计算机控制系统中的网络与通信技术.ppt

1、第6章 计算机控制系统中的网络与通信技术,Network and CommunicationTechnology of Computer Control System,2018/10/18,计算机控制技术,2,本章主要内容,计算机网络概述 数据通信技术 工业控制计算机网络与通讯,6.1 Unit 1,计算机网络概述 Introduction of Computer Network,2018/10/18,计算机控制技术,4,本节主要内容,计算机网络的定义 计算机网络的分类 计算机网络的协议层次模型 计算机局域网 计算机网络互联设备,2018/10/18,计算机控制技术,5,6.1 .1计算机网络

2、的定义,计算机网络是指把若干台地理位置不同且具有独立功能的计算机或设备，通过通讯设备和线路相互连接起来，以实现信息的传输和资源共享的一种计算机系统。 网络中的各台计算机或设备（或称为节点）之间相互通信 ，并能实现资源共享。 资源包括硬件资源、软件资源和数据库资源。,2018/10/18,计算机控制技术,6,6.1.2 计算机网络的分类（1）,局域网LAN（Local Area Network) 计算机硬件设备不大、通信线路不长、采用单一的传输介质、覆盖范围小。,区域网MAN (Metropolitan Area NetWork) 通常覆盖一个区域城市，又称城域网。,广域网WAN（Wide Ar

3、ea Network) 不仅可以把多个局域网连在一起，也可以把世界各地的局域网连在一起，传输装置和媒体由电信部门提供。,1.按网络的跨度分类,计算机控制系统中一般采用局域网或局域网的互连。,2018/10/18,计算机控制技术,7,6.1.2 计算机网络的分类（2）,2.按网络的拓朴结构分类 网络拓扑结构定义：在计算机通信网络中，网络的拓扑(Topology)结构是指网络中的各台计算机、设备之间相互连接的方式。,2018/10/18,计算机控制技术,8,6.1.2 计算机网络的分类（3）,按网络的拓朴结构分类： 星形网 : 以一台中心处理机为主而构成的网络，其他入网的计算机仅与该中心处理机之间

4、有直接的物理链路，中心处理机采用分时的方法为入网机器服务。 总线型网:所有入网机器共用一条传输线路，机器通过专用的分接头接入线路。由于线路对信号的衰减作用，总线形网仅用于有限的区域，常用于组建局域网。,2018/10/18,计算机控制技术,9,6.1.2 计算机网络的分类（4）,按网络的拓朴结构分类： 环形网 :入网机器通过中继器接入网络，每个中继器仅与两个相邻的中继器有直接的物理线路，所有的中继器及其物理线路构成了一个环状的网络系统，环形网也是局域网的一种主要形式。 网状网络:利用专门负责数据通信和传输的节点机构成的网络，入网机器直接接入节点机进行通信，网状网络主要用于地理范围大、入网机器多

5、的环境，例如构造广域网。,2018/10/18,计算机控制技术,10,6.1.2 计算机网络的分类（5）,3.按管理性质分类,专用网：,公用网：,由电信部门组建、管理和控制，网络内的传输和转换可供任何部门和个人使用；公用网常用于远程网络的构建，支持用户的远程通信 。,由用户部门组建经营的网络，不允许其它用户和部门使用；由于投资因素，专用网常为局域网或者是通过租借电信部门的线路而组建的广域网。,2018/10/18,计算机控制技术,11,6.1.2 计算机网络的分类（6）,4.按信息交换方式分类,报文交换网：,分组交换网：,电路交换网：,类同报文交换技术，但规定了交换机处理和传输数据的长度（称之

6、为分组），不同用户的数据分组可以交织出现在网络中的物理链路上传输。,类同电话方式，具有建立链路、数据传输和释放链路三个阶段；通信过程中，自始至终占用该链路。且不允许其它用户共享其信道资源。,交换机采用具有“存储转发”能力的计算机，用户数据可以暂时保存在交换机内，等待线路空闲时，再进行用户数据的一次传输。,2018/10/18,计算机控制技术,12,6.1.2 计算机网络的分类（7）,5.按逻辑功能分类,通信子网 网络中面向数据通信的资源集合，主要支持用户数据的传输；该子网包括传输线路、交换机和网络控制中心等硬件设施。,资源子网 网络中面向数据处理的资源集合，主要支持用户的应用；该子网由用户的主

7、机资源组成，包括接入网络的用户主机，以及面向应用的外设（例如终端）、软件和可共享的数据（例如公共数据库）等 。,2018/10/18,计算机控制技术,13,6.1.3 计算机网络的协议层次模型（1）,计算机网络体系结构的实质 定义和描述一组用于计算机及其通讯设施之间互连的标准和规范的集合，遵循这组规范可以很方便的实现计算机设备之间的通讯。 制定标准和协议的目的 能够支持异种计算机间的互连与通信 能够支持多种通信媒体 能够支持多种处理业务 能够支持高级的人机接口 具有可扩充能力,2018/10/18,计算机控制技术,14,6.1.3 计算机网络的协议层次模型（2）,七层模型示意图,2018/10

8、/18,计算机控制技术,15,6.1.3 计算机网络的协议层次模型（3）,1.OSI(开放系统互连 )模型 物理层 （Physical Layer） 提供了建立网络的物理及电气连接特性，如双绞线电缆、光缆、同轴电缆、连接器等等。可以认为这一层是一个硬件层，通常做成芯片，印刷电路板（网络适配器）和电缆等。,2018/10/18,计算机控制技术,16,6.1.3 计算机网络的协议层次模型（4）,数据链路层（Data Link Layer） 介质存取控制（MAC）层：MAC子层负责网络访问（无论是令牌传递还是带冲突的逻辑链路控制检测）和网络控制。 逻辑链路控制（LLC）层。 LLC子层工作于MAC子

9、层之上，主要负责发送和接收用户的数据信息。这一层的大部分或全部内容由网络适配器上的芯片实现，而再往上的各层则是由软件（网络驱动器）来实现的。,2018/10/18,计算机控制技术,17,6.1.3 计算机网络的协议层次模型（5）,网络层 （Network Layer） 这一层切换路由信息包，使之到达它们的目的地。网络层负责寻址及传送信息包。 传输层 （Transport Layer） 当同一时刻有多个信息包在传送时，传输层将控制信息报文组成部件的顺序并规范输入的信息流。如果来了一个重复的信息包，传输层将识别出它是重复的并将其丢弃。,2018/10/18,计算机控制技术,18,6.1.3 计算机

10、网络的协议层次模型（6）,会话层（Session Layer） 这一层的功能是使运行于两个工作站上的应用程序能够协调其间的通信使之成为一个独立的会话，可以把它当作是一个高度结构化的对话。会话层负责会话的建立，支持会话期间对信息包的发送与接收的管理及结束会话。,2018/10/18,计算机控制技术,19,6.1.3 计算机网络的协议层次模型（7）,表示层（Presentation Layer） 当各种计算机打算彼此传送信息时，表示层可将数据转换为机器内部的数字格式或者完成其逆过程。 应用层（Application Layer） OSI模型中的这一层可以被应用程序使用。一条将要通过网络传输的信息报

11、文在这一层进入OSI模型向下一层传送，最后传输至物理层，并在打包后传输至其它工作站。之后由目的工作站的物理层向上传送，经过那个工作站中的应用层直至到达需要这份信息报文的应用程序。,2018/10/18,计算机控制技术,20,6.1.3 计算机网络的协议层次模型（8）,2.层间协议 OSI中的层间通信具有两种含义 相邻层之间的通信 发生在相邻的上下层之间，属于局部问题。标准中定义了通信的内容，未规定这些内容的具体表现形式和层间通信实现的具体方法 对等层之间的通信 发生在不同开放系统的相同层次之间，属于对等层实体之间的信息交换，以保证相应层次功能的实现和服务的提供。标准中利用定义协议来规定对等层之

12、间的交换信息格式和交换时序,2018/10/18,计算机控制技术,21,6.1.3 计算机网络的协议层次模型（9）,在OSI环境中，对等层之间的通信是目的，相邻层之间的通信是手段,2018/10/18,计算机控制技术,22,6.1.4 计算机局域网络（1）,LAN的定义 是允许中等地域的众多独立设备通过中等速率的物理信道直接互连可进行通信的数据通信系统。 描述和比较LAN的因素 传输媒体：即用于附接网络设备的电缆类型 传输技术：使用传输媒体进行通信的技术 网络拓补：指组网时的电缆铺设形式 访问控制方法：网络设备访问传输媒体的控制方法,2018/10/18,计算机控制技术,23,6.1.4 计算

13、机局域网络（2）,1.局域网的拓扑结构 星形结构 星形结构由中央结点和分支结点所构成，各个分支结点均与中央结点具有点到点的物理连接，分支结点之间没有直接的物理通路。,2018/10/18,计算机控制技术,24,6.1.4 计算机局域网络（3）,星形结构 通信方式：任何两个分支结点之间的通信都要通过主结点，该主结点集中来自各分支结点的信息，按照一种集中式的通信控制策略，把集中到主结点的信息转发给相应的分支结点 。 主结点的信息存储容量大，通信处理量大，硬、软件较复杂。 各分支结点的通信处理负担却较小，只需具备简单的点到点的通迅功能 。,2018/10/18,计算机控制技术,25,6.1.4 计算

14、机局域网络（4）,星形结构 典型的网络系统是基于电路交换的电话交换网。 优点：星形拓扑结构属于集中型网络，易于将信息流汇集起来，从而提高全网络的信息处理效率，适用于各站之间信息流量较大的场合。 缺点：可靠性较低，如果主结点发生故障，那么将影响全网络的通信。,2018/10/18,计算机控制技术,26,6.1.4 计算机局域网络（5）,总线结构 采用无源传输媒体作为广播总线，利用电缆抽头将各种入网设备接入总线；为了防止传输信号的反射，总线两端使用终接器（也称终端适配器）。,2018/10/18,计算机控制技术,27,6.1.4 计算机局域网络（6）,总线结构 通信方式：各个结点将依据一定的规则分

15、时地使用总线来传输数据，发送结点发送的数据帧沿着总线向两端传播，总线上的各个结点都能接收到这个数据帧，并判断是否发送给本结点，如果是，则该数据帧保留下来，否则丢弃该数据帧。 总线形网络的“广播式”传输是依赖于数据信号沿总线向两端传播的特性来实现的。 总线形结构属于分散型网络，其结构灵活，易于扩展。一个站发生故障不会影响其它站的工作，可靠性高。 但传送距离短。,2018/10/18,计算机控制技术,28,6.1.4 计算机局域网络（7）,环形结构 环接口设备通过传输媒体串接形成闭合环路，它们之间具有点到点的连接，入网设备通过环接口设备接入环路,2018/10/18,计算机控制技术,29,6.1.

16、4 计算机局域网络（8）,环形结构 所有分散结点用通信线路连接成环形网，通过逐个结点传递来达到线路共用，网上信息沿单方向围绕着线路进行循环(顺时针或逆时针)。 优点：环形拓扑结构属于分散型网络，环形网的信号经每个中继器整形、放大后再传送，不但传送距离远。而且能保证信号的质量。 缺点：一旦有一个中继器出现故障，就会导致环路的断路，使全网限于瘫痪，另外因为它是共用通信线路，所以不适用于信息流量大的场合。,2018/10/18,计算机控制技术,30,6.1.4 计算机局域网络（9）,混合形结构 混合形结构是将上述各种拓补混合起来的结构，常见的有树形、环星形等。,2018/10/18,计算机控制技术,

17、31,6.1.4 计算机局域网络（10）,选择拓补结构的考虑 费用 除传播媒体和所需设备本身的费用之外，还应包括安装费用等 灵活性 设备的更新、移动和增删结点的方便性 可靠性 主要包括媒体接触以及个别结点故障对整个网络的影响，应使故障检测和故障隔离较为方便,2018/10/18,计算机控制技术,32,6.1.4 计算机局域网络（11）,2.局域网网络协议 根据IEEE802标准，LAN协议参照了OSI模型的物理层和数据链路层，并没有涉及到第三层至第七层。 从应用层到网络层的高层功能完全由软件来实现，它提供了两个站之间的端端服务。而最低两层（物理层和链路层）功能上基本上有硬件来完成。 LAN协议

18、把链路层又分成逻辑链路控制层LLC和介质访问控制层MAC。,2018/10/18,计算机控制技术,33,6.1.4 计算机局域网络（12）,(1).物理层：在发送和接收时，对数据（信息）位流进行编码或解码。根据IEEE802标准，基带传输采用曼彻斯特编码或差动曼彻斯特编码，传输介质为双绞线或同轴电缆，对于采用CSMA/CD技术的网络进行载体监听和冲突检测。 (2)逻辑链路控制层 逻辑链路控制层(LLC)采用IEEE802标准。LLC为高层服务，向上提供高层接口。在发送时，把数据装配成带有站地址段、控制段、信息段和CRC段的帧。在接受时，拆卸帧，执行站地址识别，CRC校验，并把接收数据传送给上层

19、。LLC向下提供介质访问控制层的接口。,2018/10/18,计算机控制技术,34,6.1.4 计算机局域网络（13）,(3).介质访问控制层 功能：合理解决信道的分配。 常用的介质访问控制方式有三种： 冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD） 令牌环（Token Ring）； 令牌总线（Token Bus）。,2018/10/18,计算机控制技术,35,6.1.4 计算机局域网络（14）, 冲突检测的载波侦听多路访问(CMSA/CD) CSMA/CD又称随机访问技术或争用技术。主要用于总线形网络。 工作原理是：当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正发送信息，若没有则立即发

20、送；否则，即网络中已有某结点发送信息（信道被占用），该结点就需要等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。 多个结点共同使用同一条线路，任何结点发送信息前都必须先检查网络的线路是否有信息传输。,2018/10/18,计算机控制技术,36,6.1.4 计算机局域网络（15）,CSMA/CD技术中，需解决信道被占用时 和 两个问题。 确定等待时间的方法： 当某结点检测到信道被占用后，继续检测下去，待发现信道空闲时，立即发送。 当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，直到信道空闲，开始发送。,等待占用的时间,信息冲突,2018/10/18,计算机控制技术,37,6.1.4

21、计算机局域网络（16）,冲突检测的解决办法：当某结点开始占用网络信道发送信息时，该点再继续对网络检测一段时间，也就是说该点一边发送一边接收，且把收到的信息和自己发送的信息进行比较，若比较结果相同，说明发送正常进行，可以继续发送；若比较结果不同，说明网络上还有其它结点发送信息，引起数据混乱，发生冲突，此时应立即停止发送，等待一个随机时间后，再重复以上过程。,2018/10/18,计算机控制技术,38,6.1.4 计算机局域网络（17）,CMSA/CD方式特点： 原理较简单，且技术上较易实现。 网络中各结点处于同等地位，无需集中控制。 不能提供优先级控制，所有结点都有平等竞争的能力，在网络负载不重

22、的情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发送信息的等待时间加长，效率显著降低。,2018/10/18,计算机控制技术,39,6.1.4 计算机局域网络（18）, 令牌环（Token Ring） 令牌环（Token Ring）全称是令牌通行环（Token Passing Ring），仅适用于环形网络结构。 在这种方式中，令牌是控制标志，网中只设一张令牌，只有获得令牌的结点才能发送信息，发送完后，令牌又传给相邻的另一个结点。,2018/10/18,计算机控制技术,40,6.1.4 计算机局域网络（19）,令牌传递的方法： 令牌依次沿每个结点传送，使每个结点都有平等发送信息的机会。 令牌有“空”

23、和“忙”两个状态。“空”表示令牌没有被占用，“忙”表示令牌正在携带信息发送。 当“空”的令牌传送至正待发送信息的结点时，该结点立即发送信息并置令牌为“忙”状态。在一个结点占令牌期间；其它结点只能处于接收状态。 当所发信息绕环一周，并由发送结点清除，“忙”令牌又被置为“空”状态，绕环传送令牌。 当下一个结点要发送信息时，则下一个结点便得到这一令牌，并可发送信息。,2018/10/18,计算机控制技术,41,6.1.4 计算机局域网络（20）,令牌环的优缺点： 优点：能提供可调整的访问控制方式，能提供优先权服务，有较强的实时性。 缺点：需要对令牌进行维护，且空闲令牌的丢失将会降低环路的利用率；控制

24、电路复杂。,2018/10/18,计算机控制技术,42,6.1.4 计算机局域网络（21）, 令牌总线（Token Bus） 令牌总线方式主要用于总线形式中。 工作原理：它把总线传输介质上的各个结点形成一个逻辑环，即人为地给各结点规定一个顺序(例如，可按各结点号的大小排列)。逻辑环中的控制方式类同于令牌环。,2018/10/18,计算机控制技术,43,6.1.4 计算机局域网络（22）,令牌总线优缺点 ： 优点： 吞吐能力大，吞吐量随数据传输速率的提高而增加； 控制功能不随电缆线长度的增加而减弱； 不需冲突检测，故信号电压可以有较大的动态范围； 具有一定的实时性。 采用总线方式网络的连网距离较

25、CSMA/CD及Token Ring方式的网络远。 缺点: 结点获得令牌的时间开销较大，一般一个结点都需要等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。,2018/10/18,计算机控制技术,44,6.1.4 计算机局域网络（23）,（4）LAN网络适配器 LAN网络适配器是实现LAN物理层和链路层的硬件接口板。只需选用几片LAN协议专用的集成电路芯片，再外加一部分辅助电路或存储器，就可以设计一块符合IEEE802标准的LAN网络接口板。,2018/10/18,计算机控制技术,45,6.1.4 计算机局域网络（24）,3.传输媒体 用于局域网的传输媒体主要有有线传输和无线传输两类 有线传输 双绞线 同

26、轴电缆 光导纤维（光纤） 无线传输 微波、红外线和激光,2018/10/18,计算机控制技术,46,6.1.4 计算机局域网络（25）,4.传输技术 基带传输 保持数据波的原样进行传输称为基带传输，此时的数据信号为电子或者光脉冲 基带传输不适合于高速和远距离传输，除非传输媒体的性能很好（如光纤） 宽带传输 采用调制的方法，以连续不断的电磁波信号来传输数据信号的方法称为宽带传输 宽带传输可以提供较高的传输速率和抗干扰能力,2018/10/18,计算机控制技术,47,6.1.5 计算机网络互联设备（1）,1.中继器 负责两个结点的物理层按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的

27、长度。 2.集线器 一种特殊的中继器，作为网络传输介质的中央结点，它克服了介质单一通道的缺陷。 以集线器为中心的优点是：当网络系统中的某条线路或节点出现问题时，不会影响网上其它结点的正常工作。,2018/10/18,计算机控制技术,48,6.1.5 计算机网络互联设备（2）,3.网桥 网桥是连接两个局域网的设备，工作在数据链路层，用它可以完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。 网桥是为各种局域网存储转发数据而设计的，网桥可以将不同的局域网连在一起，组成一个扩展的局域网。,2018/10/18,计算机控制技术,49,6.1.5 计算机网络互联设备（3）,4.交换机 交换机是一种具有使用简单、

28、价格低、性能高等特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术，和网桥一样也是工作在数据链路层。 与网桥相比不同点是：交换机存储转发延迟小，远远超过了网桥互联网络之间的转发性能。,2018/10/18,计算机控制技术,50,6.1.5 计算机网络互联设备（4）,5.路由器 路由器是一种典型的网络层设备，它在两个局域网之间转发数据包，完成网络层的中继任务，路由器负责在两个局域网的网络层间按包传输数据。 路由器的主要工作是为经过路由器的每个数据包寻找一条最佳传输路径，并将该数据包有效地传送到目的站点。,2018/10/18,计算机控制技术,51,6.1.5 计算机网络互联设备（5）,6.网关 网关是

29、连接两个协议差别很大的计算机网络时使用的设备。它可以将具有不同体系结构的计算机网络连接在一起，网关属于最高层（应用层）的设备。 有些网关可以通过软件来实现协议的转换，并起到与硬件类似的作用，但这是以消耗机器的资源为代价来实现的。,6.2 Unit 2,数据通信技术 Data Communication Technology,2018/10/18,计算机控制技术,53,本节主要内容,数据通讯的基础知识 数据通信中的检错与纠错,2018/10/18,计算机控制技术,54,6.2 .1数据通信的基础知识 (1),1.数据通信概述 计算机与计算机之间、计算机与仪器设备之间的数据交换称为数据通信。 需要

30、一个通信网络(如电话交换网、用户电报网及专用通信网络)来传输数据信号，并且与数据处理相关。,2018/10/18,计算机控制技术,55,6.2 .1数据通信的基础知识 (2),(1)通信系统模型 任何一个通信系统都可以借助如图所示的通信系统模型来抽象地进行描述。,2018/10/18,计算机控制技术,56,6.2 .1数据通信的基础知识 (3),(2)模拟通信、数字通信和数据通信 通信传输的信息 语音、图像、文字、数据等 信息的类别 连续信息 信息的状态随时间而连续变化 离散信息 信息的状态是可列的或是离散的 通信中的两种基本传输信号 模拟信号和数字信号,2018/10/18,计算机控制技术,

31、57,6.2 .1数据通信的基础知识 (4),模拟通信 以模拟信号作为载体来 传输信息 数字通信 以数字信号作为载体来 传输信息称为数字通信 数据通信 若信息源产生的是数据， 则整个通信过程称为数据通信。,2018/10/18,计算机控制技术,58,6.2 .1数据通信的基础知识 (5),(3)数据编码或调制 数据编码 在通信系统中，为实现正常通信，要对二进制码和字符的对应关系作一个统一的规定，这种规定即称为编码。 控制字符 美国信息交换标准码ASCII码 扩展ASCII码,2018/10/18,计算机控制技术,59,6.2 .1数据通信的基础知识 (6),调制 将数据信号转换成能在模拟信道上

32、传输的模拟信号 振幅调制ASK(Amplitude Shift Keying） 用原始脉冲信号去控制载波的振幅变化 频率调制FSK(Frequency Shift Keying) 用原始脉冲信号去控制载波的频率变化 相位调制PSK(Phase Shift Keying） 用原始脉冲信号去控制载波的相位变化,2018/10/18,计算机控制技术,60,6.2 .1数据通信的基础知识 (7),三种调制信号示意图,2018/10/18,计算机控制技术,61,6.2 .1数据通信的基础知识 (8),2.数据传输方式 (1)基带传输与频带传输 基带是指电信号所固有的频带，直接将这些电脉冲信号进行传输，就

33、称为基带传输，它不适合远距离传输 先进行调制使其频率变窄，再传输，则称为频带传输 (2)串行传输与并行传输 数据在一个信道上按位依次传输的方式称为串行传输 数据在多个信道上同时传输的方式称为并行传输,2018/10/18,计算机控制技术,62,6.2 .1数据通信的基础知识 (9),(3)同步技术 同步是指接收端要按照发送端所发送的每个码元的起止时间来接收数据，也就是接收端和发送端要在时间上取得一致。 常用的同步方式有两种： 起停同步技术，与其相对应的传输方式称异步通信方式 自同步方式，与其相对应的传输方式称为同步通信方式。,2018/10/18,计算机控制技术,63,6.2 .1数据通信的基

34、础知识 (10), 异步通信方式 异步通信方式ASYNC（Asynchronous Data Communication）每次传送一个字符的数据。用一个起始位表示传输字符的开始，用1至2个停止位表示字符的结束，一个字符构成一帧信息，如图所示。 发送端发送时，从低位到高位逐位顺序发送。,2018/10/18,计算机控制技术,64,图6.10 异步通信信息帧格式,6.2 .1数据通信的基础知识 (11),异步通信信息帧格式,2018/10/18,计算机控制技术,65,6.2 .1数据通信的基础知识 (12),发送时钟和接收时钟,图6.11 发送、接收时钟和信息位,2018/10/18,计算机控制技

35、术,66,6.2 .1数据通信的基础知识 (13),接收端同步接收信息的方法,图6.12 接收端同步采样（n=16）,2018/10/18,计算机控制技术,67,6.2 .1数据通信的基础知识 (14),异步通信存在的问题 在异步通信中，每个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，因而数据传送效率低。 为了保证收、发同步，克服Rc与Tc之间的微小偏差，信息位宽度Td=nTc，一般取n为16、32、64等，这样降低了信息传送速率。,2018/10/18,计算机控制技术,68,6.2 .1数据通信的基础知识 (15), 同步通信方式 同步通信SYNC（Synchronous Data Co

36、mmunication）每次传送n个字符的数据块。用一个或两个同步字符表示传送数据块的开始，接着就是n个字符的数据块，字符之间不允许有空隙，当没有字符可发送时，则连续发送同步字符，如图所示。,2018/10/18,计算机控制技术,69,6.2 .1数据通信的基础知识 (16),同步字符 单同步 选择一个特殊的8位二进制码（如01111110）作为同步字符，称单同步字符 双同步 选择两个连续的8位二进制码作为同步字符，称双同步字符 为了保证收、发同步，收、发双方必须使用相同的同步字符。,2018/10/18,计算机控制技术,70,6.2 .1数据通信的基础知识 (17),工作过程,图6.14 同

37、步通信的编码、解码示意图,2018/10/18,计算机控制技术,71,6.2 .1数据通信的基础知识 (18),与异步通信相比： 同步通信的信息帧包括同步字符和数据块，而同步字符只有8位或16位，数据块可以任意字节长，所以数据传送效率高于异步通信。 发送时钟周期Tc等于传送数据位的宽度(相当于异步通信的n=1)，故信息传送速率也高于异步通信。 传送的编码数据中自带时钟信息，保证了收、发双方的绝对同步 造成了同步通信的硬件比异步通信复杂。,2018/10/18,计算机控制技术,72,6.2 .1数据通信的基础知识 (19),（4）通信线路的通信方式 全双工 由两根不同的传输线传送，通信双方都能在

38、同一时刻进行发送和接收操作 半双工 用同一根传输线既作接收又作发送，虽然数据可在两个方向上传送，但通信双方不能同时发送和接收 。 单工 数据只能从一方发送的另一方，数据流向固定,2018/10/18,计算机控制技术,73,6.2 .1数据通信的基础知识 (20),（5）传输速率 在并行通信中，传输速率是以每秒多少字节(B/s)来表示的。 在串行通信中，传输速率是用波特率来表示的。 波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数，其单位是位/秒(b/s)。,2018/10/18,计算机控制技术,74,6.2 .1数据通信的基础知识 (21),多路复用技术 把多路信号用一条信道进行传输，以提高效率 频分

39、多路复用 把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段，每条小频段都可以看作是一条子信道 时分多路复用 信道的传输时间分割成许多时间段， 这种方法接收端与发送端的时序必须严格同步,2018/10/18,计算机控制技术,75,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (1),差错检测技术的原理 发送方在发送数据的基础上，生成某些校验编码，然后将该校验编码附加在数据后面一起发送 接收方收到数据和校验码后，用校验码对收到的数据进行检验，以确立本次传输是否正确 差错检测技术的核心是校验编码,2018/10/18,计算机控制技术,76,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (2),1检验编码方法 奇/偶校验编码 循

40、环冗余校验编码 恒比校验编码,2018/10/18,计算机控制技术,77,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (3),（1）.奇/偶校验 奇校验 报文加上校验位后应保证“1”码元个数为奇数 偶校验 报文加上校验位后应保证“1”码元个数为偶数 奇偶校验方法 只有在出错码元个数是奇数的情况下才有效，当出错码元个数成偶数时，此法无能为力,2018/10/18,计算机控制技术,78,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (4),(2)循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check),图6.15 CRC校验示意图,2018/10/18,计算机控制技术,79,6.2 .2数据通信中的检错

41、与纠错 (5),循环冗余校验的检验能力与生成多项式有关。 目前人们已经设计了许多生成多项式，下面三个多项式已成为国际标准： CRC-12：G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1 CRC-16：G(x)=x16+x15+x2+1 CRC-CITT：G(x)=x16+x12+x5+1,2018/10/18,计算机控制技术,80,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (6),（3）恒比码 恒比码 通讯时不是原码传送，而是对待发送的数据进行编码，使编码后的每一个字节（或每一码组）中，“1”和“0”的个数之比保持恒定 检测能力 当码组中任何位置上出现奇数个差错时，因为破坏了1和0的恒比关系，所以能被

42、检测出来 比一般的奇偶校验有较强的检错能力,2018/10/18,计算机控制技术,81,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (7),2纠错方式 重发纠错方式 发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收端根据该码的编码规则，判断传输中有无错误，并把判断结果反馈给发送端。如果传输错，则再次发送，直到接收端认为正确为止。,2018/10/18,计算机控制技术,82,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (8),自动纠错方式 发送端发送能够纠错的信息码，而不仅仅是检错的信息码。 接收端收到该码后，通过译码不仅能发现错误，而且能自动地纠正传输中的错误。 但是，纠错位数有限，如果为了纠正比较多的错误，

43、则要求附加的冗余码比基本信息码多，因而传输效率低，译码设备也比较复杂。,2018/10/18,计算机控制技术,83,6.2 .2数据通信中的检错与纠错 (9),混合纠错方式 发送端发送的信息码不仅能发现错误，而且还具有一定的纠错能力。 接收端收到该码后，如果错误位数在纠错能力以内，则自动地进行纠错；如果错误多，超出了纠错能力，则接收端要求发送端重发，直到正确为止。,6.3 Unit 3,工业控制计算机网络与通信 Computer Network and Data Communication of Industry Control,2018/10/18,计算机控制技术,85,本节主要内容,现场总

44、线技术 工业以太网工业控制网络现状,2018/10/18,计算机控制技术,86,6.3 工业控制网络与通信,在功能上，工业网络的结构可分为： 信息网 位于工业网的上层，是企业数据共享和传输的载体 主要采用以太网技术； 控制网 位于工业网的下层，与信息网紧密地集成在一起，具有独立性和完整性 主要采用现场总线。,2018/10/18,计算机控制技术,87,6.3.1 现场总线（1）,现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备间实现双向串行多节点的数字通讯系统，又称为开放式、数字化、多点通讯的低层控制网络，被誉为自动化领域的计算机局域网。 它把各个分散的测量控制设备转换为网络节点，以现场总线为纽

45、带，连接成为可以互相通信、沟通信息、共同完成自控任务的网络化控制系统 。,2018/10/18,计算机控制技术,88,6.3.1 现场总线（2）,现场总线的特征： 现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绞线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连 。 网络数据通信采用基带传输（即数字信号传输），数据传输速率高（为 Mbit/s 或 10Mbit/s 级），实时性好，抗干扰能力强； 废弃了集散控制系统（DCS）中的 I/O 控制站，将这一级功能分配给通信网络完成 。,2018/10/18,计算机控制技术,89,6.3.1 现场总线（3）,现场总线的特征： 分散的功能模块，便于系

46、统维护、管理与扩展，提高可靠性 。 开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连。 互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络 。,2018/10/18,计算机控制技术,90,6.3.1 现场总线（4）,现行的现场总线标准： 基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)；Control Net； Profibus； P-Net； FF(Foundation Fieldbus)高速以太网HSE； SwiftNet； WorldFIP； Interbus-S。,2018/10/18,计算机控

47、制技术,91,6.3.2 工业以太网（1）,1.以太网的优势： 以太网( Ethernet) 由于其应用的广泛性和技术的先进性，已逐渐垄断了商用计算机的通讯领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信，并且有进一步直接应用到工业现场的趋势。,2018/10/18,计算机控制技术,92,6.3.2 工业以太网（2）,与现场总线相比，以太网具有以下优点: 应用广泛 成本低廉 通信速率高 软硬件资源丰富 可持续发展潜力大,2018/10/18,计算机控制技术,93,6.3.2 工业以太网（3）,2.工业以太网的关键技术 通信实时性 总线供电 互操作性 网络生存性 网络安全性 本质安全与安全防爆技术 远距

48、离传输,2018/10/18,计算机控制技术,94,6.3.3 工业控制网络现状（1）,现场总线实时性好、稳定性高、可靠性高、技术成熟，但有也存在着总线标准多，不同总线标准的设备之间互连困难，现场总线的数据传送速度比以太网慢等不足之处。 工业以太网传送速度快、不存在现场总线的多种标准的问题，但在实时性、可靠性、安全性等方面还没有得到很好的解决，很多技术还有待成熟。目前，工业以太网用于现场设备控制还没有得到广泛的应用，但是一种发展趋势。,2018/10/18,计算机控制技术,95,6.3.3 工业控制网络现状（2）,目前，一般采用以太网和现场总线相结合来构成一个企业的信息化网络。可分为三个层次，

49、从下到上依次为现场设备层、过程监控层和信息管理层。 信息管理层 企业信息管理网络位于最上层，它主要用于企业的生产调度、计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。 主要由快速以太网(100M、1000M、10G等) 组成。,企业信息化网络,2018/10/18,计算机控制技术,96,6.3.3 工业控制网络现状（3）,企业信息化网络 过程监控层 过程监控网络位于中间，主要用于将采集到的现场信息置入实时数据库，进行先进控制与优化计算、集中显示、过程数据的动态趋势与历史数据查询、报表打印。 这部分网络主要由传输速率较高的网段(如10M、100M以太网等) 组成。,2018/10/18,计算机控制技术,97,6.3.3 工业控制网络现状（4）,企业信息化网络 现场设备控制层 现场设备层网络位于最底层，主要用于控制系统中大量现场设备之间测量与控制信息以及其他信息(如变送器的零点漂移、执行机构的阀门开度状态、故障诊断信息等) 的传输。 现场设备网络主要有现场总线如FF、Profibus、WorldFIP、De2viceNet 、P2NET 等低速网段组成。,