现场总线工业通信基础(精)

2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen1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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen22.1工业网络通信基础1.工业数据通讯的基本概念工业数据通信基础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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen32.1工业网络通信基础1.工业数据通讯的基本概念工业数据通信基础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。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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen42.1工业网络通信基础1.工业数据通讯的基本概念数据通信的一些基本术语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。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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen52.1工业网络通信基础1.工业数据通讯的基本概念数据通信的一些基本术语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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen62.1工业网络通信基础1.工业数据通讯的基本概念数据通信的一些基本术语信道带宽（BandWidth）信道容量(Channelcapacity)●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen72.1工业网络通信基础1.工业数据通讯的基本概念数据通信的一些基本术语码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元。数据传输速率比特率(BitRate)：数据传输速率(bps，b/s)。每妙钟传递的bit数。波特率（BaudRate）：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。误码率(Biterrorrate)：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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen82.1工业网络通信基础2.数据编码为什么要进行数据编码？工业数据通信的系统的任务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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen92.1工业网络通信基础2.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。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●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen102.1工业网络通信基础2.数据编码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、Manchester编码等。非归零码曼彻斯特编码●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen112.1工业网络通信基础2.数据编码数字数据的调制编码定义：用模拟信号来表示数据的0、1状态。常用技术幅移键控，调幅频移键控，调频。相移键控，调相基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen122.1工业网络通信基础3.数据传输数据通信方式（数据流动方向）单工半双工全双工数据传输方式串行传输并行传输●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen132.1工业网络通信基础3.数据传输数据传输方式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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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen142.1工业网络通信基础3.数据传输数据传输方式异步传输异步传输使用的是字符同步方式。同步传输●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen152.1工业网络通信基础3.数据传输数据同步方式位同步（bitsynchronous）：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面向字符块的同步传输●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen162.1工业网络通信基础3.数据传输信号传输模式基带传输载波传输频带传输异步转移模式●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen172.1工业网络通信基础4.差错控制产生差错的原因：信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；信号反射；串扰；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。如何提高通信质量？采用高质量的通信线路在外部采取抗干扰措施●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen182.1工业网络通信基础4.差错控制如何提高通信质量？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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen192.1工业网络通信基础4.差错控制奇偶校验（ParityChecking）原理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。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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen202.1工业网络通信基础4.差错控制循环冗余校验（CRC,CyclicRedundancyCheck）一种通过多项式除法检测错误的方法。检错思想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xrM(x)按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于xrM(x)的位串，得出余数按模2加法把xrM(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)MOD2G(x)]●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen212.1工业网络通信基础4.差错控制循环冗余校验（CRC,CyclicRedundancyCheck）举例●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen222.1工业网络通信基础4.差错控制循环冗余校验（CRC,CyclicRedundancyCheck）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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-12G(x)=x12+x11+x3+x2+x1+1CRC-16G(x)=x16+x15+x2+1CRC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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen232.1工业网络通信基础4.差错控制海明码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。海明吗有一套较为复杂的编码、检错和纠错方法。海明距离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2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen242.2工业网络物理结构1.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。双绞线（twistedpair)什么是双绞线？作用？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，ShieldedTwistedPair)•特点非屏蔽双绞线(UTP，UnshieldedTwistedPair)•分类和特点●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen252.2工业网络物理结构1.网络的传输媒介同轴电缆(coaxialcable)什么是同轴电缆？同轴电缆分基带同轴电缆和宽带同轴电缆作用优点和缺点●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen262.2工业网络物理结构1.网络的传输媒介光缆(opticalfiber)：即光导纤维。根据制作材料的不同，分为玻璃光纤、塑料光纤等，玻璃光纤价格要高于塑料光纤，但其性能也高于后者。特点：依靠光波承载信息；速率高，通信容量大，仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）；传输损耗小，适合长距离传输；抗干扰性能极好，保密性好；轻便；价格高，连接不方便。●工业网络与通信基础知识2007.2V2.0现场总线技术及应用教程CopyrightbyWangyanfen272.2工业网络物理结构1.网络的传输媒介光纤通信的原理见图，入射角∠１∠２∠３逐渐增大，