现场总线技术-2-数据通信基础-41P-BD

第2章数据通信与网络基础第2章数据通信与网络基础2.0数据通信的基本含义2.1总线的基本概念2.2通信系统的基本概念2.3网络结构及传输介质2.4通信系统的协议模型2.5差错控制2.0数据通信的基本含义数据通信的基本含义是指在2个或2个以上相互独立的计算机类设备之间传递数字化信息。比如：工业控制机与PLC之间，计算机与手机、PDA之间，校园网中计算机与计算机之间等。在计算机内部的数据传递，如CPU与显示卡、CPU与硬盘之间等，一般不归于数据通信的范畴。2.0数据通信的基本含义在计算机等数字化设备中，信息的基本描述形式为二进制数，而目前最基本、最常用的表述形式为8位数据位。若在2台计算机之间传递一条信息，从信息传递的方式上看，可以采用串行通信方式或并行通信方式。2.0数据通信的基本含义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，但有多少数据位就需多少根数据线，因此传送成本高，只适用于近距离（相距数米）的通信。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。串行通信的特点是：各个数据位的传送是按位序顺序进行，最少只需一根数据传输线即可完成，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。2.0数据通信的基本含义1011100010111000设备A设备Bbit0bit7bit7bit01011100010111000设备A设备Bbit0bit7bit7bit0(a)并行通信(b)串行通信一般常说的数据通信就指的是串行数据通信2.1总线的基本概念（1）总线与总线段（2）主设备与从设备（3）总线上的控制信号（4）总线协议2.1总线的基本概念（1）总线（bus）与总线段(bussegment)从广义说，总线就是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。一组设备通过总线连在一起称为总线段。可以通过总线段相互连接把多个总线段连接成一个网络系统。（2）主设备与从设备可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”(busmaster)，又称命令者。不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(busslaver)，也称基本设备。在总线上可能有多个主设备，某一设备既可以是主设备，也可以是从设备，但不能同时既是主设备又是从设备。2.1总线的基本概念（3）控制信号（三种类型）（a）控制连接在总线上的设备，让其进行所规定的操作，如设备清零、初始化、启动和停止等。（b）用于改变总线操作的方式，如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。（c）表明地址和数据的含义，如对于地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现了广播操作；对于数据，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。（4）总线协议管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”(busprotocol)。协议是一套事先规定的、总线上所有设备必须共同遵守的规约。2.1总线的基本概念2.2通信系统的基本概念（1）通信系统的组成（2）数据通信基本原理（3）数据交换方式（1）通信系统的组成通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输介质几部分组成。信息源和接收者信息源和接收者是信息的产生者和使用者。在数字通信系统中传输的信息是数据，是数字化了的信息。这些信息可能是原始数据，也可能是经计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标志。信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源。发送设备发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。信源编码：把连续消息变换为数字信号；信道编码：使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。发送设备还要包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。传输介质传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的，也可以是有线的(包括光纤)。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。介质在传输过程中必然会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。接收设备接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。以上所述是单向通信系统，但在大多数场合下，信源兼为收信者，通信的双方需要随时交流信息，因此要求双向通信。(2)数据通信基本原理A.通信方式按照信息的传输方向分为：(i)单工(Simplex)方式信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式；(ii)半双工(Halfduplex)方式信息可以沿着两个方向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式；(iii)全双工(Fullduplex)方式信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式称为全双工方式。单工、半双工和全双工通信方式B.传输模式基带传输载波（带）传输宽带传输基带传输基带传输是指在基本不改变数据信号频率的情况下，在数字通信中直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输，不采用任何调制措施。它是目前广泛应用的最基本的数据传输方式。局域网、控制局域网载波（带）传输载波传输是先用数字信号对载波进行调制，然后进行传输的传输模式。最基本的调制方式有幅值键控(ASK)，频移键控(FSK)和相移键控(PSK)3种。在载波传输中，发送设备首先要产生某个频率的信号作为基波来承载信息信号，这个基波就称为载波信号，基波频率就称为载波频率;然后按幅值键控、频移键控、相移键控等不同方式改变载波信号的幅值、频率、相位，形成调制信号后发送。宽带传输由于基带网不适于传输语言、图像等信息，随着多媒体技术的发展，计算机网络传输数据、文字、语音、图像等多种信号的任务愈来愈重，因此提出了宽带传输的要求。宽带传输与基带传输的主要区别:一是数据传输速率不同，基带网的数据传输速率范围为0~l0Mbit/s，宽带网可达0~400Mbit/s;二是宽带网可划分为多条基带信道，能提供良好的通信路径。一般宽带局域网可与有线电视系统共建，以节省投资。C.二进制数据表示方法基带传输中数据的表示方法(i)信息传输有平衡传输和非平衡传输。(ii)根据对零电平的关系，信息传输可以分为归零传输和不归零传输。(iii)根据信号的极性，信息传输分为单极性传输和双极性传输。单极性码双极性码常用的数据表示方法a)平衡、归零、双极性b)平衡、归零、单极性c)平衡、不归零、单极性d)非平衡、归零、双极性e)非平衡、归零、单极性f)非平衡、不归零、单极性数据表示方法载带传输中的数据表示方法(1)调幅方式调幅方式AM(AmplitudeModulation)又称为幅移键控法ASK(Amplitude-ShiftKeying)(2)调频方式调频方式FM(FrequencyModulation)又称为频移键控法FSK(Frequency-ShiftKeying)(3)调相方式调相方式PM(PhaseModulation)又称为相移键控法PSK(Phase-ShiftKeying)数据调制方式（a）调幅（b）调频（c）调相2.3网络结构及传输介质（1）网络的拓扑结构（2）传输介质（1）通信网铬的拓扑结构在分布控制系统中应用较多的拓扑结构是星型、环型和总线型。通信网络的拓扑结构(a)星形结构；(b)环型结构；(c)总线型结构星型结构在星型结构中，每一个节点都通过一条链路连接到一个中央节点上去。任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。中央节点有一个开关装置来接通两个节点之间的通信路径。因此，中央节点的构造是比较复杂的，一旦发生故障，整个通信系统就要瘫痪。因此，这种系统的可靠性是比较低的，在分散控制系统中应用得较少。环型结构在环型结构中，所有的节点通过链路组成一个环形。需要发送信息的节点将信息送到环上，信息在环上只能按某一确定的方向传输。当信息到达接收节点时，该节点识别信息中的目的地址与自己的地址相同，就将信息取出，并加上确认标记，以便由发送节点清除。总线型结构所有的站都通过相应的硬件接口直接接到总线上。由于所有的节点都共享一条公用的传输线路，所以每次只能由一个节点发送信息，信息由发送它的节点向两端扩散。这种结构的网络又称为广播式网络。某节点发送信息之前，必须保证总线上没有其他信息正在传输。当这一条件满足时，它才能把信息送上总线。（2）网络传输介质网络中连接收发双方的物理通路，实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维、无线与卫星通信。1）物理特性:传输介质物理结构的描述;2）传输特性:传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围;3）连通特性:允许点-点或多点连接4）地理范围:传输介质最大传输距离5）抗干扰性:传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力。2.4协议模型OSI七层网络协议2.5差错控制为什么要进行差错控制传输错误的种类有哪些差错控制方法奇偶校验为什么要进行差错控制？分布控制系统的通信网络是在条件比较恶劣的工业环境下工作的，因此，在信息传输过程中，各种各样的干扰可能造成传输错误。这些错误轻则会使数据发生变化，重则会导致生产过程事故。因此必须采取一定的措施来检测错误并纠正错误，检错和纠错统称为差错控制。传输错误的种类：突发错误：由突发噪声引起的，误码连续成片出现；随机错误：由随机噪声引起的，误码与其前后的代码是否出错无关。差错控制方法：在传输信息中附加冗余度在传输方法中附加冗余度思考题与习题1.何谓现场总线的主设备、从设备？2.通信系统由哪几部分组成?各自具有什么功能?3.在数据传输中有几种常用的数据表示方法?4.差错控制的作用是什么?5.CRC校验是如何实现的?