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(chǔ)器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過(guò)接口設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者被稱為I/O接口，而后者則被稱為存儲(chǔ)器接口。存儲(chǔ)器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡(jiǎn)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(xí)慣上說(shuō)到接口只是指I/O接口。

I/O接口基本功能

（1）進(jìn)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(jìn)行命令譯碼。

（3）進(jìn)行定時(shí)和相應(yīng)時(shí)序控制。

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

（5）提供計(jì)算機(jī)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(shí)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(guò)I/O指令詢問(wèn)指定外設(shè)當(dāng)前的狀態(tài)，如果外設(shè)準(zhǔn)備就緒，則進(jìn)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要少量的硬件電路即可，缺點(diǎn)是由于CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)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(zhǔn)備就緒，可以向CPU提出服務(wù)請(qǐng)求，CPU如果響應(yīng)該請(qǐng)求，便暫時(shí)停止當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行與該請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的服務(wù)程序，完成后，再繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)被中斷的程序。

中斷處理方式的優(yōu)點(diǎn)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(fèi)的時(shí)間，提高了CPU的工作效率，還滿足了外設(shè)的實(shí)時(shí)要求。但需要為每個(gè)I/O設(shè)備分配一個(gè)中斷請(qǐng)求號(hào)和相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，此外還需要一個(gè)中斷控制器（I/O接口芯片）管理I/O設(shè)備提出的中斷請(qǐng)求，例如設(shè)置中斷屏蔽、中斷請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)等。

此外，中斷處理方式的缺點(diǎn)是每傳送一個(gè)字符都要進(jìn)行中斷，啟動(dòng)中斷控制器，還要保留和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)以便能繼續(xù)原程序的執(zhí)行，花費(fèi)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(huì)很低。

（3）DMA（直接存儲(chǔ)器存?。﹤魉头绞?/p>

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

在進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳送之前，DMA控制器會(huì)向CPU申請(qǐng)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(shí)，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(wú)條件傳送方式

（5）I/O通道方式

（6）I/O處理機(jī)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(cè)控設(shè)備連接為功能各異的自動(dòng)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(kù)、堤壩、隧道、各種交通管系統(tǒng)、建筑、軍工、消防、環(huán)境檢測(cè)、樓宇家居等處。

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)大都是具有計(jì)算與通信能力的測(cè)量設(shè)備。它們可能具有嵌入式CPU，但功能比較單一，其計(jì)算能力也許遠(yuǎn)不及普通PC，也沒(méi)有鍵盤、顯示等人機(jī)交互接口。有的甚至不帶CPU、單片機(jī)，只帶有簡(jiǎn)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(qiáng)電磁干擾，面臨各種機(jī)械振動(dòng)，面臨嚴(yán)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(wàn)別，實(shí)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(shí)時(shí)性要求

控制網(wǎng)絡(luò)必須滿足對(duì)控制的實(shí)時(shí)性要求。實(shí)時(shí)控制對(duì)某些變量的數(shù)據(jù)往往要求準(zhǔn)確定時(shí)刷新，控制作用必須在一定時(shí)限內(nèi)完成，或者相關(guān)的控制動(dòng)作一定要按事項(xiàng)規(guī)定的先后順序完成[1]。

現(xiàn)場(chǎng)接口分類

基于控制網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)，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(chǎng)的接口種類有以下四類[2]：

（1）平臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)化，使其間的數(shù)據(jù)交換更加簡(jiǎn)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(yǔ)言和開發(fā)環(huán)境的可以自由組合使用的過(guò)程控制軟件組件產(chǎn)品。

（2）平臺(tái)無(wú)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(yǔ)言。通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)行集中監(jiān)控。Profibus，是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。Profibus傳送速度可在9．6kbaud～12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，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(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。Profibus是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

（3）平臺(tái)無(wú)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(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，但沒(méi)有任何一種標(biāo)準(zhǔn)比工業(yè)以太網(wǎng)更具生命力[2]。

各種現(xiàn)場(chǎng)總線/協(xié)議/接口總結(jié)[3]

工業(yè)自動(dòng)化總線/協(xié)議/接口的名稱

ASI

用于下位控制級(jí)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(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。ASinterface符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50295和IEC62026-2標(biāo)準(zhǔn)。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(chǎng)總線通訊方案。

【整理】ASI接口/協(xié)議/規(guī)范

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

BuildingAutomationControlNetwork

【整理】工業(yè)自動(dòng)化之樓宇自動(dòng)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(duì)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(duì)較低的情況下實(shí)現(xiàn)較短的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。CAN總線的主要優(yōu)點(diǎn)有：數(shù)據(jù)安全性高，能夠保留多主站能力。

CC-Link

主要針對(duì)亞洲市場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)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(jí)和現(xiàn)場(chǎng)總線級(jí)之間的通訊，應(yīng)用范圍主要為亞洲地區(qū)。

ControlNet

標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場(chǎng)總線ControlNet是一種開放式標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)通過(guò)總線進(jìn)行交換，而兩者之間互不影響。

DALI

樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的通訊標(biāo)準(zhǔn)DALI標(biāo)準(zhǔn)（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(gè)新標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行通訊。

【整理】工業(yè)自動(dòng)化總線之樓宇自動(dòng)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(guó)，但現(xiàn)在在歐洲和亞洲地區(qū)也得到越來(lái)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(dòng)化領(lǐng)域的通訊標(biāo)準(zhǔn)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(hù)、無(wú)需電池、無(wú)需接線是一種無(wú)線技術(shù)。主要用于樓宇自動(dòng)化：不同的設(shè)備模塊（比如一個(gè)燈的開關(guān)）內(nèi)嵌了EnOcean支持。則就可以通過(guò)控制器控制該設(shè)備。

【整理】工業(yè)自動(dòng)化之樓宇自動(dòng)化之無(wú)線協(xié)議：EnOcean

EtherCAT==高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線

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

EtherNet/IP

來(lái)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(huì)）制定的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它以EthernetTCP/IP和UDP/IP標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)所具備的很多優(yōu)點(diǎn)，如傳輸速率高、與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的集成簡(jiǎn)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(jì)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(dòng)化之樓宇自動(dòng)化之酒店管理軟件的接口：FIAS和Fidelio

Fipio

符合WorldFIP標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線FIP符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，并受到來(lái)自WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線組織的獨(dú)立制造商支持。通過(guò)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(jìn)入市場(chǎng)interbus現(xiàn)場(chǎng)總線具有組態(tài)方便、速度快、可靠性高特點(diǎn)。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(chǎng)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(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。IO-Link可使用經(jīng)濟(jì)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(chǎng)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(chǎng)總線

無(wú)干擾現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，用于高速機(jī)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(diǎn)包括：抗電磁干擾性強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)傳輸速度非?？觳⒕哐h(huán)性和高度確定性。

LON

樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的通訊標(biāo)準(zhǔn)LON（LocalOperatingNetwork，局域操作網(wǎng)絡(luò)）是一種能夠進(jìn)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(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域。

Modbus

開放式現(xiàn)場(chǎng)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(rèn)可。

MP-Bus

【整理】MP-Bus

Profibus

PROFIBUSDP/FMS符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)器通訊的PROFIBUSMC協(xié)議

PROFINET

來(lái)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(biāo)準(zhǔn)，諸如TCP/IP這些國(guó)際公認(rèn)的IT標(biāo)準(zhǔn)則用于實(shí)現(xiàn)通訊。

RS232/RS485

最經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的串行通訊協(xié)議。

SERCOSIII

來(lái)自驅(qū)動(dòng)工程領(lǐng)域的總線，SERCOS最初是針對(duì)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)（如數(shù)據(jù)傳輸速率高，周期時(shí)間短）現(xiàn)在也可以用于I/O外圍設(shè)備。

USB

實(shí)驗(yàn)室用高速接口USB已成為PC技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)接口。由于USB具有傳輸速率高、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活（通過(guò)集成集線器）等特點(diǎn)，加上Beckhoff的USB總線耦合器，在距離較短的應(yīng)用場(chǎng)合，該系統(tǒng)可替代現(xiàn)場(chǎng)總線。

比如：

Beckhoff的CX9000通過(guò)總線耦合器可以接出去多種總線：

EtherCAT可以集成很多現(xiàn)場(chǎng)總線：

類似的擴(kuò)展其他總線的實(shí)物圖是：

可以看到上面擴(kuò)展出來(lái)的幾個(gè)總線是：

Profibus

Profinet

CANopen

DeviceNet