工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信

1、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信 目錄 1 2 3 4 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)知識(shí) 工業(yè)以太網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí) 外部數(shù)據(jù)通信簡(jiǎn)介 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本通信模型：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本通信模型： 產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。 信源與信宿通過(guò)通信線路進(jìn)行通信，在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中， 也將通信線路稱(chēng)為信道。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng) 模擬通信系統(tǒng)通常由信源、調(diào)制器、信道、解調(diào)器、信宿 以及噪聲源組成。信源所產(chǎn)生的原始模擬信號(hào)一般都要經(jīng) 過(guò)調(diào)制再通過(guò)信道傳輸。到達(dá)信宿后，通過(guò)解調(diào)器將信號(hào) 解調(diào)出來(lái)。普通的電話、廣播、電視等都屬于模擬通信系 統(tǒng)。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 通信信

2、道的分類(lèi)通信信道的分類(lèi) 信道是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃▊鬏斆襟w和通信設(shè) 備。傳輸媒體可以是有形媒體，如電纜、光纖等 ，也可以是無(wú)形媒體，如傳輸電磁波的空間。信 道可以按不同的方法分類(lèi)： 有線信道與無(wú)線信道； 模擬信道與數(shù)字信道； 專(zhuān)用信道和公用信道； 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 有線信道與無(wú)線信道有線信道與無(wú)線信道 信道按所使用的傳輸介質(zhì)分類(lèi)，可以分為有線信 道與無(wú)線信道； 使用有形的媒體作為傳輸介質(zhì)的信道稱(chēng)之為有線 信道。有線信道包括電話線、雙絞線、同軸電纜 和光纜等； 以電磁波在空間傳播方式傳送信息的信道稱(chēng)之為 無(wú)線信道。無(wú)線信道包括無(wú)線電、微波、紅外線 和衛(wèi)星通信信道等。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 模擬信道與

3、數(shù)字信道模擬信道與數(shù)字信道 按傳輸信號(hào)的類(lèi)型分類(lèi)，信道可以分為模擬信道 與數(shù)字信道； 能傳輸模擬信號(hào)的信道稱(chēng)為模擬信道。模擬信號(hào) 的電平隨時(shí)間連續(xù)變化，語(yǔ)音信號(hào)是典型的模擬 信號(hào)。如果利用模擬信道傳送數(shù)字信號(hào)，則必須 經(jīng)過(guò)數(shù)字與模擬信號(hào)之間的變換（A/D變換器） 。調(diào)制解調(diào)器就是完成這種變換的。 能傳輸離散數(shù)字信號(hào)的信道稱(chēng)為數(shù)字信道。離散 的數(shù)字信號(hào)在計(jì)算機(jī)中指由“0”和“1”的二進(jìn)制代碼 組成的數(shù)字序列。當(dāng)利用數(shù)字信道傳輸數(shù)字信號(hào) 時(shí)不需要進(jìn)行變換，通常需要進(jìn)行數(shù)字編碼。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 專(zhuān)用信道和公用信道專(zhuān)用信道和公用信道 信道按使用方式可以分為專(zhuān)用信道和公用信道。 專(zhuān)用信道是一種連接于

4、用戶(hù)設(shè)備之間的固定電路 ，它可以由用戶(hù)自己架設(shè)或向電信部門(mén)租用。 公用信道也稱(chēng)公共交換信道，它是一種通過(guò)交換 機(jī)轉(zhuǎn)接、為大量用戶(hù)提供服務(wù)的信道。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)據(jù)通信速率數(shù)據(jù)通信速率 數(shù)據(jù)通信速率分為兩種：碼元速率和信息速率。 碼元速率（RB）定義為每秒中傳送的碼元數(shù)，單 位為波特/秒（Baud/s），又稱(chēng)為波特率； 信息速率（Rb）定義為每秒中傳送的信息量，單 位為比特/秒（bit/s），又稱(chēng)為比特率； 對(duì)于一個(gè)用二進(jìn)制表示的信號(hào)（兩級(jí)電平），每 個(gè)碼元包含1個(gè)比特信息，其信息速率與碼元速率 相等；對(duì)于一個(gè)用四進(jìn)制表示的信號(hào)（四級(jí)電平 ），每個(gè)碼元包含了2個(gè)比特信息，因此，它的信 息速

5、率應(yīng)該是碼元速率的2倍。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于采用M進(jìn)制電平傳輸信號(hào)時(shí)，信 息速率和碼元速率之間的關(guān)系是： Rb=RBlog2M 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)據(jù)通信速率數(shù)據(jù)通信速率 數(shù)據(jù)通信速率分為兩種：碼元速率和信息速率。 碼元速率（RB）定義為每秒中傳送的碼元數(shù)，單 位為波特/秒（Baud/s），又稱(chēng)為波特率； 信息速率（Rb）定義為每秒中傳送的信息量，單 位為比特/秒（bit/s），又稱(chēng)為比特率； 對(duì)于一個(gè)用二進(jìn)制表示的信號(hào)（兩級(jí)電平），每 個(gè)碼元包含1個(gè)比特信息，其信息速率與碼元速率 相等；對(duì)于一個(gè)用四進(jìn)制表示的信號(hào)（四級(jí)電平 ），每個(gè)碼元包含了2個(gè)比特信息，因此，它的信 息速率應(yīng)

6、該是碼元速率的2倍。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 誤碼率和誤比特率誤碼率和誤比特率 誤碼率和誤比特率是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作 狀態(tài)下傳輸可靠性的重要參數(shù)。誤碼率是指二進(jìn) 制碼元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，誤比特 率是指在傳輸中出錯(cuò)比特的概率。 公式為： 在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，電話線路在300 2400bps傳輸速率時(shí)，平均誤碼率在10-210-6之 間，在48009600bps傳輸速率時(shí)平均誤碼率在 10-210-4之間。而計(jì)算機(jī)通信的平均誤碼率要求 低于10-9。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 信道帶寬與信道容量信道帶寬與信道容量 信道帶寬是指信道中傳輸?shù)男盘?hào)在不失真的情況 下所占用的頻率范圍，通常稱(chēng)為信道

7、的通頻帶， 單位用赫茲（Hz）表示。信道帶寬是由信道的物 理特性所決定的，例如，電話線路的頻率范圍在 3003400Hz，則它的帶寬為3003400Hz。 信道容量是衡量一個(gè)信道傳輸數(shù)字信號(hào)的重要參 數(shù)。信道容量是指單位時(shí)間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)?最大比特?cái)?shù)，用每秒比特?cái)?shù)（bps）表示。當(dāng)傳輸 的信號(hào)速率超過(guò)信道的最大信號(hào)速率時(shí)，就會(huì)產(chǎn) 生失真。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 通信線路的連接方式通信線路的連接方式 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接就是在發(fā)送端和接收端之間采用一 條線路連接，使用的線路可以是專(zhuān)用線路、租用 線路或交換線路。使用租用或交換線路的連接方 式，適合于在地理上比較分散的站點(diǎn)之間傳輸數(shù)

8、據(jù)，比如通過(guò)公用電話交換網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-點(diǎn)的連接 。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 通信線路的連接方式通信線路的連接方式 多點(diǎn)線路連接多點(diǎn)線路連接 多點(diǎn)線路連接是指各個(gè)站點(diǎn)通過(guò)一條公共通信線路連接。 在多點(diǎn)線路連接方式中，一條線路被所有的站點(diǎn)共享，若 所有的站點(diǎn)可以同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，則這條線路在空間上是共 享的，通常采用頻分復(fù)用或波分復(fù)用技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)；若所 有的站點(diǎn)只能輪流使用線路發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，那么它在時(shí)間上 是共享的，通常采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)據(jù)流傳送方式數(shù)據(jù)流傳送方式 并行通信并行通信 并行通信是數(shù)據(jù)流以成組的方式在多個(gè)并行信道 上同時(shí)進(jìn)行傳輸。并行通信的優(yōu)點(diǎn)是速度快，但 發(fā)端與收端之

9、間有若干條線路，導(dǎo)致費(fèi)用高，僅 適合于近距離和高速率的通信。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)據(jù)流傳送方式數(shù)據(jù)流傳送方式 串行通信串行通信 串行通信是數(shù)據(jù)流以串行方式在一條信道上傳輸，由于計(jì) 算機(jī)內(nèi)部都采用并行通信，因此，數(shù)據(jù)在發(fā)送之前，要將 計(jì)算機(jī)中的字符進(jìn)行并/串變換，在接收端再通過(guò)串/并變 換，還原成計(jì)算機(jī)的字符結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)串行通信。串行 通信的優(yōu)點(diǎn)是收、發(fā)雙方只需要一條傳輸信道，易于實(shí)現(xiàn) ，成本低，但速度比較低。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 信道的通信方式信道的通信方式 單工通信單工通信 單工方式指通信信道是單向信道，數(shù)據(jù)信號(hào)僅沿 一個(gè)方向傳輸，發(fā)送方只能發(fā)送不能接收，接收 方只能接收而不能發(fā)送，任何時(shí)候

10、都不能改變信 號(hào)傳送方向。無(wú)線電廣播和電視都屬于單工通信 。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 半雙工通信半雙工通信 半雙工通信是指信號(hào)可以沿兩個(gè)方向傳送，但同一時(shí)刻一 個(gè)信道只允許單方向傳送，即兩個(gè)方向的傳輸只能交替進(jìn) 行，而不能同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)改變傳輸方向時(shí)，要通過(guò)開(kāi)關(guān)裝 置進(jìn)行切換。半雙工信道適合于會(huì)話式通信，比如通常使 用的“對(duì)講機(jī)”和軍隊(duì)使用的“步話機(jī)”。半雙工方式在計(jì)算 機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中適用于終端與終端之間的會(huì)話式通信。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 全雙工通信全雙工通信 全雙工通信是指數(shù)據(jù)可以同時(shí)沿相反的兩個(gè)方向 作雙向傳輸。比如電話通話。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 信號(hào)的傳輸方式信號(hào)的傳輸方式 基帶傳輸基帶傳輸 就數(shù)字信

11、號(hào)而言，基帶傳輸是一個(gè)離散的方波， “0”代表低電平，“1”代表高電平。這種方波固有的 頻帶稱(chēng)為基帶，方波信號(hào)稱(chēng)為基帶信號(hào)，因此， 基帶實(shí)際上就是數(shù)字信號(hào)所占用的基本頻帶?；?帶傳輸是在信道中直接傳輸數(shù)字信號(hào)，且傳輸媒 體的整個(gè)帶寬都被基帶信號(hào)占用，雙向地傳輸信 息。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 信號(hào)的傳輸方式信號(hào)的傳輸方式 頻帶傳輸頻帶傳輸 所謂頻帶傳輸是指將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成音頻信號(hào)后 再發(fā)送和傳輸，到達(dá)接收端時(shí)再把音頻信號(hào)解調(diào) 成原來(lái)的數(shù)字信號(hào)?？梢?jiàn)，在采用頻帶傳輸方式 時(shí)，要求發(fā)送端和接收端都要安裝調(diào)制器和解調(diào) 器。 在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信時(shí)，經(jīng)常借助于電話線路，此 時(shí)就需要利用頻帶傳輸方式。利用頻帶傳輸

12、，不 僅解決了利用電話系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號(hào)的問(wèn)題，而 且可以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，以提高傳輸信道的利用率 。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 信號(hào)的傳輸方式信號(hào)的傳輸方式 寬帶傳輸寬帶傳輸 寬帶傳輸采用75的CATV電視同軸電纜或光纖作為傳輸 媒體，帶寬為300MHz。 使用時(shí)通常將整個(gè)帶寬劃分為若干個(gè)子頻帶，分別用這些 子頻帶來(lái)傳送音頻信號(hào)、視頻信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)。 寬帶同軸電纜原是用來(lái)傳輸電視信號(hào)的，當(dāng)用它來(lái)傳輸數(shù) 字信號(hào)時(shí)，需要利用電纜調(diào)制解調(diào)器（Cable Modem）把 數(shù)字信號(hào)變換成頻率為幾十兆赫茲到幾百兆赫茲的模擬信 號(hào)。 可利用寬帶傳輸系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音、文字和圖像的一體化傳 輸，這也是通常所說(shuō)的“三網(wǎng)合一”

13、，即語(yǔ)音網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和 電視網(wǎng)合一。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g(shù) 在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)送端與接收端采用串行通信時(shí)， 通信雙方要交換數(shù)據(jù)，需要有高度的協(xié)同動(dòng)作，彼此間傳 輸數(shù)據(jù)的速率、每個(gè)比特的持續(xù)時(shí)間和間隔都必須相同， 這就是同步問(wèn)題。 同步就是要接收方按照發(fā)送方發(fā)送的每個(gè)碼元/比特起止 時(shí)刻和速率來(lái)接收數(shù)據(jù)，否則，收發(fā)之間會(huì)產(chǎn)生誤差，即 使是很小的誤差，隨著時(shí)間增加的逐步累積，也會(huì)造成傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)出錯(cuò)。 實(shí)現(xiàn)收發(fā)之間的同步技術(shù)是數(shù)據(jù)傳輸中的關(guān)鍵技術(shù)之一， 通常使用的同步技術(shù)有兩種：異步方式和同步方式。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g(shù) 異步傳

14、輸方式異步傳輸方式 在異步傳輸方式中，每傳送1個(gè)字符（7位或8位）都要在 每個(gè)字符碼前加1個(gè)起始位，以表示字符代碼的開(kāi)始，在 字符代碼和校驗(yàn)碼后面加1或2個(gè)停止位，表示字符結(jié)束。 接收方根據(jù)起始位和停止位來(lái)判斷一個(gè)新字符的開(kāi)始。從 而起到通信雙方的同步作用。異步方式實(shí)現(xiàn)比較容易，但 每傳輸一個(gè)字符都需要多使用23位，所以適合于低速通 信。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g(shù) 同步傳輸方式同步傳輸方式 同步傳輸方式的信息格式是一組字符或一個(gè)二進(jìn)制位組成 的數(shù)據(jù)塊（幀）。對(duì)這些數(shù)據(jù)，不需要附加起始位和停止 位，而是在發(fā)送一組字符或數(shù)據(jù)塊之前先發(fā)送一個(gè)同步字 符SYN（以0110

15、1000表示）或一個(gè)同步字節(jié)（01111110 ），用于接收方進(jìn)行同步檢測(cè)，從而使收發(fā)雙方進(jìn)入同步 狀態(tài)。在同步字符或字節(jié)之后，可以連續(xù)發(fā)送任意多個(gè)字 符或數(shù)據(jù)塊，發(fā)送數(shù)據(jù)完畢后，再使用同步字符或字節(jié)來(lái) 標(biāo)識(shí)整個(gè)發(fā)送過(guò)程的結(jié)束。這種方法一般用在高速傳輸數(shù) 據(jù)的系統(tǒng)中，比如計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)據(jù)的編碼和調(diào)制技術(shù)數(shù)據(jù)的編碼和調(diào)制技術(shù) 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)據(jù)的編碼和調(diào)制技術(shù)數(shù)據(jù)的編碼和調(diào)制技術(shù) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制 發(fā)送端將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)變換成模擬數(shù)據(jù)信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為調(diào) 制（Modulation）。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制 幅移鍵控ASK（Ampl

16、itude Shift Keying） ASK是通過(guò)改變載波信號(hào)的幅度值表示數(shù)字信號(hào) “1”、“0”，以幅度A1表示數(shù)字信號(hào)的“1”，用載波 幅度A2表示數(shù)字信號(hào)的“0”（通常A1取1，A2取0 ），而載波信號(hào)的參數(shù)f 和恒定。 頻移鍵控FSK（Frequency Shift Keying） FSK是通過(guò)改變載波信號(hào)頻率的方法表示數(shù)字信 號(hào)“1”、“0”，用f 1表示數(shù)字信號(hào)“1”，用f 2表示數(shù) 字信號(hào)“0”，而載波信號(hào)的A和不變。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制 相移鍵控PSK（Phase Shift Keying） PSK是通過(guò)改變載波信號(hào)的相位值表示數(shù)字信 號(hào)“1”、“

17、0”，而載波信號(hào)的A和f不變。PSK包括兩 種類(lèi)型：絕對(duì)調(diào)相和相對(duì)調(diào)相。 絕對(duì)調(diào)相使用相位的絕對(duì)值，為0表示數(shù)字信號(hào) “1”，為表示數(shù)字信號(hào)“0”。 相對(duì)調(diào)相使用相位的相對(duì)偏移值，當(dāng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為0 時(shí)，相位不變化，而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為1時(shí)，相位要偏移 。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 混合調(diào)制 為了達(dá)到更高的信息傳輸速率，可以采用多元制的振幅相 位混合調(diào)制技術(shù)，比如正交振幅調(diào)制QAM（Quadrature Amplitude Modulation），它不但使用相位，而且還使用 幅度： 8-QAM使用了幅度與相位的8種組合，由于使用3個(gè)比特 可以表示8種組合，因此，每一種組合代表一個(gè)碼元，每 個(gè)碼元3個(gè)比特。 16-

18、QAM的幅度和相位有16種組合，每個(gè)組合代表一個(gè)碼 元，每個(gè)碼元4個(gè)比特。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 混合調(diào)制 為了達(dá)到更高的信息傳輸速率，可以采用多元制的振幅相 位混合調(diào)制技術(shù)，比如正交振幅調(diào)制QAM（Quadrature Amplitude Modulation），它不但使用相位，而且還使用 幅度： 8-QAM使用了幅度與相位的8種組合，由于使用3個(gè)比特 可以表示8種組合，因此，每一種組合代表一個(gè)碼元，每 個(gè)碼元3個(gè)比特。 16-QAM的幅度和相位有16種組合，每個(gè)組合代表一個(gè)碼 元，每個(gè)碼元4個(gè)比特。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼 利用數(shù)字通信信道直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的方法稱(chēng)作

19、數(shù)字 信號(hào)的基帶傳輸，而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在傳輸之前，需要進(jìn)行數(shù)字 編碼。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼方式有三種：不歸零碼、曼徹斯特 編碼和差分曼徹斯特編碼 。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制 在模擬數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，信源的信息經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，形成電信 號(hào)，比如人說(shuō)話的聲音經(jīng)過(guò)電話轉(zhuǎn)變?yōu)槟M的電信號(hào)，這 也是模擬數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)。 模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制包括幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制(FM)和 相位(PM)調(diào)制，即對(duì)這三要素進(jìn)行符合實(shí)際需要的放大或 轉(zhuǎn)換。 例如，模擬數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)具有比較低的頻率，不宜直接 在信道中傳輸，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，從而將信號(hào)搬移到 適合信道傳輸?shù)念l率范圍內(nèi)，接收端將接收的已調(diào)信號(hào)再 搬回到原

20、來(lái)信號(hào)的頻率范圍內(nèi)，恢復(fù)成原來(lái)的消息，比如 無(wú)線電廣播。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 模擬數(shù)據(jù)的編碼模擬數(shù)據(jù)的編碼 脈沖編碼調(diào)制PCM（Pulse Code Modulation）是 模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法。由于數(shù)字信號(hào)傳輸 失真小、誤碼率低、數(shù)據(jù)傳輸速率高，因此在網(wǎng) 絡(luò)中除計(jì)算機(jī)直接產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)外，語(yǔ)音、圖 像信息必須數(shù)字化才能經(jīng)計(jì)算機(jī)處理。 PCM技術(shù)的典型應(yīng)用是語(yǔ)音數(shù)字化。在發(fā)送端通 過(guò)PCM編碼器將語(yǔ)音數(shù)據(jù)變換為數(shù)字化的語(yǔ)音信 號(hào)，通過(guò)通信信道傳送到接收方，接收方再通過(guò) PCM解碼器還原成模擬語(yǔ)音信號(hào)。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) PCM的工作原理的工作原理 脈沖編碼調(diào)制包括三部分：采樣、量化和編碼。

21、 （1）采樣 每隔一定的時(shí)間間隔，采集模擬信號(hào)的瞬時(shí)電平值做為樣 本，表示模擬數(shù)據(jù)在某一區(qū)間隨時(shí)間變化的值。 （2）量化 量化是將取樣樣本幅度按量化級(jí)決定取值的過(guò)程。量化級(jí) 可以分為8級(jí)、16級(jí)，或者更多的量化級(jí)，這取決于系統(tǒng) 的精確度要求。 （3）編碼 編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進(jìn)制代碼表示量化后的采樣樣本的 量級(jí)。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) PCM的工作原理的工作原理 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 通信接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)通信接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 目前廣泛使用的通信設(shè)備接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有： EIA RS-232C； EIA RS-422/485。 20mA電流環(huán)接口 IEEE-488總線接口方式 USB總線接口 以太網(wǎng)絡(luò)接口 數(shù)據(jù)通信

22、基礎(chǔ)知識(shí) EIA RS-232C接口 在串行通信中，EIA RS-232C是應(yīng)用最為廣泛的 標(biāo)準(zhǔn)。 RS-232C接口的特性： RS-232C使用9針或25針的D型連接器DB-9或DB- 25。 目前，絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)使用的是9針的D型連接器 。RS-232D規(guī)定使用25針的D型連接器。 RS-232C采用的信號(hào)電平515V代表邏輯“1” ，515V代表邏輯“0”。在傳輸距離不大于15 米時(shí)，最大速率為19.2kbps。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) RS232接口DB-9和DB-25的對(duì)應(yīng)關(guān)系 DB-9信號(hào)名稱(chēng)DB-25 1載波檢測(cè)（CD）8 2發(fā)送數(shù)據(jù)（TD）2 3接收數(shù)據(jù)（RD）3 4數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備（D

23、TR）20 5信號(hào)地（SIG）7 6數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備準(zhǔn)備（DSR）6 7請(qǐng)求發(fā)送（RTS）4 8允許發(fā)送（CTS）5 9振鈴指示（RI）22 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) RS-232接口的應(yīng)用：接口的應(yīng)用： 異步通信 兩個(gè)DTE（計(jì)算機(jī)）設(shè)備通過(guò)DCE（調(diào)制解調(diào)器 ）或直接連接進(jìn)行異步通信，須設(shè)置開(kāi)始和停止 位。 同步通信 兩個(gè)DTE設(shè)備通過(guò)RS-232C進(jìn)行同步通信，使用 DB-25針接口的第17和第24針腳提供外同步的時(shí) 鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。由于9針的RS-232C接 口不能提供時(shí)鐘信號(hào)，因而不能進(jìn)行同步通信。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) RS-232接口的空Modem連接 當(dāng)近距離的兩個(gè)DTE之間進(jìn)行通信時(shí)

24、，可以不使 用Modem，而是采用空Modem直接連接。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) RS232最簡(jiǎn)單連接 DTE與DCE相連時(shí)，DTE和DCE對(duì)應(yīng)的針腳直連 ，且只需要使用發(fā)送TD、接收RD和信號(hào)地SIG。 對(duì)于DTE與DTE相連時(shí)，相對(duì)的發(fā)送和接收針腳 需要交叉相連，因此，有時(shí)也把空Modem線稱(chēng)為 串口交叉線。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳差分傳 輸輸方式，也稱(chēng)作平衡傳輸平衡傳輸，其發(fā)送驅(qū)動(dòng)器使用一對(duì)雙絞線 ，將其中一線定義為A，另一線定義為B。通常情況下， 發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平在+2+6V，是一個(gè)邏輯 狀態(tài)，負(fù)電平在-26V，是另一

25、個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信 號(hào)地C，可不接。在RS-485中還有一“使能”端，而在RS- 422中這是可用可不用的。“使能”端是用于控制發(fā)送驅(qū)動(dòng) 器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)RS485采用二線制半雙工方 式時(shí)起作用。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 接收器也有與發(fā)送端相對(duì)的規(guī)定，收、發(fā)端通過(guò) 平衡雙絞線對(duì)應(yīng)相連，當(dāng)在收端AB之間有大于 +200mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于- 200mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接收平衡線 上的電平范圍通常在200mV至6V之間 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) RS-422電氣規(guī)定電氣規(guī)定 ： RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱(chēng)是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”， 它定義了接口電路的特性。RS-422

26、采用四線制接口。實(shí) 際上還有一根信號(hào)地線，共5根線。允許在相同傳輸線上 連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備（ Master），其余為從設(shè)備（Salve），從設(shè)備之間不能通 信，所以RS-422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) RS-422的最大傳輸距離為1219米，最大傳輸速率 為10Mb/s。其平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反 比，在100kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距 離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸 。一般100米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸 速率僅為1Mb/s。 RS-422需要接一終端電阻，要求其阻值約等于傳 輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)

27、可不需終端 電阻，即一般在300米以下不需終端電阻。終端 電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) RS-485電氣規(guī)定：電氣規(guī)定： 由于RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，所以RS-485 許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、 都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線 與四線方式，如圖a、b所示。其中四線制接口方式與 RS422完全一致，二線制則是由RXD+與TXD+合并為D+ ，RXD-與TXD-合并為D-。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。 而采用四線連接時(shí)，與RS-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通 信，即只能有一個(gè)主（Mast

28、er）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但 它比RS-422有改進(jìn)， 無(wú)論四線還是二線連接方式在總線 上都可接到32個(gè)設(shè)備。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為 1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的 長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才 可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距 離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)雙絞 線最大傳輸速率僅為1Mb/s。 RS-485需要接2個(gè)終端電阻，其阻值要求等于傳 輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終端 電阻，即一般在300米以下不需終端電阻。終端 電阻接在傳輸總線的兩端。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 20m

29、A電流環(huán)接口電流環(huán)接口 采用電流控制，而不像RS232C標(biāo)準(zhǔn)那樣用電壓控制。電 流控制是把20mA電流作為邏輯“1”，零電流作為邏輯“0”。 電流環(huán)在許多方面比RS232C接口優(yōu)越。它內(nèi)在的雙端傳 輸具有對(duì)共模噪音的抑止作用，而且由于他采用隔離技術(shù) 能消除接地回路引起的一些問(wèn)題，因而他的連接距離比 RS232C長(zhǎng)的多。 EIA把RS232C接口作為正式標(biāo)準(zhǔn)，而20mA電流環(huán)的文件 在目前還只是非正式標(biāo)準(zhǔn)。所以，大多說(shuō)制造廠商都提供 RS232C串行接口。 因?yàn)镽S232C和電流接口之間只在電氣連接上存在差別， 所以?xún)烧呖晒灿肐/O接口，設(shè)計(jì)師常常為串行口提供2個(gè)不 同的連接器來(lái)利用這個(gè)公共口。

30、一個(gè)接到電流環(huán)，另一個(gè) 接到RS232C。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) IEEE-488總線接口方式 IEEE-488總線是并行總線接口標(biāo)準(zhǔn)，IEEE-488總線用來(lái) 連接系統(tǒng)，如微機(jī)、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設(shè)備。它 按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號(hào)，連接方式 為總線方式，儀器設(shè)備直接并聯(lián)于總線上而無(wú)需中介單元 ，總線上最多可連接15臺(tái)設(shè)備，最大傳輸距離為20m，信 號(hào)傳輸速度一般為500Kb/s，最大傳輸速度為1Mb/s. 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) IEEE-488總線接口方式 IEEE-488總線是并行總線接口標(biāo)準(zhǔn)，IEEE-488總線用來(lái) 連接系統(tǒng)，如微機(jī)、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設(shè)備。它 按照

31、位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號(hào)，連接方式 為總線方式，儀器設(shè)備直接并聯(lián)于總線上而無(wú)需中介單元 ，總線上最多可連接15臺(tái)設(shè)備，最大傳輸距離為20m，信 號(hào)傳輸速度一般為500Kb/s，最大傳輸速度為1Mb/s. 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) USB總線接口方式 通用串行總線USB（Universal Serial Bus)是由Intel、 Compaq 、Digital、IBM、 Microsoft、MEC、Northern Telecom等7個(gè)家著名的計(jì)算機(jī)和通信公司共同推出的一 種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。它基于通用連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡(jiǎn)單 、快速連接，達(dá)到方便用戶(hù)、降低成本、擴(kuò)展PC連接外 設(shè)范圍的目的。它

32、可以為外設(shè)提供電源，而普通的使用串 、并口的設(shè)備往往需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)。USB技術(shù)的突出 特點(diǎn)是快速，USB的最高傳輸率可達(dá)12Mb/s。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) RJ45 型網(wǎng)線接口 RJ45 型插頭又稱(chēng)水晶頭，是各種不同接頭的一種 類(lèi)型（RJ11也是接頭的一種類(lèi)型，不過(guò)它是電話 上用的），共有八芯做成，廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)和 ADSL 寬帶上網(wǎng)用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間網(wǎng)線（稱(chēng)作五 類(lèi)線或雙絞線）的連接。 在具體應(yīng)用時(shí)，RJ45 型插頭和網(wǎng)線有兩種連接方 法（線序），分別稱(chēng)作 T568A 線序和 T568B 線 序。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) RJ45 型網(wǎng)線接口 T568A 線序線序從18分別對(duì)應(yīng)綠白、綠、橙白、藍(lán)

33、、藍(lán) 白、橙、棕白、棕。 T568B 線序從18分別對(duì)應(yīng)橙白、橙、綠白、藍(lán)、藍(lán)白、 綠、棕白、棕。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 使用RJ45接頭的兩個(gè)設(shè)備之間網(wǎng)線接法也有兩種：交叉 式和直通式。 所謂交叉式是指網(wǎng)線的一端和另一端與 RJ45 網(wǎng)線插頭的 接法不同，一端按 T568A 線序連接，另一端按 T568B 線 序連接，即有幾根網(wǎng)線在另一端是先做了交叉才接到 RJ45 插頭上去的。 適用的連接場(chǎng)合有： 1. 電腦電腦，對(duì)等網(wǎng)連接，即兩臺(tái)電腦之間只通 過(guò)一條網(wǎng)線連接就可以互相傳遞數(shù)據(jù)； 2. 集線器集線器； 3. 交換機(jī)交換機(jī)。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 所謂直通式是指網(wǎng)線的兩端與RJ45 網(wǎng)線插頭都按T5

34、68B 線序連接。 適用的連接場(chǎng)合有： 1. 電腦ADSL 調(diào)制解調(diào)器 2. ADSL調(diào)制解調(diào)器ADSL 路由器的 WAN 口 3. 電腦ADSL 路由器的 LAN 口 4. 電腦集線器或交換機(jī) 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 10或100base tx RJ45接口引腳定義如下： PinNameDescription 1TX+Tranceive Data+ (發(fā)信號(hào)+) 2TX-Tranceive Data- (發(fā)信號(hào)-) 3RX+Receive Data+ (收信號(hào)+) 4n/cNot connected (空腳) 5n/cNot connected (空腳) 6RX-Receive Data- (收信

35、號(hào)-) 7n/cNot connected (空腳) 8n/cNot connected (空腳) 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 差錯(cuò)控制技術(shù)差錯(cuò)控制技術(shù) 根據(jù)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型，當(dāng)數(shù)據(jù)從信源發(fā)出，經(jīng)過(guò)通信 信道傳輸，由于信道總存在著一定的噪聲，數(shù)據(jù)到達(dá)信宿 端后，接收的信號(hào)實(shí)際上是數(shù)據(jù)信號(hào)和噪聲信號(hào)的疊加。 接收端在取樣時(shí)鐘作用下接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)閾值電平判斷 信號(hào)電平。如果噪聲對(duì)信號(hào)的影響非常大時(shí)，就會(huì)造成數(shù) 據(jù)的傳輸錯(cuò)誤。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 差錯(cuò)產(chǎn)生的原因差錯(cuò)產(chǎn)生的原因 在通信過(guò)程中出現(xiàn)的傳輸差錯(cuò)，是由隨機(jī)差錯(cuò)和突發(fā)差錯(cuò) 共同構(gòu)成的，而造成差錯(cuò)可能的原因包括： 在數(shù)據(jù)通信中，信號(hào)在物理信道上的線路本身

36、的電氣 特性隨機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)幅度、頻率、相位的畸形和衰減 ； 電氣信號(hào)在線路上產(chǎn)生反射噪聲的回波效應(yīng)； 相鄰線路之間的串線干擾； 大氣中的閃電、電源開(kāi)關(guān)的通斷、自然界磁場(chǎng)的變化 以及電源的波動(dòng)等外界因素。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 差錯(cuò)的控制差錯(cuò)的控制 目前差錯(cuò)控制常采用冗余編碼方案，檢測(cè)和糾正信息傳輸 中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。 冗余編碼思想就是：把要發(fā)送的有效數(shù)據(jù)在發(fā)送時(shí)按照所 使用的某種差錯(cuò)編碼規(guī)則加上控制碼（冗余碼），當(dāng)信息 到達(dá)接收端后，再按照相應(yīng)的校驗(yàn)規(guī)則檢驗(yàn)收到的信息是 否正確。 差錯(cuò)編碼主要分為差錯(cuò)檢測(cè)編碼和差錯(cuò)糾錯(cuò)編碼兩種。 其中差錯(cuò)檢測(cè)編碼主要有奇偶校驗(yàn)碼和CRC循環(huán)冗余碼。 差錯(cuò)糾錯(cuò)編碼主要有

37、漢明碼和卷積碼等。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 奇偶校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼 奇偶校驗(yàn)有兩種類(lèi)型：偶校驗(yàn)與奇校驗(yàn)。選擇偶校驗(yàn)時(shí)， 如果一組給定數(shù)據(jù)位中 1 的個(gè)數(shù)是奇數(shù)，那么校驗(yàn)位就置 為1，從而使得總的 1 的個(gè)數(shù)是偶數(shù)。如果給定一組數(shù)據(jù) 位中 1 的個(gè)數(shù)是偶數(shù)，那么校驗(yàn)位就置為0，使得總的 1 的個(gè)數(shù)還是偶數(shù)。奇校驗(yàn)原理和偶校驗(yàn)一樣，只是湊出1 的個(gè)數(shù)必須是奇數(shù)。接收機(jī)接收數(shù)據(jù)后重新計(jì)算收到字符 的奇偶性，并確定該字符是否出現(xiàn)傳輸差錯(cuò)。 奇偶校驗(yàn)只能發(fā)現(xiàn)單個(gè)比特差錯(cuò)，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上 比特出錯(cuò)，奇偶校驗(yàn)位無(wú)效。異步傳輸和面向字符的同步 傳輸均采用奇偶校驗(yàn)技術(shù)。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 循環(huán)冗余碼循環(huán)冗余碼CR

38、C 循環(huán)冗余碼校驗(yàn)英文名稱(chēng)為Cyclical Redundancy Check，簡(jiǎn)稱(chēng)CRC。它是利用除法及余數(shù)的原理來(lái)作錯(cuò)誤 偵測(cè)（Error Detecting）的。它將要發(fā)送的數(shù)據(jù)比特序列 當(dāng)作一個(gè)多項(xiàng)式f(x)的系數(shù)，發(fā)送時(shí)用雙方預(yù)先約定的生 成多項(xiàng)式G(x)去除，求得一個(gè)余數(shù)，將余數(shù)加到數(shù)據(jù)之后 發(fā)送到接收端，接收端同樣用G(x)去除接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn) 行計(jì)算，然后把計(jì)算結(jié)果和實(shí)際接收到的余數(shù)進(jìn)行比較， 相同的話表示傳輸正確。CRC校驗(yàn)檢錯(cuò)能力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn) ，是目前應(yīng)用最廣的檢錯(cuò)碼編碼方式之一。 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)生成多項(xiàng)式G(x)的不同，CRC又可分 為以下幾種標(biāo)準(zhǔn)：

39、 CRC-12碼: G(x)=X12+X11+X3+X2+X+1(即除數(shù)為 1100000001111) CRC-16碼: G(x)=X16+X15+X2+1 CRC-CCITT碼: G(x)=X16+X12+X5+1 CRC-32碼： G(x)=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+ X5+X4+X2+X1+X+1 CRC-12碼通常用來(lái)傳送6-bit字符串，CRC-16及CRC- CCITT碼則用是來(lái)傳送8-bit字符，其中CRC-16為美國(guó)采 用，而CRC-CCITT為歐洲國(guó)家所采用。CRC-32碼大都被 采用在一種稱(chēng)為Point-to-Point的

40、同步傳輸中。目前最常用 的是CRC-16碼。 現(xiàn)場(chǎng)總線 什么是現(xiàn)場(chǎng)總線？ 現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表 與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行 、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線與串口通信協(xié)議的異同 現(xiàn)場(chǎng)總線是在串口通信基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，很多現(xiàn)場(chǎng)總線 是以RS485為基礎(chǔ)的。但現(xiàn)場(chǎng)總線并不等同于RS232、 RS485。 RS232、RS485只能代表通訊的物理介質(zhì)層和鏈路層，如 果要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向訪問(wèn)，就必須自己編寫(xiě)通訊應(yīng)用程序 ，程序不具備通用性。在RS232或RS485設(shè)備聯(lián)成的設(shè)備 網(wǎng)中，如果設(shè)備數(shù)量超過(guò)2臺(tái)，就必須使用RS485做通訊 介質(zhì)，RS

41、485網(wǎng)只能進(jìn)行主從通信，即只允許存在一個(gè)主 設(shè)備，其余全部是從設(shè)備。 現(xiàn)場(chǎng)總線是以ISO/OSI模型為基礎(chǔ)的，具有完整的軟件支 持系統(tǒng)，能夠解決總線控制、沖突檢測(cè)、鏈路維護(hù)等問(wèn)題 ?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備自動(dòng)成網(wǎng)，無(wú)主/從設(shè)備之分或允許多主 存在。在同一個(gè)層次上不同廠家的產(chǎn)品可以互換。 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn) （1）增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力 現(xiàn)場(chǎng)總線可從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的 滿(mǎn)足工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字化 通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀 態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制，還可完 成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。 （2）開(kāi)放式、互操作性、互換性、

42、可集成性 不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性 、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開(kāi)放式 ，允許其它廠商將自己專(zhuān)長(zhǎng)的控制技術(shù)，如控制算法、工 藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去。 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn) （3）系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代 一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少了由接 線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在 線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參 數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。 （4）降低了系統(tǒng)及工程成本 對(duì)大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，省去了大量

43、 的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用，降低了系統(tǒng)及工 程成本。 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn) （3）系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代 一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少了由接 線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在 線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參 數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。 （4）降低了系統(tǒng)及工程成本 對(duì)大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，省去了大量 的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用，降低了系統(tǒng)及工 程成本。 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線種類(lèi)： 1）PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線 1996年3

44、月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，即DIN 50170 V.2。 PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，市場(chǎng)份額占 歐洲首位，年增長(zhǎng)率25%。目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn) 品超過(guò)1500多種，分別來(lái)自國(guó)際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。 PROFIBUS主要應(yīng)用領(lǐng)域有：制造業(yè)自動(dòng)化：汽車(chē)制造（ 機(jī)器人、裝配線、沖壓線等）、造紙、紡織。過(guò)程控制自 動(dòng)化：石化、制藥、水泥、食品、啤酒。電力：發(fā)電、輸 配電。樓宇：空調(diào)、風(fēng)機(jī)、照明。鐵路交通：信號(hào)系統(tǒng)。 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線種類(lèi)： 2）FF現(xiàn)場(chǎng)總線 1994年由ISP 基金會(huì)和World FIP(北美)兩大集團(tuán) 合并成立FF基金會(huì)，其宗旨在于開(kāi)發(fā)出符合IEC

45、和ISO標(biāo)準(zhǔn)的、唯一的國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線（Fundation Fieldbus）。 FF現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過(guò)程自動(dòng)化為主。如： 化工、電力、廢水處理、油田等行業(yè)。 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線種類(lèi)： 3） LONWORKS總線 LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線全稱(chēng)為L(zhǎng)ONWORKS NetWorks,即分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，希望推出 能夠適合各種現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用場(chǎng)合的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。目 前LONGWORKS應(yīng)用范圍廣泛，主要包括工業(yè)控 制、樓宇自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。國(guó) 內(nèi)主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化方面。 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線種類(lèi)： 4） CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線 CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線已由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn) 為

46、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IOS 11898（通信速率小于1Mbps） 和ISO 11519（通信速率小于125Kbps）。 CANBUS主要產(chǎn)品應(yīng)用于汽車(chē)制造、公共交通車(chē) 輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。另外在電梯 、醫(yī)療器械、工具機(jī)床、樓宇自動(dòng)化等場(chǎng)合均有 所應(yīng)用。 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線種類(lèi)： 6） P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線 P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線籌建于1983年。1984年推出采用多 重主站現(xiàn)場(chǎng)總線的第一批產(chǎn)品。1986年通信協(xié)議中加入了 多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重 接口產(chǎn)品。1987年P(guān)-NET標(biāo)準(zhǔn)成為開(kāi)放式的完整標(biāo)準(zhǔn)，成 為丹麥的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。1996年成為歐洲總線標(biāo)準(zhǔn)的一部分（

47、EN 50170 V.1）。1997年組建國(guó)際P-NET用戶(hù)組織，現(xiàn) 有企業(yè)會(huì)員近百家，總部設(shè)在丹麥的Siekeborg，并在德 國(guó)、英國(guó)、葡萄牙和加拿大等地設(shè)有地區(qū)性組織分部。P- NET現(xiàn)場(chǎng)總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其中包括 石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè) 等應(yīng)用領(lǐng)域。 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線種類(lèi)： 6） P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線 P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線籌建于1983年。1984年推出采用多 重主站現(xiàn)場(chǎng)總線的第一批產(chǎn)品。1986年通信協(xié)議中加入了 多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重 接口產(chǎn)品。1987年P(guān)-NET標(biāo)準(zhǔn)成為開(kāi)放式的完整標(biāo)準(zhǔn)，成 為丹麥的國(guó)

48、家標(biāo)準(zhǔn)。1996年成為歐洲總線標(biāo)準(zhǔn)的一部分（ EN 50170 V.1）。1997年組建國(guó)際P-NET用戶(hù)組織，現(xiàn) 有企業(yè)會(huì)員近百家，總部設(shè)在丹麥的Siekeborg，并在德 國(guó)、英國(guó)、葡萄牙和加拿大等地設(shè)有地區(qū)性組織分部。P- NET現(xiàn)場(chǎng)總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其中包括 石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè) 等應(yīng)用領(lǐng)域。 現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車(chē)間級(jí)監(jiān)控和 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?？?實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車(chē)間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制 和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方

49、案。 PROFIBUS由三個(gè)兼容部分組成，即： PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery） PROFIBUS-PA(Process Automation) PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。 現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS-DP：是一種高速低成本通信，用于 設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用 PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號(hào)傳 輸。PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送 。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從 站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時(shí)間必須要比主站（ PLC）程序循環(huán)

50、時(shí)間短。除周期性用戶(hù)數(shù)據(jù)傳輸 外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需 的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。 現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUSPA主要用于流程工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。 它將自動(dòng)化系統(tǒng)或過(guò)程控制系統(tǒng)與設(shè)備（如壓力 、溫度和液位變送器等）通過(guò)總線連接起來(lái)，并 解決它們之間的通信任務(wù)。PA采用IEC11582傳 輸技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由總線供電，具有本質(zhì)安全特 性?？捎糜谟斜ㄎｋU(xiǎn)的區(qū)域。使用PROFIBUS PA可取代現(xiàn)行的420mA的模擬技術(shù)。 現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS-FMS：主要用于車(chē)間（或單元）級(jí)的 通信網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。由 于這一級(jí)處在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的中間

51、層，起承上 啟下的作用，因此在這一級(jí)高性能的功能要求遠(yuǎn) 比系統(tǒng)的快速反應(yīng)更為重要，通信的實(shí)時(shí)性要求 低于現(xiàn)場(chǎng)層。FMS除解決智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如PLC 、PC、MMI等）之間的通信任務(wù)外，還提供了大 量的、強(qiáng)有力的管理和服務(wù)功能，以適應(yīng)各種應(yīng) 用需要。它也用于大范圍和復(fù)雜的通信系統(tǒng)。 現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS傳輸技術(shù)： 用于DP和FMS的RS485傳輸。 用于PA的IEC1158-2傳輸。 光纖 現(xiàn)場(chǎng)總線 用于DP/FMS的RS485傳輸技術(shù) 由于DP與FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線 訪問(wèn)協(xié)議，因而這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時(shí)操作。 RS-485傳輸技術(shù)基本特征： 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌壕€性總

52、線，兩端有有源的總線終端電阻。 傳輸速率：9.6K bit/s12M bit/s。 介質(zhì)：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（ EMC）。 站點(diǎn)數(shù)：每分段32個(gè)站（不帶中繼），可多到127個(gè)站（ 帶中繼）。 插頭連接：最好使用9針D型插頭。 現(xiàn)場(chǎng)總線 RS-485傳輸設(shè)備安裝要點(diǎn)： （1） 全部設(shè)備均與總線連接。 （2） 每個(gè)分段上最多可接32個(gè)站（主站或從站）。 （3） 每段的頭和尾各有一個(gè)總線終端電阻，確保操作 運(yùn)行不發(fā)生誤差。兩個(gè)總線終端電阻必須永遠(yuǎn)有電源。 現(xiàn)場(chǎng)總線 RS-485傳輸設(shè)備安裝要點(diǎn)： （4） 當(dāng)分段站超過(guò)32個(gè)時(shí)，必須使用中繼器用以連接各 總線段。串聯(lián)的中繼器一般

53、不超過(guò)3個(gè)。 現(xiàn)場(chǎng)總線 RS-485傳輸設(shè)備安裝要點(diǎn)： （5）電纜最大長(zhǎng)度取決于傳輸速率。如使用A型電纜，則傳 輸速率與長(zhǎng)度如下表： 波特率（K bit/s）96192937518755001500 12000 距離/段（M） 1200120012001000400200100 現(xiàn)場(chǎng)總線 RS-485傳輸設(shè)備安裝要點(diǎn)： （6） RS-485的傳輸技術(shù)的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)最好使用9針 D型插頭。 （7） 當(dāng)連接各站時(shí)，應(yīng)確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，系統(tǒng)在 高電磁發(fā)射環(huán)境下運(yùn)行應(yīng)使用帶屛蔽的電纜，屏蔽可提高 電磁兼容性（EMC）。 （8）如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應(yīng)在兩端與保護(hù)接地連 接，并通過(guò)盡可能的大

54、面積屏蔽接線來(lái)覆蓋，以保持良好 的傳導(dǎo)性。另外建議數(shù)據(jù)線必須與高壓線隔離。 （9）超過(guò)500Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)應(yīng)避免使用短截 線段，應(yīng)使用市場(chǎng)上現(xiàn)有的插頭，可使數(shù)據(jù)輸入和輸出電 纜直接與插頭連接，而且總線插頭可在任何時(shí)候接通或斷 開(kāi)而并不中斷其它站的數(shù)據(jù)通信。 現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS總線存取協(xié)議 (1) 三種PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的總 線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過(guò)OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈 路層）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié) 議和報(bào)文處理。 (2) 在PROFIBUS中，第二層稱(chēng)之為現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層 （Fieldbus Data Link

55、FDL）。介質(zhì)存取控制（Medium Access ControlMAC）具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC 必須確保在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。 現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS總線存取協(xié)議 (3) PROFIBUS協(xié)議的設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足介質(zhì)存取控制的兩個(gè)基 本要求： 在復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)（主站）間的通信，必須保證在確切 限定的時(shí)間間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)要有足夠的時(shí)間來(lái)完成 通信任務(wù)。 在復(fù)雜的程序控制器和簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備（從站）間通信， 應(yīng)盡可能快速又簡(jiǎn)單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。 因此，PROFIBUS總線存取協(xié)議，主站之間采用令牌傳 送方式，主站與從站之間采用主從輪詢(xún)方式。 現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS

56、總線存取協(xié)議 (4) 令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)間內(nèi) 得到總線存取權(quán)（令牌）。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅 在各主站之間進(jìn)行。 (5) 主站得到總線存取令牌時(shí)可與從站通信。每個(gè)主站均 可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統(tǒng)配 置： 純主從系統(tǒng) 純主主系統(tǒng) 混合系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS總線存取協(xié)議 (6) 下圖是一個(gè)由3個(gè)主站、7個(gè)從站構(gòu)成的PROFIBUS系 統(tǒng)。3個(gè)主站之間構(gòu)成令牌邏輯環(huán)。當(dāng)某主站得到令牌報(bào) 文后，該主站可在一定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時(shí)間 內(nèi)，它可依照主從通訊關(guān)系表與所有從站通信，也可依 照主主通訊關(guān)系表與所有主站通信。 工業(yè)以太網(wǎng)

57、工業(yè)以太網(wǎng) 工業(yè)以太網(wǎng)遵循IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，提供了針對(duì)制造業(yè)控制 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利 用了交換以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、可操作性和 實(shí)效性，最大限度地滿(mǎn)足了用戶(hù)和生產(chǎn)廠商的需求。工業(yè) 以太網(wǎng)以其特有的低成本、高實(shí)效、高擴(kuò)展性及高智能的 魅力，吸引著越來(lái)越多的工業(yè)用戶(hù)。 工業(yè)以太網(wǎng) 以太網(wǎng)類(lèi)型 目前的以太網(wǎng)按照傳輸速率大致分為以下四種： 1）10Base-T 以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)是銅軸電纜，傳輸速率 為10Mbit/s； 2） 100Base-T快速以太網(wǎng)傳輸速率為100Mbit/s，采 用光纜或雙絞線作為傳輸介質(zhì)，兼容10Base-T 以太網(wǎng)； 3）Gi

58、gabit 以太網(wǎng)擴(kuò)展的以太網(wǎng)協(xié)議，傳輸速率為 1Gbit/s,采用光纜或雙絞線作為傳輸介質(zhì)，基于當(dāng)前的以 太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，兼容10Mbit/s以太網(wǎng)和100Mbit/s以太網(wǎng)的交換 機(jī)和路由器設(shè)備； 4）10 Gigabit 以太網(wǎng)2002年6月發(fā)布，是一種速度更 快的以太網(wǎng)技術(shù)。支持智能以太網(wǎng)服務(wù)，是未來(lái)廣域網(wǎng)（ WANWide Area Network）和城域網(wǎng)（MAN Metropolitan Area Network）的寬帶解決方案。 工業(yè)以太網(wǎng) 工業(yè)以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的比較工業(yè)以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的比較 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是普通以太網(wǎng)技術(shù)在控制網(wǎng)絡(luò)延伸的產(chǎn)物 ，前者源于后者但不同與前者。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)辦公室網(wǎng) 絡(luò)相比，有一些不同之處。 工業(yè)以太網(wǎng) 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的要求包括： 1)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的高溫、潮濕、空氣污濁以及腐蝕性氣 體的存在，要求工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品具有氣候環(huán)境適應(yīng)性，并要 求耐腐蝕、防塵和防水。 2)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的粉塵、易燃易爆和有毒性氣體的存在，需