信息传输

6.1.1信息传输的概念 通信是把消息从一地传送到另一地的过程，为了传 递各种消息就把其转换成电信号。消息与电信号之间必 须建立单一的对应关系，否则在接收端就无法复制出原 来的消息。
6.1.1.1模拟传输与数字传输 矿用传感器输出的电信号可分为两大类：一类是连 续变化的模拟量信号，如：甲烷传感器、一氧化碳传感 器、风速传感器、温度传感器、压力传感器；另一类是 阶跃变化的开关量信号，开关量信号是一种简单的数字 信号, 如：开停传感器、风门开关传感器、风筒风量传 感器。
6.2.1.2双工通信 双工通信方式是对相互通信的两台通信设备 (如计 算机)间数据流向的描述，或者说是对一台通信设备执 行收发操作能力的描述
6.2.1.3同步技术 同步是数字通信中必须解决的一个重要问题。所谓同步，就 是要求通信的收发双方在时间基准上保持一致
数字的通信过程与人们使用电话进行通话的过程有很多相似 之处。在正常的通话过程中，人们在拨通电话，并确定对方就是 他要找的人时，双方就可以进入通话状态。在通话过程中，说话 的人要讲清楚每个字，并在每讲完一句话时需要停顿一下。听话 的人也要适应讲话人的说话速度，听清楚对方讲的每一个字；同 时要根据讲话人的语气和停顿来判断一句话的开始与结束，这样 才可能听懂对方所说的每句话。这就是人们在电话通信过程中需 要解决的“同步”问题。如果在数据通信中收发双方同步不良， 轻者会造成通信质量下降，严重时甚至会造成系统完全不能工作。
6.2
信息传输基础
6.2.1信息传输的模式 6.2.1.1串行和并行传输 串行传输是代表消息的各位数字信号序列按时间顺 序一个一个地在信道中传输的方式。如图6-10(a)所示， 串行传输时，发送端按位发送，接收端按位接收，同时 还要对所传输的字符加以确认，所以收发双方要采取同 步措施，否则接收端将不能正确区分出所传输的字符， 失去了通信的意义。许多外设和计算机按串行方式进行 通信，这里所说的串行方式，是指外设与接口电路之间 的信息传送方式，实际上，CPU与接口之间仍按并行方式 工作。计算机的并行数据信号变为串行数据信号，是由 通信控制器完成的。通信控制既可由软件实现，也可由 硬件实现。
（ l ）传输介质。煤矿井下的特殊环境制约了井下无线 通信的发展，因此，除移动设备的监控外，一般都采用 价格低廉，又便于安装维护的双绞线矿用电缆，也有采 用大容量的光缆，以适应多媒体综合监控的需要。因此， 矿井监控系统的传输介质可以是电缆、光缆等传输介质。 由于顶板垮落、机械碰撞、人为破坏等，会造成电缆和 光缆断缆，而光缆又难以接续，特别是光纤的熔接防爆 问题，目前还没有解决，因此，除矿井监视系统外，矿 井监控系统一般都采用双绞线。国外现今也采用了无线 和有线传输介质相结合的方式进行传输。 （2）网络结构。一般工业监控系统电缆敷设的自由度 较大，可根据设备、电缆沟、电杆的位置选择星形、环 形、树形、总线形等结构。而矿井监控系统的传输电缆 必须沿巷道敷设，挂在巷道壁上。由于巷道为分支结构， 并且分支长度可达数千米，因此，为便于系统安装维护， 节约传输电缆，降低系统成本，宜采用树形网络结构， 也可采用环形、总线形、星形或其它网络结构。
6.1.1.2数字传输系统与模拟传输系统的比较 数字传输系统与模拟传输系统相比，具有如下特点：抗 干扰能力强；容易实现高质量的远距离通信；便于实现综合 业务数字网 (ISDN) ；便于加密；适于集成化、智能化；占用 频带宽和系统和设备比较复杂。传输中的差错可设法控制， 这就改善了传输质量；可以传递各种消息，使传输系统变得 通用、灵活；便于用计算对系统进行管理。井下电磁干扰严 重，传感器种类繁多，数字传输在矿井监控信息传输系统中 得到广泛应用。
（10）字符。单片机的串行通信使用的是异步串行通信，所 谓异步就是指发送端和接收端使用的不是同一个时钟。异步 串行通信通常以字符（或者字节）为单位组成字符帧传送。 字符帧由发送端一帧一帧地传送，接收端通过传输线一帧一 帧地接收。一帧字符帧由四部分组成，分别是起始位、数据 位、奇偶校验位、停止位。
(11)帧格式。为标明一帧信息的接收地址、长度和类别 等，并保证可靠的传输，在一帧中通常包括地址场、控制 场、数据场和校验场。
(9 ）调制方式。直接使用数字信号传输数据时，数字信 号几乎要占用整个频带，终端设备把数字信号转换成脉 冲电信号时，这个原始的电信号所固有的频带，称为基 本频带，简称基带。在信道中直接传送基带信号时，称 为基带传输。如从计算机到监视器、打印机等外设的信 号就是基带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如 以太网、令牌环网。频带传输就是先将基带信号变换 （调制）成便于在信道中传输的、具有较高频率范围的 频带信号，再将这种频带信号在信道中进行传输。
(17)最大节点容量。一个网段的节点容量一般由译码能 力、接口的驱动能力、传输距离等决定。译码能力一般 与地址场的字长有关，因此，决定节点容量的关键因素 是物理层。根据 RS-485 ， CAN 等有关标准严格分析及测 试，无中继传输距离达10km的网段，其最大节点容量为 128。虽然现有一些系统号称可接分站数百个、达上千个， 这仅仅是译码能力，没有任何实验及数据来证明该系统 容量是可靠的，往往在实际使用中，会出现系统工作不 稳定等问题。因此，矿井监控系统的最大节点容量宜在8、 16、32、64、128中举取
(14)传输处理误差。为降低系统成本，模拟量一般都采 用8位字长来表示，在A /D转换过程中的处理误差 ≤ 1/256 ，矿井监控系统的传输处理误差应不大于 0.5% 。 （15）最大巡检周期。为保证实时性，需对最大传输容 量下巡检周期进行规定。由于矿井监控信号的变化比较 缓慢，因此，矿井监控系统的最大巡检周期应不大于30s， 并应满足监控要求。当然，在不过多增加系统成本的前 提下，传输周期越短越好。
(1)模拟信号 信号波形模拟着信息的变化而变化，如图所示的信 号称为模拟信号。其特点是幅度连续(连续的含义是在某 一取值范围内可以取无限多个数值 )。图所示的信号是模 拟信号，其信号波形在时间上也是连续的，因此它又是 连续信号。图所示的信号是对图 (a)所示的模拟信号按一 定的时间间隔T抽样后的抽样信号，由于其波形在时间上 是离散的，又叫离散信号。但此信号的幅度仍然是连续 的，所以仍然是模拟信号。电话、传真、电视信号都是 模拟信号。
6.1.2矿井监控信息传输的特点 矿井通信和矿井监控同一般地面通信和工业监控相比，由 于地质条件、生产条件的不同，矿井监控信息有如下的特点： 具有电气防爆、无线传输衰耗大、设备体积重量受限； 无线电发射功率受限（本质安全防爆要求）； 抗干扰能力强、防护性能好； 电源电压波动适应能力强； 故障能力强、服务半径大（巷道长达10余千米）； 信道容量大（全矿井综合监控与通信）； 各个矿监控容量要求不同； 同一个矿不同时期容量不一； 信息变化率慢，有利于编码。
6 矿井监控信息传输
6.1 信息传输概述
通信是信息的传输与交换，以信息。但是，消息是传递消 息的过程。通信的目的就是从一方向另一方传送消息，给对方 的传送一般都不是直接的，而必须借助于一定形式的信号 ( 光 信号、电信号等 ) 才能便于远距离快速传输和进行各种处理。 信号是运载与传递信息的载体与工具。广义地说，信号是随时 间变化的某种物理量。因而，信号是消息的表现形式，它是通 信传输的客观对象，而消息则是信号的具体内容，它蕴藏在信 号之中。在通信技术中一般将语言、文字、图像或数据等统称 为消息，在消息之中包含有一定数量的信息。如果信息是用电 的形式(波形)来表示，那么信号就是电压或电流的波形，这种 信号就称为电信号。我们把表示信息的信号称为信息信号，通 常记为 f(t) 。如果信号用频率或频谱分量来描述，那么信息信 号的含义就更加明显。
（7）信号。表示模拟量的信号可以是模拟信号和数字信 号两种。数字信号同模拟信号相比具有：①抗干扰能力 强；②传输中的差错可以控制、传输质量高；③可以传 递各种消息，灵活通用；④便于计算机存储、处理、传 输；⑤便于本质安全防爆隔离等特点。
（8）传输方式。串行传输与并行传输相比具有使用传输 通道少、适宜远距离传输等优点。矿井监控的监控点分 散，每一分站、传感器(或执行机构)每次需发送或接收的 数据（或状态）较少，并信号变化较慢。宜采用适宜低 速、小容量、设备简单的串行异步传输方式。
空闲位 L位
地址场 1字符
控制场 1字符
数据 场 N字 符
CRC校验场 2字符
空闲位 M位
（12）传输速率。串行通信的速率用波特率来表示，所谓 波特率就是指一秒钟传送数据位的个数。每秒钟传送一个 数据位就是1波特。 （13）误码率。即在系统传输的码元总数中发生差错的码 无数所占的比例(平均值)。用于监测的矿井监控系统的误 码率要求较低，而用于监控的矿井监控系统的误码率要求 较高。因此，用于监测的矿井监控系统的误码率应不大于 10-4，用于监控的矿井监控系统的误码率应不大于10-8。
6.1.3信息传输的要求 矿井监控信息传输要求是矿井监控系统硬件通用、软件 兼容、信道共享、信息共享的基础，对促进矿井监控产品标 准化、提高产品质量具有重要作用。矿井监控信息传输要求 对矿井监控系统的传输介质、网络结构、工作方式、连接方 式、传输方向、复用方式、信号、同步方式、调制方式、字 符、帧格式、传输速率、误码率、传输处理误差、最大巡检 周期、最大传输距离、最大节点容量等进行了规定。
（ 3）工作方式。现有矿井监控系统的均为主从工作方式。 主从工作方式同无主工作方式相比，抗故障能力差。但考虑 到环境安全、轨道运输，胶带运输等单方面集中监控的需要， 矿井监控系统宜采用多主或无主工作方式，也可采用主从等 其它工作方式。 （ 4）连接方式。为满足环境安全、轨道运输、胶带运输等 就地监控的需要，矿井监控系统的连接方式宜灵活多样、既 可单层连接(如图所示) 。
〈5〉传输方向。单向传输仅适用于监测系统，全双工传 输使用传输通道较多。因此，矿井监控系统宜采用半双 工传输，也可采用全双工传输。 （6）复用方式。常用的复用方式有频分复用、时分复用、 码分复用和它们的混合方式。频分复用是用频谱搬移的 方法使不同信号占据不同的频率范围；时分复用是用抽 样或脉冲调制方法使不同信号占据不同的时间区间；码 分复用则是用一组包含互相正交的码字的码组携带多路 信号。
（2）数字信号 如图是数字信号，其特点是幅值被限制在有限个数 值之内，它不是连续的而是离散的。图 (a) 是二进码，每 一个码元只取两个幅值 (0， A)；图 (b)是四进码，每个码 元取四(3、1、－1、－3)中的一个。这种幅度是离散的信 号称数字信号。
（3）模拟信号的数字化过程 模拟信号的数字化需要三个步骤：抽样、量化和编码。 抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间 上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。量化是 用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的 连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。编码则是按 照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换 成二值或多值的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过 电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输。在接收端则与 上述模拟信号数字化过程相反，再经过后置滤波又恢复成原 来的模拟信号。上述数字化的过程又称为脉冲编码调制。
(16)最大传输离。煤矿井下工作环境恶劣、维护困难，若采 用中继器延长矿井监控系统的传输距离，由于中继器是有源设 备，故障率较无中继系统高，并且在煤矿井下矿井监控系统的 供电受电气防爆限制，在中继器处不一定好取电源，若采用远 距离供电,还需要增加供电芯线。因此，矿井监控系统不宜采用 中继器延长传输距离。根据我国煤矿的具体情况，为满足大、 中、小各类矿井的监控需要，主站至分站、分站至分站之间的 最大传输距离应不小于 10km 。这里没有提出满足中、小型矿井 的传输距离，这是因为在现有技术条件下，达到 10km 传输距离 己没有什么困难，并且不会增加设备成本，因此，没有必要再 提出满足中、小型矿井的传输距离。由于高产高效工作面的出 现，工作面走向长度可达1500m，工作面长度可达200m。因此， 传感器及执行机构至分站的最大传输距离应不小于 2km。因此， 矿井监控系统不宜采用中继器来延长传输距离；分站至主站之 间、分站至分站之间的最大传输距离应不小于 10km ；传感器及 执行机构至分站之间的最大传输距离应不小于2km。