第二章 數(shù)據(jù)通信

1、第二章數(shù)據(jù)通信分散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)課件什么是通信？ 通信就是信息從一處傳輸?shù)搅硪惶幍倪^程。通信系統(tǒng)的基本組成發(fā)送裝置接收裝置信 道信 息 發(fā)送裝置將信息送上信道，信息由信道傳送給接收裝置。 數(shù)據(jù)通信原理基本概念及術語數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息 具有一定編碼、格式和字長的數(shù)字信息被稱為數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)通信原理基本概念及術語傳輸速率傳輸速率 信道在單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?。一般以每秒鐘所能夠傳輸?shù)谋忍財?shù)來表示，常記為bps或b/s。數(shù)據(jù)通信原理基本概念及術語傳輸方式傳輸方式 單工單工(Simplex)方式 信息只能沿單方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為單工方式 半雙工半雙工(Half duplex)方式 信息可以

2、沿著兩個方向傳輸，但在某一時刻只能沿一個方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為半雙工方式，全雙工全雙工(Full duplex)方式 信息可以同時沿著兩個方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為全雙工方式 數(shù)據(jù)通信原理基本概念及術語發(fā)送裝置接收裝置單 向 信 道發(fā)送裝置接收裝置單 向 信 道發(fā)送裝置接收裝置雙 向 信 道單工單工(Simplex)方式方式 半雙工半雙工(Half duplex)方式方式 全雙工全雙工(Full duplex)方式方式 數(shù)據(jù)通信原理基本概念及術語基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸 基帶傳輸計算機中的信息是以二進制形式存在的，這些二進制信息可以用一系列的脈沖信號來表示，所謂基帶

3、傳輸，就是直接將這些脈沖信號通過信道進行傳輸。載帶傳輸基帶傳輸不適用于遠距離數(shù)據(jù)傳輸。當傳輸距離較遠時，需要進行調(diào)制。用基帶信號調(diào)制載波之后，在信道上傳輸調(diào)制后的載波信號，這就是載帶傳輸。 數(shù)據(jù)通信原理基本概念及術語基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸 寬帶傳輸 如果要在一條信道上同時傳送多路信號，各路信號可以不同的載波頻率加以區(qū)別，每路信號以載波頻率為中心占據(jù)一定的頻帶寬度，整個信道的帶寬為各路載波信號所分享，實現(xiàn)多路信號同時傳輸，這就稱之為寬帶傳輸。 數(shù)據(jù)通信原理基本概念及術語發(fā)送裝置接收裝置信 道 基帶傳輸基帶傳輸 發(fā)送裝置接收裝置信 道 載帶傳輸載帶傳輸 發(fā)送裝置接

4、收裝置信 道 寬帶傳輸寬帶傳輸 數(shù)據(jù)通信原理基本概念及術語異步傳輸與同步傳輸異步傳輸與同步傳輸異步傳輸 在異步傳輸中，信息以字符為單位進行傳輸，每個信息字符都具有自己的起始位和停止位，一個字符中的各個位是同步的，但字符與字符之間的時間間隔是不確定的。數(shù)據(jù)通信原理基本概念及術語異步傳輸與同步傳輸異步傳輸與同步傳輸同步傳輸在同步傳輸中，信息不是以字符而是以數(shù)據(jù)塊為單位進行傳輸?shù)?。通信系統(tǒng)中有專門用來使發(fā)送裝置和接收裝置保持同步的時鐘脈沖，使兩者以同一頻率連續(xù)工作，并且保持一定的相位關系。在這一組數(shù)據(jù)或一個報文之內(nèi)不需要啟停標志，所以可以獲得較高的傳輸速度。 數(shù)據(jù)通信原理基本概念及術語串行傳輸與并行

5、傳輸串行傳輸與并行傳輸串行傳輸串行傳輸是把構成數(shù)據(jù)的各個二進制位依次在信道上進行傳輸?shù)姆绞?；并行傳輸并行傳輸是把構成?shù)據(jù)的各個二進制位同時在信道上進行傳輸?shù)姆绞?。?shù)據(jù)通信原理基本概念及術語串行傳輸與并行傳輸串行傳輸與并行傳輸發(fā)送裝置接收裝置串行傳輸串行傳輸 1 0 0 1 0 1 0 0 并行傳輸并行傳輸 發(fā)送裝置接收裝置1 0 0 1 0 1 0 0數(shù)據(jù)通信原理二進制數(shù)據(jù)的表示方法（基帶傳輸）(1)信息傳輸有平衡傳輸和非平衡傳輸 平衡傳輸時，無論0還是1均有規(guī)定的傳輸格式； 非平衡傳輸時，只有1被傳輸，而0則以在指定的時刻沒有脈沖信號來表示。(2)根據(jù)對零電平的關系，信息傳輸可以分為歸零傳輸

6、和不歸零傳輸。 歸零傳輸是指在每一位二進制信息傳輸之后均讓信號返回零電平； 不歸零傳輸是指在每一位二進制信息傳輸之后讓信號保持原電平不變。數(shù)據(jù)通信原理二進制數(shù)據(jù)的表示方法（基帶傳輸）(3)根據(jù)信號的極性，信息傳輸分為單極性傳輸和雙極性傳輸。 單極性是指脈沖信號的極性是單方向的， 雙極性是指脈沖信號有正和負兩個方向。 數(shù)據(jù)通信原理二進制數(shù)據(jù)的表示方法（基帶傳輸）tttttttt11 11 1000時鐘脈沖數(shù) 據(jù)(a)(b)(c)(d)(e)(f)平衡、歸零、雙極性；平衡、歸零、單極性；平衡、不歸零、單極性；非平衡、歸零、雙極性；非平衡、歸零、單極性；非平衡、不歸零、單極性； 數(shù)據(jù)通信原理二進制數(shù)

7、據(jù)的表示方法（載帶傳輸）調(diào)幅；1tttt1100(a)(b)(c)數(shù)據(jù)調(diào)頻；調(diào)相 數(shù)據(jù)通信原理數(shù)據(jù)交換方式數(shù)據(jù)交換線路交換報文交換分組交換虛電路數(shù)據(jù)報存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換數(shù)據(jù)通信原理數(shù)據(jù)交換方式線路交換通信過程： (1)線路建立 (2)數(shù)據(jù)通信 (3)線路拆除 1.1.線路交換方式線路交換方式 數(shù)據(jù)通信原理數(shù)據(jù)交換方式存儲轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā) M1M2 M1M2M2 M1 M12.2.存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式 （1 1）報文交換方式）報文交換方式數(shù)據(jù)通信原理數(shù)據(jù)交換方式12ABYXIIIIIIIVABYXIIIIIIIVABYXIIIIIIIV121212連接建立數(shù)據(jù)傳輸連接釋放2.2

8、.存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式 （2 2）報文分組交換方式）報文分組交換方式- -虛電路方虛電路方法法數(shù)據(jù)通信原理數(shù)據(jù)交換方式124 3124342341314243112432.2.存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式 （2 2）報文分組交換方式）報文分組交換方式- -數(shù)據(jù)報方數(shù)據(jù)報方法法數(shù)據(jù)通信原理信道 所謂信道，系指發(fā)送裝置和接收裝置之間的信息傳輸通路，它包括傳輸介質(zhì)和有關的中間設備。 數(shù)據(jù)通信原理信道v 雙絞線v 同軸電纜v 光纜v 無線傳輸（無線電波，微波，紅外線） 1.1.傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)通信原理信道1.1.傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)雙絞線同軸電纜光纜數(shù)據(jù)通信原理信道1.1.傳輸介質(zhì)傳輸

9、介質(zhì)發(fā)送端接收端無線電波地表面發(fā)送端接收端大氣層中的電離層地表面（a ）（b ）無線電波數(shù)據(jù)通信原理信道1.1.傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)微波微波地表面數(shù)據(jù)通信原理信道傳輸距離（km）傳輸速率（Mbps）0.010.11100.010.1110雙絞線同軸電纜光纜1.1.傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)通信原理信道v 雙絞線： 連接特別簡單，只要通過普通的接線端子就可以把各種設備與通信網(wǎng)絡連接起來，不需要任何專用設備。v 同軸電纜 一般要通過專用的“”形連接器進行連接。這種連接器類似于閉路電視中的連接器，構造比較簡單，而且已經(jīng)形成了一系列的標準件，應用起來十分方便。2.2.連接方式連接方式Pin光電二極管選擇開關LE

10、D光二極管+12345光脈沖輸入接收電路發(fā)送數(shù)據(jù)控制信號光脈沖輸 出數(shù)據(jù)通信原理信道v 光纜 2.2.連接方式連接方式數(shù)據(jù)通信原理信道v 光纜 光脈沖輸入信號經(jīng)pin光電二極管光電二極管轉(zhuǎn)換為低電平的電壓信號。這個信號經(jīng)放大器1、2放大后再經(jīng)過發(fā)光二極管LED轉(zhuǎn)換為光脈沖信號輸出。放大器1輸出的信號還經(jīng)過放大器3送往接收電路。當發(fā)送數(shù)據(jù)時，選擇開關切換到下面，通過放大器4發(fā)送數(shù)據(jù)?？刂菩盘柾ㄟ^驅(qū)動器5控制選擇開關的切換。2.2.連接方式連接方式數(shù)據(jù)通信原理信道 介質(zhì)介質(zhì) 特點特點項目項目雙絞線雙絞線 同軸電纜同軸電纜 光纜光纜 傳輸線價格傳輸線價格較低較低較高較高較高較高連接器件和連接器件和支

11、持電路的價格支持電路的價格低低較低較低高高抗干擾能力抗干擾能力如采用屏蔽措施，則如采用屏蔽措施，則比較好比較好很好很好特別好特別好標準化程度標準化程度高高較高較高低低敷設敷設簡單簡單稍復雜稍復雜簡單簡單連接連接同普通導線一樣簡單同普通導線一樣簡單需要專用的連接器需要專用的連接器需要很復雜的連接器件需要很復雜的連接器件和連接工藝和連接工藝適用于網(wǎng)絡類型適用于網(wǎng)絡類型環(huán)形或總線型網(wǎng)絡環(huán)形或總線型網(wǎng)絡總線型或環(huán)形網(wǎng)絡總線型或環(huán)形網(wǎng)絡主要用于環(huán)形網(wǎng)絡主要用于環(huán)形網(wǎng)絡對環(huán)境的適應性對環(huán)境的適應性較好較好較好較好特別好，耐高溫，適用特別好，耐高溫，適用于惡劣環(huán)境于惡劣環(huán)境數(shù)據(jù)通信原理差錯控制1.差錯控制的

12、概念 分散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡是在條件比較惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作的，因此，在信息傳輸過程中，各種各樣的干擾可能造成傳輸錯誤。這些錯誤輕則會使數(shù)據(jù)發(fā)生變化，重則會導致生產(chǎn)過程事故。因此必須采取一定的措施來檢測錯誤并糾正錯誤，把檢錯和糾錯統(tǒng)稱為差錯控制。 數(shù)據(jù)通信原理差錯控制2.傳輸錯誤及可靠性指標 突發(fā)錯誤 突發(fā)錯誤是由突發(fā)噪聲引起的，其特征是誤碼連續(xù)成片出現(xiàn)。 隨機錯誤 隨機錯誤是由隨機噪聲引起的，它的特征是誤碼與其前后的代碼是否出錯無關。 可靠性指標：誤碼率 誤碼率（Pe）=出錯的碼元數(shù)傳輸?shù)目偞a元數(shù)數(shù)據(jù)通信原理差錯控制垂直奇偶校驗在發(fā)送端檢錯由發(fā)送端重發(fā)在接收端校驗附加比特根據(jù)應答，由發(fā)送端重

13、發(fā)水平奇偶校驗矩陣奇偶校驗累加和校驗漢明碼校驗循環(huán)碼校驗其它編碼校驗回送比較回送校驗字符并列傳輸重復傳輸檢錯碼糾錯碼回送連發(fā)傳輸信息中附加冗余度的方法傳輸方法中附加冗余度的方法在接收端校驗附加比特自己糾錯在接收端檢錯由發(fā)送端重發(fā)3.差錯控制方法0101010011001數(shù)據(jù)通信原理差錯控制接收端發(fā)送端001110接收端發(fā)送端0011100110011001接收端發(fā)送端0011100110011 0 01 13.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制碼組、碼字、分組碼、編碼率的概念 設一組信息的字長是k位，則這組信息可以有2k個狀態(tài)。如果在信息后面按一定規(guī)則附加r個冗余位，則可組成長度為n=k+r的二

14、進制序列，稱之為碼組。碼組共有2n個狀態(tài)，其中有2k個是有用的狀態(tài)，即合法信息，其余的是無用的冗余狀態(tài)，即非法信息。 每個狀態(tài)稱為一個碼字，這些碼字的集合稱為分組碼，記為(n，k)。k與n的比值稱為編碼率，用R表示。R越大，有用信息所占的比重就越大，信息的傳輸效率越高，但信息的冗余度就越小，差錯控制的能力就越弱。 3.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制漢明距離 由前可知，如果讓信息的合法狀態(tài)之間有很大的差別，那么一種合法信息錯成另一合法信息的可能性就會大大減小。 對于兩個長度相同的二進制序列來說，它們之間的差別可以用兩個序列之間對應位取值的不同來衡量，取值不同的值的個數(shù)稱為漢明(Hamming)

15、距離，用字母d表示。 例如在前面的例子中，c1=000，c2=111，這兩個序列之間的漢明距離為d(c1， c2)=3 。在一個分組碼中，碼字之間的最小漢明距離是很重要的參數(shù)，最小漢明距離越大，說明碼字之間的差別就越大，一個碼字錯成另一個碼字的可能性就越小。 3.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制000111x1x2x3x3x2 x10010111011000101103.差錯控制方法漢明距離的幾何表示 數(shù)據(jù)通信原理差錯控制奇偶校驗：垂直奇偶校驗 設發(fā)送方要發(fā)送單詞(world)，按ASCII編碼，其代碼及校驗位如下（采用偶校驗）： worldx111000 x211100 x311011x40

16、1010 x510100 x611111x711111xc000013.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制奇偶校驗：水平奇偶校驗 設發(fā)送方要發(fā)送單詞(world)，按ASCII編碼，其代碼及校驗位如下（采用偶校驗）： worldxcx1110000 x2111001x3110110 x4010100 x5101000 x6111111x71111113.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制奇偶校驗：矩陣奇偶校驗 設發(fā)送方要發(fā)送單詞(world)，按ASCII編碼，其代碼及校驗位如下（采用偶校驗）： worldxcx1110000 x2111001x3110110 x4010100 x5101000

17、x6111111x7111111xc0000113.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制漢明校驗 漢明(Hamming)校驗是在奇偶校驗的基礎上發(fā)展起來的，漢明校驗不像奇偶校驗那樣僅設置一位校驗碼，而是設置若干位校驗碼，其中每個校驗位有一定的校驗范圍。例如，設被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為x1 (僅1位)，如果采用漢明校驗碼，則需附加2位校驗位，記為xc1、xc2。由于、可以組合成四種狀態(tài)，故可用其中的一種狀態(tài)表示無錯，其他三種狀態(tài)分別表示x1 、 xc1 、 xc2出錯。具體實現(xiàn)方法如下：將x1和xc1編為一組，記為G，再將x1和xc2編為一組，記為。對每一組都分別進行奇偶校驗(在本例中采用偶校驗) 。 3.差

18、錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制漢明校驗的編組 x1xc1xc2G1G23.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制漢明校驗的幾種情況 (1) G1G=11，說明G1、G兩組均發(fā)生錯誤，因此可以判定是x1出錯，將取反，就可實現(xiàn)糾錯；(2) G1G=10，說明只有G1組發(fā)生了錯誤，因此可以判定是xc1出錯，此時是正x1確的，無需糾錯；(3) G1G=01，說明只有G組發(fā)生了錯誤，因此可以判定是xc2出錯；同理， x1正確，無需糾錯；(4) G1G=00，說明G1G色兩組均正確傳輸，沒有錯誤。 3.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制漢明校驗應滿足的條件 從上述例子中可以總結出漢明校驗的能力：若采用r個校驗位，

19、則校驗位可以組成2r種狀態(tài)，用其中的一種狀態(tài)代表無錯，用r種狀態(tài)表示哪一個校驗位出錯，則還有2r-l-r種狀態(tài)信息能用于糾錯。若被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為k位，采用漢明校驗，所附加的校驗位為r，則應滿足下式：2r k+r+13.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制漢明校驗的編碼規(guī)則如下：(1) 若附加r個冗余校驗位，則可以組成r個校驗組，分別用G1 ，G2 Gr表示，且每個冗余位一般只參加1個校驗組。(2) 每位數(shù)據(jù)必須參加2r個校驗組，但組合上不應重復。(3) 如果某位出錯，必使它所參加的校驗組校驗出錯，例如，若x4參加了G和G組，當G和G校驗出錯，而其他組的校驗正確時，則可判定是x4出錯，只要將其取反，即

20、可糾正。3.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制 當k=11，r=5時，其一種漢明校驗分組如下表所示，如果G1 G2 GGG=00000，則無錯；若G=1，說明有一位錯(3位及3位以上錯不討論)，且G1 G2 GG可指出錯誤位置；若G1 G2 GG0，則表示有兩位錯。3.差錯控制方法 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 xc1 xc1 xc3 xc4 xc5G1 G2 G3 G4 G5 漢明校驗思考題(1)當K=2,5,6.時，對應的r及編組。(2)當給定一個需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時，試確定冗余位的值。數(shù)據(jù)通信原理差錯控制3.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制方法 循環(huán)冗余

21、校驗CRC(Cyclic Redundancy Check)是在分散控制系統(tǒng)中應用較多的一種校驗方法。其校驗碼的生成過程如下： (1)設要發(fā)送的數(shù)據(jù)為D，把D與G（稱為生成多項式）的最高次項相乘得到D(通過移位來實現(xiàn))； (2)用G(生成多項式)除D； (3)將上一步相除后所得的余數(shù)作為校驗碼(即CRC)； (4)將D與余數(shù)相加后傳輸。循環(huán)冗余校驗3.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制循環(huán)冗余校驗 下面舉例說明CRC方法的應用： 例：已知要發(fā)送的數(shù)據(jù)D=1100,生成碼G=1011（冗余碼位數(shù)3），其對應的二進制序列分別為D=23+22，G=23+21+1。 如果以x代替基數(shù)2，則對應的多項式為

22、： D(x)=x3+x2 G(x)=x3+x+1 首先把D(x)與G(x)的最高次項相乘（x3），得： D(x)=x3 D(x)= x3 (x3+x2)= x6+x53.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制循環(huán)冗余校驗 下面舉例說明CRC方法的應用： 接著，用生成多項式G(x)去除D(x)(在這里應注意采用了模2運算法則)，得：3.差錯控制方法xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx23242423534534656131數(shù)據(jù)通信原理差錯控制循環(huán)冗余校驗 下面舉例說明CRC方法的應用： 得到余數(shù)為x,即循環(huán)冗余碼為010（注意為3位）。把D(x)加上余數(shù)，這就是發(fā)送出去的全部信息F(x): F

23、(x)=D(x)+x=x6+x5+x 即待發(fā)送碼字為1100010。 3.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制 在接收端的校驗方法如下： (1)用與發(fā)送端相同的多項式G去除所接收到的D+余數(shù)； (2)如果能除盡，表示無差錯；去掉余數(shù)后，得到數(shù)據(jù); (3)如果除不盡，說明有差錯，按一定規(guī)則進行糾錯或請求重發(fā)。循環(huán)冗余校驗3.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制輸入數(shù)據(jù)D移位D附加CRCD+余數(shù)產(chǎn)生CRCD/G的余數(shù)CRC校驗D+余數(shù)/G判斷余數(shù)=0？輸出數(shù)據(jù)D正確接收余數(shù)=0非正確接收余數(shù)0發(fā)送端接收端傳輸循環(huán)冗余校驗3.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制 生成多項式應滿足的條件： 生成多項式是(xn+1

24、)的(n-k)次因式(模2運算法則)例如：n=7, k=3X7+1=(x+1)(x3+x2+1)(x3+x+1)滿足條件的多項式有兩個：(x+1)(x3+x2+1) = x4+x2+x+1(x+1)(x3+x+1) = x4+x3+x2+1循環(huán)冗余校驗3.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制目前應用比較廣泛的生成多項式有： CRC-CCITT:G(X)=X16+x12+x5+1CRC-16:G(X)=X16+x15+x2+1CRC-12:G(X)=X12+x11+x3+x2+x+1CRC-32:G(X)=X32+x26+x23+x22+x16+x12+x11 +x10+x8+x7+x5+x4+x2

25、+x+1循環(huán)冗余校驗3.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信原理差錯控制 連發(fā)校驗 連發(fā)校驗是把同一數(shù)據(jù)連發(fā)兩次，在接收端比較這兩次的數(shù)據(jù)是否相同，如果不同，則說明傳輸出錯。由于連發(fā)會導致傳輸效率下降，所以有時只把一些重要數(shù)據(jù)連發(fā)。 回送校驗 回送校驗就是在接收端接收傳輸數(shù)據(jù)的同時，將傳輸數(shù)據(jù)送回發(fā)送端，由發(fā)送端校驗發(fā)送的數(shù)據(jù)和送回的數(shù)據(jù)是否一致。如果不一致，說明傳輸出錯，由發(fā)送端將數(shù)據(jù)再重發(fā)一次。3.差錯控制方法數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結構概述工業(yè)控制局域網(wǎng)特點 (1) (1)具有快速實時響應能力具有快速實時響應能力 一般：0.010.5s以內(nèi)，較高：10ms； (2) (2)具有極高的可靠性具有極高的可靠性 數(shù)據(jù)傳送

26、誤碼率低于10-11-10-8。因此，除采取各種信號處理和傳輸技術，還采用雙網(wǎng)冗余方式。 (3) (3)適合在惡劣環(huán)境下工作適合在惡劣環(huán)境下工作 要能抗電源干擾、電磁干擾、雷擊干擾、地電位差干擾等。 (4) (4)分層結構分層結構 需要把整個通信系統(tǒng)的功能分成若干個層次去實現(xiàn)。每一個層次就是一個通信子網(wǎng)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結構概述通信子網(wǎng)的特征v通信子網(wǎng)具有自己的地址結構。v通信子網(wǎng)相連可以采用自己的專用通信協(xié)議。v一個通信子網(wǎng)可以通過接口與其他網(wǎng)絡相連，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡上的設備相互通信。 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結構概述DCS中的幾種通信 (1)現(xiàn)場設備和中央控制室設備（現(xiàn)場總線網(wǎng)關或接口或控制器）之間的通信。

27、(2)基本控制單元內(nèi)的I/O設備與處理器之間的通信。 (3)同一控制機柜中基本控制單元之間的通信。 (4)不同過程控制站之間及與人機接口之間的通信（即運行員站與過程控制站、過程控制站與過程控制站之間）。 (5)人機接口之間的通信（每個人機接口添加獨立的網(wǎng)卡形成獨立的網(wǎng)絡）。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結構系統(tǒng)結構高 層人機接口中 央計算機通信接口4通信系統(tǒng)高 層人機接口通信接口1通信接口2通信接口3BCUBCUBCUBCUBCUBCUBCUBCUBCU廠級子網(wǎng)控制室子網(wǎng)機柜子網(wǎng)通信系統(tǒng)結構一(1)機柜子網(wǎng) 基本控制單元之間。(2)廠級子網(wǎng) 控制室設備與控制機柜中的設備之間。(3)控制室子網(wǎng) 高層設備之間。數(shù)據(jù)

28、通信系統(tǒng)結構系統(tǒng)結構高 層人機接口中 央計算機通信系統(tǒng)高 層人機接口通信接口1通信接口2通信接口3BCUBCUBCUBCUBCUBCUBCUBCUBCU廠級子網(wǎng)后端子網(wǎng)局部子網(wǎng)通信系統(tǒng)結構二(1)局部子網(wǎng) 子系統(tǒng)內(nèi)或基本控制單元之間。(2)廠級子網(wǎng) 高層設備與局域子網(wǎng)之間。(3)后端子網(wǎng) 高層設備之間。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結構拓撲結構有 源 交換設備星型總線型環(huán)形節(jié)點節(jié)點節(jié)點節(jié)點節(jié)點節(jié)點有源交換設備節(jié)點節(jié)點節(jié)點節(jié)點節(jié)點節(jié)點無源網(wǎng)絡節(jié)點節(jié)點節(jié)點節(jié)點節(jié)點節(jié)點網(wǎng)絡拓撲結構通信協(xié)議概述通信協(xié)議 數(shù)據(jù)傳輸過程進行管理的規(guī)則被稱為協(xié)議。協(xié)議的分層 信號層 媒介、機構和控制手段。 語言層 語言的種類、詞意、語法，等

29、等。 知識層 專業(yè)知識、基本概念以及理解能力。通信協(xié)議參考模型v物理層：物理層：電氣和機械特性。v鏈路層：鏈路層：鏈路使用權分配，信息格式，檢錯糾錯方式。 v網(wǎng)絡層：網(wǎng)絡層：信息傳輸路徑選擇。v傳輸層：傳輸層：信息傳輸任務完成確認。v會話層：會話層：通信任務啟動/停止。v表達層：表達層：信息格式轉(zhuǎn)換。v應用層：應用層：召喚底層協(xié)議為其服務。OSI參考模型通信協(xié)議物理層協(xié)議規(guī)定了以下四方面特性機械特性機械特性 可接插連接器的形狀尺寸、引腳數(shù)量與排列等。功能特性功能特性 規(guī)定物理接口上各條信號線功能分配和確切定義。電氣特性電氣特性 規(guī)定在物理連接器上傳輸二進制比特流時線路上信號電平的高低、阻抗及阻

30、抗匹配、傳輸速率和傳輸距離限制。過程特性過程特性 規(guī)定信號之間的工作規(guī)則和時序。通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議鏈路層主要功能(1)對鏈路的使用進行控制。(2)組成具有確定格式的信息幀。鏈路控制方法(1)時間分割多路送取法(2)查詢法(3)令牌法(4)載波監(jiān)聽多路送取/沖突檢測法(5)擴展環(huán)型法通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議時間分割多路送取法 時間分割多路送取法又稱TDMA(Time Division Multiplex Access)法，這種方法用于總線型網(wǎng)絡總線型網(wǎng)絡。在網(wǎng)絡中有一個總線控制器總線控制器，它負責把時鐘脈沖送到網(wǎng)絡中的每個節(jié)點上。每個節(jié)點有一個預先分配好的時間槽時間槽，在給定的時間槽里它可以發(fā)

31、送信息。在某些系統(tǒng)中，時間槽的分配不是固定不變而是動態(tài)進行的。盡管這種方法很簡單，但它不能實現(xiàn)節(jié)點對網(wǎng)絡的快速送取，也不能有效地處理在短時間內(nèi)涌出的大量信息。另外，這種方法需要總線控制器。如果不采取一定的冗余措施，總線控制器的故障就會造成整個通信系統(tǒng)的癱瘓。鏈路控制方法通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議查詢法 查詢(Polling) 法既可用于總線型網(wǎng)絡總線型網(wǎng)絡，也可以用于環(huán)型網(wǎng)絡環(huán)型網(wǎng)絡。查詢法與TDMA法一樣，也要有一個網(wǎng)絡控制器網(wǎng)絡控制器。網(wǎng)絡控制器按照一定的次序查詢網(wǎng)絡中的每個節(jié)點，看看它們是否要求發(fā)送信息。如果節(jié)點不需要發(fā)送信息，網(wǎng)絡控制器就轉(zhuǎn)向下一個節(jié)點。由于不發(fā)送信息的節(jié)點基本上不占用時間

32、，所以這種方法比TDMA法的通信效率高。然而，它也存在著與TDMA方法同樣的一些缺點：訪問速度慢、可靠性差，等等。鏈路控制方法通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 令牌(Token)法用于總線型或環(huán)型網(wǎng)絡總線型或環(huán)型網(wǎng)絡。在這種協(xié)議中，令牌令牌是一個特定的信息，例如，用二進制序列11111111來表示。令牌按照預先確定的次序，從網(wǎng)絡中的一個節(jié)點傳到下一個節(jié)點，并且循環(huán)進行。只有獲得令牌的節(jié)點才能發(fā)送信只有獲得令牌的節(jié)點才能發(fā)送信息。息。同前兩種方法相比，令牌法的最大優(yōu)點在于它不需要網(wǎng)絡控制器，因此可靠性比較高。這種方法的主要問題是，某一個節(jié)點故障或受到干擾，會造成令牌丟失。所以必須采用一定的措施來及時發(fā)現(xiàn)令

33、牌丟失，并且及時產(chǎn)生一個新的令牌，以保證通信系統(tǒng)的正常工作。令牌法是IEEE802局部區(qū)域網(wǎng)絡標準所規(guī)定的送取協(xié)議之一。令牌法鏈路控制方法通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 又稱為CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)法。這種方法用于總線型網(wǎng)絡總線型網(wǎng)絡，它的工作原理類似一個共用電話網(wǎng)絡。打電話的人(相當于網(wǎng)絡中的一個節(jié)點)首先聽一聽線路是否被其他用戶占用。如果未被占用，他就可以開始講話，而其他用戶都處于受話狀態(tài)。他們同時收到了講話聲音，但只有與講話內(nèi)容有關的人才將信息記錄下來。如果有兩個節(jié)點同時送出了信息，那么通過檢

34、測電路可以發(fā)現(xiàn)這種情況，這時，兩個節(jié)點都停止發(fā)送，隨機等待一段時間后再重新發(fā)送。隨機等待的目的是使每個節(jié)點的等待時間能夠有所差別，以免在重發(fā)時再次發(fā)生碰撞。 載波監(jiān)聽多路送取/沖突檢測法鏈路控制方法通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 擴展環(huán)型(Ring Expansion)法僅用于環(huán)型網(wǎng)絡僅用于環(huán)型網(wǎng)絡。當采用這種方法時，準備發(fā)送信息的節(jié)點不斷監(jiān)視著通過它的信息流，一旦發(fā)現(xiàn)信息流通過完畢，它就把要發(fā)送的信息送上網(wǎng)絡，同時把隨后進入該節(jié)點的信息存入緩沖器。當信息發(fā)送完畢之后，再把緩沖器中暫存的信息發(fā)送出去。這種方法的特點是允許環(huán)型網(wǎng)絡中的多個節(jié)點同時發(fā)送信息，因此提高了通信網(wǎng)絡的利用率。擴展環(huán)型法鏈路控制方

35、法通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議網(wǎng)絡送取控制協(xié)議網(wǎng)絡類型優(yōu) 點缺 點時間分割/多路送取總線型結構簡單通信效率低，總線控制器需要冗余查詢式總線型或環(huán)型結構簡單比TDMA法效率高網(wǎng)絡送取分配情況可預先確定網(wǎng)絡控制器需要冗余，送取速度低令牌式總線型或環(huán)型網(wǎng)絡送取分配情況可預先確定，無網(wǎng)絡控制器 ，可以在大型總線網(wǎng)絡中使用 在丟失令牌時，必須有重發(fā)令牌的措施載波監(jiān)聽/多路送取/沖突檢測總線型無網(wǎng)絡控制器實現(xiàn)比較簡單 在長距離網(wǎng)絡中效率下降，網(wǎng)絡送取時間是不確定的 擴展環(huán)型環(huán) 型無網(wǎng)絡控制器能支持多路信息同時傳輸只能用于環(huán)型網(wǎng)絡 鏈路控制方法通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議總結：封建式民主式自由式時間分割/多路送取 查詢

36、法令牌式 載波監(jiān)聽/多路送取/沖突檢測 擴展環(huán)型 鏈路控制方法通信協(xié)議網(wǎng)絡層協(xié)議(1)路徑選擇與中繼(2)網(wǎng)絡流量控制(3)網(wǎng)絡連接建立與管理主要功能BCADGFEIJH312562810242673110434通信協(xié)議網(wǎng)絡層協(xié)議 網(wǎng)絡層協(xié)議主要處理通信網(wǎng)絡中的路徑選擇問題。另外，它還負責子網(wǎng)之間的地址變換。已有的一些標準協(xié)議(例如，CCITT X.25)可以支持網(wǎng)絡層的通信，然而，由于成本很高，結構復雜，所以在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中一般不采用具有可選所以在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中一般不采用具有可選路徑的通信網(wǎng)絡路徑的通信網(wǎng)絡。比較常用的是具有冗余的總線型或環(huán)型網(wǎng)絡，在這些網(wǎng)絡中不存在通信路徑的選擇問題，因此網(wǎng)絡層協(xié)議的作用只是在主通信線路故障時，讓備用通信線路繼續(xù)工作。 工業(yè)應用通信協(xié)議傳輸層和會話層協(xié)議 在工業(yè)過程控制所用的通信系統(tǒng)中，為了簡單起見，常常把傳輸層和會話層協(xié)議合在一起。這兩層協(xié)議確定了這兩層協(xié)議確定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯臃椒ê屯Ｖ狗椒?，以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸所需數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯臃椒ê屯Ｖ狗椒ǎ约皩崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸所需要的其他信息要的其他信息。 在分散控制系統(tǒng)中，可以把通信系統(tǒng)的作用看成是一種數(shù)據(jù)庫更新作用，它不斷地把其他節(jié)點的信息傳輸?shù)叫枰@些