1、数据通信基础,3 通信线路工作方式,4 数据编码,5 通信数据的差错校验,6 总线分类,要点总结,7 现场总线,1 通信系统的性能指标,1.1 有效性指标,通信系统的任务是传递信息，因而信息传输的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标。,1.2 可靠性指标,1.3 介质带宽,1.1 有效性指标,一、数据传输速率,比特是数据信号的最小单位。通信系统每秒传输数据的二进制位数定义为比特率，记作bps。,1、比特率,波特是指信号大小方向变化的一个波形；把每秒传输信号的个数定义为波特率。单位: 波特（baud）。,2、波特率,区别？,1.1 有效性指标,协议效率是指所传输的数据包中的有效数据位与整个数
2、据包长度的比值。通常用百分比表示。,3、协议效率,协议效率越高，其通信的有效性越好。通信参考模型的每个分层，都会有相应的层管理和协议控制的加码。从提高协议效率的角度来看，减少层次可以提高编码效率。,1.2 可靠性指标,误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标，是二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，数值上近似：,N 传输的二进制码元总数； Ne为传输错的码元数,1.2 可靠性指标,理解误码率应注意以下问题：1、误码率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数；2、对于一个实际的数据传输系统，不能笼统的说误码率越低越好，要根据实际情况提出误码率要求；3、实际数据传输中，往往需要进行大量的、重
3、复的测试，才能求出平均误码率。据测试，电话线传输速率为3002400bps时，平均误码率为104106，而计算机通信的平均误码率要求低于108，因此，不采用差错控制，就不能满足计算机通信的要求。,1.3 介质带宽,在通信系统中，如果传输的为数字信号，该信号可以分解成无穷多个频率、幅度、相位各不相同的正弦波。这就意味传输数字信号相当于传送无数多个简单的正弦信号。但是不同的传输介质具有不同的带宽。,电话线是经常使用的远距离通信介质，但电话线频带很窄，约30一3000Hz，若用数字信号直接通讯，经过传送线后，信号就会产生畸变，如图所示，接收一方将因为数字信号逻辑电平模糊不清而无法鉴别，从而导致通讯失
4、败。,1.3 介质带宽,2 数据传输方式,2.1 串行传输和并行传输,数据传输方式是指数据代码的传输顺序和数据信号传输时的同步方式，有串行传输与并行传输，同步传输与异步传输，位同步、字符同步与帧同步等几种。,2.2 同步传输与异步传输,2.1 串行传输和并行传输,并行传输,串行传输,在串行传输中，数据流以串行方式 逐位地在一条信道上传输。,并行传输是将数据以成组的方式在 两条以上的并行通道上同时传输。,2.2 同步传输与异步传输,串行数据传输中的发送者和接收者都需要使用时钟信号；同步传输和异步传输就是串行通信中使用时钟信号的不同方式。,参与通信的设备或器件中的一台产生外部时钟信号源提供,同步传
5、输中，所有的设备都使用一个共同的时钟。,时钟信号从何而来呢？,同步传输的特点：传输效率高，适合高速传输要求；需要一条线来传输时钟信号，容易受干扰。,2.2 同步传输与异步传输,在异步传输中，每个节点都有自己的时钟信号,时钟必须在一定误差范围内相吻合。,要求？,异步传输的特点：实现简单，频率的漂移不会积累；因同步的需要，需增加同步位等，降低线路效率。,通常利用一个起始位来同步时钟。因此，异步又称起止同步，例如单个字节的数据传输。,存在累计误差，如何解决？,3 通信线路工作方式,为什么要进行数据编码？工业数据通信的系统的任务是传送数据或指令等信息，而这些信息通常用离散的二进制0、1序列的方式来表示
6、，即用0、1的不同组合来表示不同的信息内容。例如用00、01、10、11来分别表示电动机的停止、运行、错误和不确定等四个状态。 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。,4 数据编码,编码种类 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。数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道,编码和调制 用数字信号承载数字或模拟数据编码 用模拟信号承载数字或模拟数据调制,数字数据的数字编码定义：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的0、1状态。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、
7、Manchester编码等。工业通信中常用的是非归零码和Manchester编码。,非归零码：逻辑1表示高电平，逻辑0表示低电平，在整个码元期间都维持有效电平的编码。 优点：能够比较有效地利用信道的带宽，这是最常用的编码之一。 缺点：存在直流分量，不具备自同步机制，必须使用外同步。曼彻斯特编码：在每个码元的中间都要发生跳变。接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。是工业数据通信中最常用的一种基带信号编码 优点：不需要外同步信号，不存在直流分量。 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。,数字数据的调制编码定义：用模拟信号来表示数据的0、1状
8、态。 常用技术 幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频。 相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相 基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波 S(t) = A cos (t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、相位调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化举例说明： 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
9、波的起始相位的变化表示0 (同相)和1(反相),5 通信数据的差错校验,一、奇偶校验,用这种校验方法，在发送时，在每一个字符的最高位之后都附加一个奇偶校验位。这个校验位可为“1”或为“0”，以便保证整个字符（包括校验位）为“1的位数为偶数（偶校验）或为奇数（奇校验）。接收时，按照发送方所确定的同样的奇偶性，对接收到的每一个字符进行校验，若二者不一致，便说明出现了差错。,5 通信数据的差错校验,二、校验和,该种校验方法是针对数据块，而不是单个字符。在数据发送时，发送方对块中数据简单求和，产生一单字节校验字符(校验和)附加到数据块结尾。,校验和不能检测出排序错误。,5 通信数据的差错校验,三、循环
10、冗余码校验,CRC（cyclic redundancy code）检错码方法是将要发送的数据位序列当作一个多项式f(x)的系数，在发送方用收发双方预先约定的生成多项式G(x)去除，求得一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式之后发送给接收端。接收端用同样的生成多项式去除接收数据多项式f(x)，得到计算余数多项式，然后进行比较。,5 通信数据的差错校验,三、循环冗余码校验,生成多项式由协议规定，目前已有多种生成多项式列入国际标准，如：CRC-12：G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16：G(x)=x16+x15+x2+1CRC-CCITT： G(x)=x16+x12+x5+1
11、CRC-32：G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1,5 通信数据的差错校验,【实例】,6 总线分类,总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。,6 总线分类,6.1 内部总线,6.2 系统总线,6.3 外部总线,6.1 内部总线,一、I2C总线,I2C（Inter-IC）总
12、线10多年前由Philips公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。,6.1 内部总线,二、SPI总线,串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。Motorola公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的
13、软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务 。,6.2 系统总线,一、ISA总线,IBM公司 1981年推出基于8位机的PC/XT总线，PC总线 1984年推出基于16位机的PC/AT总线，AT总线但从未公开过AT总线的技术规格Intel公司、IEEE和EISA集团联合推出 与IBM/AT原装机总线意义相近的ISA(Industry Standard Architecture)总线，即8/16位的“工业标准结构”：数据传输率最高8MB/s, 寻址空间为224=16MB,总线的元老 特点：CPU为唯一主模块，插卡数量亦有限缺少中枢寄存器，不能动态分配资源 已接近淘汰 但因许多老设备如声卡、
14、Modem等仍离不开它，故许多主板芯片给依然提供对其的支持 IPC系统依然提供对其的支持,ISA总线的状况,ISA总线的定义,用到ISA总线的声卡示意图,MCA (Micro Channel Architecture) IBM提出的支持386的系统总线标准，数据宽度32位(支持4G的寻址能力)，传输率33MB/s，与ISA不兼容，技术未公开 EISA (Extended ISA) 总线 由Compaq、HP等九家公司在1988年推出的与MCA抗衡的总线，与ISA有良好的兼容性 在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线,二、过渡总线
15、,PCI (Peripheral Component Interconnect) 现在是主板上最常见的插槽(如下页图示) 不依附于某个具体的处理器 结构上是在CPU与原来的系统总线间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对该层的管理；提供信号缓存，支持10种外设 数据总线32/64位，最大传输速率达132MB/s 可同时支持多组外围设备,三、PCI总线,采用PCI的显卡,专门为嵌入式控制而定义的工控总线 实质上是一种紧凑型，小型化的 IEEE-P996. 其型号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的，小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。 PC/104总线产品软件上与PC
16、/AT完全兼容。,四、PC/104,PC/I04,PC/I04硬件特点,小尺寸结构,标准模块：96x90mm 堆栈式，“针”“孔”总线连接，即PC/104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连,有极好的抗震性。 4mA总线驱动既可使模块正常工作，低功耗，减少元件数量 自我堆栈式连接，无须母板,PC/104, 8位，16位分别与PC和PC/AT相对应 PC/104plus则与PCI总线相对应 一个PC/104 CPU模块则可以同时拥有PC/104和PC/104plus总线,PC/I04版本,6.3 外部总线,一、RS-232-C总线,RS232C是由美国电子工业协会(EIA)
17、制定的物理接口标准，是RS232标准的第3版。是一种应用非常广泛的标准总线，经1987年1月修改后，定名为RS232D，但两者差距不大，因此基本成为等同标准。它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。适合于短距离或带调制解调器的通讯场合。,6.3 外部总线,1、机械指标：标准D型25针插头或9针插头,6.3 外部总线,2、电气特性 RS232c采用负逻辑，各种信号电平规定如下： 数据信号逻辑“1”： 3v15v（一般用12v） 数据信号逻辑“0”： 3v15v（一般用十12v）,3、通信距离 RS-232-C标准规定，驱动器可驱动2500pF的电容负载（包括传输介质和接收器输入电容），通信距
18、离将受此电容限制，例如，普通的非屏蔽多芯电缆，每米电容值为131164pF，因此最大通信距离2500/16415m；,6.3 外部总线,4、信号线定义,5、常用芯片MAX232，MAX202、MAX3232等,6.3 外部总线,（6）连接,6.3 外部总线,RS-485采用平衡差分电路，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。,二、RS-485总线,6.3 外部总线,多点连接举例,6.3 外部总线,网络拓扑结构,RS-485 最佳的网络结构是菊花链形，不要形成很长的支干。（d）、（e）和（f）是好的连接方式。,6.3
19、外部总线,RS485本身只是物理层的接口规范，只规定了物理接口的机械、电气特性，并没有对通信中的链路连接、网络控制权问题做出相关规定，因而在实际使用中，还需要自定义通信协议或与其它规范中的高层通信协议结合使用（Modbus）。一些现场总线也采用RS485规范作为其物理层的接口标准，例如：PROFIBUS、BACnet等。,6.3 外部总线,三、IEEE-488总线,IEEE-488是1970年由美国惠普公司开发的并行通讯总线,IEEE-488共定义了24根线（其中8根地线） 数据总线DIO0 DIO8 数据传送控制线 数据有效线DAV、未准备好接受数据线NRFD、未接受好数据线NDAC 接口管
20、理总线 接口清除线IFC、服务请求线SQR、注意线ATN、结束或识别线EQI、远程允许REN,使用IEEE-488的约定 数据传输率不得超过每秒1M字节 总线上的设备数不得多于15个 电缆总长度不超过20m，两设备间不超过4m 采用负逻辑,6.3 外部总线,通用串行总线USB（universal serial bus）是由Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。,四、U
21、SB总线,使用新的、通用标准连接器，在计算机上添加设备时不必再打开机箱，安装板卡，甚至都不必重新启动，就可以使用新的设备，USB使您的计算机更易使用。可以为外设提供电源,USB接口示意图,USB接口,连结的设备数 一个USB最多可以连结127个设备传输速度 若是使用鼠标或者键盘等不需要高速的设备时，它就采用1.5Mbps的传输速率 若是使用MODEM，音箱、打印机等需要高速传输数据的设备时，则采用12Mbps的同步传输速率(结点间距离5米)。 最新USB2.0标准的MAX传输率480Mbps.,USB接口,6.3 外部总线,IEEE 1394是一种串行接口标准，又名Firewire“火线”，这
22、种接口标准允许把电脑/电脑外部设备/各种家电非常简单地连接在一起。IEEE 1394的连接电缆中共有六条芯线，其中两条线为电源线，可向被连接的设备提供电源；其它四条线被包装成两对双绞线，用来传输信号，电源的电压范围是8-40V直流电压，最大电流1.5A，像数码相机之类的一些低功耗设备可以从总线电缆内部取得电力，而不必为每一台设备配置独立的供电系统.1394商业协会正在着手制定IEEE 1394b，这是一个在首阶段会将数据传输速率提高到1.6Gbps、而后计划提高到3.2Gbps的新版本。,五、IEEE 1394总线,7 现场总线,7.1 现场总线的概念,7.2 现场总线的传输介质,7.3 总线
23、协议,7.4 典型现场总线,7.1 现场总线的概念,变送器、控制器、执行器等现场装置往往采用420mA的信号进行通讯联系，无论它们的制造厂商是谁，它们一般都可以互换。从20世纪60年代发展起来的420mA信号是一种国际标准，目前仍在使用。进入20世纪80年代以来，用微处理器技术实现过程控制以及智能传感器的发展导致需要用数字信号取代420mA模拟信号，这就形成了现场总线。,7.1 现场总线的概念,概念：国际电工委员会标准IEC61158的定义：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。一般认为，现场总线是一种全数字化、双向、多站的通
24、信系统，是用于工业控制的计算机系统的工业总线。它是用于生产自动化最底层的现场设备以及现场仪表的互联网络，是现场通信网络和控制系统的集成。,7.1 现场总线的概念,计算机与现场智能设备可通过RS232或RS485进行通信。,现场总线与RS232、RS485的区别,缺点：,RS232和RS485只能代表物理层和链路层；编写程序很难符合ISO/OSI标准；功能单一，不具备通用性。,7.1 现场总线的概念,如果同一网络中，设备数量超过2台就必须使用RS485总线。使用RS485总线，一般采用主从式结构。计算机作为主设备，其它设备作为从设备。现场总线技术以ISO/OSI模型为基础，具有完整的软件支持系统
25、，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。现场总线设备自动成网，无主从设备之分或允许多主从存在，设备之间具有互操作性。,现场总线与RS232、RS485的区别,7.1 现场总线的概念,（a）传统的控制系统 （b）现场总线控制系统,7.2 现场总线的传输介质,双绞线,-螺旋绞合的双导线，1mm -典型连接距离100m（LAN） -RJ45插座、插头 -优缺点：成本低密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离较短,7.2 现场总线的传输介质,屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP),以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音,3类、5类、6类 （16M、155M、
26、1200M） 双绞线外没有任何附加屏蔽,7.2 现场总线的传输介质,同轴电缆,基带同轴电缆一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输 宽带同轴电缆 一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75 ，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器,铜芯,绝缘层,外导体屏蔽层,保护套,7.2 现场总线的传输介质,输出电信号,波长: 1300,1550 nm,波长 : 850,1300 nm,多束光线以不同的反射角传播,单束光线沿直线传播,光纤传送模式：MMF、SMF,7.2 现场总线的传输介质,7.3 总线协议,OSI参考模型,7.3 总线协议,总线的协议因为没有统一的标准，目前各种现场总
27、线采用的通信协议不尽相同。各厂家制定其产品协议的依据是国际标准化组织（ISO）的开放系统互联（OSI）协议。OSI协议是为计算机联网而制定的7层参考模型，只要网络中所有要处理的要素都是通过共同的路径进行通信的，那么，不管它是不是计算机网都可以使用该协议。当然，各厂家在实际制定自己的通信协议时，并非都在产品中实现了这7层协议，而往往依据侧重点的不同，仅仅实现该7层协议的子集。一般包括物理层、数据链路层、应用层和用户层。,7.4 典型现场总线,一、 CAN控制器局域网络CAN是由德国Bosch公司的为汽车的监测和控制而设计的，已成为ISO 11898标准。CAN具有如下特性：通信速率为5kbps/
28、10km，1Mbps/40m只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全网广播几种方式发送接收数据为多主方式工作，通信方式灵活CAN网络按节点类型分成不同的优先级CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术,7.4 典型现场总线,CAN支持四类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧 每帧信息都有循环冗余校验CRC及其它检错措施 CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出功能 CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路,7.4 典型现场总线,二、 LONWORKS主要有如下特性： 通信速率为78Kbps/2700m、1.5Mbps/130m,节点数32000个，传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线
29、等。 采用Lon Talk协议，该协议遵循国际标准化组织ISO定义的开放系统互连全部7层模型。 带预测的P-坚持CSMA 可选择设置优先级,7.4 典型现场总线,其核心是Neuron(神经元)芯片，内含了3个8位的CPU 第1个CPU为介质访问控制处理器，实现Lon Talk协议的第1层和第2层； 第2个CPU为网络处理器，实现Lon Talk协议的第3层至第6层； 第3个CPU为应用处理器，实现Lon Talk协议的第7层。 Neuron芯片的编程语言为Neuron C，它是从ANSI C派生出来的。LONWORKS提供了一套开发工具LonBuilder与NodeBuilder。,7.4 典
30、型现场总线,三、 PROFIBUS总线,三个兼容版本 Profibus-DP 为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计 Profibus-FMS 解决车间级通用性通信任务 Profibus-PA 为过程自动化设计了标准的本质安全的传输技术,7.4 典型现场总线,四、 HART,420mA模拟信号与数字信号双向通信兼容 HART通讯协议 物理层规定通讯的物理信号方式和传输介质 采用频移键控FSK技术 数据链路层规定数据帧格式和数据通讯规程 数据帧最长可达25个字节，是主从式的通讯协议 应用层规定了HART通讯命令的内容,7.4 典型现场总线,三种通信方式 手持通信终端（HHT）与现场智能仪表
31、进行通信 带HART通信功能的控制室仪表 与PC机或DCS操作站进行通信 物理层、数据链路层及应用层 HART采用了设备描述语言（DLL） 可总线供电,7.4 典型现场总线,五、FF总线,FF通讯四层模型 物理层、数据链路层、应用层和用户层总线访问子层与总线报文规范子层 FF通讯三层模型 物理层、通讯栈、用户层,现场总线协议数据的生成示意图,低速总线H1 传输速率为31.25 kpbs 支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型拓朴结构 高速总线H2 传输速度为1Mpbs和2.5 Mpbs 只支持总线型拓朴结构 FF还支持桥接网,FF的网络拓扑结构,基金会现场总线的拓扑结构,FF的网络拓扑结构,要点总结,数据通信的有效性和可靠性指标； 理解介质带宽以及其对信号传输的影响； 理解各种数据传输方式； 通信线路的工作方式； 了解信号的传输模式，理解调制方法； 了解各种差错校验方法； 了解各种总线的知识，重点对RS232和RS485进行理解； 理解现场总线的概念，了解现场总线的传输介质，协议特点以及几种典型的现场总线；,
