工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)(2013)2

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)（2）哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所劉勇2013（春）第二章數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)一、數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)1.傅里葉級(jí)數(shù)：任意一個(gè)周期為T的函數(shù)g(t)可表示為無限個(gè)正弦和余弦函數(shù)之和：2.截止頻率fc：通常把信號(hào)在信道傳輸過程中某個(gè)分量的振幅衰減到原來的0.707時(shí)所對(duì)應(yīng)的那個(gè)頻率稱為信道的截止頻率。3.帶寬W：有時(shí)人們有意在信道中加入濾波器，這樣上下截止頻率之差被稱作信道的帶寬。4.尼奎斯特（H.Nyquist）定理：定義了無噪聲下最大數(shù)據(jù)傳輸速率。4.香農(nóng)（C.Shanon）定理：定義了有噪聲下最大數(shù)據(jù)傳輸速率。該公式由信息論推導(dǎo)而來，不論使用多少級(jí)信號(hào)電平，也不管采用多大采樣頻率，均不可能超過香農(nóng)定理所設(shè)定的上限。二、數(shù)據(jù)編碼模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以用模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)來表示和傳輸。除模擬數(shù)據(jù)模擬傳輸以外，其它都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。（1）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼數(shù)據(jù)編碼：（2）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)編碼（3）模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼（1）單極性碼（2）雙極性碼（3）歸零碼（RZ）：每一位二進(jìn)制信息傳輸之后均返回零電平。（4）非歸零碼（NRZ）：在整個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)維持有效電平。（5）差分碼：電平變化代表“1”，不變化代表“0”。又分為2種情形：a.起始為高電平b.起始為低電平。（6）曼徹斯特編碼前半個(gè)時(shí)段所傳信號(hào)是該時(shí)間段傳遞比特值的反碼，而后半個(gè)時(shí)段傳遞的是比特值本身。（這種定義的典型應(yīng)用是使用802.3協(xié)議的基帶同軸電纜和CSMA/CD機(jī)制的雙絞線中）

ControlNet等現(xiàn)場(chǎng)總線中使用的曼徹斯特編碼的定義與上述定義正好相反。其中：{L，H}=0，{H，L}=1。

曼碼的優(yōu)點(diǎn)：自帶同步曼碼的缺點(diǎn)：同步與數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)生。改進(jìn)：差分曼徹斯特編碼：數(shù)據(jù)在開始表示，有變化為1，無變化為0，同步在碼元中間表示。（這種定義使用在802.5令牌環(huán)雙絞線網(wǎng)絡(luò)中）2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬數(shù)據(jù)編碼（1）幅移鍵控編碼ASK（AmplitudeShiftKeying）（2）頻移鍵控編碼FSK（FrequencyShiftKeying）（3）相移鍵控編碼PSK（PhaseShiftKey-ing）三、通信方式1.串行傳輸與并行傳輸串行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是一位一位在設(shè)備間進(jìn)行傳輸?shù)?；并行傳輸：多個(gè)位在設(shè)備間是同時(shí)傳輸?shù)模淮兴俣嚷?、但費(fèi)用低，一般用于遠(yuǎn)距離傳輸；并行速度快，但費(fèi)用高，適用于近距離。2.單工、半雙工、全雙工通信單工通信：信息流只能沿一個(gè)方向傳輸，不能反向；半雙工通信：可以雙向傳輸，但同一時(shí)間內(nèi)只能單向傳輸；全雙工通信：允許在同一時(shí)刻兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。單工通信一般用于無線廣播、有線廣播及電視廣播，數(shù)據(jù)通信中很少使用；全雙工和半雙工比：全雙工效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也比較高。3.同步傳輸與異步傳輸同步傳輸：以同步的時(shí)鐘節(jié)拍來發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，在一個(gè)串行數(shù)據(jù)流中，各信號(hào)碼元之間的相對(duì)位置是固定的。接收端為正確地區(qū)分收到的數(shù)據(jù)流中每個(gè)碼元，必須首先建立準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)比特同步。異步傳輸：也稱為開始/停止傳輸。要一起傳輸?shù)奈涣饔梢粋€(gè)開始位開始，并由一個(gè)停止位做結(jié)束。當(dāng)接收端取得開始信號(hào)時(shí)，它會(huì)設(shè)定好時(shí)間機(jī)制，以便正確接收數(shù)據(jù)。4.基帶傳輸、載波傳輸和寬帶傳輸基帶傳輸：是指將數(shù)字設(shè)備發(fā)生的數(shù)字信號(hào)按數(shù)據(jù)波的原樣進(jìn)行傳輸，不包含任何調(diào)制載波傳輸：采用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制后實(shí)行傳輸，如ASK、FSK、PSK。寬帶傳輸：將基帶信號(hào)、音頻信號(hào)和視頻信號(hào)經(jīng)調(diào)制后放到同一條電纜的不同頻段進(jìn)行傳輸。四、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星形、環(huán)形、總線形和樹形。1.星形拓?fù)溆芍醒胝军c(diǎn)及通過點(diǎn)到點(diǎn)鏈路連到中央節(jié)點(diǎn)的各個(gè)站點(diǎn)組成。星形拓?fù)涞慕粨Q方式主要有報(bào)文交換和線路交換。優(yōu)點(diǎn)：方便服務(wù)；每個(gè)連接只接一個(gè)設(shè)備，單點(diǎn)失敗不會(huì)影響全網(wǎng)；可以進(jìn)行集中控制及故障診斷；訪問協(xié)議簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：需要的電纜較多、安裝復(fù)雜；受中央節(jié)點(diǎn)限制，擴(kuò)展較困難；過分依賴于中央節(jié)點(diǎn)。2.環(huán)形拓?fù)溆梢恍┲欣^器和連接中繼器的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路組成一個(gè)閉合環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)工作站通過中繼器再連至網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)沿一個(gè)方向在網(wǎng)上環(huán)行。優(yōu)點(diǎn)：電纜長(zhǎng)度短。缺點(diǎn)：?jiǎn)吸c(diǎn)故障影響全網(wǎng)；故障診斷比較困難；不易重新配置網(wǎng)絡(luò)；通信調(diào)度復(fù)雜。3.總線拓?fù)鋫鬏斀橘|(zhì)是一根總線，工作站通過相應(yīng)的硬件接口接至總線上。一個(gè)站發(fā)送數(shù)據(jù)，所有其它站都能接收。優(yōu)點(diǎn)：電纜長(zhǎng)度短、布線容易；可靠性高；易于擴(kuò)充。缺點(diǎn)：故障診斷困難；在總線的干線基礎(chǔ)上擴(kuò)充需要中繼器，系統(tǒng)應(yīng)重新配置，包括電纜長(zhǎng)度的裁剪、終端器的調(diào)整等；因?yàn)榻釉诳偩€上的站點(diǎn)要有介質(zhì)訪問控制能力，所以終端必須是智能的。4.樹形拓?fù)溆煽偩€拓?fù)溲葑兌鴣?，形狀像一顆倒置的樹，頂端有一個(gè)帶分支的根，每一個(gè)分支還可包括更多的分支，這樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣袠湫瓮負(fù)?。?yōu)點(diǎn)：易于擴(kuò)展；故障隔離容易。缺點(diǎn)：對(duì)根的依賴性太大，如果根發(fā)生故障，則全網(wǎng)不能正常工作。五、網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)也常稱作傳輸媒體(media)。網(wǎng)絡(luò)中常見的傳輸介質(zhì)有：架空明線、雙絞線、同軸電纜、光纖、無線（紅外、微波、衛(wèi)星通信）等。1.傳輸介質(zhì)的性能指標(biāo)（1）衰減（單位：db）是指信號(hào)幅度沿鏈路傳輸?shù)臏p弱程度。是由于電纜的電阻所造成的電能損耗以及電纜絕緣材料所造成的電能泄漏引起的。衰減值越低越好。鏈路越長(zhǎng)、頻率越高，衰減就越大。其值還受電纜的結(jié)構(gòu)影響。在1M-100MHz頻率范圍內(nèi)，衰減主要是由集膚效應(yīng)所決定的。（2）近端串?dāng)_串?dāng)_：是從鄰近的一對(duì)線傳輸過來的不期望的信號(hào)。主要是由鄰近繞對(duì)通過電容或電感耦合過來的。近端串?dāng)_（NEXT）：是從其它對(duì)向回反射。遠(yuǎn)端串?dāng)_（FEXT）：是從其它對(duì)向遠(yuǎn)端反射。頻率增高，串?dāng)_增加。10M-100M網(wǎng)絡(luò)主要考慮近端串?dāng)_。近端串?dāng)_是UTP最重要的指標(biāo)。（3）傳輸延遲傳輸延遲是電信號(hào)從電纜一端到另一端所必需的時(shí)間。另外3個(gè)影響傳輸特性的指標(biāo)是：（4）接線圖（5）電纜長(zhǎng)度（6）傳輸偏差2.雙絞線雙絞線由兩根具有絕緣保護(hù)層的銅導(dǎo)線組成。兩根絕緣的導(dǎo)線按一定密度互相絞在一起，可降低信號(hào)的干擾程度，每一根導(dǎo)線在傳輸中輻射的電波會(huì)被另一根線上發(fā)出的電波抵消?？煞譃?種：非屏蔽雙絞線（UTP）屏蔽雙絞線（STP）（1）傳輸特性既能傳輸模擬信號(hào)，也能傳輸數(shù)字信號(hào)，適用于較短距離的信息傳輸（因?yàn)槠渲械男盘?hào)衰減比較大，會(huì)產(chǎn)生波形畸變）。只要精心設(shè)計(jì)、選擇和安裝，可在有限距離內(nèi)（100米）達(dá)到100M，甚至155Mbps的通信速率。（2）連通性可以是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，也可以是多點(diǎn)的。（3）地理范圍使用中繼器時(shí)15公里。在10M局域網(wǎng)與HUB相連時(shí)，距離最大100米。（4）抗干擾性取決于相鄰線對(duì)的扭曲長(zhǎng)度及適當(dāng)?shù)钠帘?。誤碼率：10-5-10-6。（5）價(jià)格價(jià)格低、易于安裝。3.同軸電纜內(nèi)部是導(dǎo)體，外有屏蔽層、絕緣層和保護(hù)層。（1）傳輸特性具有50Ω特征阻抗的基帶同軸電纜傳輸速度可達(dá)10Mbps；具有75Ω特征阻抗的寬帶同軸電纜傳輸速度可達(dá)400Mbps。（2）連通性基帶同軸電纜可以掛上百臺(tái)設(shè)備；寬帶同軸電纜可以掛上千臺(tái)設(shè)備；（3）地理范圍基帶同軸電纜的傳輸距離可達(dá)幾公里；寬帶同軸電纜的傳輸距離可達(dá)上百公里；（4）抗干擾性抗干擾能力較強(qiáng)。誤碼率：基帶10-7，寬帶10-9。（5）價(jià)格中等。4.光纖直徑50-100μm，能傳導(dǎo)光波，由玻璃、塑料或石英玻璃纖維制成。在折射率較高的單根光纖外面用折射率較低的薄層包裹。（1）傳輸特性利用全反射原理進(jìn)行傳輸。采用亮度調(diào)制，即ASK。用的是頻率為1014-1015的可見光以及部分紅外波段，速度達(dá)幾千兆。可分為：?jiǎn)文９饫w：光信號(hào)僅與光纖軸成單個(gè)可分辨角度；多模光纖：光信號(hào)與光纖軸成多個(gè)可分辨角度。單模光纖性能優(yōu)于多模光纖。（2）連通性一般是點(diǎn)到點(diǎn)連接，這是最普遍的接法，個(gè)別情況下也有多點(diǎn)連接的形式。（3）地理范圍不使用中繼器：6-8公里。（4）抗干擾性誤碼率最?。?0-10。（5）價(jià)格價(jià)格高。5.無線通信微波通信：使用頻率為109-1010Hz。由于微波能穿透電離層而不反射到地面，所以只能使微波沿地球表面由源向目標(biāo)直接發(fā)射。由于地球表面是個(gè)曲面，因此其傳播距離受到一定限制，一般為50公里。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，每隔幾十公里便需要建立中繼站。紅外通信：使用頻率為1011-1014Hz。具有很強(qiáng)的方向性，沿直線傳播。激光通信：使用頻率為1014-1015Hz。如果氣候條件好，可以在幾十至上百公里間的兩點(diǎn)直接通信。衛(wèi)星通信：是微波通信的一個(gè)特例。六、介質(zhì)訪問控制方式1.介質(zhì)訪問控制方式分類隨機(jī)的：CSMA/CD，爭(zhēng)用總線受控的：令牌環(huán)、令牌總線2.CSMA/CD-載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)（1）原理先聽后發(fā)；若空閑即發(fā)送，否則等一段時(shí)間后重試；邊講邊聽；若有沖突，即發(fā)出阻塞信號(hào)。（2）CSMA/CD所使用的堅(jiān)持退避算法0-堅(jiān)持：空閑即發(fā)送，否則等待隨機(jī)時(shí)間重試發(fā)送；1-堅(jiān)持：空閑即發(fā)送，否則一直等到空閑即發(fā)送，若此時(shí)有沖突發(fā)生，則等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間重試發(fā)送；P-堅(jiān)持：空閑即以P概率發(fā)送，或者以（1-P）的概率延遲一個(gè)大于最大傳輸延遲的時(shí)間單位重復(fù)處理。如果忙，繼續(xù)監(jiān)聽，直到空閑，從頭重復(fù)。對(duì)比：0-堅(jiān)持缺點(diǎn)：即使有幾個(gè)站要發(fā)送，介質(zhì)也有可能空閑；1-堅(jiān)持缺點(diǎn)：假如有2個(gè)或2個(gè)以上站點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)，則沖突不可避免；P-堅(jiān)持：是一種折衷方案。有N個(gè)站有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，在當(dāng)前發(fā)送完成時(shí)，則有N×P個(gè)站企圖發(fā)送，若N×P>1，則沖突不可避免。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使N×P<1。P也不能太小，否則浪費(fèi)帶寬。3.令牌方式是一種有控制的發(fā)送方式。令牌按一定順序在各站點(diǎn)傳遞，誰得到令牌，誰才有權(quán)發(fā)送報(bào)文。（1）分類令牌環(huán)網(wǎng)：用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)；令牌總線：用于總線形網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)工作站按一定順序形成一個(gè)邏輯環(huán)，使用令牌控制機(jī)制，構(gòu)成令牌總線。誰得到令牌，誰才有權(quán)發(fā)送報(bào)文。（2）令牌方式與CSMA/CD方式比較由于能估算出信息傳輸?shù)难舆t時(shí)間，令牌方式比較適合在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中使用，而CSMA/CD方式的信息傳輸時(shí)間是不確定的；令牌方式對(duì)輕重負(fù)載不敏感，但單環(huán)路可靠性比較低，因?yàn)槿羧魏我稽c(diǎn)出現(xiàn)故障，將使整個(gè)環(huán)路通信癱瘓；對(duì)于CSMA/CD訪問控制，為了使最遠(yuǎn)距離的站點(diǎn)也能檢測(cè)到?jīng)_突，需要在實(shí)際的信息長(zhǎng)度后添加填充位，以滿足最低信息長(zhǎng)度的要求。而令牌方式的幀則可以設(shè)置得很短，可減少網(wǎng)絡(luò)開銷，增加容量。思考題：1.