网络基础通信new网络控制技术教学文案

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1、第二章 网络通信基础,课程的主要内容,2.1 网络通信的基本概念及通信模型 2.2 通信传输介质 2.3 数据编码技术 2.4 数据的传输模式 2.5 数据的通信方式 2.6 网络控制系统的拓扑结构 2.7 通信信道访问控制方式 2.8 差错控制技术 2.9 RS232和RS485串口通信技术 2.10 开放系统的OSI参考模型,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,2.1.1 网络通信的基本概念 下面以图的通信过程为例说明一些基本概念。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,总线与总线段 总线是指在一个设备或站点内，通过时分复用方式实现多个信道的 信号分别传递的共用途径。从广义来说，总线就是

2、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。 总线主设备 可在总线上发起信息传输的设备叫做总线主设备。也就是说，主设 备具备在总线上主动发起通信的能力，所以也称命令者。 总线从设备 不能在总线上主动发起通信，只有收到总线主设备的命令才能做出 响应的设备称为总线从设备，也称基本设备。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,总线操作 总线上命令者与响应者之间的”连接数据传送脱开”这一操作序 列称为一次总线”交易”，或者叫做一次总线操作。”脱开”是指完成数 据传送操作以后，命令者断开与

3、响应者的连接。命令者可以在做完 一次或多次总线操作后放弃总线占有权。 总线传送 一旦某一命令者与一个或多个响应者连接上以后，就可以开始数据 的读写操作规程。读数据操作是读来自响应者的数据；写数据操作 是向响应者写数据。读写数据都需要在命令者和响应者之间传递数 据。为了提高数据传送操作的速度，有些总线系统采用了块传送和 管线方式，加快了长距离的数据传送速度。 通信请求 通信请求是由总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后 者给予注意并进行某种服务。它们有可能要求传送数据，也有可能 要求完成某种动作。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,寻址 寻址过程是命令者与一个或多个从设备建立起联系的

4、一种总线操作。通常有 以下四种寻址方式。 物理寻址：用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者。由于大多数从设备都包含有多个寄存器，因此物理寻址常常有辅助寻址，以选择响应者的特定寄存器或某一功能。 逻辑寻址：用于指定存储单元的某一个通用区，而并不顾及这些存储单位在设备中的物理分布。某一设备监测到总线上的地址信号，看其是否与分配给它的逻辑地址相符，如果相符，它就成为响应者。物理寻址与逻辑寻址的区别在于前者是选择与位置有关的设备，而后者是选择与位置无关的设备。 广播寻址：广播用于寻址网络控制系统的所有响应者。命令者把地址信息放在总线上，从设备将总线上的地址信息与其内部的有效地址进行比较，如

5、果相符，则该从设备被”连上”。能使多个从设备连上的地址称为广播地址。命令者为了确保所选的全部从设备都能响应，系统需要有适应这种操作的定时机构。 组播寻址：组播寻址类似于广播寻址，也是一对多的通信关系，拥有一组响应者。设备必修加入组内，才能接收组播信息。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,总线仲裁 由于总线是一条公用信道，如果有多个设备同时传送信息，就有可 能会发生冲突。为解决这种冲突，就需进行总线占有权的仲裁。总 线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。某一时 刻只允许某一主设备占有总线，等到它完成总线操作，释放总线占 有权后才允许其他总线主设备使用总线。当前的总线主设备叫做命

6、 令者。总线主设备为获得总线占有权而等待仲裁的时间叫做访问等 待时间，而命令者占有总线的时间叫做总线占有期。命令者发起的 数据传送操作，可以在命令者和一个或多个从设备之间进行。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,总线定时 总线操作用定时信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和 地址在什么时刻是有效的。大多数总线标准都规定命令者可发起控 制信号，用来指定操作的类型，还规定响应者要回送的从设备状态 响应信号。 差错检测 在总线上传送信息时会因噪声和窜扰而出错，因此在高性能的总线 中一般设有差错校验码机制，以实现传送过程的出错检测。传送地 址时的校验码出错会使要连接的从设备连不上；传送数据时

7、如果有 校验码出错，通常是再发送一次。也有一些总线由于出错率很低而 不设差错校验码机制。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,容错 设备在总线上传送信息出错时，如何减少故障对系统的影响，提高 系统的重配置能力是十分重要的。故障对分布式仲裁的影响就比菊 花链式仲裁小。后者在设备出故障时，会直接影响它后面设备的工 作。总线系统应能支持软件利用一些新技术，如动态重新分配地 址，把故障隔离开来，关闭或更换故障单元。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,2.1.2 网络通信基本模型 如果我们把前小节的复杂网络间设备通信简化，可以得到以下的简单的单向数字通信模型。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型

8、,(1) 信息源与接收者 信息源和信息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。模拟信息源(如电话机、电视摄像机)输出幅度连续变化的信号；离散信息源(如计算机)输出离散的符号序列或文字。模拟信息源可通过抽样和量化变换为离散信息源。随着计算机和数字通信技术的发展，离散信息源的种类和数量愈来愈多。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,(2) 发送设备 发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹配起来，即将信息源产生的消息信

9、号经过编码，变换为便于传送的信号形式，送往传输介质。 对于数字通信系统来说，发送设备的编码常常又可分为信道编码与信源编码两部分。信源编码是把连续消息变换为数字信号；而信道编码则是使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。变换方式是多种多样的，调制是最常见的变换方式之一。 发送设备还要为达到某些特殊要求而进行各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,(3)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的媒介。它可以是无线的，也可以是有线的。有线和无线均有多种传输介质，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

10、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。介质的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。,2.1 网络通信的基本概念及通信模型,(4)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。 在工业网络控制系统中，发送设备与接收设备往往都与数据源紧密连接为一个整体。许多测量控制装置既可以作为发送设备，又可以作为接收设备，一方面将本设备产生的数据发送到通信系统，另一方面也接收系统内其他设备传送给它的信号。,2.2 通信传输介质,传输介质是网

11、络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。 常用的通信介质可以分成三类：第一类为金属导体，例如同轴电缆、双绞线等，利用铜或铁等金属导体的电流变化来传输数据。第二类为以光纤为代表的透明玻璃或塑胶绳介质，它们利用光波来传输数据。第三类介质不需要物理连接，主要是利用电磁波的辐射来实现数据传输，例如无线与卫星通信等。,2.2 通信传输介质,传输介质特性对通信影响比较大，主要特性如下： (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：允许点对点或多点连接； (4) 地理范围：传输介质最

12、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。,2.2.1 双绞线,双绞线由按规则螺旋结构排列的两根或四根绝缘线组成。一对绝缘线可以作为条通信线 路，各个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线有屏蔽和非屏蔽双绞线两种类型。现行双绞线电缆中一般包含4个双绞线对，具体为橙/白橙、蓝/白蓝、绿/白绿、棕/白棕，如图所示。,2.2.2 同轴电缆,它由内导体、外导体屏蔽层、绝缘层及外部绝缘保护套层组成，如图所示。金属屏蔽层能将磁场反射回中心导体，同时也使中心导体免受外界干扰，故同轴电缆具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性。,2.2.3 光缆,光纤是一种直径

13、为50100m的柔软、能传导光波的介质，各种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道，多条光纤组成一束就构成光纤电缆。,2.3 数据编码技术,数据在通信介质上要以电磁波的物理信号进行传输，通常把数据的电磁波表示称为电子编码。码元是所传输物理信号的基本单位。在计算机网络通信中所传输的大多为二元码，它的每一位只能在1或0两个状态中取一个，这每一位就是一个码元。 信号也分模拟信号和数字信号。因此不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的特殊处理,

14、见图2-4。用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态的，称为模拟数据编码；用高低电平的矩形脉冲数字信号来表达数据的0、1状态的，称为数字数据编码。下面详细讨论数据编码的形式。,2.3 数据编码技术,图2-4 数据与信号的转化形式,2.3.1 模拟信号调制,模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0、1状态。幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数，可以通过改变这三个参数，实现模拟数据编码。幅度键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK是模拟数据编码的三种编码方法。,2.3.1 模拟信号调制,(1) 幅移键控（ASK） 在幅移键控（ASK）中，2个二进制数值分别用2个不同振幅的载波

15、信号表示。通常用有载波信号表示1，用无载波信号或载波信号振幅为零表示0。 幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。 那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。 它具体可以表示为：,2.3.1 模拟信号调制,幅移键控实现容易，技术简单，采用电信号传输时，抗电磁干扰能力较差，调制效率低。光纤介质上常采用ASK。,2.3.1 模拟信号调制,2.3.1 模拟信号调制,(2) 频移键

16、控（FSK） 在频移键控（FSK）中，2个二进制数值分别用2个不同频率的载波信号表示，即利用两个不同频率F1和F2的振荡源来代表信号1和0，用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。 具体表示为： 频移键控实现容易，技术简单，抗电磁干扰能力强，是最常用的调制方式。波形见图2-6 。,2.3.1 模拟信号调制,2.3.1 模拟信号调制,(3) 相移键控（PSK） 在相移键控（PSK）中，用载波信号的相位偏移去表示数据，载波相位受数字基带信号的控制，如在二进制基带信号中为0时，载波相位为0，为1时载波相位为,载波相位和基带信号有一一对应的关系。相移键控可分为绝对相移键控和相对相移键控，最简单的绝对相移键控二相位PSK如图2-6下图所示，具体表示为：,2.3.1 模拟信号调制,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK调幅,FSK调频,PSK调相,ASK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v) FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz) PSK：用载波的起始相位的变化表示0 (同相)和1(反相),2.3.2 数