计算机控制技术课件第7章

第2 节 数据的传输方式
串行传输和并行传输
串行传输
数据流逐位地在一条信道上传输。毎次只能发送一个 数据位，发送方必须确定是先发送数据字节的高位还 是低位。同样，接收方也必须知道所收到的字节的第 一个数据位应该处于什么位置。
串行传输具有易于实现，长距离连接中可靠性高等优 点。适合远距离的数据通信，但需要在收发方采取同 步措施。
协议效率
协议效率是指所传输的数据包中的有效数据位与整个数据包 长度的比值。一般是用百分比表示，它是对通信帧中附加量 的量度。协议效率越高，其通信有效性越好。在通信参考模 型的每个分层，都会有相应的层管理和协议控制的加码。从 提高协议编码效率的角度来看，减少层次可以提高编码效率。
可靠性指标
误码率
误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标。它是二进制码 元在数据传输系统中传错的概率,数值上近似为
铜 芯 绝缘层
外导层 体屏蔽
保护套
基带传输
光纤传送模式：MMF、SMF
芯/封套特性 输入电信号
h2 h1
输出电信号
h2 h1
多模 MMF
波长 :
850,1300 nm
多束光线以不同的反射角传播
光纤的直径减小 到一个光波波长
单模 SMF 单束光线沿直线传播
波长: 1300,1550 nm
基带传输
单芯光缆
信道频率特性不理想是由于传输线路并非理想线路。信 道的频率特性不仅与介质相关，而且和中间通信设备的 电气特性有关。
信道的频率特性
电话线是经常使用的远距离通信介质，但频带很窄，约 30-3000Hz。若用数字信号直接通讯，经过电话线传输 后，信号就会产生畸变，接收一方将因为数字信号逻辑 电平模糊不清而无法鉴别，从而导致通讯失败。
将一条宽带信道划分为多条逻辑信道（只是在宽带信道 中划分，还是一条数据线），实现多路复用，因此信道 的容量大大增加。
宽带传输的距离比基带远。
第4 节 数据编码
数据的编码
数据通信系统中采用最为广泛的编码是美国标准信息交换码 （American standard code for information interchange， ASCII），这是一种7位编码，其128种不同组合分别对应一 定的数字、字母、符号或特殊功能。
全双工通信
全双工通信是指通信系统能同时进行的双向Fra Baidu bibliotek信。它相 当于把两个相反方向的单工通信方式组合在一起。常用 于计算机与计算机之间的通信。
通信线路工作方式
发送器
发送器 接收器
单工通信 半双工通信
接收器
接收器 发送器
发送器 接收器
全双工通信
通信线路工作方式
接收器 发送器
第3 节 信号的传输模式
信道的频率特性
串行传输和并行传输
并行传输
将数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同时传 输。它可以同时传输一组数据位，每个数据位使用单 独的一条导线，例如采用8条导线并行传输一个字节 的8个数据位，另外用一条“选通”线通知接收者接 收该字节，接收方可对并行通道上各条导线的数据位 信号并行取样。
不需要特别措施就可实现收发双方的字符同步。并行 传输所需要的传输通道多，一般在近距离的设备之间 进行数据传输时使用。
又称起止同步，这是在计算机通信中常用的同步方式。 在异步方式中，并不要求在传送信号的每一数据位时收 发两端都同步。
异步传输
同步传输与异步传输
异步传输
异步方式实现起来简单容易，频率的漂移不会积累，对 线路和收发器要求较低。
往往因同步的需要，另外传输一个或多个同步字符或帧 头，因而会增加网络开销，使线路效率受到一定的影响。
RS-485传输电压范围
数字码元编码
单极性码
信号电平为单极性的编码。例如逻辑1为高电平，逻辑0 为0电平的信号表达方式。
双极性码
信号电平为正、负两种极性的编码。例如逻辑1为正电平， 逻辑0为负电平的信号表达方式。
归零码（RZ）
在毎一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。
非归零码（NRZ）
在整个码元时间内都维持有效电平的编码。
基带信号包含很宽频率范围，不适合远距离传输。
基带传输
双绞线
内导体芯线 绝缘
箔屏蔽 铜屏蔽
外套
--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
基带传输
通信线路工作方式
单工通信
单工是指所传送的信息始终朝着一个方向，而不进行与 此相反方向的传送。
半双工通信
半双工通信是指信息流可在两个方向上传输，但同一时 刻只限于一个方向传输。通信双方都具有发送器和接收 器。要实现双向通信必须改换信道方向。这种在一条信 道上进行转换，实现两个方向通信的方式，称为半双工 通信。工业数据通信中常采用半双工通信。
同步传输与异步传输
同步传输
所有设备都使用一个共同的时钟，这个时钟可以由参与 通信的设备或器件中的一台产生，也可以由外部时钟信 号源提供的。时钟可以有固定的频率，也可以间隔一个 不规则的周期进行切换。所有传输的数据位都与时钟信 号同步。
可用于一个单块电路板元件之间的数据传送或者用于连 接在30-40cm甚至更短距离的电缆数据通信，如SPI和I2C 都属于同步传输。
描述通信信道在不同频率的信号通过以后,其波形发生 变化的特性。
分为幅频频性和相频特性。幅频特性指不同频率信号通 过信道后，其幅值受到不同衰减的特性；相频特指不同 频率的信号通过信道后，其相角发生不同程度改变的特 性。理想信道的频率特性应该是对不同频率产生均匀的 幅频特性和线性相频特性,而实际信道的频率特性并非 理想，因此，通过信道后的波形会产生畸变。如果信号 的频率在信道带宽范内，则传输的信号基本上不失真， 否则，信号的失真将较严重。
Pe N e / N
N 为传输的二进制码元总数；Ne为试传输错的码元数，理论 上应有N→∞。实际使用中，N应足够大，才能把Pe近似为误 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。
不能笼统地说误码率越低越好。在数据传输速率确定后， 误码率越低，数据传输系设备越复杂，造价越高。 如果传的不是二进制码元，则要折合成二进制码元来计算， 差錯的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时， 被测量的传输二进码元数越大，越接近于真正的误码率值。
屏蔽双绞线 (STP)
以铝箔屏蔽减少 干扰和串音
非屏蔽双绞线 (UTP)
3类、5类、6类 (16M、155M、1200M) 双绞线外没有任何附加屏蔽
基带传输
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， 300—450MHz，100km，需要放大器
玻璃封套 塑料外套
玻璃内芯
多芯光缆
外壳
塑料外套
玻璃内芯
玻璃封套
光纤特点：直径小、频带宽、容量大、远距离高速传输、 不受外界电磁干扰；成本相对昂贵、连接复杂
载波传输
利用调制手段，将数字信号变换成某种能在通讯线上传 输而不受影响的波形信号，正弦波是最理想的选择。这 不仅因为产生正弦波很方便，更重要的是正弦波不易受 通讯线(电话线)固有频率的影响。显然，以电话线为例， 其调制信号应由其频率靠近频带中心的那些正弦波组成。
数字码元编码
典型编码波形图
数字码元编码
差分码
用电平的变化与否来代表逻辑 “1”和“0”的编码。电平变 化代表“1”，不变化代表 “0”，按此规定的编码方式形 成的编码称为差分码。差分码 按初始状态为高电平或低电平， 有相位截然相反两种波形。
曼彻斯特编码（Manchester encoding）就是其中非常典型 的一种。
电话线的幅频特性
传输后信号畸变现象
基带传输
基带传输就是在基本不改变数据通信频率的情况下，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。
信号按数据位流的基本形式传输，整个系统不用调制解 调器，因此，系统价格低廉。系统可采用双纹线或同轴 电缆作为传输介质，也可采用光缆作为传输介质。
常用技术
I. 幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 II. 频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频 III.相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相
载波传输
频移键控FSK（Frequency Shift Keying）是一种最常用的 调制方法。它把数字信号的“1”和“0”调制成不同频率的 模拟信号。
频移键控示意图
宽带传输
宽带传输是数字信号传输的一种方式，将数字信号变换 为特定带宽的模拟信号传输，然后在接收端又将它变换 过来的传输方式，其中的变换仍由调制解调器来完成。
在计算机局部网络中经常使用宽带传输形式，它能容纳 全部广播并可进行高速数据传输，并允许在同一信道上
进行数字信息和模拟信息服务。
由于同步传输比异步传输效率更高，适合高速传输的要 求。对于更长距离的数据通信，同步传输需要一条额外 的线来传输时钟信号，代价较高，并且容易受到噪声的 干扰。
同步传输与异步传输
异步传输
每个通信节点都有自己的时钟信号，每个通信节点必须 在时钟频率上保持一致，并且所有的时钟必须在一定误 差范围内相吻合。当传输一个字节时，通常会包括一个 起始位来同步时钟。RS-232和RS-485都属于异步传输。
计算机控制系统中的数据通信指计算机与计算机之 前间、计算机与仪器设备之间的数据交换。
第1 节 通信系统的性能指标
通信系统的性能指标
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。 有效性是指所传输信息的内容有多少；而可靠性是指接收信
息的可靠程度。 通信有效性实际上反映了通信系统资源的利用率。通信过程
数字码元编码
曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码的信号波形
模拟码元编码
模拟码元编码釆用模拟信号来表达数据的0、1状态。信号 的幅度、频率和相位是描述模拟信号的参数，可以通过改 变这3个参数实现模拟码元编码。幅值键控（Amplitude Shift Keying，ASK）)、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）和相移键控（Phase Shift Keying，PSK） 是模拟码元编码的3种编码方法。
计算机控制技术
第七章
计算机控制系统中的通信技术
通信系统的性能指标 数据的传输方式 信号的传输模式 数据编码 通信数据的差错校验 基于异步传输的系统构建
数据通信是随着计算机技术与通信技术的迅速发展， 以及两者间的相互渗透与结合而兴起的一种新的通信方 式。
在工业控制领域，随着工业生产规模的扩大和自动 化水平的提高，越来越多的数据共享和消息交换需要通 过数据通信解决。
信号发送端的调制器将待传输的数字信号转换成模拟信 号，接收方用解调器检测此模拟信号，再把它转换成数 字信号。将调制器和解调器合二为一的装置称为调制解 调器，又称MODEM。
载波传输
基本原理： 载波 S(t) = A cos (t+)
S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、相位 用数字信号对载波的三个参量进行调制。
中用于传输有用报文的时间比例越高越有效。同样，真正要 传输的数据信息位在所传报文中占的比例越高也说明有效性 越好。
有效性指标
比特率
比特（bit）是数据信号的最小单位。通信系统每秒传输数据 的二进制位数被定义为比特率，记作bps。
波特率
波特（baud）是指信号大小方向变化的一个波形。把毎秒传 输信号的个数，即每秒传输信号波形的变化次数定义为波特 率。
差分码
数字码元编码
差分码
曼彻斯特编码是在工业数据通信中最常用的一种基带信号 编码。它具有内在的时钟信息，从而能使网络上的每个节 点保持时钟同步。
差分曼彻斯特编码（differential Manchester encoding） 是曼彻斯特编码的一种变形。它既具有曼彻斯特编码在每 个比特时间间隔中间信号一定会发生跳变的特点，也具有 差分码用电平变化代表逻辑“1”，不变化代表逻辑“0” 的特点。它通过检査信号在每个周期起点处有无跳变来区 分0和1。这种检査信号跳变的方式往往更可靠。即使作为 通信传输介质的两条导线颠倒了，对该编码信号的状态判 别结果依然有效。