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1、第二章远动系统的数据通信网络,第二章远动系统的数据通信网络,第一节数据通信概述 在远动系统中，数据通信是一个重要环节，既可能是在一个厂站内部进行，也可能是在距离较远的厂站与调度中心之间进行。 一、模拟通信与数字通信 通信时要传输的信息是多种多样的，所有不同的消息可以归结为两类，一类称作模拟量，另一类称作离散量。模拟量的状态是连续变化的，当信号的某一参量无论在时间上或是在幅度上都是连续的，这种信号称为模拟信号，如话筒产生的话音电压信号。 离散量的状态是可数的或离散型的，当信号的某一参量携带着离散信息，而使该参量的取值是离散的，这样的信号称为数字信号，如电报信号。现在最常见的数字信号是幅度取值只有
2、两种（用0和1代表）的波形，称为“二进制信号”。“数字通信”是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。,数字数据通信与模拟数据通信相比较，数字数据通信具有下列优点。 来自声音、视频和其他数据源的各类数据均可统一为数字信号的形式(0或1)，并通过数字通信系统传输。 以数据帧为单位传输数据，并通过检错编码和重发数据帧来发现与纠正通信错误，从而有效保证通信的可靠性。 在长距离数字通信中可通过中继器放大和整形来保证数信号的完整及不累积噪声。 使用加密技术可有效增强通信的安全性。 数字技术比模拟技术发展更快，数字设备很容易通过集成电路来实现，并与计算机相结合，
3、而由于超大规模集成电路技术的迅速发展，数字设备的体积与成本的下降速度大大超过模拟设备，性能价格比高。 多路光纤技术的发展大大提高了数字通信的效率,实现数字通信，必须使发送端发出的模拟信号变为数字信号，这个过程称为“模数变换”。模拟信号数字化最基本的方法有三个过程：第一步是“采样”，就是对连续的模拟信号进行离散化处理，通常是以相等的时间间隔来抽取模拟信号的样值；第二步是“量化”，将模拟信号样值变换到最接近的数字值，因抽样后的样值在时间上虽是离散的，但在幅度上仍是连续的，量化过程就是把幅度上连续的抽样也变为离散的；第三步是“编码”，就是把量化后的样值信号用一组二进制数字代码来表示，最终完成模拟信号
4、的数字化。,二、二进制数字通信的应用 二进制数字码元仅有两个电平“l”和“0”（即“二进制数字”）。通常以8位为一个“字节”，可代表一组信息。采用二进制所对应的电路最简单，只有高低两种电平即可。通常以一定幅度的电信号脉冲代表“1”（高电平），而以电路中无信号代表“0（低电平），这样一系列二进制数字信号就变成一长串电脉冲信号。接收端通常采用一种检测电路定时检测各码元“取样信号”的电平值，并采用“像谁就是谁”的简单判断，凡取样值接近代表“ 1”的电平值就判为“ 1”，凡取样值接近代表“ 0”电平值的就判为“ 0”，非“ l”即“ 0”，非“ 0”即“ 1”，既使传输过程中由于干扰而有些失真，在一定
5、距离内也不容易达到“ 1”、“0”颠倒的程度，这样通过正确的判读就排除了干扰。长途传输时为不使干扰逐步积累，可在一定的距离设置中继站，正确判读后再重新发送，所以数字通信没有距离限制。,这里提到的码元，即数据通信中，信息以数字方式传送，开关位置状态、测量值或远动命令等都变成数字代码，转换成相应的物理信号，如电脉冲等，把每个信号脉冲称为一个码元，再经过适当变换后由信道传送给对方。常用的是二元制代码“0、“1”。 数据传送的速度可以用每秒传送的码元数来衡量，称码元速率，也称波特率。在串行数据传送中，数据传送速率是用每秒传送二进制数码的位数来表示，单位bps（bit Per second或b/s（位秒
6、）。数据经传输后发生错误的码元数与总传输码元数之比，称为误码率。在电网远动通信中，一般要求误码率应小于10-5数量级。误码率与线路质量、干扰等因素有关。 三、并行数据通信与串行数据通信 并行数据通信是指数据的各位同时传送，如图2-1所示。可以以字节为单位（8位数据总线）并行传送，也可以以字为单位（16位数据总线）通过专用或通用的并行接口电路传送，各位数据同时传送，同时接受。,并行传输速度快，但是在并行传输系统中，除了需要数据线外，往往还需要一组状态信号线和控制信号线，数据线的根数等于并行传输信号的位数。显然并行传输需要的传输信号线多、成本高，因此常用在短距离传输中（通常小于10m），要求传输速
7、度高的场合。 串行通信是数据一位一位顺序地传送，如图22所示。显而易见，串行通信数据的各不同位，可以分时使用同一传输线，故串行通信最大的优点是可以节约传输线，特别是当位数很多和远距离传送时，这个优点更为突出，这不仅可以降低传输线的投资，而且简化了接线。但串行通信的缺点是传输速度慢，且通信软件相对复杂些。因此适合于远距离的传输，数据串行传输的距离可达数千公里。目前电力系统远动装置中各厂站到调度中心的通信都是串行通信。,四、异步数据传输和同步数据传输 1异步数据传输 在串行数据传送中，有异步传送和同步传送两种基本的通信方式。 在异步通信方式中，发送的每一个字符均带有起始位、停止位和可选择的奇偶校验
8、位。用一起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束构成一帧，其成帧格式如图23所示。 针对图中的空闲位，可以有也可以没有，若不设空闲位，则紧跟接着上一个要传送的字符的停止位后面，便是下一个要传送的字符的起始位。在这种情况下，若传送的字符为 ASCll码，其字符为 7位，加上一个奇偶校验位，一个起始位，一个停止位总共10位，如图23（b）所示。,共有11位,10位,2同步数据传输 在异步传送中，每一个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，占用了时间。所以在数据块传送时，为了提高速度，就去掉这些标准，采用同步传送。同步传送的特点是在数据块的开始处集中使用同步字符来作传送的指示，其成帧格
9、式如图24所示。,synchronize 同步,同步传输中，每个帧以一个或多个“同步字符”开始。同步字符通常称SYN，是一种特殊的码元组合。通知接收装置这是一个字符块的开始，接着是控制字符。帧的长度可包括在控制字符中，并对本帧发送地址、目的地址、信息类别等加以说明，再后面就是“信息字”。这样接收装置是寻找SYN字符，确定帧长，读取指定数目的字符，然后再寻找下一个SYN符，以便开始下一帧。 同步是数据通信系统的一个重要环节。数字式远传的各种信息是按规定的顺序一个码元一个码元地逐位发送，接收端也必须对应的一个码元一个码元地逐位接收，收发两端必须同步协调地工作。同步是指收发两端的时钟频率相同、相位一
10、致地运转。同步字虽然也占了时间，但因一帧信息很长，一帧中有效信息所占比例仍比异步传输时大，因此传输效率提高了。 我国1991年发布的电力行业标准的循环式远动传输规约（简称CDT规约），是采用同步传输方式，同步字将为EB90H。同步字符连续发3个，共占6个字节，按照低位先发、高位后发，每字的低编号字节先发、高字节后发的原则顺序发送。若详细了解，可参考中华人民共和国电力行业标准DL45191。,五、数据通信的工作方式 通信是发送和接收双方工作的，根据收发通信双方通信是否同时工作，可以分成双工、半双工和单工三种不同的工作方式。 图25（a）是单工方式，收和发是固定的，单工方式只能向一个方向传送数据。
11、最简单的终端在采集数据后按既定程序自动地传送给调度中心，而不能接受调度端的指令，就属于单工方式。串行传输时单工方式只需要一回传输线（2根) 图2-5（b）是半双工方式，双方都有接收和发送能力，可以互为发、收。但是它的接收器和发送器不同时工作，采用切换方式分时交替进行。半双工方式也只需一回传输线。 图2-5（c）中，通信双方都有发送和接收设备，由一个控制器协调收发两者之间的工作，接收和发送可以同时进行，四条线供数据传输用，故称为全双工。如果对数据信号的表达形式进行适当加工，也可以在同一对线上同时进行收和发两种工作，即线上允许同时作双向传输，这称为双向全双工。三种方式中无论哪一种，数据的发送和接收
12、原理是基本相同的，只是收发控制上有所区别而已。,六、数据通信的差错控制 把通过通信信道后收到的数据与发送的数据不一致的现象称为传输差错。差错的产生是不可避免的。在信息传送过程常会出现各种干扰，使所传输的信号码元发生差错，如某位码元l变成了0或0变成了1。如图26所示。这样，接收到的就是错误信号。,当数据从信源出发，经过通信信道时，由于通信信道总是有一定的噪声存在，信息在到达信宿时，接收信号是信号与噪声的叠加。在接收端，接收电路在取样时判断信号电平。如果噪声对信号叠加的结果在电平判决时出现错误，就会引起传输数据的错误。如图27所示。 在一个实用的通信系统中一定要能发现（检测）这种差错，并采取纠正
13、措施，把出错控制在所能允许的尽可能小的范围内，这就是差错控制。,差错控制最常用的方法是差错控制编码。要发送的数据称为信息位。在向信道发送之前，先按某种关系加上一定的监督位（这个过程称为差错控制编码），构成一个码字再发送。接收端在接收到码字后查看信息位和冗余位，并检查它们之间的关系（检验过程），以发现传输过程是否有差错发生。差错控制编码又可分为检错码和纠错码，前者是指能自动发现差错的编码，后者是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。附加在有效信息后面的监督码又有校验码、冗余码、保护码等名称，它们像铁路乘警保护旅客一样保护着传输信息的安全，尽管这样做会降低列车运送旅客的有效运力。 要提高数据传
14、输质量，可从硬件和软件两方面采取措施。硬件方面的措施是很费钱的，如采用性能更好的通信方式和信道，采取多种屏蔽措施，甚至移动线路避开或远离干扰源等，但既使这样也不能完全避免干扰。而在软件方面花费不多，效果可能更好，这就是以下介绍的差错控制措施。差错控制又称为抗干扰编码。,举例如要传送一个 2状态的开关位置信息，用“ 0”表示开关处于断开，用“ 1”表示开关处于闭合。若传送中发生差错，将表示开关闭合的“ 1”错成了“0”，接收端只能以收到的“0”错误地判读开关已“断开”，而不会发觉这种错误。如果增加一个“监督位”，例如用重复码方式（即监督位是信息位的重复），改用“11”表示开关闭合，“00”表示开
15、关断开。设传输中又将“11”错成了“10或“01”（只错一位的概率远大于2位皆错的概率），接收端起码知道收到的码是错的，可不必采信（丢弃），总比误认为开关已“断开”为好。这种码就使接收端有了检错能力，但却不能纠正错误。如果再增加一位监督位，仍用重复的方式，用“111”代表开关闭合，用“000”代表开关断开，设传送时又将“111”错成为110”,“101”或“011”，接收端首先知道这是错码，然后根据“像谁是谁”的判决原则，可以判定原始发送码为“111”（而不会判为“000”），表示开关已经闭合，从而纠正了错误（但如同时错2位就纠正不了）。当然，这种具有纠错能力的码是付出了“代价”的，即在有效信
16、息位后面添加了若干位“冗余”的监督位，这就降低了编码效率。所谓编码效率可表示为信息码元数占总的传送码元数的比例。,最简单和最常用的检错方法是奇偶校验。如采用偶校验传送7位二进制信息，则在传送的7个信息位后加上一个偶校验位，如前7位中1的个数是偶数，则第8位加0，如前7位中1的个数是奇数，则第8位加1。这样使整个字将代码（共8位）中1的个数恒为偶数。接收端如检测到某字符代码中“ 1”的个数不是偶数，即可判断为错码而不予接收。同样道理也可采用奇校验位。 在电力系统远动数据通信中，常使用循环冗余校验 CRC（ Cyclic Redundancy Check）方法，它是对一个数据块进行校验，对随机或突发差错造成的帧破坏有很好的校验效果。下面简单介绍其原理。 一个二进制序列是由若干个“0”或“l”组成。设一个8位的二进制数可用一个7阶位的二进制多项式（ A7 x7十 A6 x6 A5 x5 A4 x4 A3 x3A2 x2+A0x0)表示。 一般地说，n位二进制数，可以用（n1）阶多项式表示。例如：11000101可表示为：,
