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1、数据通信基本原理一、概述数据通信两点或多点间借助某种传输介质以二进制形式进行信息准确交换的过程。 由发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议等几个部分组成。数据通信系统构成数据通信系统是一个软硬件的结合体硬件：发送设备、接收设备、传输介质软件：传输报文、通信协议传输报文把要传输的信息称为报文 ; 通信协议通信设备之间控制数据通信与理解通信数据意义的一组规则， 规定了通信的内容，通信何时进行以及如何进行等内容。例如一个简单的通信协议可以定义数据通信帧的第 1 字节是发送设备的地址， 第 2 字节是接收设备的地址， 后面紧跟的字节是要传送的数据 （或控制命令）等；对传送的数据的含义做说明，
2、是电流还是电压数据，小数有几位，单位是什么等；同时对数据发送时间，发送速率做说明。二、数据通信的传输方式（ 1） 并行传输速度快，一次传输数据（ 1 字节或字）各位；需握手信号线，传输距离PC机PC机D0,D1 Dn状态控制短，需信号线多。（ 2） 串行串行通信数据的各不同位， 分时使用同一传输线； 节约传输线， 远距离传输；应用较广。（ 3） 数据通信的工作方式按信息传送的方向和时间分：单工：信息只能一个方向传输， A B；半双工： 信息可以双方向传输， 但两个方向的传输不能同时进行， 只能分时交替进行， A - B。全双工：通信双方可以同时进行双方向的信息传输。 A = B （ 4） 数据
3、传输速率串行数据传输中，以每秒传输的位数来标识数据传输速率，单位为 bps 或b/s 。比如：每秒传输 9600 位，称其传送速率为 9600bps 或 9600 波特率（ Baud Rate） 。（ 5）异步数据传输发送的每一个字节均带有起始位、停止位和可选择的奇偶校验位。如：下一个信息开始0 D 0 D 1 D n 1 1 1 0 D 0 D 1起始位 传送信息奇偶校验位停止位 空闲位1空闲位不能确定位数（ 6）同步数据传输去掉起始位和停止位， 在数据块的开始处集中使用同步字符来作传送开始的指示。如：控制字符 数据字符SYN1 SYN2一个或多个同步字符（ 7）具体通信方式载波通信，光纤通
4、信，现场总线，串行通信，无线通信等。PC机PC机状态控制01001101 三、差错检测技术信息在传输过程中，由于受到干扰，会发生差错，造成误码，改进措施为： 1 改善提高传输系统的质量； 2 采用差错监测和纠正技术。传输信息 监督码（ 1）发送方约定的规则接收方接收信息 接收监督码监督码 （ 2）约定的规则若监督码（ 2）与接收监督码一致，则认为接收正确，否则认为接收信息有误，这就是检错。故差错检测的本质：通过增加若干冗余码元（监督码） ，使传输码元具有检错或纠错能力。（ 1）奇偶校验在每一个字节末端附上一个奇或偶校验码元，使得该字节包括监督码元在内，含有偶个 1（偶校验）或奇个 1（奇校验）
5、 。如：传： 10001010 偶校验传： 100010101 奇校验传： 100010100 若偶两个（或偶数个）码反过来，则会发生奇偶校验未检出的差错。(2) 纵向冗余校验字符码元 码字0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1横向每个字符如前述奇偶校验一样0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 纵校验检查字符 0 0 0 0 0 1 1 0 纵向偶校验监督码：产生一额外字符若
6、第 4 字符 1、 3 码元和第 1 字符 1、 3 码元同时出错，则横、纵向均检不出。(3) 循环冗余校验 CRC（ Cyclic Redundancy check ）原理： 8 位二进制数可用一个 7 阶的二进制多项式表示：0011223344556677 XAXAXAXAXAXAXAXA如： 11000101可表示为01234567 X1X0X1X0X0X0X1X1A(X)= 1XXX 267一般 n 位二进制数，可用（ n-1 ）阶多项式表示。M(X) ：长度为 R的二进制信息码元R(X) ： r 位监督码序列C(X) ： R(X)M(X) 总长 rkn ，可设预订的生成多项式 G(X
7、) 整除接收方收到 n 位码元的数据信息，除以 G(X) 若无余数，则认为传输无误。CRC校验的实现：（ 1）选择生成多项式 G(X) ， CDT约定 1XXXG(X)28；（ 2） M(X) 乘以 rX ，得rX*M(X)，在信息码后面加上 r 和“ 0” ；（ 3） G(X)X*M(X) r，得余项 R(X) ；（ 4）将rX*M(X)与余项 R(X) 构成循环码 R(X)X*M(X)C(X)r， R(X) 称为循环冗余值或称 CRC字节， C(X) 能被 G(X) 整除。若干扰造成的差错码元超过一定数量，这个错误循环码能被生成多项式除尽，此时错误就无法检出而被错误接收。eg1 设要发送信
8、息码： 101100010，生成多项式 1XXXG(X)51216，求校验码。XXXXM(X) 568 ； 1XXXG(X) 51216 ；1721222456816k-n XXXXX)XX(XXM(X)X；1XXXXXXXG(X)M(X)X5121617212224k-n商 1XXXXXQ(X)24568余数 1XXXXXXXXXXR(X)256791011121314n 位循环码k 位 r 位 (n-k) 信息位 校验位1XXXXXXXXXXXXXXR(X)M(X)X25679101112131417212224k-n码元序列为： 1011000100111111011100101B 四、
9、通信规约简介1、 MODBUS简介1979 年由 Modicon 公司提出，基于主站从站实现设备间数据交换。中国国家标准化管理委员会（ SAC）于 2004 年已制定提出三个标准：GB/Z19582.1-2004 基于 MODBUS协议的工业网络规范。第 1 部分 MODBUS应用协议第 2 部分 MODBUS协议在串行链路上的应用指南第 3 部分 MODBUS协议在 TCP/IP 上的应用指南2、协议基本原理MODBUS协议在一根通信线上采用主从应答的通信连接方式，半双工工作模式， 主计算机寻址到一台唯一地址的从机， 然后从机发出应答信号以相反的方向传给主机。不允许独立从机间数据交换。（ 1
10、）主机查询帧：设备地址码功能代码数据信息码校验码。设备地址码：表明要选中的从机设备。功能代码：告之被选中的从机设备执行何种功能。例如： 03 要求从机设备读寄存器并返回他们的内容。数据信息码：从机设备要执行功能的其他附加信息。例如：读命令中，包含从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。校验码：校验一帧信息的正确性。（ 2）从机响应图 2 14 查询应答过程主设备的查询消息设备地址功能代码数据段错误检测设备地址功能代码数据段错误检测从设备的回应消息帧：从机地址码功能代码数据信息码校验码。数据信息码：从机设备收集的数据：例如：寄存器值或状态。如有错误，从机响应功能码 10H，其他同查询命令。（ 3）传
11、输方式每个字节的各位： 1 个起始位， 8 个数据位， （奇偶校验位） ， 1 个停止位 （有奇偶校验位时）或 2 个停止位（无奇偶校验位时） 。1、数据帧结构即报文格式表 2 2 数据帧结构地址码 功能码 数据码 校验码1 字节 1 字节 N字节 2 字节地址码： 0 255 每个终端设备的地址必须是唯一的， 仅仅被寻址到的终端会响应包含了该地址的查询。功能码：告诉被寻址到的终端执行何种功能。举例如表 2 3。表 2 3 功能码举例代码 意义 行为03/04 读数据寄存器 获得一个或多个寄存器的当前二进制值08 电能数据复位 将仪表的电能数据清零16 写预制寄存器 设定二进制值到相关的寄存器
12、中数据码： 例如功能码告诉终端读取一个寄存器， 数据码则需要指明从哪个寄存器开始及读取多少个数据， 而从机数据码回送内容则包含了数据长度和相应的数据。4、通信报文举例（ 1） 读数据表 2 4 主机查询数据帧地址 命令 起始寄存器地址（高位）起始寄存器地址 （低位）寄存器个数 （高位）寄存器个数 （低位）CRC16（低位）CRC16（高位）0CH 03H 00H 2BH 00H 03H 74H DEH 注：寄存器个数为字而不是字节。表 2 5 从机响应数据帧地址 命令 数据长度 数据 1 2 3 4 5 6 CRC16（低位）CRC16（高位）0CH 03H 06H 13H 80H 13H 9
13、0H 13H 70H 72H E5H （ 2） 预置数据表 2 6 主机预置数据帧地址命令起始寄存器地址 （高位）起始寄存器地址 （低位）寄存器个数 （高位）寄存器个数 （低位）写入字节数写入数据CRC16（低位）CRC16（高位）0CH 10H 00H 04H 00H 01H 02H 60H 50H FFH 78H 注：寄存器个数为字而不是字节 , 但写入个数为字节数而不是字。表 2 7 从机响应数据帧（表明已写入）地址 命令 起始寄存器地址（高位）起始寄存器地址 （低位）寄存器个数 （高位）寄存器个数 （低位）CRC16（低位）CRC16（高位）0CH 10H 00H 04H 00H 01
14、H 41H 15H 数据采集一、概述数据采集A）模拟量采集：各段母线 U，线路 U、 I 、 P、 Q，变压器 U、 I 、 P、 Q，电容器 I 、 Q，馈出线 I 、 U、 P、 Q、 f 、相位、功率因数等。另：变压器温度、直流电源电压。B）开关量采集：断路器，隔离开关状态，有载调压变压器分接头的位置，继电保护动作信号，运行告警信号。C）电能量。二、直流采样（ 1）将强信号（一般为交流 100V， 5A）转化为适合于计算机和仪表使用的弱信号（一般为直流 5V， 4 20mA） 。（ 2）将交流信号转化为直流信号。（ 3）从瞬时信号获得有效值。（ 4）确保输出直流量与输入交流测量量之间满足
15、线性关系。（ 5）实现输入与输出隔离。6543D6IN4007D4IN4007D5IN4007D3IN4007 RW15KR151 KR31KE533U/25VR2 10 0Z15V18.6V-J 18.6V-J 2AD-J+AD-J-AD-J+AD-W+C7104C810 4AD-CSAD-SCKAD-DOA0 1A1 2A2 3A3 4A4 5A5 6A6 7A7 8A8 9A9 11A10 12GND10VCC20REF-13REF+14CS15DATA OUT16ADDRESS17CLOCK18EOC19IC4TLC2543CDWVCCZD1TL4 31R341KVCCE110 0uF
16、/16VC61042.5VAD-DI1 直流采样的标度变换不同遥测量的数值不同， 量纲相异， 经过直流采样前端处理电路后， 变成统一的 0 5V 直流模拟电压， 经过 A/D 转换器变换成二进制数， 将二进制数经过标度变换转换成工程实际值显示出来。【例】采用直流采样方法测量电网电压值， A D转换器的转换精度为 12 位，电网电压为 10kV，今测得 A/D 值为 0CF6H，计算其原电压值。解：首先将所测值转换为十进制值。0CF6H 00000 l100 1111 0l10B 3318D 12 位 A/D 转换的最大值为 0000 1111 1111 1111B ，即 0FFFH代表直流 5V电压1111 1111 1111B 转换为十进制数为 4095。根据 A/D 的线性关系有：4095:3318=5V:x x=3318 5/4095 4.05V 考虑电压波动因
