第6章計(jì)算機(jī)控制中的網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)

1、第 6 章 計(jì)算機(jī)控制中的網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)生產(chǎn)過程的控制和管理也日趨復(fù)雜，往往需要幾臺(tái)或幾十臺(tái)計(jì)算機(jī)才能完成控制和管理任務(wù)。不同的地理位置、不同功能的計(jì)算機(jī)及設(shè)備之間需要交換信息，這樣把多臺(tái)計(jì)算機(jī)或設(shè)備連接起來，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于廣大的從事過程控制的技術(shù)人員來說，為了提高計(jì)算機(jī)的應(yīng)用水平，更好地編制程序，有必要了解數(shù)據(jù)通信的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和數(shù)據(jù)通信知識(shí)。6.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述6.1.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是指把若干臺(tái)地理位置不同且具有獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)或設(shè)備，通過通訊設(shè)備和線路相互連接起來，以實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和資源共享的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。也就是說

2、，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是將分布于不同地理位置上的計(jì)算機(jī)或設(shè)備通過有線或無線的通信鏈路連接起來，不僅能使網(wǎng)絡(luò)中的各臺(tái)計(jì)算機(jī)或設(shè)備(或稱為節(jié)點(diǎn))之間相互通信，而且還能共享某些節(jié)點(diǎn)(如服務(wù)器)上的系統(tǒng)資源。所謂資源包括硬件資源(如大容量磁盤、光盤以及打印機(jī)等)，軟件資源(如語言編輯器、文本編輯器、工具軟件及應(yīng)用程序等)和數(shù)據(jù)資源(如數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)庫等)。6.1.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種類型的網(wǎng)絡(luò)分類方法，按其跨度、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管理性質(zhì)、交換方式和功能，可進(jìn)行如下分類：1. 按網(wǎng)域的跨度劃分局域網(wǎng)只有和廣域網(wǎng)互聯(lián)，進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，才能更好地發(fā)揮其作用。但在同廣域網(wǎng)相連時(shí)，應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)

3、的安全性。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中一般采用局域網(wǎng)或局域網(wǎng)的互聯(lián)。2. 按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?Topology)結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中的各臺(tái)計(jì)算機(jī)、設(shè)備之間相互連接的方式。常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下幾種。由于線路對(duì)信號(hào)的衰減作用，總線形網(wǎng)僅用于有限的區(qū)域，常用于組建局域網(wǎng)。由于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)往往采用不同的網(wǎng)絡(luò)控制方法，具有不同的性質(zhì)，適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，因此計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)應(yīng)用的不同，選擇或者混合不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般來講，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以總線形式為多。3. 按管理性質(zhì)劃分過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)常為專用網(wǎng)，由于近年來計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的需求變化，特別是對(duì)于

4、遠(yuǎn)程監(jiān)控需求的增加，使用專用網(wǎng)互連公用網(wǎng)的方式來組建各種計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)也普遍增多，這也是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。4. 按交換方式劃分且不允許其它用戶共享其信道資源。目前，大多數(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(包括廣域網(wǎng)和局域網(wǎng))都采用分組交換技術(shù)，只是分組的體積有所不同。5. 按功能劃分通信子網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)中面向數(shù)據(jù)通信的資源集合，主要支持用戶數(shù)據(jù)的傳輸；該子網(wǎng)包括傳輸線路、交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)控制中心等硬件設(shè)施。資源子網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)中面向數(shù)據(jù)處理的資源集合，主要支持用戶的應(yīng)用；該子網(wǎng)由用戶的主機(jī)資源組成，包括接入網(wǎng)絡(luò)的用戶主機(jī)，以及面向應(yīng)用的外設(shè)(例如終端)、軟件和可共享的數(shù)據(jù)(例如公共數(shù)據(jù)庫)等。通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)的劃

5、分是一種邏輯劃分，它們可能使用相同或不同的設(shè)備。電信部門組建的網(wǎng)絡(luò)通常理解為通信子網(wǎng)，而用戶部門的入網(wǎng)設(shè)備則被認(rèn)為屬于資源子網(wǎng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)一般是局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有數(shù)據(jù)傳輸和處理的功能，因此，從功能上劃分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)一般是沒有意義的。6.1.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議層次模型早期的網(wǎng)絡(luò)都是各個(gè)公司根據(jù)用戶的要求而獨(dú)立開發(fā)的，實(shí)踐的結(jié)果表明，盡管應(yīng)用的要求千變?nèi)f化，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)(通訊)的要求卻是一致的。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是定義和描述一組用于計(jì)算機(jī)及其通訊設(shè)施之間互連的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的集合，遵循這組規(guī)范可以很方便的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)設(shè)備之間的通訊。在這種要求下，ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)聯(lián)合了許多

6、廠商和專家，在各自提出的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加以總結(jié)，最終提出了開放系統(tǒng)互連基本參考模式(OSI/RM)，并由此引出一系列的OSI標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在越來越多的銷售商轉(zhuǎn)向OSI，而使這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)成為一個(gè)實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)。以下是對(duì)七個(gè)層次的具體描述。可以認(rèn)為這一層是一個(gè)硬件層，通常做成芯片，印刷電路板(網(wǎng)絡(luò)適配器)和電纜等。在信息傳輸?shù)倪@個(gè)過程中，電脈沖信號(hào)進(jìn)入或離開網(wǎng)絡(luò)電纜。代表數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)電信號(hào)(位模式、編碼方法和令牌)的含義只有而且僅有這一層知道。這一層能夠發(fā)現(xiàn)并通過要求重新傳送損壞的信息包糾正錯(cuò)誤。正是因?yàn)閿?shù)據(jù)鏈路層如此復(fù)雜，一般將其劃分為一個(gè)介質(zhì)存取控制(MAC)層和一個(gè)邏輯鏈路控制(LLC)層。這

7、一層的大部分或全部?jī)?nèi)容由網(wǎng)絡(luò)適配器上的芯片實(shí)現(xiàn)，而再往上的各層則是由軟件(網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器)來實(shí)現(xiàn)的。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)尋址及傳送信息包。如果來了一個(gè)重復(fù)的信息包，傳輸層將識(shí)別出它是重復(fù)的并將其丟棄。會(huì)話層負(fù)責(zé)會(huì)話的建立，支持會(huì)話期間對(duì)信息包的發(fā)送與接收的管理及結(jié)束會(huì)話。一條將要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔?bào)文在這一層進(jìn)入OSI模型向下一層傳送，最后傳輸至物理層，并在打包后傳輸至其它工作站。之后由目的工作站的物理層向上傳送，經(jīng)過那個(gè)工作站中的應(yīng)用層直至到達(dá)需要這份信息報(bào)文的應(yīng)用程序。1. 層間通訊相鄰層之間的通訊：在OSI環(huán)境中，相鄰層之間通訊發(fā)生在相鄰的上下層之間，屬于局部問題，標(biāo)準(zhǔn)中定義了通訊的內(nèi)容(服務(wù)原語)，

8、未規(guī)定這些內(nèi)容的具體表現(xiàn)形式和層間通訊實(shí)現(xiàn)的具體方法。對(duì)于對(duì)等層之間的通訊：在OSI環(huán)境中，對(duì)等層是指不同開放系統(tǒng)中的相同層次；對(duì)等層之間的通訊發(fā)生在不同開放系統(tǒng)的相同層次之間，屬于對(duì)等層實(shí)體之間的信息交換，以保證相應(yīng)層次功能的實(shí)現(xiàn)和服務(wù)的提供。標(biāo)準(zhǔn)中利用定義協(xié)議來規(guī)定對(duì)等層之間的交換信息格式和交換時(shí)序。在OSI環(huán)境中，對(duì)等層之間的通訊是目的，相鄰層之間的通訊是手段。通過相鄰層之間的通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)等層之間的通訊。為了保證相關(guān)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)，要求對(duì)等實(shí)體的合作，但是對(duì)等實(shí)體之間并沒有直接的通路，必須借助相鄰下層的服務(wù)來實(shí)現(xiàn)，這種過程繼續(xù)下去，直至物理層進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸。 6.1.4 計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)對(duì)

9、于一個(gè)單位而言，為了更方便的利用本單位的資源，往往建立計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，將有限地理范圍內(nèi)的多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過傳輸媒體連接起來，通過功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的相互通信和共享資源。美國電氣和電子工程協(xié)會(huì)(IEEE)于1980年2月成立局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(簡(jiǎn)稱802委員會(huì))專門對(duì)局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，并提出LAN的定義。根據(jù)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)，LAN協(xié)議參照了OSI模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并沒有涉及到第三層到第七層。描述和比較LAN時(shí)，常考慮如下四個(gè)方面。纜，也可以考慮用微波、紅外線和激光等；1. 局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星形結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)和混合形結(jié)構(gòu)。任何兩個(gè)分

10、支結(jié)點(diǎn)之間的通信都要通過主結(jié)點(diǎn)，該主結(jié)點(diǎn)集中來自各分支結(jié)點(diǎn)的信息，按照一種集中式的通信控制策略，把集中到主結(jié)點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的分支結(jié)點(diǎn)。因此主結(jié)點(diǎn)的信息存儲(chǔ)容量大，通信處理量大，硬、軟件較復(fù)雜。而各分支結(jié)點(diǎn)的通信處理負(fù)擔(dān)卻較小，只需具備簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)的通迅功能。典型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于電路交換的電話交換網(wǎng)。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于集中型網(wǎng)絡(luò)，易于將信息流匯集起來，從而提高全網(wǎng)絡(luò)的信息處理效率，適用于各站之間信息流量較大的場(chǎng)合。但是可靠性較低，如果主結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，那么將影響全網(wǎng)絡(luò)的通信。在總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中的所有結(jié)點(diǎn)都直接連接到同一條傳輸介質(zhì)上，這條傳輸介質(zhì)稱為總線。各個(gè)結(jié)點(diǎn)將依據(jù)一定的規(guī)則分時(shí)地使用

11、總線來傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀沿著總線向兩端傳播，總線上的各個(gè)結(jié)點(diǎn)都能接收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀，并判斷是否發(fā)送給本結(jié)點(diǎn)，如果是，則該數(shù)據(jù)幀保留下來，否則丟棄該數(shù)據(jù)幀?？偩€形網(wǎng)絡(luò)的“廣播式”傳輸是依賴于數(shù)據(jù)信號(hào)沿總線向兩端傳播的特性來實(shí)現(xiàn)的。總線形結(jié)構(gòu)屬于分散型網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)靈活，易于擴(kuò)展。一個(gè)站發(fā)生故障不會(huì)影響其它站的工作，可靠性高。所有分散結(jié)點(diǎn)用通信線路連接成環(huán)形網(wǎng)，通過逐個(gè)結(jié)點(diǎn)傳遞來達(dá)到線路共用，網(wǎng)上信息沿單方向圍繞著線路進(jìn)行循環(huán)(順時(shí)針或逆時(shí)針)。環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于分散型網(wǎng)絡(luò)，環(huán)形網(wǎng)的信號(hào)經(jīng)每個(gè)中繼器整形、放大后再傳送，不但傳送距離遠(yuǎn)。而且能保證信號(hào)的質(zhì)量。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是，一旦有一個(gè)

12、中繼器出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致環(huán)路的斷路，使全網(wǎng)限于癱瘓，另外因?yàn)樗枪灿猛ㄐ啪€路，所以不適用于信息流量大的場(chǎng)合。在組網(wǎng)選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮費(fèi)用、靈活性和可靠性等因素。費(fèi)用因素除傳播媒體和所需設(shè)備(如網(wǎng)卡等，對(duì)于星形結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮中央結(jié)點(diǎn)的費(fèi)用)本身的費(fèi)用之外，還應(yīng)包括安裝費(fèi)用等。靈活性因素主要包括設(shè)備的更新、移動(dòng)和增刪結(jié)點(diǎn)的方便性?？煽啃砸蛩刂饕襟w接觸以及個(gè)別結(jié)點(diǎn)故障對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的影響，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)使故障檢測(cè)和故障隔離較為方便。2. 局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議根據(jù)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)，LAN協(xié)議參照了OSI模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并沒有涉及到第三層至第七層。從應(yīng)用層到網(wǎng)絡(luò)層的高層功能完全由軟件來實(shí)現(xiàn)

13、，它提供了兩個(gè)站之間的端端服務(wù)。而最低兩層(物理層和鏈路層)功能上基本上有硬件來完成，并制造出相應(yīng)的集成電路芯片。因此LAN協(xié)議的實(shí)現(xiàn)極為容易和方便，LAN得到廣泛的應(yīng)用。局域網(wǎng)的物理層協(xié)議類似于一般網(wǎng)絡(luò)的物理層。在發(fā)送和接收時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)(信息)位流進(jìn)行編碼或解碼。根據(jù)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)，基帶傳輸采用曼徹斯特編碼或差動(dòng)曼徹斯特編碼，傳輸介質(zhì)為雙絞線或同軸電纜，對(duì)于采用CSMA/CD技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行載體監(jiān)聽和沖突檢測(cè)。邏輯鏈路控制層(LLC)采用IEEE802標(biāo)準(zhǔn)。在發(fā)送時(shí)，把數(shù)據(jù)裝配成帶有站地址段、控制段、信息段和CRC段的幀。在接受時(shí)，拆卸幀，執(zhí)行站地址識(shí)別，CRC校驗(yàn)，并把接收數(shù)據(jù)傳送給上層。

14、在局域網(wǎng)絡(luò)中，由于各結(jié)點(diǎn)通過公共傳輸通路(也稱之為信道)傳輸信息，因此任何一個(gè)物理信道在某一時(shí)間段內(nèi)只能為一個(gè)結(jié)點(diǎn)服務(wù)，即被某結(jié)點(diǎn)占用來傳輸信息，這就產(chǎn)生了如何合理使用信道，合理分配信道的問題，也就是各結(jié)點(diǎn)既充分利用信道的空間時(shí)間傳送信息，也不至于發(fā)生各信息間的互相沖突。介質(zhì)訪問控制層的功能就是合理解決信道的分配。目前局部網(wǎng)絡(luò)常用的介質(zhì)訪問控制方式有三種，即沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)；令牌環(huán)(Token Ring)；令牌總線(Token Bus)。三種方式都得到IEE

15、E802委員會(huì)的認(rèn)可，成為國際標(biāo)準(zhǔn)。下面分別說明：主要用于總線形。該控制方式的工作原理是：當(dāng)某一結(jié)點(diǎn)要發(fā)送信息時(shí)，首先要偵聽網(wǎng)絡(luò)中有無其它結(jié)點(diǎn)正發(fā)送信息，若沒有則立即發(fā)送；否則，即網(wǎng)絡(luò)中已有某結(jié)點(diǎn)發(fā)送信息(信道被占用)，該結(jié)點(diǎn)就需要等待一段時(shí)間，再偵聽，直至信道空閑，開始發(fā)送。載波偵聽多路訪問是指多個(gè)結(jié)點(diǎn)共同使用同一條線路，任何結(jié)點(diǎn)發(fā)送信息前都必須先檢查網(wǎng)絡(luò)的線路是否有信息傳輸。重復(fù)這一過程，直到信道空閑，開始發(fā)送。令牌環(huán)(Token Ring)全稱是令牌通行環(huán)(Token Passing Ring)，僅適用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。令牌有“空”和“忙”兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)“空”的令牌傳送至正待發(fā)送信息的結(jié)點(diǎn)時(shí)

16、，該結(jié)點(diǎn)立即發(fā)送信息并置令牌為“忙”狀態(tài)。所謂LAN網(wǎng)絡(luò)適配器就是實(shí)現(xiàn)LAN物理層和鏈路層的硬件接口板。只需選用幾片LAN協(xié)議專用的集成電路芯片，再外加一部分輔助電路或存儲(chǔ)器，就可以設(shè)計(jì)一塊符合IEEE802標(biāo)準(zhǔn)的LAN網(wǎng)絡(luò)接口板。單根同軸電纜的直徑為1.022.54cm。當(dāng)用于LAN時(shí)，通信距離可達(dá)數(shù)公里，傳輸速率可達(dá)100Mbps，甚至更高。在LAN環(huán)境中，常采用頻分多路復(fù)用的技術(shù)，支持多路信號(hào)的傳輸。3. 集線器集線器(HUB)可以說是一種特殊的中繼器，作為網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的中央結(jié)點(diǎn)，它克服了介質(zhì)單一通道的缺陷。4. 網(wǎng)橋交換機(jī)最后，受信者將從輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)或信號(hào)(t)中識(shí)別出被交換的信息。模

17、擬信號(hào)是指該信號(hào)的波形可以表示成時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，在通信領(lǐng)域通常取兩個(gè)離散值，即用“0”和“1”來表示的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，這種碼中的每個(gè)字符都由一個(gè)唯一的7位二進(jìn)制數(shù)(bit)組合表示，因此，可以表示128個(gè)不同的字符，其中包括數(shù)字、符號(hào)和控制字符。在實(shí)際使用中，ASCII碼的字符幾乎總是以每個(gè)字符8個(gè)比特(bit)的方式來儲(chǔ)存和傳輸?shù)?。其中，?個(gè)bit有各種用法。它用于起止式異步通訊，當(dāng)數(shù)據(jù)位為7位時(shí)，第8位使得每一8位碼組中的二進(jìn)制“1”的個(gè)數(shù)總是奇數(shù)(奇校驗(yàn))或總是偶數(shù)(偶校驗(yàn))，從而可以檢測(cè)出因傳輸錯(cuò)誤而發(fā)生的一個(gè)bit錯(cuò)或奇數(shù)個(gè)bit錯(cuò)的那些碼元組。常用的調(diào)制方法有振幅調(diào)制、頻率調(diào)制和

18、相位調(diào)制三種。異步通信信息幀的第一位為起始位(低電平)，緊跟在起始位后面的是58位數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位是要傳送的有效信息；根據(jù)需要可以選擇是否需要奇偶校驗(yàn)位，奇偶校驗(yàn)位為1位緊跟在數(shù)據(jù)位的后面；最后為停止位，停止位可以是1位、位或2位。為了對(duì)傳送的信息進(jìn)行定位，必須有發(fā)送時(shí)鐘，并在發(fā)送時(shí)鐘的下降沿將信息位送出，信息位寬度Td為n倍發(fā)送時(shí)鐘周期Tc，即Td=nTc。另外在接收端也必須有接收時(shí)鐘，為了保證發(fā)送與接收同步，接收時(shí)鐘周期Rc應(yīng)等于發(fā)送時(shí)鐘周期Tc。但是由于收、發(fā)雙方使用了各自的時(shí)鐘，所以只能滿足Rc與Tc近似相等。 接收端同步接收信息的方法。在停止位之后，接收時(shí)鐘脈沖的每一個(gè)上升沿接收器進(jìn)行

19、采樣，并檢查接收線上的低電平是否保持8或9個(gè)連續(xù)的接收時(shí)鐘周期(設(shè)Td=16Tc)，就能確定是否為起始位。這樣可以克服Rc與Tc之間的微小偏差，以及避免接收線上的噪聲干擾，并且能夠精確地確定起始位的中點(diǎn)，從而為接收端提供一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)。能夠完成異步通信協(xié)議的硬件稱為UART(Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter)，典型的UART有INS8250、MC6850等。另外，為了保證收、發(fā)同步，克服Rc與Tc之間的微小偏差，信息位寬度Td=nTc，一般取n為16、32、64等，這樣降低了信息傳送速率。用一個(gè)或兩個(gè)同步字符表示傳送數(shù)據(jù)塊的開始，接著

20、就是n個(gè)字符的數(shù)據(jù)塊，字符之間不允許有空隙，當(dāng)沒有字符可發(fā)送時(shí)，則連續(xù)發(fā)送同步字符。通常由用戶選擇同步字符，可以選擇一個(gè)特殊的8位二進(jìn)制碼(如01111110)作為同步字符(稱單同步字符)，或選擇兩個(gè)連續(xù)的8位二進(jìn)制碼作為同步字符(稱雙同步字符)。為了保證收、發(fā)同步，收、發(fā)雙方必須使用相同的同步字符。發(fā)送端傳送時(shí)，首先對(duì)被傳送的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，形成編碼數(shù)據(jù)后再往外發(fā)送，由于每位碼元包含有數(shù)據(jù)狀態(tài)和時(shí)鐘信息，在接收端經(jīng)過解碼，便可以得到解碼數(shù)據(jù)(稱接收數(shù)據(jù))和解碼時(shí)鐘(稱接收時(shí)鐘)。同步通信的信息幀包括同步字符和數(shù)據(jù)塊，而同步字符只有8位或16位，數(shù)據(jù)塊可以任意字節(jié)長(zhǎng)，所以數(shù)據(jù)傳送效率高于異步

21、通信。能夠完成同步通信的硬件稱為USRT(Universal Synchronous Receiver/Transmitter)。典型的USART接口芯片有Z80-SIO、8251-PCI等。最常用的標(biāo)準(zhǔn)波特率是110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200和38400bps。差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)的核心是校驗(yàn)編碼，下面介紹三種常用的校驗(yàn)編碼方法(奇偶校驗(yàn)編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)編碼和恒比校驗(yàn)編碼)和糾錯(cuò)方式。當(dāng)“1”碼元數(shù)為奇數(shù)：采用偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為“1”；采用奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位為“O”。當(dāng)“1”碼元數(shù)為偶數(shù)：采用偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為“0”；采用奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位為“l(fā)”。循環(huán)冗余校驗(yàn)的原理

22、是：發(fā)送端發(fā)出的信息有基本的信息位和CRC校驗(yàn)位兩部分組成的。一旦基本的信息位發(fā)送完，CRC校驗(yàn)也就生成，并緊接其后再發(fā)送CRC校驗(yàn)位。當(dāng)基本信息位接收完之后，接著接收CRC校驗(yàn)位，并同時(shí)也進(jìn)行這一計(jì)算。循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的原理及其實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，很多資料都有論述。在通信時(shí)不是原碼傳送，而是對(duì)待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，使之編碼后的每一個(gè)字節(jié)(或每一碼組)中，“l(fā)”和“0”的個(gè)數(shù)之比保持恒定，這種編碼稱為恒比碼。接收端收到該碼后，通過譯碼不僅能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，而且能自動(dòng)地糾正傳輸中的錯(cuò)誤。多種總線并存，就意味著有多種標(biāo)準(zhǔn)，這就嚴(yán)重束縛了總線的應(yīng)用和發(fā)展，國際電工協(xié)會(huì)(IEC)于1999年認(rèn)定通過了八種現(xiàn)

23、場(chǎng)總線為現(xiàn)行的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它們分別是：(1)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF(Foundation Fieldbus)；(2) ControlNet；(3) Profibus；(4) P-Net；(5) FF(Foundation Fieldbus)高速以太網(wǎng)HSE；(6) SwiftNet；(7) WorldFIP；(8) Interbus-S。以太網(wǎng)( Ethernet) 由于其應(yīng)用的廣泛性和技術(shù)的先進(jìn)性，已逐漸壟斷了商用計(jì)算機(jī)的通訊領(lǐng)域和過程控制領(lǐng)域中上層的信息管理與通信，并且有進(jìn)一步直接應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的趨勢(shì)。幾乎所有的編程語言都支持Ethernet 的應(yīng)用開發(fā)，如Java 、Visual C +

24、+ 、Visual Basic、Delphi 等。因此，如果采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，可以保證多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境供選擇。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格只有Profibus、FF 等現(xiàn)場(chǎng)總線的十分之一，而且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還會(huì)進(jìn)一步下降。因此，如果工業(yè)控制領(lǐng)域采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以避免現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)游離于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，從而使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和一般網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進(jìn)，共同發(fā)展，并保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展，在技術(shù)升級(jí)方面無需單獨(dú)的研究投入。長(zhǎng)期以來，Ethernet 通信響應(yīng)的“不確定性”是它在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中應(yīng)用的致命弱點(diǎn)和主要障礙之一。眾所周知，以太網(wǎng)采用沖突檢

25、測(cè)載波監(jiān)聽多點(diǎn)訪問(CSMA/ CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 機(jī)制解決通訊介質(zhì)層的競(jìng)爭(zhēng)。這樣，掛接在同一網(wǎng)段上的所有設(shè)備形成一個(gè)沖突域( collision domain)，每個(gè)沖突域均采用CSMA/ CD 機(jī)制來管理網(wǎng)絡(luò)沖突。用交換式集線器代替共享式集線器，使交換機(jī)各端口之間可以同時(shí)形成多個(gè)數(shù)據(jù)通道，正在工作的端口上的信息流不會(huì)在其他端口上廣播，端口之間信息報(bào)文的輸入和輸出已不再受到CSMA/ CD介質(zhì)訪問控制協(xié)議的約束。因此，在以太網(wǎng)交換機(jī)組成的系統(tǒng)中，每個(gè)端口就是一個(gè)沖突域，各個(gè)沖突域通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)了

26、隔離。再次，采用全雙工通信技術(shù)，可以使設(shè)備端口間兩對(duì)雙絞線(或兩根光纖)上可以同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀，從而也不再受到CSMA/ CD 的約束，這樣，任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文幀時(shí)不會(huì)再發(fā)生碰撞，沖突域也就不復(fù)存在。此外，通過降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，可以使傳統(tǒng)共享式以太網(wǎng)上的碰撞大大降低。實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于共享式以太網(wǎng)來說，當(dāng)通信負(fù)荷在25 %以下時(shí)，可保證通信暢通，當(dāng)通信負(fù)荷在5 %左右時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上碰撞的概率幾乎為零。同時(shí)，使用UDP 通信協(xié)議，可以充分保證報(bào)文傳輸?shù)挠行лd荷，避免在網(wǎng)絡(luò)上傳輸不必要的填充域數(shù)據(jù)所占用的帶寬，使網(wǎng)絡(luò)保持在輕負(fù)荷工作條件下，就可以使網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性進(jìn)一步得到保證。所

27、謂“總線供電”或“總線饋電”，是指連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，還能給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的“總線供電”可采用以下方法:方法一:在目前Ethernet 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g(shù)規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號(hào)調(diào)制到一個(gè)直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端再將這兩路信號(hào)分離出來。采用這種方法時(shí)必須注意：修改協(xié)議后的以太網(wǎng)應(yīng)在物理層上與傳統(tǒng)Ethernet 兼容。方法二:不改變目前Ethernet 的物理層結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的以太網(wǎng)仍然使用目前的物理層協(xié)議，而通過連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。由于以太網(wǎng)( IEEE802. 3) 只映射到ISO/ OSI 參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，TCP/ IP 映射到網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，而對(duì)較高的層次如會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層等沒有作技術(shù)規(guī)定。目前RFC (Request For Comment) 組織文件中的一些應(yīng)用層協(xié)議，如FTP、HTTP、Telnet 、SNMP、SMTP 等，僅僅規(guī)定了用戶應(yīng)用程序該如何操作，而以太網(wǎng)設(shè)備生產(chǎn)廠家還必須根據(jù)這些文件定制專用的應(yīng)用程序。因此，為了使網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)間最大化，需要以可靠的技術(shù)來保證在網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和改進(jìn)時(shí)，系統(tǒng)不發(fā)生中斷。該交換機(jī)除了實(shí)現(xiàn)正常的以太網(wǎng)交換功能外，