WINCC-通信第2章

电气与自动化工程学院第2章工业串行通信原理第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用22020/2/112.1工业串行通信概述2.2串行通信的基础知识本章的主要内容本章主要介绍工业串行通信的基本概念和基础知识。2.3工业串行通信与EIA4852.4串行通信的总线控制方式第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用32020/2/11通信的目的是传送信息。通信中应包含有发信方、收信方、传送途径和传送方式。发信方又可称为信源，收信方又可称为信宿。简单的通信系统模型如图2-1所示。2.1工业串行通信概述图2-1通信系统模型第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用42020/2/11通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统两大类。模拟信号既可以通过模拟通信系统传送，也可以通过数字通信系统传送；数字信号既可以通过数字通信系统传送，也可以通过模拟通信系统传送。在模拟通信系统中直接传送的一定是模拟信号。模拟通信系统的主要缺点是抗干扰能力差和保密性差。2.1工业串行通信概述第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用52020/2/11在数字通信系统中直接传送的一定是离散数字信号。相对于模拟通信系统来说，数字通信系统明显的优越性是抗干扰性强、保密性好，且数字电路易于集成、缩小体积，所以现代通信越来越多地采用数字通信系统。现场总线系统通常是数字通信系统。模拟通信系统和数字通信系统模型如图2-2所示。2.1工业串行通信概述第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用62020/2/112.1工业串行通信概述图2-2模拟/数字通信系统模型第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用72020/2/112.1工业串行通信概述不经变换的原始数据信号称为基带信号，直接利用基带信号通过传输信道进行传输的方式称为基带传输，直接传送这种基带信号的系统称为基带传输系统。基带传输是解决数字信号传输的一种方式。在计算机系统中，CPU和外部数字通信有两种通信方式，即并行通信和串行通信。串行通信由于硬件结构简单，应用灵活，在自动化领域的应用日益广泛。特别是近十年来，作为串行通信应用最为广泛的现场总线技术得到了飞跃发展。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用82020/2/112.1工业串行通信概述2.2串行通信的基础知识本章的主要内容本章主要介绍工业串行通信的基本概念和基础知识。2.3工业串行通信与EIA4852.4串行通信的总线控制方式第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用92020/2/112.2.1串行通信的概念计算机网络系统的通信任务是传送数据或数据化的信息。这些数据通常以离散的二进制0、1序列的方式表示。码元是所传输数据的基本单位。在计算机网络通信中所传输的大多为二元码，它的每一位只能在0或1两个状态中取一个，每一位就是一个码元。二进制数字数据在电路中被表示成“0”和“1”的码元形式。这些码元在传输方向上可以是多位并行排列，也可以是一位接一位地串行排列。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用102020/2/112.2.1串行通信的概念a）并行传输一条信息的各位数据被同时传送的通信方式称为并行通信。并行通信堪称“齐步走”。并行通信的特点是，各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位传送就至少需多少根线，因此传送成本高，只适用于近距离（相距数米）的通信。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用112020/2/112.2.1串行通信的概念一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式称为串行通信，通常，最低位b0在先，依次从低到高逐位送出，当其最高位（如b7）被送出时，该码组就被发送完成。串行传输方式只使用一条传送通道，即一条信道，外设和计算机间使用一根数据信号线（另外需要地线，可能还需要控制线），数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。串行通信的特点是，数据按位顺序传送，最少只需一根传输线即可完成，成本低，但传送速度慢。串行通信的距离可以从几米到几千米。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用122020/2/112.2.1串行通信的概念b）串行传输第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用132020/2/112.2.2串行通信的数据帧在数字通信中，数据（信号码元）应以帧的形式组织起来，以便于接收和识别处理。串行通信的数据格式有面向字符型的数据格式，如单同步、双同步、外同步；也有面向比特型的数据格式，这以帧为单位传输，每帧由六个部分组成，分别是标志区、地址区、控制区、信息区、帧校验区和标志区。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用142020/2/112.2.2串行通信的数据帧从开始标志到结束标志之间构成一个完整的信息单位，称为一帧（Frame）。所有的信息是以帧的形式传输的，而标志字符提供了每一帧的边界。接收端可以通过搜索“标志字符”来探知帧的开头和结束，以此建立帧同步。在网络通信中，“包”（Packet）和“帧”（Frame）的概念相同，均指通信中的一个数据块（报文）。对于某种具体通信网络，一般使用术语“帧”。一种网络的帧格式可能与另一种网络不同，通常使用术语“包”来指一般意义的帧。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用152020/2/112.2.3同步通信与异步通信1.同步通信所谓同步通信是指在约定的通信速率下，发送端和接收端的时钟信号频率和相位始终保持一致（同步），这就保证了通信双方在发送和接收数据时具有完全一致的定时关系。同步通信把许多字符组成一个信息组，或称为信息帧，每帧的开始用同步字符来指示。由于发送和接收的双方采用同一时钟，所以在传送数据的同时还要传送时钟信号，以便接收方可以用时钟信号来确定每个信息位。串行数据流的同步传输如图2-4所示。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用162020/2/112.2.3同步通信与异步通信图2-4串行数据流的同步传输第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用172020/2/112.2.3同步通信与异步通信同步通信要求在传输线路上始终保持连续的字符位流，若计算机没有数据传输，则线路上要用专用的“空闲”字符或同步字符填充。同步通信传送信息的位数几乎不受限制，通常一次通信传送的数据有几十到几千个字节，通信效率较高。但它要求在通信中保持精确的位同步、帧同步，所以其发送器和接收器比较复杂，成本也较高，一般用于传送速率要求较高的场合。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用182020/2/112.2.3同步通信与异步通信2.异步通信异步通信规定字符由起始位（StartBit）、数据位（DataBit）、奇偶校验位（Parity）和停止位（StopBit）组成。起始位表示一个字符的开始，接收方可用起始位使自己的接收时钟与数据同步。停止位则表示一个字符的结束。这种用起始位开始，停止位结束所构成的一串信息称为帧（Frame）（注意：异步通信中的“帧”与同步通信中“帧”是不同的，异步通信中的“帧”只包含一个字符，而同步通信中“帧”可包含几十个到上千个字符）。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用192020/2/112.2.3同步通信与异步通信在传送一个字符时，由一位低电平的起始位开始，接着传送数据位，数据位为5~8位。在传输时，按低位在前、高位在后的顺序传送。奇偶校验位用于检验数据传送的正确性，也可以没有，可由程序来指定。最后传送的是高电平的停止位，停止位可以是1位、1.5位或2位。停止位结束到下一个字符的起始位之间的空闲位要由高电平来填充（只要不发送下一个字符，线路上就始终为空闲位，数据帧之间的间隔大小不确定，使得传送的数据码组间没有确定时间关系，是谓异步）。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用202020/2/112.2.3同步通信与异步通信异步通信中典型的帧格式是：1位起始位，5~8位数据位，1位奇偶校验位（可选），1~2位停止位，如图2-5所示。图2-5串行数据流的异步传输第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用212020/2/112.2.3同步通信与异步通信从以上叙述可以看出，在异步通信中，每接收一个字符，接收方都要重新与发送方同步一次，所以接收端的同步时钟信号并不需要严格地与发送方同步，只要它们在一个字符的传输时间范围内能保持同步即可，这意味着对时钟信号漂移的要求要比同步信号低得多，硬件成本也要低得多，但是异步传送一个字符，要增加大约20％的附加信息位，所以传送效率比较低。异步通信方式简单可靠，也容易实现，故广泛地应用于各种微型机系统中。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用222020/2/112.2.3同步通信与异步通信3.典型串行异步通信的实现由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“发送移位寄存器”（并→串）和“接收移位寄存器”（串→并）。典型的串行接口的结构如图2-6所示。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用232020/2/112.2.3同步通信与异步通信图2-6典型串行接口结构第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用242020/2/112.2.3同步通信与异步通信接口中的“控制寄存器”用来容纳CPU送给此接口的各种控制信息，这些控制信息决定接口的工作方式。“状态寄存器”的各位称为“状态位”，每一个状态位都可以用来指示数据传输过程中的状态或某种错误。例如，可以用状态寄存器的D5位为“1”表示“数据输出寄存器”空，用D0位表示“数据输入寄存器满”，用D2位表示“奇偶检验错”等。能够完成上述“并←→串←→并”转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器”（UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter，UART）。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章电气与自动化工程学院西门子现场总线通信原理与应用252020/2/112.2.4串行通信的全双工和半双工方式1.全双工方式（FullDuplex）当数据的发送和接收分流，分别由2根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工制，如图2-7所示。在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，