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第二章 网络通信基础,课程的主要内容,2.1 网络通信的基本概念及通信模型 2.2 通信传输介质 2.3 数据编码技术 2.4 数据的传输模式 2.5 数据的通信方式 2.6 网络控制系统的拓扑结构 2.7 通信信道访问控制方式 2.8 差错控制技术 2.9 RS232和RS485串口通信技术 2.10 开放系统的OSI参考模型,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,2.1.1 网络通信的基本概念 下面以图的通信过程为例说明一些基本概念。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,总线与总线段 总线是指在一个设备或站点内，通过时分复用方式实现多个信道的 信号分别传递的共用途径。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。一组设备通 过总线连在一起称为总线段。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。 总线主设备 可在总线上发起信息传输的设备叫做总线主设备。也就是说，主设 备具备在总线上主动发起通信的能力，所以也称命令者。 总线从设备 不能在总线上主动发起通信，只有收到总线主设备的命令才能做出 响应的设备称为总线从设备，也称基本设备。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,控制信号 总线上的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，如改变数据流的方向，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。这是一套事先 规定的、必须共同遵守的规约。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,总线操作 总线上命令者与响应者之间的”连接数据传送脱开”这一操作序 列称为一次总线”交易”，或者叫做一次总线操作。”脱开”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。 总线传送 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 的读写操作规程。读数据操作是读来自响应者的数据；写数据操作 是向响应者写数据。读写数据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。 通信请求 通信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。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,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 以下四种寻址方式。 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器或某一功能。 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位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。 广播寻址：广播用于寻址网络控制系统的所有响应者。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”。能使多个从设备连上的地址称为广播地址。命令者为了确保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。 组播寻址：组播寻址类似于广播寻址，也是一对多的通信关系，拥有一组响应者。设备必修加入组内，才能接收组播信息。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,总线仲裁 由于总线是一条公用信道，如果有多个设备同时传送信息，就有可 能会发生冲突。为解决这种冲突，就需进行总线占有权的仲裁。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。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，而命令者占有总线的时间叫做总线占有期。命令者发起的 数据传送操作，可以在命令者和一个或多个从设备之间进行。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,总线定时 总线操作用定时信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和 地址在什么时刻是有效的。大多数总线标准都规定命令者可发起控 制信号，用来指定操作的类型，还规定响应者要回送的从设备状态 响应信号。 差错检测 在总线上传送信息时会因噪声和窜扰而出错，因此在高性能的总线 中一般设有差错校验码机制，以实现传送过程的出错检测。传送地 址时的校验码出错会使要连接的从设备连不上；传送数据时如果有 校验码出错，通常是再发送一次。也有一些总线由于出错率很低而 不设差错校验码机制。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,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，会直接影响它后面设备的工 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。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,2.1.2 网络通信基本模型 如果我们把前小节的复杂网络间设备通信简化，可以得到以下的简单的单向数字通信模型。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,(1) 信息源与接收者 信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者。在数字通信系统中传输的信息是数据，是数字化了的信息。这些信息可能是原始数据，也可能是经计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标志。 信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源。模拟信息源(如电话机、电视摄像机)输出幅度连续变化的信号；离散信息源(如计算机)输出离散的符号序列或文字。模拟信息源可通过抽样和量化变换为离散信息源。随着计算机和数字通信技术的发展，离散信息源的种类和数量愈来愈多。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,(2) 发送设备 发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，变换为便于传送的信号形式，送往传输介质。 对于数字通信系统来说，发送设备的编码常常又可分为信道编码与信源编码两部分。信源编码是把连续消息变换为数字信号；而信道编码则是使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。变换方式是多种多样的，调制是最常见的变换方式之一。 发送设备还要为达到某些特殊要求而进行各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,(3)传输介质 传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经的媒介。它可以是无线的，也可以是有线的。有线和无线均有多种传输介质，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然会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。介质的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,(4)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。它的任务是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，还包括解除多路复用，实现正确分路。 在工业网络控制系统中，发送设备与接收设备往往都与数据源紧密连接为一个整体。许多测量控制装置既可以作为发送设备，又可以作为接收设备，一方面将本设备产生的数据发送到通信系统，另一方面也接收系统内其他设备传送给它的信号。,2.2 通信传输介质,传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。 常用的通信介质可以分成三类：第一类为金属导体，例如同轴电缆、双绞线等，利用铜或铁等金属导体的电流变化来传输数据。第二类为以光纤为代表的透明玻璃或塑胶绳介质，它们利用光波来传输数据。第三类介质不需要物理连接，主要是利用电磁波的辐射来实现数据传输，例如无线与卫星通信等。,2.2 通信传输介质,传输介质特性对通信影响比较大，主要特性如下： (1) 物理特性：传输介质物理结构的描述； (2) 传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围； (3) 连通特性：允许点对点或多点连接； (4) 地理范围：传输介质最大传输距离； (5) 抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力。,2.2.1 双绞线,双绞线由按规则螺旋结构排列的两根或四根绝缘线组成。一对绝缘线可以作为条通信线 路，各个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线有屏蔽和非屏蔽双绞线两种类型。现行双绞线电缆中一般包含4个双绞线对，具体为橙/白橙、蓝/白蓝、绿/白绿、棕/白棕，如图所示。,2.2.2 同轴电缆,它由内导体、外导体屏蔽层、绝缘层及外部绝缘保护套层组成，如图所示。金属屏蔽层能将磁场反射回中心导体，同时也使中心导体免受外界干扰，故同轴电缆具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性。,2.2.3 光缆,光纤是一种直径为50100m的柔软、能传导光波的介质，各种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道，多条光纤组成一束就构成光纤电缆。,2.3 数据编码技术,数据在通信介质上要以电磁波的物理信号进行传输，通常把数据的电磁波表示称为电子编码。码元是所传输物理信号的基本单位。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。 信号也分模拟信号和数字信号。因此不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的特殊处理,见图2-4。用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态的，称为模拟数据编码；用高低电平的矩形脉冲数字信号来表达数据的0、1状态的，称为数字数据编码。下面详细讨论数据编码的形式。,2.3 数据编码技术,图2-4 数据与信号的转化形式,2.3.1 模拟信号调制,模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0、1状态。幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数，可以通过改变这三个参数，实现模拟数据编码。幅度键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK是模拟数据编码的三种编码方法。,2.3.1 模拟信号调制,(1) 幅移键控（ASK） 在幅移键控（ASK）中，2个二进制数值分别用2个不同振幅的载波信号表示。通常用有载波信号表示1，用无载波信号或载波信号振幅为零表示0。 幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。 那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。 它具体可以表示为：,2.3.1 模拟信号调制,幅移键控实现容易，技术简单，采用电信号传输时，抗电磁干扰能力较差，调制效率低。光纤介质上常采用ASK。,2.3.1 模拟信号调制,2.3.1 模拟信号调制,(2) 频移键控（FSK） 在频移键控（FSK）中，2个二进制数值分别用2个不同频率的载波信号表示，即利用两个不同频率F1和F2的振荡源来代表信号1和0，用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。 具体表示为： 频移键控实现容易，技术简单，抗电磁干扰能力强，是最常用的调制方式。波形见图2-6 。,2.3.1 模拟信号调制,2.3.1 模拟信号调制,(3) 相移键控（PSK） 在相移键控（PSK）中，用载波信号的相位偏移去表示数据，载波相位受数字基带信号的控制，如在二进制基带信号中为0时，载波相位为0，为1时载波相位为,载波相位和基带信号有一一对应的关系。相移键控可分为绝对相移键控和相对相移键控，最简单的绝对相移键控二相位PSK如图2-6下图所示，具体表示为：,2.3.1 模拟信号调制,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK调幅,FSK调频,PSK调相,ASK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v) FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz) PSK：用载波的起始相位的变化表示0 (同相)和1(反相),2.3.2 数字数据的数字信号编码,按照数字编码方式可以分为单极性码和双极性码； 根据信号是否归零，可以分为归零码和非归零码: 归零码码元中间的信号回归到0电平，而非归零码遇1电平翻转，零时不变。,2.3.2 数字数据的数字信号编码,单极性码 信号电平是单极性的，如高电平用来表示逻辑1，零电平用来表示逻辑0的信号表达方式 双极性码 信号电平为正、负两种极性的。如正电平用来表示逻辑1，负电平用来表示逻辑0的信号表达方式 归零码 在每一位二进制信息传输之后均返回到零电平的编码。例如，其逻辑1只在该码元时间中的某段(如码元时间的一半)维持高电平后就恢复到低电平 。 非归零码 在整个码元时间内维持有效电平,2.3.2 数字数据的数字信号编码,图2-7 单极性非归零码,图2-8 单极性归零码,图2-9 双极性非归零码,图2-10 双极性归零码,2.3.2 数字数据的数字信号编码,(5) 差分码 用电平的变化与否来代表逻辑1和0，电平变化代表1，不变化代表0，按此规定的码称为信号差分码。根据初始状态为高电平或低电平，差分码有两种波形(相位恰好相反)。,图 2-11 差分码,2.3.2 数字数据的数字信号编码,(6) 曼彻斯特编码 这是一种常用的基带信号编码。它具有内在的时钟信息，因而能使网络上的每一个系统 保持同步。在曼彻斯特编码中，时间被划分为等间隔的小段，其中每小段代表一个比特。每 一小段时间本身又分为两半，前半个时间段所传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。可见在一个时间段内，其中间点总有一次信号电平的变化，因此，携带有信号传送的同步信息而不需另外传送同步信号。,2.3.2 数字数据的数字信号编码,中间时刻上跳为1 中间时刻下跳为0,三种数字编码的波形图,2.3.3 模拟数据的数字信号编码,模拟信号数字化的最常用方法：脉冲编码调制（PCM）。 它的基本过程如下：发信端的任务是将输入的模拟信号通过抽样、量化、编码后变换成由0和1组成的PCM数字信号；通过中继器对波形进行修整和再生，提高通信质量和延长通信距离；收信端的任务是将PCM数字信号通过解码和低通滤波，还原为模拟信号，如图所示。,2.3.3 模拟数据的数字信号编码,图2-13 PCM编码机制,抽样：每隔一定的时间对模拟信号抽取一个瞬时幅度值，使得原来时间上连续的信号变位时间上离散的脉冲信号，即PAM脉冲。 量化：将信号的幅度按照一定规律离散化。每一间隔称为一个量化级，也称量化间隔。 编码：将量化后的信号用一组对应的二进制码组来表示，使之获得PCM信号，这一转换过程称为编码。,2.4 数据的传输模式,数据的传输模式最常见的有基带传输和频带传输两种模式，分别应用于数字信道和模拟信道。,2.4.1 基带传输,基带传输是指在基本不改变数据信号频率的情况下，在数字通信中直接传送数据的基带信号，不采用任何调制措施原样进行传输。它是目前广泛应用的最基本的数据传输方式。 目前大部分计算机局域网，包括控制局域网，都采用基带传输方式。其特点如下：信号按数据位流的基本形式传输，整个系统不用调制解调器，这使得系统价格低廉。系统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1Mbit/s10Mbit/s)，但其传输距离一般不超过25km，传输距离加长，传输质量会降低。基带网的线路工作方式一般只能为半双工方式或单工方式。,2.4.2 频带传输,频带传输是利用模拟通信信道进行数据通信的方式,利用电话信道传输数据就是典型的频带传输实例。 频带传输中使用数据的模拟编码方法，传输过程中要使用调制解调技术，调制解调器同时具有调制和解调功能。 图2-15和2-16为调制解调器的工作原理。,图2-15 频移键控调制器原理图,2.4.2 频带传输,图2-16 频移键控解调器原理图,2.4.2 频带传输,这里要注意调制速率与数据传输速率概念的不同。 传输速率是指每秒内传输构成数据的二进制代码位数，单位是bits。 与数据传输有关的速率的调制速率，它是指每秒传输信号码元的数目，又叫码元速率或波特率，称为波特(baud)。对应到模拟数据信号传输过程中，就是从调制解调器输出的调制信号每秒载波调制状态改变的数值。 信息传输速率与调制速率的关系可以用下式表示： C为信息传输速率，单位为bit/s； 为调制速率，单位为波特； K为多相调制的调制相数。,2.5 数据的通信方式,除了上面提到的根据信道传输信号的类型可分为基带传输和频带传输外，还可以根据通信信道的不同特点进行分类。 根据一次数据传输的位数可分为并行通信和串行通信，根据数据时序的同步方式也可分为异步传输和同步传输，根据数据传送的方向可分为单工、半双工和全双工。,2.5.1 并行通信和串行通信,并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时传输，每位单独使用一条线路，这一组数据通常是8位、16位或32位，每组数据传输时，由一条附加的选通锁存控制信号线来通知接收端，作为双方的同步之用。 串行通信是指数据流以串行方式在一条信道上传输。串行通信易于实现，比较便宜，长距离连接中比并行通信更可靠，但是传输速度要慢一些，并且要注意传输中的同步问题。 所谓同步，就是要求接收端按照发送端所发送码元的重复频率及起止时间来接收数据，使得收发双方在时间基准上保持致。为达到同步目的，接收方校正自己的时间基准与重复频率的过程叫同步过程。,2.5.1 并行通信和串行通信,并行通信的通信速度较高，且不必过多地考虑同步问题，适用于距离较近时的数据通信，计算机中以及计算机与高速设备间通常采用并行通信方式。但在长距离的传输中，并行传输会带来通信电缆费用的大量增加，这时一般采用串行通信。,图2-17 并行通信和串行通信,2.5.2 异步传输和同步传输,在串行通信中，数据是一位一位依次传输的，同步问题尤为重要，因为比特的传送和接收是通过采用定时时钟来完成的。发送方利用它的时钟来决定每个数据位的起始和结束。在接收方时钟被用来确定对信号进行采样取值的位置和间隔时间。 一般情况下，使两个独立的时钟精确同步是不太可能的，它们都产生自己的漂移，引起两个连续采样之间的间隔比所希望的变长了或变短了。 时钟漂移会引起接收方在确定一个比特的起始和结束位时发生错误。由于接收时钟与发送时钟的差异，接收方可能对代表1位的信号采样两次，从而多产生一位，也可能跳过一位。例如图2-18所示，传送0010这样一串位，因为时钟漂移结果，接收时错误地认为是00110或010。,2.5.2 异步传输和同步传输,图2-18 时钟漂移引起的问题,2.5.2 异步传输和同步传输,解决上述同步问题的方法有两种。 第一种称为异步法，发送方和接收方独立地产生时钟，但定期地进行同步。 第二种方法称为同步方法，接收端时钟完全由发送方时钟控制，也就是说，接收方与发送方的时钟是严格同步的。,异步传输,异步传输是基本这样的事实：在一定的比特数目内，时钟漂移的程度时有限的。 它让接收方在某一个时间点上跟一个发送方时钟信号同步，并由此开始自己独立的时钟信号序列。 由于偏移相对于一位时间来说是比较小的，接收方可以在偏移积累到采样发生错误之前正确地接收若干位。 在异步传输中，数据以字符为单元发送。每个字符的长度根据所使用的编码方案可以是58位。常用的ASCII编码每个字符7位。 定时或同步仅仅在每个字符的范围内维持着，接收方在每个新字符的开头都被提供机会重新进行同步。,异步传输,异步传输中，每次只传一个字符，每次都进行同步关系的校正，不会造成误差积累。异步传输对时钟要求不高，实现简单容易，但是每个字符都要有一定的附加位，数据量大时不如同步传输效率高。 即异步传输的最大缺点是在线路上的额外开销（在ASCII编码的条件下至少20%），每发送8位至少要有两个附加位。这就使得它只能用于低速传送（110b/s19.2Kb/s），如用于终端或电传打印设备，以及使用调制解调器传送数字数据的拨号电话线路。,图2-19 异步传输的启停位组帧格式,同步传输,同步传输中的数据传输单位是帧，每帧含有多个字符，字符间没有间隙，字符前后也没 有起始位和停上位。 同步传输中的同步包括位同步和帧同步两个层次。,同步传输,位同步 在传送数据流的过程中，发收双方对每一位数据信息都要准确地保持同步，可以在发送端与接收端间设置专门的时钟线，这叫做外同步，比如I2C总线采用的就是外同步，这样技术在短距离上工作得很好，但对于较长的距离，时钟脉冲会跟数据信号一样面临失真的问题，从而产生定时错误；还可以在数据传输中嵌入同步时钟信息，对于数字信号，这可以通过使用曼彻斯特或差分曼却斯特编码得以实现。对于模拟信号，有多种技术可以使用。例如，可以使用载波频率本身基于载波的相位来使接收设备同步。,同步传输,帧同步 对于同步传输，还需要进行另一个层次上的同步，使得接收设备能够确定各数据块的开始和结束。为了实现这一目标，每个块以一个前缀比特开始，并且一般地还用一格后缀比特结尾。此外，还附加一些其他的比特传递在数据链路控制过程中要使用的控制信息。数据加上前缀、后缀和控制信息就形成了数据帧。准确的帧格式取决于所使用的数据链路控制过程。,图2-20 一种典型的同步帧格式,2.5.3 单工、半双工和全双工通信,按照信号传送方向与时间的关系可以将通信方式分为单向通信、双向交替通信和双向同 时通信，也就是常说的单工、半双工和全双工通信。 (1) 单工通信 在单工通信方式中，信道是单向信道，信号只能向一个方向传输，发送端和接收端是固定的，单工通信的实例如无线电广播和电视。 (2) 半双工通信 在半双工通信中，信道的信号可以双向传输，但两个方向只能交替进行，而不能同时进行，通信双方都可以是发送端和接收端，不过在任意时刻，一方只能是发送端或接收端。对讲机就采用了这种通信方式。 (3) 全双工通信 全双工通信中的信道可以同时进行双向传输，通信双方可以同时是发送端和接收端，一 方的发送端与另一方的接收端相连。RS-232、RS-422采用的是全双工通信方式。,2.6 网络控制系统的拓扑结构,工业现场的智能设备是以网络节点的形式挂接在网络控制系统上的，为保证节点之间实时、可靠的数据传输，必须采用合理的拓朴结构。所谓网络的拓扑结构是指网络中节点的互连形式。常见拓扑结构包括：总线形、星形、环形、令牌总线形、树型与混合型拓朴结构。,2.6 网络控制系统的拓扑结构,(1) 星形拓扑 星形拓扑结构如图2-21所示。 这种拓扑采用集中式通信控制策略，所有通信均由中央节点控制，中央节点必须建立和维持许多并行数据通路，因此中央节点的结构显得非常复杂，而每个站的通信处理负担很小，只需满足点对点链路简单通信要求，结构很简单。,图2-21 星形拓扑结构,2.6 网络控制系统的拓扑结构,(2) 环形拓扑 在环形拓扑中，网络中有许多中继器进行点对点链路连接，构成一个封闭的环路。中继器接收前站发来的数据，然后按原来速度一位一位地从另一条链路发送出去。 链路是单向的，数据沿一个方向(顺时针或逆时针)在网上环行。每个工作站通过中继器再连至网络。一个站发送数据，按分组进行，数据拆成分组加上控制信息插入环上，通过其他中继器到达目的站。 由于多个工作站要共享环路，需有某种访问控制方式，确定每个站何时能向环上插入分组。它们一般采用分布控制，每个站有存取逻辑和收发控制。,图2-22 环形拓扑结构,2.6 网络控制系统的拓扑结构,(3) 总线形拓扑 总线形拓扑结构如图2-23所示。在总线形拓扑中，传输介质是一条总线，工作站通过相应硬件接口接至总线上，一个站发送数据，所有其他站都能接收。 由于所有的节点都有共享一条公用的传输线路，所以每次只能由一个节点发送信息，信息由发送它的节点向两端扩散。所以这种结构的网络又称为广播式网络。,图2-23 总线形拓扑结构,2.6 网络控制系统的拓扑结构,某节点发送信息之前，必须保证总线上没有其他信息正在传输。当这一条件满足时，它才能把信息送上总线。在有用信息之前有一个询问信息，询问信息中包括着接收该信息的节点地址，总线上其他节点同时接收这些信息。当某个节点由询问信息中鉴别出接收地址与自己的地址相符时，这个节点便做好准备，接收后面所传送的信息。 总线形结构突出的优点是结构简单，便于扩充。总线结构常采用无源传输介质作为广播总线，利用电缆抽头将各种入网设备接入总线。为了防止传输信号的反射，总现两端使用终接器（也称终端适配器）。另外，由于网络是无源的，所以当采取冗余措施时，并不增加系统的复杂性。总线结构对总线的电气性能要求很高，对总线的长度也有一定的限制。因此它的通信距离不可能太长。,2.6 网络控制系统的拓扑结构,(4) 树形拓扑 树形拓扑是总线形拓扑的扩展形式，传输介质是不封闭的分支电缆。因此，总线形拓扑和树形拓扑的传输介质称作多点式或广播式介质。它和总线形拓扑一样，一个站发送数据，其他站都能接收。树形拓扑的适应性很强，可适用于很宽范围，如对网络设备的数量、数据率和数据类型等没有太多限制，可达到很高的带宽。树形结构在单个局域网系统中采用不多，如果把多个总线形或星形网连在一起，或连到另一个大型机或一个环形网上，就形成了树形拓扑结构，这在实际应用环境中是非常需要的。树形结构非常适合于分主次、分等级的层次型管理系统。,图2-24 树形拓扑结构,2.6 网络控制系统的拓扑结构,(5) 混合形结构 混合形结构是将上述各种拓扑混合起来的结构，常见的有树形（总线结构的演变或者总线和星形的混合）、环星形（星形和环形拓扑的混合）等。,2.7 通信信道访问控制方式,在总线形和环形拓扑中，网上设备必须共享信道。为解决在同一时间几个设备同时争用总线信道的问题，需有某种访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序，在设备之间交换数据。 通信中对公用信道的访问可以是随机的，即各工作站可在任何时刻，任意地点访问介质；也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法调整各站访问介质的顺序和时间。在随机访问方式中，常用的争用总线技术为载波监听多路访问冲突检测 (CSMACD)，在控制访问方式中则常用令牌总线、令牌环，或称之为标记总线、标记环。,2.7.1载波监听多路访问冲突检测 (CSMACD),这种控制方式对任何工作站都没有预约发送时间。工作站的发送是随机的，必须在网络上争用传输介质，故称之为争用技术。若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信息，则这些信息会在传输线上相互混淆而遭破坏，称为冲突。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是载波监听。,2.7.1载波监听多路访问冲突检测 (CSMACD),载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。一个站要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。如果介质是空闲的，则可以发送。如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。当监听总线状态后，可采用以下三种CSMA坚持退避算法： 第一种为不坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，则等待一段随机时间，重复第一步。 第二种为1-坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送：假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，立即发送；假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。 第三种为P-坚持CSMA。假如介质是空闲的，则以户的概率P发送，或以(1-P)的概率延迟一个时间单位后重复处理，该时间单位等于最大的传输延迟；假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，重复第一步。,2.7.1载波监听多路访问冲突检测 (CSMACD),由于传输线上不可避免地有传输延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。故每个工作站发送信息之后，还要继续监听线路，判定是否有其他站正与本站同时向传输线发送。一旦发现，便中止当前发送，这就是冲突检测。 载波监听多路访问冲突检测的协议，简写为CSMACD，已广泛应用于局域网中。每个站在发送帧期间，同时有检测冲突的能力，即所谓边讲边听。一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，通知总线上各站冲突已发生，这样，通道的容量不致因白白传送已损坏的帧而浪费。,2.7.2令牌(或称标记)访问控制方式,CSMA/CD的访问存在发报冲突问题，产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决冲突问题，可采用有控制的发报方式。令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌 (Token)的方法。谁得到令牌，谁才有发报权。令牌访问原理可用于环形网络，构成令牌环形网；也可用于总线网，构成令牌总线网络。,2.7.2令牌(或称标记)访问控制方式,(1)令牌环(Token-Ring)方式 令牌环是环形结构局域网采用的一种访问控制方式。由于在环形结构网络上，某一瞬间 可以允许发送报文的站点只有一个，令牌在网络环路上不断地传送，只有拥有此令牌的站点， 才有权向环路上发送报文，而其他站点仅允许接收报文。站点在发送完毕后，便将令牌交给 网上下一个站点，如果该站点没有报文需要发送，便把令牌顺次传给下一个站点。因此，表示发送权的令牌在环形信道上不断循环。环上每个相应站点都可获得发报权，而任何时刻只 会有一个站点利用环路传送报文，因而在环路上保证不会发生访问冲突。,2.7.2令牌(或称标记)访问控制方式,2.7.2令牌(或称标记)访问控制方式,(2)令牌传递总线(Token-Passing Bus)方式 这种方式和CSMACD方式一样，采用总线网络拓扑，但不同的是在网上各工作站按一 定顺序形成一个逻辑环。每个工作站在环中均有一个指定的逻辑位置，末站的后站就是首站，即首尾相连。每站都了解先行站(PS)和后继站(NS)的地址，总线上各站的物理位置与逻辑位置无关。,站A,站B,站C,站D,站E,站F,令牌传递顺序（可以设定）：ACFEBD,2.8 差错控制技术,差错控制是指在数据通信过程中能发现差错，并采取纠正措施，把差错限制在所允许的尽可能小的范围内的技术和方法。 差错控制编码：通常采用在信息码元的基础上增加一些冗余码元，冗余码元与信息码元之间存在一定的关系，传输时将信息码元与冗余码元组成码组(码字)一起传输。接收方查看信息码元与冗余码元，并核对他们的关系，以确定传输过程中是否有差错发生。,2.8 差错控制技术,不同的码字长度影响了编码的差错检测能力。 一位码元：1表示有、0表示无，在出现传输错误时，接收端无法发现； 两位码元：11表示”有”、00表示”无”，则接收端可发现一位错误； 三位码元：111表示”有”、000表示”无”，则接收端可发现一位错误和两位错误，如果考虑出现一位错的概率远大于出现两位错的概率并认为两位错极少出现，则接收端可以对一位错进行纠错,2.8 差错控制技术,海明距离：简称码距，两个等长码组之间对应位不同的数目称为这两个码组的（1950年由海明提出），。如任意两个码字10001001和10110001有3个不同位，即其海明距为3。 一般说来，码距越大，编码的检错和纠错能力越强，但是随着冗余码的增加，将带来传输效率的降低，而且过多的冗余码也增加了传输出现错误的可能性，因此选择编码还应考虑信道的误码率。,2.8 差错控制技术,根据对码组处理方式的不同，差错控制的方式基本上有两类： 一类是在码组中带有足够的冗余信息，以便在接收后能够发现并自动纠正传输差错，简称为纠错； 另一类是在码组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息，靠重发机制保证正确传输，简称为检错重发方式，这种方式实现比较简单。,2.8.1循环冗余编码(CRC),任何一个由二进制数位串组成的代码都可以和一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应的关系，一个k位帧可以看成是从XK-1到X0次多项式的系数序列，这个多项式的阶数为k-1，高位(最左边)是Xk-1项的系数，下一位是Xk-2的系数，依次类推。 例如，1011011有7位，表示成多项式是X6+X4+X3+X+1；而多项式X5+X4+X2+X对应的位串是110110。,2.8.1循环冗余编码(CRC),CRC编码方法是将要发送的数据比特序列当作一个多项式f(x)的系数，在发送方用收发双方预先约定的生成多项式G(x)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发送到接收端。 接收端用同样的生成多项式G(x)去除接收数据多项式f(x)，得到计算余数多项式。如果计算余数多项式与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 。,2.8.1循环冗余编码(CRC),图2-25 CRC的工作原理,2.8.1循环冗余编码(CRC),工作过程如下： (1) 在发送端，将发送数据多项式 ，其中K为生成多项式的最高幂值，例如CRC-12的最高幂值为12，则发送 ；对于二进制乘法来说， 的意义是将发送数据比特序列左移12位，用来存入余数。 (2) 将除以生成多项式G(x)，得到下式： 式中： 为余数多项式。,2.8.1循环冗余编码(CRC),(3) 将作为整体，从发送端通过通信信道传送到接收端。 (4) 接收端对接收数据多项式 采用同样的运算，即 求得计算余数多项式。 (5)接收端根据计算余数多项式 是否等于接收余数多项式 来判断是否出现传输错误。实际的CRC校验码生成是采用二进制模二算法，即减法不借位，加法不进位，这是一种异或操作。,2.8.1循环冗余编码(CRC),举例： 假设发送数据位序列为111011，生成多项式位序列为11001。将发送位序列111011（f(x)）乘以24得1110110000，然后除生成多项式位序列11001，不考虑借位，按模2运算，得余数位序列为：1110(R(x)。（过程省略）,CRC校验示例,待校验数据：1101,0110,11 G(x) = x4+x+1 , 即10011,1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0,1 0 0 1 1,1 1 0 0 0 0 1 0 1 0,1 0 0 1 1,1 0 0 1 1,1 0 0 1 1,0 0 0 0 1 0 1 1 0,1 0 0 1 1,1 0 1 0 0,1 0 0 1 1,1 1 1 0,余数,传送序列T(x)=1101,0110,1111,10,2.8.2 海明码,海明码(Hamming)：是一种简单实用的一位错纠错编码，它的码组长度、冗余校验位长度和码组中的最大数据位长度满足下列关系： 式中：n为码组位长度；r是冗余校验位长度；k是码组中的最大数据位长度。由上式可以知道，冗余校验位长度越长，码组传输数据的效率越高。当数据长度不能满足上式的最大数据位长度值时，可以用固定的数据位填充。,2.8.2 海明码,在海明码的编码过程中，冗余码从左至右依次填充到2j(j=O，1，r-1)的位置上，码组中剩余位填充数据位，如图所示。图中：*表示信息数据； P表示冗余校验数据码。,2.8.2 海明码,每个校验位的取值应使得包括自己在内的一些位的集合符合规定的奇偶性.(主要用于奇偶性校验),为了知道编号为K的数据位对哪些检测位有影响,将编号K 改写成2的幂的和(如:11=1+2+8, 29=1+4+8+16),1个位只由扩展式中所示编号的位检测(编号为11的位,只能由1,2,8 检测位检测) 由于在每个校验位的形成表达式中,除自身编号外,其余都是信息位的编号,因此只要信息位是确定的,校验位也可以唯一地确定。,2.8.2 海明码,例:根据海明编码方法,对ASCII字符Z(二进制编码是1011010), 形成11位码字,要求简单地写出编码过程.并说明在传输过程中, 有一位错的情况下,如何能够检查出是哪一位是错的? 解: m=7,n =11,r =4 编号: 1=1,2=2,3=1+2,4=4,5=1+4,6=2+4,7=1+2+4,8=8,9=1+8, 10=2+8,11=1+2+8 于是有: (1) (3)+(5)+(7)+(9)+(11) (2) (3)+(6)+(7)+(10)+(11) (4) (5)+(6)+(7) (8) (9)+(10)+(11),2.8.2 海明码,1011010,2.8.2 海明码,如果冗余码的位数为r，则存在这样一个(2r-1)行r列的编码矩阵，矩阵元素等于0或1，并且每行的元素所组成的二进制编码等于行数的二进制编码。对于海明纠错码，要求码组数据与这一矩阵相乘满足下列关系：,2.8.2 海明码,式中：*和P仍为数据码和校验码。根据这一关系可以计算出冗余校验码，这里矩阵的乘除运算与普通矩阵的乘除运算一样，加减运算为”异或”运算。 接收方收到数据后，将码组数据与发送方编码时用的编码矩阵相乘，若得到的行矩阵为零矩阵，说明传输正确，否则传输有错，且出错位是这一行的元素所组成的二进制数所对应的数据位。,2.8.2 海明码,下面以数据(信息)1101为例，给出海明码编码、译码及纠错的工作过程。 (1) 编码过程,根据公式， 可选择数据长k=4，冗余码长r=3，码组长n=7。 由关系式：,2.8.2 海明码,可以计算出: 所求海明编码为：(1 0 1 0 1 0 1)。 (2) 译码过程 假设接收方接收到的数据为(1 0 1 0 1 1 1)。按照下式计算传输是否出错,2.8.2 海明码,(3) 纠错 将接收到的编码左数第6位取反，恢复出正确数据。 (1 0 1 0 1 1 1)(1 0 1 0 1 0 1),2.9 RS232和RS485串口通信技术,RS-232和RS-485标准是只规定了电气特性的物理层标准，在工业通信领域应用十分广泛。 RS-232是由1962年电子工业协会（EIA）制订并发布的，命名为EIA-232-E，以保证不同厂家产品之间的兼容。1983年为RS-232之不足而提出的。 为弥补RS-232通信距离短、速率低的缺点，定义了一种平衡通信接口标准RS-422，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺，并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。 RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。 为扩展应用范围，EIA又于基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以”RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。,2.9.1 RS-232接口标准,RS-232的主要内容就是定义数据终端设备和数据通信设备之间的接口标准。 在数据通信中，通常将数据终端设备简称为DTE，而将数据通信设备简称为DCE，见图2-27。 DTE是具有一定数据处理能力及发送和接收数据能力的设备，而DCE的主要作用是在DTE和传输线路之间提供信号变换和实现编码功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。DTE可以是计算机或终端，也可以是各种I/O设备，而与模拟话路相连接的调制解调器（MODEM）就是典型的DCE。,图2-27 DTE与DCE通信线路,2.9.1 RS-232接口标准,RS-232使用负逻辑来规定电气特性，逻辑1的电平为-5至-15伏,逻辑0的电平为+5至+15伏。逻辑0相当于控制线的接通状态，逻辑1相当于控制线的断开状态。RS-232适合于本地设备间的通信，其通信的最高数据传输速率19.2kb/s，通信距离不应超过15米。 RS-232还规定了插头和插座的机械特性，其中插座应装在DCE上，插头装于DTE上。,2.9.1 RS-232接口标准,下面以下图为例说明其通信过程。,图2-29 DTE和DCE的通信连接过程,2.9.1 RS-232接口标准,其通信过程如下： (1) 建立通信连接 数据终端设备A首先把针脚20置于接通状态，向它关联的数据通信设备DCE发送终端设备准备就绪DTR信号。此时DCE拨号网络另端的DCE，网络另端的DCE将针脚22振铃指示接通告诉数据终端设备B有信号到达。如果数据终端设备B准备就绪的话，设置针脚20为接通状态，与B关联的DCE的针脚8产生载波信号，并将针脚6置于接通状态。 终端A关联的DCE检测到载波信号，也设置载波信号和准备就绪信号，表明数据终端设备A和数据终端设备B的物理电路建立。通信的建立由于需要双方的同意，所以也把上述过程成为握手。 (2) 数据传送 如果终端A准备向终端B发送数据，它首先置针脚4RTS为接通状态，A关联的DCE同意请求的话，设针脚5为接通状态。此时终端A把数据从针脚2发送出来，A关联的DCE再把数据处理后送给网络，向网络另端的DCE送去。 终端B关联的DCE收到信号，处理后，通过引脚3向终端B传送数据。,2.9.1 RS-232接口标准,(3)释放通信连接 数据通信完后，如果想释放物理链路，终端A针脚20设置断开，A关联的DCE需要设置其处于未就绪状态。网络另端的DCE和终端B也进行相同的处理，通信链路就可以完成释放。 在许多的工业场合，有时并不采用数据通信设备DCE，而是直接把两个通信终端通过RS-232串口交叉连接起来，如图2-30。如果通信过程无需握手的话，则只需完成中针脚2和针脚3的交叉连接，针脚7信号地接地就可以完成通信功能。,图2-30 两个DTE串口交叉的通信连接,（4）PC机与单片机之间的通信网络,这种模式是把以单片机为核心的智能式测控仪表作为从机(又称下位机)，完成对工业现场的数据采集和控制任务，而PC机作为主机(又称上位机)将上传数据和下达指令以实现集中管理和最优控制。 下图给出了PC机与多个单片机构成的RS-232C通信网络示意图，PC机作主机、n个单片机智能仪表为从机，构成了主从方式的RS-232C串行总线网络。PC机串行口给出的已是标准的RS-232C电平，而单片机则为TTL电平，采用MAX232芯片就可实现电平的转换和驱动。,2.9.2 RS-485接口标准,RS-485采用平衡发送和差分接收方式实现通信。发送端G将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经过线缆传输之后在接收端R将差分信号还原成TTL电平信号，见图2-31。 由于在它的两根信号线上传递着大小相同，方向相反的电流，而噪声电压往往在两根导线上同时出现，一根导线上出现的噪声电压