工业控制网络技术443

第一章现场总线与控制网络系统概述1.1、控制系统的发展历程和趋势1.2、控制网络与现场总线基本概念1.3、控制网络与现场总线技术特点1.4、网络化控制系统1.5、典型的现场总线介绍

50年代前的气动信号控制PCS称作第一代（气动）4～20mA等模拟信号控制系统称为第二代（模拟）数字计算机集中式控制系统（DDC）称为第三代（集中+数字控制）集散控制系统DCS称作第四代;（分级）现场总线控制系统（FCS）称为第五代（分布）以太网络的控制系统称为第六代（分布和开放）1.1、控制系统发展历程和趋势一、控制系统的发展历程（分为6代）1、直接数字控制系统（DirectDigitalControl简称DDC）

1.1、控制系统发展历程和趋势

直接数字控制系统是计算机控制系统极为广泛的一种应用形式。此类系统中计算机除经过输入通道对多个过程参数进行巡回检测、采集外，还代替模拟调节系统中的模拟调节器，按预定的调节规则进行调节运算，然后将运算结果通过过程输出通道提供给执行机构，以实现多回路调节的目的，其硬件组成原理框图如图1所示。

1.1、控制系统的发展历程和趋势

图1直接数字控制系统1.1、控制系统的发展历程和趋势工业PC+内插板卡（16位A/D+12位的D/A+定时器卡+计数卡）

检测信号（输入）液位液位计（4-20mA）+电磁流量计（4-20mA电流信号—流速）或旋涡式流量计（脉冲信号）控制信号（输出）调节阀（4-20mA）+电磁气动阀（开关信号0V—24V）+继电器（开关信号0V—24V）1.1、控制系统的发展历程和趋势缺点：当控制回路多时，连线多，可靠性差，操作性和可视性差。1.1、控制系统的发展历程和趋势

集散控制系统（DCS）的核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机（现场控制站）下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。2、集散式控制系统（DistributeControlSystem简称DCS）DCS的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷，既实现了地理上和功能上分散的控制，又通过高速数据通道把各个分散点的信息集中监视和操作，并实现高级复杂规律的控制1.1、控制系统的发展历程和趋势1.1、控制系统的发展历程和趋势1.1、控制系统的发展历程———这就引出了基于现场总线的控制系统

集散控制系统(DCS)

优点：信息集中，控制（危险）分散缺点：成本高，结构复杂，无兼容性，当控制回路多时，连线多,没有做到真正的分布式，且互换性差。1.1、控制系统的发展历程和趋势

现场总线控制系统（FCS）作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。3、现场总线控制系统（FieldBusControlSystem，FCS）

在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。它是属于最底层的网络系统，是网络化的全分布控制系统1.1、控制网络与现场总线的发展历程1.1、控制网络与现场总线的发展历程现场总线控制系统(FCS)优点：开放、分散和可互操作缺点：（a）现场总线标准过多（b）各类现场总线之间不能兼容（c）现场总线的速度较低（d）现场总线需专用实时通信网络—这就引出了基于工业以太网的控制系统

1.1、控制系统的发展历程和趋势4、工业以太网控制系统

目前以太网控制网络正在工业自动化和过程控制市场迅速增长。以太网具有其它网络无法比拟的优势，主要体现在：1.1、控制系统的发展历程和趋势（1）开放性：采用公开的标准和协议。（2）平台无关性：可以选择不同厂家、不同类型的设备和服务。（3）提供多种信息服务：提供E-mail、www、FTP等多种信息服务。（4）图形用户界面：统一、友好、规范化的图形界面，操作简单，易学易用。1.1、控制系统的发展历程和趋势（5）信息传递快速准确：信息传递快速、准确。（6）易于实现多现场总线的集成：相互包容，多种现场总线集成起来协同完成测控任务。（7）易于实现多系统集成：以太控制网络容易与信息网络集成，组成统一的企业网络。（8）易于实现多技术集成：Ethernet技术、TCP/IP技术、现场总线设备管理技术和无线通信技术的集成。

1.1、控制系统的发展历程和趋势1.1、控制系统的发展历程和趋势工业以太网控制系统优点：（a)保持DCS和FCS的优点但克服它们的缺点 (b)达到宽广地域的远程监视与控制(c)可直接实现“E网到底”的网络化控制缺点：多种工业以太网标准共存，降低了互可替换性和互操作性。1.1、控制系统的发展历程和趋势二、控制系统的发展趋势1、随着微型计算机技术及超大规模集成电路技术和通信网络技术的发展，为计算机用于工业生产过程创造了良好的条件，工业控制逐步地从模拟控制、单机的监控、直接数字控制（DDC）、集散型控制系统（DCS）发展到现场总线控制系统（FCS）和计算机集成制造系统（CIMS）。1.1、控制系统的发展历程和趋势二、控制系统的发展趋势2、DCS、PLC和工业控制计算机正在相互渗透发展，扩大各自的应用领域。一般流程工业的控制一般选用集散型控制系统（DCS），离散型制造业的控制采用可编程序控制器（PLC）更为合适，随着DCS和PLC相互渗透发展继而扩大自己的应用领域，将出现DCS和PLC融合于一体的集成过程控制系统。1.1、控制系统的发展历程和趋势二、控制系统的发展趋势3、现代通信与网络技术在现代控制领域广泛渗透对计算机控制网络提出了新的技术要求。主要体现在，系统的开放性与数字式互连网络性，实现系统的全分散智能控制；现场设备的智能化与功能自治性；互操作与互用性；对现场环境的适应性；很高的实时性与良好的时间确定性；很强的容错能力与高可靠性、高安全性；高度的集成性（包括系统的集成与技术的集成）。

1.1、控制系统的发展历程和趋势

工业控制网络采用Ethernet技术，将成为工厂底层控制网络的信息传输主干，用以连接系统监控设备和现场智能设备，最为典型的是Ethernet+TCP/IP的传感器、变送器可以直接成为网络的节点。另外仪器仪表向智能化方向发展，将产生智能仪器仪表，仪器仪表网络化，将产生网络仪器与远程测控系统。1.1、控制系统的发展历程和趋势

这种基于无线技术的网络化智能传感器使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线局域网技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。4、计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了“基于无线技术的网络化智能传感器”的全新概念。1.1、控制系统的发展历程和趋势5、工业控制软件正向先进控制方向发展，工业控制软件主要包括人机界面软件、控制软件以及生产管理软件等。目前，我国已开发出一批具有自主知识产权的实时监控软件平台、先进控制软件、过程优化控制软件等成套应用软件。作为工控软件的一个重要组成部分，国内人机界面组态软件研制方面近几年取得了较大进展，软件和硬件相结合，为企业测、控、管一体化提供了比较完整的解决方案。1.2、控制网络与现场总线的基本概念1、现场总线：（1）现场总线(Fieldbus)定义：是一种数字化的串行双向通信系统。这一技术可将所有的现场设备(如传感器、执行机构、驱动器等)与控制器用一根电缆连接在一起，形成现场设备级、车间级的数字化通信网络，可完成现场状态监测、控制、远程传输等功能。使用现场总线技术不但提高了通信能力和系统运行的可靠性，而且节省了系统安装时的布线费用和硬件费用，并更加容易对系统进行管理和维护。1.2、控制网络与现场总线的基本概念（2）现场总线（Fieldbus）的发展过程：现场总线是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。

它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。现场总线遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。FCS则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统1.2、控制网络与现场总线的基本概念

国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点;具有一定的时间确定性和较高的实时性要求;还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。

目前，现场总线控制网络受到普遍重视，发展很快。从技术上来说，较好地解决了物理层与数据链路层中媒体访问控制子层以及设备的接入问题。有影响的现场总线有：CAN、Profibus、基金会现场总线FF，LonWorks,WorldFIP,和HART。1.2、控制网络与现场总线的基本概念2、控制网络本课程讨论的控制网络是包括现场总线的更广泛的概念和技术。控制网络技术源于计算机网络技术，与一般的信息网络有很多共同点，但又有不同之处和独特的地方。由于工业控制系统特别强调可靠性和实时性，所以，应用于测量与控制的数据通信不同于一般电信网的通信，也不同于信息技术中一般计算机网络的通信。控制网数据通信以引发物质或能量的运动为最终目的。1.2、控制网络与现场总线的基本概念用于测量与控制的数据通信网络的主要要求如下：允许对实时响应的事件进行驱动通信；具有很高的数据完整性；在电磁干扰的情况下能正常工作；多使用专用的通信网等。1.2、控制网络与现场总线的基本概念

①控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。一般来说，过程控制系统的响应时间要求为0.01～0.5s，制造自动化系统的响应时间要求0.5～2.0s，信息网络的响应时间要求为2.0～6.0s。在信息网络的大部分使用中实时性是可以忽略的。

控制网络与信息网络的具体不同如下：1.2、控制网络与现场总线的基本概念控制网络与信息网络的具体不同如下：②控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。控制网络应具有在高温、潮湿、振动、腐蚀，特别是电磁干扰等工业环境中长时间、连续、可靠、完整地传送数据的能力，并能抗工业电网的浪涌、跌落和尖峰干扰。在可燃和易爆场合，控制网络还应具有本质安全性能。

1.3、控制网络与现场总线的技术特点一、主要技术特点

1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

1.3、控制网络与现场总线的技术特点一、主要技术特点

2、互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。1.3、控制网络与现场总线的技术特点一、主要技术特点

3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。1.3、控制网络与现场总线的技术特点一、主要技术特点

4、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

1.3、控制网络与现场总线的技术特点一、主要技术特点

5、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。1.3、控制网络与现场总线的技术特点

由于现场总线和控制网络的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。

1、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，从而节省了一大笔硬件投资。

二、现场总线控制网络系统的优越性1.3、控制网络与现场总线的技术特点二、现场总线控制网络系统的优越性

2、节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算，可节约安装费用60%以上。1.3、控制网络与现场总线的技术特点二、现场总线控制网络系统的优越性

3、节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

1.3、控制网络与现场总线的技术特点二、现场总线控制网络系统的优越性

4、用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权掌握在用户手中。

1.3、控制网络与现场总线的技术特点二、现场总线控制网络系统的优越性

5、提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强:减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。1.4、网络化的控制系统1、网络化控制系统概念：

网络化控制系统（NetworkedControlSystem，简称NCS）是随着现场总线技术的出现和成熟而出现的，现场总线促使了控制系统由集散控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）的过渡。

1.5、网络化的控制系统2、网络化控制系统基本结构

网络化控制系统是经网络实现反馈控制的系统。1.5、网络化的控制系统网络化遥控系统网络化参数调整系统1.5、网络化的控制系统网络化传感系统网络化执行系统1.5、网络化的控制系统通用网络化控制系统更多。。。1.5、网络化的控制系统3、网络化控制系统设计举例网络化伺服控制系统实验网络化倒立摆控制系统实验网络化机器鱼控制系统1.5、网络化的控制系统网络化伺服控制系统实验控制器位于中科院自动化所被控系统位于英国格拉摩根大学互联网的网络延时为160至320毫秒

互联网现场网络化控制器（在中国）

伺服控制系统（在英国）

1.5、网络化的控制系统局部闭环控制(没有网络)：闭环系统稳定基于局域网的倒立摆控制2.普通网络化控制:闭环系统不稳定3.网络化预测控制：闭环系统稳定，其效果与局部闭环控制相似1.5、网络化的控制系统网络化机器鱼控制系统带多传感器的机器鱼水下和水上传感网络网络闭环控制和协作1.5、网络化的控制系统网络化控制系统的问题随机网络延时随机数据丢失时钟同步数据安全网络化控制系统的优点控制区域广数据传输大兼容性好使用方便…3、网络化的控制系统特点1.6典型的现场总线简介一、现场总线标准的形成

现场总线技术起源于欧洲，目前以欧美地区最为发达。由于这是一项带有革命性的、领导今后各领域自动化潮流的技术，各国、各公司都投入了大量的人力、财力在市场上展开了激烈的竞争。据不完全统计，世界上已出现过的总线种类近200种，经过10多年的竞争和完善，目前较有生命力的有几十种，并仍处于激烈的市场竞争之中。

1.6典型的现场总线简介在现场总线的发展中有一些现象很值得注意：

1、每种总线都有其产生的背景和应用领域。总线是为了满足自动化发展的需求而产生的，由于不同领域的自动化需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对这一特定的领域的满足度高一些，应用多一些，适用性好一些。如FF总线(FoundationFieldbus)主要适用于流程工业，Profibus较适合于工厂自动化，CAN适用于汽车工业，Lon适用于楼宇自动化等。

1.6典型的现场总线简介在现场总线的发展中有一些现象很值得注意：

2、现场总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。在一定应用领域中已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其他领域发展。如Profibus在DP的基础上又开发出PA，以适用于流程工业。3、大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的。如WorldFIP国际用户组织、FF基金会、Profibus国际用户组织、P-net国际用户组织，ControlNet国际用户组织等。1.6典型的现场总线简介在现场总线的发展中有一些现象很值得注意：

4、每种总线都有一个或几个公司且多是大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关，如Profibus以Siemens公司为主要支持，ControlNet以Rockwell公司为主要背景，WorldFIP以ALSTOM公司为主要后台。5、大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，以图左右逢源。有些公司甚至参加2-4个总线组织。道理很简单，装置是要挂在系统上的。

1.6典型的现场总线简介在现场总线的发展中有一些现象很值得注意：

6、每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位。现在的情况如下，P-net已成为丹麦标准，Profibus已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准。上述3种总线于1994年成为并列的欧洲标准EN50170，其他总线也都形成了各组织的技术规范。1.6、典型的现场总线简介二、IEC61158现场总线技术标准。

经过14年的纷争，经过投标，最终8种现场成为国际IEC61158现场总线标准，它们是：FF的H1，ControlNet，ProfiBus，InterBus,P-net,WorldFIP,Swiftnet,FF的高速Ethernet即HSE。其中P-net，Swiftnet是专用总线；

ControlNet，ProfiBus，InterBus，WorldFIP从PLC发展而来。

FF和HSE是从DCS发展而来。这8种总线的兼容性和互超做操作十分困难。1.6、典型的现场总线简介

随着新IEC61158的发布，8种总线共存于一个标准的事实结束了这个讨论。只搞一种总线的声音也随之销声匿迹。多种总线共存的格局已在国际和国内成为定式。

IEC是把8种总线协议打碎再混在一起搞成一个标准，而欧洲是一个总线一个总线地制订标准，在IEC新的61158标准投票时，它的立场已从单一的总线转到了承认多种总线共存的立场上来了。这一转变事实上使多年未能通过的标准一下子得到了大多数人的赞同，解决了多年悬而未决的问题。这是其进步意义所在，是协调各方利益的最后产物。但这个标准实际上是个政治产物，其结构存在很大问题，它把事实上相互独立的8种协议，写在一个文本中，让人在表面上看是一个标准。承认多总线共存这一事实，满足了各总线在国际标准中占有一席之地的要求。1.6、典型的现场总线简介该标准使用困难的原因：

(1)标准厚达4000页，8种总线揉在一起。用户要想用某一种，还要从里面往外挑，人为造成很多麻烦。

(2)对于我们采标来说，8种总线，有些是很著名的，国内也有应用和开发，有些在国内却没人听说过，一定都要将其转化为我国标准实在是没有道理。

(3)8种总线开放程度并不相同，如果开放程度不够，照着标准也开发不出来。

(4)IEC标准的8种总线之外也还存在一些市场上很活跃的总线，我们的体系也应具有一定的灵活性和开放性。

(5)每种总线都还在进行不断的发展、改进、完善、扩展，结构混杂，难以进行跟踪。1.6、典型的现场总线简介三、典型的现场总线简介1、CANCAN(ControllerAreaNetwork)称为控制局域网，属于总线式通讯网络。CAN总线规范了任意两个CAN节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。物理层决定了实际位传送过程中的电气特性，在同一网络中，所有节点的物理层必须保持一致，但可以采用不同方式的物理层。CAN的数据链路层功能包括帧组织形式，总线仲裁和检错、错误报告及处理，确认哪个信息要发送的，确认接收到的信息及为应用层提供了接口。1.6、典型的现场总线简介由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视，国外已经有很多大公司的产品采用了这一技术。CAN最初是由德国的BOSCH公司为汽车监测、控制系统而设计的，但由于CAN总线本身的突出特点，其应用领域目前已不再局限于汽车行业，而向军事装备、过程工业、机械工业、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准ISO11898

，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。1.6、典型的现场总线简介一、起源

1986年2月RobertBosch公司在SAE汽车工程协会大会上介绍了一种新型的串行总线CAN控制器局域网,那是CAN诞生的时刻。今天在欧洲几乎每一辆新客车均装配有CAN局域网,同样CAN也用于其他类型的交通工具从火车到轮船或者用于工业控制。CAN已经成为全球范围内最重要的总线之一，甚至领导着串行总线。在1999年接近6千万个CAN控制器投入应用2000年市场销售超过1亿个CAN器件。在1980年的早些时候Bosch公司的工程师就开始论证当时的串行总线用于客车系统的可行性，因为没有一种现成的网络方案能够完全满足汽车工程师们的要求。于是在1983年初UweKiencke开始研究一种新的串行总线，新总线的主要方向是增加新功能，减少电气连接线使其能够用于产品而非用于驱动技术，来自Mercedes-Benz的工程师较早制定了总线的状态说明，而Intel也准备作为半导体生产的主要厂商，当时聘请的顾问之一是来自于德国Braunschweig-Wolfenbütel的AppliedScience大学教授WolfhardLawrenz博士给出了新网络方案的名字

ControlerAreaNetwork,简称CAN。来自Karlsruhe大学的教授HorstWetstein博士也提供了理论支持。1.6、典型的现场总线简介1986年

2月

CAN诞生了

在底特律的汽车工程协会大会上

由

Bosch公司研究的新总线系统被称为汽车串行控制器局域网，UweKienckeSiegfriedDais和

MartinLitschel分别介绍了这种多主网络方案，

此方案基于非破坏性的仲裁机制

能够确保高优先级报文的无延迟传输，并且不需要在总线上设置主控制器。

此外

CAN之父—上述几位教授和

Bosch公司的

WolfgangBorstWolfgangBotzenhardOtoKarlHelmutSchelingJanUnruh已经实现了数种在

CAN中的错误检测机制

该错误检测也包括自动断开故障节点功能

以确保能继续进行剩余节点之间的通讯，

传输的报文并非根据报文发送器/接收器的节点地址识别（几乎其它的总线都是如此），而是根据报文的内容识别，同时用于识别报文的标识符也规定了该报文在系统中的优先级。

1.6、典型的现场总线简介

二、标准化与一致性在1990年早些时候BoschCAN规范CAN2.0版被提交给国际标准化组织，在数次行政讨论之后，应一些主要的法国汽车厂商要求增加了VehicleAreaNetwork（VAN）内容并于1993年11月出版了CAN的国际标准ISO11898，除了CAN协议外，它也规定了最高至1Mbps波特率时的物理层，同时，在国际标准ISO11519-2中也规定了CAN数据传输中的容错方法，1995年，国际标准ISO11898进行了扩展，以附录的形式说明了29位CAN标识符，但令人伤心的是，所有出版的CAN规范均包含错误或者不完整。因此，为避免出现不兼容的CAN应用Bosch公司一直在进行验证CAN芯片是否基于Bosch的CAN参考模型的工件此外几年来在Lawrenz教授领导下位于德国Braunschweig/Wolfenbütel的AppliedScience大学进行CAN的一致性测试测试模式基于国际标准测试规范ISO16845。

当前，修订的CAN规范正在标准化中ISO11898-1称为CAN数据链路层ISO11898-2称为非容错CAN物理层ISO11898-3称为容错CAN物理层国际标准ISO11992卡车和拖车接口和ISO11783农业和森林机械都在美国标准J1939的基础上定义了基于CAN应用的子协议但是它们并不完整1.6、典型的现场总线简介三、CAN先行者的发展

尽管当初研究

CAN的起点是应用于客车系统

，但

CAN的第一个市场应用却来自于其他领域，

特别是在北欧

CAN早已得到非常普遍的应用，

在荷兰，

电梯厂商

Kone使用CAN总线，瑞士工程办公室Kvaser建议将CAN应用至一些纺织机械厂，LindauerDornier和Sulzer并由他们提供机器的通讯协议，这一领域中在Lars-BernoFredriksson的领导下公司建立了CAN纺织机械用户集团。到1989年他们已研究出通讯原理并于1990年早期帮助建立CANKingdom开发环境尽管CANKingdom并不是一种基于OSI参考模型的应用层但它被认为是基于CAN的高层协议的原型

在荷兰Philips医疗系统决定使用CAN构成X光机的内部网络，成为CAN的工业用户，主要由TomSuters发表的Philips报文规范，PMS提出了CAN网络的第一个应用层来自德国Weingarten的AppliedScience大学教授KonradEtschberger博士也持同样的观点他管理SteinbeisTransferCenterforProcesAutomationStzp公司现在更名为IXXATAutomation公司并开发出一个类似的方案

不管如何第一个高层协议正在形成大多数CAN的先行者使用单片电路的方法通讯功能网络管理应用代码组合在同一个软件之中即使一些用户有较多的标准模块可供利用但面对所有的解决方案，他们也一定存在着缺陷必须持续稳定地发展CAN的高层协议即使在今天仍然有部分用户低估这个问题。

1.6、典型的现场总线简介

在1990年的早些时候开始筹划成立一个用户组织，从而将不同的解决方案标准化，在1992年初的几个月里当时VMEbus杂志的主管，出版社FranzisHolgerZeltwanger将用户和厂商集中在一起，讨论建立一个促进CAN技术发展的中立平台，同时也针对串行总线市场进行分析1992年5月CiACANinAutomation用户集团正式成立仅在几个星期后CiA即发表了第一份技术杂志那是关于物理层的CiA推荐仅使用遵循ISO11898的CAN收发器到现在为止在当时的，CAN网中使用非常普遍但并不兼容的。RS-485收发器已基本消失，尽管它也是厂商提供的，CiA的首批任务之一是规定CAN的应用层根据Philips医疗系统PMS和Stzp所提供的内容依靠其余CiA会员的协助CAL，CAN应用层，也称为“绿皮书”诞生了，在制定CAN应用规范时，CiA的一个主要任务是进行CAN专家和其他CAN学习者之间的信息交流。因此，从1994年起CiA每年召开一次国际CAN会议iCC另外一个理论的方法是借鉴于LAV一个农业的交通工具协会在1980年晚些时候开始一个基于CAN的农业交通工具总线系统LBS被制定出但在工作最终完成前国际标准化委员会决定改向支持US解决方案，J1939这也是一个基于CAN的应用子协议由SAE的TruckandBus协会制定J1939，是一个非模块化的方案简单易学但灵活性很差1.6、典型的现场总线简介四、从理论到实践当然生产CAN模块集成器件的15家半导体厂商主要聚焦于汽车工业从1990年中期起Infineon公司和Motorola公司已向欧洲的客车厂商提供了大量的CAN控制器作为下一波从1990年后期起，远东的半导体厂商也开始提供CAN控制器1994年NEC推出了传说中的CAN芯片72005，但是这一步太早了，当时，这个器件并不能投入使用。从1992年起Mercedes-Benz奔驰开始在他们的高级客车中使用CAN技术第一步使用电子控制器通过CAN对发动机进行管理第二步使用控制器接收人们的操作信号这就使用了2个物理上独立的CAN总线系统它们通过网关连接其他的客车厂商也纷纷赶来斯图加特学习

在他们的客车上也使用

2套

CAN总线系统

现在

继

VolvoSaabVolkswagenBMW之后

Renault和

Fiat也开始在他们的汽车上使用

CAN总线

，

在

1990的早些时候

美国俄亥俄州的机械工程公司的工程师们与

Alen-Bradley公司

Honeywel微型开关公司开始了一个合资项目

内容是基于

CAN的通讯与控制

但是

不久之后

项目组的重要成员离开合资项目终止

但

Alen-Bradley公司和

Honeywel公司各自继续从事这项工作

这导致产生了两个高层协议

DeviceNet和

SmartDistributedSystem（

SDS），

而且这

2个协议在较低层的通讯层上非常相似。1.6、典型的现场总线简介

五、CAN前景展望尽管CAN协议已经有15年的历史但它仍处在改进之中，从2000年开始，一个由数家公司组成的ISO任务组织定义了一种时间触发CAN报文传输的协议。BerndMueler博士ThomasFuehrerBosch公司人员、半导体工业专家、学术研究专家将此协议定义为：时间触发通讯的CANTTCAN计划在将来标准化为ISO11898-4这个CAN的扩展已在硅片上实现，不仅可实现闭环控制下支持报文的时间触发传输，而且可以实现CAN的x-by-wire应用，因为CAN协议并未改变，所以，在同一个的物理层上，既可以实现传输时间触发的报文也可以实现传输事件触发的报文TTCAN将为CAN延长5-10年的生命期。现在CAN在全球市场上仍然处于起始点，当得到重视时，谁也无法预料CAN总线系统在下一个10、15年内的发展趋势。这里需要强调一个现实，近几年内美国和远东的汽车厂商将会在他们所生产汽车的串行部件上使用CAN另外大量潜在的新应用，例如：娱乐正在呈现，不仅可用于客车，也可用于家庭消费，同时，结合高层协议应用的特殊保安系统对CAN的需求也正在稳健增长，德国专业委员会BIA和德国安全标准权威TüV已经对一些基于CAN的保安系统进行了认证CANopen-Safety是第一个获得BIA许可的CAN解决方案DeviceNet-Safety也会马上跟进，全球分级协会的领导者之一GermanischerLloyd正在准备提议将CANopen固件应用于海事运输在其他事务中规范定义可以通过自动切换将CANopen网络转换为冗余总线系统。1.6、典型的现场总线简介

在1994年早些时候Alen-Bradley将DeviceNet规范移交给专职推广DeviceNet的组织OpenDeviceNetVendorAssociationODVA而Honeywel则放弃了在SDS方面的努力使得SDS更象Honeywel公司的内部解决方案DeviceNet特别为工厂自动控制而定制因此使其成为类似Profibus-DP和Interbus协议的有力竞争者,倘若仅从即插即用的功能考虑DeviceNet已经成为美国特定应用领域中的领导者。在欧洲一些公司在尝试使用CAL尽管CAL在理论上正确并在工业上可以投入应用但每个用户都必须设计一个新的子协议因为CAL是一个真正的应用层CAL可以被看作一个应用CAN方案的必要理论步骤,但在这一领域它不会被推广,从1993年起,在EspritprojectASPIC范围内由Bosch领导的欧洲协会研究出一个原型由此发展成为CANopen它是一个基于CAL的子协议,用于产品部件的内部网络控制,在理论方面,来自德国Reutlingen的AppliedScience大学教授GerhardGruhler博士和来自NewcastleUK大学的MohammedFarsi积极参与均是其中最成功的活跃分子之一,在项目完成之后，CANopen规范移交给CiA组织由其进行维护与发展,在1995年CiA发表了完整版的CANopen通讯子协议,仅仅用了5年的时间它已成为全欧洲最重要的嵌入式网络标准,CANopen不仅定义了应用层和通讯子协议,也为可编程系统、不同器件、接口、应用子协议定义了页状态、这也就是工业领域，如打印机，海事应用，医疗系统，决定使用CANopen的一个重要原因。

DeviceNet和CANopen,是两个定位于不同市场的标准应用层协议EN50325，DeviceNet适合于工厂自动化控制，CANopen适合于所有机械的嵌入式网络，这又造就了两个不同的应用范围，因此，有必要定义应用层的规范历史，可以将一些特定的大量嵌入式系统排除在外。1.6、典型的现场总线简介CAN网络具有如下特点：CANBUS网络上任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息，而不分主从。通讯灵活，可方便地构成多机备份系统及分布式监测、控制系统。网络上的节点可分成不同的优先级以满足不同的实时要求。采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。1.6、典型的现场总线简介2、ControlNet/DeviveNet

ControlNet的基础技术是在RockwellAutomation企业于1995年10月公布。

1997年7月成立了ControlNetInternational组织（），Rockwell转让此项技术给该组织。组织成员有50多个如ABBRoboties，HoneywellInc.，YokogawaCorp.，ToshibaInternational，Procter&Gamble，OmronElectronicsInc.等。DeviceNet的相关网址（/）1.6、典型的现场总线简介传统的工厂级的控制体系结构有五层即工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层组成。而Rockwell自动化系统简化为三层结构模式：信息层（Ethernet以太网），控制层（ControlNet控制网），设备层（DeviceNet设备网）。ControlNet层常传输大量的I/O和对等通讯信息，具有确定性和可重复性的，紧密联系控制器和I/O设备的要求。1.6、典型的现场总线简介

它具备如下特点：1）ControlNet在单根电缆上支持两种类型的信息传输：有实时性的控制信息和I/O数据传输，无时间苛求的信息发送和程序上/下载；2）ControlNet技术采取了一种新的通信模式，以生产者/客户模式取代了传统的源/目的模式它不仅支持传统的点对点通讯，而且允许同时向多个设备传递信息。生产者/客户模式使用时间片算法保证各节点实现同步，从而提高了带宽利用率；3）ControlNet使用同轴电缆可达6km，节点数99个，两个节点间距离最长达1000m，48个节点距离可长达250m，采用光纤和中继器后通讯距离可达几十公里。ControlNet应用于过程控制，自动化制造等领域。1.6、典型的现场总线简介3、ProfiBusProfiBus自1984年开始研制现场总线产品，现以成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，欧洲市场占有率大于40%，广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、过程自动化、发电与输配电等领域。1996年6月ProfiBus被采纳为欧洲标准EN50170第二卷。PNO为其用户组织，核心公司有：Siemens公司，E+H公司，Samson公司，Softing公司等。1.6、典型的现场总线简介ProfiBus技术特性：ProfiBus以ISO7498为基础，以开放式系统互联网络OSI（OpenSystemInterconnection）作为参考模型，定义了物理传输特性，总线存取协议和应用功能。ProfiBus家族包括ProfiBus-DP，ProfiBus-PA，ProfiBus-FMS。

ProfiBus-DP（DecentralizedPeriphery）是一种高速和便宜的通信连接，用于自动控制系统和设备级分散的I/0之间进行通信。ProfiBus-PA（ProcessAutomation）专为过程自动化而设计的，它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上。根据IEC61158-2国际标准，ProfiBus-PA可用双绞线供电技术进行数据通信，数据传输采用扩展的ProfiBus-DP协议和描述现场设备的PA行规。当使用电缆耦合器，ProfiBus-PA装置能很方便的连接到ProfiBus-DP网络。1.6、典型的现场总线简介ProfiBus-FMS（FieldBusMessageSpecification）用来解决车间级通用性通信任务。与LLI（LowerLayerInterface）构成应用层，FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务，LLI协调了不同的通信关系并向FMS提供了不依赖设备访问数据链层。第二章数据通信的理论基础

2.1、总线的基本概念与操作2.2、通信系统基本组成2.3、数据编码2.4、信号的传输模式2.5、计算机局域网及其拓扑结构2.6、网络的传输介质2.7、介质访问控制方式2.8、CRC校验2.1.1总线的基本术语总线：从广义来说，总线就是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:一组设备通过总线连在一起称为“总线段”（bussegment）。可以通过总线段相互连接把多个总线段连接成一个网络系统。2.1总线的基本概念与操作总线主设备：可在总线主动发起通信的设备称为总线主设备（busmaster）。主设备称为“命令者”总线从设备：不能在总线主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备（busslaver），也称基本设备。在总线上可能有多个主设备，这些主设备都可主动发起信息传输。某一设备既可以是主设备，也可以是从设备，但不能同时既是主设备又是从设备。被总线上设备连上的从设备称为“响应者”（responder），它参与命令者发起的数据传送。2.1总线的基本概念与操作

控制信号：

总线上控制信号通常有三种类型。一类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。另一类是用于改变总线操作的方式，改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。还有一些控制信号表明地址和数据的含义，如对于地址，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称为“总线协议”（busprotocol）。这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。2.1总线的基本概念与操作2.1.2总线操作的基本内容总线操作：总线上命令者与响应者之间的连结→数据传送→脱开这一操作序列称为一次总线“交易”（transaction），或者叫做一次总线操作。“脱开”（disconnect）是指完成数据传送操作以后，命令者断开与响应者的连接。命令者可以在做完一次或多次总线操作后放弃总线占有权。数据传送:一旦某一命令者与一个或多个响应者连接上以后，就可以开始数据的读写操作。“读”（read）数据操作是读来自响应者的数据；“写”（write）数据操作是向响应者写数据。读写操作都需要在命令者和响应者之间传递数据。为了提高数据传送操作的速度，有些总线系统采用了块传送和管线方式，加快了长距离的数据传送速度。2.1总线的基本概念与操作通信请求:通过请求是由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。它们有可能要求传送数据，也有可能要求完成某种动作。不同总线标准中，通信请求的方式是多种多样的。最简单的方法是，要求通信的设备置起服务请求信号，相应的通信处理器监测到服务请求信号时，就查询各个从设备，识别出是哪一个从设备要求中断，并发出应答信号。该信号以菊花链方式依次通过各从设备。当请求通信的设备收到该应答信息时，就不让该信号传下去，而把它自己的标识码放在总线上。这时，通信处理设备就知道哪一个是服务请求者了。这种传送中断信号的工作方式不够灵活，不适用于总线上有多个能进行通信处理设备的场合。2.1总线的基本概念与操作寻址:

寻址过程是命令者与一个或多个从设备建立起联系的一种总线操作。通常有以下三种寻址方式：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。由于大多数从设备都包含有多个寄存器，因此物理寻址常常有辅助寻址，以选择响应者的特定寄存顺或某一功能。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。某一设备监测到总线上的地址信号，看其是否与分配给它的逻辑地址相符，如果相符，它就成为响应者。物理寻址与逻辑寻址的区别在于前者是选择与位置有关的设备，而后者是选择与位置无关的设备。2.1总线的基本概念与操作

广播寻址广播寻址用于选择多个响应者。命令者把地址信息放在总线上，从设备将总线上的地址信息与其内部的有效地址进行比较，如果相符，则该从设备被“连上”（connect）。能使多个从设备连上的地址称为“广播地址”（broadcastaddresses）。命令者为了确定所选的全部从设备都能响应，系统需要有适应这种操作的定时机构。每一种寻址方法都有其优点和使用范围。逻辑寻址一般用于系统总线，而现场总线则较多采用物理寻址和广播寻址。不过，现在有一些新的系统总线常常具备上述两种、甚至三种寻址方式。2.1总线的基本概念与操作

总线仲裁:

总线在传送信息的操作过程中有可能会发生“冲突”（contention）。为解决这种冲突，就需进行总线占有权的“仲裁”（arbitration）。总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。某一时刻只允许某一个主设备占有总线，等到它完成总线操作，释放总线占有权后才允许其他总线主设备使用总线。当前的总线主设备叫做“命令者”（commander）。总线主设备为获得总线占有权而等待仲裁的时间叫做“访问等待时间”（accesslatency），而命令者占有总线的时间叫做“总线占有期”（bustenancy）。命令者发起的数据传送操作，可以在叫做“听者”（listener）和“说者”（talker）的设备之间进行，而更常见的是在命令者和一个或多外“从设备”之间进行。2.1总线的基本概念与操作

总线仲裁操作和数据传送操作是完全分开且并行工作的，因此总线占有权的交接过程不会耽误总线操作。总线仲裁机构中有一种被称为集中仲裁的仲裁方案。其仲裁操作由一个仲裁单元完成。如果有两个以上主设备同时请求使用总线时，仲裁单元利用优先级方案进行仲裁。有多种优先级方案可以选用。有的方案中，采用高优先级的主设备可无限期地否决低优先级主设备而占有总线；而另一些方案则采用所谓“合理方案”，不允许某一主设备“霸占”总线。另一种仲裁方案是分布式仲裁，其仲裁过程是在每一主设备中完成的。当某一主设备在公共总线上置起它的优先能代码时，开始一个仲裁周期。仲裁周期结束时，只有最高优先级仍置放在总线上。某一主设备检测到总线上的优先级和它自己的优先级相同时，就知道下一时刻的总线主设备是它自己。

2.1总线的基本概念与操作总线定时：总线操作时“定时”（timing）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刻有有效的。大多数总线标准都规定命令者可置起“控制”（control）信号，用来指定操作的类型，还规定响应者要回送“从设备状态响应”（slavestatusresponse）信号。主设备获得总线控制权以后，就进入总线操作，即进行命令者和响应者之间的信息交换。这种信息可以是地址和数据。定时信号就是用于指明这些信息何时有效。定时信号有异步和同步两种。在大多数同步总线系统中，定时时钟信号是由系统统一提供的。总线状态的改变只出现在时钟的固定时刻。总线周期的持续时间通常根据连在总线上响应最慢的设备设置时钟的速率来确定。为了避免因与低速设备通信而降低系统的整体性能，在总线标准中规定允许插入等待周期。例如，某一慢速设备为完成所请求的操作，可置起等待信号，直到该操作完成。当该等待信号撤消以后，系统恢复至正常的同步操作。在异步和使用等待约定的同步系统中均有总线超时处理。在规定的时间内没有得到响应者的响应，系统就夭折该总线周期。2.1总线的基本概念与操作在异步总线系统中，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。命令者收到该应答信号后，证实响应者确实进行了响应。这一过程叫做“握手”（handshake）。出错检测：在总线上传送信息时会因噪声和串扰而出错，因此在高性能的总线中一般没有出错码产生和校验机构，以实现传送过程的出错检测。传送地址时的奇偶出错会使要连接的从设备连不上；传送数据时如果有奇偶错，通常是再发送一次。也有一些总线由于出错率很低而不设检错机构。容错：设备在总线上传送信息出错时，如何减少故障对系统的影响，提高系统的重配置能力是十分重要的。故障对分布式仲裁的影响就比菊花链式仲裁小。后者在设备出故障时，会直接影响它后面的设备工作。总线系统应能支持软件利用一些新技术，如动态重新分配地址，把故障隔离开来，关闭或更换故障单元。有几种新的总线在其标准中规定了串行总线出故障时如何用备用路径来代替的条款。这种备用总线在主串行总线正常工作时，可用于传递通信请求信号，并监测主串行总线的工作状态，在主串行总线出现故障时就代替它。

2.1总线的基本概念与操作多段总线操作：上面所讨论的单段总线操作，即在一个总线内，某一时间，一个命令者与一个或多个从设备进行总线操作。在一些总线标准中，允许多个段互连，组成段互连总线系统。在这种系统中能实现多段并行操作，提高了系统的性能。利用这种段总线互连技术，可组成网络式的复杂系统。

2.1总线的基本概念与操作

通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备、传输媒介几部分组成。信息源和信息接收者：信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者。发送设备：发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。传输介质：传输介质指设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的，也可以是有线的（包括光纤）。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。介质在传输过程中必须会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。2.2通信系统的基本组成

接收设备：接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多种复用，实现正确分路。以上所述是单向通信系统，但在大多数场合下，信息源兼为收信者，通信的双方需要随时交流信息，因此要求双向通信。这时，通信双方都要有发送设备和接收设备。如果两个方向有各自的传输媒介，则双方都可独立进行发送和接收；但若共用一个传输媒介，则必须用频率或时间分割的办法来共享。通信系统除了完成信息传递之外，还必须进行信息的交换。传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统，直到构成复杂的通信网络。2.2通信系统的基本组成

计算机网络系统的通信任务是传送数据或数据化的信息。这些数据通常以离散的二进制0,1序列的方式表示。码元是所传输数据的基本单位。在计算机网络通信中所传输的大多为二元码，它的每一位只能在1或0两个状态中取一个。这每一位就是一个码元。数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表数据0,1状态的，称为模拟数据编码。用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0,1状态的，称为数字数据编码。采用数字数据编码，在基本不改变数据信号频率的情况下，直接传输数据信号的传输方式，称为基带传输。基带传输可以达到较高的数据传输速率，是目前广泛的数据通信方式。其编码方式包括：单级性码、双极性码、归零码（RZ）、非归零码（NRZ）、差分码以及曼彻斯特编码。模拟数据的编码：fsk、ask、psk.2.3数据编码一、传输方式

1、基带传输:基带传输就是在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输，不包含有任何调制，它是最基本的数据传输方式。目前大部分微机局域网，包括控制局域网，都是采用基带传输方式的基带网。基带网的特点如下：信号按位流形式传输，整个系统不用调制解调器，这使得系统价格低廉。它可采用双绞线或同轴电缆作为传输介质，也可采用光缆作为传输介质。与宽带网相比，基带网的传输介质比较便宜，可以达到较高的数据传输速率（一般为1Mbps~10Mbps），但其传输距离一般不超过25km，传输距离越长，质量越低。基带网中线路工作方式只能为半双工方式或单工方式。2.4信号的传输模式2、宽带网：由于基带网不适于传输语言、图像等信息，随着多媒体技术的发展，计算机网络传输数据、文字、语音、图像等多种信号的任务愈来愈重，于是，提出了宽带传输的要求。10Mbps，宽带网可达0～400Mbps；二是宽带网可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径。一般宽带局域网或与有线电视系统共建，以节省投资。异步传输模式ATM（asynchronoustransfermode）:ATM是一种新的传输与交换数字信息技术，也是实现高速网络的主要技术。它支持多媒体通信，包括数据、语音和视频信号，按需分配频带，具有低延迟特性，速率可达155Mbps或622Mbps，也有25Mbps和51Mbps的ATM技术，可适用于局域网和广域网。载波传输:载波传输采用数字信号对载波进行调制后实行传输。最基本的调制方式有上述的幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）三种。2.4信号的传输模式2.4信号的传输模式常用调制方法:调幅（AM）——幅移键控法调频（FM）——频移键控法调相（PM）——相移键控法

发送端将数字信号调制成不同频率/幅度/相位的模拟信号；接收端通过解调，将模拟信号还原成数字信号。2.4信号的传输模式调制实现方法（以频移键控法调制为例)频移键控法调制的实现原理示意图三、同步方式所谓同步，就是接收端要按发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据。在通信时，接收端要校准自己的时间和重复频率，以便和发送端取得一致，这一过程称为同步过程。同步是数字通信系统中必须解决的一个重要问题。信息传输的同步方式分为两种，异步（asynchronous）式与同步（synchronous）式。

2.4信号的传输模式1．同步式按传输信息的基本组织单位，又将同步分为位同步、字符同步和帧同步。位同步与字符同步分别以位、字符作为一个独立的整体进行发送，而帧同步中的传输数据和控制信息按一种特殊的帧结构来组织。位同步（bitsynchronous）：位同步要求不管是否传送信息代码，每个比特（位）必须在收发两端保持同步，即为比特（位）同步。一般在接收端从接收信号中提取位同步信号，因为在接收信号码元1和0的极性变化性，就包含了同步信息。需说明的是检验位与同步方式的关系。若所传送的字符代码是连续1或0，将不出现代码极性变化而影响从接收信息中提取同步信号。为克服这一缺点，在同步方式中采用奇校验方法，以保证在每个字符中至少出现一个代码转换点。2.4信号的传输模式字符同步（characterorwordsynchronous）：字符同步将字符组织成组后连续传送，每个字符内不加附加位，每组字符之前必须加上一个或多个同步字符SYS。接收端接收到SYS字符，并根据它来确定字符的起始位。当不传送信号代码时，在线路上传送的是全1或0101…。在传输开始时用同步字符（SYN）命令收发双方进入同步。当搜索到两个以上SYN同步字符时，接收端开始接收信息，此后就从传输信息中抽出同步信息。在两个连接的报文之间，应插入两个以上的SYN同步字符。由于同步式比下面的异步式传输效率高，适用于高速传输要求，一般在高速传输数据的系统中采用同步式。2.4信号的传输模式2．异步式异步式又称止（start-stop）同步方式，这是在计算机通信中常用的同步方式。异步方式中，并不要求收发两端在传送代码的每一比特（位）时都同步。例如在字符同步的异步方式传输中，在传输的字符前，设置一个启动用的起始位，预告字符的信息代码即将开始，在信息代码和校验信号（一般总共为8比特）结束后，也设置1～2比特的终止位，表示该字符已结束。终止位也反映了平时不进行通信的状态。当从不传输信息状态转到起始位状态时，在接收端将检测出极性状态的改变，利用这种改变，就可启动定时机构，实现同步。接收端收到终止位，就将定时机构复位，准备接收下一个字符代码。

2.4信号的传输模式①在起始位和停止位之间，形成一个需传送的字符（即7比特信息位）；②起始位起了使该字符内各比特能同步的作用；③各字符互不同步，字符的间隔是任意的；④一个字符的传送时间由起始位和终止位之间的时间来决定。字符长度＝数据（信息位和校验位）＋起始位＋终止位（终止位有1,1.5,2比特三种）。在异步方式中，一般采用偶校验方式。异步方式实现起来简单容易，频率的漂移不会积累，每个字符都为该字符的位同步提供了时间基准，对线路和收发器要求较低。但缺点是线路效率低。因为每个字符需多占用2～3位的开销。异步方式在低速系统中获得了广泛的应用。2.4信号的传输模式四、多路共传

在一条物理通道上同时传送多路信息的技术称为多路共传（multiplexing）。常用的为频分多路共传和时分多路共传。时分多路共传TDM（timedivisionmultiplexing）是将线路用于传输的时间划分成若干个时间片，每个用户分得一个时间片，这些时间片是预先分配好的，而且固定不变。时分多路共传不仅用于传输数字信号，也可用于传输模拟信号。频分多路共传（frequencydivisionmultiplexing）是将一条具有一定带宽的线路划分成若干个占有较小带宽的信道，各条信道中心频率不重合，每个信道之间相距一定的频率间隔。每个用户使用一条频道。2.4信号的传输模式2.5.1计算机网络与网络拓扑由于计算机的广泛使用，为用户提供了分散而有效的数据处理与计算能力。计算机和以计算机为基础的智能设备一般除了处理本身业务之外，还要求与其他计算机彼此沟通信息，共享资源，协同工作，于是，出现了用通信线路将各计算机连接起来的计算机群。以实现资源共享和作业分布处理，这就是计算机网络。Internet就是当今世界上最大的非集中式的计算机网络的集合，是全球范围成千上万个网连接起来的互连网，已成为当代信息社会的重要基础设施――信息高速公路。计算机网络的种类繁多，分类方法各异。按