《现场总线技术及应用》课件网络与数据通信基础

第二章网络与数据通信基础

现场总线把分散的智能现场设备变成网络节点，把他们连成可以相互通信、共同完成自动控制功能的网络系统和控制系统，所以现场总线系统实际上是控制领域中的计算机局域网络，是一个真正实现分散控制的系统。一、总线的基本概念

总线：传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。总线段：通过总线连在一起的一组设备。总线主设备：可在总线上发起信息传输的设备。总线从设备：不能在总线上主动发起通信，只能挂接在总线上。对总线信息进行接收查询的设备。第一节总线的基本概念与操作控制信号：（1）控制连在总线上的设备，让它进行所规定的操作，如设备清零，初始化，启动和停止等。（2）用于改变总线操作的方式，如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。（3）

表明地址和数据的含义，如对地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现了广播操作；对于数据，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。总线协议：管理主、从设备使用总线的一套规则。

二、总线操作的基本内容

总线操作：命令者与响应者之间的“连接－数据传送－脱开”这一操作序列称为一次总线“交易”或者叫做一次总线操作。通信请求：总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者给予注意并进行某种服务。

寻址过程：命令者与一个或多个从设备建立起联系

（1）

物理寻址：用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者。（2）

逻辑寻址：用于指定存储单元的某一个通用区，而并不顾及这些存储单元在设备中的物理分布。（3）广播寻址：用于选择多个响应者。

仲裁：用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。“定时”：总线操作用“定时”信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时候是有效的。“握手”：在异步总线系统中，命令者发出选通定时信号表明总线上的信息有效，响应者回送一个应答定时信号。

第二节通信系统简介一、通信系统的组成信息源信息接收者发送、接收设备传输介质

1.信息源：模拟信息源：幅度连续变化的信号离散信息源：离散的符号序列或文字2.发送设备：将信息源和传输介质匹配信道编码：数字信号与传输介质匹配信源编码：连续消息变换为数字信号3.接收设备：完成发送设备的反变换：解调、译码、解密等。4.传输介质：无线：电磁波、红外线有线：电缆、光缆、双绞线二、数据通信原理通信任务：传送数据或数据化信息。（一）

基本概念及术语1．数据信息：具有一定编码、格式和字长的数字信息被称为数据信息2．信息传输速率：信道在单位时间内传输的信息的数量。单位：bit/s（bps）3.误码率：是衡量数据传输系统在正常工作情况下传输可靠性的指标。它的定义是二进制位（码元）被传输出错的概率。在计算机网络中，误码率要求低于10-6（二）数据通信的通信方式：

单工，半双工和全双工

（1）单工（单向通信）信息只能沿单方向传输（2）半双工（双向互交通信）数据可以两个方向上传输，但在指定时刻，数据只能沿某一方向传输。由于传输方向不断交换，传送效率有所下降。（3）全双工（双向同时通信）可以同时向两个方向传送信息的通信方式，可以互相交换大量的信息。

（三）数据的编码技术

无论是数字数据还是模拟数据，均可用模拟信号或数字信号来发送或传输。模拟数据可以用模拟信号来表示；数字数据可以用模拟信号来表示；模拟数据可以用数字信号来表示；数字数据可以用数字信号来表示。2、数字数据的模拟信号表示

为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器(Modem)。

模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。

1、模拟数据的模拟信号表示数字调制（数字数据的模拟信号）的基本形式：幅移键控法ASK：用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态；频移键控法FSK：用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态；相移键控法PSK：用载波信号相位移动来表示二进制的两种状态；

数字调制的三种基本形式

3、模拟数据的数字信号表示

由于数字信号传输具有失真小、误码率低、费用低等优点，所以往往需将模拟数据以数字信号的形式传输。可以对模拟数据进行数字编码后进行传输，在接收端再译码后恢复为模拟数据。脉冲编码调制技术（PCM）增量调制技术（DM）脉冲编码调制技术（PCM）脉冲编码调制是以采样定理为基础。

PCM过程主要三步骤：1)采样—以采样频率Fs把模拟信号的值采出；2)量化—使连续模拟信号变为时间轴上的离散值；3)编码—将离散值变成一定位数的二进制数码。4、数字数据的数字信号表示

对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字。

1）非归零码NRZ；2）归零码RZ（建立的脉冲的持续时间短于一个二进制的宽度，是窄脉冲）；单极性NRZ双极性NRZ

单极性RZ双极性RZ

3）曼彻斯特编码（在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一次电平跳变，这个跳变既可作为同步信号，也可作为数据，从高到低跳变表示1，从低跳变到高表示0）；4）差分曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，在每一位的中间都有一次电平跳变，但这只提供时钟，而用每位的开始时有无电平的跳变来表示0或1）。2.基带传输与宽带传输基带传输：

基带传输将数据直接转换为脉冲信号加到电缆上传送出去。例如将数字1转换为高电位，数字0转换为低电位。基带传输只能用于近距离的传输，例如：麦克风与扩音机之间，录象机和电视机之间，计算机与打印机之间等。基带传输在长距离通信时，往往会产生畸变。

（四）数据传输技术1、串行传输与并行传输

宽带传输：

将数据加载到载波上送出去。一般用正弦波作为载波，根据数据内容是0或1改变载波的特性，通常改变载波的振幅、频率和相位。与基带网络一次只传输一个信号不同，宽带网络可以同时传输多个信号（多路复用技术）。例如有线电视就是一种宽-带网络，其电缆始终在为每个频道提供单独的信号。宽带上网的宽带是表示线路的传输带宽很宽，数据传输率很快。

3.异步传输与同步传输异步传输：一次只传输一个字符。每个字符用一位起始位0引导、一位停止位1结束。在没有数据发送时，发送方可发送连续的停止位。接收方根据“1”至“0”的跳变来判断一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。同步传输:将多个字符组合一起形成字符组，传送时在每个字符组前加两个或两个以上同步字符sync(组内每字符不加起止位），字符组后是结束控制字符，这样的组合称为一帧。收发方一般采用同一同步时钟。（五）数据交换方式

数据通信中，进行通信的两个设备通过传输介质直接连接一般不现实。常是通过网络的中间节点把数据从源设备发送到目标设备，这些节点不关心数据的内容，而是提供一个交换设备，用这个交换设备把数据从一个节点传到另一个节点直至目的地。线路交换方式报文交换方式报文分组交换方式交换网络的拓扑结构

1.线路交换方式

线路交换为一对需要进行通信的设备之间提供一条临时的实际物理通道，并为这对设备专用，数据交换结束后拆除。1)线路建立：在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。若H1站要与H3站连接，典型的做法是，H1站先向与其相连的A节点提出请求，然后A节点在通向C节点的路径中找到下一个支路。比如A节点选择经B节点的电路，在此电路上分配一个未用的通道，并告诉B它还要连接C节点；B再呼叫C，建立电路BC，最后，节点C完成到H3站的连接。这样A与C之间就有一条专用电路ABC，用于H1站与H3站之间的数据传输。

线路交换的三个过程2)数据传输：电路ABC建立以后，数据就可以从A发送到B，再由B交换到C；C也可以经B向A发送数据。在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态3)线路拆除：数据传输结束后，由某一方（A或C）发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。

ABCD发送呼叫信号传输1.交换2.发送呼叫信号传输1.交换2.发送呼叫信号传输1.作出反应2.发送回应信号例：电话系统特点:1.有通话的建立过程2.通话建立以后源与目的间有一条专用的通路存在线路交换和报文交换的流程图2、报文交换方式问题的提出：当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法的缺点是信道容量和有效时间的浪费。采用报文交换则不存在这种问题。

报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。

每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。因此，端与端之间无需先通过呼叫建立连接。

报文交换方式ADCB发送报文传输等待-发送传输等待-发送传输特点:1.无呼叫建立和专用通路2.存储-转发式的发送技术

(节点中需要缓冲存储,转发需要排队,所以不适于实时和交互式通信)3.报文分组交换方式特点:1.无呼叫建立和专用通路2.存储-转发式的发送技术3.将数据分成有大小限制的分组后发送

报文分组交换方式和报文交换方式类似，但传送的基本数据单位是报文分组，报文分组是一个完整的报文按顺序分割开来的比较短的数据组，所以传输时比较灵活，速度比较快，特别是传输错时，它只需重发出错的报文分组就行。第三节网络结构及传输

为了把分散控制系统中的各个组成部分连接在一起，常把整个通信系统的功能分成若干个层次去实现，每一个层次就是一个通信子网。资源子网：主机Host＋终端Ｔerminal

通信子网：通信链路组成

通信子网的特征：1.具有自己的地址结构2.可以采用自己的专用通信协议3.一个通信子网可以通过接口与其他网络互连，实现不同网络上的设备相互通信分散控制系统有以下几种通信：1.过程控制站中基本控制单元之间的通信。2.中央控制室中的人机接口设备与电子设备室高层设备之间的通信。3.现场设备和中央控制室设备之间的通信。一、通信系统的结构结构一：1.机柜子网：BCU间的通信。2.控制室子网：实现高层设备间的通信。3.厂级子网：控制室设备与现场设备之间的通信。结构二：1.局部子网：子系统内部或机柜内部通信。2.厂级子网：连接高层设备和局部子网。3.高端子网：高层设备间通信。二、通信网络的拓扑结构所谓通讯网络的拓扑结构是指通讯网络中各个节点相互连接的方式。拓扑结构决定了一对节点之间可以使用的数据通路，或称链路。在分散控制系统中应用较多的拓扑结构是星形、环形和总线形。1.星型结构

在星型拓扑中，每个站通过点-点连接到中央节点，任何两站中间通讯都通过中央节点进行。一个站要传送数据，首先向中央节点发出请求，要求与目的站建立联系，连接建立后才向目的站发送数据。中央节点结构非常复杂。一旦发生故障，整个系统陷于瘫痪，可靠性较低。2.环形结构：所有的节点通过链路组成一个环形，需要发送信息的节点将信息送到环上，信息在环上只能按某一确定方向传输。当信息到达接受节点时该节点识别信息中的地址与自己地址相同，就将信息取出，并加上确认标记。一边由发送节点清除。

优点：某一节点的故障可将该节点旁路，可靠性高。传输地单向的，链路控制简单，可采用双环。