工控机数据通信技术

工控机数据通信技术第一页，共74页。最简单的数据通信系统数据通信发送方将要发送的数据转换成信号通过物理信道传送到数据接收方、而接收方将收到的信号转换为数据的过程就称为是数据通信。根据信号的不同，数据通信可以被分为模拟数据通信和数字数据通信。在数据通信中，通常将数据的发送方称为源点，而将数据的接收方称为终点。源点和终点一般是计算机或其它一些数据终端设备。基带传输频带传输多路复用技术质量指标数据通信方式第二页，共74页。在计算机系统中，通常用二进制比特来表示各类数据。而方波信号是二进制比特的典型表达方式，按傅利叶分析，方波信号由直流、基频、低频和高频等多个分量组成，随着频率的升高，其相应的幅度减小直至趋于零。在方波信号的整个频谱中，从零开始有一段能量相对集中的频率范围被称为基本频带(baseband)，简称基频或基带，基频等于方波信号的固有频率。与基频对应的数字信号称为基带信号。基带传输第三页，共74页。采用基带信号进行传输的数字通信系统的模型如图所示。该系统要解决的关键问题是数字数据的编解码问题。即在发送端，要解决如何将二进制数据序列通过某种编码方式转化为可直接传送的基带信号；而在接收端，则要解决如何将收到的基带信号通过解码恢复为与发送端相同的二进制数据序列。

源点编码数字信道信号噪声终点解码第四页，共74页。传输数字信号最普遍而且最容易的办法是用两个电压电平来表示两个二进制数字。例如，无电压（也就是无电流）常用来表示0，而恒定的正电压用来表示1。常用的数字数据的数字信号编码有以下几种：(1)单极性不归零码和双极性不归零码不归零编码(Non-ReturnZero，简称NRZ)分别采用两种高低不同的电平来表示两个二进制“0”和“1”。例如，用高电平表示“1”，低电平表示“0”。①单极性码在每一码元时间间隔内，有电流发出表示二进制的1；无电流发出则表示二进制的0。

数字数据的数字信号编码第五页，共74页。每一个码元时间的中心是采样时间，判决门限为半幅度电平，即0.5。若接收信号的值在0.5与1.0之间，就判为1；若在0.5与0之间，就判为0。每秒钟发送的二进制码元数称为码速，其单位为波特（Baud）。在二进制情况下，1波特相当于信息传输速率为1比特每秒（bps），此时码元速率等于信息速率。第六页，共74页。②双极性码在每一码元时间间隔内，发正电流表示二进制的1；发负电流表示二进制的0。正的幅值和负的幅值相等，所以称为双极性码。这种情况的判决门限定为零电平。接收信号的值如在零电平以上，判为1；如在零电平以下判为0。第七页，共74页。(2)单极性归零码和双极性归零码①单极性归零码:在每一码元时间间隔内，当发1时，发出正电流，但是发电流的时间短于一个码元的时间，就是说，发一个窄脉冲。当发0时，仍然完全不发送电流。这样发1时有一部分时间不发电流，幅度降为回零电平。所以称这种码为归零码。

单极性归零码单极性不归零码第八页，共74页。双极性归零码②双极性归零码:在每一码元时间间隔内，当发1时，发出正的窄脉冲；当发0时，发出负的窄脉冲。两个码元之间的间隔时间可以大于每一个窄脉冲的宽度。采样时间总是对准中心。双极性不归零码数据通信系统第九页，共74页。频带传输利用模拟信道传输二进制数据的方式称为频带传输。频带传输的关键问题是如何将计算机中的二进制数据转化为适合模拟信道传输的模拟信号。在发送端，需要将二进制数据变换成能在电话线或其他传输线路上传输的模拟信号，即所谓的调制（modulation）；而在接收端，则需要将收到的模拟信号重新还原成原来的二进制数据，即所谓的解调（demodulation）。通常将在发送端承担调制功能的设备称为调制器（modulator），而将在接收端承担解调功能的设备称为调制器（demodulator）。由于数据通信是双向的，所以实际上在数据通信的任何一方都要同时具备调制和解调功能，我们将同时具备这两种功能的设备称为调制解调器（modem）。目前，调制解调器已逐渐被ADSL取代。第十页，共74页。在调制过程中，选用的载波信号可以表示为y＝A(t)cos(ωt+φ)其中，振幅A、角频率ω、相位φ是载波信号的三个电参量，它们是正弦波的控制参数，称为调制参数。它们的变化将对正弦载波的波形产生影响，通过改变这三个参量可以实现对模拟数据信号的编码，相应的调制方式分别称为幅度调制、频率调制和相位调制。(1)幅度调制。在幅度调制中，频率和相位都是常数，振幅为变量，即载波的幅度随发送的信号而变化。(2)频率调制。在频率调制中，振幅和相位为常量，频率随发送的信号而变化。(3)相位调制。在相位调制中，振幅、频率为常量，相位随发送的信号而变化。第十一页，共74页。第十二页，共74页。输出数据输入数据发送器公用电话网数据通信系统数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号PC机PC机ModemModem源系统目的系统传输系统源点传输系统器接收器终点发送的信号接收的信号输入信息输出信息数据通信系统第十三页，共74页。多路复用技术在数据传输时，为了高效合理地利用资源，通常采用多路复用技术，使多路数据信号共同使用一条线路进行传输。频分多路复用技术FDM时分多路复用技术TDM波分多路复用技术WDM码分多路复用技术CDMA数据通信系统第十四页，共74页。数字通信系统的质量指标数据通信系统中，有效性用传输速率来表示，可靠性用差错率（误码率）来衡量。（1）数据传输速率数据传输速率有两种度量单位：波特率和比特率①波特率波特率又称为波形速率或码元速率。指数据通信系统中，线路上每秒传送的波形个数。其单位是“波特”（Baud）。设一个波形的持续周期为T，则波特率B可以由下式给出：B=1/T（波特）②比特率比特率又称为信息速率，简称数据率，是指发送端和接收端之间单位时间内传输数据的平均比特数，其单位是每秒位(bps)，或每秒千位(kbps)，或每秒兆位(Mbps)。数据传输速率反映了终端设备之间的信息处理能力，它是一段时间的平均值。通常用它来描述数据通信系统的性能。第十五页，共74页。2）数据传输的质量衡量数据传输质量的指标是差错率，通常用误码率来表示。误码率＝（接收方出现差错的比特数（位数）/总的传输比特数（位数））×100％误码率是一个统计平均值，在统计和测试时应采用统计学的方法，在足够时间和足够统计的数量后方可正确得出。计算机网络通信系统中，要求误码率低于10-6。如果实际传输的不是二进制码元，需折合成二进制码元计算。数据通信系统第十六页，共74页。数据通信方式数据传送方式：按照一次传输的比特数划分可以分为串行和并行，通常情况下，并行通信用于距离较近的情况，串行通信用于距离较远的情况；按照数据传输的方向划分可以分为单工、半双工和双工。DTE数据源DTE数据宿011100112233n-1n-1信号地信号地DTE数据源DTE数据宿00011110第十七页，共74页。数据同步方式无论是并行传输还是串行传输，发送端和接收端的收发动作必须控制在同一时间内进行，接收方必须正确地区分出每一个代码，这是正确完成传输任务必须解决的一个问题，这就是数据的同步方式。在串行通信中，为了节省信道，通常不能设立专用的握手信号线实现收发双方的数据同步，必须在串行数据信道上传输的数据编码中解决此问题。在数据串行传输过程中，传输的是已编码的各种传输码形，接收到的是变化的电平信号，为了正确识别和恢复代码，必须解决以下问题：第十八页，共74页。①正确区分和识别每个比特（即每位）；②区分出每个代码（如一个ASCII码字符），即区分出每个代码的起始和结束位；③区分出完整的报文数据块（数据帧）的开始和结束位。以上三个问题对应着三个概念：位同步、字符同步和数据帧同步。通常解决上述问题的办法有两种：同步传输方式和异步传输方式。这两种传输方式的区别在于发送和接收设备的时钟是异步的，还是同步的。异步传输同步传输差错检查第十九页，共74页。这种方式为：每个字符都独立传输，接收设备每收到一个字符的开始位后进行同步。每个字符在传输时都前后分别加上起始位和结束位，以表示一个字符的开始和结束。起始位为“0”，结束位为“1”，结束位的长度可以为1位、1.5位或2位。起始位和结束位的作用是实现字符同步，字符之间的间距（时间）是任意的，但发送一个字符时，发送每一位占用的时间长度都是双方约定好的，且保持各位都恒定不变。每位占用时间的倒数称为波特率。如果没有发送的数据，那么发送方就发送连续的停止位。接收方根据从1到0的跳变来识别一个新字符的开始。这样收发双方的收发速率按编程约定而基本保持一致，从而实现位同步；通过起始位和结束位而实现字符同步；帧同步靠传送特殊控制字符来实现。

异步传输第二十页，共74页。第二十一页，共74页。异步通信位同步的方法方式第二十二页，共74页。同步传输这种方式为：以固定的时钟节拍来发送数据信号，字符间顺序相连，既无间隙也没有插入位。收发双方的时钟信号与传输的每一位严格对应，以达到位同步，在开始发送一帧数据前须发送固定长度的帧同步字符，发送完数据后再发送帧终止字符，这样就实现了字符和帧的同步，之后连续发送空白字符，直到发送下一帧时重复上述过程。第二十三页，共74页。（a）单同步格式（b）双同步格式第二十四页，共74页。同步信号的编码和解码方式第二十五页，共74页。差错检查和控制差错类型：随机差错；突发差错差错检测码：奇偶校验码；循环冗余校验码

奇偶校验码：发送端在每个字符的最高（或最低）位之后附加一个奇偶校验位，这个校验位可为1或0，以便保证整个字符为1的位数为奇数或偶数。循环冗余校验码

：发送端在发送基本信息的同时也发送一个按照一定规则自动生成CRC校验码。奇偶校验CRC校验网络结构第二十六页，共74页。字符ASCII水平奇校验H10010001a11000010m11011010g11001110n11011100c11000111o11011111垂直奇校验01111100差错控制第二十七页，共74页。接收端：收到带校验和的数据后，用G(x)去除它，如果有余数，则传输出错。任何一个二进制代码都可以和一个只有0、1两个系数的多项式建立一一对应的关系。CRC校验的前提：发送方和接受方必须事先确定一个二进制数G(x)(生成多项式)。发送端：根据计算规则计算校验码，并将校验码附加在基本信息码的末尾构成传输码，传输码对应的多项式能够整除生成多项式G(x)。差错校验第二十八页，共74页。CRC校验码的生成规则设K(x)对应一个k位要发送的信息，G(x)为一个生成多项式，其最高次方为r，R(x)对应一个CRC多项式，那么R(x)为：xrK(x)/G(x)的余式(取异或)发送多项式为：T(x)=xrK(x)+R(x)第二十九页，共74页。循环冗余码(CRC)例子：数据=1101011011G(x)(生成多项式)=10011传输码元=数据（移位后）+余数

11010110111110差错控制第三十页，共74页。计算机网络的拓扑结构计算机网络指的是硬件系统的连接形式，即网络硬件的布局，通常用不同的拓扑来描述物理设备布线的不同方案。

最常用的网络拓扑有：总线型、环型和星形环型网络：属于分散型网络，远距离传输，同时能够保证信号的质量，但是信息量不宜大。星形网络：属于集中型网络，易于将信息流汇集起来，信息处理效率较高，但可靠性较低。总线型网络：属于分散型网络，结构灵活，易于扩展，可靠性高。第三十一页，共74页。

星形总线型环型查询令牌CSMA/CD第三十二页，共74页。介质访问技术要使信息能够在网络中传送，就必须采用适合网络结构拓扑结构的介质访问控制技术。常用的介质访问技术有：1、查询2、令牌传送3、CSMA/CD查询令牌CSMA/CD交换第三十三页，共74页。查询方式这种方式主要用在星形或总线网中。网络中的主站依次询问各站是否要通信，查询时先给各站发送一个询问信息，收到响应后再控制各站通信。如果有多个站要发送信息，主站可根据各站的优先级高低安排发送顺序。硬件结构图第三十四页，共74页。令牌传送（1）令牌环网：令牌环网使用一个标记（令牌）作为数据发送的唯一“许可证”，沿着环轮转。取得空令牌的站点可以将其改为忙令牌并附在后面，其他站点不能发送数据。（2）令牌总线网：令牌总线网采用总线结构的物理布局，但将所有站点构成一个逻辑环，以令牌的方式传送数据。（结合总线网和令牌环网的优点）硬件结构图第三十五页，共74页。CSMA/CDCSMA/CD方法的基本思想：公共通道，广播发送，先听后发，边听边发，冲突停止，随机延迟，错开重发。

CSMA/CD方法包括三个主要内容：（1）载波侦听多路访问（2）冲突检测（3）退避算法第三十六页，共74页。交换（一）什么是交换？交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。（二）为什么要采用交换技术？节省线路投资，提高线路利用率（三）实现交换的方法主要有：电路交换（线路交换）、报文交换、分组交换电路交换报文交换分组交换网络协议比较第三十七页，共74页。线路交换(电路交换）线路（电路）交换（CircuitSwitching）方式，就是通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的物理通信线路。线路交换方式的通信包括三种状态：（1）线路建立：在传输任何数据前，必须建立端到端的物理连接。（2）数据传送（3）线路拆除：某个数据传送结束后，要结束连接。特点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。不适用于计算机通信，因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。交换说明第三十八页，共74页。报文交换整个报文(Message)作为一个整体一起发送。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。——称为“无连接的”缺点：报文大小不一，造成存储管理复杂。大报文造成存储转发的延时过长；出错后整个报文全部重发。交换说明第三十九页，共74页。分组交换将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。数据传输前不需要建立一条端到端的通路——也是“无连接的”有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。优点：对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组——速度快；转发延时小——适用于交互式通信；某个分组出错可以仅重发出错的分组——效率高；各分组可通过不同路径传输，容错性好。交换说明第四十页，共74页。虚电路方式在发送任何分组之前，需要建立一条逻辑连接—虚电路，每个分组包含一个虚电路标识符，各分组沿虚电路的路径，以存储转发方式经过中间节点依次到达目的地，完成后撤消这条虚电路。交换说明第四十一页，共74页。电路交换报文交换分组交换S1->S3的通信第四十二页，共74页。三种数据交换技术的比较三种数据交换技术总结如下：（1）线路交换：在数据传送之前需建立一条物理通路，在线路被释放之前，该通路将一直被一对用户完全占有。（2）报文交换：报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式。

（3）分组交换：数据报方式与报文交换类似，但报文被分成组传送，并规定了分组的最大长度，到达目的地后需重新将分组组装成报文；而虚电路与线路交换类似，但它建立的是一条逻辑通路。第四十三页，共74页。交换第四十四页，共74页。网络协议的作用为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议。一个网络协议主要由以下三个要素组成：（1）语法，即数据与控制信息的结构或格式；（2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；（3）同步，即事件实现顺序的详细说明。第四十五页，共74页。计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构(architecture)，也就是说，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。第四十六页，共74页。网络协议的分层模型第四十七页，共74页。物理层协议数据链路层协议第四十八页，共74页。应用层应用层是原理体系结构中的最高层。应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要(这反映在用户所产生的服务请求)。第四十九页，共74页。运输层运输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信，其数据传输的单位是报文段(segment)。运输层具有复用(multiplexing)和分用(demultiplexing)的功能。因特网的运输层可使用两种不同协议。即面向连接的传输控制协议TCP(TransmissionControlProtocol)，和无连接的用户数据报协议UDP(UserDatagramProtocol)。第五十页，共74页。网络层网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信。在网络层，数据的传送单位是分组或包。在TCP/IP体系中，分组也叫作IP数据报，或简称为数据报。第五十一页，共74页。数据链路层数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧(frame)为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。数据链路层有时也常简称为链路层。

数据链路层就把一条有可能出差错的实际链路，转变成为让网络层向下看去好像是一条不出差错的链路。第五十二页，共74页。物理层物理层的任务就是透明地传送比特流。“透明”是一个很重要的术语。它表示：某一个实际不存在的事物看起来却好像存在一样。说明的是应用进程的数据在各层之间的传递过程中所经历的变化。这里为简单起见，假定两个主机是直接相连的。通讯原理图第五十三页，共74页。物理层协议用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：（1）机械特性。（2）电气特性。（3）功能特性。（4）规程特性。逻辑连接图第五十四页，共74页。数据链路层协议链路(link)就是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。数据链路(datalink)则是另一个概念。这是因为当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要通信协议来控制这些数据的传输。也有人采用另外的术语。这就是将链路分为物理链路和逻辑链路。物理链路就是上面所说的链路，而逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。第五十五页，共74页。数据链路层的主要功能（1）链路管理数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。（2）帧同步（3）流量控制(flowcontrol)（4）差错控制（5）将数据和控制信息区分开（6）透明传输（7）寻址HDLC协议第五十六页，共74页。最简单流量控制的数据链路层协议由接收方控制发送方的数据流，乃是计算机网络中流量控制的一个基本方法。第五十七页，共74页。第五十八页，共74页。假定：链路是理想的传输信道，即所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。在发送结点：（1）从主机取一个数据帧；（2）将数据帧送到数据链路层的发送缓存；（3）将发送缓存中的数据帧发送出去；（4）等待；（5）若收到由接收结点发过来的信息(此信息的格式与内容可由双方事先商定好)，则从主机取一个新的数据帧，然后转到（2）。第五十九页，共74页。在接收结点：（1）等待；（2）若收到由发送结点发过来的数据帧，则将其放入数据链路层的接收缓存；（3）将接收缓存中的数据帧上交主机；（4）向发送结点发一信息，表示数据帧已经上交给主机；（5）转到(1)。第六十页，共74页。实用的停止等待协议传输数据的信道不能保证使所传的数据不产生差错，并且还需要对数据的发送端进行流量控制。图a画的是数据在传输过程中不出差错的情况。当发现差错时，结点B就向主机A发送一个否认帧NAK，以表示主机A应当重传出现差错的那个数据帧。图b画出了主机A重传数据帧。第六十一页，共74页。HDLC协议第六十二页，共74页。停止等待协议的算法在发送结点：（1）从主机取一个数据帧。（2）V(S)←0。 {发送状态变量初始化}（3）N(S)←V(S)； {将发送状态变量的数值写入发送序号}将数据帧送交发送缓存。（4）将发送缓存中的数据帧发送出去。（5）设置超时计时器。 {选择适当的超时重传时间tout}第六十三页，共74页。（6）等待。 {等待以下3个事件中最先出现的一个}（7）若收到确认帧ACK，则：从主机取一个新的数据帧；V(S)←[1V(S)]； {更新发送状态变量，变为下一个序号}转到(3)。（8）若收到否认帧NAK，则转到(4)。 {重传数据帧}（9）若超时计时器时间到，则转到(4)。 {重传数据帧}第六十四页，共74页。在接收结点：（1）V(R)←0。{接收状态变量初始化，其数值等于欲接收的数据帧的发送序号}（2）等待。（3）当收到一个数据帧，就检查有无产生传输差错(如用CRC)。若检查结果正确无误，则执行后续算法；否则转到(8)。第六十五页，共74页。（4）若N(S)=V(R)，则执行后续算法；{收到发送序号