二 数据通信基础与网络互连PPT课件

现场总线的定义现场总线是一种完全分散的、全数字的、智能的、双向的、互连的、多变量的、多点的和多站的通信网络，用于现场仪表和控制系统与控制室之间。现场总线的国际电工委员会定义现场总线是一种应用于生产现场的技术，实现现场设备之间以及现场设备和控制设备之间的双向、串行和多节点数字通信。2020/5/28，2，传统现场级和车间级自动监控和信息集成系统，2020/5/28，3，基于现场总线的现场级和车间级自动监控和信息集成系统，2020/5/28，4，第一堂课总结，2。现场总线特征和优势系统的开放通信协议披露，来自不同制造商的设备可以互连和交换信息。互操作性和互操作性。现场设备的智能化和功能自治。高度分散的系统结构。对野外环境的适应性。2020/5/28，5。第一个总结。2.现场总线的特点和优势。节省硬件数量和投资。节省安装成本。节省维护成本。用户在系统集成方面有很高的主动性。提高了系统的准确性和可靠性。2020/5/28，6，第一堂课的总结，3。现场总线和管理信息网络特性的比较，2020/5/28。7，第一堂课的总结，4。企业网络信息集成系统的基本层次、现场总线、现场总线控制网络、工业局域网、企业网络互联网、过程控制层PCS、制造执行层MES、企业资源计划层ERP，2020/5/28，8，第一堂课总结，5。几种主要的现场总线标准基金会现场总线。9，第二讲数据通信基础与网络互连，2020/5/28，10，2.1数据通信基础，2.1.1基本概念2.1.2通信系统的组成2.1.3数据编码2.1.4通信系统的性能指标2.1.5信号传输模式2.1.6通信模式2.1.7同步模式2.1.8局域网及其拓扑结构2.1.9网络传输介质2.1.10介质访问控制模式2.1.11错误控制模式2020/5/28，11，2.1.1基本概念-总线的基本术语。总线和总线段总线是传输信号或信息的公共路径。这是一种遵循相同技术规范的连接和操作模式。一组设备通过总线连接在一起。它被称为总线段，2020/5/28。12岁。总线主控器可以在总线上启动信息传输的设备。总线从设备不能在总线上主动发起通信，但只能挂在总线上。为了接收和查询总线信息，总线协议管理主设备和从设备使用总线的规则，2.1.1基本概念-总线的基本术语，2020/5/28，13岁。控制信号总线上通常有三种类型的控制信号。一种连接到总线上的控制设备，用于执行特定的操作，如清除、初始化、启动和停止设备。另一种类型用于改变总线操作模式，例如改变数据流的方向、选择数据字段的宽度和字节等。还有一些指示地址和数据含义的控制信号。例如，对于一个地址，它可以用来指定某个地址空间或指示广播操作已经发生。对于数据，它可以用来指定它是否可以被转换成辅助地址或命令。2.1.1基本概念-总线的基本术语，2020/5/28，14，2.1.1基本概念-总线操作的基本内容。总线操作中指挥官和响应者之间的“连接-数据传输-断开”序列称为总线操作。总线传输通信请求寻址物理寻址用于选择某一总线段上特定位置的从设备作为应答器；逻辑块寻址：从设备的选择与位置无关；广播寻址：用于选择多个应答器，基本概念2020/5/28，15，2 . 1 . 1-总线操作的基本内容。总线仲裁用于决定哪个主设备是下一个占用总线的设备。在某一时刻，只允许一个主设备占用总线，其他总线主设备不允许使用总线，直到它完成总线操作并释放总线所有权。总线定时总线由定时信号同步。定时信号用于指示总线上的数据和地址何时有效。错误检测和容错，2020/5/28，16，三线“菊花链”:总线请求BR，总线允许BG，总线繁忙BB，“菊花链”总线仲裁模式，2020/5/28，17，当任一主机Ci发出总线请求时，br=1的任一主机Ci占用总线，bb=1，BG输出主机Ci被禁止发出请求(BRi=0)，但BG(bgini=1)被接收，BG被传回(bguti=1)当br=1，bb=0时，仲裁器发出BG信号。此时，BG=1，如果仲裁器本身也是主设备，例如微处理器，如果同时满足Ci:本地请求(bri=1)，则在BG被发出之前，当bb=0时，它可以占用一个或几个总线周期；BB=0；在BGINi端检测到上升沿。接管公共汽车。Ci接管总线后，BG信号不再传输，即BG OUTI=0，三线菊花链仲裁原理，2020/5/28组成，18，2.1.2通信系统，2020/5/28，19、2.1.3数据编码，数据编码：指以物理信号的形式在通信系统中表达数据。模拟数据编码：利用模拟信号的不同幅度、频率和相位分别表示数据的0、1状态的编码方法。数字数据编码：一种编码方法，用高低电平矩形脉冲信号来表示数据的0，1状态。基带传输：采用数字数据编码直接传输信号而不改变数据信号频率的传输方式。2020/5/28，20，2.1.3数据编码，单极性编码：逻辑1为高电平，0为低电平；交替标记反转：逻辑0为负电平；零码(RZ):传输后每一位返回0电平；不归零码：在整个符号时间内保持有效电平。2020/5/28，21，2.1.3数据编码，曼彻斯特编码中常用的基带编码，具有内部时钟信息，从而使网络上的每个系统保持同步。时间被分成等间距的段，每个段代表一位。每个部分被分成两半。前半部分传输比特的倒数，后半部分传输比特本身。2020/5/28，22、2.1.3数据编码，模拟数据编码使用模拟信号来表示数据0和1。根据幅度、频率和相位的变化，可分为幅度键控ASK、频移键控FSK和相移键控PSK。2020/5/28，23、2.1.4通信性能指标，传输速率是衡量数据传输有效性的指标。指通信系统每秒传输的数据量：t是发送一位代码的最小单位时间，n是信号的有效状态。对于二进制信号，n=2。通常称为比特率，工业数据通信中常用的标准数据信号速率是：9600 bps、500 kbps、1 Mbps、2.5 Mbps、10 Mbps、100 Mbps、2020/5/28，2.1.4通信性能指标，而传输速率是衡量数据传输有效性的指标。指通信系统每秒传输的数据量：t是传输一位代码的最小单位时间，n是信号的有效状态。对于二进制信号，n=2。通常称为比特率，工业数据通信中常用的标准数据信号速率是：9600 bps、500 kbps、1 Mbps、2.5 Mbps、10 Mbps、100 Mbps、2020/5/28，25、2.1.4沟通绩效指标。误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标，指的是数据传输系统中二进制码元传输错误的概率：其中n是传输的二进制码元总数，Ne是传输错误的码元数，理论上n是无穷大，实际上，n应该足够大，以接近Pe作为误码率。2020/5/28，26，2.1.4沟通绩效指标。通信信道的频率特性描述了不同频率的信号通过后通信信道的波形变化特性。它分为幅频特性和相频特性。幅频特性是指不同频率的信号通过后，其幅值衰减不同的特性。相频特性是指不同频率的信号通过信道后相角发生不同程度变化的特性。2020/5/28，27，2.1.4通信性能指标。理想的频率特性是为不同的频率产生一致的振幅频率特性和相位频率特性。如果信号的频率在信道带宽内信号中包含的一组频率成分称为频谱。带宽：频谱占用的频率宽度称为带宽。有效带宽：有效频谱的带宽。2020/5/28，29，基带传输信号的傅立叶分析，单个矩形脉冲的频谱覆盖整个频率范围，因此矩形信号的绝对无失真传输是不可能的，2020/5/28，30、2.1.4通信性能指标，如果介质带宽小于信号的有效带宽，信号可能会产生失真，使得接收端难以正确识别。当传输速率增加时，信号的有效带宽将相应增加，因此要求传输介质具有更大的介质带宽。也就是说，传输介质的带宽将限制传输速率的增加。2020/5/28，31，信道带宽对数字信号的影响，2020/5/28，32 . 2 . 1 . 4通信性能指标信道容量是指在某一传输介质中每单位时间可以传输的最大比特率，即传输介质允许的最大数据传输速率(bps)。根据奈奎斯特定理，如果信号由V级离散值组成，其中L是信号中包含的位数，W是带宽，那么信道容量C是：当普通电话线的带宽为3000赫兹，L=8时，即使没有噪声，信道容量也不会超过48kbps。数据传输速率应该在信道容量的允许范围内。只要信号速率低于信道容量，就总能找到一种编码方法来实现低误码率传输。如果实际传输速率超过信道容量，则无法进行正确的传输。2020/5/28，33、2.1.4通信性能指标，信噪比信号功率S与噪声功率N之比称为信噪比。一般来说，它用以下方法表示。信道容量C(以分贝为单位)、信道带宽W和信噪比S/N之间的香农计算公式是：通过香农公式，增加信噪比可以增加信道容量。当信道容量不变时，带宽和信噪比可以相互补偿。2020/5/28，34、2.1.4通信性能指标，如果介质带宽W为3000Hz，当信噪比为10dB，信噪比=10，信道容量为：如果信噪比增加到20dB，即信噪比=100，可以看出信道容量随着信噪比的增加而增加很多。2020/5/28，35，2.1.5信号传输模式，基带传输指的是在数字通信中直接传输数据而基本上不改变数据信号频率的基带信号。也就是说，数据波按原样传输，没有任何调制。这是目前广泛使用的最基本的传输方法。信号是按照数据比特流的基本形式传输的，整个系统不需要调制解调器，这使得系统很便宜。双绞线、同轴电缆和光缆可以作为传输介质，传输介质比宽带便宜。可以实现高传输速率(一般为1-10兆位/秒)，但传输距离一般不超过25公里。2020/5/28，36、2.1.5信号传输模式，载波传输是指载波被数字信号调制后再传输的传输模式。最基本的调制方法是幅度键控、频移键控和相移键控。在载波传输中，发射设备必须首先产生一个特定频率的信号作为携带信息信号的基波。这个基波称为载波信号，基波频率称为载波频率。然后以上述三种方式改变载波信号的幅度、频率和相位并发送出去。2020/5/28，37、2.1.5信号传输方式，宽带传输用于传输图像、文本和语音等大数据信号。与基带传输的主要区别是：数据传输速率不同，基带网络的传输速率范围为0-10Mbps，宽带可达0-400 Mbps；宽带可以分成几个基带信道，以提供良好的通信路径。2020/5/28，38，2.1.6通信模式，单工通信半双工通信全双工通信，2020/5/28，39、2.1.7同步模式下，同步接收机应根据重复频率接收数据并启动因为同步信息包含在接收信号符号1和0的极性变化中。在同步模式下，通常采用奇数校验的方法来保证每个字符至少有一个转码点。字符同步：字符被组织成组，然后连续发送，每个字符没有位。每组字符前必须添加一个或多个同步字符syn。接收端根据接收到的同步字符SYN确定字符的起始位。2020/5/28，41、2.1.7同步模式，异步模式也称为启停同步模式。它在发送的字符前设置一个起始位，在信息代码结束后设置一个1-2位的结束位。在起始位和停止位之间，形成要传输的字符；起始位起着同步字符中每一位的作用。字符之间不同步，字符间隔是任意的。字符的传输时间由起始位和结束位之间的时间决定。同步模式2020/5/28，42、2.1.7具有高效率的优点。高速数据传输系统一般采用同步异步方式，实现简单，无频率漂移积累。但缺点是线路效率低，每个字符占用2-3位的开销。2020/5/28，43，2.1.8局域网及其拓扑指网络中节点的互连方式，星形拓扑，环形拓扑，总线拓扑，树形拓扑，2020/5/28，44、2.1.9网络传输介质是指连接网络中发送方和接收方的物理信道，常用的传输介质包括电话线、同轴电缆、双绞线、光缆、无线和卫星通信等。传输媒体的主要特征包括：物理特征、传输特征、连通性特征、地理范围免疫、2020/5/28、45、2.1.9网络传输介质，以及双绞线的物理特性、传输特性，这些都可以通过使用频分复用技术进行复用。使用双绞线或调制解调器传输模拟数据信号时，数据传输速率可达9600bps，24个音频通道的总传输速率可达230kbps。连通性：可用于点对点连接和多点连接地理范围：在10Mbps局域网中，集线器之间的最大距离和100米抗干扰能力：取决于相邻线对的绞合长度和适当的屏蔽。低频抗干扰能力相当于同轴电缆，2020/5/28，46、2.1.9网络传输介质和同轴电缆的物理特性，传输特性包括基带和宽带同轴电缆。基带同轴电缆通常仅用于数字数据信号。宽带同轴电缆可以通过频分复用被分成多个通信信道。特性阻抗分为50欧姆以太网电缆(传输速率10兆位/秒)和75欧姆有线电视电缆(带宽高达400兆赫兹)。连通性：可用于点对点连接和多点连接；地理