工业网络数据通信

1、工业网络数据通信 目录 1 2 3 4 数据通信基础知识 现场总线基础知识 工业以太网基础知识 外部数据通信简介 数据通信基础知识 数据通信系统的基本通信模型：数据通信系统的基本通信模型： 产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。 信源与信宿通过通信线路进行通信，在数据通信系统中， 也将通信线路称为信道。 数据通信基础知识 模拟通信系统模拟通信系统 模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿 以及噪声源组成。信源所产生的原始模拟信号一般都要经 过调制再通过信道传输。到达信宿后，通过解调器将信号 解调出来。普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信系 统。 数据通信基础知识 通信信

2、道的分类通信信道的分类 信道是信号传输的通道，包括传输媒体和通信设 备。传输媒体可以是有形媒体，如电缆、光纤等 ，也可以是无形媒体，如传输电磁波的空间。信 道可以按不同的方法分类： 有线信道与无线信道； 模拟信道与数字信道； 专用信道和公用信道； 数据通信基础知识 有线信道与无线信道有线信道与无线信道 信道按所使用的传输介质分类，可以分为有线信 道与无线信道； 使用有形的媒体作为传输介质的信道称之为有线 信道。有线信道包括电话线、双绞线、同轴电缆 和光缆等； 以电磁波在空间传播方式传送信息的信道称之为 无线信道。无线信道包括无线电、微波、红外线 和卫星通信信道等。 数据通信基础知识 模拟信道与

3、数字信道模拟信道与数字信道 按传输信号的类型分类，信道可以分为模拟信道 与数字信道； 能传输模拟信号的信道称为模拟信道。模拟信号 的电平随时间连续变化，语音信号是典型的模拟 信号。如果利用模拟信道传送数字信号，则必须 经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器） 。调制解调器就是完成这种变换的。 能传输离散数字信号的信道称为数字信道。离散 的数字信号在计算机中指由“0”和“1”的二进制代码 组成的数字序列。当利用数字信道传输数字信号 时不需要进行变换，通常需要进行数字编码。 数据通信基础知识 专用信道和公用信道专用信道和公用信道 信道按使用方式可以分为专用信道和公用信道。 专用信道是一种连接于

4、用户设备之间的固定电路 ，它可以由用户自己架设或向电信部门租用。 公用信道也称公共交换信道，它是一种通过交换 机转接、为大量用户提供服务的信道。 数据通信基础知识 数据通信速率数据通信速率 数据通信速率分为两种：码元速率和信息速率。 码元速率（RB）定义为每秒中传送的码元数，单 位为波特/秒（Baud/s），又称为波特率； 信息速率（Rb）定义为每秒中传送的信息量，单 位为比特/秒（bit/s），又称为比特率； 对于一个用二进制表示的信号（两级电平），每 个码元包含1个比特信息，其信息速率与码元速率 相等；对于一个用四进制表示的信号（四级电平 ），每个码元包含了2个比特信息，因此，它的信 息速

5、率应该是码元速率的2倍。 数据通信基础知识 一般来说，对于采用M进制电平传输信号时，信 息速率和码元速率之间的关系是： Rb=RBlog2M 数据通信基础知识 数据通信速率数据通信速率 数据通信速率分为两种：码元速率和信息速率。 码元速率（RB）定义为每秒中传送的码元数，单 位为波特/秒（Baud/s），又称为波特率； 信息速率（Rb）定义为每秒中传送的信息量，单 位为比特/秒（bit/s），又称为比特率； 对于一个用二进制表示的信号（两级电平），每 个码元包含1个比特信息，其信息速率与码元速率 相等；对于一个用四进制表示的信号（四级电平 ），每个码元包含了2个比特信息，因此，它的信 息速率应

6、该是码元速率的2倍。 数据通信基础知识 误码率和误比特率误码率和误比特率 误码率和误比特率是衡量数据传输系统正常工作 状态下传输可靠性的重要参数。误码率是指二进 制码元在数据传输系统中被传错的概率，误比特 率是指在传输中出错比特的概率。 公式为： 在实际的数据传输系统中，电话线路在300 2400bps传输速率时，平均误码率在10-210-6之 间，在48009600bps传输速率时平均误码率在 10-210-4之间。而计算机通信的平均误码率要求 低于10-9。 数据通信基础知识 信道带宽与信道容量信道带宽与信道容量 信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况 下所占用的频率范围，通常称为信道

7、的通频带， 单位用赫兹（Hz）表示。信道带宽是由信道的物 理特性所决定的，例如，电话线路的频率范围在 3003400Hz，则它的带宽为3003400Hz。 信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参 数。信道容量是指单位时间内信道上所能传输的 最大比特数，用每秒比特数（bps）表示。当传输 的信号速率超过信道的最大信号速率时，就会产 生失真。 数据通信基础知识 通信线路的连接方式通信线路的连接方式 点对点连接点对点连接 点对点的连接就是在发送端和接收端之间采用一 条线路连接，使用的线路可以是专用线路、租用 线路或交换线路。使用租用或交换线路的连接方 式，适合于在地理上比较分散的站点之间传输数

8、据，比如通过公用电话交换网，实现点-点的连接 。 数据通信基础知识 通信线路的连接方式通信线路的连接方式 多点线路连接多点线路连接 多点线路连接是指各个站点通过一条公共通信线路连接。 在多点线路连接方式中，一条线路被所有的站点共享，若 所有的站点可以同时发送数据，则这条线路在空间上是共 享的，通常采用频分复用或波分复用技术传输数据；若所 有的站点只能轮流使用线路发送数据时，那么它在时间上 是共享的，通常采用时分复用技术传输数据。 数据通信基础知识 数据流传送方式数据流传送方式 并行通信并行通信 并行通信是数据流以成组的方式在多个并行信道 上同时进行传输。并行通信的优点是速度快，但 发端与收端之

9、间有若干条线路，导致费用高，仅 适合于近距离和高速率的通信。 数据通信基础知识 数据流传送方式数据流传送方式 串行通信串行通信 串行通信是数据流以串行方式在一条信道上传输，由于计 算机内部都采用并行通信，因此，数据在发送之前，要将 计算机中的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变 换，还原成计算机的字符结构，才能实现串行通信。串行 通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现 ，成本低，但速度比较低。 数据通信基础知识 信道的通信方式信道的通信方式 单工通信单工通信 单工方式指通信信道是单向信道，数据信号仅沿 一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收 方只能接收而不能发送，任何时候

10、都不能改变信 号传送方向。无线电广播和电视都属于单工通信 。 数据通信基础知识 半双工通信半双工通信 半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一 个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进 行，而不能同时进行。当改变传输方向时，要通过开关装 置进行切换。半双工信道适合于会话式通信，比如通常使 用的“对讲机”和军队使用的“步话机”。半双工方式在计算 机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信。 数据通信基础知识 全双工通信全双工通信 全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向 作双向传输。比如电话通话。 数据通信基础知识 信号的传输方式信号的传输方式 基带传输基带传输 就数字信

11、号而言，基带传输是一个离散的方波， “0”代表低电平，“1”代表高电平。这种方波固有的 频带称为基带，方波信号称为基带信号，因此， 基带实际上就是数字信号所占用的基本频带。基 带传输是在信道中直接传输数字信号，且传输媒 体的整个带宽都被基带信号占用，双向地传输信 息。 数据通信基础知识 信号的传输方式信号的传输方式 频带传输频带传输 所谓频带传输是指将数字信号调制成音频信号后 再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调 成原来的数字信号。可见，在采用频带传输方式 时，要求发送端和接收端都要安装调制器和解调 器。 在实现远距离通信时，经常借助于电话线路，此 时就需要利用频带传输方式。利用频带传输

12、，不 仅解决了利用电话系统传输数字信号的问题，而 且可以实现多路复用，以提高传输信道的利用率 。 数据通信基础知识 信号的传输方式信号的传输方式 宽带传输宽带传输 宽带传输采用75的CATV电视同轴电缆或光纤作为传输 媒体，带宽为300MHz。 使用时通常将整个带宽划分为若干个子频带，分别用这些 子频带来传送音频信号、视频信号以及数字信号。 宽带同轴电缆原是用来传输电视信号的，当用它来传输数 字信号时，需要利用电缆调制解调器（Cable Modem）把 数字信号变换成频率为几十兆赫兹到几百兆赫兹的模拟信 号。 可利用宽带传输系统来实现声音、文字和图像的一体化传 输，这也是通常所说的“三网合一”

13、，即语音网、数据网和 电视网合一。 数据通信基础知识 数据传输的同步技术数据传输的同步技术 在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时， 通信双方要交换数据，需要有高度的协同动作，彼此间传 输数据的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同， 这就是同步问题。 同步就是要接收方按照发送方发送的每个码元/比特起止 时刻和速率来接收数据，否则，收发之间会产生误差，即 使是很小的误差，随着时间增加的逐步累积，也会造成传 输的数据出错。 实现收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术之一， 通常使用的同步技术有两种：异步方式和同步方式。 数据通信基础知识 数据传输的同步技术数据传输的同步技术 异步传

14、输方式异步传输方式 在异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在 每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始，在 字符代码和校验码后面加1或2个停止位，表示字符结束。 接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始。从 而起到通信双方的同步作用。异步方式实现比较容易，但 每传输一个字符都需要多使用23位，所以适合于低速通 信。 数据通信基础知识 数据传输的同步技术数据传输的同步技术 同步传输方式同步传输方式 同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成 的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止 位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字 符SYN（以0110

15、1000表示）或一个同步字节（01111110 ），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步 状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字 符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来 标识整个发送过程的结束。这种方法一般用在高速传输数 据的系统中，比如计算机之间的数据通信。 数据通信基础知识 数据的编码和调制技术数据的编码和调制技术 数据通信基础知识 数据的编码和调制技术数据的编码和调制技术 数字数据的调制数字数据的调制 发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调 制（Modulation）。 数据通信基础知识 数字数据的调制数字数据的调制 幅移键控ASK（Ampl

16、itude Shift Keying） ASK是通过改变载波信号的幅度值表示数字信号 “1”、“0”，以幅度A1表示数字信号的“1”，用载波 幅度A2表示数字信号的“0”（通常A1取1，A2取0 ），而载波信号的参数f 和恒定。 频移键控FSK（Frequency Shift Keying） FSK是通过改变载波信号频率的方法表示数字信 号“1”、“0”，用f 1表示数字信号“1”，用f 2表示数 字信号“0”，而载波信号的A和不变。 数据通信基础知识 数字数据的调制数字数据的调制 相移键控PSK（Phase Shift Keying） PSK是通过改变载波信号的相位值表示数字信 号“1”、“

17、0”，而载波信号的A和f不变。PSK包括两 种类型：绝对调相和相对调相。 绝对调相使用相位的绝对值，为0表示数字信号 “1”，为表示数字信号“0”。 相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为0 时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移 。 数据通信基础知识 混合调制 为了达到更高的信息传输速率，可以采用多元制的振幅相 位混合调制技术，比如正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation），它不但使用相位，而且还使用 幅度： 8-QAM使用了幅度与相位的8种组合，由于使用3个比特 可以表示8种组合，因此，每一种组合代表一个码元，每 个码元3个比特。 16-

18、QAM的幅度和相位有16种组合，每个组合代表一个码 元，每个码元4个比特。 数据通信基础知识 混合调制 为了达到更高的信息传输速率，可以采用多元制的振幅相 位混合调制技术，比如正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation），它不但使用相位，而且还使用 幅度： 8-QAM使用了幅度与相位的8种组合，由于使用3个比特 可以表示8种组合，因此，每一种组合代表一个码元，每 个码元3个比特。 16-QAM的幅度和相位有16种组合，每个组合代表一个码 元，每个码元4个比特。 数据通信基础知识 数字数据的编码数字数据的编码 利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作

19、数字 信号的基带传输，而数字数据在传输之前，需要进行数字 编码。数字数据的编码方式有三种：不归零码、曼彻斯特 编码和差分曼彻斯特编码 。 数据通信基础知识 模拟数据的调制模拟数据的调制 在模拟数据通信系统中，信源的信息经过转换，形成电信 号，比如人说话的声音经过电话转变为模拟的电信号，这 也是模拟数据的基带信号。 模拟数据的调制包括幅度调制（AM）、频率调制(FM)和 相位(PM)调制，即对这三要素进行符合实际需要的放大或 转换。 例如，模拟数据的基带信号具有比较低的频率，不宜直接 在信道中传输，需要对信号进行调制，从而将信号搬移到 适合信道传输的频率范围内，接收端将接收的已调信号再 搬回到原

20、来信号的频率范围内，恢复成原来的消息，比如 无线电广播。 数据通信基础知识 模拟数据的编码模拟数据的编码 脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation）是 模拟数据数字化的主要方法。由于数字信号传输 失真小、误码率低、数据传输速率高，因此在网 络中除计算机直接产生的数字信号外，语音、图 像信息必须数字化才能经计算机处理。 PCM技术的典型应用是语音数字化。在发送端通 过PCM编码器将语音数据变换为数字化的语音信 号，通过通信信道传送到接收方，接收方再通过 PCM解码器还原成模拟语音信号。 数据通信基础知识 PCM的工作原理的工作原理 脉冲编码调制包括三部分：采样、量化和编码。

21、 （1）采样 每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值做为样 本，表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。 （2）量化 量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。量化级 可以分为8级、16级，或者更多的量化级，这取决于系统 的精确度要求。 （3）编码 编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的 量级。 数据通信基础知识 PCM的工作原理的工作原理 数据通信基础知识 通信接口协议标准通信接口协议标准 目前广泛使用的通信设备接口协议标准有： EIA RS-232C； EIA RS-422/485。 20mA电流环接口 IEEE-488总线接口方式 USB总线接口 以太网络接口 数据通信

22、基础知识 EIA RS-232C接口 在串行通信中，EIA RS-232C是应用最为广泛的 标准。 RS-232C接口的特性： RS-232C使用9针或25针的D型连接器DB-9或DB- 25。 目前，绝大多数计算机使用的是9针的D型连接器 。RS-232D规定使用25针的D型连接器。 RS-232C采用的信号电平515V代表逻辑“1” ，515V代表逻辑“0”。在传输距离不大于15 米时，最大速率为19.2kbps。 数据通信基础知识 RS232接口DB-9和DB-25的对应关系 DB-9信号名称DB-25 1载波检测（CD）8 2发送数据（TD）2 3接收数据（RD）3 4数据终端准备（D

23、TR）20 5信号地（SIG）7 6数据传输设备准备（DSR）6 7请求发送（RTS）4 8允许发送（CTS）5 9振铃指示（RI）22 数据通信基础知识 RS-232接口的应用：接口的应用： 异步通信 两个DTE（计算机）设备通过DCE（调制解调器 ）或直接连接进行异步通信，须设置开始和停止 位。 同步通信 两个DTE设备通过RS-232C进行同步通信，使用 DB-25针接口的第17和第24针脚提供外同步的时 钟信号，实现数据的收发。由于9针的RS-232C接 口不能提供时钟信号，因而不能进行同步通信。 数据通信基础知识 RS-232接口的空Modem连接 当近距离的两个DTE之间进行通信时

24、，可以不使 用Modem，而是采用空Modem直接连接。 数据通信基础知识 RS232最简单连接 DTE与DCE相连时，DTE和DCE对应的针脚直连 ，且只需要使用发送TD、接收RD和信号地SIG。 对于DTE与DTE相连时，相对的发送和接收针脚 需要交叉相连，因此，有时也把空Modem线称为 串口交叉线。 数据通信基础知识 RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传差分传 输输方式，也称作平衡传输平衡传输，其发送驱动器使用一对双绞线 ，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常情况下， 发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑 状态，负电平在-26V，是另一

25、个逻辑状态。另有一个信 号地C，可不接。在RS-485中还有一“使能”端，而在RS- 422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动 器与传输线的切断与连接。当RS485采用二线制半双工方 式时起作用。 数据通信基础知识 接收器也有与发送端相对的规定，收、发端通过 平衡双绞线对应相连，当在收端AB之间有大于 +200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于- 200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线 上的电平范围通常在200mV至6V之间 数据通信基础知识 RS-422电气规定电气规定 ： RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”， 它定义了接口电路的特性。RS-422

26、采用四线制接口。实 际上还有一根信号地线，共5根线。允许在相同传输线上 连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（ Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通 信，所以RS-422支持点对多的双向通信。 数据通信基础知识 RS-422的最大传输距离为1219米，最大传输速率 为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反 比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距 离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输 。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输 速率仅为1Mb/s。 RS-422需要接一终端电阻，要求其阻值约等于传 输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时

27、可不需终端 电阻，即一般在300米以下不需终端电阻。终端 电阻接在传输电缆的最远端。 数据通信基础知识 RS-485电气规定：电气规定： 由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485 许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、 都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线 与四线方式，如图a、b所示。其中四线制接口方式与 RS422完全一致，二线制则是由RXD+与TXD+合并为D+ ，RXD-与TXD-合并为D-。 数据通信基础知识 二线制可实现真正的多点双向通信。 而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通 信，即只能有一个主（Mast

28、er）设备，其余为从设备，但 它比RS-422有改进， 无论四线还是二线连接方式在总线 上都可接到32个设备。 数据通信基础知识 RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为 1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的 长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才 可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距 离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞 线最大传输速率仅为1Mb/s。 RS-485需要接2个终端电阻，其阻值要求等于传 输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终端 电阻，即一般在300米以下不需终端电阻。终端 电阻接在传输总线的两端。 数据通信基础知识 20m

29、A电流环接口电流环接口 采用电流控制，而不像RS232C标准那样用电压控制。电 流控制是把20mA电流作为逻辑“1”，零电流作为逻辑“0”。 电流环在许多方面比RS232C接口优越。它内在的双端传 输具有对共模噪音的抑止作用，而且由于他采用隔离技术 能消除接地回路引起的一些问题，因而他的连接距离比 RS232C长的多。 EIA把RS232C接口作为正式标准，而20mA电流环的文件 在目前还只是非正式标准。所以，大多说制造厂商都提供 RS232C串行接口。 因为RS232C和电流接口之间只在电气连接上存在差别， 所以两者可共用I/O接口，设计师常常为串行口提供2个不 同的连接器来利用这个公共口。

30、一个接到电流环，另一个 接到RS232C。 数据通信基础知识 IEEE-488总线接口方式 IEEE-488总线是并行总线接口标准，IEEE-488总线用来 连接系统，如微机、数字电压表、数码显示器等设备。它 按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式 为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而无需中介单元 ，总线上最多可连接15台设备，最大传输距离为20m，信 号传输速度一般为500Kb/s，最大传输速度为1Mb/s. 数据通信基础知识 IEEE-488总线接口方式 IEEE-488总线是并行总线接口标准，IEEE-488总线用来 连接系统，如微机、数字电压表、数码显示器等设备。它 按照

31、位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式 为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而无需中介单元 ，总线上最多可连接15台设备，最大传输距离为20m，信 号传输速度一般为500Kb/s，最大传输速度为1Mb/s. 数据通信基础知识 USB总线接口方式 通用串行总线USB（Universal Serial Bus)是由Intel、 Compaq 、Digital、IBM、 Microsoft、MEC、Northern Telecom等7个家著名的计算机和通信公司共同推出的一 种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单 、快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外 设范围的目的。它

32、可以为外设提供电源，而普通的使用串 、并口的设备往往需要单独的供电系统。USB技术的突出 特点是快速，USB的最高传输率可达12Mb/s。 数据通信基础知识 RJ45 型网线接口 RJ45 型插头又称水晶头，是各种不同接头的一种 类型（RJ11也是接头的一种类型，不过它是电话 上用的），共有八芯做成，广泛应用于局域网和 ADSL 宽带上网用户的网络设备间网线（称作五 类线或双绞线）的连接。 在具体应用时，RJ45 型插头和网线有两种连接方 法（线序），分别称作 T568A 线序和 T568B 线 序。 数据通信基础知识 RJ45 型网线接口 T568A 线序线序从18分别对应绿白、绿、橙白、蓝

33、、蓝 白、橙、棕白、棕。 T568B 线序从18分别对应橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、 绿、棕白、棕。 数据通信基础知识 使用RJ45接头的两个设备之间网线接法也有两种：交叉 式和直通式。 所谓交叉式是指网线的一端和另一端与 RJ45 网线插头的 接法不同，一端按 T568A 线序连接，另一端按 T568B 线 序连接，即有几根网线在另一端是先做了交叉才接到 RJ45 插头上去的。 适用的连接场合有： 1. 电脑电脑，对等网连接，即两台电脑之间只通 过一条网线连接就可以互相传递数据； 2. 集线器集线器； 3. 交换机交换机。 数据通信基础知识 所谓直通式是指网线的两端与RJ45 网线插头都按T5

34、68B 线序连接。 适用的连接场合有： 1. 电脑ADSL 调制解调器 2. ADSL调制解调器ADSL 路由器的 WAN 口 3. 电脑ADSL 路由器的 LAN 口 4. 电脑集线器或交换机 数据通信基础知识 10或100base tx RJ45接口引脚定义如下： PinNameDescription 1TX+Tranceive Data+ (发信号+) 2TX-Tranceive Data- (发信号-) 3RX+Receive Data+ (收信号+) 4n/cNot connected (空脚) 5n/cNot connected (空脚) 6RX-Receive Data- (收信

35、号-) 7n/cNot connected (空脚) 8n/cNot connected (空脚) 数据通信基础知识 差错控制技术差错控制技术 根据数据通信系统的模型，当数据从信源发出，经过通信 信道传输，由于信道总存在着一定的噪声，数据到达信宿 端后，接收的信号实际上是数据信号和噪声信号的叠加。 接收端在取样时钟作用下接收数据，并根据阈值电平判断 信号电平。如果噪声对信号的影响非常大时，就会造成数 据的传输错误。 数据通信基础知识 差错产生的原因差错产生的原因 在通信过程中出现的传输差错，是由随机差错和突发差错 共同构成的，而造成差错可能的原因包括： 在数据通信中，信号在物理信道上的线路本身

36、的电气 特性随机产生的信号幅度、频率、相位的畸形和衰减 ； 电气信号在线路上产生反射噪声的回波效应； 相邻线路之间的串线干扰； 大气中的闪电、电源开关的通断、自然界磁场的变化 以及电源的波动等外界因素。 数据通信基础知识 差错的控制差错的控制 目前差错控制常采用冗余编码方案，检测和纠正信息传输 中产生的错误。 冗余编码思想就是：把要发送的有效数据在发送时按照所 使用的某种差错编码规则加上控制码（冗余码），当信息 到达接收端后，再按照相应的校验规则检验收到的信息是 否正确。 差错编码主要分为差错检测编码和差错纠错编码两种。 其中差错检测编码主要有奇偶校验码和CRC循环冗余码。 差错纠错编码主要有

37、汉明码和卷积码等。 数据通信基础知识 奇偶校验码奇偶校验码 奇偶校验有两种类型：偶校验与奇校验。选择偶校验时， 如果一组给定数据位中 1 的个数是奇数，那么校验位就置 为1，从而使得总的 1 的个数是偶数。如果给定一组数据 位中 1 的个数是偶数，那么校验位就置为0，使得总的 1 的个数还是偶数。奇校验原理和偶校验一样，只是凑出1 的个数必须是奇数。接收机接收数据后重新计算收到字符 的奇偶性，并确定该字符是否出现传输差错。 奇偶校验只能发现单个比特差错，如果有两个或两个以上 比特出错，奇偶校验位无效。异步传输和面向字符的同步 传输均采用奇偶校验技术。 数据通信基础知识 循环冗余码循环冗余码CR

38、C 循环冗余码校验英文名称为Cyclical Redundancy Check，简称CRC。它是利用除法及余数的原理来作错误 侦测（Error Detecting）的。它将要发送的数据比特序列 当作一个多项式f(x)的系数，发送时用双方预先约定的生 成多项式G(x)去除，求得一个余数，将余数加到数据之后 发送到接收端，接收端同样用G(x)去除接收到的数据，进 行计算，然后把计算结果和实际接收到的余数进行比较， 相同的话表示传输正确。CRC校验检错能力强，容易实现 ，是目前应用最广的检错码编码方式之一。 数据通信基础知识 在国际标准中，根据生成多项式G(x)的不同，CRC又可分 为以下几种标准：

39、 CRC-12码: G(x)=X12+X11+X3+X2+X+1(即除数为 1100000001111) CRC-16码: G(x)=X16+X15+X2+1 CRC-CCITT码: G(x)=X16+X12+X5+1 CRC-32码： G(x)=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+ X5+X4+X2+X1+X+1 CRC-12码通常用来传送6-bit字符串，CRC-16及CRC- CCITT码则用是来传送8-bit字符，其中CRC-16为美国采 用，而CRC-CCITT为欧洲国家所采用。CRC-32码大都被 采用在一种称为Point-to-Point的

40、同步传输中。目前最常用 的是CRC-16码。 现场总线 什么是现场总线？ 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表 与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行 、数字式、多点通信的数据总线。 现场总线 现场总线与串口通信协议的异同 现场总线是在串口通信基础上建立起来的，很多现场总线 是以RS485为基础的。但现场总线并不等同于RS232、 RS485。 RS232、RS485只能代表通讯的物理介质层和链路层，如 果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通讯应用程序 ，程序不具备通用性。在RS232或RS485设备联成的设备 网中，如果设备数量超过2台，就必须使用RS485做通讯 介质，RS

41、485网只能进行主从通信，即只允许存在一个主 设备，其余全部是从设备。 现场总线是以ISO/OSI模型为基础的，具有完整的软件支 持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题 。现场总线设备自动成网，无主/从设备之分或允许多主 存在。在同一个层次上不同厂家的产品可以互换。 现场总线 现场总线的优点 （1）增强了现场级信息集成能力 现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的 满足工厂自动化系统的信息集成要求。现场总线是数字化 通信网络，它不单纯取代4-20mA信号，还可实现设备状 态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完 成远程参数化工作。 （2）开放式、互操作性、互换性、

42、可集成性 不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性 、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式 ，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工 艺流程、配方等集成到通用系统中去。 现场总线 现场总线的优点 （3）系统可靠性高、可维护性好 基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代 一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接 线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在 线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参 数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。 （4）降低了系统及工程成本 对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量

43、 的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工 程成本。 现场总线 现场总线的优点 （3）系统可靠性高、可维护性好 基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代 一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接 线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在 线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参 数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。 （4）降低了系统及工程成本 对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量 的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工 程成本。 现场总线 现场总线种类： 1）PROFIBUS现场总线 1996年3

44、月15日批准为欧洲标准，即DIN 50170 V.2。 PROFIBUS产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占 欧洲首位，年增长率25%。目前支持PROFIBUS标准的产 品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。 PROFIBUS主要应用领域有：制造业自动化：汽车制造（ 机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织。过程控制自 动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒。电力：发电、输 配电。楼宇：空调、风机、照明。铁路交通：信号系统。 现场总线 现场总线种类： 2）FF现场总线 1994年由ISP 基金会和World FIP(北美)两大集团 合并成立FF基金会，其宗旨在于开发出符合IEC

45、和ISO标准的、唯一的国际现场总线（Fundation Fieldbus）。 FF现场总线的应用领域以过程自动化为主。如： 化工、电力、废水处理、油田等行业。 现场总线 现场总线种类： 3） LONWORKS总线 LONWORKS现场总线全称为LONWORKS NetWorks,即分布式智能控制网络技术，希望推出 能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目 前LONGWORKS应用范围广泛，主要包括工业控 制、楼宇自动化、数据采集、SCADA系统等。国 内主要应用于楼宇自动化方面。 现场总线 现场总线种类： 4） CANBUS现场总线 CANBUS现场总线已由ISO/TC22技术委员会批准 为

46、国际标准IOS 11898（通信速率小于1Mbps） 和ISO 11519（通信速率小于125Kbps）。 CANBUS主要产品应用于汽车制造、公共交通车 辆、机器人、液压系统、分散型I/O。另外在电梯 、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有 所应用。 现场总线 现场总线种类： 6） P-NET现场总线 P-NET现场总线筹建于1983年。1984年推出采用多 重主站现场总线的第一批产品。1986年通信协议中加入了 多重网络结构和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重 接口产品。1987年P-NET标准成为开放式的完整标准，成 为丹麦的国家标准。1996年成为欧洲总线标准的一部分（

47、EN 50170 V.1）。1997年组建国际P-NET用户组织，现 有企业会员近百家，总部设在丹麦的Siekeborg，并在德 国、英国、葡萄牙和加拿大等地设有地区性组织分部。P- NET现场总线在欧洲及北美地区得到广泛应用，其中包括 石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业 等应用领域。 现场总线 现场总线种类： 6） P-NET现场总线 P-NET现场总线筹建于1983年。1984年推出采用多 重主站现场总线的第一批产品。1986年通信协议中加入了 多重网络结构和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重 接口产品。1987年P-NET标准成为开放式的完整标准，成 为丹麦的国

48、家标准。1996年成为欧洲总线标准的一部分（ EN 50170 V.1）。1997年组建国际P-NET用户组织，现 有企业会员近百家，总部设在丹麦的Siekeborg，并在德 国、英国、葡萄牙和加拿大等地设有地区性组织分部。P- NET现场总线在欧洲及北美地区得到广泛应用，其中包括 石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业 等应用领域。 现场总线 PROFIBUS现场总线 PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和 现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可 实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制 和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和 现场设备智能化提供了可行的解决方

49、案。 PROFIBUS由三个兼容部分组成，即： PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery） PROFIBUS-PA(Process Automation) PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。 现场总线 PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信，用于 设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用 PROFIBUS-DP可取代办24VDC或4-20mA信号传 输。PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传送 。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从 站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（ PLC）程序循环

50、时间短。除周期性用户数据传输 外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需 的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。 现场总线 PROFIBUSPA主要用于流程工业自动化领域。 它将自动化系统或过程控制系统与设备（如压力 、温度和液位变送器等）通过总线连接起来，并 解决它们之间的通信任务。PA采用IEC11582传 输技术，现场设备由总线供电，具有本质安全特 性。可用于有爆炸危险的区域。使用PROFIBUS PA可取代现行的420mA的模拟技术。 现场总线 PROFIBUS-FMS：主要用于车间（或单元）级的 通信网络，是一个令牌结构、实时多主网络。由 于这一级处在工厂自动化系统的中间

51、层，起承上 启下的作用，因此在这一级高性能的功能要求远 比系统的快速反应更为重要，通信的实时性要求 低于现场层。FMS除解决智能现场设备（如PLC 、PC、MMI等）之间的通信任务外，还提供了大 量的、强有力的管理和服务功能，以适应各种应 用需要。它也用于大范围和复杂的通信系统。 现场总线 PROFIBUS传输技术： 用于DP和FMS的RS485传输。 用于PA的IEC1158-2传输。 光纤 现场总线 用于DP/FMS的RS485传输技术 由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线 访问协议，因而这两套系统可在同一根电缆上同时操作。 RS-485传输技术基本特征： 网络拓扑：线性总

52、线，两端有有源的总线终端电阻。 传输速率：9.6K bit/s12M bit/s。 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（ EMC）。 站点数：每分段32个站（不带中继），可多到127个站（ 带中继）。 插头连接：最好使用9针D型插头。 现场总线 RS-485传输设备安装要点： （1） 全部设备均与总线连接。 （2） 每个分段上最多可接32个站（主站或从站）。 （3） 每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作 运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源。 现场总线 RS-485传输设备安装要点： （4） 当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接各 总线段。串联的中继器一般

53、不超过3个。 现场总线 RS-485传输设备安装要点： （5）电缆最大长度取决于传输速率。如使用A型电缆，则传 输速率与长度如下表： 波特率（K bit/s）96192937518755001500 12000 距离/段（M） 1200120012001000400200100 现场总线 RS-485传输设备安装要点： （6） RS-485的传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针 D型插头。 （7） 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在 高电磁发射环境下运行应使用带屛蔽的电缆，屏蔽可提高 电磁兼容性（EMC）。 （8）如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连 接，并通过尽可能的大

54、面积屏蔽接线来覆盖，以保持良好 的传导性。另外建议数据线必须与高压线隔离。 （9）超过500Kbit/s的数据传输速率时应避免使用短截 线段，应使用市场上现有的插头，可使数据输入和输出电 缆直接与插头连接，而且总线插头可在任何时候接通或断 开而并不中断其它站的数据通信。 现场总线 PROFIBUS总线存取协议 (1) 三种PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的总 线存取协议。该协议是通过OSI参考模型第二层（数据链 路层）来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协 议和报文处理。 (2) 在PROFIBUS中，第二层称之为现场总线数据链路层 （Fieldbus Data Link

55、FDL）。介质存取控制（Medium Access ControlMAC）具体控制数据传输的程序，MAC 必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。 现场总线 PROFIBUS总线存取协议 (3) PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的两个基 本要求： 在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证在确切 限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成 通信任务。 在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（从站）间通信， 应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。 因此，PROFIBUS总线存取协议，主站之间采用令牌传 送方式，主站与从站之间采用主从轮询方式。 现场总线 PROFIBUS

56、总线存取协议 (4) 令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内 得到总线存取权（令牌）。在PROFIBUS中，令牌传递仅 在各主站之间进行。 (5) 主站得到总线存取令牌时可与从站通信。每个主站均 可向从站发送或读取信息。因此，可能有以下三种系统配 置： 纯主从系统 纯主主系统 混合系统 现场总线 PROFIBUS总线存取协议 (6) 下图是一个由3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系 统。3个主站之间构成令牌逻辑环。当某主站得到令牌报 文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间 内，它可依照主从通讯关系表与所有从站通信，也可依 照主主通讯关系表与所有主站通信。 工业以太网

57、工业以太网 工业以太网遵循IEEE 802.3标准，提供了针对制造业控制 网络的数据传输的以太网标准。该技术基于工业标准，利 用了交换以太网结构，有很高的网络安全性、可操作性和 实效性，最大限度地满足了用户和生产厂商的需求。工业 以太网以其特有的低成本、高实效、高扩展性及高智能的 魅力，吸引着越来越多的工业用户。 工业以太网 以太网类型 目前的以太网按照传输速率大致分为以下四种： 1）10Base-T 以太网传输介质是铜轴电缆，传输速率 为10Mbit/s； 2） 100Base-T快速以太网传输速率为100Mbit/s，采 用光缆或双绞线作为传输介质，兼容10Base-T 以太网； 3）Gi

58、gabit 以太网扩展的以太网协议，传输速率为 1Gbit/s,采用光缆或双绞线作为传输介质，基于当前的以 太网标准，兼容10Mbit/s以太网和100Mbit/s以太网的交换 机和路由器设备； 4）10 Gigabit 以太网2002年6月发布，是一种速度更 快的以太网技术。支持智能以太网服务，是未来广域网（ WANWide Area Network）和城域网（MAN Metropolitan Area Network）的宽带解决方案。 工业以太网 工业以太网与传统以太网络的比较工业以太网与传统以太网络的比较 工业以太网技术是普通以太网技术在控制网络延伸的产物 ，前者源于后者但不同与前者。工业网络与传统办公室网 络相比，有一些不同之处。 工业以太网 工业现场对工业以太网产品的要求包括： 1)工业生产现场环境的高温、潮湿、空气污浊以及腐蚀性气 体的存在，要求工业级的产品具有气候环境适应性，并要 求耐腐蚀、防尘和防水。 2)工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的存在，需