模块一 现场总线与工业控制网络技术基础

分组交换
将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet） 进行存储转发。 数据传输前不需要建立一条端到端的通路——也 是“无连接的”。 有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由 选择功能。
分组交换
优缺点：
对转发节点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分 组——速度快； 转发延时小——适用于交互式通信； 某个分组出错可以仅重发出错的分组——效率高； 各分组可通过不同路径传输，容错性好。 需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。 分组交换有两种交换方式： 数据报方式和虚电路方式
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.通信方式 串行 并行 单工 双工 半双工
2.通信方式
串行
发送端
b b b b b b b b
7 6 5 4 3 2 1 0
接收端 接收端
发送端
并行
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
模拟数据的数字信号编码
● PCM编码：
◆ 采样：按一定间隔对语音信号进行采样 ◆ 量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上 ◆ 编码：对每个舍入后的样本进行编码 ◆ 编码后的信号称为PCM信号（ Pulse Coded Modulation，脉码调制）。
● 语音信号的数字化
◆语音带宽f <4kHz
发送器
不可同时
接收器
半双工方式： 发送器/ 接收器
可同时
发送器/ 接收器
全双工方式： 发送器/ 接收器
发送器/ 接收器
A站
B站
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
3.数字通信的质量指标 1）比特率 2）波特率 3）误码率 4）信道容量 5）带宽 6）带宽、数据传输速率和信道容量的关系 7）延迟、抖动、吞吐量和丢包率
2.1.2 数据传输
单工 数据单向传输（例：无线电广播） 半双工
数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传 输（例：对讲机）
全双工
数据可以双向同时传输（例：电话）
需要具有两条物理上独立的传输线路； 或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同 方向的信号传输。
单工方式：
信息和数据（二进制位）不能直接在信道上 传输
基本概念
“A” 01000001 01000001 “A” 信道 信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息 信息编码 数据编码 调制 解调 数据解码 信息解码
编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错 调制：数字信号→适合传输的形式——按频率、幅度、相位 解调：接收波形→数字信号 解码：数字信号→原始数据
0 0 0 1 1 0 0 0 1 1
起始位 停止位
同步传输
同步的因素：
同步脉冲频率 数据从什么时候开始，什么时候结束 位边界 数据块边界
数据通信中需要在三个层次上实现同步：
位——位同步 字符——字符同步 帧(Frame)——帧同步
帧起始 8bit
控制信息
数据 0 ~ n bit
◆采样时钟频率：8kHz（>2倍语音最大频率） ◆样本量化级数：256级（8b/每样本） ◆数据率：8000次/s×8b = 64kb/s ◆每路PCM信号的速率 = 64kb/s
采样时钟 PCM 信号
fs=8kHz
模拟 语音信号 采样电路 量化和编码
f<4kHz
数字化 语音信号
PCM编码过程举例
数据的内容或解释。
信号（Signal）
数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号 的形式在介质中传播
模拟信号
时间上连续，包含无穷多个信号值
数字信号
时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见 的是二值信号
t
t
a） 模拟信号
b） 数字信号
基本概念
码元：数据轴上的一个信号的编码单元 数据通信 信源、信宿和信道
2.1 网络与通信技术基础
2.1.1 数据通信概念
1.基本概念 1）信息、数据和信号 2）模拟信号与数字信号 3）码元 4）数据通信 5）信源、信道和信宿
理解一句话：
把携带信息的数据用物理信号形式
通过信道传送到信宿。 信源？
基本概念
数据（Data）
传递（携带）信息的实体。
信息（Information）
例如：通过电话网络传输数据
宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ 到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方 需要解调。
例如：闭路电视的信号传输
频带传输
①幅度调制 ASK （Amplitude Shift Keying） ②频率调制 FSK （Frequency Shift Keying） ③相位调制 PSK （Phase Shift Keying）
行业规范 职业安全
硬件连接
知识 技能
硬件组态
知识 技能
任务内容的序化
操练
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.1 网络与通信技术基础 2.1.1 数据通信概念 2.1.2 数据传输 2.1.3 数据交换技术 2.1.4 差错检测及控制 2.1.5 传输介质
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.1.2 数据传输 1.数据传输方式 1）基带传输 2）频带传输 ①幅度调制 ②频率调制 ③相位调制 3）宽带传输
1.数据传输方式
基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信 号直接在信道上传送。
例如：以太网（局域网）
频带传输：数字信号调制成模拟信号后再传 送，接收方需要解调。
数字通信的质量指标
比特率：单位时间内所传送的二进制序列的位数。 波特率：单位时间内传输的脉冲（波形）信号的 个数。 带宽：可传送信号的最高频率与最低频率之差 时延：一个数据块（帧、分组、报文段等）从链 路或网络的一端传送到另一端所需要的时间。 抖动：指在同一条路由上发送的数据包之间的时 间差异 吞吐量：网络中发送数据包的速率 丢包率：发送数据包时丢弃数据包的最高比例
当电话机的数量增多时，就要使用交换机 来完成全网的交换任务。


交换机





“交换”的含义
在这里，“交换”(switching)的含义就是 转接——把一条电话线转接到另一条电话 线，使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，“交换”就 是按照某种方式动态地分配传输线路的资 源。
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.1 网络与通信技术基础
2.2 局域网技术 2.3 局域网的互连
复习
上节课的主要内容 以太网应用到工业现场时主要要解决的问题 是什么？ 现场总线的种类 西门子主要使用的现场总线是什么？ 该现场总线分为哪些类型？分别应用于哪些 场合？
告知
差分 Manchester
课堂练习（8分钟）
画出01001110的曼彻斯特和差分曼彻斯 特编码
图 曼 彻 斯 特 编 码 和 差 分 曼 彻 斯 特 编 码
有一比特流： 10101100011 （10个数） 1)、画出它的曼彻斯特编码，2）、画出它的差分曼彻斯特编码 解：1、它的曼彻斯特编码图为：
校验和 8~32
帧结束 8bit
m
例如：以太网是数据帧要求46~1500字节。
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
3.数据调制与编码 数字数据—数字信号 数字数据—模拟信号 模拟数据—数字信号 模拟数据—模拟信号 1）数字数据的数字信号编码 （1）不归零码 （2）曼彻斯特编码 （3）差分曼彻斯特编码
能力目标 会设置网络通信速率 能制作网线 会使用网络测试仪 知识目标 数据通信概念 数据传输 数据交换技术 差错检测及控制 传输介质
引入
组建工业以太网的主要步骤
职业素养
思考：工业控制网络的构建过程中，需要做些什么？
职业道德 环保意识
软件配置 知识 技能 职业能力 调试运行 知识 技能
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
2、它的差分曼彻斯特编码图为：
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
3.数据调制与编码 2）数字数据的模拟信号调制
0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0
ASK FSK
PSK
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
3.数据调制与编码 3）模拟数据的数字信号编码 ①采样 ②量化 ③编码 4）模拟数据的模拟信号调制
用电压的变化表示0和1。
◆ 规定在每个码元的中间发生跳变 ◆ 高→低的跳变代表0，低→高的跳变代表1
◆ 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变 化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步 码（Self-Synchronizing Code）。 ◆ 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数 据速率的2倍）。
1） 数字数据的数字信号编码
●不归零码（Non-Return to Zero， NRZ ）
二进制数字0、1分别用两种电平来表示；
常用－5V表示 1，＋5V表示 0；
缺点：
存在直流分量，传输中不能有变压器或电容； ◆ 不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。
◆
1. 数字数据的数字信号编码
● 曼彻斯特编码（Manchester Coding）
2.1.3 数据交换技术
什么是交换？
按某种方式动态地分配传输线路资源。
例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可 用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该 线路又可分配给其他用户。 最初的交换：人工转接交换
为什么要采用交换技术？
节省线路投资，提高线路利用率。
实现交换的方法主要有：电路交换、报文交 换和分组交换。
整个报文（Message）作为一个整体一起 发送。
优缺点：

没有建立和拆除连接所需的等待时间； 线路利用率高； 传输可靠性较高； 报文大小不一，造成存储管理复杂； 大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要 求较高； 出错后整个报文全部重发。
类比：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？
0
0
1 1
0
1
0 0
0
1
0
ASK FSK PSK
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.数据同步方式 1）异步传输 2）同步传输
异步传输
一次只传输一个字符，每个字符用一个一位起 始位引导、一位停止位结束。 举例：键盘上按下“1” 先进行ASCII编码为00110001， 发送时要发送：
原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号 S(t) = Acos(t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、初相位
调制就是要使A、 或随数字基带信号的变化而变化
ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1 FSK：用载波的两个不同频率表示0和1 PSK：用载波的起始相位的变化表示0和1
电话网络中的电路交换
电路交换也能在多路复用信道上实现
在物理线路的某个信道上建立连接
报文交换
以报文为单位进行“存储-转发”交换的技术。
在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存
储下来，待信道空闲时再转发出去，一级一级 中转，直到目的地。这种数Hale Waihona Puke Baidu传输技术称为存 储-转发。
报文交换
语音信号
3.2 3.9 2.8 3.4 1.2 3 1 011 100 011 011 001 100 4 4.2
PAM信号
PCM 信号 （有量化误差） PCM 输出
3
4
3
011 100 011 011 001 100
第二章 现场总线与工业控制网络技术基础
2.1.3 数据交换技术 1.电路交换 2.报文交换 3.分组交换
1. 数字数据的数字信号编码
● 差分曼彻斯特编码（Differential
Manchester Coding，DMC） ◆ 每个码元的中间仍要发生跳变。 ◆ 用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代 表0，无跳变代表1。
三种数字编码的波形图
0
时钟
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
NRZ
Manchester
电路交换的主要特点
两部电话机只需要用一对电线就能够互相连 接起来。


更多的电话机互相连通
5 部电话机两两相连，需 10 对电线。




N 部电话机两两相连，需 N(N – 1)/2 对电线。 当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对 的数量与电话机数的平方成正比。
使用交换机