第七章-網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)N精講

第七章:工業(yè)限制系統(tǒng)通信技術(shù)本章要點(diǎn)1.數(shù)據(jù)通信有關(guān)通信方式、制式、編碼、復(fù)用、同步及傳輸介質(zhì)等基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)；２.串行通信總線的RS232-C通信總線與RS-422/485通信總線本章主要內(nèi)容

引言7.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)7.2通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)7.3串行通信總線7.4USB通用串行接口標(biāo)準(zhǔn)本章小結(jié)思索題引言計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備交換信息稱(chēng)為通信。通信方式有：并行通信和串行通信;工控系統(tǒng)通信類(lèi)型依據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成層次分為3種基本通信方法：標(biāo)準(zhǔn)通信總線、現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)通信;工業(yè)限制計(jì)算機(jī)總線包括系統(tǒng)總線和通信總線。通信總線分為并行通信總線和串行通信總線7.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)主要內(nèi)容

7.1.1

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)7.1.2

數(shù)據(jù)傳輸編碼

7.1.3

多路復(fù)用技術(shù)7.1.4通信同步技術(shù)7.1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要學(xué)問(wèn)點(diǎn)1、通信系統(tǒng)構(gòu)成2、數(shù)據(jù)通信方式3、數(shù)據(jù)通信制式１、通信系統(tǒng)構(gòu)成圖７－１數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成信息源：須要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備：使不同種類(lèi)和速率的信息源與傳輸介質(zhì)相匹配傳輸介質(zhì)：是發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備之間信號(hào)傳遞所經(jīng)過(guò)的媒介。例如：電磁波，紅外線，電纜、光纜、雙絞線等接收設(shè)備：完成對(duì)發(fā)送設(shè)備的反變換2．?dāng)?shù)據(jù)通信方式

數(shù)據(jù)通信的基本傳輸方式有：（1）并行通信傳送數(shù)據(jù)的各位同時(shí)發(fā)送或接收（2）串行通信傳送數(shù)據(jù)的各位按依次一位一位進(jìn)行發(fā)送和接收?qǐng)D７-2.并行通信與串行通信數(shù)據(jù)通信制式按通信線路上信息傳送方向與時(shí)間的關(guān)系可分為３種通信制式：（１）單工通信（２）半雙工通信（３）全雙工通信圖７-3三種通信制式７.1.2數(shù)據(jù)傳輸編碼

主要學(xué)問(wèn)點(diǎn)（1）數(shù)字信息的數(shù)字信號(hào)編碼（2）數(shù)字信息的模擬字信號(hào)編碼（3）數(shù)據(jù)的傳輸方式

（1）數(shù)字信息的數(shù)字信號(hào)的編碼單極性編碼雙極性編碼歸零編碼曼徹斯特碼差動(dòng)曼徹斯特碼編碼方式很多圖７-4數(shù)字信息的數(shù)字信號(hào)編碼數(shù)字信號(hào)傳送時(shí)要求傳輸線的頻帶很寬，而長(zhǎng)距離通信時(shí)通常是電話線進(jìn)行傳送，其帶寬往往不能滿(mǎn)足要求，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的畸變。解決方法：數(shù)字信號(hào)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)（２）數(shù)字信息的模擬信號(hào)編碼圖７-5調(diào)制與解調(diào)示意圖調(diào)幅（ＡＳＫ）：用原始信號(hào)限制載波振幅變更，簡(jiǎn)潔受干擾調(diào)頻（ＦＳＫ）：用原始信號(hào)限制載波頻率變更，占用較寬頻帶，受介質(zhì)制約大調(diào)相（ＰＳＫ）：用原始信號(hào)限制載波相率變更，抗干擾性能較好正交調(diào)制（ＱＡＭ）：SAK與PSK結(jié)合。將數(shù)字信號(hào)調(diào)制為模擬信號(hào)有３種方式基帶傳輸：干脆用電脈沖信號(hào)代表數(shù)字0，1，不進(jìn)行調(diào)制，適合近距離傳輸，常用非歸零碼，曼徹斯特碼和差動(dòng)曼徹斯特碼頻帶傳輸：接受調(diào)制解調(diào)技術(shù)的傳輸形式。利用載波傳輸信號(hào)可以削減線路干擾對(duì)傳輸信號(hào)的影響，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?？梢岳枚嗦窂?fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的傳輸。異步傳輸：（3）數(shù)據(jù)的傳輸方式７.1.3多路復(fù)用技術(shù)

主要學(xué)問(wèn)點(diǎn)（1）頻分多路復(fù)用（FDM）（2）時(shí)分多路復(fù)用（TDM）多路復(fù)用技術(shù)就是多路信號(hào)在一條信道上進(jìn)行的傳輸技術(shù)，作用是把單條傳輸信道劃分成多個(gè)子信道，提高信路的利用率1頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用是將單個(gè)物理信道的頻譜分割成若干互不重疊的小頻段，每個(gè)小頻段可看成一個(gè)子信道。圖７-7物理信道的頻譜分割圖圖７-8頻分多路復(fù)用系統(tǒng)組成2．時(shí)分多路復(fù)用

時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)把信道的傳輸時(shí)間分隔成很多時(shí)間段，在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)一路信號(hào)占用整個(gè)信道帶寬進(jìn)行傳輸。為了在接收端能夠?qū)?fù)合信號(hào)進(jìn)行正確的分別，接收端和發(fā)送端的時(shí)序必需嚴(yán)格同步，否則造成信號(hào)間的混淆。

圖７-9時(shí)分多路復(fù)用系統(tǒng)原理圖3．兩種復(fù)用技術(shù)的比較（1）時(shí)分多路復(fù)用（TDM）比頻分多路復(fù)用（FDM）設(shè)備易于實(shí)現(xiàn)（2）TDM比FDM具有較高的傳輸速度（3）TDM中只須要一個(gè)MODEM（4）FDM通常須要模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，而TDM中具有明顯的數(shù)字形式，因此特殊適用于與計(jì)算機(jī)干脆相連（5）TDM能混合不同速率和同步方式的終端，能適應(yīng)新型數(shù)據(jù)通信網(wǎng)（6）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e(cuò)限制和校正操作時(shí)，TDM比FDM會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的時(shí)間延遲。FDM主要應(yīng)用在模擬通信系統(tǒng)中

７.1.4通信同步技術(shù)碼

主要學(xué)問(wèn)點(diǎn)（1）通過(guò)限制線實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方同步（2）串行異步通信（3）串行同步通信

1．通過(guò)限制線實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方同步（1）并行同步方式是指在并行通信中通過(guò)限制線實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方同步。數(shù)據(jù)收發(fā)雙方除了數(shù)據(jù)線相連外，還有限制信號(hào)線，用來(lái)傳送發(fā)送和接收裝置的狀態(tài)。（2）串行通信中，只有一對(duì)數(shù)據(jù)線，沒(méi)有限制信號(hào)線。收發(fā)雙方的同步靠同步信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。同步方式有：?jiǎn)⑼Ｍ?，與其對(duì)應(yīng)的傳輸方式稱(chēng)異步通信方式；自同步方式，與其對(duì)應(yīng)的傳輸方式稱(chēng)同步通信方式2．串行異步通信串行異步通信是一個(gè)字符一個(gè)字符地按幀傳送數(shù)據(jù)的方式起先是起始位“0”，接下來(lái)是數(shù)據(jù)位，接下來(lái)是奇偶校驗(yàn)位，最終是停止位“1”圖７-10串行異步通信的信息幀格式3．串行同步通信串行同步通信是連續(xù)傳送數(shù)據(jù)塊的方式。每次傳送n個(gè)數(shù)據(jù)塊，用一到二個(gè)同步字符表示數(shù)據(jù)傳送的起先，接下是n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)塊，字符之間不留空隙。無(wú)字符發(fā)送的時(shí)候則連續(xù)發(fā)送同步字符。同步字符可以選擇一個(gè)特殊的8位二進(jìn)制碼或兩個(gè)連續(xù)的8位二進(jìn)制碼明顯串行同步通信的傳送效率高于串行異步通信圖７-11串行同步通信信息幀格式7.2通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

7.2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)7.2.2網(wǎng)絡(luò)限制方法7.2.3差錯(cuò)限制技術(shù)7.2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)總線型結(jié)構(gòu)圖７-12網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)7.2.2網(wǎng)絡(luò)限制方法網(wǎng)絡(luò)限制方法就是探討在通信網(wǎng)絡(luò)中信息如何從源站快速正確地傳遞到目的站。網(wǎng)絡(luò)限制方法與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。有多種限制方式1查詢(xún)法2CSMA/CD3令牌傳送4存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)7.2.3差錯(cuò)限制技術(shù)由于通信線路四周電磁干擾存在，以及收發(fā)器件噪聲的影響，信息在發(fā)送、接收以及傳遞過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。通信網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)限制技術(shù)就是要?jiǎng)偤脤⒉铄e(cuò)檢測(cè)出來(lái)，并接受合適訂正措施，以確保接收信息的正確性。1錯(cuò)誤檢驗(yàn)奇偶校驗(yàn)循環(huán)冗余校驗(yàn)2訂正錯(cuò)誤

7.3串行通信總線

7.3.1

RS-232C通信總線

7.3.2

RS-422/485通信總線7.3.1RS-232C通信總線

RS-232C通信總線是1969年EIA公布的通信接口標(biāo)準(zhǔn)特地用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的串行通信。目前RS-232C接口已成為計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置如COM1COM21．信號(hào)特性、電纜長(zhǎng)度及波特率

為了確保正確地發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)和正確地執(zhí)行設(shè)備限制，RS232C標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)據(jù)和管制信號(hào)供應(yīng)了電壓標(biāo)準(zhǔn)及范圍-15V~-5V為“1”，+5V~+15V為“0”電纜長(zhǎng)度在15m之內(nèi)串行數(shù)據(jù)傳輸速率為0~20000b/s2．引腳安排及定義圖７-13RS232C引腳分配3．連接器的機(jī)械特性

7.3.2RS-422/485C通信總線由于RS232接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點(diǎn)：

（1）接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需運(yùn)用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。

（2）傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps；因此在很多程序波特率只能接受19200，也是這個(gè)緣由。

（3）接口運(yùn)用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸簡(jiǎn)潔產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

（4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺，事實(shí)上也只能用在50米左右。

為了改進(jìn)RS-232的缺點(diǎn)，EIA制定了新標(biāo)準(zhǔn)RS-449。包括RS-422和RS-485。RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺（速率低于100kb/s時(shí)），并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為T(mén)IA/EIA-422-A標(biāo)準(zhǔn)。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信實(shí)力，即允很多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)實(shí)力和沖突愛(ài)護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為T(mén)IA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。RS-4851.RS-485的電氣特性：邏輯“1”以?xún)删€間的電壓差為+（2—6）V表示；邏輯“0”以?xún)删€間的電壓差為-（2—6）V表示。接口信號(hào)電平比RS-232降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可便利與TTL電路連接。

2.RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。

3.RS-485接口是接受平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干實(shí)力增加，即抗噪聲干擾性好。

4.RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，事實(shí)上可達(dá)3000米，另外RS-232接口在總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站實(shí)力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站實(shí)力,這樣用戶(hù)可以利用單一的RS-485接口便利地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。圖7-16RS-232-C/RS-423A/RS422A接口電路圖7-17RS-485與RS-422總線的數(shù)據(jù)傳送方式7.3.3USB通用串行接口標(biāo)準(zhǔn)由于多媒體技術(shù)的發(fā)展對(duì)外設(shè)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸率有了更高的需求，因此，USB總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。USB（UniversalSerialBus)，通用串行總線，是由Conpaq，DEC，IBM，Inter，Microsoft，NEC和NorthenTelecom等公司為簡(jiǎn)化PC與外設(shè)之間的互連而共同探討開(kāi)發(fā)的一種免費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)化連接器，它支持各種PC與外設(shè)之間的連接，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字多媒體集成。

USB接口的主要特點(diǎn)是：即插即用，可熱插拔。USB連接器將各種各樣的外設(shè)I/O端口合而為一，使之可熱插拔，具有自動(dòng)配置實(shí)力，用戶(hù)只要簡(jiǎn)潔地將外設(shè)插入到PC以外的總線中，PC就能自動(dòng)識(shí)別和配置USB設(shè)備。而且?guī)捀?，增加外設(shè)時(shí)無(wú)需在PC內(nèi)添加接口卡，多個(gè)USB集線器可相互傳送數(shù)據(jù)，使PC可以用全新的方式限制外設(shè)。USB可以自動(dòng)檢測(cè)和安裝外設(shè)，實(shí)現(xiàn)真正的即插即用。而USB的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是支持“熱”插拔，即不須要關(guān)機(jī)斷電，也可以在正運(yùn)行的電腦上插入或拔除一個(gè)USB設(shè)備。USB總線標(biāo)準(zhǔn)由1.1版升級(jí)到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了240Mbps，更換介質(zhì)后連接距離由原來(lái)的5米增加到近百米。USB總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，信號(hào)定義僅由2條電源線，2條信號(hào)線組成。

1.USB的硬件結(jié)構(gòu)

USB接受四線電纜，其中兩根是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的串行通道，另兩根為下游（Downstream)設(shè)備供應(yīng)電源，對(duì)于高速且須要高帶寬的外設(shè)，USB以全速12Mbps的傳輸數(shù)據(jù)；對(duì)于低速外設(shè)，USB則以1.5Mbps的傳輸速率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。USB總線會(huì)依據(jù)外設(shè)狀況在兩種傳輸模式中自動(dòng)地動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。USB是基于令牌的總線。類(lèi)似于令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)或FDDI基于令牌的總線。USB主限制器廣播令牌，總線上設(shè)備檢測(cè)令牌中的地址是否與自身相符，通過(guò)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)來(lái)響應(yīng)。USB通過(guò)支持懸掛/復(fù)原操作來(lái)管理USB總線電源。USB系統(tǒng)接受級(jí)聯(lián)星型拓?fù)洌撏負(fù)溆扇齻€(gè)基本部分組成：主機(jī)（Host)，集線器（Hub)和功能設(shè)備。主機(jī)，也稱(chēng)為根，它做在主板上或作為適配卡安裝在計(jì)算機(jī)上，主機(jī)包含有主限制器和根集線器（RootHub)，限制著USB總線上的數(shù)據(jù)和限制信息的流淌，每個(gè)USB系統(tǒng)只能有一個(gè)根集線器，它連接在主限制器上。

7-18USB電纜定義集線器是USB結(jié)構(gòu)中的特定成分，它供應(yīng)叫做端口（Port)的點(diǎn)將設(shè)備連接到USB總線上，同時(shí)檢測(cè)連接在總線上的設(shè)備，并為這些設(shè)備供應(yīng)電源管理，負(fù)責(zé)總線的故障檢測(cè)和復(fù)原。集線可為總線供應(yīng)能源，亦可為自身供應(yīng)能源（從外部得到電源），自身供應(yīng)能源的設(shè)備可插入總線供應(yīng)能源的集線器中，但總線供應(yīng)能源的設(shè)備不能插入自身供應(yīng)能源的集線器或支持超過(guò)四個(gè)的下游端口中，如總線供應(yīng)能源設(shè)備的須要超過(guò)100mA電源時(shí)，不能同總線供應(yīng)電源的集線器連接。

功能設(shè)備通過(guò)端口與總線連接。USB同時(shí)可做Hub運(yùn)用。

2.USB的軟件結(jié)構(gòu)每個(gè)USB只有一個(gè)主機(jī)，它包括以下幾層:

(1)USB總線接口

USB總線接口處理電氣層與協(xié)議層的互連。從互連的角度來(lái)看，相像的總線接口由設(shè)備及主機(jī)同時(shí)給出，例如串行接口機(jī)（SIE）。USB總線接口由主限制器實(shí)現(xiàn)。

(2)USB系統(tǒng)

USB系統(tǒng)用主限制器管理主機(jī)與USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。它與主限制器間的接口依靠于主限制器的硬件定義。主限制器驅(qū)動(dòng)程序（HCD）這可把不同主限制器設(shè)備映射到USB系統(tǒng)中。系統(tǒng)軟件中的最高層通過(guò)UHCD的軟件接口與主限制器通信。USB驅(qū)動(dòng)程序（USBD）它在UHCD驅(qū)動(dòng)器之上，它供應(yīng)驅(qū)動(dòng)器級(jí)的接口，滿(mǎn)足現(xiàn)有設(shè)備驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的要求。USBD以I/O懇求包（IRPs)的形式供應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)，它由通過(guò)特定管道（Pipe)傳輸數(shù)據(jù)的需求組成。主機(jī)軟件在某些操作系統(tǒng)中，沒(méi)有供應(yīng)USB系統(tǒng)軟件。這些軟件原來(lái)是用于向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序供應(yīng)配置信息和裝載結(jié)構(gòu)的。在這些操作系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)用供應(yīng)的接口而不是干脆訪問(wèn)USBDI（USB驅(qū)動(dòng)程序接口）結(jié)構(gòu)。

USB系統(tǒng)還有三個(gè)基本組件（3）USB客戶(hù)軟件它是位于軟件結(jié)構(gòu)的最高層，負(fù)責(zé)處理特定USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)器?？蛻?hù)程序?qū)用枋鋈扛纱嘧饔糜谠O(shè)備的軟件入口。當(dāng)設(shè)備被系統(tǒng)檢測(cè)到后，這些客戶(hù)程序?qū)⒏纱嘧饔糜谕鈬布?。這個(gè)共享的特性將USB系統(tǒng)軟件置于客戶(hù)和它的設(shè)備之間，這就要依據(jù)USBD在客戶(hù)端形成的設(shè)備映像由客戶(hù)程序?qū)λM(jìn)行處理。

主機(jī)各層有以下功能：

檢測(cè)連接和移去的USB設(shè)備。

管理主機(jī)和USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)流。

連接USB狀態(tài)和活動(dòng)統(tǒng)計(jì)。

限制主限制器和USB設(shè)備間的電氣接口，包括限量能量供應(yīng)。

HCD供應(yīng)了主限制器的抽象和通過(guò)USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的主限制器視角的一個(gè)抽象。USBD供應(yīng)了USB設(shè)備的抽象和USBD客戶(hù)與USB功能間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)抽象。USB系統(tǒng)促進(jìn)客戶(hù)和功能間的數(shù)據(jù)傳輸，并作為USB設(shè)備的規(guī)范接口的一個(gè)限制點(diǎn)。USB系統(tǒng)供應(yīng)緩沖區(qū)管理實(shí)力