第10章 控制网络技术 本章要点：1数据通信有关通信方式、制式、编码编码 、复用、同步及传输传输 介质质等基础础知识识。 2网络络拓扑结结构、网络络控制方法、差错错控制技术术及网络络体系结结构。 3串行通信总线中的RS-232C通信总线与RS-422/485通信总线。 本章主要内容 引言 10.1 数据通信基础础 10.2 通信网络络技术术 10.3 网络络体系结结构 10.4 串行通信总线总线 本章小结 思考题 随着计计算机、通信、网络络、控制等学科领领域的 发发展，控制网络络技术术日益为为人们们所关注。控制网络络 ，即网络络化的控制系统统，简简称工控网。正是借助于 计计算机网络络，单单台的工业业控制计计算机被连连成多处处理 器结结构，使系统统在实现实现 分散控制的同时时，还还能够够达 到集中监视监视 、集中管理和资资源共享的目的。 控制网络络技术术源于计计算机网络络技术术，因此，控制网 络络一方面与一般计计算机网络络有许许多共同之处处，另一 方面又具有其特殊的可靠性高、实时实时 性好及互操作 性好的特点。10.1 数据通信基础 计计算机网络络就是利用通信线线路和通信设备设备 ，把分 布在不同地理位置上的具备备独立功能的多台计计算机 、终终端及其附属设备连设备连 接起来的一种网络络。配以相 应应的网络软络软 件，使网络络用户户能够够共享网络络中的硬件 、软软件和数据等资资源。数据通信是计算机控制网络的基础。因此，首先 应了解数据通信的基本概念。 10.1.1 数据通信系统 1通信系统统构成计算机与计算机或设备之间的数据交换称为数据通 信。数据通信的实质是以计算机为中心，通过某些通 信线路与设备，对二进制编码的字母、数字、符号 以及数字化的声音、图象信息进行的传输、交换和 处理。一个数据通信系统主要由以下五部分组成， 如图10-1所示。 图10-1 数据通信系统的构成 （1）报报文：报报文即需要传传送的数据，它可以是文 本、数字、图图像、声音等，或上述内容的组组合。（2）发送设备：可以是计算机、工作站、电话机、 摄像机等。 （3）接收设备设备 ：可以是计计算机、工作站、电话电话 机 、电视电视 机等。（4）传输传输 介质质：发发送设备设备 与接收设备设备 之间间的物理 通路，如双绞线绞线 、同轴电缆轴电缆 、光纤纤、无线电线电 波等 。（5）通信协议协议 ：控制数据通信的一系列规则规则 。发发 送与接收设备设备 都要按相同的通信协议协议 工作，如同两 个谈话谈话 的人使用同一种语语言一样样。数据通信过过程一般按以下步骤进骤进 行：（1）数据打包。数据打包就是对对需要传传送的数据进进 行包装，形成数据包或报报文。报报文内除了数据本身外 ，还还有报头报头 、报报尾等一些附加信息，如报报文说说明、 长长度、校验验等。（2）数据转换转换 与编码编码 。数据转换转换 与编码编码 就是对报对报 文作适当变换变换 ，以适应传输应传输 要求。如串行通信中的 并串转换转换 ，0、1的传输编码传输编码 (归归零编码编码 、不归归零编编 码码等)、信号电电平的选择选择 ，以及信号的调调制形式等。（3）数据传输传输 。经过转换经过转换 与编码编码 后，将代表报报文的 信号(数字信号或模拟拟信号)放到传输传输 介质质上，发发往接 收设备设备 。（4）数据转换转换 与译码译码 。接收设备设备 将接收到的信号经经 转换转换 与译码译码 后，形成报报文。（5）数据解包。接收设备根据数据打包时的协议从 报文中去除附加信息，得到最终需要的数据。 2数据通信方式 数据通信的基本传输传输 方式有并行通信和串行通信两 种。（1）并行通信并行通信是指所传送数据的各位同时发送或接收。 数据有多少位，就要多少根传输线，如图10-2(a)所示 。 压力、位置、角度信号等。这就要求在实施控制 时，不仅要考虑信号的幅度，还要考虑到信号的极性 。为此，在对A/D转换后的数据和D/A转换前的数据进 行处理前，必须根据数据的极性先进行预处理，才能 保证得到正确的结果。系统中有的输入信号是单极性的，而输出信号则 要求是双极性的，如流量、压力等控制回路；有的则 是要求输入和输出信号都是双极性的，如位置、角度 等控制回路。下面就这两种情况分别加以讨论。1输入、输出信号同为双极性在输入、输出都是双极性信号的控制系统中，程 序处理的输入和输出数据不仅反映信号幅度的大小，图10-2并行通信与串行通信 计算机中表示数据的最基本单位是位(bit)，但为了处理的 方便与快捷，往往将多个位一起使用，形成一个字(word) 或字节(byte)。并行通信时常以字节为单位进行信号连接 与数据传送，由于一个字节为8位(8bit)，故最少需要8条 数据线。并行通信的特点是传送速度快，但由于连线较多 致使成本高，只适合于近距离计算机或设备之间的数据通 信。如计算机与打印机之间通常采用并行通信方式。另外 ，在过程控制系统中，处于同一机柜内的主计算机(上位 机)与通道计算机(下位机)之间也常用并行通信方式传送数 据。 （2）串行通信串行通信是指所传送数据的各位按顺序一位一位地发送 或接收，如图10-2 （b）所示。其特点是只需一对传输线，适合于长距离 传输，但通信速度较并行通信时慢。随着通信技术的发 展，串行通信速度不断提高，使得计算机网络通信普遍 采用串行通信方式。计算机控制系统中各站间的数据传 递及与信息管理系统间的数据交换都采用了串行通信方 式。波特率（Baud Rate）是串行通信中的一个重要的指 标。它定义为每秒钟传送二进制数码的位数，单位是位 每秒，用bps、bit/s或b/s表示。在串行异步通信中，波特率为每秒传送的字符数与 每个字符位数的乘积。例如，如果每秒传送的速率为120 字符/s，而每个字符包含10位(1个起始位、7个数据位 、 l位奇偶校验、l位停止位)，则波特率为：120字符/s 10b/字符 = 1200bps现在异步通信的波特率可达100Mbps，当采用光纤作为 传输介质时，传输波特率更高。3数据通信制式按通信线线路上信息传传送方向与时间时间 的关系，可分 为为三种通信制式：单单工通信、半双工通信和全双工通 信。如图图10-3所示。（1）单单工制式在单单工制式下，通信线线的一端接发发送器，另一端接接 收器，它们们形成单单向连连接，只允许许数据按照一个固定的 方向传传送。如图图10-3(a)所示，数据只能由甲站传传送到乙 站。 （2）半双工制式在半双工制式下，系统统中的两个站都由一个发发送器 和一个接收器组组成，通过过收发发开关接到一根通信线线上 ，如图图10-3（b）所示。在这这种制式下，数据能从甲站 传传送到乙站，也能从乙站传传送到甲站，但是不能同时时 在两个方向上传传送，只能交替的发发送和接收。其收发发 开关是由软软件控制的电电子开关，通过过半双工协议进协议进 行 功能切换换的。图10-3三种通信制式 动画链接（3）全双工制式 在全双工制式下，两个站的每端都含有发送器和接收器 ，通过两条通信线可以同时传送两个方向的数据流，而 不是交替进行，如图10-3 (c)所示10.1.2 数据传输编码传输编码数据通信中需要传输数据信息，而信息必须转换为数 字的或模拟的信号后才能通过通信线路传送，这种信息 转换称为传输编码。它有多种方式，这里只讨论数字信 息的数字信号编码与数字信息的模拟信号编码两种。 1数字信息的数字信号编码 在众多数字信息的数字信号编码编码 方法中，这这里 仅仅介绍绍常用的几种：单单极性编码编码 方法、不归归零编编 码码方法及归归零编码编码 方法中的曼彻彻斯特码码与差动动曼 彻彻斯特码码，如图图10-4所示。单单极性码码如图图10-4(a)所示，它是编码编码 中最简单简单 、最原始的一种。单单极性码码用一种电电平代表“1”， 用另一种电电平代表“0”，而且通常其中的一种电电平( 如“0”对应对应 的电电平)为为0V。但由于单单极性码码具有直 流成分且不含同步信息，影响了单单极性码码的应应用。双极性码码如图图10-4(b)所示，它使用正、负负两种电电 平，因此有效地减小了传输线传输线 上的直流分量，但不 归归零码码仍然没有彻彻底解决信号同步问题问题 。归归零编码编码 如图图10-4(c)所示，它使用正、负负、零三 种电电平，信号在数据位的中间发间发 生变变化。“正”到“零 ”的跳变变代表“1”，“负负”到“零”的跳变变代表“0”。归归零 码较码较 好地解决了信号同步问题问题 ，但由于每一位数据 都要产产生两次跳变变，因此占用更多的带宽带宽 。曼彻彻斯特码码如图图10-4(d)所示，它也是在数据位的 中间产间产 生跳变变，用该该跳变变的方向表示数值值。“负负”到 “正”的跳变变代表“1”，“正”到“负负”的跳变变代表“0”。 该该跳变还变还 被用作信号同步，即编码编码 数据中自带时钟带时钟 信息，保证证了收发发双方的绝对绝对 同步。以太网中就使 用了曼彻彻斯特码码。差动曼彻斯特码如图10-4(e)所示，它用数据位中 间的跳变携带同步信息，但由数据位起始处是否有 跳变来传递数值。有跳变表示“0”，无跳变表示 “1”。令牌环网中就使用了差动曼彻斯特码。图10-4(f)、(g)分别表示接收端从编码数据中分 离出的解码时钟与解码数据。 图10-4数字信息的数字信号编码 2数字信息的模拟信号编码 数字信号传传送时时要求传输线传输线 的频带频带 很宽宽，而在长长距 离通信时时，通常是用电话线进电话线进 行传传送的，其带宽带宽 往往 不能满满足要求，这时这时 会产产生信号的畸变变，而且数据通信 速率越高信号畸变变越严严重。一种解决方案是采用数字信息的模拟信号转换技术 将数字信号传输变为模拟信号传输，称为信号调制。在 数据接收端还要将模拟信号复原为数字信息，称为解调 ，如图10-5所示。完成调制与解调的装置称为调制解调 器(MODEM)。 图10-5 调制与解调示意图 将数字信号调制为模拟信号有三种方式：调幅、调 频与调相，如图10-6所示。 图10-6 三种调制信号 调调幅又称调调幅键键控ASK（Amplitude Shift Keying) ，就是用原始数字信号去控制载载波的振幅变变化，这这种 调调制是利用数字信号的1或0去接通或断开连续连续 的载载波 。图图中，正常幅度的正弦波表示1，幅度为为0的表示0 。调调幅方式很容易受干扰扰信号的影响，因此仅仅用于非 常低速的信号传输传输 ，或与其他调调制方式(如相位调调制) 结结合使用。调频又称调频键控FSK（Frequency Shift Keying) ，就是用原始数字信号去控制载波的频率变化，如用 一种频率的正弦波信号表示1，而用另一种频率（通常 为低频）的正弦波信号表示0。调频方式可以削弱干扰 对信号的影响，但它占用较宽的频带，受传输介质制 约较大。 调调相又称调调相键键控PSK（Phase Shift Keying），就 是用原始数字信号去控制载载波的相位变变化，最简单简单 的 调调相方法是使正弦波相位相差180来表示0和1。图图中， 相位为为0的正弦波信号表示1，相位为为180（反相）的 正弦波信号表示0，这这种方式称为为2-PSK方式。调调相方 式比调调幅方式有较较好的抗干扰扰能力，比调频调频 方式节节省 带宽带宽 ，因此得到广泛应应用。更复杂的调制称为正交调制QAM，它是ASK与 PSK的结合。QAM方式可以有效提高数字信号的传送 速率，也是目前MODEM中普遍使用的方法。 3基带传输带传输 与频带传输频带传输按照传输线传输线 上信号的种类类，数据通信可以分为为基 带传输带传输 与频带传输频带传输 。所谓谓基带带，是指电电信号所固有的频带频带 。所谓谓基带带 传输传输 ，是指直接用电电脉冲信号代表数字信号0或1进进 行传输传输 。基带传输带传输 的优优点是安装、维护维护 投资资小，但 存在信息传传送容量小，每条传输线传输线