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 ),其內有若干專用寄存器和相應的控制邏輯電路構成。它是CPU和I/O設備之間交換信息的媒介和橋梁。CPU與外部設備、存儲器的連接和數據交換都需要通過接口設備來實現，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設備品種繁多，其相應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備選擇。

（2）向CPU提供I/O設備的狀態信息和進行命令譯碼。

（3）進行定時和相應時序控制。

（4）對傳送數據提供緩沖，以消除計算機與外設在“定時”或數據處理速度上的差異。

（5）提供計算機與外設間有關信息格式的相容性變換。提供有關電氣的適配

（6）還可以中斷方式實現CPU與外設之間信息的交換。

控制方式

（1）程序查詢方式

這種方式下，CPU通過I/O指令詢問指定外設當前的狀態，如果外設準備就緒，則進行數據的輸入或輸出，否則CPU等待，循環查詢。

這種方式的優點是結構簡單，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，因此通常處于等待狀態，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，而是可以執行其他程序，一旦外設為數據交換準備就緒，可以向CPU提出服務請求，CPU如果響應該請求，便暫時停止當前程序的執行，轉去執行與該請求對應的服務程序，完成后，再繼續執行原來被中斷的程序。

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

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，還要保留和恢復現場以便能繼續原程序的執行，花費的工作量很大，這樣如果需要大量數據交換，系統的性能會很低。

（3）DMA（直接存儲器存取）傳送方式

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存與外設之間的數據交流，無須CPU介入，大大提高CPU的工作效率。

在進行DMA數據傳送之前，DMA控制器會向CPU申請總線控制 權，CPU如果允許，則將控制權交出，因此，在數據交換時，總線控制權由DMA控制器掌握，在傳輸結束后，DMA控制器將總線控制權交還給CPU。

（4）無條件傳送方式

（5）I/O通道方式

（6）I/O處理機方式

工業控制網絡

工業控制網絡一般為局域網，作用范圍一般在幾km之內。將分布在生產裝置周圍的測控設備連接為功能各異的自動化系統。控制網絡遍布在工廠的生產車間、裝配流水線、溫室、糧庫、堤壩、隧道、各種交通管系統、建筑、軍工、消防、環境檢測、樓宇家居等處。

工業控制網絡的節點

工業控制網絡的節點大都是具有計算與通信能力的測量設備。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、感應開關等各類開關，光電、溫度、壓力、流量、物位等各種傳感器、變送器，各種數據采集裝置等等。

控制網絡的任務與工作環境

工業控制網絡要面臨工業生產的強電磁干擾，面臨各種機械振動，面臨嚴寒酷暑的野外工作環境，要去控制網絡能適應這種惡劣的工作環境。另外，自控設備千差萬別，實現控制網絡的互聯與互操作往往十分困難。

控制網絡的實時性要求

控制網絡必須滿足對控制的實時性要求。實時控制對某些變量的數據往往要求準確定時刷新，控制作用必須在一定時限內完成，或者相關的控制動作一定要按事項規定的先后順序完成[1]。

現場接口分類

基于控制網絡的這些特點，其中的各種接口必須保證滿足控制網絡的要求。目前工業現場的接口種類有以下四類[2]：

（1）平臺相關性通用協議：OPC/ DDE

OPC 是為了不同供應廠商的設備和應用程序之間的軟件接口標準化，使其間的數據交換更加簡單化的目的而提出的。作為結果，從而可以向用戶提供不依靠于特定開發語言和開發環境的可以自由組合使用的過程控制軟件組件產品。

（2）平臺無關性通訊協議：ModBus、ProfiBus

Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。 通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。Profibus，是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準。 Profibus 傳送速度可在 9．6kbaud～12Mbaud 范圍內選擇且當總線系統啟動時， 所有連接到總線上的裝置應該被設成相同的速度。廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通電力等其他領域自動化。Profibus是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。

（3）平臺無關專有協議：大部分DCS協議、工業以太網協議

（4）特殊協議：編程口、打印口等特殊方式取得的協議

工業傳輸通訊的協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場總線標準，但沒有任何一種標準比工業以太網更具生命力[2]。

各種現場總線/協議/接口總結[3]

工業自動化總線/協議/接口的名稱 標識 特點簡介 說明

ASI 用于下位控制級的傳感器/執行器總線 AS-interface 用于將傳感器和執行器連接 至上位控制層，布線簡單、經濟。AS interface 符合國際標準EN 50295 和IEC 62026-2 標準。 AS-Interface（AS-i = 執行器/傳感器接口） 是用于連接執行器和傳感器的現場總線通訊方案。 【整理】ASI接口/協議/規范

BACnet==樓宇自動控制網絡數據通訊協議 Building Automation Control Network 【整理】工業自動化之樓宇自動化之通訊協議：BACnet

CANopen 用于執行器/傳感器領域的多主站總線 對總線帶寬的有效利用使得CANopen能 夠在數據傳輸速率相對較低的情況下實 現較短的系統響應時間。CAN 總線的主 要優點有：數據安全性高，能夠保留多 主站能力。

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

ControlNet 標準化現場總線ControlNet 是一種開放式標準現場總線系統。該總線協議允許循環數據和非循環數據同時通過總線進行交換，而兩者之間互不影響。

DALI 樓宇自動化領域的通訊標準 DALI 標準（IEC60929）是一種跨越廠商的協議，其目的是在照明應用中確保電子鎮流器的互用性。這個新標準用于替代1-10V調光器接口。 數字可尋址照明接口（DALI，Digital Addressable Lighting Interface）是一種樓宇自動 化標準，用于電子鎮流器的數字控制。 DALI 作為一種子系統使用，例如照明、百葉簾或溫度控制，可直接與樓宇管理 系統進行通訊。 【整理】工業自動化總線之樓宇自動化之照明接口：DALI

DeviceNet 采用CAN技術的設備總線DeviceNet 是一種傳感器/執行器總線系統， 起源于美國，但現在在歐洲和亞洲地區也得到越來越多的應用。DeviceNet 基于CAN（Controller Area Net，控制器局域網）總線。

DMX EIB 樓宇自動化領域的通訊標準EIB（European Installation Bus，歐洲安裝 總線） 是一種用于樓宇布線的總線系統，主要在歐洲地區廣泛應用。

EnOcean 免維護、無需電池、無需接線是一種無線技術。主要用于樓宇自動化：不同的設備模塊（比如一個燈的開關）內嵌了EnOcean支持。則就可以通過控制器控制該設備。 【整理】工業自動化之樓宇自動化之無線協議：EnOcean

EtherCAT==高速實時以太網現場總線 EtherCAT（Ethernet Control Automation Technology，用于控制和自動化技術的以太網）是用于工業自動化的以太網解決方 ，具有性能優異和操作簡單等特點。

EtherNet/IP 來自ODVA 的工業以太網解決方案Ethernet/IP 是由ODVA（Open DeviceNet Vendor Association，開放式設備網絡供貨商協會）制定的工業以太網標準，它以Ethernet TCP/IP 和UDP/IP 標準為基礎。

Ethernet TCP/IP 網絡總線以太網是辦公領域的一項重要標準，以太網所具備的很多優點，如傳輸速率高、與現有網絡的集成簡單、服務范圍廣以及接口種類多等，在Beckhoff 的以太網產品中也得到充分體現。

FIAS FIAS==Fidelio接口和應用規范==（估計是）**F**idelio **I**nterface **A**pplication **S**pecification FIAS（Fidelio接口和應用規范）是世界領先的酒店管理軟件的接口。 【整理】工業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 標準的現場總線FIP 符合歐洲標準EN 50170，并受到來 自WorldFIP 現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，能夠根據具體的應用調整總線性能

IEEE 1588 InterBus Interbus，于1987年進入市場interbus 現場總線具有組態方便、速度快、 可靠性高特點。這種主/從站系統的移位寄存器通信協議可提高循環通信的效率。

【整理】現場總線：InterBus

IO-Link IO-Link完美地將控制系統和工具加工所需的不同接口實現了標準化。IO-Link 可使用經濟的點對點連接方法將 傳感器和執行器連接至控制層。作為一種開放式接口，IO-Link 可集成于所有常用的現場總線系統中。IO-Link 系統由IO-Link 設備組成，如傳感器、執行器或兩者的結合。它們采用的是傳統的三線制連接技術。 【整理】IO-Link

LightBus==高速光纖現場總線 無干擾現場總線通訊，用于高速機械控制這是由Beckhoff 公司開發的一種光纖總線系統，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，數據傳輸速度非常快并具循環性和高度確定性。

LON 樓宇自動化領域的通訊標準LON（Local Operating Network，局域操作 網絡）是一種能夠進行多網絡連接的通 訊系統，用于分布式應用，主要用于商 業樓宇的自動化應用領域。

Modbus 開放式現場總線Modbus 是一種基于主/從站結構的開放 式串行通訊協議。由于該協議可以非常輕松地在所有類型的串行接口上執行，因此得到了廣泛認可。

MP-Bus 【整理】MP-Bus

Profibus PROFIBUS DP/FMS 符合歐洲標準EN50170PROFIBUS 作為一種高速總線，被廣泛應 用于分布式外圍設備（PROFIBUS DP）。除了PROFIBUS DP 和FMS 之外，Beckhoff還支持用于驅動器通訊的PROFIBUS MC協議

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

RS232/RS485 最經濟的解決方案，網絡RS232 和RS485 是‘傳統的’串行接口， 一直都被廣泛應用。Beckhoff 的RS485/RS232 I/O 模塊采用的是一種簡單、易于實現的串行通訊協議。

SERCOS III 來自驅動工程領域的總線，SERCOS 最初是針對驅動器開發的一種高 速光纖總線系統。由于Beckhoff 開發了SERCOS 總線耦合器，使得SERCOS 總線的一些優點（如數據傳輸速率高，周期時間短）現在也可以用于I/O 外圍設備。

USB 實驗室用高速接口USB 已成為PC 技術領域中應用的標準接 口。由于USB 具有傳輸速率高、拓撲結構靈活（通過集成集線器）等特點，加上Beckhoff 的USB 總線耦合器，在距離較短的應用場合，該系統可替代現場總線。

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：

ProfibusProfinetCANopenDeviceNet