第2章工业通信基础00

1、2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua1本章内容本章内容2.1工业网络通信基础工业网络通信基础 1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 2. 数据编码数据编码 3. 数据传输数据传输 4. 差错控制差错控制2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 1. 网络的传输媒介网络的传输媒介 2.工业通信网络的拓扑形式工业通信网络的拓扑形式 3.介质访问控制方式介质访问控制方式 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 1. OSI参考模型参考模型 2. 网络互连网络互连 3. 现场总线通信协议模型现场总线通信协议模型 工业网

2、络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua22.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n工业数据通信基础工业数据通信基础l工业数据通信的基本任务工业数据通信的基本任务计算机技术和通信技术相结合，应用于工业自动化领域中，通过智计算机技术和通信技术相结合，应用于工业自动化领域中，通过智能化的现场设备把车间层和设备层的工业数据安全准确地传送到上能化的现场设备把车间层和设备层的工业数据安全准确地传送到上层网络中，从而为实现真正的企业层网络中，从而为实现真正的企

3、业ERP提供全生命周期的设备和现提供全生命周期的设备和现场数据。场数据。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua32.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n工业数据通信基础工业数据通信基础l工业数据通信的技术基础工业数据通信的技术基础主要涉及通信协议、信号编码、数据传输和交换、安全、通信控制主要涉及通信协议、信号编码、数据传输和交换、安全、通信控制和软硬件平台等。和软硬件平台等。l工业数据通信系统的基本组成工业数据通信系统的基本组成主要由数据

4、信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通主要由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议等组成。信协议等组成。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua42.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语数据通信的一些基本术语l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：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。也可以说数据是传递（携带）信息的实

5、体，信息母和符号。也可以说数据是传递（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。l信号信号(Signal)(Signal)：数据的物理量编码（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，数据以信号的形式传播式传播模拟信号模拟信号；数字信号数字信号 。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua52.1 工

6、业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语数据通信的一些基本术语l信道信道(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：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。数字通信的优点数字通信的优点抗噪声（干扰）能力强抗噪声（干扰）能力强可以控制差错，提高了传输质量可以控制差错，提高了传输质量便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理易于加密、保密性强易于加密、保

7、密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活可以传输语音、数据、影像，通用、灵活仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。 如用如用modem通过拨号通过拨号线路传输数字信号。线路传输数字信号。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua62.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语数据通信的一些基本术语l信道带宽信道带宽（Band Width）：信道上传输的是电磁波信号，某个：信道上传输的是

8、电磁波信号，某个信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。数据通信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。数据通信系统的信道传输的是电磁波信系统的信道传输的是电磁波( (包括无线电、微波、光波等包括无线电、微波、光波等) )，带，带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最小有效频率之差。宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最小有效频率之差。l信道容量信道容量(Channel capacity) ：信道的传输能力是有一定限制的，：信道的传输能力是有一定限制的，某个信道传输数据的速率有一个上限，叫作信道的最大传输速率，某个信道传输数据的速率有一个上限，叫作信道的最大传输速率，即信

9、道容量。信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的。即信道容量。信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua72.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语数据通信的一些基本术语l码元码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元。：时间轴上的一个信号编码单元。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by

10、 Wang Yonghua82.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语数据通信的一些基本术语l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)。每秒钟传递的。每秒钟传递的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）。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。递的信号脉冲（波形）数。还可以说是每秒钟传送的码元数。 Rbit = Rbaud log2M式中：式中：M为信号的有效状态数

11、，即码元数。当为信号的有效状态数，即码元数。当M2时（二进制数时（二进制数表示信号波形），两者相等。一般来说波特率小于比特率。表示信号波形），两者相等。一般来说波特率小于比特率。l误码率误码率(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工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua92.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 数据编码数据编码 n为什么要进行数据编码？为什么要进行数据编码？l工业数据通信的系统

12、的任务是传送数据或指令等信息，而这些信工业数据通信的系统的任务是传送数据或指令等信息，而这些信息通常用离散的二进制息通常用离散的二进制0、1序列的方式来表示，即用序列的方式来表示，即用0、1的不同的不同组合来表示不同的信息内容。例如用组合来表示不同的信息内容。例如用00、01、10、11来分别表来分别表示电动机的停止、运行、错误和不确定等四个状态。示电动机的停止、运行、错误和不确定等四个状态。l通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来。编码要得到通通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来。编码要得到通信各方的认同。信各方的认同。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V

13、2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua102.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 数据编码数据编码 n编码种类编码种类l不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。应地需要进行不同的编码处理。 数据：模拟数据、数字数据数据：模拟数据、数字数据 信号：模拟信号、数字信号信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道信道：模拟信道、数字信道工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by

14、 Wang Yonghua112.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 数据编码数据编码 n编码和调制编码和调制l用数字信号承载数字或模拟数据用数字信号承载数字或模拟数据编码编码l用模拟信号承载数字或模拟数据用模拟信号承载数字或模拟数据调制调制 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua122.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1.数据编码数据编码 n数字数据的数字编码数字数据的数字编码l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。

15、l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、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、Manchester编码等。工业通信中常用的是非归零码和编码等。工业通信中常用的是非归零码和Manchester编码。编码。l非归零码：逻辑非归零码：逻辑1表示高电平，逻辑表示高电平，逻辑0表示低电平，在整个码元期间都维表示低电平，在整个码元期间都维持有效电平的编码。持有效电平的编码。优点：能够比较有效地利用信道的带宽，这是最常用的编码之一。优点：能够比较有效地利用信道的带宽，这是最常用的编码之一。缺点：存在直流分量，不具备自同步机制，必须使用外同步。缺点：存在直流

16、分量，不具备自同步机制，必须使用外同步。l曼彻斯特编码：在每个码元的中间都要发生跳变。接收端可将此变化提曼彻斯特编码：在每个码元的中间都要发生跳变。接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。是取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。是工业数据通信中最常用的一种基带信号编码工业数据通信中最常用的一种基带信号编码优点：不需要外同步信号，不存在直流分量。优点：不需要外同步信号，不存在直流分量。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。倍）。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识

17、 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua132.1 工业网络通信基础工业网络通信基础工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua142.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1.数据编码数据编码 n数字数据的调制编码数字数据的调制编码l定义：定义：用模拟信号来表示数据的用模拟信号来表示数据的0、1状态。状态。l常用技术常用技术 幅移键控幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅，调幅频移键控频移键控FSK(Frequ

18、ency Shift Keying)，调频。，调频。相移键控相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相，调相l基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波载波 S(t) = A cos ( t+ ) S(t)的参量包括：的参量包括： 幅度幅度A、频率频率 、相位相位 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化l举例说明：举例说明：ASK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表

19、示0(1.2KHz)和和1(2.4KHz)。现场总。现场总线的线的HART通信信号采用这种编码方式。通信信号采用这种编码方式。PSK：用载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0 (同相同相)和和1(反相反相)工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua152.1 工业网络通信基础工业网络通信基础工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua162.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1.

20、数据传输数据传输 n 数据通信方式（数据流动方向）数据通信方式（数据流动方向）l 单工：单工：数据单向传输。例如无线电广播、计算机与键数据单向传输。例如无线电广播、计算机与键盘之间；盘之间；l 半双工：半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输。例数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输。例如对讲机。这种方式具有控制简单可靠、通信成本低等优点。工如对讲机。这种方式具有控制简单可靠、通信成本低等优点。工业数据通信中常用这种方式。业数据通信中常用这种方式。l全双工：全双工：数据可同时双向传输。例如电话，计算机与计算机之间。数据可同时双向传输。例如电话，计算机与计算机之间。这种方式控制相对

21、复杂，系统成本高，但通信效率高，随着大规这种方式控制相对复杂，系统成本高，但通信效率高，随着大规模集成电路的发展，这种方式会更广泛地使用。模集成电路的发展，这种方式会更广泛地使用。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua172.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 数据传输数据传输 n 数据传输方式数据传输方式l 串行传输（串行传输（Serial Transmission）：）：数据流以串行方式逐数据流以串行方式逐位地在一条信道上传输。每次只能发送一个数据位，发送方必须确定是位地在一条信道

22、上传输。每次只能发送一个数据位，发送方必须确定是先发数据的高位还是低位；同理，接收方也必须知道所收到字节的第一先发数据的高位还是低位；同理，接收方也必须知道所收到字节的第一个数据位应该在什么位置。个数据位应该在什么位置。这种方式适合距离较远的数据通信，但需要这种方式适合距离较远的数据通信，但需要在收发双方采取同步措施。在收发双方采取同步措施。l 并行传输（并行传输（Parallel Transmission)：数据以成组的方式数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同时传输。每个数据位使用单独的一条在两条以上的并行通道上同时传输。每个数据位使用单独的一条导线，所以它可以同时传输一组数据位。因为它

23、有一条导线，所以它可以同时传输一组数据位。因为它有一条“选通选通”线通知接收方接收数据，所以不需要特别的措施实现收发双方的线通知接收方接收数据，所以不需要特别的措施实现收发双方的同步。显然，这种方式成本高，不适合远距离的通信。同步。显然，这种方式成本高，不适合远距离的通信。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua182.1 工业网络通信基础工业网络通信基础工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b

24、0b7b6b5b4b3b2b1b0b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道并行信道(a)并行数据传输(b)串行数据传输2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua192.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 数据传输数据传输 n 数据传输方式数据传输方式l在数据通信系统中，各种处理工作都是在一定的时序脉冲控制下在数据通信系统中，各种处理工作都是在一定的时序脉冲控制下进行的，收发端工作的协调一致性是实现信息传输的关键，这就进行的，收发端工作的协调一致性是实现信息传输的关键，这就是数据通信系统中的是数据通信系统中的传输同步问题。传输同步问题。

25、l并行通信并行通信中使用中使用“选通选通”信号来解决同步问题。信号来解决同步问题。l串行通信串行通信中的中的一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间。这就要求的开始时间和持续时间。这就要求收发双方需要使用时钟信号，收发双方需要使用时钟信号，并通过一定的方式来决定什么时候发送和读取每一位数据。并通过一定的方式来决定什么时候发送和读取每一位数据。l异步传输和同步传输异步传输和同步传输是解决串行通信同步传输的方法。是解决串行通信同步传输的方法。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程

26、 Copyright by Wang Yonghua202.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1.数据传输数据传输 n数据传输方式数据传输方式l异步传输：异步传输：每个每个字符字符作为一个单元独立传输，字符之间的传输间隔任意。作为一个单元独立传输，字符之间的传输间隔任意。为了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加为了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1 1位、位、1.51.5位或位或2 2位停止位，构成一个个的位停止位，构成一个个的“字符字符”。这里的。这里的“字符字符”指指异步传输的数据单元，不同于异步传输的数据单元，不同于“字节字节”，一般略大

27、于一个字节。，一般略大于一个字节。l异步传输使用的是字符同步方式。异步传输使用的是字符同步方式。 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 起始位数据位0数据位1数据位2数据位3数据位4数据位5数据位6校验位停止位停止位字符2字符1字符3字符4任意间隔任意间隔任意间隔2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua212.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1.数据传输数据传输 n数据传输方式数据传输方式l同步传输：同步传输：同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块

28、进行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在数据符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合块前面加特殊模式的位组合( (如如01111110)01111110)或同步字符或同步字符(SYN)(SYN)，并且通过，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 0111111001111110BAX. .01111110SYNSYNBAX. .SYN同步字符(一个或多个)同步位模式(一个或多个)可变长度的位数据块可变长度的字符数据

29、块2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua222.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1.数据传输数据传输 n数据同步方式数据同步方式l位同步（位同步（bit synchronous）：）：目的是使接收端接收的每一位信目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步。息都与发送端保持同步。面向位块的同步传输面向位块的同步传输外同步外同步发送端发送同步时钟信号，接收方用它来锁定自己的时发送端发送同步时钟信号，接收方用它来锁定自己的时钟脉冲频率。钟脉冲频率。自同步自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码信号通过特殊编码（如曼彻斯特编

30、码），这些数据编码信号包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 l面向字符块的同步传输面向字符块的同步传输工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua232.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1.数据传输数据传输 n信号传输模式信号传输模式l基带传输：基带传输：基带传输在基本不改变数字数据信号波形的情况下直基带传输在基本不改变数字数据信号波形的情况下直接传输数字信号，具有速率高和误码率低等优点，在计算机网络接传输数字

31、信号，具有速率高和误码率低等优点，在计算机网络通信和工业网络通信中被广泛采用。通信和工业网络通信中被广泛采用。l载波传输：载波传输：载波传输是先用数字信号对载波进行调制，然后进行载波传输是先用数字信号对载波进行调制，然后进行传输的传输模式。传输的传输模式。l频带传输：频带传输：利用模拟信道传输信号的传输方式叫做频带传输或宽利用模拟信道传输信号的传输方式叫做频带传输或宽带传输。频带传输的优点是可以利于现有的大量模拟信道带传输。频带传输的优点是可以利于现有的大量模拟信道( (如模如模拟电话交换网拟电话交换网) )通信。价格便宜，容易实现。家庭用户拨号上网通信。价格便宜，容易实现。家庭用户拨号上网就

32、属于这一类通信。它的缺点是速率低，误码率高。就属于这一类通信。它的缺点是速率低，误码率高。l异步转移模式异步转移模式（ATM，asynchronous transfer mode）：）：是是ISOISO制定的一种网络传输体制。具有高速数据传输率和支持许多制定的一种网络传输体制。具有高速数据传输率和支持许多种类型如声音、数据、传真、实时视频、种类型如声音、数据、传真、实时视频、CDCD质量音频和图象的通质量音频和图象的通信。信。 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua242.1 工业网络通信基

33、础工业网络通信基础1. 差错控制差错控制n产生差错的原因：产生差错的原因：l信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；l信号反射；信号反射；l串扰；串扰；l闪电、大功率电机的启停等。闪电、大功率电机的启停等。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。n如何提高通信质量？如何提高通信质量？l采用高质量的通信线路采用高质量的通信线路可以降低线路内部噪声，但对外部干扰无能为力。可以降低线路内部噪声，但对外部干扰无能为力。价格高。价格高。l在外部采取抗干扰措施在外部采取抗干扰措施工业网络与通信工业网络与

34、通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua252.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 差错控制差错控制n如何提高通信质量？如何提高通信质量？l采用差错控制方法采用差错控制方法一种软的控制技术。它容忍差错的存在，但能够发现，并设法加以一种软的控制技术。它容忍差错的存在，但能够发现，并设法加以纠正。这是普遍采用的提高通信质量的方法。纠正。这是普遍采用的提高通信质量的方法。原理：对所传输的数据进行抗干扰编码，即按一定的规则给被传送原理：对所传输的数据进行抗干扰编码，即按一定的规则给被传送的数据增加一定的冗余码。冗余码与

35、被传送的信息码一起发送，经的数据增加一定的冗余码。冗余码与被传送的信息码一起发送，经信道传输后，接收端按照与发送端约定的译码规则进行译码，从而信道传输后，接收端按照与发送端约定的译码规则进行译码，从而发现错误或纠正错误。发现错误或纠正错误。检测码检测码：能够发现错误的编码称为检测码。检测码实现容易，代价：能够发现错误的编码称为检测码。检测码实现容易，代价小，所以在通信系统中使用得较多。小，所以在通信系统中使用得较多。纠错码纠错码：能够发现错误并能纠正错误的编码称为纠错码。：能够发现错误并能纠正错误的编码称为纠错码。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术

36、及应用教程 Copyright by Wang Yonghua262.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1.差错控制差错控制n奇偶校验（奇偶校验（Parity Checking）l原理：在原始数据字节的最高位增加一个附加比特位，使结果中原理：在原始数据字节的最高位增加一个附加比特位，使结果中1的个的个数为奇数数为奇数(奇校验奇校验)或偶数或偶数(偶校验偶校验)。增加的位称为奇偶校验位。增加的位称为奇偶校验位。l举例：举例：原始数据原始数据=1100010，采用偶校验。，采用偶校验。 则增加校验位后的数据为则增加校验位后的数据为11100010 若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输

37、中发生了错误。若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。l判断结果：奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则判断结果：奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则无能为力。无能为力。l说明：有多种奇偶校验方法，如：垂直奇偶检验、水平奇偶检验、水平说明：有多种奇偶校验方法，如：垂直奇偶检验、水平奇偶检验、水平垂直奇偶检验等，简单的奇偶检验检测效果不好，而复杂的奇偶检验效垂直奇偶检验等，简单的奇偶检验检测效果不好，而复杂的奇偶检验效果虽然要好很多，但如果考虑计算的工作量和效果的话，还不如使用果虽然要好很多，但如果考虑计算的工作量和效果的话，还不如使用CRC。

38、所以简单的奇偶检验在要求不高的场合得到了广泛使用，但复杂。所以简单的奇偶检验在要求不高的场合得到了广泛使用，但复杂的奇偶检验应用不多。的奇偶检验应用不多。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua272.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 差错控制差错控制n循环冗余校验（循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check） 一种通过多项式除法检测错误的方法。一种通过多项式除法检测错误的方法。l检错思想：收发双方约定一个生成多项式检错思想：收发双方约定一个生成多项式G(x)

39、（其最高阶和最低阶系数（其最高阶和最低阶系数必须为必须为1），发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式），发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被能被G(x)整除。接收方收到后，用整除。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有除多项式，若有余数，则传输有错。错。l校验和计算方法校验和计算方法若若G(x)为为r阶，原帧为阶，原帧为m位，其多项式为位，其多项式为M(x)，则在原帧后面添加，则在原帧后面添加r个个0，帧成为，帧成为m+r位，相应多项式位，相应多项式xr M(x) 按模按模2除法用对应于除法用对应于G(x)的位串去除对应于的位串去除对应于xr M(x

40、) 的位串，得出余的位串，得出余数数按模按模2加法把加法把xr M(x) 的位串与余数相加，结果就是要传送的带校验的位串与余数相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式和的帧的多项式T(x) T(x) = xrM(x) + xrM(x) MOD2 G(x) 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua282.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 差错控制差错控制n循环冗余校验（循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check） l举例举例工业网络与通信工业网络与通信基础知识

41、基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua292.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 差错控制差错控制n循环冗余校验（循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check） l请再做一个验证：请再做一个验证：传送数据为：传送数据为：110011多项式比特序列为：多项式比特序列为：11001（最高阶为（最高阶为4）带有带有CRC检验码的接收比特序列为：检验码的接收比特序列为：1100111001l其实其实CRC中的生成多项式不是随便选定的。它的结构和检错效果是要经中的生成多项式不是随便选定的。它的结构和检错效果

42、是要经过严格的数学分析与实验后确定的。目前已有多种生成多项式被列为了过严格的数学分析与实验后确定的。目前已有多种生成多项式被列为了国际标准，如：国际标准，如：CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x1+1 CRC-16 G(x)=x16+x15+x2+1 lCRC错误检测方法大约能检查出错误检测方法大约能检查出99.95%以上的错误。以上的错误。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua302.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 差错控制差错控制n海明码海明码 l海明码是一种

43、可以纠正一位差错的高效率线性分组纠错码。海明码是一种可以纠正一位差错的高效率线性分组纠错码。l海明吗有一套较为复杂的编码、检错和纠错方法。海明吗有一套较为复杂的编码、检错和纠错方法。l海明距离：一个有效编码集中，任意两个码字的对应位取值不同的个数海明距离：一个有效编码集中，任意两个码字的对应位取值不同的个数的最小值称为该编码集的海明距离。的最小值称为该编码集的海明距离。如：有效编码集如：有效编码集10110、11010的海明距离为的海明距离为2；有效编码集有效编码集10101、01111的海明距离为的海明距离为3；有效编码集有效编码集10110、11010、10101、01111的海明距离为的

44、海明距离为2。l海明码的检错和纠错能力可以用海明距离来表示，海明距离越大，检错海明码的检错和纠错能力可以用海明距离来表示，海明距离越大，检错和纠错能力也越强，但所需要冗余的信息也越多。和纠错能力也越强，但所需要冗余的信息也越多。如果需检测出如果需检测出d个错误，则海明距离至少应为个错误，则海明距离至少应为d+1；如果要能纠正如果要能纠正d个错误，则编码集中的海明距离至少应为个错误，则编码集中的海明距离至少应为2d+1。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua312.2 工业网络物理结构工业网络

45、物理结构1.网络的传输媒介网络的传输媒介 有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。 无线传输介质：包括无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。无线传输介质：包括无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。 工业通信中常用的是有线传输介质。工业通信中常用的是有线传输介质。n双绞线（双绞线（twisted pair)twisted pair)l双绞线（双绞线（TP）是一种常用做电信电缆的铜导线。由于铜是非常好的导体，）是一种常用做电信电缆的铜导线。由于铜是非常好的导体，所以它对电磁信号无任何限制。当两根非常接近的铜线都在传导电信号所以它对电磁信号无任

46、何限制。当两根非常接近的铜线都在传导电信号时，就会出现一定的电磁干扰，这种干扰称作串扰。此外，电磁现象无时，就会出现一定的电磁干扰，这种干扰称作串扰。此外，电磁现象无所不在，这便导致传输中还会接收到一些从其它地方传来干扰信号。如所不在，这便导致传输中还会接收到一些从其它地方传来干扰信号。如果把电极相反的一对铜线相互绞在一起，可以减少串扰以及信号放射程果把电极相反的一对铜线相互绞在一起，可以减少串扰以及信号放射程度，每一根缠绕着的导线在导电时，发出的电磁幅射被绞合的另一根线度，每一根缠绕着的导线在导电时，发出的电磁幅射被绞合的另一根线上发出的电磁辐射所抵消，随着单位长度电缆中所缠绕的线的对数的增

47、上发出的电磁辐射所抵消，随着单位长度电缆中所缠绕的线的对数的增加，防止串饶的能力也增加。加，防止串饶的能力也增加。l双绞线由两根双绞线由两根2226号绝缘铜线相互缠绕而成。而一对或多对双绞线安号绝缘铜线相互缠绕而成。而一对或多对双绞线安置在一置在一 个套桶中时，便形成了双绞线电缆。有两种类型的个套桶中时，便形成了双绞线电缆。有两种类型的TP电缆：非电缆：非屏蔽双绞线电缆屏蔽双绞线电缆 （UTP，unshielded twisted-pair）和屏蔽双绞线电）和屏蔽双绞线电缆（缆（STP，shielded twisted-pair）。）。l双绞线可以用于传输模拟传输或数字传输。双绞线可以用于传输

48、模拟传输或数字传输。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua322.2 工业网络物理结构工业网络物理结构工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。 屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP，Shielded Twisted Pair)：抗干扰性好，性能高，用：抗干扰性好，性能高，用于远程于远程 中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高，所以一直中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高，所

49、以一直没有广泛使用，但工业通信系统中广泛使用没有广泛使用，但工业通信系统中广泛使用STP。 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP，Unshielded Twisted Pair)：非屏蔽双绞线的传：非屏蔽双绞线的传输距离一般为输距离一般为100米，性能价格比高，目前被广泛使用。米，性能价格比高，目前被广泛使用。 非屏蔽双绞线有非屏蔽双绞线有1、2、3、4、5五类，常用的是五类，常用的是3类线和类线和5类线，类线，5类类线既可支持线既可支持100Mbps的快速以太网连接，又可支持到的快速以太网连接，又可支持到150Mbps的的ATM数数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。据传输，是连接桌面设备的首

50、选传输介质。2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua332.2 工业网络物理结构工业网络物理结构1.网络的传输媒介网络的传输媒介n同轴电缆同轴电缆(coaxial cable)(coaxial cable)：同轴电缆由同轴的内外两个导体组成，：同轴电缆由同轴的内外两个导体组成，内导体是一根金属线，外导体是一根圆柱形的套管，一般是细金属内导体是一根金属线，外导体是一根圆柱形的套管，一般是细金属线编制成的网状结构，内外导体之间有绝缘层。线编制成的网状结构，内外导体之间有绝缘层。l同轴电缆支持点到点连接，也支持多点连接。另外，同轴电缆的同轴电缆

51、支持点到点连接，也支持多点连接。另外，同轴电缆的两端需要有终结器两端需要有终结器( (用用5050欧姆或欧姆或7575欧姆的电阻连接内外导体欧姆的电阻连接内外导体) )，中，中间连接需要收发器、间连接需要收发器、T T形头、筒形连接器等器件。形头、筒形连接器等器件。l同轴电缆分基带同轴电缆和宽带同轴电缆同轴电缆分基带同轴电缆和宽带同轴电缆 基带同轴电缆一般用于二进制数据信号的传输，多用于计算基带同轴电缆一般用于二进制数据信号的传输，多用于计算机局域网；宽带同轴电缆主要用于高带宽数据通信，支持多机局域网；宽带同轴电缆主要用于高带宽数据通信，支持多路复用。路复用。l同轴电缆的最大优点是同轴电缆的最

52、大优点是抗干扰性强抗干扰性强，而且支持多点连接。缺点是，而且支持多点连接。缺点是物理物理可靠性不好可靠性不好，在公用机房、教学楼等人员嘈杂的地方，极易，在公用机房、教学楼等人员嘈杂的地方，极易出现故障，而且一点发生故障，整段局域网都无法通信，另外它出现故障，而且一点发生故障，整段局域网都无法通信，另外它的最大缺点是连接不方便，所以基本已被非屏蔽双绞线所取代。的最大缺点是连接不方便，所以基本已被非屏蔽双绞线所取代。 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua342.2 工业网络物理结构工业网络物理

53、结构工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 内芯2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua352.2 工业网络物理结构工业网络物理结构1.网络的传输媒介网络的传输媒介n光缆光缆(optical fiber)(optical fiber)：即光导纤维。根据制作材料的不同，分为玻：即光导纤维。根据制作材料的不同，分为玻璃光纤、塑料光纤等，玻璃光纤价格要高于塑料光纤，但其性能也璃光纤、塑料光纤等，玻璃光纤价格要高于塑料光纤，但其性能也高于后者。高于后者。l特点：特点：依靠光波承载信息；依靠光波承载信息；速率高，通信容量大，仅受光电转换器件的

54、限制（速率高，通信容量大，仅受光电转换器件的限制（100Gb/s100Gb/s）；）；传输损耗小，适合长距离传输；传输损耗小，适合长距离传输；抗干扰性能极好，保密性好；抗干扰性能极好，保密性好；轻便；轻便；价格高，连接不方便。价格高，连接不方便。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua362.2 工业网络物理结构工业网络物理结构1.网络的传输媒介网络的传输媒介l光纤通信的原理光纤通信的原理 见图，入射角见图，入射角逐渐增大，逐渐增大，1212是折射角，光纤通信的原是折射角，光纤通信的原理，是基

55、于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全理，是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全反射的特性射角达到反射的特性射角达到33时，发生全反射，即光波能量几乎全部反射，这样才可时，发生全反射，即光波能量几乎全部反射，这样才可以达到长距离高速传输的目的。以达到长距离高速传输的目的。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 入射光1122折射光折射光反射光3光密介质光疏介质2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua372.2 工业网络物理结构工业网络物理结构1.网络的传输媒介网络的传输媒介l光传输

56、系统：光源、介质、光检测器光传输系统：光源、介质、光检测器光源光源: 850nm/1300nm/1500nm: 850nm/1300nm/1500nm， 发光二极管发光二极管 / / 激光二极管激光二极管介质介质: : 光纤光纤光检测器光检测器: : 光电二极管光电二极管PIN/PIN/雪崩二极管雪崩二极管APDAPD工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua382.2 工业网络物理结构工业网络物理结构1.网络的传输媒介网络的传输媒介n无线通信：主要有微波、红外和激光等。适合于在地理上或安装上无

57、线通信：主要有微波、红外和激光等。适合于在地理上或安装上有要求的场合，或频繁移动的设备。在实际工业通信网络的底层使有要求的场合，或频繁移动的设备。在实际工业通信网络的底层使用的不多。用的不多。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua392.2 工业网络物理结构工业网络物理结构1. 工业通信网络的拓扑形式工业通信网络的拓扑形式 工业网络中的拓扑形式就是节点的互连形式。常见的是：总线型、环形、星形和工业网络中的拓扑形式就是节点的互连形式。常见的是：总线型、环形、星形和树形等。树形等。n总线型：通过

58、一条总线电缆作为传输介质，各节点通过接口接入总线。是工总线型：通过一条总线电缆作为传输介质，各节点通过接口接入总线。是工业通信网络中最常用的一种拓扑形式。业通信网络中最常用的一种拓扑形式。l特点：特点：通信可以是点对点方式，也可以是广播方式；通信可以是点对点方式，也可以是广播方式；接入容易，扩展方便；接入容易，扩展方便；节省电缆。节省电缆。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua402.2 工业网络物理结构工业网络物理结构1. 工业通信网络的拓扑形式工业通信网络的拓扑形式 n星形与树形：在星形

59、拓扑中，每个节点通过点对点连接到中央节点，任何节星形与树形：在星形拓扑中，每个节点通过点对点连接到中央节点，任何节点之间的通信都通过中央节点进行。树形拓扑是星形拓扑的变种。常用于节点之间的通信都通过中央节点进行。树形拓扑是星形拓扑的变种。常用于节点密集的地方，在商业和民用网络中使用较多。点密集的地方，在商业和民用网络中使用较多。l特点特点维护、管理简单；维护、管理简单；每个结点的通信负担很小，所以冲突小。每个结点的通信负担很小，所以冲突小。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua412.2 工

60、业网络物理结构工业网络物理结构1. 工业通信网络的拓扑形式工业通信网络的拓扑形式 n环形：通过网络节点点对点的链路的连接，构成一个环路。信号在环路上从环形：通过网络节点点对点的链路的连接，构成一个环路。信号在环路上从一个设备到另一个设备单向传输，直到信号到达目的地为止。一个设备到另一个设备单向传输，直到信号到达目的地为止。l特点特点各节点以令牌方式实现对共享介质的访问控制；各节点以令牌方式实现对共享介质的访问控制；使用光缆等传输介质，传输率高，适合于工业环境；使用光缆等传输介质，传输率高，适合于工业环境；在一些重要的场合可采用双环。在一些重要的场合可采用双环。工业网络与通信工业网络与通信基础知