第七章网络控制技术N

1、第七章第七章:工业控制系统通信技术工业控制系统通信技术本章要点本章要点1.1.数据通信有关通信方式、制式、编码、复用、同数据通信有关通信方式、制式、编码、复用、同步及传输介质等基础知识；步及传输介质等基础知识； .串行通信总线的RS232-C通信总线与RS-422/485通信总线本章主要内容本章主要内容 引引 言言 7.17.1 数数据通信基础据通信基础 7.27.2 通通信网络技术信网络技术 7.37.3 串串行通信总线行通信总线 7.47.4 USBUSB通用串行接口标准通用串行接口标准 本章小结本章小结 思考题思考题引引 言言v计算机系统中，计算机之间或计算机与外部设备计算机系统中，计算

2、机之间或计算机与外部设备交换信息称为通信。通信方式有：并行通信和串交换信息称为通信。通信方式有：并行通信和串行通信行通信; ; v工控系统通信类型根据系统构成层次分为工控系统通信类型根据系统构成层次分为3 3种基种基本通信方法：标准通信总线、现场总线和局域网本通信方法：标准通信总线、现场总线和局域网通信通信; ;v工业控制计算机总线包括系统总线和通信总线。工业控制计算机总线包括系统总线和通信总线。通信总线分为并行通信总线和串行通信总线通信总线分为并行通信总线和串行通信总线7.1 7.1 数据通信基础数据通信基础主要内容主要内容 7.1.1 7.1.1 数数据通信系统据通信系统7.1.2 7.1

3、.2 数据传输编码数据传输编码 7.1.3 7.1.3 多路复用技术多路复用技术7.1.4 7.1.4 通信同步技术通信同步技术7.1.1 7.1.1 数数据通信系统据通信系统主要知识点1、通信系统构成2、数据通信方式3、数据通信制式 、通信系统构成图数据通信系统组成信息源：需要发送的数据发送设备：使不同种类和速率的信息源与传输介质相匹配传输介质：是发送设备与接收设备之间信号传递所经过的媒介。例如：电磁波，红外线，电缆、光缆、双绞线等接收设备：完成对发送设备的反变换2数据通信方式 数据通信的基本传输方式有：数据通信的基本传输方式有： （1 1）并行通信）并行通信传送数据的各位同时发送或接收传送

4、数据的各位同时发送或接收 （2 2）串行通信）串行通信传送数据的各位按顺序一位一位进行发送传送数据的各位按顺序一位一位进行发送和接收和接收数据通信制式按通信线路上信息传送方向与时间的关系可分为种通信制式：（）单工通信（）半双工通信（）全双工通信发送器接收器发送器图 11-2 串行通信的三种制式发送器接收器接收器发送器接收器发送器接收器(a) 单工通信(c) 全双工通信(b) 半双工通信甲甲乙乙乙乙乙乙甲甲甲甲.1.2 .1.2 数据传输编码数据传输编码主要知识点主要知识点 （1 1） 数字信息的数字信号编码数字信息的数字信号编码 （2 2）数字信息的模拟字信号编码）数字信息的模拟字信号编码 （

5、3 3） 数据的传输方式数据的传输方式 （1 1） 数字信息的数字信号的编码数字信息的数字信号的编码单极性编码双极性编码归零编码曼彻斯特码差动曼彻斯特码编码方式很多000011110000111100001111000011110000111100001111时钟时钟(a)(b)(c)(d)(e)( f )(g)数字信号传送时要求传输线的频带很宽，而长距离通信时通常是数字信号传送时要求传输线的频带很宽，而长距离通信时通常是电话线进行传送，其带宽往往不能满足要求，这时会产生信号的电话线进行传送，其带宽往往不能满足要求，这时会产生信号的畸变。畸变。解决办法：数字信号的模拟信号转换技术解决办法：数字

6、信号的模拟信号转换技术（）（） 数字信息的模拟信号编码数字信息的模拟信号编码发发送送装装置置接接收收装装置置MODENMODEN数字信号数字信号模拟信号调幅（）：用原始信号控制载波振幅变化，容易受干扰调频（）：用原始信号控制载波频率变化，占用较宽频带，受介质制约大调相（）：用原始信号控制载波相率变化，抗干扰性能较好正交调制（）：SAK与PSK结合。将数字信号调制为模拟信号有种方式基带传输：直接用电脉冲信号代表数字基带传输：直接用电脉冲信号代表数字0 0，1 1，不进行调制，适，不进行调制，适 合近距离传输，常用非归零码，合近距离传输，常用非归零码，曼彻斯特码和和差动曼彻斯特码频带传输：采用调制

7、解调技术的传输形式。利用载波传输信号可频带传输：采用调制解调技术的传输形式。利用载波传输信号可以减少线路干扰对传输信号的影响，实现远距离传输。可以利用以减少线路干扰对传输信号的影响，实现远距离传输。可以利用多路复用技术实现多路信号的传输。多路复用技术实现多路信号的传输。异步传输：异步传输：（3 3） 数据的传输方式数据的传输方式.1.3 .1.3 多路复用技术多路复用技术主要知识点主要知识点 （1 1） 频分多路复用（频分多路复用（FDMFDM） （2 2）时分多路复用（）时分多路复用（TDMTDM） 多路复用技术就是多路信号在一条信道上多路复用技术就是多路信号在一条信道上进行的传输技术，作用

8、是把单条传输信道进行的传输技术，作用是把单条传输信道划分成多个子信道，提高信路的利用率划分成多个子信道，提高信路的利用率1 1 频分多路复用频分多路复用频分多路复用是将单个物理信道的频谱分割成若干互不重叠的小频段，每个小频段可看成一个子信道。终终端端低低 通通滤滤波波器器A调调制制器器1080120840 - 1320带带通通滤滤波波器器终终端端低低 通通滤滤波波器器B调调制制器- 1800带带通通滤滤波波器器终终端端低低 通通滤滤波波器器C调调制制器器20401201800 - 2280带带通通滤滤波波器器终终端端低低 通通滤滤波波器器D调调制制器器25201202

9、280 - 2760带带通通滤滤波波器器终终端端低低 通通滤滤波波器器E调调制制器器30001202760 - 3240带带通通滤滤波波器器载载 波波发发生生器器参参考考载载波波频频率率单单位位为为KHz通通信信信信道道2时分多路复用 时分多路复用技术把信道的传输时间分隔成许多时间段，在一个时间段内一路信号占用整个信道带宽进行传输。为了在接收端能够对复合信号进行正确的分离，接收端和发送端的时序必须严格同步，否则造成信号间的混淆。 终终端端A终终端端B终终端端C终终端端D终终端端EA B C D E AAABCDE缓缓冲冲区区时时钟钟3两种复用技术的比较（1 1）时分多路复用（）时分多路复用（T

10、DMTDM）比频分多路复用（）比频分多路复用（FDMFDM）设备易于实）设备易于实现现（2 2）TDMTDM比比FDMFDM具有较高的传输速度具有较高的传输速度（3 3）TDMTDM中只需要一个中只需要一个MODEMMODEM（4 4）FDMFDM通常需要模通常需要模/ /数转换设备，而数转换设备，而TDMTDM中具有明显的数字形中具有明显的数字形式，因此特别适用于与计算机直接相连式，因此特别适用于与计算机直接相连（5 5）TDMTDM能混合不同速率和同步方式的终端，能适应新型数据能混合不同速率和同步方式的终端，能适应新型数据通信网通信网（6 6）进行数据传输的差错控制和校正操作时，）进行数据

11、传输的差错控制和校正操作时，TDMTDM比比FDMFDM会产生会产生较长的时间延迟。较长的时间延迟。FDMFDM主要应用在模拟通信系统中主要应用在模拟通信系统中 .1.4 .1.4 通信同步技术码通信同步技术码主要知识点主要知识点 （1 1） 通过控制线实现收发双方同步通过控制线实现收发双方同步 （2 2）串行异步通信）串行异步通信 （3 3）串行同步通信）串行同步通信 1通过控制线实现收发双方同步 （1 1）并行同步方式是指在并行通信中通过控制线实现）并行同步方式是指在并行通信中通过控制线实现收发双方同步。数据收发双方除了数据线相连外，还收发双方同步。数据收发双方除了数据线相连外，还有控制信

12、号线，用来传送发送和接收装置的状态。有控制信号线，用来传送发送和接收装置的状态。（2 2）串行通信中，只有一对数据线，没有控制信号）串行通信中，只有一对数据线，没有控制信号线线 。收发双方的同步靠同步信号来实现的。同步方式。收发双方的同步靠同步信号来实现的。同步方式有：启停同步，与其对应的传输方式称异步通信方式；有：启停同步，与其对应的传输方式称异步通信方式；自同步方式，与其对应的传输方式称同步通信方式自同步方式，与其对应的传输方式称同步通信方式2串行异步通信串行异步通信是一个字符一个字符地按帧传送数据的方式开始是起始位“0”，接下来是数据位，接下来是奇偶校验位，最后是停止位“1”图10-10

13、 串行异步通信的信息帧格式0/10/10/10/10/10/10/10/10D0D1D2D3D4D5D6起始位奇偶校验位停止位空闲位0起始位MARK1MARK第n帧 传输方向七位数据111第n+1帧 3串行同步通信串行同步通信是连续传送数据块的方式。每次传送n个数据块，用一到二个同步字符表示数据传送的开始，接下是n 个字节的数据块，字符之间不留空隙。无字符发送的时候则连续发送同步字符。同步字符可以选择一个特殊的8位二进制码或两个连续的8位二进制码显然串行同步通信的传送效率高于串行异步通信显然串行同步通信的传送效率高于串行异步通信7.2 7.2 通信网络技术通信网络技术 7.2.1 网络拓扑结构

14、网络拓扑结构 7.2.2 网络控制方法网络控制方法 7.2.3 差错控制技术差错控制技术7.2.1 网络拓扑结构网络拓扑结构S3S1S2S4S2S3S4S1N4N1N2N3S3S2S4S1(a)(b)(c)N7.2.2 7.2.2 网络控制方法网络控制方法 网络控制方法就是研究在通信网络中信息如何从源站迅速正确地传递到目的站。网络控制方法与网络拓扑结构有关。有多种控制方式1查询法2CSMA/CD3令牌传送4存储转发7.2.3 7.2.3 差错控制技术差错控制技术 由于通信线路周围电磁干扰存在，以及收发器件噪声的影响，信息在发送、接收以及传递过程中难免会出现差错。通信网络差错控制技术就是要及时将

15、差错检测出来，并采用合适纠正措施，以确保接收信息的正确性。1 错误检验 奇偶校验 循环冗余校验2纠正错误 7.3 7.3 串行通信总线串行通信总线 7.3.1 RS-232C 7.3.1 RS-232C通信总线通信总线 7.3.2 RS-422/4857.3.2 RS-422/485通信总线通信总线7.3.1 RS-232C7.3.1 RS-232C通信总线通信总线 RS-232C通信总线是通信总线是1969年年EIA公布的通信接口公布的通信接口标准专门用于数据终端设备（标准专门用于数据终端设备（DTE）和数据通信）和数据通信设备（设备（DCE）之间的串行通信。目前）之间的串行通信。目前RS-

16、232C接接口已成为计算机标准配置如口已成为计算机标准配置如COM1COM21 1信号特性、电缆长度及波特率信号特性、电缆长度及波特率 为了确保正确地发送二进制数据和正确地执行设备控制，RS232C标准为数据和管制信号提供了电压标准及范围-15V-5V为“1”，+5V +15V为“0”电缆长度在15m之内串行数据传输速率为020000b/s2 2引脚分配及定义引脚分配及定义3 3连接器的机械特性连接器的机械特性 7.3.2 RS-422/485C通信总线通信总线由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： （1） 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL

17、电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 （2） 传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；因此在许多程序波特率只能采用19200，也是这个原因。 （3） 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式， 这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 （4） 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。 为了改进RS-232的缺点，EIA制定了新标准RS-449。包括RS-422 和RS-485。 RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平

18、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1983年在RS-422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。 RS-4851. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可

19、方便与TTL 电路连接。2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。4. RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器， 即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。 MC1488 MC1489MC8T13 MC3486MC3487MC3486(a)RS-232C单端驱动非差分接收电路(b)RS-423A单端驱动差

20、分接收电路(c)RS-422A平衡驱动差分接收电路图10-21 RS-232C/RS-423A/RS-422A接口电路TxD使能RxDRxD使能TxD(a) RS-485连接电路TxDRxD使能使能RxDTxD(b) RS-422连接电路图10-22 RS-485与RS-422总线的数据传送方式7.3.3USB通用串行接口标准由于多媒体技术的发展对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需求，因此，USB总线技术应运而生。USB（Universal Serial Bus)，通用串行总线，是由Conpaq，DEC，IBM，Inter，Microsoft，NEC和Northen Telecom等公司为

21、简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种免费的标准化连接器，它支持各种PC与外设之间的连接，还可实现数字多媒体集成。USB接口的主要特点是：即插即用，可热插拔。USB连接器将各种各样的外设I/O端口合而为一，使之可热插拔，具有自动配置能力，用户只要简单地将外设插入到PC以外的总线中，PC就能自动识别和配置USB设备。而且带宽更大，增加外设时无需在PC内添加接口卡，多个USB集线器可相互传送数据，使PC可以用全新的方式控制外设。USB可以自动检测和安装外设，实现真正的即插即用。而USB的另一个显著特点是支持“热”插拔，即不需要关机断电，也可以在正运行的电脑上插入或拔除一个USB设备。USB总

22、线标准由1.1版升级到2.0版后，传输率由12Mbps增加到了240Mbps，更换介质后连接距离由原来的5米增加到近百米。USB总线结构简单，信号定义仅由2条电源线，2条信号线组成。1.USB的硬件结构USB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游（Downstream)设备提供电源，对于高速且需要高带宽的外设，USB以全速12Mbps的传输数据；对于低速外设，USB则以1.5Mbps的传输速率来传输数据。USB总线会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换。USB是基于令牌的总线。类似于令牌环网络或FDDI基于令牌的总线。USB主控制器广播令牌，总线上设备检测令牌中的地

23、址是否与自身相符，通过接收或发送数据给主机来响应。USB通过支持悬挂/恢复操作来管理USB总线电源。USB系统采用级联星型拓扑，该拓扑由三个基本部分组成：主机（Host)，集线器（Hub)和功能设备。主机，也称为根，它做在主板上或作为适配卡安装在计算机上，主机包含有主控制器和根集线器（Root Hub)，控制着USB总线上的数据和控制信息的流动，每个USB系统只能有一个根集线器，它连接在主控制器上。7-18 USB电缆定义集线器是USB结构中的特定成分，它提供叫做端口（Port)的点将设备连接到USB总线上，同时检测连接在总线上的设备，并为这些设备提供电源管理，负责总线的故障检测和恢复。集线可

24、为总线提供能源，亦可为自身提供能源（从外部得到电源），自身提供能源的设备可插入总线提供能源的集线器中，但总线提供能源的设备不能插入自身提供能源的集线器或支持超过四个的下游端口中，如总线提供能源设备的需要超过100mA电源时，不能同总线提供电源的集线器连接。功能设备通过端口与总线连接。USB同时可做Hub使用。2.USB的软件结构每个USB只有一个主机，它包括以下几层:(1)USB总线接口 USB总线接口处理电气层与协议层的互连。从互连的角度来看，相似的总线接口由设备及主机同时给出，例如串行接口机（SIE）。USB总线接口由主控制器实现。(2)USB系统USB系统用主控制器管理主机与USB设备间

25、的数据传输。它与主控制器间的接口依赖于主控制器的硬件定义。 主控制器驱动程序（HCD）这可把不同主控制器设备映射到USB系统中。系统软件中的最高层通过UHCD的软件接口与主控制器通信。USB驱动程序（USBD）它在UHCD驱动器之上，它提供驱动器级的接口，满足现有设备驱动器设计的要求。USBD以I/O请求包（IRPs)的形式提供数据传输架构，它由通过特定管道（Pipe)传输数据的需求组成。主机软件在某些操作系统中，没有提供USB系统软件。这些软件本来是用于向设备驱动程序提供配置信息和装载结构的。在这些操作系统中，设备驱动程序将应用提供的接口而不是直接访问USBDI（USB驱动程序接口）结构。USB系统还有三个基本组件（3）USB客户软件 它是位于软件结构的最高层，负责处理特定USB设备驱动器。客户程序层描述所有直接作用于设备的软件入口。当设备被系统检测到后，这些客户程序将直接作用于外围硬件。这个共享的特性将USB系统软件置于客户和它的设备之间，这就要根据USBD在客户端形成的设备映像由客户程序对它进行处理。主机各层有以下功能：检测连接和移去的USB设备。 管