2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen1本章内容2.1工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念 2. 数据编码3. 数据传输4. 差错控制 2.2 工业网络物理结构1. 网络的传输媒介2.工业通信网络的拓扑形式 3.介质访问控制方式 2.3 开放系统互连参考模型1. OSI参考模型2. 网络互连3. 现场总线通信协议模型工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen22.1 工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念 n工业数据通信基础 l工业数据通信的基本任务 为实现真正的企业ERP提供全生命周期的设备和现场数据。工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen32.1 工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念 n工业数据通信基础 l工业数据通信的技术基础 主要涉及通信协议、信号编码、数据传输和交换、安全、通信控制 和软硬件平台等。 l工业数据通信系统的基本组成 主要由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通 信协议等组成。工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen 42.1 工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语l数据(Data)：数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字 母和符号。也可以说数据是传递（携带）信息的实体，信息 (Information)则是数据的内容或解释 模拟(Analog)数据； 数字(Digital)数据。 l信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形 式传播 模拟信号； 数字信号 。工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen52.1 工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语 l信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。 数字信道。 模拟信道。 数字通信的优点 仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。 如用modem通过拨号线 路传输数字信号。工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen62.1 工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语 l信道带宽（Band Width）l信道容量(Channel capacity) 工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen72.1 工业网络通信基础工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语 l码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元。 l数据传输速率 比特率(Bit Rate)：数据传输速率 (bps，b/s)。每妙钟传递的 bit数。 波特率（Baud Rate）：信号传输速率（baud）。每秒钟传 递的信号脉冲（波形）数。还可以说是每秒钟传送的码元数。 l误码率(Bit error rate)：信道传输的可靠性指标 P= 错误的位数 / 传输的总位数工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen82.1 工业网络通信基础2. 数据编码 n为什么要进行数据编码？ l工业数据通信的系统的任务 l通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来。编码要得到通 信各方的认同。工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen92.1 工业网络通信基础2. 数据编码 n编码种类 l不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相 应地需要进行不同的编码处理。 n编码和调制 l用数字信号承载数字或模拟数据编码 l用模拟信号承载数字或模拟数据调制工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen102.1 工业网络通信基础2. 数据编码 n数字数据的数字编码 l定义：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的0、1状态。 l数字编码的种类有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、 差分码、Manchester编码等。 l非归零码 l曼彻斯特编码工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen112.1 工业网络通信基础2.数据编码 n数字数据的调制编码 l定义：用模拟信号来表示数据的0、1状态。 l常用技术 幅移键控，调幅 频移键控，调频。 相移键控，调相 l基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 l举例说明： PSK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v) FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)。现场总 线的HART通信信号采用这种编码方式。 PSK：用载波的起始相位的变化表示0 (同相)和1(反相)工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen122.1 工业网络通信基础3. 数据传输 n 数据通信方式（数据流动方向） l 单工 l 半双工 l全双工 n 数据传输方式 l 串行传输 l 并行传输工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen132.1 工业网络通信基础3. 数据传输 n 数据传输方式l在数据通信系统中，各种处理工作都是在一定的时序脉冲控制下 进行的，收发端工作的协调一致性是实现信息传输的关键，这就 是数据通信系统中的传输同步问题。 并行通信 串行通信 l异步传输和同步传输是解决串行通信同步传输的方法。工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen142.1 工业网络通信基础3.数据传输 n数据传输方式 l异步传输 异步传输使用的是字符同步方式。 l同步传输工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen152.1 工业网络通信基础3.数据传输 n数据同步方式 l位同步（bit synchronous）：目的是使接收端接收的每一位信 息都与发送端保持同步。面向位块的同步传输 l面向字符块的同步传输工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen162.1 工业网络通信基础3.数据传输 n信号传输模式 l基带传输 l载波传输 l频带传输 l异步转移模式工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen172.1 工业网络通信基础4. 差错控制 n产生差错的原因： l信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变； l信号反射； l串扰； l闪电、大功率电机的启停等。 线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。 n如何提高通信质量？ l采用高质量的通信线路 l在外部采取抗干扰措施工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen182.1 工业网络通信基础4. 差错控制 n如何提高通信质量？ l采用差错控制方法 一种软的控制技术。它容忍差错的存在，但能够发现，并设法加以 纠正。这是普遍采用的提高通信质量的方法。 原理 检测码 纠错码工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen192.1 工业网络通信基础4. 差错控制 n奇偶校验（Parity Checking）l原理 l举例：原始数据=1100010，采用偶校验。则增加校验位后的数据为11100010若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错 误。 l判断结果：奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特 位错则无能为力。工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen202.1 工业网络通信基础4. 差错控制 n循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check）一种通过多项式除法检测错误的方法。l检错思想 l校验和计算方法 若G(x)为r阶，原帧为m位，其多项式为M(x)，则在原帧后面 添加r个0，帧成为m+r位，相应多项式xr M(x) 按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于xr M(x) 的位串， 得出余数 按模2加法把xr M(x) 的位串与余数相加，结果就是要传送的 带校验和的帧的多项式T(x)T(x) = xrM(x) + xrM(x) MOD2 G(x) 工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen212.1 工业网络通信基础4. 差错控制 n循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check） l举例工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen222.1 工业网络通信基础4. 差错控制 n循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check） l请再做一个验证： 传送数据为：110011 多项式比特序列为：11001（最高阶为4） 带有CRC检验码的接收比特序列为：1100111001 l其实CRC中的生成多项式不是随便选定的。它的结构和检错效果是要经 过严格的数学分析与实验后确定的。目前已有多种生成多项式被列为了 国际标准，如：CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x1+1 CRC-16 G(x)=x16+x15+x2+1 lCRC错误检测方法大约能检查出99.95%以上的错误。工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen232.1 工业网络通信基础4. 差错控制n海明码 l海明码是一种可以纠正一位差错的高效率线性分组纠错码。 l海明吗有一套较为复杂的编码、检错和纠错方法。 l海明距离 l海明码的检错和纠错能力可以用海明距离来表示，海明距离越大，检错 和纠错能力也越强，但所需要冗余的信息也越多。 如果需检测出d个错误，则海明距离至少应为d+1； 如果要能纠正d个错误，则编码集中的海明距离至少应为2d+1。工业网络与通信 基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen242.2 工业网络物理结构网络的传输媒介有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。 无线传输介质：包括无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。工业通信中常用的是有线传输介质。 n双绞线（twisted pair) l什么是双绞线？作用？ l计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。 屏蔽双绞线(STP，Shielded Twisted Pair) 特点