第06章 计算机控制中的网络与通信技术.ppt

1、2020/7/10,计算机控制技术,1,第6章 计算机控制系统中的网络与通信技术,Network and Communication Technology of Computer Control System,2020/7/10,计算机控制技术,2,6.2 Unit 2,数据通信技术 Data Communication Technology,2020/7/10,计算机控制技术,3,本节主要内容,数据通讯的基础知识 数据通信中的检错与纠错,2020/7/10,计算机控制技术,4,2020/7/10,计算机控制技术,5,6.2 .1数据通信的基础知识 (1),1.数据通信概述 计算机与计算机之间

2、、计算机与仪器设备之间的数据交换称为数据通信。 需要一个通信网络(如电话交换网、用户电报网及专用通信网络)来传输数据信号，并且与数据处理相关。,2020/7/10,计算机控制技术,6,6.2 .1数据通信的基础知识 (2),(1)通信系统模型 任何一个通信系统都可以借助如图所示的通信系统模型来抽象地进行描述。,2020/7/10,计算机控制技术,7,6.2 .1数据通信的基础知识 (3),(2)模拟通信、数字通信和数据通信 通信传输的信息 语音、图像、文字、数据等 信息的类别 连续信息：信息的状态随时间而连续变化 离散信息：信息的状态是可列的或是离散的 通信中的两种基本传输信号 模拟信号：信号

3、波形可表示成时间的连续函数 数字信号：信号幅度是不连续的离散值,2020/7/10,计算机控制技术,8,6.2 .1数据通信的基础知识 (4),模拟通信 以模拟信号作为载体来 传输信息 数字通信 以数字信号作为载体来 传输信息称为数字通信 数据通信 若信息源产生的是数据， 则整个通信过程称为数据通信。,2020/7/10,计算机控制技术,9,6.2 .1数据通信的基础知识 (5),(3)数据编码或调制 数据编码 在通信系统中，为实现正常通信，要对二进制码和字符的对应关系作一个统一的规定，这种规定即称为编码。 除传输信息内容以外，还要传输控制信息，以控制设备的协调及识别报文格式 目前广泛使用美国

4、信息交换标准码ASCII码，每个字符用7位2进制数表示，可表示128个不同字符 扩展ASCII码,2020/7/10,计算机控制技术,10,6.2 .1数据通信的基础知识 (6),调制 将数据信号转换成能在模拟信道上传输的模拟信号 振幅调制ASK(Amplitude Shift Keying） 用原始脉冲信号去控制载波的振幅变化 频率调制FSK(Frequency Shift Keying) 用原始脉冲信号去控制载波的频率变化 相位调制PSK(Phase Shift Keying） 用原始脉冲信号去控制载波的相位变化,2020/7/10,计算机控制技术,11,6.2 .1数据通信的基础知识 (

5、7),三种调制信号示意图,（c）调频,（d）调相,相位连续,相位不连续,绝对相位,相对相位,2020/7/10,计算机控制技术,12,6.2 .1数据通信的基础知识 (8),2.数据传输方式 (1)基带传输与频带传输 基带是指电信号所固有的频带，直接将这些电脉冲信号进行传输，就称为基带传输，它不适合远距离传输 先进行调制使其频率变窄，再传输，则称为频带传输 (2)串行传输与并行传输 数据在一个信道上按位依次传输的方式称为串行传输 数据在多个信道上同时传输的方式称为并行传输,2020/7/10,计算机控制技术,13,6.2.1数据通信的基础知识 (9),(3)同步技术 同步是指接收端要按照发送端

6、所发送的每个码元的起止时间来接收数据，也就是接收端和发送端要在时间上取得一致。 常用的同步方式有两种： 起停同步技术，与其相对应的传输方式称异步通信方式 自同步方式，与其相对应的传输方式称为同步通信方式。,2020/7/10,计算机控制技术,14,6.2 .1数据通信的基础知识 (10), 异步通信方式 异步通信方式ASYNC（Asynchronous Data Communication）每次传送一个字符的数据。用一个起始位表示传输字符的开始，用1至2个停止位表示字符的结束，一个字符构成一帧信息，如图所示。 发送端发送时，从低位到高位逐位顺序发送。,2020/7/10,计算机控制技术,15,

7、6.2 .1数据通信的基础知识 (11),异步通信信息帧格式,图6.10 异步通信信息帧格式,2020/7/10,计算机控制技术,16,6.2 .1数据通信的基础知识 (12),发送时钟和接收时钟,图 6.11发送、接收时钟和信息位,2020/7/10,计算机控制技术,17,6.2 .1数据通信的基础知识 (13),接收端同步接收信息的方法,图6 .12接收端同步采样(n=16),2020/7/10,计算机控制技术,18,6.2 .1数据通信的基础知识 (14),异步通信存在的问题 在异步通信中，每个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，因而数据传送效率低。 为了保证收、发同步，克服

8、Rc与Tc之间的微小偏差，信息位宽度Td=nTc，一般取n为16、32、64等，这样降低了信息传送速率。,2020/7/10,计算机控制技术,19,6.2 .1数据通信的基础知识 (15), 同步通信方式 同步通信SYNC（Synchronous Data Communication）每次传送n个字符的数据块。用一个或两个同步字符表示传送数据块的开始，接着就是n个字符的数据块，字符之间不允许有空隙，当没有字符可发送时，则连续发送同步字符，如图所示。,2020/7/10,计算机控制技术,20,6.2 .1数据通信的基础知识 (16),同步字符 单同步 选择一个特殊的8位二进制码（如0111111

9、0）作为同步字符，称单同步字符 双同步 选择两个连续的8位二进制码作为同步字符，称双同步字符 为了保证收、发同步，收、发双方必须使用相同的同步字符。,2020/7/10,计算机控制技术,21,6.2 .1数据通信的基础知识 (17),工作过程,2020/7/10,计算机控制技术,22,6.2 .1数据通信的基础知识 (18),与异步通信相比： 同步通信的信息帧包括同步字符和数据块，而同步字符只有8位或16位，数据块可以任意字节长，所以数据传送效率高于异步通信。 发送时钟周期Tc等于传送数据位的宽度(相当于异步通信的n=1)，故信息传送速率也高于异步通信。 传送的编码数据中自带时钟信息，保证了收

10、、发双方的绝对同步 造成了同步通信的硬件比异步通信复杂。,2020/7/10,计算机控制技术,23,6.2 .1数据通信的基础知识 (19),（4）通信线路的通信方式 全双工 由两根不同的传输线传送，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作 半双工 用同一根传输线既作接收又作发送，虽然数据可在两个方向上传送，但通信双方不能同时发送和接收 。 单工 数据只能从一方发送的另一方，数据流向固定,2020/7/10,计算机控制技术,24,6.2 .1数据通信的基础知识 (20),（5）传输速率 在并行通信中，传输速率是以每秒多少字节(B/s)来表示的。 在串行通信中，传输速率是用波特率来表示的。波特率

11、是指单位时间内传送二进制数据的位数，其单位是位/秒(b/s)。,2020/7/10,计算机控制技术,25,6.2 .1数据通信的基础知识 (21),多路复用技术 把多路信号用一条信道进行传输，以提高效率 频分多路复用 把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段，每条小频段都可以看作是一条子信道 时分多路复用 信道的传输时间分割成许多时间段， 这种方法接收端与发送端的时序必须严格同步,2020/7/10,计算机控制技术,26,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (1),差错检测技术的原理 发送方在发送数据的基础上，生成某些校验编码，然后将该校验编码附加在数据后面一起发送 接收方收到数据和校验码后，

12、用校验码对收到的数据进行检验，以确立本次传输是否正确 差错检测技术的核心是校验编码,2020/7/10,计算机控制技术,27,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (2),1检验编码方法 奇/偶校验编码 循环冗余校验编码 恒比校验编码,2020/7/10,计算机控制技术,28,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (3),（1）.奇/偶校验 奇校验 报文加上校验位后应保证“1”码元个数为奇数 偶校验 报文加上校验位后应保证“1”码元个数为偶数 奇偶校验方法 只有在出错码元个数是奇数的情况下才有效，当出错码元个数成偶数时，此法无能为力,2020/7/10,计算机控制技术,29,6.2.2数据通信中的

13、检错与纠错 (4),(2)循环冗余校验 CRC(Cyclic Redundancy Check),CRC校验示意图,2020/7/10,计算机控制技术,30,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (5),循环冗余校验的检验能力与生成多项式有关。 目前人们已经设计了许多生成多项式，下面三个多项式已成为国际标准： CRC-12：G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1 CRC-16：G(x)=x16+x15+x2+1 CRC-CITT：G(x)=x16+x12+x5+1,2020/7/10,计算机控制技术,31,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (6),（3）恒比码 恒比码 通讯时不是原码传送

14、，而是对待发送的数据进行编码，使编码后的每一个字节（或每一码组）中，“1”和“0”的个数之比保持恒定 检测能力 当码组中任何位置上出现奇数个差错时，因为破坏了1和0的恒比关系，所以能被检测出来 比一般的奇偶校验有较强的检错能力,2020/7/10,计算机控制技术,32,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (7),2纠错方式 重发纠错方式 发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收端根据该码的编码规则，判断传输中有无错误，并把判断结果反馈给发送端。如果传输错，则再次发送，直到接收端认为正确为止。,2020/7/10,计算机控制技术,33,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (8),自动纠错

15、方式 发送端发送能够纠错的信息码，而不仅仅是检错的信息码。 接收端收到该码后，通过译码不仅能发现错误，而且能自动地纠正传输中的错误。 但是，纠错位数有限，如果为了纠正比较多的错误，则要求附加的冗余码比基本信息码多，因而传输效率低，译码设备也比较复杂。,2020/7/10,计算机控制技术,34,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (9),混合纠错方式 发送端发送的信息码不仅能发现错误，而且还具有一定的纠错能力。 接收端收到该码后，如果错误位数在纠错能力以内，则自动地进行纠错；如果错误多，超出了纠错能力，则接收端要求发送端重发，直到正确为止。,2020/7/10,计算机控制技术,35,6.3 Un

16、it 3,工业控制计算机网络与通信 Computer Network and Data Communication of Industry Control,2020/7/10,计算机控制技术,36,本节主要内容,现场总线技术 工业以太网 工业控制网络现状,2020/7/10,计算机控制技术,37,6.3 工业控制网络与通信,在功能上，工业网络的结构可分为： 信息网 位于工业网的上层，是企业数据共享和传输的载体 主要采用以太网技术； 控制网 位于工业网的下层，与信息网紧密地集成在一起，具有独立性和完整性 主要采用现场总线。,2020/7/10,计算机控制技术,38,6.3.1 现场总线（1）,现

17、场总线是应用在生产现场，在微机测量控制设备间实现双向多节点的数字通讯系统，又称为开放式、数字化、多点通讯的低层控制网络，被誉为自动化领域的计算机局域网。 它把各个分散的测量控制设备转换为网络节点，以现场总线为纽带，连接成为可以互相通信、沟通信息、共同完成自控任务的网络化控制系统 。,2020/7/10,计算机控制技术,39,6.3.1 现场总线（2）,现场总线的特征： 现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绞线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连 。 网络数据通信采用基带传输（即数字信号传输），数据传输速率高（为 Mbit/s 或 10Mbit/s 级），实时性好，抗干扰

18、能力强； 废弃了集散控制系统（DCS）中的 I/O 控制站，将这一级功能分配给通信网络完成 。,2020/7/10,计算机控制技术,40,6.3.1 现场总线（3）,现场总线的特征： 分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性 。 开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连。 互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络 。,2020/7/10,计算机控制技术,41,6.3.1 现场总线（4）,现行的现场总线标准(IEC认定)： 基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)；

19、Control Net； Profibus； P-Net； FF(Foundation Fieldbus)高速以太网HSE； SwiftNet； WorldFIP； Interbus-S。,2020/7/10,计算机控制技术,42,6.3.2 工业以太网（1）,1.以太网的优势： 以太网( Ethernet) 由于其应用的广泛性和技术的先进性，已逐渐垄断了商用计算机的通讯领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信，并且有进一步直接应用到工业现场的趋势。,2020/7/10,计算机控制技术,43,6.3.2 工业以太网（2）,与现场总线相比，以太网具有以下优点: 应用广泛 成本低廉 通信速率高 软

20、硬件资源丰富 可持续发展潜力大,2020/7/10,计算机控制技术,44,6.3.2 工业以太网（3）,2.工业以太网关键技术 通信实时性 以太网采用CSMA/CD方式解决通信介质层竞争，导致了非确定性的产生。因为在一系列碰撞后，报文可能会丢失，节点与节点间通信无法得到保障，从而使控制系统通信确定性和实时性难以保证 采用星型网络结构、以太网交换技术，可以大大减少(半双工方式)或完全避免碰撞(全双工方式)，从而使以太网的通信确定性大大增强，并为以太网技术应用于工业现场控制清除了主要障碍。,2020/7/10,计算机控制技术,45,6.3.2 工业以太网（3）,2.工业以太网关键技术（续） 总线供

21、电 总线供电是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源 方法一：在目前以太网标准基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离出来。 方法二：不改变目前以太网的物理层结构，即应用于工业现场的以太网仍然使用目前的物理层协议，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供工作电源,2020/7/10,计算机控制技术,46,6.3.2 工业以太网（3）,2.工业以太网关键技术（续） 互操作性 网络生存性 网络安全性 本质安全与安全防爆技术 远距离传输,2020/7/10,计算机控制技术,47,6.3.3 工业控制网络现状（1）,现场总线实时性好、稳定性高、可靠性高、技术成熟，但有也存在着总线标准多，不同总线