《现场总线机工业控制网络》课件-第2章 数据通信与控制网络基础

1现场总线及工业控制网络第2章数据通信与控制网络基础本章主要内容۞

2.1

数据通信۞

2.2通信系统的性能指标۞

2.3数据编码۞

2.4

通信线路的工作方式۞

2.5差错控制۞

2.6通信参考模型۞

2.7介质访问控制方式۞

2.8控制网络的特性数据通信：两点或多点之间借助某种传输介质以二进制形式进行信息交换的过程，它是计算机与通信技术结合的产物。数据通信系统组成：由数据信息的信息源、发送设备、传输介质、接收设备、信息接收者等几部分构成۞

2.1

数据通信信源发送器信道接收器信宿噪声广义通信模型：信息源与信息接收者发送和接收设备信息源：信息源是信息的生产者。分为模拟信息源和离散信息源。信息接收者：信息的接收者是信息的使用者。在数字通信系统中传输的信息是数据，是数字化了的信息。发送设备：用于匹配信息源和传输介质。接收设备：需要发送设备的反变换，从带有干扰的信号中正确恢复出原有信号，并进行解码、解密等。传输介质有线：电缆、光缆、双绞线、光纤无线：电磁波、红外线通信软件报文：需要传送的信息称报文。通信协议：通信设备之间控制数据通信与理解通信数据的一组规则。۞

2.2通信系统的性能指标通信系统的性能指标主要包括：信息传输的有效性、可靠性、适应性、经济性、保密性、标准性及维护使用方便等。有效性指标：码元传输速率：简称码元速率，单位时间内即每秒传输的码元数，单位为波特（Baud）。

信息传输速率：简称信息速率（传信率、比特率），单位时间即每秒钟内传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s）。频带利用率：定义为单位频带内所能实现的码元速率或信息速率，单位为Band/Hz。

可靠性指标：

误码率Pe：二进制码元在数据传输系统中被传错的概率。

Pe=接收错误的码元数/传输的码元总数

误信率Pb：码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。

Pb=错误的信息数/传输的信息总数通信系统的有效性和可靠性两者之间是相互联系、相互制约的，可通过降低有效性的方法来提高系统的可靠性，或反之。۞

2.3数据编码编码方式：采用最广泛的编码是美国标准信息交换码(AmericanStandardCodeforInformationIntercharge，ASCII)。0123456789ABCDEF01234567What？Ha…Isee!Awonderfulplace.Let’sgo!ASCII的编码信息传输数字编码波形分为单极性码、双极性码、归零码、非归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。单极性码:信号电平是单极性的编码。双极性码:信号电平为正、负两种极性。归零码：在每一位二进制信息传输之后返回到零电平的编码称为归零码。非归零码：整个码元时间内都维持有效电平，称为非归零码。۞

2.3数据编码单极性非归零码和单极性归零码双极性非归零码和双极性归零码几种数据编码波形差分码:用每个周期起点电平变化与否来代表逻辑“1”和逻辑“0”的编码。电平变化代表“1”，不变化代表“0”，按此规定的编码方式形成的编码称为差分码。差分码按初始状态为高电平或低电平，有截然相反的两种波形。差分码几种数据编码波形几个“0”晕！曼彻斯特编码:在曼彻斯特码中，把时间划为等间隔的小段，其中每小段代表一个比特（即一位）。每个比特时间又被分为两段，前半个时间段所传输的信号是该时间段传送比特值的反码；后半个时间段传送的是比特值本身。曼彻斯特编码过程与波形几种数据编码波形差分曼彻斯特编码:是曼彻斯特编码的一种变形。它既具有曼彻斯特编码在每个比特时间间隔中间信号一定会发生跳变的特点，也具有差分码用电平变化代表“1”，不变化代表逻辑“0”的特点。曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码的波形分析：差分码、差分曼彻斯特码的好处？几种数据编码波形۞

2.4通信线路的工作方式半双工通信：可以双向传输，但同一时间内只能单向传输；全双工通信：允许在同一时刻两个方向同时进行数据传输。单工通信：信息流只能沿一个方向传输，不能反向传输；۞

2.5差错控制⑴差错的检测方法：①冗余。②回送。③精确计数编码（可规定每个字符中的“1”的数量是相同的，接收端中校验‘1’的个数)。④奇偶校验（多加1个位，用于添“1”，若“1”的总数为偶数叫做偶校验，为奇数叫做奇校验。）。⑤求校验和（发送前将数据按位求和，附在发送数据信息之后）。⑥循环冗余校验（CRC）。⑵差错的纠正方法：重新传输、前向差错纠正（FEC）、CRC检错码。CRC检错码的工作原理：将要发送的数据位序列当做一个多项式的系数，在发送方用收发双方预先约定的生成多项式去除，求得一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式之后再发送到接收端。接收端用同样的生成多项式去除接收数据多项式，得到计算余数多项式。如果计算余数多项式跟接收余数多项式相同，则表示传输无差错；如果计算余数多项式不等于接收余数多项式，则表示传输有差错，由发送方重发数据，直至正确为止。۞

2.5差错控制۞

2.6通信参考模型OSI参考模型:OSI参考模型把开放系统的通信功能划分为7个层次。从连接物理介质的层次开始，分别赋予1、2、…、7层的顺序编号，相应的称之为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。TCP/IP参考模型:TCP/IP参考模型分为主机至网络层、互联网层、传输层和应用层。现场总线的通信模型:为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通信模型大多都在OSI模型基础上进行了不同程度的简化。۞

2.7介质访问控制方式载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）:采用载波监听多路访问/冲突检测的介质访问控制方式时，网络上的任何节点都没有预定的通信时间，节点随机向网络发起通信。介质访问控制的令牌方式:这种方法按一定的顺序在各站点间传递令牌，得到令牌的节点才有发起通信的权力，从而避免了几个节点同时发起通信而产生的冲突。۞

2.7介质访问控制方式时分复用（TDM）：时分复用对每个节点预先分配好特定的一段时间，让每个节点在这段时间内占有总线。多个节点按划分的时间顺序占用总线的工作方式称为时分多路复用。并行时间域多路存取（CTDMA）：并行时间域多路存取所发送的报文按内容辨识，当节点接收数据时，仅需识别与此报文相关联的特定标识符，数据包不再需要目的地址，数据源只需将数据发送一次。多个需要该数据的节点通过在网上识别此标识符，同时从网络中获取来自同一生产者的报文数据，因而称之为并行时间域多路存取。۞

2.8控制网络的特性控制网络属于一种特殊类型的计算机网络，是用于完成自动化任务的网络系统。从控制网络节点的设备类型、传输信息的种类、网络所执行的任务、网络所处的工作环境等方面，控制网络都有别于由普通PC机或其它计算机构成的数据网络。控制网络的节点：大多都是具有计算与通信能力的测量控制设备，它们可能具有嵌入式CPU，但功能比较单一，其计算与其它能力也许远不及普通PC机，没有键盘、显示等人机交互接口，甚至不带有CPU、单片机，只带有简单的通信接口。۞

2.8控制网络的特性控制网络的任务与工作环境：任务：控制网络要将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，在把生产现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令等送往位于现场的测量控制现场设备中，起着现场及控制设备之间数据联系与沟通的作用。工作环境：与工作在办公室的普通计算机网络不同，控制网络要面临工业生产的强电磁干扰、各种机械振动和严寒酷暑的野外工作环境，因此要求控制网络能适应此类恶劣的工作环境。۞

2.8控制网络的特性控制网络的实时性要求：

控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足对控制的实时性要求。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新，这种对动作时间有实时性要求的系统称为实时系统。

实时系统的运行不仅要求系统动作在逻辑上的正确性，同时要求满足时限性。实时系统又分为硬实时和软实时两类。硬实时系统要求实时任务必须在规定的时限完成，否则会产生严重的后果；而软实时系统中的实时任务在超过了截止期后的一定时间内，系统仍可以执行处理。数据通信性能指标