下 页 二 蓝牙技术应用模型 蓝牙技术的应用被认为非常广泛而且极具潜力它可以应用于无线设备如PDA手机智能电话无绳电话图像处理设备照相机打印机扫描仪安全产品智能卡身份识别票据管理安全检查消

费娱乐耳机MP3游戏汽车产品GPSABS动力系统安全气袋家用电器电视机电冰箱电烤箱微波炉音响录像机医疗健身建筑玩具等领域 返 回 上 页 下 页 蓝牙SIG定义的几种基本的应用模型 ●文件传输 ●局域网接入 ●因特网网桥 ●同步 ●三合一电话 ●终极耳机 返 回 上 页 下 页 蓝牙SIG可提供的应用具体可列举如下 1手机与计算机的相连目前多数通过IrDA红外线或是RS-232串口线蓝牙取而代之不仅方便而且资料传送的速度也不用担心有的状况下IsDA的速度更快些 2可作无绳电话使用内置蓝牙芯片的手机在家里可以当作无绳电话使用不用双向收费节省手机费用 3数据共享办公更简易无论手机计算机打印机PDA或是数码相机MP3播放器都可以用蓝牙互传语音文字图像文件蜘蛛网式的会议室将不复存在白板记录仪投影机等都可以利用蓝牙来简化操作 返 回 上 页 下 页 4Internet接入内置蓝牙芯片的笔记本型计算机或手机时不仅可以使用公共电话交换网public swithed telephone network PSTN ISDNLANxDSL而且蜂窝式移动网络照样可以进行高速连接 5无线免提笔记本型电脑具有话筒及扬声器用蓝牙连接将来的手机多人视频会议更加容易而且免提手机不在是汽车独有的了 6同步资料 7蓝牙还可以应用于键盘鼠标家庭网络高速无线内部网络电子名片等 返 回 上 页 下 页 三 蓝牙的发展 据一项最新的研究预测蓝牙将渗透到17个不同的市场领域在未来几年里才是蓝牙大规模占有市场的时候当然蓝牙仍然是一项发展中的技术其应用目前应该说仍处于起步阶段要真正达到大规模进入商用市场并在用户中普及还

有大量应用技术细节需要解决 返 回 上 页 下 页 蓝牙需要解决的问题 1 增加消费者的认知度 5争取众多操作系统支持蓝牙 4 与其他技术的共存 3 产品应使用方便 2 产品应具有互操作性 返 回 上 页 下 页 6芯片越来越小巧 7向单芯片方向发展 8芯片价格持续下降 9干扰问题的解决 10 支持漫游功能 返 回 上 页 下 页 maxbook118com 蓝牙技术原理 一 蓝牙系统组成 主要组成单元简介 一个微波跳频扩频通信系统数据和话音信息分组在指定的时隙指定跳频频率发送和接收 1蓝牙无线射频单元 返 回 上 页 下 页 包括基带数字信号处理的硬件部分并完成基带协议和其他低层链路的规程基带控制器的服务项目包括发送和接收数据设备信号请求链路地址查询建立连接验证协商并建立连接方式确定分组内型设置监听方式设置保持方式设置休眠方式 2基带控制器单元 链路管理单元实现链路的建立验证链路配置及其协议链路管理单元可以发现其他的链路管理单元并通过连接管理协议LMP建立通信联系链路管理器通过基带控制器提供的服务实现上述功能 3链路管理单元 返 回 上 页 下 页 二蓝牙的结构体系 它是由底层硬件模块中间层和高端应用层三大部分组成 返 回 上 页 下 页 一蓝牙的底层模块 由链路管理层LMP Link Manager Protocol 基带层BB Base Band 和射频RF Radio Frequency 组成 各部分主要功能 通过24GHz无需申请的ISM频段实现数据流的过滤和传输它主要定义了工作在此频段的蓝牙接收机应满足的要求 1无线连接层RF 返 回 上 页 下 页 基带层BB提供了两种不同的物理链路同步面向连接链路和异步

无连接链路ACL负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输且对所有内型的数据包提供了不同层次的前向纠错码FEC Forward Error Correction 或循环冗余度差错校验CTC 2基带层BB LMP层负责两个或多个设备链路的建立和拆除及链路的安全和控制如鉴权和加密控制和协商基带包的大小等它为上层软件模块提供了不同的访问入口 3链路管理层LMP 返 回 上 页 下 页 蓝牙主机控制器接口HCI Host controller interface 由基带控制器连接管理器控制和事件寄存器等组成它是蓝牙协议中软硬件之间的接口提供了一个调用下层BBLM状态和控制寄存器等硬件的统一命令上下两个模块接口之间的消息和数据的传递必须通过HCI的解释才能进行HCI层以上的协议软件实体运行在主机上而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成二者之间通过传输层进行交换 4蓝牙主机控制器接口 返 回 上 页 下 页 二 中间协议层 1 中间协议层的组成 ●逻辑链路控制与适配协议L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol ●串口仿真协议或称线缆替换协议RFCOMM ●二进制电话控制协议TCS Telephone Control Protocol Spectocol ●服务发现协议SDP Service Discovery Protocol 返 回 上 页 下 页 2 各部分的功能 L2CAP是蓝牙协议栈的核心组成部分也是其他协议实现的基础它位于基带之上向上层提供面向连接和无连接的数据服务它主要完成数据的拆装服务质量控制协议的复用分组的分割和重组Segmentation And REassembly及组提取等功能L2CAP允许高达64KB的数据分组 1逻辑链路控制与适配协议L2CAP SDP是一个基于客户服务器结构的

协议它工作在L2CAP层之上为上层应用程序提供一种机制来发现可用的服务及其属性而服务的属性包括服务的内型及该服务所需的机

制或协议信息 2服务发现协议SDP 返 回 上 页 下 页 RFCOMM是一个仿真有线链路的无线数据仿真协议符合ETSI标准的TS0710串口仿真协议它在蓝牙基带上仿真RS-232的控制和数据信号为原先使用串行连接的上层业务提供传送能力 3串口仿真协议或称线缆替换协议RFCOMM TCS是一个基于ITU_TQ931建议的采用面向比特的协议它定义了用于蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令Call Control Signaling1并负责处理蓝牙设备组的移动管理过程 4二进制电话控制协议TCS 返 回 上 页 下 页 三 高端应用层 高端应用层位于蓝牙协议栈的最上部分一个完整的蓝牙协议栈按其功能又可划分为四层 ●核心协议层BBLMPL2CAPSDP ●线缆替换协议层RFCOMM ●电话控制协议层TCS-BIN ●选用协议层PPPTCPTPUDPOBEXIrMCWAPWAE 高端应用层是由选用协议层组成 返 回 上 页 下 页 选用协议各部分的功能 1PPP Point-to-point Protocol 是点对点协议由封装链路控制协议网络控制协议组成定义了串行点到点链路应当如何传输因特网协议数据它主要用于LAN接入拨号网络及传真等应用规范 2TCPIP 传输控制协议网络层协议 UDP User Datagram Protocol对象交换协议 是三种已有的协议它定义了因特网与网络相关的通信及其他内型计算机设备和外围设备之间的通信这样即可提高效率又可在一定程度上保证蓝牙技术和其他通信技术的互操作性 返 回 上 页 下 页 3OBEX Object Exchange

Protocol 是对象交换协议它支持设备见的数据交换采用客户服务器模式提供与HTTP 超文本传输协议 相同的基本功能该协议作为一个开放性标准还定义了可用于交换的电子商务卡个人日志表消费和便条等格式 4WAP Wireless Application Protocol 是无线应用协议它的目的是要在数字蜂窝电话和其他基于因特网的协议 5WAE Wireless Application Environment 是无线应用环境它提供用于WAP电话和个人数字助理PDA所需的各种应用软件 返 回 上 页 下 页 三 蓝牙系统的框架结构 除了保证两个蓝牙设备之间可以互相通信的协议外SIG还定义了框架其目的是为了描述如何实现用户模块以及如何将应用和设备映射为蓝牙设备蓝牙标准化组织定义了四个主要的框架这四个框架分别是通用的接入框架串口框架服务发现应用框架通用的对象交换框架 返 回 上 页 下 页 1通用的接入框架GAP Generic Access Profile GAP定义了一个蓝牙设备如何发现另一个设备并与之建立连接主要处理未连接的设备之间发现对方以及建立连接的问题这个框架定义的是通用的操作可以被与GAP有关的框架和实现多个框架的设备使用 GAP保证任意厂商生产的两个蓝牙设备之间可以交换信息并发现这些设备可以提供什么内型的服务一个蓝牙设备可以不遵守其他蓝牙框架的约定但必须遵守GAP框架以保证基本的互用和共存 返 回 上 页 下 页 2服务发现应用框架SDAP Service Discovery Application Profile SDAP 定义了发现一个蓝牙设备可用服务的方法主要处理对已有服务的搜索SDAP包括一个用户服务发现应用这个应用采用在

一个蓝牙设备中对服务进行定位它与服务发现协议接口SDAP框架依赖于GAP框架采用了GDP框架的一部分 返 回 上 页 下 页 3串口框架SPD Serial Port Profile 串口框架定义了如何在两个蓝牙设备上建立虚拟的串口然后将这两个串口连接起来采用这个框架可以为蓝牙设备提供一个使用RS-232控制信令的串行线缆RS-232是数据通信设备普遍采用的接口标准串口框架就像SDAP框架一样依赖于GAP框架也采用了GAP框架的一部分 返 回 上 页 下 页 4通用的内容交换框架GOEP Generic Object Exchange Profile GOEP定义了一套用于内容交换的协议和过程比如将数据从一个蓝牙设备如何传送到另一个蓝牙设备以及如何从另一个蓝牙设备接收数据等一些用户模块如文件传输和同步等都基于这个框架典型应用这个框架的蓝牙设备是笔记本电脑PC机移动电话和智能电话等 返 回 上 页 下 页 四 蓝牙硬件的实现 返 回 上 页 下 页 各部分的功能 蓝牙基带控制器是蓝牙芯片硬件模块的关键模块它主要由链路控制序列发生器可编程序列发生器内部语音处理器共享RAM仲裁器及定时链管理加密解密处理等功能单元组成其主要功能在微处理器模块控制下实现蓝牙苛带部分的所有实时处理功能包括负责对接收的bit流进行符号定时提取和恢复分组头及净荷的循环冗余度校验CRC分组头及净荷的前向纠错码FEC处理和发送处理加密和解密处理等且能提供从基带控制器到其他芯片的接口诸如数据路径RAM客户接口微处理器接口脉码调制接口PCM等 1蓝牙基带控制器 返 回 上 页 下 页 2无线收发器模块 无线收发器是蓝牙设备的

核心任何蓝牙设备都要有无线收发器它与用于广播的普通无线收发器的不同之处在于体积小功率小目前生产的蓝牙无线收发器的最大输出功率只有100mW25mW1mW三种它由锁相环发送模块和接收模块等组成发送部分包括一个倍频器且直接使用压控振荡器调制接收部分包括混频器中频器放大器鉴频器以及低噪音放大器等无线收发器的主要功能是调制解调帧定时恢复和跳频功能同时完成发送和接收操作发送操作包括载波的产生载波调制功率控制及自动增益控制接收操作包括频率调谐至正确的载波频率及信号强度控制等 返 回 上 页 下 页 3微处理器CPU CPU负责蓝牙比特流调制和解调后的所有比特级处理且还负责控制收发器和专用的语言编码和解码器 4Flash存储器和SRAM Flash存储器用于存放基带和链路管理层中所有的软件部分SRAM作为CPU的运行空间在工作时把Flash中的软件调到SRAM中 返 回 上 页 下 页 5语音编解码器CODEC Coder Decoder 语音编解码器CODEC由DAC 数模转换器 模数转换口ADC数字接口编码模块等组成主要功能提供语音编码和解码功能提供CVSD Continuous Variable Slope Delta Modulation 即连续可变斜率增量调制及对数PCM Pulse Coded Modulation 即脉码调制两种编码方式 返 回 上 页 下 页 6蓝牙测试模块 它是由DUT Device Under Test 即被测试模块与测试设备及计量设备组成一般测试设备和被测试设备构成一个微微网测试设备对整个测试过程进行控制其主要功能提供无线层和基带层的认证和一致性规范同时还管理产品的生产和售后测试 返 回 上 页 下 页 7UART 通用

异步收发器和USB通用串行接口 提供到HCI Host Controller Interface 即主机控制器接口传输层的物理连接是高层与物理模块进行通信的通道 返 回 上 页 下 页 五 蓝牙技术的安全机制 蓝牙技术提供了一种短距离的无线通信标准同其他无线技术一样蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击因此安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障但是蓝牙系统仍然需要链路层和应用层的安全管理 返 回 上 页 下 页 返 回 上 页 下 页 二LLC帧结构 1LLC数据帧 LLC数据帧由三个位场即标识符场数据长度码 DLC-Data Length Code 场和LLC数据场组成 如图 2LLC远程帧 LLC远程帧由两个位场 标识符场和DLC场 组成 标识符格式与数据帧标识符格式相同如图所 示 返 回 上 页 下 页 二 媒体访问控制 MAC 子层 MAC子层可划分为相对独立工作的两个部分即发送部分和接收部分 发送部分功能为发送数据封装包括接收LLC帧及控制信息CRC计算在LLC帧的基础上附加MAC特定信息构造MAC帧发送媒体访问管理确认总线空闲后开始发送并应答包括MAC帧串行化插入填充位 位填充 在丢失仲裁情况下退出仲裁并转入接收方式错误检测 监控格式校验 应答校检确认超载条件构造超载帧构造出错帧输出串行位流至物理层 一MAC子层功能 返 回 上 页 下 页 接收部分功能为接收媒体访问管理包括由物理层接收串行位流解除串行结构并重新构筑帧结构检测填充位 解除位填充 错误检测发送应答构造错误帧并开始发送

确认超载条件重激活超载帧结构并开始发送接收数据卸载包括由接收帧中去除MAC特定信息和输出LLC帧和控制信息至LLC子层 返 回 上 页 下 页 二MAC帧类型及结构 a MAC数据帧结构 b 仲裁场结构 c 控制场结构 d CRC场结构 e ACK场结构 返 回 上 页 下 页 CAN系统中数据在节点间发送和接收四种不同

类型的帧下面以CAN 20A为例论述MAC层的帧类型 1．MAC数据帧 数据帧将数据由发送器传至接收器MAC数据帧由七个不同位场构成如图834所示它们是帧起始 SOF-Start Of Frame 仲裁场控制场 两位保留DLC场 数据场CRC场ACK场和帧结束 EOF-End Of Frame 1 帧起始 SOF 标志数据帧和远程帧的起始它由 单个显性位构成所有节点必须同步于SOF的上 升沿 2 仲裁场由来自LLC子层的11位标识符和 RTR Remote Transmission Request 位构成 在MAC数据帧中RTR位数值为0 返 回 上 页 下 页 3 控制场由六位构成包括2位用于未来DLC扩展的 保留位r0rl和4位数据场长度编码 DLC 4 数据场MAC数据场与LLC数据场格式相同由08 个字节组成 5 CRC场包括CRC序列及CRC界定符 6 ACK场ACK场为两位ACK隙和ACK界定符 ACK隙是隐性位所有无错误地接收到该数据帧 的节点以显性位改写此隐性位作为应答 ACK界定符为ACK场的第二位也是 隐性位 7 帧结束 EOF MAC的每个数据帧和远程帧均由7个 隐性位构成帧结束标志 返 回 上 页 下 页 2．MAC远程帧 用以请示发送具有相同标识符的数据帧远帧程由 6个位场构成帧起始 SOF 仲裁场控制场CRC场ACK场和帧结

束 EOF 如图所示 仲裁场由来自LLC子层的标识符场和RTR位构成注意在MAC远程帧中RTR位数值为1 帧起始 SOF 控制场CRC场ACK场和帧结束 EOF 等位场与MAC数据帧的相应场相同 返 回 上 页 下 页 3．出错帧 CAN是广播式发送总线上的每一个节点都对帧接收校验如果发现错误就向总线发出错帧出错帧由两个不同场构成如图 出错帧结构 返 回 上 页 下 页 1 错误标志 活动错误标志由6位连续的 显性位构成 认可错误标志由6位连续的 隐性位构成 由于每个节点都可能同时检测到错误 如总线故 障 所以可能同时发送错误标志由于出错帧没有 严格的同步规则所以各节点的错误标志场将在总 线上叠加使得总线上呈现的错误标志场大于6 位但最长是12位 2 错误界定符 错误界定符由8位隐性位构成发送错误标 志场后每个节点送出隐性位并监控总线直 至检测到隐性位此后它开始发送剩余的7个 隐性位作为错误界定符 返 回 上 页 下 页 4．超载帧 超载帧为相邻的数据帧或远程帧之间提供附加延时超载帧包括两个位场超载标志和超载界定符如图836所示超载标志由6个显性位构成当某节点的超载标志出现在总线上时所有其他节点都将检测到也发送超载标志由于超载帧没有严格的同步规则所以各节点的超载标志场将在总线上叠加使得总线上呈现的超载标志场大于6位但最长是12位超载界定符由8位隐性位构成发送超载标志后每个节点均监总线直至检测到隐性位此时每个节点完成送出超载标志并且所有节点同时开始发送剩余的7个 隐性位以完成8位长度超载界定符 超载帧结构 返 回 上 页 下 页 5．帧间空间 数据

帧和远程帧同前述的任何帧 数据帧远程帧超载帧 以帧间空间隔开但超载帧间无帧间空间分隔超载恒和错误帧前面不存在帧间空间帧间空间包括间歇场和总线空闲场如果先前是错误认可型的出错帧则还有中间暂停发送场 返 回 上 页 下 页 b错误认可的帧间空间 a非错误认可的帧空间 返 回 上 页 下 页 1 间歇场 间歇场由 3个 隐性位构成间歇期间不允许节 点开始发送数据帧或远程帧仅起标注作用 2 总线空闲场 总线空闲时间可以是任意长度总线空闲时任 何节点均可访问总线以便发送如果在总线空闲 期间检测到总线上显性位将被理解为数据帧或 远程帧 的帧起始SOF 3 暂停发送场 某节点的 错误一认可出错帧完成发送后紧随 同歇场发送八位隐性位作为暂停发送场其 间若有其他节点的发送启动则该节点中断后 面的其他位立即将

变为接收器 返 回 上 页 下 页 三MAC帧编码和发送接收 帧起始仲裁场控制场数据场和CRC场均以位填充方法进行编码当发送器在发送位流中检测到5个数值相同的连续位 包括填充位 时它在实际发送位流中自动插入一个补码如下所示 末填充位流 100000abc 0111111abc 填充位流 1000001abc 0111110abc 其中abc∈ 01 返 回 上 页 下 页 数据帧或远程帧的其余位场 CRC界定符ACK场和帧结束 为固定形式不进行位填充错误帧和超载帧也为固定格式同样不使用位填充方法进行编码发送器和接收器对帧的有效时点是不同的对于发送器若在帧结束完成前不存在错误则该帧为有效对于接收器

若在帧结束最后一位前不存在错误则该帧为有效 返 回 上 页 下 页 四媒体访问和仲裁 在间歇场中未检测到显性位即认为总线被所有节点释放允许节点访问总线帧可以起始发送发送期间发送数据帧或远程帧的节点为总线主站当许多节点一起开始发送时会产生冲突解决冲突的机制是非破坏性的优先权逐位仲裁规则数据帧和远程帧的优先权标注于帧的仲裁字段中较高优先权的标识符具有较低的二进制数值若具有相同标识符的数据帧和远程帧同时被发送按照RTR位数据帧较之远程帧具有较高优先权 返 回 上 页 下 页 五错误检测和CAN节点的状态 MAC子层具有监测总线填充规则校验帧格式校验CRC校验和应答校验当检测到以上这些错误时LLC子层即被告之并且MAC子层启动发送出错帧在CAN总线任何一个节点可能处于下列三种状态错误激活 error active 错误认可 error passive 和总线关闭 返 回 上 页 下 页 在每一个节点的MAC层都有两个错误计数器发送错误计数器 TEC 和接收错误计数器 REC 根据计数器的值决定节点的状态和变化如图839节点初始化后REC和TEC为零节点是错误激活状态当检测到发送错误TEC增加检测到接收错误REC增加如果发送成功TEC减少接收成功REC减少计数器采用非比例计数的方法出错计数的比例大于成功计数的比例错误计数器的内容反映了总线干扰的相对程度当REC或TEC大于127则由激活状态变为认可状态当TEC大于255节点由认可状态变为总线关闭状态 返 回 上 页 下 页 允许认可激活状态的节点继续参加总线通信当它们监测到错误时所不同的是错误认可状态

节点发具有认可错误标志的出错帧错误激活状态节点发具有活动错误标志的出错帧 不允许 总线关闭的节点参与通信即不发送也不接收只有应用户的干预或其他节点的请求才能恢复通信 返 回 上 页 下 页 三 物理层 从实际应用的角度CAN的物理层主要包括接口的连接方式总线电平和传输速率等内容CAN总线电气连接为对称差分驱动总线末端均应接入电阻以抑制反射CAN中的总线数值为显性 Dominant 或隐性 Recessive 显性表示逻辑 0隐性表示逻辑 1 CAN总线具有 线与的能力显性和隐性位同时发送总线数值是显性显性隐性状态在总线上的差分电压表示如图839所示CAN的传输速率与节点之间的距离有关在没有中继的情况下它们的关系如图840所示由图可知距离速率积约为常数即距离×速率 40M m·bps 返 回 上 页 下 页 图839 CAN总线的数值表示 返 回 上 页 下 页 图 840 CAN总线有效度与传输速率的关系 86 蓝牙技术 下 页 上 页 返 回 蓝牙技术是一项开放的全球统一的短距离无线通信协议标准它的目的是取消线缆及不兼容的标准将无线电接收装置内嵌于蓝牙芯片中在将芯片整合在设备内各设备间自由连通实现无线通信蓝牙作为短距离连接技术的新贵近年来发展迅速应用广泛 下 页 上 页 返 回 maxbook118com 蓝牙技术的产生及概况 最早提出蓝牙概念的是爱立信移动通信公司1994年Ericsson公司倡导建立一种低功耗低成本的无线连接口以解决互连设备间的电缆问题这个问题的提出直接引出了蓝牙的产生1998年Ericsson与Nokia IBM Intel Toshiba公司成立了 SIG special Interest Group 并

将这项技术正式命名为蓝牙现在蓝牙规范已制定该项技术已得到大多数公司的支持许多公司都推出了自己的蓝牙产品蓝牙芯片的厂商正致力于大力降低芯片的价格蓝牙不单单是线缆的替代品它作为一种无线连接方案已初露锋芒逐渐扩展到多个领域并日趋成熟 蓝牙技术指标和系统参数 返 回 上 页 下 页 一 蓝牙技术与其他无线技术的比较 蓝牙技术作为一个全球公开的无线应用标准通过把数据设备用无线链路连接起来使人们能随时随地的进行数据信息的交换和传输随着蓝牙技术的不断完善其芯片制造工艺的不断改进价格的大幅度降低将使其大规模应用成为可能并逐渐走向人们的生活 返 回 上 页 下 页 1使用24GHz的ISM公用频段可不必申请专用许可证 2以时分双工进行全双工通信理想通信距离为10cm到10m增加发射功率可达100m 3采用快频段短分组和前向纠错技术可有效降低干扰提高通信的安全性 4唯一的48位BD_ADDR 5通信协议采用分层结构支持语音数据访问点外设连接个人网络PAN等三大范畴的应用 蓝牙技术有如下特点 返 回 上 页 下 页 6采用FM调制方式使设备变得更加简单可靠使终端更加轻便 8每一话音通道可支持速率64kbits的同步 话音异步通道可支持前向速率721kbits反向速率576kbits的非对称连接或者速率4326kbits的对称连接 7业务分配灵活可以支持一个异步数据通道或者3个并发的同步语音通道或者一个同时传送异步数据和同步话音的通道 返 回 上 页 下 页 一蓝牙技术与红外线技术 红外线技术是目前应用最广泛的无线传输技术与蓝牙技术相比红外技术发展已经非常成熟其较蓝

牙技术最大的优点是价格低廉并且传输速度快但是蓝牙技术在连接方式和安全性方面却有着一定的优势蓝牙技术支持点对多的通信一个设备可以同时和7个设备连接起来而红外线技术只有两个设备相互连接同时蓝牙技术不像红外线传输那样对发送和接收数据的接口方向性有那么高的要求在接收距离内蓝牙设备可以不必对准即可进行通信传输对于有安全需求的地方蓝牙技术也稍显优势总的来说蓝牙技术与红外线技术是各有优缺点但是蓝牙技术较红外线技术有更多的优点所以蓝牙技术将有更大的发展潜力 返 回 上 页 下 页 二蓝牙技术与IEEE80211b IEEE80211b是继IEEE80211之后制定的新的高速无线局域网标准其传输速率可到达11Mbs并与IEEE80211完全兼容IEEE80211b的发射功率较高传输距离可达100m最大传输速率为11Mbs就传输速率来看蓝牙技术更适合个人携带的信息传输量较小的设备而对于对传输速率要求极高的情况下IEEE80211b则更适合带有蓝牙技术的芯片能够做到非常小并且因为其低功耗支持省电模式而使其价格远远低于价格昂贵的80211b组件由于其本身的短距离传输速率较低的性质在多终端同时高速联入网络时就显得力不从心所以目前许多企业建筑群飞机场等网络范围较大传输速率较高的地方采用IEEE80211b 返 回 上 页 下 页 三蓝牙技术与HomeRF HomeRF与蓝牙技术相似其发展目的是为了实现无线家庭网络将家用电器如电视机电冰箱电话PC等设备以无线电波相互连接起来其工作频段是24Ghz支持数据和语音HomeRF在技术上与蓝牙技术有很多相似之处它也采用跳频技术只不过其频率

跳跃为50次s传输距离为50m传输速率可以达到2Mbs同时支持6路语音通道同一个网络中可以最多连接设备128个每个设备在网络中都是独立的不受中央节点控制与蓝牙技术相比HomeRF更侧重的是低成本的家庭语音和数据无线通信以及PC和其外设连接的无线局域网 返 回 上 页 下 页 总结 就无线通信来说蓝牙技术IEEE80211bHomeRF三种短距离无线通信传输标准各有优缺点因此在不同技术要求的场合下用户可以各取所需随着技术的不断发展它们也在不断的日趋完善 返 回 上 页 下 页 返 回 上 页 下 页 5USB总线的通信流 USB通信可以分为配置通信和应用通信在配置通信中主机通知设备使设备准备好交换数据这类通信主要发生在上电或连接时主机检测到外设的时候应用通信出现在主机的应用程序与一个检测到的外设交换数据的时候是实现设备目的的通信例如对键盘来说应用通信是发送按键数据给主机告诉一个应用程序显示一个特性或执行某种动作主机上的软件通过一系列的通信流与逻辑设备进行通信 返 回 上 页 下 页 1设备端点 每个USB设备内有一个或多个逻辑连接点称为端点 Endpoint 端点是USB系统用来交换数据的特定逻辑地址每个端点都有自己的特性和用途对主机来说不同的端点实际上就是对应的不同的数据缓冲区对设备来说不同的端点对应不同的硬件电路每个端点在设备出厂时已定义好主机只能通过端点与设备进行通讯在USB协议规范中用4位地址标识端点地址每一个端点都有唯一的地址每个设备最多有16个端点每个端点都有一定的特性包括端点号传输方式总线访问频率带宽数据包的

最大容量等等每个端点指定一种传输类型所有设备都有一个端点0通常为控制端点用于配置和控制各设备其他端点在设备配置后才能生效 返 回 上 页 下 页 2管道 管道Pipe是USB系统通信驱动程序和端点组成的通信通道其中传输的数据称为通信流可实现主机的一个内存缓冲区和设备的端点之间的数据传输主机USB系统软件和设备的端点0之间的连接称为缺省管道默认管道管道只有主机和设备连接配置生效后才能形成管道的序列号是主机临时给定的当设备从主机移去时管道同时取消 返 回 上 页 下 页 管道分为流管道 Stream Pipe 和消息管道 Message Pipe 流管道在传输数据时对数据分组没有结构要求数据在管道中以顺序先进先出方式单向传输支持批量同步和中断传输方式消息管道通常以双向方式与端点进行数据传输通信流具有一定的结构以便命令可靠地被识别和传输传输时由主机向USB设备发出请求然后在适当的方向上传输数据端点在后来的某个时刻返回一个状态作为响应缺省管道总是消息管道消息管道支持控制传输类型通信流的示意图如图所示 返 回 上 页 下 页 6USB接口工作过程 USB设备可以即插即用但在使用之前必须对设备进行配置一旦设备连接到某一个USB的端口上USB就会产生一系列的操作来完成对设备的配置这种操作被称为总线枚举enumeration过程只有枚举成功了接口才能正常工作USB的基本工作过程如下 ①USB设备接入主机后无源设备插入主机或有源 设备重新供电主机通过检测信号线上的电平 变化发现设备的接入 ②主机通过询问设备获取确切的信息 ③主机得知设备连接到哪个端

口上并向这个端口发 出复位命令 返 回 上 页 下 页 ④设备上电所有的寄存器复位并且以缺省地址0以及 端点0响应命令 ⑤主机通过缺省地址与端点0进行通讯并赋予设备空闲 的地址以后设备对该地址进行响应 ⑥主机读取设备状态确认设备的属性 ⑦主机依照读取的USB状态进行配置如果设备所需 的USB资源得以满足就发送配置命令给设备该 设备就可以使用了枚举过程结束 ⑧当通信任务完成后该设备被移走时无源设备拔 出主机端口或有源设备断电设备向主机报告 主机关闭端口释放相应资源 返 回 上 页 下 页 基于USB接口的诸多优点越来越多的智能仪器系统需要设置USB接口目前已有微处理器厂商推出具有USB接口的产品如Silabs公司的C8051F3601带有一个USB口这类产品只要按照其使用手册编程即可实现USB接口功能对于不具备USB口的微处理器可通过专用芯片实现其USB接口功能有多家公司不断推出USB接口专用芯片如Philips公司的PDIUSBD11PDIUSBD12NetChip的NET288NS公司的USBN96039604等 返 回 上 页 下 页 85 现场总线 随着计算机功能的不断增强价格急剧降低计算机与计算机网络系统得到迅速发展据统计过去二十年中计算机和通信的年增长率不低于25是计算机集成制造系统的实施具备了良好的物质基础但处于企业生产过程底层的测控自动化系统要与外界交换信息要实现整个生产过程的信息集成要实施综合自动化就必须设计出一种能够在工业现场环境运行的性能可靠造价低廉的通信系统以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信形成工厂底层网络系统实现底层现场设备

之间以及生产现场与外界的信息交换现场总线就是在这种背景下产生的 返 回 上 页 下 页 传输信号数字化是实现数字通信的基础1983年Honeywell推出了智能化仪表使现场与控制室之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号自此以后的几十年间世界上各大公司都相继推出了各有特色的智能仪表这些模拟数字混合仪表克服了单一模拟仪表的多种缺陷给自动化仪表的发展带来了新的生机为现场总线的诞生奠定了基础但这种数字模拟信号混合运行方式只是一种不得已的过渡状态其系统或设备间只能按模拟信号方式一对一地布线难以实现智能仪表之间的信息交换智能仪表能处理多个信息和复杂计算的优越性难以充分发挥 返 回 上 页 下 页 这些以微处理器芯片为基础的各种智能仪表为现场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了条件但不同厂商所提供的设备之间的通信标准不统一严重束缚了工厂底层网络的发展从用户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准组成开放互连网络把不同厂商提供的自动化设备互连为系统这里的开放意味着对同一标准的共同遵从意味着这些来自不同厂商而遵从相同标准的设备可互连为一致通信系统从这个意义上说现场总线就是工厂自动化领域的开放互连系统开发这项技术首先必须制定相应的统一标准 返 回 上 页 下 页 1984年美国仪表协会ISA下属的标准与实施工作组中的ISASP50开始制定现场总线标准1985年国际电工委员会决定由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作1986年德国开始制定过程现场总线Process Fieldbus标准简称为PROFIBUS由此拉开了现场

总线标准制定及其产品开发的序幕 返 回 上 页 下 页 SiemensRocemountABBFoxboroYokogawa等80家公司联合成立了ISPInteroperable System Protocol组织着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准1993年以HoneywellBailey等公司为首成立了World FIPFactory Instrumentation Protocol组织有120多个公司加盟该组织并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准此时各大公司均已清醒地认识到现场总线应该有一个统一的国际标准现场总线技术势在必行但总线标准的制定工作并非一帆风顺由于行业与地域发展历史等原因加之各公司和企业集团受自身商业利益的驱动致使总线的标准化工作进展缓慢 返 回 上 页 下 页 1994年ISP和World FIP北美部分合并成立了现场总线基金会推动了现场总线标准的制定和产品开发于1996年第一季度颁布了低速总线H1的标准安装了示范系统将不同厂商的符合规范的仪表互连为控制系统和通信网络是H1低速总线开始进入实用阶段 返 回 上 页 下 页 与此同时在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准它们大都在公司标准的基础上逐渐形成并得到其他公司厂商用户以至于国际组织的支持大千世界众多行业需求各异加上要考虑已有各种总线产品的投资效益和各个公司的商业利益预计在今后一段时间内会出现几种现场总线标准共存同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面但发展共同遵从的统一的标准规范真正形成开放互连系统是大势所趋 返 回 上 页 下 页 maxbook118com线的特点与优点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式传统

模拟控制系统采用一对一的设备连线按控制回路分别进行连线现场总线系统由于采用了智能能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块各输入输出模块置入现场设备加上现场设备具有通信功能现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表直接在现场完成实现了彻底的分散控制 返 回 上 页 下 页 由于采用数字信号替代模拟信号因而可实现一对电线上传输多个信号包括多个运行参数值多个设备状态故障信息同时又为的多个设备提供电源现场设备以外不再需要模数数模转换部件这样就为简化系统结构节约硬件设备节约连线电源与各种安装维护费用创造了条件 返 回 上 页 下 页 现场总线系统在技术上具有以下特点 ●系统的开放性 开放是指相对标准的一致性公开性强调对标准的共识与遵从一个开放系统是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连线通信协议一致公开各不同厂家的设备之间可实现信息交换现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统用户可按自己的需要和考虑把来自不同供应商的产品组成大小随意系统通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统 返 回 上 页 下 页 ●互可操作性和互用性 互可操作性是指实现互联 设备间系统间的信息传送与沟通而互用则意 味着不同生产厂家的性能类似的实现可相互替 换 ●现场设备的智能化和功能自治性 它将传感测量 补偿计算工程量处理与控制等功能分散到现场 设备中完成仅靠现场设备即可完成自动控制的 基本功能并可随时诊断设备的运

行状态 ●系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的 全分散性控制系统的体系结构从根本上改变了 现有DCS集中与分散相结合的控制系统体系简 化了系统结构提高了可靠性 返 回 上 页 下 页 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端作为 工作网络底层的现场总线是专为现场环境而设计 的可支持双绞线同轴电缆光缆射频红外 线电力线等具有较强的抗干扰能力能采用两 线制实现供电与通信可满足本质安全防爆要求 等 返 回 上 页 下 页 由于现场总线的以上优点特别是现场总线系统结构的简化使控制系统从设计安装投放到正常生产运行及其检修维护都体现出优越性 1节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能因而可减少变送器的数量不再需要单独的调制器计算单元等也不需要DCS系统的信号调理转换隔离等功能单元及复杂连线还可以用工控PC机作为操作站从而节省了一大笔硬件投资并可减少控制室的战地面积 返 回 上 页 下 页 2节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单一对双绞线或一条电缆线通常可挂接多个设备因而电缆端子槽盒桥架的用量大大减少连线设计与校对的工作量也大大减少当需要增加现场设备时无需要增设新的电缆可就近连接在原有的电缆上既节省了投资又减少了设计安装的工作量据有关典型试验工程测算资料表明可节省安装费用60以上 返 回 上 页 下 页 3节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断和简单故障处理能力并通过数字通讯将相应的诊断维护信息送往控制室用户可以查询所有设备的运行诊断维护信息以便早

期分析故障原因并及时排除缩短了维护停工时间同时由于系统结构简单化连线简单而减少了维护工作量 返 回 上 页 下 页 4用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统避免因选择某一品牌的产品而被限定死了使用设备的选择范围不会为系统集成中部兼容的协议接口而一筹莫展是系统集成过程中主动权牢牢掌握在用户手中 5提供系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化数字化与模拟信号相比它从根本上提高了测量与控制的精确度减少了传送误差同时由于系统的结构化设备与连线减少现场仪表内部功能加强减少了信号的往返运输提高了系统的工作可靠性 返 回 上 页 下 页 maxbook118com CAN总线的发展与特点 控制器局部网CAN－CONTROLLER AREA NETWORK是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化多种控制设备交通工具医疗仪器以及建筑环境控制等众多部门控制器局部网将在我国迅速普及推广  随着计算机硬件软件技术及集成电路技术的迅速发展工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支并取得了巨大进步由于对系统可靠性和灵活性的高要求工业控制系统的发展主要表现为控制面向多元化系统面向分散化即负载分散功能分散危险分散和地域分散 返 回 上 页 下 页 分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的这类系统是以微型机为核心将 5C技术--COMPUTER计算机技术CONTROL自动控制技术COMMUNICATION通信技术CRT显示技术和 CHANGE转换技术紧密结合的产物它在适应范围

可扩展性可维护性以及抗故障能力等方面较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性 返 回 上 页 下 页 典型的分散式控制系统由现场设备接口与计算设备以及通信设备组成现场总线FIELDBUS能同时满足过程控制和制造业自动化的需要因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用同时正由于现场总线的标准尚未统一也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据控制器局部网 CANCONTROLLER AERANETWORK正是在这种背景下应运而生的 返 回 上 页 下 页 由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广导致要求各种应用领域通信报文的标准化为此1991年9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了 CAN技术规范VERSION 20该技术规范包括A和B两部分20A给出了曾在CAN技术规范版本12中定义的CAN报文格式而20B给出了标准的和扩展的两种报文格式此后1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网CAN国际标准ISO11898为控制器局部网标准化规范化推广铺平了道路 返 回 上 页 下 页 CAN属于总线式串行通信网络由于其采用了许多新技术及独特的设计与一般的通信总线相比CAN总线的数据通信具有突出的可靠性实时性和灵活性其特点可概括如下 ●多主方式工作网络上任一节点均可在任一时刻 主动地向网络上其他节点发送信息而不分主

从通信方式灵活且无需站地址等节点信息 利用这一特点可方便的构成多机备份系统 ●CAN网络上的节点信息分成不同的优先级可 满足不同的实时要求高优先级的数据最多可在 134内得到传输 返 回 上 页 下 页 ●采用非破坏性总线仲裁技术当多个节点同时向总 线 发出信息时优先级较低的节点会主动的退出发 送而最高优先级的节点可不受影响的传输数据 从而大大节省了总线冲突仲裁时间尤其是在网络 负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况以太 网则可能 ●只需通过报文滤波即可实现点对点一点对多点及 全局广播等几种方式传送接收数据无需专门的调 度 ●直接通信距离最远可达10通信速率最高可达1 此时通信距离最长为40 返 回 上 页 下 页 ●节点数取决于总线驱动电路目前可达110个 报文标识符可达2032种CAN20A而扩展 标准CAN20B的报文标识符几乎不受影 响 ●采用短帧结构传输时间短受干扰概率低 具有极好的检错效果 ● CAN的通信介质可为双绞线同轴电缆或光 线选择灵活 ● CAN节点在错误严重时具有自动关闭输出功 能以使总线上其他节点的操作不受影响 返 回 上 页 下 页 maxbook118com CAN的分层结构 CAN按照OSI基本模型的原则划分为两层数据链路层和物理层如图830所示按照IEEmaxbook118com数据链路层又划分为逻辑链路控制层 LLC-Logic Link Control 和媒体访问控制层 MAC-Medium Access Control 当CAN的网络结构确定后网络的性能将主要取决于MAC层 返 回 上 页 下 页 一LLC子层功能 1 帧接收滤波帧由标识

符命名标识符并不指明帧 的目的地但描述数据的含义每个接收器通过帧 接收滤波确定此帧与其是否有关如果相关则接 受并通知应用层 2 超载通告如果接收器内部条件要求延迟下一个 LLC数据帧或LLC远程帧则通过LLC子层

开始发 送超载帧最多可产生两个超载帧以延迟下一个 数据帧或远程帧 3 恢复管理发送期间对于丢失仲裁或被错误

干扰 的帧LLC子层具有自动重发送功能在发送成功完 成前帧发送服务不被应用层认可 一 逻辑链路控制 LLC 子层 下 页 上 页 返 回 总线的竞争 总线接有多个微处理器时多个微处理器可能在起始条件的最小持续时间内同时产生起始条件致使总线上产生一个规定的起始条件即在SCL线高电平期间有多个主器件在SDA线上发生由高到低的跳变使多个主机发生争用总线问题多个微处理器可能会同时开始数据传输发生竞争 下 页 上 页 返 回 在SCL为高电平期间器件1的SDA1和器件2的SDA2都发生了高到低的跳变使总线的SDA发生高到低的跳变满足启动条件器件1和器件2可能同时开始数据传输造成数据传输混乱 下 页 上 页 返 回 竞争裁决 发生竞争时SDA线上的信号由所有主器件产生的数据信号进行线与裁决 一个主机发送高电平而在另一个主机发送低电平时发送高电平的主机因为总线上的电平与自己的电平不相同将断开它的数据输出级发送低电平的主

机取胜竞争可以持续多位器件竞争首先比较地址位 多个主器件同时选中同一个从器件时竞争继续比较数据位如果主机

是发送器或者比较响应位如果主机是接收器 当 当 下 页 上 页 返 回 如图85中主机1和主机2在第一次出现不同电平时主机1的SDA1 1主机2的SDA2 0线与后主机1的DATA1电平与总线的SDA状态不同断开其数据输出级使主机1在竞争裁决中失去总线的控制权主机2取胜 下 页 上 页 返 回 注意 总线的地址和数据信息由取胜的主机决定所以在竞争过程中地址和数据信息不会丢失而且总线上的主器件既没有中心主机也没有任何优先级别 下 页 上 页 返 回 竞争时的同步时钟机制 器件1的时钟信号CLK1由高电平变为低电平将使时钟线SCL由高变低SCL线的电平变化会使连接在其上的器件2的时钟线CLK2发生由高到低的变化当CLK1由低变高时CLK2还处于低电平CLK1由低到高的状态变化不改变SCL的低电平状态即低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变不影响SCL线的状态器件1将进入高电平等待状态 下 页 上 页 返 回 当CLK2上跳为高电平时SCL结束低电平期被释放返回高电平此时器件1和器件2同时开始高电平期之后第一个由高电平变为低电平的器件又将SCL线拉成低电平重复前面的过程多个器件与此类同 下 页 上 页 返 回 注意 所有能在 产生自己的时钟信号并传送到时钟线SCL上 总线上传输信息的主器件都能 上述连接方式能在SCL线上产生一个同步时钟同步时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定发生竞争时SCL线上的时钟信号由所有主器件产生的时钟信号线与决定 下 页 上 页 返 回 通信中CPU可对相

关的特殊功能寄存器进行操作通过指令将 总线还可对其工作状况进行检测 接口电路挂靠或摘离 硬件 接口电路可完成数据的移位发送或接收及总线的盲闲状态检测对不带 接口的微处理器 只得以每个时钟周期2次的速率对SDA线采样以 了解总线的忙闲变化情况 具有自动寻址多主机时钟同步和仲裁等功能很强的总线用带有 总线是各种总线中使用信号线最少并 EEPROM各种传感器变送器及微处理器等设计智能仪器系统十分方便灵活体积也小在实际中得到广泛应用 总线的器件如ADDA 返 回 上 页 下 页 maxbook118com行总线USB 通用串行总线 Universal Serial BusUSB 协议是IntelCompaqDigitalIBMMicrosoftNECNorthern Telecom等七大公司于1994年共同制定并推出的串行接口总线标准有多种规范的版本目前使用较maxbook118comUSB20版于2000年4月推出新增了高速模式USB凭借其高速度和高通用性正在逐步取代串口并口成为个人计算机与外围设备相连的标准接口 返 回 上 页 下 页 1USB总线协议特点 1使用方便允许设备即插即用Plug Play即USB允许外设在主机和其他外设工作时进行连接配置使用及移除同时USB总线的应用可以清除PC上过多的IO端口而以一个串行通道取代支持动态接入和动态配置也称热插拔使系统与外设之间的连接更容易 2速度快USB11协议支持全速12Mbs和低速15Mbs的速率传输方式USB20协议支持480Mbs的高速传输方式 返 回 上 页 下 页 3连接灵活一个USB接口理论上支持的热 插拔设备可达127个既可以串行连接也 可以集线器连接 4供电方式灵活可以采用自供电也可

以由 总线供电并具有电源保护功能如果连续 3ms没有总线活动的话USB会自动进入挂 起状态处于挂起状态的设备消耗的电流小 于500μA 5支持的最大电缆长度为5mUSB20标准下 通过USB-Hub级连可达30m 6成本低廉易于扩展 返 回 上 页 下 页 7容错性能好具有事务处理错误检

测机制 可以对有缺陷的设备进行认定对错误的数 据进行恢复或报告 8支持多种传输类型以满足不同设备的需 求如等待传输方式适用于音视频等设 备无 纠错块传输适

用于打印机扫 描仪数码相机等中断传输适用于键 盘鼠标游戏杆等以及控制传输 返 回 上 页 下 页 2USB总线系统结构 一个USB系统由USB主机USB HOSTUSB设备USB DEVICE和USB互连三个基本部分组成USB主机一般制作在主板上包含主控制器和一个嵌入的集线器称为根集线器 Root hub 根集线器连接在主控制器上通过根集线器主机可以提供一个或多个接入点端口portUSB设备通过接入点与主机相连 USB设备按照功能可分为集线器Hub和功能设备即集线器可接入下行集线器和功能设备 返 回 上 页 下 页 在一个系统中有且仅有一个USB主机它在USB系统中处于中心地位对USB接口及其连接的设备进行管理控制数据和信息的流动集线器是USB系统的关键部件集线器通过端口的电气变化可检测出连接在总线上的设备的插拔操作并可通过响应USB主机的数据包将端口状态告知USB主机功能设备是能够通过总线发送和接收USB数据并可实现某种功能的设备USB的互连是指USB设备与主机之间进行

连接和通信的操作 返 回 上 页 下 页 一个USB系统为分层Tier星形拓扑结构如图826所示中心机是主机的根Hub可以连接下层Hub和功能设备图中的Func允许的最大层数为7层包括根层在主机与任何功能设备之间的一个通信通道中支持最多5个非根non-rootHub一个复合设备有多个端口的设备占两层因此第7层只能出现功能设备不能出现集线器一般而言USB设备与USB Hub间的连线长度不超过5m通过根集线器连接的设备不超过127个 返 回 上 页 下 页 USB系统的拓扑结构 返 回 上 页 下 页 3USB总线的物理接口 USB通过一个四线电缆传输信号与电源如图827所示其中D和D-是互相缠绕的一对数据线用于传输差分信号而VBus和GND分别为电源和地可以给外设提供5V最大500mA的电源功率不大的外设可以直接使用USB总线电源供电不必外接电源USB总线支持节约能源的挂机和唤醒模式 返 回 上 页 下 页 对于不同的外设USB20可根据速度要求在电缆上采用3种速率模式传输数据 1低速模式 Low speed 信号传输速率为10～ 100kbps主要适用键盘鼠标输入笔游戏 杆等外设具有费用低易用动态连接动 态分离可连接多个外设的特点 2全速模式 Full Speed 信号传输速率为 500kbps～10Mbps主要适合像电话压缩 视频设备宽带设备音频设备麦克风等一 系列的中速外设传输设备它除具备低速模式 的特点外还具有保障带宽和反应时间的优 点 返 回 上 页 下 页 3高速模式 High speed

信号传输速率为 25～480Mbps为视频设备外部存储设

备图像设备宽带设备具有宽高速特征 的外设所选用具有更高的带宽更快的反 应时间是前面两种方式无法比拟的 USB信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线而且最长不能超过5m而在低速模式时可以使用不带屏蔽或不是双绞的线但最长不能超过3m 返 回 上 页 下 页 4USB总线的数据格式和传输类型 USB数据的最小单位是域域构成包包构成事务事务最后构成传输传输是指一次完整的发出请求到该请求被完整的处理结束的整个过程事务是传输中的一个基本元素每一次传输由一个或多个事务组成事务由包组成包又由同步域标识域 PID 等域组成传输事务包和域的关系如图所示 返 回 上 页 下 页 域是USB数据的最小单位由若干位二进制数字组成不同的域二进制位数不同有七种域 同步域SYNC8位值固定为0000 0001用 于本地时钟与输入同步 标识域PID由四位标识符和四位标识符反码 构成USB的标识码有16种表明包的类 型和格式 地址域ADDR七位表示设备在主机上的地 址地址000 0000被命名为

零地址是任 何一个设备第一次连接到主机时被主机 配置枚举前的默认地址由此可知一个 USB主机只能寻址127个设备 1域 返 回 上 页 下 页 端点域ENDP四位由此可知一个USB设备端点数量最大为16个 帧号域FRAM11位每一个帧都有一个特定的 帧号帧号域最大容量0x800 数据域

DATA

长度为

0～1023

字节不同传输

类型数据域的长度各不相同但必须为字节的整数倍 校验域CRC对

令牌包和数据包中非PID域进行校验 返 回 上 页 下 页 包由域构成是USB传输的基本单位单向传送从主机发出或发回给主机USB总线完成一次传输至少需要3个包包有四种类型分别是令牌包数据包握手包和特殊包数据交换时首先由主机发出令牌包然后数据源向数据目的发送数据包或无数据传送的指示信息最后数据接收方向发送方发送握手包提供数据是否正常发送出去的反馈信息如果有错将重发不同的包其域结构不同不同目标的包可组合在一起共享总线不占用系统中断和输入输出地址空间节约系统资源 2包 返 回 上 页

下 页 令牌包 token 所有交换都以令牌包为首部定 义了要传输交换的类型有输入包 输出包设置包和帧起始包四种类 型输入包用于设置输入

命令输出 包用于设置输出命令令牌包的格式 如表所示 CRC5位 ENDP4位 ADDR7位 PID8位 SYNC8位 返 回 上 页 下 页 数据包 data 若主机请求设备发送数据则送输入 令牌包到设备某一端点设备以数据包形式加以 响应若主机请求目标设备接收数据则送输出 数据包到目标设备的某一端点设备将接收数据 包数据包有DATA0包和DATA1包两种形式 USB发送数据的时候当一次发送的数据长度大 于相应端点的容量时把数据包分为几个包分 批发送DATA0包和DATA1包交替发送在同步 传输时所有的数据包都为DATA0 数据包的格式 如表所示 CRC5位 DATA0～0023位 PID8位 SYNC8位

返 回 上 页 下 页 ●握手包 handshake 设备使用握手包报告交换 的状态由数据的接收方发送到数据的发送 方握手包有

应答包无应答包挂起包 和接收设备还没有响应包4种类型不同类型 的握手包传送不同的状态结果表所示为握 手包格式 PID8位 SYNC8位 特殊包special当主机希望在低速方式下与 低速设备通信时主机将送预告包作为开 始包然后与低速设备通信 返 回 上 页 下 页 事务 transactions 按照事务的目的和数据流 方向可以分为设置SETUP事务输入IN事 务和输出OUT事务三种类型IN事务是从一个 设备接收数据OUT事务和SETUP事务是主机发送 数据给某个设备它们都由一个令牌阶段一个数 据阶段和一个握手阶段组成用阶段的意思是因 为这些包的发送有一定的时间先后顺序在令牌包 阶段启动一个输入输出或设置事务数据包阶段 按输入输出发送相应的数据握手包阶段返回数 据接收情况只有控制传输可以使用SETUP事务 在同步传输的IN和OUT事务中没有握手包阶段 3事务 transactions 返 回 上 页 下 页 传输 transfers 传输由事务构成有中断传输批量传输同步传输控制传输等四种传输类型其中中断传输和批量转输的结构一样同步传输结构最简单控制传输是最复杂也是最重要的传输 4传输 transfers ●中断传输 中断传输由OUT事务和IN事务构成用于数据量少但 数据需要及时处理的情况适合低速设备数据传输 如键盘鼠标等外部设备USB的中断是查询 polling类型主机需频繁的请求端点输入 返 回 上 页 下 页 ●批量传输 批量传输由OUT事务和IN事务构成用于传输连续的批量的非实时的要求正确无误的数据没有固定的传输速

率也不占用带宽当总线忙时USB会优先进行其他类型的数据传输暂时停止批量转输如打印机扫描仪等以此种方式与主机进行大量数据的传输在硬件中有差错检测功能并且有选择的进行一定的硬件重试操作可以在硬件层次上保证数据的可靠交换 返 回 上 页 下 页 ●同步传输 同步传输由OUT事务和IN事务构成适于传输连续的实时的对正确性要求不高而对时间敏感的数据如电话麦克风等外部设备的数据传输该方式以固定的传输速率连续不断地在主机与USB设备之间传输数据传输过程中发生错误时不进行处理继续传输数据 返 回 上 页 下 页 ●控制传输方式 控制传输用于处理主机到USB设备的数据传输包括对USB设备的控制命令设备状态查询和确认命令也可用于传送用户自定义的命令当USB设备收到数据和命令后将依据先进先出的原则处理到达的数据使主机识别设备安装相应的驱动程序这种传输方式不会丢失数据 第八章 总线和数据通信技术 概述 81 内总线 82 通用总线 83 串行通信接口 84 首页 本章内容 现场总线 85 蓝牙技术 86 电力线载波通信 88 工业以太网 87 1 内总线 3 现场总线 重点 2 通用串行接口总线 返 回 4 蓝牙技术以太网电力线载波通信 主要有并行通信接口串行通信接口现场总线接口和以太网接口等为方便各种仪器之间的通信一般采用标准通信接口 下 页 上 页 主要接口方式 返 回 在实际的测量和控制过程中智能仪器和智能仪器之间智能仪器与计算机之间需要进行各种信息的交换和传输这种信息的交换和传输通过仪器的通信接口按照一定的协议实现 是各仪器之间或仪器与计算机之间进

行信息交换和传输的联络装置 通信接口 第八章 总线和数据通信技术 下 页 上 页 返 回 注意 本章介绍智能仪器较常用的标准总线主要有总线GP-IB通用接口总线RS－232C串行总线RS422485串行总线USB通用串行总线CAN总线等 下 页 上 页 返 回 81 概述 智能仪器中的公共数字传输通道称为 总线Bus 总线 按连接范围 划分 片内总线局部总线 内部总线系统总线 外部总线通信总线 主要用于芯片级的互连 用以实现系统与各种扩展插件板之间的相互连接 主要用于仪器间的互连 下 页 上 页 返 回 一般由芯片制造厂商定义对外提供的连线均通过芯片的管脚实现对智能仪器设计的影响不大内部总线的种类相对较为统一下节介绍的 总线是其中的典型代表 片内总线 C I 2 外部总线的种类则比较广泛由于涉及智能仪器与智能仪器之间智能仪器和通用计算机之间通信的问题根据通信性质通信技术和通信距离的不同有多种多样的总线可供选择 GP-IB通用并行总线RS-232CRS-485和USB Universal Serial Bus 等串行总线CAN现场总线总线在多个领域应用广泛 举例 下 页 上 页 返 回 总线 按数据传输特点 划分 并行总线 串行总线 指多个数据位同时传输或接收可分为不同位数宽度的并行总线如8位16位等当距离较近而且要求传输速率较高时通常采用此总线传输方式 数据逐位传输发送或接收数据最多只需两根导线其一用于发送另一用于接收串行通信采用不同的工作方式还可将发送和接收二线合一具有经济实用的特点当设备距离较远时通常采用串行总线方式 下 页 上 页 返 回 相同条件下

串行传输速度＜并行传输速度 注意 下 页 上 页 返 回 上述的各种外部总线都有很多厂商推出了相应的通信接口有些接口已经直接在芯片级予以实现使用非常方便除了这些标准总线接口之外在无线通信领域蓝牙技术正逐步为人们所采用借助分布广阔的电力传输线进行载波通信的方式仍在继续发展借鉴通用计算机构建局域网中占主导地位的以太网技术工业以太网也出于蓬勃发展阶段随着新技术新的通信手段的发展新的通信接口还会不断涌现 综述 下 页 上 页 返 回 ８２ 内总线 内总线 System Bus 又称局部总线是系统内部 各模块的公共信息通道 １．各模块的设计可通用化 ２．具有互换性损坏一部分只须更换该部分即可 ３．只要留有足够的插口随时可扩展系统的功能 ４．改变其中一些模块可以改变仪器的功能 采用内总线的优点 目 前 常 用 的 内 总 线 S-100 STD 是美国ＭＩＴＳ公司1976年提出适应于Intel 8080CPU系列的总线共100条其中16条数据线24条地址线11条控制线8条DMA线8条状态线8条矢量中断线9条电源线地线16条其他用途信号线主要缺陷是布线不太合理时钟信号位于控制信号中间

容易产生干扰地线少引脚多几何尺寸大易变形目前已极少用 是美国Pro-log公司1979年提出用于工业控制微型计算机的标准系统总线按工业现场标准设计具有较好的兼容性电路板采用小板结构高度模块化结构简单品种齐全价格低廉性能良好支持多微处理器系统共56条线其中6条逻辑电源线 8条数据线16条地址线22条控制线4条辅助电源线适合于8位机80年代开始在我国流行现在应用较

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