微机原理与控制技术-卢晓红6-25工业控制网络.pptVIP

微机原理与控制技术 卢晓红 1 第六章：工业控制网络 2 第六章：工业控制网络 6.1 数据通信技术术 6.2 工业业网络络技术术 6.3 现场总线现场总线 技术术 1、异步传送和同步传送的信息格式； 2、平衡传输方式和不平衡传输方式； 3、RS-232C、RS-423A、RS-422A、RS-485串行通信接口 标准 4、工业局部网络的拓扑结构 5、ISO国际标准化组织提出的OSI开放系统互连参考模型 6、什么是现场总线？有哪几种典型现场总线？ 4 第六章：工业控制网络 控制网络技术是计算机技术、控制技术和网络通讯技术 相结合的产物 u控制网络和信息网络的区别： 控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统 最基本的要求； 控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性以及在 易燃易爆场合的本质安全性； 控制网络的通信方式多使用广播或组播方式；在信息网络中某 个自主系统与另外一个自主系统一般都建立一对一的通信方式； 控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中相互兼容 的问题(互操作性)。目前控制网络产品还没有像信息网络产品那 样完善的统一规范和标准。 5 6.1 数据通信技术 6.1.1 串行通信的基本概念 串行通信与并行通信:不同系统或不同计算机之间的通信方式 并行通信是把一个字符的各数位用几条线同时进行传输，传输速度快 ，信息率高，但用电缆多，常用在传输距离较短（通常小于10m）， 数据传输率较高的场合。 串行通信是数据一位一位依次传输，每个数据占据一个固定的时间长 度。这种方式用电缆少，目的是为了长距离有效传送数据，但通信速 度比较慢。 串行通信并行通信 6 6.1 数据通信技术 n四种数据编码方式 u不归归零码码NRZ u归归零码码RZ u曼彻彻斯特码码(RZ) u差动动曼彻彻斯特码码(RZ) 对于传输数字信号而言， 最普遍 而简单的方法是用两个不同的电压 来表示数字位的两个状态（如零电 压表示零，正电压表示1。 ） NRZ(a)：码元之间没有间隔，难 以判断一位的开始和结束； RZ(b,c)：每一位的中间有跳变， 中间的跳变既作为同步时钟，也 作为数据。从高到低的跳变表示 1,从低到高的跳变表示0。 d）每位开始有电压变化就表示0， 无电压变化表示1。 单极性码与双极性码 7 6.1 数据通信技术 n串行传输线传输线 路两种方式：平衡方式和不平衡方式 u不平衡方式是用单线传输信号，以地线作为信号的回路， 接收器是用单线输入信号的；在不平衡方式中，信号线上所 感应到的干扰和地线上的干扰将迭加后影响到接收信号； u平衡方式是用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路 不通过地线，接收器是用双端差动方式输入信号的。平衡方 式中，双绞线上所感应到的干扰相互抵消，地线上的干扰又 不影响接收端，因此平衡传输方式在抗干扰方面有较良好的 性能，并适合较远距离的数据传输。 3.4 可编程串行接口芯片8251A 8 n数据传传送模式 u单工(Simplex)通信模式。仅能进行一个方向的数据传送。 u半双工(Half Duplex)通信模式。它能够在设备A和设备B之 间交替地进行双向数据传送。 u全双工(Full Duplex)通信模式。通信设备A或B均能在发送 的同时又能接收数据。 9 6.1 数据通信技术 n比特率与波特率 u数据传送的速率通常用比特率(bitrate)表示。 比特率是指每秒能传输的比特(bit)数，单位为 bit/s (bps-bit per second)。 u波特率(Baudrate)是指每秒能传输的符号(也称 离散状态)数。 若每个符号所含信息量等于1比特，则波特率等于比 特率。 在计算机中，一个“符号”的含义为高电平或低电平 ，即符号所含信息量刚好等于1比特。 因此，在计算机 数据传输中常将比特率称为波特率。 10 6.1 数据通信技术 u设计算机数据传输速率120字符/s，每个字符使用10个比 特(bit)位，则其传输的波特率/比特率为： 10 bit/字符120字符/s=1200 bit/s=1200波特率 u每一位的传输时间Td等于波特率的倒数，此处有： Td=1/1200=0.833 ms u国际上规定有一个标准波特率系列，即300、600、 1200、2400、4800、9600、19200、38400 和57600波 特等。 11 6.1 数据通信技术 n异步传传送与同步传传送 u异步传传送 起始位：持续一个比特时间的逻辑“0”电平， 标志一个字符的 开始； 数据位：58位，紧跟着起始位之后，是字符中的有效数据位。传 送数据时，先送低位，后送高位数据。 奇偶校验位：仅占一位，根据需要设置奇/偶校验或不设校验位； 停止位。1位、1.5位 或2位，并规定为逻辑“1”状态； 串行通信分为异步传送与同步传送两种 在数据 组之间 可有空 闲位。 12 6.1 数据通信技术 在两个数组之间 可以有空闲位 异步传送 13 6.1 数据通信技术 n同步传传送 u单单同步；一个同步字符（a），两个字节的循环控制码CRC结束 u双同步；两个同步字符（b），两个字节的循环控制码CRC结束 uSDLC:同步数据链路控制规程(Synchronous Data Link Control,IBM) uHDLC: 高级数据链路控制(High Level Data Link Control,ISO) 通常，异步通信速率要比同步通信的低。 14 6.1 数据通信技术 uSDLC/HDLC标标志符：格式7EH（01111110）。其作用是作 为为信息传输传输 的边边界符，在两个标标志符间间的信息称为为一帧帧，在 一帧帧信息传传送前先送该标该标 志符，表示一帧帧开始，一帧帧信息传传 输结输结 束， 紧紧接着应应再送一标标志符，作为为一帧结帧结 束的标标志。 为为了实现标实现标 志符编码编码 的唯一性，采用了“0”比特插入/删删除技 术术，以保证证接收站能正确识别识别 数据场场信息中含有与标标志符代 码码相同的数据信息。 其方法是：在发发送数据场场信息时时， 如遇 到连续连续 5个“1”，则则自动动插入“0”。接收端在连续连续 收到5个“1” 后就自动动将其后的“0”删删除， 以便恢复信息原有的含义义。 u例如，当CPU将数据7FFEH=0111 1111 1111 1110B送至发发 送端后，发发送器自动动插入“0” 变为变为 ：01111101111101110B， 此信息由接收器接收， 并删删除“0”后恢复成原信号7FFEH。 数据 终端 设备 DTE 数据 通信 设备 DCE 数据 通信 设备 DCE 数据 终端 设备 DTE RS-232C 接口标准 RS-232C 接口标准 传输线 113 25 12 24 11 23 10 22 9 21 8 20 7 19 6 18 5 17 4 16 3 15 2 14 0.5英寸 阳: 1.58英寸 阴:1.51英寸 * 2.09英寸 * 6.1.2 串行接口标标准 nRS-232C 0.054英寸 1.85英寸 6.1 数据通信技术 15 目前最广泛使用的串行通信接口标准。 该标准没有规 定连接器，因 此产生了25插 针的方案 16 6.1 数据通信技术 nRS-499、RS423、RS422 u针对RS-232C应用的局限与不足（如数据传输速率局限于 20kb/s, 传输距离限于15m之内，接口各信号间会产生较强的 串扰等），EIA（Electronic Industries Alliance，电子工业 联合会）颁布了3个新标准； RS-499采用串行二进制交换的数据终端设备和数据电路端设 备的通用37针和9针接口两种连接器。在多通道通信中的主信 道使用37针连接器，而辅信道只需使用9针连接器即可，并规 定了机械连接和功能方面的标准规范； RS-423A采用非平衡接口电路(非平衡产生器和差分接收器) ，传输率可达300kbit/s，传输距离为10m(在300Kbit/s)到 1200m(在3000bit/s)，同时减少了信号串扰；RS-423A电 气接口特性上与RS-232C兼容。 RS-422A则采用平衡接口电路(平衡产生器和差分接收器)， 它能够在1200m距离内把速率提高到100Kbit/s，或在较短 距离内提高到10Mbit/s，同时串扰显著减少； 17 6.1 数据通信技术 nRS-422A/RS-485 uRS-422A采用平衡驱动和差分接收方法，从根本上消 除信号地线。能够在较长距离内明显提高数据速率:（ 12m,10Mb/s;120m,1Mb/s;1200m,100Kb/s）1台 驱动器，10台接收器。 uRS-485是RS-422A的变型。能够在较长距离内明显 提高数据速率: （ 12m,10Mb/s;120m,1Mb/s;1200m,100Kb/s） RS- 485用于多点互连时非常方便，因此，应用RS-485可以 联网构成分布式系统。最多并联32台驱动器和32台接收 器。 18 6.1 数据通信技术 n信号的调调制和解调调 u在计算机系统中，主机与外设之间所传送的是用二进制 “0”和“1”表示的数字信号。数字信号的传送要求占用很 宽的频带，且还具有很大的直流分量，因此数字信号仅适用 于在短距离的专用传输线上传输。 u在进行远距离的数据传输时，一般是利用电话线作通信线 路。由于电话线不具备数字信号所需的频带宽度，如果数字 信号直接用电话线传输，信号将会出现畸变，致使接收端无 法从发生畸变的数字信号中识别出原来的信息。因此必须采 取一些措施，在发送端把数字信号转换成适于传输的模拟信 号，而在接收端再将模拟信号转换成数字信号。前一种转换 称为调制，后一种转换称为解调。 u完成调制、解调功能的设备叫做调制解调器(Modem)。基 本可分为异步调制解调器和同步调制解调器两类。 19 6.2.1 网络络拓扑结结构 u网络中互连的点称为结点或站。拓扑结构是指通信网络中的节点 设备（包括计算机及有关通信设备等）与通信链路相互连接而构成 的不同物理连接结构。网络拓扑结构是决定通信网络性质的关键因 素之一。 6.2 工业网络技术 总线形结构是目前使用最广泛的结构，也是一种最传统的主流网络结构。 屏蔽箔 屏蔽双绞线绞线 非屏蔽双绞线绞线 内部导导体 内部绝缘绝缘体 铝铝制编织导编织导 体(屏蔽) 外部绝缘绝缘体 (a) 一段同轴电缆轴电缆 (b) 一段与连连接器相连连的同轴电缆轴电缆 外套 绝缘绝缘 包层层 纤维纤维 芯 6.2.2 传输传输 介质质 u传输传输 介质质就是连连接通信双方收、发发信设备设备 并负责负责 信号传输传输 的物质质(物理实实体)。主要分为为有线线介质质和 无线线介质质。有线线介质质主要是各种线缆线缆 和光缆缆；无线线 介质质主要是指可以传输传输 无线电线电 波和光波的空间间或大 气。 6.2 工业网络技术 20 21 6.2 工业网络技术 6.2.3 介质访问质访问 控制方式 uCSMA/CD (载载波侦侦听多路访问访问 冲突检测检测 ) u令牌环环(Token Passing Ring) u令牌总线总线 (Token Passing Bus) 由于各结点通过公共传输通路（也称为信道）传输信息，因此任何一 个物理信道在某一时间段内只能为一个结点服务，因此，产生了如何 合理使用信道，合理分配信道的问题。 传输访问控制方式的功能就是合理解决信道的分配。 22 6.2 工业网络技术 6.2.4 信息交换换技术术 u为了提高计算机通信网络 的通信设备和线路的利用率 ，有必要研究通信网络上信 息交换技术。如图所示的复 杂网，两站之间交换信息存 在路径选择问题，即如何控 制信息传输，才能提高通信 效率。 u通常使用三种信息交换技 术：线路交换，报文交换和 分组交换。 23 6.2 工业网络技术 6.2.5 ISO的OSI uISO：International Organization for Standardization , 即“国际标际标 准化组织组织 ”。 uOSI：Open System Interconnection“开放系统互连参考模型” OSI是ISO于1978年在网络通信方面所定义的开放系统互连模 型。有了这个开放的模型，各网络设备厂商就可以遵照共同的标 准来开发网络产品，最终实现彼此兼容。 OSI作为计算机网络体系结构模型和开发协议标准的框架，将 计算机网络划分为七个功能层，每层都有自己的协议。规定了不 同系统互连的体系结构，且要求支持OSI标准的各大公司按OSI 标准制造计算机网络，以便实现网络的互联。 I