现场总线控制系统(第2章)(1)

1、现场总线控制系统现场总线控制系统 现场总线控制系统现场总线控制系统 湖南大学湖南大学 电气与信息工程学院电气与信息工程学院 王王 辉辉 现场总线控制系统现场总线控制系统 现场总线控制系统现场总线控制系统 第第2 2章章 现场总线技术现场总线技术 现场总线控制系统现场总线控制系统 第第2章章 现场总线技术现场总线技术 2.1 网络通信基础网络通信基础 2.3 现场总线通信模型现场总线通信模型 2.4 基金会现场总线基金会现场总线 2.5 PROFIBUSPROFIBUS现场总线现场总线 2.6 CANCAN总线总线 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 现场总线控制系统现场总线控

2、制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 一、网络通信基本术语一、网络通信基本术语 p 数据数据(Data)(Data)： 数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符 号。也可以说数据是号。也可以说数据是传递（携带）信息的实体，信息传递（携带）信息的实体，信息 (Information)(Information)则是数据的内容或解释则是数据的内容或解释 模拟模拟(Analog)(Analog)数据数据； 数字数字( (Digital)Digital)数据数据。 p 信号信号(Signal)(Signal)： 数据的物理量编码

3、（数据的物理量编码（通常为电编码）通常为电编码），数据以信号的形式传播，数据以信号的形式传播 模拟信号模拟信号； 数字信号数字信号 。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 p 信道信道(Channel)(Channel)： 传送信息的线路（或通路）。传送信息的线路（或通路）。 数字信道。数字信道。 模拟信道。模拟信道。 p 信道带宽（信道带宽（Band WidthBand Width） p 信道容量信道容量(Channel(Channel capacity)capacity) p码元码元(Code Cell)(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元。时

4、间轴上的一个信号编码单元。 p数据传输速率数据传输速率 比特率比特率(Bit Rate)：数据传输速率：数据传输速率 (bps，b/s)。每妙钟传递的。每妙钟传递的bit数。数。 波特率（波特率（Baud Rate）：信号传输速率（）：信号传输速率（baud）。每秒钟传递的信号脉）。每秒钟传递的信号脉 冲（波形）数。还可以说是每秒钟传送的码元数冲（波形）数。还可以说是每秒钟传送的码元数 p误码率误码率(Bit error rate)(Bit error rate)： 信道传输的可靠性指标，信道传输的可靠性指标， P= 错误的位数错误的位数 / 传输的总位数传输的总位数 现场总线控制系统现场总线

5、控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 p 总线：总线：网络上各节点共享的传输媒体，是信号传输的 公共路径。 p 总线协议：总线协议：总线上的设备如何使用总线的一套规则，这 套规约是事先规定、必须共同遵守的。 p 总线操作：总线操作：总线上数据发送者与接收者之间的连接 数据传送断开连接的一个操作序列。 p 现场设备：现场设备：作为网络节点连接在现场总线上的物理实体， 具备测量控制功能和数据通信能力。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 p发送与接收设备：发送与接收设备：数据通信系统中，具有通信信号发送电路的设 备称为发送器或发送设备；具有通信信号接收电路的设

6、备称为接收器或 接收设备。 p总线仲裁：总线仲裁：对总线冲突的处理过程，根据某种裁决规则确定下一个 时刻具有总线占有权的设备。 p 传输介质：传输介质：指在两点或多点之间连接收发双方的物理通路，是发送设备与 接收设备之间信号传递所经过的媒介。 p 数据报文：数据报文：通过网络传输的数据的基本单元，包含一个报头（header）和 数据本身，其中报头描述了数据的目的地以及和其它数据之间的关系。 一般 把需要传送的信息，包括文本、命令、参数值、图片、声音等称为报文。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 二、数据通信过程二、数据通信过程 （1）信息源与接收者）信息源与接

7、收者 （2）发送设备）发送设备 （3）传输介质）传输介质 （4）接收设备）接收设备 信 息 源 编 码 调 制 传输 介质 解 调 译 码 接 收 者 发送设备 接收设备噪声干扰 数据通信过程 建立物理连接建立物理连接 建立逻辑连接建立逻辑连接 断开逻辑连接断开逻辑连接 断开物理连接断开物理连接 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 三、数据编码三、数据编码 传输媒体是网络中数据传输的物理通路。要通过传输媒体传输数据，必须传输媒体是网络中数据传输的物理通路。要通过传输媒体传输数据，必须 把数据转换成能在传输媒体中传输的信号。把数据转换成能在传输媒体中传输的信号。

8、u数据编码方式：数据编码方式：通信系统中以何种物理信号的形式来表达数通信系统中以何种物理信号的形式来表达数 据。据。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 n数字数据的数字编码数字数据的数字编码 p定义：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的定义：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的0、1状态。状态。 p数字编码的种类有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、数字编码的种类有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、 差分码、差分码、Manchester编码等。编码等。 单极性非归零码单极性归零码 0 1 1 0 0 1 0 1 绝 对 码 差 分 码 双极性非归零码

9、 双极性归零码 差分码 曼彻斯特编码 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 n模拟数据编码模拟数据编码 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 原始信号原始信号 键控调幅键控调幅 后的信号后的信号 C 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础

10、n数据与信号转化方式数据与信号转化方式 基 带 脉 冲 输 入 数 字 信 号 调 制 器 模 拟 信 号 信 道 模 拟 信 号 调 解 器 数 字 信 号 基 带 脉 冲 输 出 干 扰 四、数据传输方式四、数据传输方式 2.1 网络通信基础网络通信基础 2.1 网络通信基础网络通信基础 同步与异步传输的区别同步与异步传输的区别 ： 异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。 异步传输的单位是字符而同步传输的单位是桢。 异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会， 而同步传输则是以数据中抽取同步信息。 异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟 线路协调时序。

11、 异步传输相对于同步传输效率较低。 2.1 网络通信基础网络通信基础 2.1 网络通信基础网络通信基础 2.1 网络通信基础网络通信基础 帧起始帧起始控制信息控制信息数据数据帧结束帧结束校验和校验和 2.1 网络通信基础网络通信基础 2.1 网络通信基础网络通信基础 单工通信（单工通信（simplex communicationsimplex communication） 指传送的信息始终是一个方向，而不进行与此相反指传送的信息始终是一个方向，而不进行与此相反 方向的传送。方向的传送。 半双工通信（半双工通信（half-duplex communicationhalf-duplex commu

12、nication） 指信指信 息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向 传输传输 ； 全双工通信（全双工通信（full Duplex communicationfull Duplex communication）指收发设指收发设 备能同时作双向通信。通信效率高，控制简单，但结构较备能同时作双向通信。通信效率高，控制简单，但结构较 复杂，成本较高复杂，成本较高 2.1 网络通信基础网络通信基础 五、信号传输方式五、信号传输方式 基带传输：在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号，即将计算机产基带传输：在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号

13、，即将计算机产 生的数字信号按照数据波的原样进行传输，不包含有任何调制，它是最基生的数字信号按照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。本的数据传输方式。 载波传输：采用数字信号对载波进行调制后实行传输。调制方式有幅度键载波传输：采用数字信号对载波进行调制后实行传输。调制方式有幅度键 控控ASKASK、频移键控、频移键控FSKFSK、相移键控、相移键控PSKPSK 宽带传输：在同一介质上可传输多个频带的信号。宽带传输：在同一介质上可传输多个频带的信号。 宽带网与基带网的主要区别：宽带网与基带网的主要区别： 数据传输速率不同，基带网的数据速率范围为数据传输速率不同，基

14、带网的数据速率范围为0 010 10 Mb/sMb/s，宽带网可达，宽带网可达0 0400 Mb/s400 Mb/s； 宽带网可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径。宽带网可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径。 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 六、网络拓扑结构六、网络拓扑结构 (1)星形拓扑星形拓扑 采用集中式通信控制策略，所有通信均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，因此中央节点维持许多并行数据通路，因此中央节点 的结构显得非

15、常复杂，而每个站的通信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，结构很简单单通信要求，结构很简单 (2) (2) 环形拓扑环形拓扑 点对点链路连接，构成一个封闭的环路。中点对点链路连接，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，数据沿一个方向单向的，数据沿一个方向( (顺时针或逆时针顺时针或逆时针) ) 在网上环行。每个工作站通过中继器再连至在网上环行。每个工作站通过中继器再

16、连至 网络。一个站发送数据，按分组进行，数据网络。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。控制，每个站有存取逻辑和收发控制。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 （3）总线拓扑）总线拓扑 传输介质是一条总线，工作站通过相应硬传输

17、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点向两端扩散。所以这种结构的网络又称 为广播式网络。为广播式网络。 (4) 树形拓扑 总线形拓扑的扩展形式，一个站发送总线形拓扑的扩展形式，一个站发送 数据，其他站都能接收。树形拓扑的数据，其他站都能接收。树形拓扑的 适应性很强，可适

18、用于很宽范围，如适应性很强，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，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。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、分等级树形结构非常适合于分主次、分等级 的层次型管理系统的

19、层次型管理系统 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 七、通信信道访问控制方式七、通信信道访问控制方式 在总线和环形拓扑中，网上设备必须共享传输线路。为解决在同在总线和环形拓扑中，网上设备必须共享传输线路。为解决在同 一时间有几个设备同时争用传输介质，需有某种介质访问控制方式，一时间有几个设备同时争用传输介质，需有某种介质访问控制方式， 以便协调各设备访问介质的顺序，在设备之间交换数据。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，各设备对介质的访问可以是随机的，即各工作站可在任通信中，各设备对介质的访问可以是随机的，即各工作站可在任 何时刻，任意地

20、访问介质；也可以是受控的，即各工作站可用一定何时刻，任意地访问介质；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顺序和时间。的算法调整各站访问介质顺序和时间。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 CSMA/CD（载波监听多路访问（载波监听多路访问/冲突检测）冲突检测） 基本概念基本概念 p采用该方式时，对任何工作站都没有预约发送时间。工作站的发送采用该方式时，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，称之为争用技术。是随机的，必须在网络上争用传输介质，称之为争用技术。 p若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信

21、息，则这些信息会在传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，称为输线上相互混淆而遭破坏，称为“冲突”。 p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，这就是要监听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听” ” （CSMACSMA）。）。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 载波监听CSMA的控制方案是 先听再讲先听再讲。一个站要发送，首 先需监听总线监听总线，以决定介质上 是否存在其它站的发送信号。 如果介质是空

22、闲空闲的，则可以发发 送送。如果介质是忙忙的，则等待等待 一定间隔后重试一定间隔后重试。 三种CSMA坚持退避算法： 不坚持CSMA（也叫0坚持CSMA ） 1-坚持CSMA P-坚持CSMA 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 u不坚持不坚持CSMACSMA 介质空闲就发送，介质忙就等待一段随机时间再发送。利用随机的介质空闲就发送，介质忙就等待一段随机时间再发送。利用随机的 重传时间来减少冲突的概率，重传时间来减少冲突的概率，缺点是：即使有几个站有数据要发送，介 质仍然可能处于空闲状态，介质的利用率较低。 u1-1-坚持坚持CSMACSMA。 介质空闲就发送，

23、介质忙则继续监听，等到总线空闲，立即发送。介质空闲就发送，介质忙则继续监听，等到总线空闲，立即发送。 如果发生冲突，则等待一段随机时间，重复第一步。如果发生冲突，则等待一段随机时间，重复第一步。缺点是：假如有两 个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 冲突检测：如果有多个站同时监听到总线空闲并开始发送数据，就会冲突检测：如果有多个站同时监听到总线空闲并开始发送数据，就会 产生冲突。因此，每个站在发送数据之后，还要继续监听线路，判定产生冲突。因此，每个站在发送数据之后，还要继续监听线路，判定 是否有其它站也正在向总线上

24、发送数据，一旦发现，便中止发送。是否有其它站也正在向总线上发送数据，一旦发现，便中止发送。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 - 令牌（标记）访问控制方式令牌（标记）访问控制方式 CSMACSMA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。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：一种按一定顺序在各站点传递：一种按一定顺序在各站点传递令牌（token）的方法。谁得的方法。谁得 到令牌，谁才有发报权。到令牌，谁才有发报权。

25、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，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。构成令牌总线网络。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 u令牌环（token-ring）方式：令牌在网络环路上不令牌在网络环路上不 断地传送，拥有此令牌的站点，有权向环路上发送报文，其它站点仅断地传送，拥有此令牌的站点，有权向环路上发送报文，其它站点仅 允许接受报文。不会发生访问冲突。允许接受报文。不会发生访问冲突。 特点：特点： 对轻、重负载不敏感。对轻、重负载不敏感。 单环故障，整个瘫痪，单环故障，整个瘫痪， 可靠性低。

26、可靠性低。 信息传输具有确定性，信息传输具有确定性， 能比较准确估计信息传输能比较准确估计信息传输 的延迟时间。的延迟时间。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 令牌传递总线（令牌传递总线（token-passing bus）方式：）方式：采用总线拓采用总线拓 扑，网上各工作站按一定顺序形成一个

27、逻辑环。每个工作扑，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逻辑位置，末站的后站就是首站。站在环中均有一个指定逻辑位置，末站的后站就是首站。 总线上各站的物理位置与逻辑位置无关总线上各站的物理位置与逻辑位置无关 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 令牌传递总线方式利用

28、令牌的控制帧，调整访问的权利。 收到令牌的站点在一段规定时间内被授予对介质的控制权， 因而该站可以发送一帧或多帧信息。 当该站传输已经完成或时间已到时，它就将令牌传递到逻 辑环中的下一工作站， 传输过程是由交替进行的数据传输阶段和令牌传送阶段组 成。 网上站点也可以退出环成为非活动站点，这些站点仅能响 应询问或请求应答。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 令牌传递总线的介质访问控制应具备以下令牌传递总线的介质访问控制应具备以下 几项功能：几项功能： 令牌传递算法令牌传递算法 逻辑环的初始化逻辑环的初始化 站点插入算法站点插入算法 退出环路退出环路 恢复恢复 现

29、场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 - 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础

30、网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 七、差错控制技术七、差错控制技术 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线

31、控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 )( )( )( )( xG xR xQ xG xxf k )()(xRxxf k k xxf )()(xR )( )( )( )( xG xR xQ xG xxf k xRxR)( xRxR)( 2.1 网络通信基础网络通信基础 100101 0 1101 1101 1101 1110 1101 1100110011101 100101 001 1101 1100 1101 1110 1101 1100110001101 1)( 23 xxxG 1)( 23 xxx

32、G 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 u 循环冗余校验步骤： （1）循环冗余校验将将要发送的数据位序列当做一个多项式 f(x)的系数，f(x)的系数只能为0或1； （2）接收双方事先约定一个生成多项式G(x)；G(x)的结构及 检验效果要经过严格的数学分析和实验后才能确定； （3）在发送端，将发送的数据多项式f(x)左移k位得到 f(x)xk，其中k为生成多项式G(x)的最高幂值； （4）将f(x) xk除以生成多项式，得 式中，R(x)是余数多项式； 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 u 循

33、环冗余校验步骤： （5）将f(x)xk + R(x)作为整体，从发送端通过通信信道 传送到接收端； （6）接收端对接收数据多项式f(x)采用同样的除法运 算，即 ; （7）根据上述除法运算得到的结果判断传输过程是否出 错。如果通过除法得到的结果不为零，则认为传输过 程出现了差错；余数多项式为零，则认为传输过程无 差错。 2.1 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统

34、 2.1 网络通信基础网络通信基础 八、网络传输介质八、网络传输介质 传输介质是传输信息的载体，是网络中位于发送端与接收端之间的 物理通路。资源子网中的各节点和通信子网中的通信处理机（IMP） 之间均需通过传输介质连接。 传输介质的特性对网络中数据通信质量影响较大，这些特性主要包括：传输介质的特性对网络中数据通信质量影响较大，这些特性主要包括： 物理特性：传输介质物理结构的描述；：传输介质物理结构的描述； 传输特性：允许传输数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传：允许传输数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传 输的频率范围输的频率范围 连通特性：允许点：允许点- -点或多点连接；点或多点连

35、接； 地理范围：传输介质最大传输距离；：传输介质最大传输距离； 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；：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力； 相对价格：器件、安装与维护费用。：器件、安装与维护费用。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.1 网络通信基础网络通信基础 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 网络互连是将分布在不同地理位置的网络、网络设备连接起来，构成 更大规模的网络系统，以实现网络的数据资源共享。 相互连接的网络可以是同种类型的网络

36、，也可以是运行不同网络协议 的异型系统。 在相互连接的网络中，每个子网成为网络的一个组成部分，每个子网 的网络资源都应该成为整个网络的共享资源，可以为网上任何一个节 点所享用。 同时，又应该屏蔽各子网在网络协议、服务类型、网络管理等方面的 差异。 网络互连技术能实现更大规模、更大范围的网络连接，使网络、网络 设备、网络资源、网络服务成为一个整体。 一、概述一、概述 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 国际标准化组织（国际标准化组织（ISOISO）提出的开放式系统互连（）提出的开放式系统互连（OSIOSI，Open System Open Sy

37、stem InterconnectInterconnect）参考模型，是基于国际标准化组织（）参考模型，是基于国际标准化组织（ISOISO）的建议，作）的建议，作 为各种层上使用的协议国际标准化的第一步而发展起来的。为各种层上使用的协议国际标准化的第一步而发展起来的。OSIOSI参考模参考模 型采用了将异构系统互连的一种标准分层的结构，是型采用了将异构系统互连的一种标准分层的结构，是一个概念上和功一个概念上和功 能上的框架标准。能上的框架标准。 OSI参考模型是研究如何把开放式系统与其它系统通信，且将相互开放的参考模型是研究如何把开放式系统与其它系统通信，且将相互开放的 系统连接起来的标准。根

38、本目的就是，允许任意一支持某种可用标准的计系统连接起来的标准。根本目的就是，允许任意一支持某种可用标准的计 算机的应用进程，自由地与任何支持统一标准的计算机的应用进程进行通算机的应用进程，自由地与任何支持统一标准的计算机的应用进程进行通 信。信。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 这个模型是一个计算机系统互连的规范，是指导生产厂家和用户共同遵 循的中立的规范。 这个规范是开放的，任何人均可免费使用。 这个规范是为开放系统设计的，使用这个规范的系统必须向其他使用这 个规范的系统开放。 这个规范仅供参考，可在一定的范围内根据需要进行适当调整。

39、OSI参考模型从本质上来讲是一种通信协议的模型，它一方面集成了之 前各种网络的长处，另一方面它也框定了其后各种网络的构架，使用跨 平台、跨机种的系统互联得以实现，极大地促进了计算机网络技术的应 用和发展。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 nOSIOSI模型分层原则：模型分层原则： 1.1.根据不同层次的抽象分层。根据不同层次的抽象分层。 2.2.每层应当实现一个定义明确的功能。每层应当实现一个定义明确的功能。 3.3.每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准。每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准。 4.4.各层边界的选择应

40、尽量减少跨过接口的通信量。各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量。 5.5.层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太 多，否则体系结构会过于庞大。多，否则体系结构会过于庞大。 二、二、OSI互连参考模型互连参考模型 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 nOSIOSI模型分层的好处：模型分层的好处： 1 1、设计实现、设计实现 每个层次向上一层次提供服务；每个层次向下一层次请求服务；每个层次向上一层次提供服务；每个层次向下一层次请求服务； 上层是为下层指引方向的，下次为上

41、层提供更好的服上层是为下层指引方向的，下次为上层提供更好的服务。务。 2 2、降低协议设计的复杂性：、降低协议设计的复杂性： 各层相对独立，各层不必关心其它层的具体实现，只需知道上下层接口；各层相对独立，各层不必关心其它层的具体实现，只需知道上下层接口； 3 3、标准化接口：、标准化接口： 任何一层发生修改，只要接口关系不变，其它层均不受影响；任何一层发生修改，只要接口关系不变，其它层均不受影响； 4 4、模块化结构：、模块化结构： 结构分层，各层都可独立实现；便于网络模型的设计；结构分层，各层都可独立实现；便于网络模型的设计； 5 5、保证技术的互操作性：、保证技术的互操作性： 各层向下单向

42、依赖，易于实现和维护各层向下单向依赖，易于实现和维护 不同厂商生产设备时有一个共同操作的标准，使不同厂商生产设备时有一个共同操作的标准，使不同产商设备互相兼容不同产商设备互相兼容。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 nOSIOSI参考模型参考模型 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 传输层传输层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 物理层物理层 会话层会话层 表示层表示层 应用层应用层 应用层（高层）应用层（高层） 高层的功能为处高层的功能为处 理用户接口、数理用户接口、数 据格式及应用访

43、据格式及应用访 问。主要由操作问。主要由操作 系统实现系统实现 数据流层（低层数据流层（低层 ） 定义了数据如定义了数据如 何在网络传输介何在网络传输介 质之间传送，及质之间传送，及 数据如何通过网数据如何通过网 线和网络设备传线和网络设备传 输到期望的终端输到期望的终端 OSIOSI参考模型的第参考模型的第4 4层及其以上各层为高层协议，实现层及其以上各层为高层协议，实现资源子网资源子网的功能，其中的实的功能，其中的实 体为进程。实现端到端的通信。下体为进程。实现端到端的通信。下3 3层协议实现层协议实现通信子网通信子网的功能，其中的实体为网的功能，其中的实体为网 络互联设备和网络通信介质，

44、实现点到点的通信。络互联设备和网络通信介质，实现点到点的通信。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 应用层是应用层是OSI参考模型中的最高层。直接面向用参考模型中的最高层。直接面向用 户以满足用户不同需求的层次，是运用网络资源户以满足用户不同需求的层次，是运用网络资源 向应用程序直接提供服务的层次。应用层传输的向应用程序直接提供服务的层次。应用层传输的 基本单位是用户数据报文。基本单位是用户数据报文。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 为应用进程提供访问为应用进程提供访问OSIOSI环境的

45、手段。如文件传输、电子邮件、环境的手段。如文件传输、电子邮件、 网络管理等。该层预先定义的完整功能直接面向用户，该层的网络管理等。该层预先定义的完整功能直接面向用户，该层的 应用程序应用程序有有 FTPFTP、TELNETTELNET、SMTPSMTP等：等： 网络完整的透明性网络完整的透明性 用户资源的配置用户资源的配置 应用管理和系统管理应用管理和系统管理 分布式信息服务分布式信息服务 分布式数据库管理分布式数据库管理 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 C 表示层用于处理两个网络系统中交换数据的表示方式，包表示层用于处理两个网络系统中交

46、换数据的表示方式，包 括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与解压缩等括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与解压缩等 功能。功能。 C 表示层服务的主要内容是用人们能够一致同意的标准方法表示层服务的主要内容是用人们能够一致同意的标准方法 进行数据编码。进行数据编码。 C 表示层使用的规则是表示层使用的规则是ISO 8822882388248825，其传输，其传输 数据的基本单位是会话报文。数据的基本单位是会话报文。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 为上下层之间提供对数据或信息的为上下层之间提供对数据或信息的语法和语义的转换语法和语义

47、的转换。该层完成。该层完成 某些特定的功能，它提供了一种公共语言，可以使不同类型的计某些特定的功能，它提供了一种公共语言，可以使不同类型的计 算机相互通信、相互理解；该层还能够提供数据压缩、解压缩的算机相互通信、相互理解；该层还能够提供数据压缩、解压缩的 服务，以及加密解密的服务：服务，以及加密解密的服务： 转换信息的格式和编码转换信息的格式和编码 数据压缩和数据加密、解密数据压缩和数据加密、解密 表示层连接管理机制表示层连接管理机制 为应用层提供表示连接服务原语为应用层提供表示连接服务原语 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 会话层会话层建

48、立、管理和终止应用程序之间的会话。建立、管理和终止应用程序之间的会话。 为表示层服务，管理表示层之间的数据交换、会话间的同步。为表示层服务，管理表示层之间的数据交换、会话间的同步。 报告会话层、表示层和应用层中产生的错误。报告会话层、表示层和应用层中产生的错误。 会话层的服务之一是管理对话，另一种会话服务是同步会话层的服务之一是管理对话，另一种会话服务是同步 会话层传输数据的基本单位称为会话报文会话层传输数据的基本单位称为会话报文。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 管理不同主机上各进程间的对话。该层使应用进程之间能够建立、管理不同主机上各

49、进程间的对话。该层使应用进程之间能够建立、 维护会话的连接；会话层可以通知进程之间实现维护会话的连接；会话层可以通知进程之间实现同步通信同步通信： 管理和控制会话连接管理和控制会话连接 会话连接同步会话连接同步 数据交换数据交换 会话交互管理会话交互管理 异常报告异常报告 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 传输层（传输层（transport layertransport layer）的基本功能是从会话层接收）的基本功能是从会话层接收 数据，在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层，并数据，在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层，并 确保到

50、达对方的各段信息正确无误确保到达对方的各段信息正确无误。 传输层所传输数据的基本单位是会话报文。传输层采用近传输层所传输数据的基本单位是会话报文。传输层采用近 年来标准化的年来标准化的ISO 8072 8073，如，如TCP、UDP和和SPX等协等协 议。议。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 传输层的主要作用是为利用通信子网进行通信的两个主机，提供可传输层的主要作用是为利用通信子网进行通信的两个主机，提供可 靠的、透明的靠的、透明的端端-端端多路多路数据传输数据传输服务服务。 本层提供了两个实体之间本层提供了两个实体之间端对端端对端的通信

51、，掩盖了通信网服务的差别。的通信，掩盖了通信网服务的差别。 传输层向高层用户屏蔽了通信子网的细节。该层的数据单元是段传输层向高层用户屏蔽了通信子网的细节。该层的数据单元是段 （Segment)Segment)，该层通常提供两种服务：面向连接的服务和面向无连接的服该层通常提供两种服务：面向连接的服务和面向无连接的服 务。主要协议包括务。主要协议包括InternetInternet的的TCPTCP、UDPUDP，NovellNovell的的SPXSPX等。等。 传输层的功能传输层的功能: : 端对端通信： 传输层用于网络内两实体间建立端到端的通信信道用于传输信息或传输层用于网络内两实体间建立端到端

52、的通信信道用于传输信息或 报文分组。传输层不关心路径选择。报文分组。传输层不关心路径选择。 传输层服务： 传输层提供端点间的可靠、透明数据传输、执行端点间的差错检测传输层提供端点间的可靠、透明数据传输、执行端点间的差错检测 和恢复、顺序控制流量控制，管理多路复用。和恢复、顺序控制流量控制，管理多路复用。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 网络层在网络层在OSI参考模型中是最复杂的一层，任务是完成网参考模型中是最复杂的一层，任务是完成网 络中主机之间的报文传输，通过执行路由算法，为报文分络中主机之间的报文传输，通过执行路由算法，为报文分 组通

53、过通信子网选择最佳路径。组通过通信子网选择最佳路径。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 网络层主要作用是将从高层传送下来的数据分组打包，再进行必网络层主要作用是将从高层传送下来的数据分组打包，再进行必 要的路由选择、流量控制、差错控制、顺序检测等处理，使数据要的路由选择、流量控制、差错控制、顺序检测等处理，使数据 正确无误地传送到目的端。正确无误地传送到目的端。 p将网络逻辑地址转换成物理机器地址：将网络逻辑地址转换成物理机器地址： IP=MACIP=MAC。 p决定服务质量决定服务质量( (如消息的优先权如消息的优先权) )， 从发送者到

54、接收者之间存从发送者到接收者之间存 在多条线路径时在多条线路径时, ,还需要进行路由选择：还需要进行路由选择： 路由选择路由选择。 p当数据包的大小比数据链路层允许的最大数据帧还要大时当数据包的大小比数据链路层允许的最大数据帧还要大时, ,网网 络层将其分成多个数据段，在接收端负责将多个数据段组合数络层将其分成多个数据段，在接收端负责将多个数据段组合数 据包：据包：包的拆分和重组包的拆分和重组。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 数据链路层在物理层之上，通信实体之间建立数据链数据链路层在物理层之上，通信实体之间建立数据链 路连接，数据传送以

55、帧为单位。路连接，数据传送以帧为单位。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 主要负责数据链路的建立、维持和拆除，确保在一段物理链路上主要负责数据链路的建立、维持和拆除，确保在一段物理链路上 数据帧的正确传输，将有差错的物理链路转化成对网络层来说是数据帧的正确传输，将有差错的物理链路转化成对网络层来说是 没有传输错误的数据链路没有传输错误的数据链路: :差错检测和数据流量控制差错检测和数据流量控制。 该层用于建立相邻结点之间的数据传输；它将不可靠的物理信道该层用于建立相邻结点之间的数据传输；它将不可靠的物理信道 处理为可靠的通道，使高层不必考虑

56、物理介质的具体特性；该层的数处理为可靠的通道，使高层不必考虑物理介质的具体特性；该层的数 据单元为帧据单元为帧( (frame)frame)；IEEEIEEE标准将该层又分为介质访问控制层标准将该层又分为介质访问控制层(MAC)(MAC) 和逻辑链路控制层和逻辑链路控制层( ( LLC )LLC ) 。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 物理层是物理层是OSI参考模型的最底层，主要功能是参考模型的最底层，主要功能是定义终端之间的电压、定义终端之间的电压、 频率、数据速率、最大传输距离、物理连接器等等电气、机械特性频率、数据速率、最大传输距离

57、、物理连接器等等电气、机械特性 和标准，和标准，利用物理传输媒体为数据链路层提供物理连接，保证比特利用物理传输媒体为数据链路层提供物理连接，保证比特 流的透明传输。物理层传输的基本单位是比特，也称为位。物理层流的透明传输。物理层传输的基本单位是比特，也称为位。物理层 典型的协议有典型的协议有RS232，RS449，RS423，RS422，RS485等。等。 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 p机械特征：机械特征： 规定线缆与网络接口卡的连接头的形状、几何尺寸、引脚线数、规定线缆与网络接口卡的连接头的形状、几何尺寸、引脚线数、 引线排列方式、

58、锁定装置等一系列外形特征。引线排列方式、锁定装置等一系列外形特征。 p电气特征：电气特征： 规定了在传输过程中多少伏特的电压代表规定了在传输过程中多少伏特的电压代表“1”1”，多少伏特代表，多少伏特代表 “0”0”。 p功能特征：功能特征： 规定了连接双方每个连接线的作用：用于传输数据的数据线、用规定了连接双方每个连接线的作用：用于传输数据的数据线、用 于传输控制信息的控制线、用于协调通信的定时线、用于接地的于传输控制信息的控制线、用于协调通信的定时线、用于接地的 地线。地线。 p规程特征：规程特征： 具体规定了通信双方的通信步骤。具体规定了通信双方的通信步骤。 现场总线控制系统现场总线控制系

59、统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 p OSI标准的应用协议有：文件传送、访问与管理协议（标准的应用协议有：文件传送、访问与管理协议（FTAM），公共），公共 管理信息协议（管理信息协议（CMIP），虚拟终端协议（），虚拟终端协议（VTP），远程数据库访问），远程数据库访问 （RDA）协议等。）协议等。 p 层次结构将数据传输与数据处理分，第层次结构将数据传输与数据处理分，第14层是面向通信的协议，而第层是面向通信的协议，而第 57层是面向处理的协议。层是面向处理的协议。 p OSI参考模型本身不是网络体系结构的全部内容，因为它并没有确切地参考模型本身不是网络体系结构的全

60、部内容，因为它并没有确切地 描述出用于各层的协议和实现方法，仅仅告诉我们每层应用完成的功能。描述出用于各层的协议和实现方法，仅仅告诉我们每层应用完成的功能。 p OSI参考模型不仅适用于数据网，同样也适用于局域网、城域网和因特参考模型不仅适用于数据网，同样也适用于局域网、城域网和因特 网。网。 n OSI OSI参考模型特点参考模型特点 现场总线控制系统现场总线控制系统 2.2 开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 应应用用层层与与用用户户应应用用进进程程的的接接口口“做什么” 表表示示层层数数据据格格式式的的转转换换“对方看起来象什么” 会会话话层层会会话话管管理理与与数数据据传传输