I/O接口概念

I/O接口是一電子電路(以IC芯片或接口板形式出現(xiàn)),其內(nèi)有若干專用寄存器和相應(yīng)的控制邏輯電路構(gòu)成。它是CPU和I/O設(shè)備之間交換信息的媒介和橋梁。CPU與外部設(shè)備、存儲器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過接口設(shè)備來實現(xiàn)，前者被稱為I/O接口，而后者則被稱為存儲器接口。存儲器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡單；而I/O設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相同，因此，習慣上說到接口只是指I/O接口。

I/O接口基本功能

（1）進行端口地址譯碼設(shè)備選擇。

（2）向CPU提供I/O設(shè)備的狀態(tài)信息和進行命令譯碼。

（3）進行定時和相應(yīng)時序控制。

（4）對傳送數(shù)據(jù)提供緩沖，以消除計算機與外設(shè)在“定時”或數(shù)據(jù)處理速度上的差異。

（5）提供計算機與外設(shè)間有關(guān)信息格式的相容性變換。提供有關(guān)電氣的適配

（6）還可以中斷方式實現(xiàn)CPU與外設(shè)之間信息的交換。

控制方式

（1）程序查詢方式

這種方式下，CPU通過I/O指令詢問指定外設(shè)當前的狀態(tài)，如果外設(shè)準備就緒，則進行數(shù)據(jù)的輸入或輸出，否則CPU等待，循環(huán)查詢。

這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，只需要少量的硬件電路即可，缺點是由于CPU的速度遠遠高于外設(shè)，因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低

（2）中斷處理方式

在這種方式下，CPU不再被動等待，而是可以執(zhí)行其他程序，一旦外設(shè)為數(shù)據(jù)交換準備就緒，可以向CPU提出服務(wù)請求，CPU如果響應(yīng)該請求，便暫時停止當前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行與該請求對應(yīng)的服務(wù)程序，完成后，再繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的程序。

中斷處理方式的優(yōu)點是顯而易見的，它不但為CPU省去了查詢外設(shè)狀態(tài)和等待外設(shè)就緒所花費的時間，提高了CPU的工作效率，還滿足了外設(shè)的實時要求。但需要為每個I/O設(shè)備分配一個中斷請求號和相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，此外還需要一個中斷控制器（I/O接口芯片）管理I/O設(shè)備提出的中斷請求，例如設(shè)置中斷屏蔽、中斷請求優(yōu)先級等。

此外，中斷處理方式的缺點是每傳送一個字符都要進行中斷，啟動中斷控制器，還要保留和恢復(fù)現(xiàn)場以便能繼續(xù)原程序的執(zhí)行，花費的工作量很大，這樣如果需要大量數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)的性能會很低。

（3）DMA（直接存儲器存?。﹤魉头绞?/p>

DMA最明顯的一個特點是它不是用軟件而是采用一個專門的控制器來控制內(nèi)存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交流，無須CPU介入，大大提高CPU的工作效率。

在進行DMA數(shù)據(jù)傳送之前，DMA控制器會向CPU申請總線控制權(quán)，CPU如果允許，則將控制權(quán)交出，因此，在數(shù)據(jù)交換時，總線控制權(quán)由DMA控制器掌握，在傳輸結(jié)束后，DMA控制器將總線控制權(quán)交還給CPU。

（4）無條件傳送方式

（5）I/O通道方式

（6）I/O處理機方式

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)一般為局域網(wǎng)，作用范圍一般在幾km之內(nèi)。將分布在生產(chǎn)裝置周圍的測控設(shè)備連接為功能各異的自動化系統(tǒng)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)遍布在工廠的生產(chǎn)車間、裝配流水線、溫室、糧庫、堤壩、隧道、各種交通管系統(tǒng)、建筑、軍工、消防、環(huán)境檢測、樓宇家居等處。

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點大都是具有計算與通信能力的測量設(shè)備。它們可能具有嵌入式CPU，但功能比較單一，其計算能力也許遠不及普通PC，也沒有鍵盤、顯示等人機交互接口。有的甚至不帶CPU、單片機，只帶有簡單的通信接口，例如限位開關(guān)、感應(yīng)開關(guān)等各類開關(guān)，光電、溫度、壓力、流量、物位等各種傳感器、變送器，各種數(shù)據(jù)采集裝置等等。

控制網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)與工作環(huán)境

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)要面臨工業(yè)生產(chǎn)的強電磁干擾，面臨各種機械振動，面臨嚴寒酷暑的野外工作環(huán)境，要去控制網(wǎng)絡(luò)能適應(yīng)這種惡劣的工作環(huán)境。另外，自控設(shè)備千差萬別，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)與互操作往往十分困難。

控制網(wǎng)絡(luò)的實時性要求

控制網(wǎng)絡(luò)必須滿足對控制的實時性要求。實時控制對某些變量的數(shù)據(jù)往往要求準確定時刷新，控制作用必須在一定時限內(nèi)完成，或者相關(guān)的控制動作一定要按事項規(guī)定的先后順序完成[1]。

現(xiàn)場接口分類

基于控制網(wǎng)絡(luò)的這些特點，其中的各種接口必須保證滿足控制網(wǎng)絡(luò)的要求。目前工業(yè)現(xiàn)場的接口種類有以下四類[2]：

（1）平臺相關(guān)性通用協(xié)議：OPC/DDE

OPC是為了不同供應(yīng)廠商的設(shè)備和應(yīng)用程序之間的軟件接口標準化，使其間的數(shù)據(jù)交換更加簡單化的目的而提出的。作為結(jié)果，從而可以向用戶提供不依靠于特定開發(fā)語言和開發(fā)環(huán)境的可以自由組合使用的過程控制軟件組件產(chǎn)品。

（2）平臺無關(guān)性通訊協(xié)議：ModBus、ProfiBus

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進行集中監(jiān)控。Profibus，是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。Profibus傳送速度可在9．6kbaud～12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當總線系統(tǒng)啟動時，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動化。Profibus是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)。

（3）平臺無關(guān)專有協(xié)議：大部分DCS協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

（4）特殊協(xié)議：編程口、打印口等特殊方式取得的協(xié)議

工業(yè)傳輸通訊的協(xié)議種類較多主要有歷史遺留和人為壟斷兩方面的原因。雖然目前還有大量的現(xiàn)場總線標準，但沒有任何一種標準比工業(yè)以太網(wǎng)更具生命力[2]。

各種現(xiàn)場總線/協(xié)議/接口總結(jié)[3]

工業(yè)自動化總線/協(xié)議/接口的名稱

ASI

用于下位控制級的傳感器/執(zhí)行器總線AS-interface用于將傳感器和執(zhí)行器連接至上位控制層，布線簡單、經(jīng)濟。ASinterface符合國際標準EN50295和IEC62026-2標準。AS-Interface（AS-i=執(zhí)行器/傳感器接口）是用于連接執(zhí)行器和傳感器的現(xiàn)場總線通訊方案。

【整理】ASI接口/協(xié)議/規(guī)范

BACnet==樓宇自動控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

BuildingAutomationControlNetwork

【整理】工業(yè)自動化之樓宇自動化之通訊協(xié)議：BACnet

CANopen

用于執(zhí)行器/傳感器領(lǐng)域的多主站總線對總線帶寬的有效利用使得CANopen能夠在數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低的情況下實現(xiàn)較短的系統(tǒng)響應(yīng)時間。CAN總線的主要優(yōu)點有：數(shù)據(jù)安全性高，能夠保留多主站能力。

CC-Link

主要針對亞洲市場的現(xiàn)場總線CC-Link（Control&CommunicationLink，控制與通信鏈路）是一種開放式總線系統(tǒng)，用于控制級和現(xiàn)場總線級之間的通訊，應(yīng)用范圍主要為亞洲地區(qū)。

ControlNet

標準化現(xiàn)場總線ControlNet是一種開放式標準現(xiàn)場總線系統(tǒng)。該總線協(xié)議允許循環(huán)數(shù)據(jù)和非循環(huán)數(shù)據(jù)同時通過總線進行交換，而兩者之間互不影響。

DALI

樓宇自動化領(lǐng)域的通訊標準DALI標準（IEC60929）是一種跨越廠商的協(xié)議，其目的是在照明應(yīng)用中確保電子鎮(zhèn)流器的互用性。這個新標準用于替代1-10V調(diào)光器接口。數(shù)字可尋址照明接口（DALI，DigitalAddressableLightingInterface）是一種樓宇自動化標準，用于電子鎮(zhèn)流器的數(shù)字控制。DALI作為一種子系統(tǒng)使用，例如照明、百葉簾或溫度控制，可直接與樓宇管理系統(tǒng)進行通訊。

【整理】工業(yè)自動化總線之樓宇自動化之照明接口：DALI

DeviceNet

采用CAN技術(shù)的設(shè)備總線DeviceNet是一種傳感器/執(zhí)行器總線系統(tǒng)，起源于美國，但現(xiàn)在在歐洲和亞洲地區(qū)也得到越來越多的應(yīng)用。DeviceNet基于CAN（ControllerAreaNet，控制器局域網(wǎng)）總線。

DMX

EIB

樓宇自動化領(lǐng)域的通訊標準EIB（EuropeanInstallationBus，歐洲安裝總線）是一種用于樓宇布線的總線系統(tǒng)，主要在歐洲地區(qū)廣泛應(yīng)用。

EnOcean

免維護、無需電池、無需接線是一種無線技術(shù)。主要用于樓宇自動化：不同的設(shè)備模塊（比如一個燈的開關(guān)）內(nèi)嵌了EnOcean支持。則就可以通過控制器控制該設(shè)備。

【整理】工業(yè)自動化之樓宇自動化之無線協(xié)議：EnOcean

EtherCAT==高速實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線

EtherCAT（EthernetControlAutomationTechnology，用于控制和自動化技術(shù)的以太網(wǎng)）是用于工業(yè)自動化的以太網(wǎng)解決方，具有性能優(yōu)異和操作簡單等特點。

EtherNet/IP

來自O(shè)DVA的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案Ethernet/IP是由ODVA（OpenDeviceNetVendorAssociation，開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供貨商協(xié)會）制定的工業(yè)以太網(wǎng)標準，它以EthernetTCP/IP和UDP/IP標準為基礎(chǔ)。

EthernetTCP/IP

網(wǎng)絡(luò)總線以太網(wǎng)是辦公領(lǐng)域的一項重要標準，以太網(wǎng)所具備的很多優(yōu)點，如傳輸速率高、與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的集成簡單、服務(wù)范圍廣以及接口種類多等，在Beckhoff的以太網(wǎng)產(chǎn)品中也得到充分體現(xiàn)。

FIAS

FIAS==Fidelio接口和應(yīng)用規(guī)范==（估計是）**F**idelio**I**nterface**A**pplication**S**pecificationFIAS（Fidelio接口和應(yīng)用規(guī)范）是世界領(lǐng)先的酒店管理軟件的接口。

【整理】工業(yè)自動化之樓宇自動化之酒店管理軟件的接口：FIAS和Fidelio

Fipio

符合WorldFIP標準的現(xiàn)場總線FIP符合歐洲標準EN50170，并受到來自WorldFIP現(xiàn)場總線組織的獨立制造商支持。通過周期性和非周期性的變量和信息交換，能夠根據(jù)具體的應(yīng)用調(diào)整總線性能

IEEE1588

InterBus

Interbus，于1987年進入市場interbus現(xiàn)場總線具有組態(tài)方便、速度快、可靠性高特點。這種主/從站系統(tǒng)的移位寄存器通信協(xié)議可提高循環(huán)通信的效率。

【整理】現(xiàn)場總線：InterBus

IO-Link

IO-Link完美地將控制系統(tǒng)和工具加工所需的不同接口實現(xiàn)了標準化。IO-Link可使用經(jīng)濟的點對點連接方法將傳感器和執(zhí)行器連接至控制層。作為一種開放式接口，IO-Link可集成于所有常用的現(xiàn)場總線系統(tǒng)中。IO-Link系統(tǒng)由IO-Link設(shè)備組成，如傳感器、執(zhí)行器或兩者的結(jié)合。它們采用的是傳統(tǒng)的三線制連接技術(shù)。

【整理】IO-Link

LightBus==高速光纖現(xiàn)場總線

無干擾現(xiàn)場總線通訊，用于高速機械控制這是由Beckhoff公司開發(fā)的一種光纖總線系統(tǒng)，具有很高的成熟度，主要特點包括：抗電磁干擾性強、安裝簡便，數(shù)據(jù)傳輸速度非常快并具循環(huán)性和高度確定性。

LON

樓宇自動化領(lǐng)域的通訊標準LON（LocalOperatingNetwork，局域操作網(wǎng)絡(luò)）是一種能夠進行多網(wǎng)絡(luò)連接的通訊系統(tǒng)，用于分布式應(yīng)用，主要用于商業(yè)樓宇的自動化應(yīng)用領(lǐng)域。

Modbus

開放式現(xiàn)場總線Modbus是一種基于主/從站結(jié)構(gòu)的開放式串行通訊協(xié)議。由于該協(xié)議可以非常輕松地在所有類型的串行接口上執(zhí)行，因此得到了廣泛認可。

MP-Bus

【整理】MP-Bus

Profibus

PROFIBUSDP/FMS符合歐洲標準EN50170PROFIBUS作為一種高速總線，被廣泛應(yīng)用于分布式外圍設(shè)備（PROFIBUSDP）。除了PROFIBUSDP和FMS之外，Beckhoff還支持用于驅(qū)動器通訊的PROFIBUSMC協(xié)議

PROFINET

來自PNO的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案PROFINET是由PNO（PROFIBUS用戶組織）制定的開放式工業(yè)以太網(wǎng)標準，諸如TCP/IP這些國際公認的IT標準則用于實現(xiàn)通訊。

RS232/RS485

最經(jīng)濟的解決方案，網(wǎng)絡(luò)RS232和RS485是‘傳統(tǒng)的’串行接口，一直都被廣泛應(yīng)用。Beckhoff的RS485/RS232I/O模塊采用的是一種簡單、易于實現(xiàn)的串行通訊協(xié)議。

SERCOSIII

來自驅(qū)動工程領(lǐng)域的總線，SERCOS最初是針對驅(qū)動器開發(fā)的一種高速光纖總線系統(tǒng)。由于Beckhoff開發(fā)了SERCOS總線耦合器，使得SERCOS總線的一些優(yōu)點（如數(shù)據(jù)傳輸速率高，周期時間短）現(xiàn)在也可以用于I/O外圍設(shè)備。

USB

實驗室用高速接口USB已成為PC技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的標準接口。由于USB具有傳輸速率高、拓撲結(jié)構(gòu)靈活（通過集成集線器）等特點，加上Beckhoff的USB總線耦合器，在距離較短的應(yīng)用場合，該系統(tǒng)可替代現(xiàn)場總線。

比如：

Beckhoff的CX9000通過總線耦合器可以接出去多種總線：

EtherCAT可以集成很多現(xiàn)場總線：

類似的擴展其他總線的實物圖是：

可以看到上面擴展出來的幾個總線是：

Profibus

Profinet

CANopen

DeviceNet