控制网络技术

（3）数据传输。经过转换与编码后，将代表报文的 信号(数字信号或模拟信号)放到传输介质上，发往接 收设备。
（4）数据转换与译码。接收设备将接收到的信号经 转换与译码后，形成报文。
（5）数据解包。接收设备根据数据打包时的协议从 报文中去除附加信息，得到最终需要的数据。 2．数据通信方式 数据通信的基本传输方式有并行通信和串行通信两 种。 （1）并行通信
曼彻斯特码如图10-4(d)所示，它也是在数据位的 中间产生跳变，用该跳变的方向表示数值。“负” 到“正”的跳变代表“1”，“正”到“负”的跳变 代表“0”。该跳变还被用作信号同步，即编码数据 中自带时钟信息，保证了收发双方的绝对同步。以 太网中就使用了曼彻斯特码。 差动曼彻斯特码如图10-4(e)所示，它用数据位中 间的跳变携带同步信息，但由数据位起始处是否有 跳变来传递数值 。有跳变表示“0”，无跳变表示 “1”。令牌环网中就使用了差动曼彻斯特码。
并行通信是指所传送数据的各位同时发送或接收。 数据有多少位，就要多少根传输线，如图10-2(a)所示。
压力、位置、角度信号等。这就要求在实施控制 时，不仅要考虑信号的幅度，还要考虑到信号的极性。 为此，在对A/D转换后的数据和D/A转换前的数据进 行处理前，必须根据数据的极性先进行预处理，才能 保证得到正确的结果。
10.1 数据通信基础
计算机网络就是利用通信线路和通信设备，把分 布在不同地理位置上的具备独立功能的多台计算机、 终端及其附属设备连接起来的一种网络。配以相应 的网络软件，使网络用户能够共享网络中的硬件、 软件和数据等资源。
数据通信是计算机控制网络的基础。因此，首先 应了解数据通信的基本概念。 10.1.1 数据通信系统
数字信号传送时要求传输线的频带很宽，而在长距离 通信时，通常是用电话线进行传送的，其带宽往往不能 满足要求，这时会产生信号的畸变，而且数据通信速率 越高信号畸变越严重。
一种解决方案是采用数字信息的模拟信号转换技术 将数字信号传输变为模拟信号传输，称为信号调制。在 数据接收端还要将模拟信号复原为数字信息，称为解调， 如图10-5所示。完成调制与解调的装置称为调制解调器 (MODEM)。
（1）单工制式
在单工制式下，通信线的一端接发送器，另一端接接 收器，它们形成单向连接，只允许数据按照一个固定的 方向传送。如图10-3(a)所示，数据只能由甲站传送到乙 站。 （2）半双工制式
在半双工制式下，系统中的两个站都由一个发送器 和一个接收器组成，通过收发开关接到一根通信线上， 如图10-3（b）所示。在这种制式下，数据能从甲站传 送到乙站，也能从乙站传送到甲站，但是不能同时在 两个方向上传送，只能交替的发送和接收。其收发开 关是由软件控制的电子开关，通过半双工协议进行功 能切换的。
系统中有的输入信号是单极性的，而输出信号则 要求是双极性的，如流量、压力等控制回路；有的则 是要求输入和输出信号都是双极性的，如位置、角度 等控制回路。下面就这两种情况分别加以讨论。 1．输入、输出信号同为双极性 在输入、输出都是双极性信号的控制系统中，程 序处理的输入和输出数据不仅反映信号幅度的大小，
1．通信系统构成 计算机与计算机或设备之间的数据交换称为数据通
信。
数据通信的实质是以计算机为中心，通过某些通 信线路与设备，对二进制编码的字母、数字、符号 以及数字化的声音、图象信息进行的传输、交换和 处理。一个数据通信系统主要由以下五部分组成， 如图10-1所示。
步骤1： 步骤2： 步骤3： …… 协议 报 文 发送设备 接收设备 步骤1： 步骤2： 步骤3： …… 协议
（2）串行通信 串行通信是指所传送数据的各位按顺序一位一位地发送 或接收，如图10-2
（b）所示。其特点是只需一对传输线，适合于长距离 传输，但通信速度较并行通信时慢。随着通信技术的发 展，串行通信速度不断提高，使得计算机网络通信普遍 采用串行通信方式。计算机控制系统中各站间的数据传 递及与信息管理系统间的数据交换都采用了串行通信方 式。 波特率（Baud Rate）是串行通信中的一个重要的指 标。它定义为每秒钟传送二进制数码的位数，单位是位 每秒，用bps、bit/s或b/s表示。 在串行异步通信中，波特率为每秒传送的字符数与 每个字符位数的乘积。例如，如果每秒传送的速率为120 字符/s，而每个字符包含10位(1个起始位、7个数据位 、
随着计算机、通信、网络、控制等学科领域的 发展，控制网络技术日益为人们所关注。控制网络， 即网络化的控制系统，简称工控网。正是借助于计 算机网络，单台的工业控制计算机被连成多处理器 结构，使系统在实现分散控制的同时，还能够达到 集中监视、集中管理和资源共享的目的。 控制网络技术源于计算机网络技术，因此，控制网 络一方面与一般计算机网络有许多共同之处，另一 方面又具有其特殊的可靠性高、实时性好及互操作 性好的特点。
数据通信过程一般按以下步骤进行：
（1）数据打包。数据打包就是对需要传送的数据进 行包装，形成数据包或报文。报文内除了数据本身外， 还有报头、报尾等一些附加信息，如报文说明、长度、 校验等。
（2）数据转换与编码。数据转换与编码就是对报文 作适当变换，以适应传输要求。如串行通信中的并— 串转换，0、1的传输编码(归零编码、不归零编码等)、 信号电平的选择，以及信号的调制形式等。
甲 发送器 甲 发送器 接收器 甲 (c) 全双工通信 发送器 接收器 (b) 半双工通信 (a) 单工通信
乙 接收器 乙 接收器 发送器 乙 接收器 发送器
图 11-2 串行通信的三种制式
图10-3三种通信制式
动画链接
（3）全双工制式
在全双工制式下，两个站的每端都含有发送器和接收器， 通过两条通信线可以同时传送两个方向的数据流，而不 是交替进行，如图10-3 (c)所示 10.1.2 数据传输编码
10.1.3 多路复用技术 所谓多路复用技术是指把多路独立信号在一条信道 上进行传输的技术，其作用相当于把单条传输信道划分 成多个子信道，以实现网络中若干节点共享通信信道的 目的，提高通信线路的利用率。通常的多路复用技术主 要有两种：频分多路复用和时分多路复用。
图10-2并行通信与串行通信 Nhomakorabea计算机中表示数据的最基本单位是位(bit)，但为了处理的 方便与快捷，往往将多个位一起使用，形成一个字(word) 或字节(byte)。并行通信时常以字节为单位进行信号连接 与数据传送，由于一个字节为8位(8bit)，故最少需要8条 数据线。并行通信的特点是传送速度快，但由于连线较多 致使成本高，只适合于近距离计算机或设备之间的数据通 信。如计算机与打印机之间通常采用并行通信方式。另外， 在过程控制系统中，处于同一机柜内的主计算机(上位机) 与通道计算机(下位机)之间也常用并行通信方式传送数据。
图10-4(f)、(g)分别表示接收端从编码数据中分 离出的解码时钟与解码数据。
时钟 (a)
0 0
1 1
0 0
0 0
1 1
1 1
1 1
0 0
(b)
0
1
0
0
1
1
1
0
(c)
0
1
0
0
1
1
1
0
(d)
0
1
0
0
1
1
1
0
(e)
( f )
0 1 0 0 1 1 1 0
(g)
图10-4数字信息的数字信号编码
2．数字信息的模拟信号编码
调频又称调频键控FSK（Frequency Shift Keying)， 就是用原始数字信号去控制载波的频率变化，如用一 种频率的正弦波信号表示1，而用另一种频率（通常为 低频）的正弦波信号表示0。调频方式可以削弱干扰对 信号的影响，但它占用较宽的频带，受传输介质制约 较大。
调相又称调相键控PSK（Phase Shift Keying），就 是用原始数字信号去控制载波的相位变化，最简单的调 相方法是使正弦波相位相差180°来表示0和1。图中， 相位为0°的正弦波信号表示1，相位为180°（反相） 的正弦波信号表示0，这种方式称为2-PSK方式。调相 方式比调幅方式有较好的抗干扰能力，比调频方式节省 带宽，因此得到广泛应用。 更复杂的调制称为正交调制QAM，它是ASK与 PSK的结合。QAM方式可以有效提高数字信号的传送 速率，也是目前MODEM中普遍使用的方法。
数字信号 发送装置 MODEN
模拟信号 MODEN
数字信号 接收装置
图10-5 调制与解调示意图
将数字信号调制为模拟信号有三种方式：调幅、调 频与调相，如图10-6所示。
图10-6 三种调制信号
调幅又称调幅键控ASK（Amplitude Shift Keying)， 就是用原始数字信号去控制载波的振幅变化，这种调 制是利用数字信号的1或0去接通或断开连续的载波。 图中，正常幅度的正弦波表示1，幅度为0的表示0。调 幅方式很容易受干扰信号的影响，因此仅用于非常低 速的信号传输，或与其他调制方式(如相位调制)结合 使用。
双极性码如图10-4(b)所示，它使用正、负两种电 平，因此有效地减小了传输线上的直流分量，但不 归零码仍然没有彻底解决信号同步问题。 归零编码如图10-4(c)所示，它使用正、负、零三种 电 平 ， 信 号 在 数 据 位 的 中 间 发 生 变 化 。 “ 正 ”到 “零”的跳变代表“1”，“负”到“零”的跳变代 表“0”。归零码较好地解决了信号同步问题，但由 于每一位数据都要产生两次跳变，因此占用更多的 带宽。
l位奇偶校验、l位停止位)，则波特率为：
120字符/s 10b/字符 = 1200bps
现在异步通信的波特率可达100Mbps，当采用光纤作为 传输介质时，传输波特率更高。
3．数据通信制式
按通信线路上信息传送方向与时间的关系，可分为 三种通信制式：单工通信、半双工通信和全双工通信。 如图10-3所示。
第10章 控制网络技术
本章要点：
1．数据通信有关通信方式、制式、 编码、复用、同步及传输介质等 基础知识。 2．网络拓扑结构、网络控制方法、 差错控制技术及网络体系结构。 3．串行通信总线中的RS-232C通信 总线与RS-422/485通信总线。
本章主要内容
• • • • • • • 引言 10.1 数据通信基础 10.2 通信网络技术 10.3 网络体系结构 10.4 串行通信总线 本章小结 思考题
图10-1 数据通信系统的构成
（1）报文：报文即需要传送的数据，它可以是文 本、数字、图像、声音等，或上述内容的组合。
（2）发送设备：可以是计算机、工作站、电话机、 摄像机等。
（3）接收设备：可以是计算机、工作站、电话机、 电视机等。 （4）传输介质：发送设备与接收设备之间的物理 通路，如双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等。 （5）通信协议：控制数据通信的一系列规则。发 送与接收设备都要按相同的通信协议工作，如同两 个谈话的人使用同一种语言一样。
3．基带传输与频带传输 按照传输线上信号的种类，数据通信可以分为基 带传输与频带传输。 所谓基带，是指电信号所固有的频带。所谓基带 传输，是指直接用电脉冲信号代表数字信号0或1进行 传输。基带传输的优点是安装、维护投资小，但存在 信息传送容量小，每条传输线只可传送一路信号且传 送距离短的缺点。
所谓频带传输是指用基带信号对载波信号调制后进 行传输。利用载波传输信号可以减小线路干扰对传输 信号的影响，实现远距离传输。用这种传输技术，可 以在一条通信线路上，通过频分复用(FDM)将其划分 为几个信道，从而支持多路信号的传输。频带传输的 安装维护费用较基带传输时高，但是它具有较高的信 息传递量，且可覆盖较大的范围。
数据通信中需要传输数据信息，而信息必须转换为数 字的或模拟的信号后才能通过通信线路传送，这种信息 转换称为传输编码。它有多种方式，这里只讨论数字信 息的数字信号编码与数字信息的模拟信号编码两种。
1．数字信息的数字信号编码
在众多数字信息的数字信号编码方法中，这里仅 介绍常用的几种：单极性编码方法、不归零编码方 法及归零编码方法中的曼彻斯特码与差动曼彻斯特 码，如图10-4所示。 单极性码如图10-4(a)所示，它是编码中最简单、 最原始的一种。单极性码用一种电平代表“1”，用 另一种电平代表“0”，而且通常其中的一种电平(如 “0”对应的电平)为0V。但由于单极性码具有直流 成分且不含同步信息，影响了单极性码的应用。