工业现场网络通信技术应用及实践 课件 项目1-任务1.3-1.3.2 数据传输技术-1.3.6 差错控制

1.3.1数据通信的基本认知

1.3.2通信传输技术

1.3.3网络拓扑结构 1.3.4网络控制方法 1.3.5数据交换技术 1.3.6差错控制技术

1.3.7网络互联设备 1.3.8常用工业控制设备及通信 1.3.9现场总线控制网络1.3.10通信模型任务3现场总线通信认知项目1-工业现场网络通信技术认知串行传输和并行传输单向传输和双向传输同步和异步传输1.3.2数据传输技术一、数据传输的方式1、串行传输和并行传输

1）串行通信：计算机中的一个字节由8位二进制代码来表示。将准备传输的每个字节的二进制代码按照由低到高位的顺序，依次发送。一、数据传输的方式1.3.2数据传输技术基本概念

串行数据通信是以二进制的位为单位的数据传输方式，每次只传送一位。奇偶校验用硬件保证发送方发送的每一个字符的数据位和奇偶校验位中“1”的个数为偶数或奇数。接收方用硬件对接收到的每一个字符的奇偶性进行校验，可以检验出传送过程中的错误。可以设置为无奇偶校验。

传输速率单位为bit/s或bps，即每秒传送的二进制位数。1、串行传输和并行传输

1）串行通信一、数据传输的方式应用场合：适合远距离传输

在分散控制系统中数据通信网络几乎全部采用串行通信。优点：简单、成本低、距离远缺点：效率低1.3.2数据传输技术1、串行传输和并行传输2）并行传输:一、数据传输的方式同时传输一组比特，每个位用一个线路通道，传送一个字节需要8个通道，8条线。1.3.2数据传输技术1、串行传输和并行传输2）并行传输:一、数据传输的方式应用场合：短距离传输。一般用于控制器内部的各元件之间、主机与扩展模块或近距离智能模块之间的数据处理。缺点：若数据位数较多、传送距离较远时，则线路复杂，成本较高且干扰大，不适合远距离传送。优点：传输效率高并行数据通信：

以字节或字为单位的数据传输方式，在工业通信中很少用。1.3.2数据传输技术2、单向传输和双向传输串行通信按信息在设备间的传送方向可分为：单工半双工全双工一、数据传输的方式1.3.2数据传输技术（1）单工通信：单向通信。即只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。（2）半双工通信：双向交替通信。即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（或同时接收），这种通信方式往往是一方发送另一方接收，例如无线对讲机。（3）全双工通信：双向同时通信。即通信双方可以同时发送和接收信息，例如电话。异步传输与同步传输：按时钟分。在异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都有自己的起始位和停止位，每个字符中的各个位是同步的，相邻两个字符传送数据之间的停顿时间长短是不确定的，它是靠发送信息时同时发出字符的开始和结束标志信号来实现的。3、同步和异步传输一、数据传输的方式1.3.2数据传输技术异步传输：简单便宜，但每个字符有2-3个位的额外开销，传输效率低，主要用于中、低速场合3、同步和异步传输一、数据传输的方式1.3.2数据传输技术同步传输：

同步通信的数据传输是以数据块为单位的，字符与字符之间、字符内部的位与位之间都同步；每次传送1～2个同步字符、若干个数据字节和校验字符；同步字符起联络作用，用它来通知接收方开始接收数据。在同步通信中发送方和接收方要保持完全的同步，即发送方和接收方应使用同一时钟频率。

由于同步通信方式不需要在每个数据字符中加起始位、校验位和停止位，只需要在数据块之前加一两个同步字符，所以传输效率高，但对硬件要求也相应提高，主要用于高速通信。3、同步和异步传输一、数据传输的方式1.3.2数据传输技术

所谓接口就是微处理器与外围设备之间的连接电路，它是两者之间进行信息交换时的必要通路，不同的外设有不同的输入/输出接口电路。例如，键盘输入有键盘接口电路，CRT显示器有显示器输出接口电路，打印机也有打印输出接口电路等等.

二、接口标准1.3.2数据传输技术

接口标准是指外设接口的规范和定义，它涉及外设接口的信号线定义、传输速率、传输方向、拓朴结构、电气和机械特性等方面。二、接口标准1.3.2数据传输技术接口标准的一般特点：1）专用性，一种接口只连接一类设备，不能混用；2）一般在机箱外，以插头或插座形式提供；3）信号传输形式既有并行传输又有串行传输；4）定义信号线较少，且种类不多。二、接口标准1.3.2数据传输技术1、RS-232C串行通信接口标准RS-232C是数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口标准，是在微机接口应用中常用的一种串行通信总线标准，全称为EIA—RS—232C标准（ElectoronicIndustrialAssociateRecommendedStandard—232C）

二、接口标准1.3.2数据传输技术

RS-232C接口引脚功能2、RS-422A串行通信接口标准

针对RS-232C的不足提出的二、接口标准1.3.2数据传输技术RS-422A标准接口

RS-422A通过传输线驱动器，把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过传输线接收器，把电位差转变成逻辑电平，实现终端的信息接收。RS-422A比RS-232C传输信号距离长，速度快，传输率最大为10Mbit/s，在此速率下电缆允许长度为120m。如果采用较低传输速率，如90000波特率时，最大距离可达1200m。RS-422A标准接口

RS-422A每个通道要用二条信号线，如果其中一条是逻辑“1”状态，另一条就为逻辑“0”，若传输过程中，信号中混入了干扰和噪声（以共模形式出现），由于差分器的作用，就能识别有用信号并正确接收传输的信息，并使干扰和噪声相互抵消。RS-422电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器几部分组成。在电路中规定只许有一个发送器，可有多个接收器，因此通常采用点对点通信方式。该标准允许驱动器输出为±2V～±6V，接收器可以检测到的输入信号电平可低到200mV。

RS-232C即是一种电气标准，又是一种物理接口功能标准，而RS-422A仅是一种电气标准。

PC机不带RS-422A。因此要使用RS-232/RS-422A转换器，把RS-232C接口转换成RS-422A接口。RS-422RS-422A采用平衡驱动、差分接收电路，因为接收器是差分输入，两根线上的共模干扰信号互相抵消。在最大传输速率10Mbit/s时，最大通信距离为12m。传输速率为100kbit/s时，通信距离为1200m，最多支持32个节点。RS-422是全双工，用4根导线传送数据，可以同时发送和接收。传输速率与通信距离是什么关系？3、RS-485串行通信接口标准

RS-485是RS-422A的变型。RS-422A用于全双工，采用两对平衡差分信号线；而RS-485则为半双工，采用一对平衡差分信号线。RS-485对于多站互连是十分方便的，允许最多并联32台驱动器和32台接收器。二、接口标准1.3.2数据传输技术RS-485电气特性RS-485的信号传输采用两线间的电压来表示逻辑“1”和逻辑”0”，由于收发方需要两根传输线，数据采用差分传输，所以干扰抑制性好。又因无接地问题，所以传输距离可达1200米，传输速率可达1Mbps。总线两端要接匹配电阻。驱动器输出电平在-1.5V以下时为逻辑“1”，在+1.5V以上时为逻辑“0”。接收器输入电平在-0.2V以下时为逻辑“1”，在+0.2V以上为逻辑“0”。普通的PC机一般不带RS-485接口，因此要使用RS-232/RS-485转换器。RS-485RS-485是RS-422的变形，RS-485为半双工，对外只有一对平衡差分信号线，通信的双方在同一时刻只能发送数据或只能接收数据。使用RS-485通信接口和双绞线可以组成串行通信网络。总线上可以连接32个站RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

⊙RS-485的数据最高传输速率为10Mbpsrs-485最大的通信距离约为1200m，最大传输速率为10Mb/s，传输速率与传输距离成反比，在100kb/s的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。rs-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即采用一条总线将各个节点串接起来，rs-485总线一般最大支持32个节点4、RJ45接口标准

​RJ45接口通常用于数据传输，最常见的应用为网卡接口。二、接口标准1.3.2数据传输技术4、RJ45接口标准RJ45接线方法RJ45由插头和插座组成RJ45型网线插头又称水晶头，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。RJ45型网线插头引脚号的识别方法是：手拿插头，有8个小镀金片的一端向上，有网线装入的矩形大口的一端向下，同时将没有细长塑料卡销的那个面对着你的眼睛，从左边第一个小镀金片开始依次是第1脚、第2脚、…、第8脚。4、RJ45接口标准T568B线序的适用范围RJ45型网线插头各脚与网线颜色标志的对应关系是：插头脚号网线颜色1————橙白2————橙3————绿白4————蓝5————蓝白6————绿7————棕白8————棕

传输介质也称传输媒质或通信介质，是指通信双方用于彼此传输信息的物理通道。三、传输介质通常分为：有线传输介质无线传输介质两大类有线传输介质使用物理导体提供从一个设备到另一个设备的通信通道；无线传输介质不使用任何人为的物理连接，通过空间来广播传输信息。1.3.2数据传输技术三.传输介质1.3.2数据传输技术

三.传输介质1、双绞线双绞线(twistedpair，TP)是一种综合布线工程中最常用的传输介质，是由两根具有绝缘保护层的铜导线组成的。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离，信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。实际使用时，双绞线是由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里的，及双绞线电缆，但日常生活中一般把"双绞线电缆"直接称为"双绞线"。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消，有效降低信号干扰的程度。

三.传输介质1、双绞线

网线是双绞线的一种，双绞线包括但不限于网线。双绞线由8根不同颜色的线分成4对绞合在一起，成对扭绞的作用是尽可能减少电磁辐射与外部电磁干扰的影响。网络中最常用的是三类线和五类线，目前已有六类以上的。在EIA／TIA－568标准中，将双绞线按电气特性区分为：三类、四类、五类线。网线的制作与测试网线的制作与测试网线的制作与测试

2、同轴电缆同轴电缆(CoaxialCable)是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。最常见的同轴电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成，在里层绝缘材料的外部是另一层环形导体及其绝缘体，然后整个电缆由聚氯乙烯或特氟纶材料的护套包住。三、传输介质1.3.2数据传输技术

三.传输介质2、同轴电缆75Ω同轴电缆常用于CATV网，故称为CATV电缆，传输带宽可达1GHz，目前常用CATV电缆的传输带宽为750MHz。50Ω基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆。50Ω同轴电缆主要用于基带信号传输，传输带宽为1～2OMHz，总线型以太网就是使用50Ω同轴电缆，在以太网中，50Ω细同轴电缆的最大传输距离为185米，50Ω粗同轴电缆可达1000米。

三.传输介质3、光缆光缆(opticalfibercable)是为了满足光学、机械或环境的性能规范而制造的，它是利用置于包覆护套中的一根或多根光纤作为传输媒质并可以单独或成组使用的通信线缆组件。光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆芯，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路。即：由光纤（光传输载体）经过一定的工艺而形成的线缆。1.3.2数据传输技术

三.传输介质3、光缆组成：由光导纤维（细如头发的玻璃丝）和塑料保护套管及塑料外皮构成。即由加强芯和缆芯、护套和外护层3部分组成。光缆的基本结构一般是由缆芯、加强钢丝、填充物和护套等几部分组成，另外根据需要还有防水层、缓冲层、绝缘金属导线等构件光缆内没有金、银、铜铝等金属，一般无回收价值。光缆缆芯结构有单芯型和多芯型两种：单芯型有充实型和管束型两种；多芯型有带状和单位式两种。外护层有金属铠装和非铠装两种。

三.传输介质3、光缆优点：光纤通信是现代信息传输的重要方式之一。具有更宽的带宽和梗高的传输速率容量大中继距离长保密性好不受电磁干扰节省铜材等优点。价格高1.3.3网络拓扑结构现场总线的网络拓扑结构有以下四大类：环形拓扑结构树型拓扑结构星形拓扑结构总线型拓扑结构最基本的网络拓扑结构有：环形拓扑、星形拓扑、总线拓扑总线型拓扑结构总线拓扑结构：将网络中的所有设备通过相应的硬件接口直接连接到公共总线上，结点之间按广播方式通信，一个结点发出的信息，总线上的其它结点均可“收听”到。优点：结构简单、布线容易、可靠性较高，易于扩充，是局域网常采用的拓扑结构。缺点：所有的数据都需经过总线传送，总线成为整个网络的瓶颈；出现故障诊断较为困难。例如：最著名的总线拓扑结构是以太网（Ethernet）。1.3.3网络拓扑结构星型拓扑结构每个结点都由一条单独的通信线路与中心结点连结。优点：结构简单、容易实现、便于管理，连接点的故障容易监测和排除。缺点：中心结点是全网络的可靠瓶颈，中心结点出现故障会导致网络的瘫痪。1.3.3网络拓扑结构环形拓扑结构各结点通过通信线路组成闭合回路，环中数据只能单向传输。优点：结构简单，适合使用光纤，传输距离远，传输延迟确定缺点：环网中的每个结点均成为网络可靠性的瓶颈，任意结点出现故障都会造成网络瘫痪，另外故障诊断也较困难。1.3.3网络拓扑结构现场总线的网络拓扑结构有以下四大类：树型拓扑结构是一种层次结构，结点按层次连结，信息交换主要在上下结点之间进行，相邻结点或同层结点之间一般不进行数据交换。优点：连结简单，维护方便，适用于汇集信息的应用要求。缺点：资源共享能力较低，可靠性不高，任何一个工作站或链路的故障都会影响整个网络的运1.3.3网络拓扑结构1.3.4网络控制方法

网络控制方法是指在网络通信中使信息从发送装置迅速而正确地传送到接收装置管理机制。常用的网络控制方法有以下3种。（1）令牌方式（2）争用方式（3）主从方式1）令牌方式。只有得到令牌的节点，才有权控制和使用网络，用于总线型和环形网络。令牌是一组特定的二进制代码，它按照事先排列的某种逻辑顺序沿网络而行，令牌有空、忙两种状态，开始时为空闲；节点只有得到空令牌时才具有信息发送权，同时将令牌置为忙。令牌沿网络而行，当信息被目标节点取走后，令牌被重新置为空。1.3.4网络控制方法2）争用方式网络中的各节点自由发送信息,但两个以上的节点同时发送会有冲突需要加以约束,常采用CSMA/CD方式即载波监听多路访问/冲突检测,是一种分布式介质访问控制协议,网中的各个节点都能独立的决定数据的发送与接收，常用于网络型总线。3）主从方式网络中的主站周期性地轮询各从站节点是否需要通信,被轮询的节点允许与其它节点通信,多用于信息量少的简单系统。适用于星形网络结构或具有主站的总线型网络拓扑结构。1.3.4网络控制方法数据交换技术是网络的核心技术。在数据通信系统中通常采用的数据交换方式:线路交换报文交换分组交换

1.3.5数据交换方式使用线路（电路）交换（CircuitSwitching）方式，就是通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的通信线路。按照某种方式动态地分配传输线路的资源。最普通的线路交换例子是电话系统。线路交换方式过程：（1）线路建立（2）数据传送（3）线路拆除线路交换

报文交换不需要事先建立实际的物理连接，而是经由中间节点的存储转发功能实现数据交换，因此有时又将其称为存储转发方式。报文交换

报文交换方式的传输对象是报文，长度不限且可变，报文中包括要发送的正文信息、收发站的地址及其它控制信息。

报文交换比线路交换有以下优点：（1）线路效率较高，因为许多报文可以分时共享一条节点到节点的通道。（2）不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前，暂时存储这个报文。（3）在线路交换网上，当通信量变得很大时，就不能接受某些呼叫。（4）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地。（5）根据报文的长短或其他特征能够建立报文的优先权，使得一些短的、重要的报文优先传递。（6）报文交换网可以进行速度和代码的转换。

缺点：延时长，不能满足实时交互式的通信要求。报文交换

分组交换（PacketSwitching）试图兼有报文交换和线路交换的优点，而使两者的缺点最少。分组交换与报文交换的工作方式基本相同，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度。如何管理这些分组流呢?目前有两种方法：数据报和虚电路。

分组交换

在数据报方法中把一个完整的报文分割成若干报文分组，并为每个报文分组编好序号，以便确定他们的先后次序，报文分组称为数据报。每个数据包被独立地处理，就像在报文交换中每个报文被独立地处理那样，每个节点根据一个路由选择算法，为每个数据包选择一条路径，使它们的目的地相同。这样，接收站所收到的数据报顺序可能是杂乱无章的，接收站必须按照数据报中的序号重新排序，以便恢复原来的顺序。

分组交换

在虚电路中，数据在传送以前，发送和接收双方在网络中建立起一条逻辑上的连接，但它并不是像电路交换中那样有一条专用的物理通路，该路径上各个节点都有缓冲装置，服从于这条逻辑线路的安排，也就是按照逻辑连接的方向和接收的次序进行输出排队和转发，这样每个节点就不需要为每个数据包作路径选择判断，就好像收发双方有一条专