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1、 BAS系统通信网络与 现场总线技术 3.1 数据通信基础概述数字通信系统模型n一、信源编码与码型信源编码： 用编码的方法提高通信传输效率。信道编码：为解决误码问题而采用检错和纠错码，如CRC码。n利用不同的形式的电平信号来表示二进制位的编码，称为 码型。常见码型有：二电平码:不同电平表示1和0。如非归零电平码（NRZ-L） ，1用负电平表示，正电平表示0。差分码：“1”开始时出现电平跳变，“0”时不跳变。如非归零 反相码（NRZ-I），又称遇“1”翻转码。双极性信号交替反转码：正负电平交替用来表示1，0时为零 值电平。如信号交替反转码AMI。 曼彻斯特码Manchester：比特位中点位置电
2、平跳变，负到正跳 变表示“1”，反之表示0。还有差分曼彻斯特码、密勒码、双二进制码等。单极性归零双极性归零单极性波形0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0差分波形双极性波形n 数字信号传输一般采用非归零码、曼彻斯特及差 分曼特斯特码。n曼彻斯特码已被用于令牌环网及随机接入控制方 式的总线网中，工控领域用得较多。其缺点是两 个电信号携带一个比特信息，传输效率只有50% 。可采用4B/5B编码方式，使效率提高到80%，此 编码方法已广泛用于快速以太网和光纤分布式数 据接口网（Fiber Distributed Data Interface, FDDI ）。n差分码又称相对码，在差分码中利用电平
3、是否跳变来分别 表示“1”或“0”，分为传号差分码和空号差分码。传号差分 码是输入数据为“1”时，编码波型相对于前一代码电平产 生跳变；输入为“0”时，波型不产生跳变。空号差分码是 当输入数据为“0”时，编码波型相对于前一代码电平产生 跳变；输入为“1”时，波型不产生跳变。n差分曼彻斯特编码兼有差分码和曼彻斯特编码的特点，与 曼彻斯特编码不同的是，这种码元中间的电平转换边只作 为定时信号，而不表示数据。差分曼彻斯特编码用在令牌 环网中。n在曼彻斯特和差分曼彻斯特编码中，每比特中间都有一次 电平跳变，因此波特率是数据速率的两倍。对于100Mb/s 的高速网络，如果采用这类编码方法，就需要200M
4、的波特 率，其硬件成本是100M波特率硬件成本的510倍。n为了提高编码的效率，降低电路成本，可以采用4B/5B编码。 n4B/5B编码方式，使效率提高到80%，其特点是5 个比特中不少于二个1，5个信号携带4个信息。此 编码方法已广泛用于快速以太网和光纤分布式数 据接口网（Fiber Distributed Data Interface, FDDI ）。n这实际上是一种两级编码方案。系统中使用不归零码（ NRZ），在发送到传输介质之前要变成见1就翻不归零码 （NRZ-I）。NRZ-I代码序列中“1”的个数越多，越能提供 同步定时信息，但如果遇到长串的“0”，则不能提供同步 信息。所以在发送到
5、介质上之前还需经过一次4B/5B编码 ，发送器扫描要发送的比特序列，4位分为一组，然后按 照表2-1的对应规则变换成5位的代码。n 5位二进制代码的状态共有32种，在表2-1选用的5位代码 中1的个数都不小于2个。这就保证了在介质上传输的代码 能提供足够多的同步信息。另外还有5B6B、8B/10B等编 码方法，其原理是类似的。n二、并行传输与串行传输n三、单工、半双工与全双工传输n四、异步传输和同步传输同步传输：多用于面向位的高级数据链路控制（High level Data Link Control, HDLC）。效率高但实现较复杂。异步传输：数据块较小，对时钟精度要求不高，常用于低 速传输系
6、统中。n五、数字基带传输与频带传输基带传输：二进制编码的0和1直接以电脉冲的形式在信道 中传输，适于短距离，多数工控网及现场总线采用此方式 ，以太网亦是。频带传输：将基带信号调制成数字频带信号，以载波方式 传输。传输的为模拟信号，适于远距离，可能为有线或无 线。需调制和解调，常用调制方式有ASK、FSK及PSK。n六、有线信道与无线信道n1、双绞线（Twisted Pair）与非双绞线（Untwisted）n分单对及多对双绞，常用2对（工业控制系统网络、 工业以太网）、4对（以太网）。nCategory 5(CAT5) : 四线对，数据级UTP（Unshielded Twisted Pair）
7、，相对四类线增加了绕线密度，每英 寸（2.54cm）至少绞合3次。RJ-45插头 EIA/TIA的布线标准中规定了两种双绞线的线序568A与568B。 标准568B：橙白-1，橙-2，绿白-3，蓝-4，蓝白-5，绿- -6，棕白-7，棕-8；(国内使用) 标准568A：绿白-1，绿-2，橙白-3，蓝-4，蓝白-5，橙- -6，棕白-7，棕-8。100BASE-T4 RJ-45对双绞线的规定如下： 1、2用于发送，3、6用于接收，4、5，7、8是双向线。 1、2线必须是双绞，3、6双绞，4、5双绞，7、8双绞。 n2、同轴电缆（Coaxial Cable）优势：安装相对简单、价格合理劣势：易损坏
8、、有些电缆不易用（如粗缆）、连 接器较贵。容易出的问题：中心导体与屏蔽层之间的开路或 短路可能损害电缆、特性阻抗不匹配（引起信号反射 ，造成信号传输错误）、缺失终端电阻等。n3、光纤（Fiber Optic）单模（直径很小，加工困难，价格高，频带宽、 传输量大、适于远距离）。变化折射率多模光纤（具有较高的性价比，目前 应用较多）n连接方式：插头连接、机械方法接合、融接n插头连接通常使用光纤连接器。n4、无线通信低频波（长波）用于特种通信，中波、短波和超短波用于无 线电广播通信。微波频率300M300GHz，用于通信主要在 240G频段，如WLAN。n七、信道编码及差错控制方式n差错控制：利用信
9、道编码控制通信系统传输差错的方法n差错控制三类基本方法n时间冗余法：多次发送，相互比较以判断正确性。 以时间换可靠性，不能保证实时性，工业网中并不 采用。n信道冗余法：发送端经多个信道发给接收端，接收 端通过表决方式取得正确数据。工业网络中常采用 物理信道冗余方式，但不是为了差错控制，每个独 立的链路还是采用数据冗余法进行差错控制。n数据冗余法：常用方法。它是在要传送的数据块后 附加检验码（冗余码），接收端按编码公式，译码 并进行校验。分检错码和纠错码。n差错控制方式：n自动请求重发（Automatic Repeat Request, ARQ）n向前纠错（Forward Error Corre
10、ction , FEC）n混合纠错（Hybrid Error Correction , HEC）n信息反馈（Information Repeat Request , IRQ）n八、异步串行通信物理接口标准n1、RS-232接口标准nRS-232接口标准的不足：点对点，不利于多 智能设备间的通信，距离太短（15m），速 率慢（20K bps），工作电压标准与现代标 准电源不兼容。n2、RS-422接口标准：数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传 输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为 A，另一线定义为B 。n通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2 +6V，是一个逻辑状态，负电平在-26V
11、，是另 一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还 有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。 “使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断 与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于 高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1” 与“0”的第三态。接收器也作与发送端相对的规定 ，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连， 当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出 正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。 接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至 6V之间。 n上左图中是典型的RS-422四线接口。实际上还有一根信号 地线，共5根线。上右图是其D
12、B9连接器引脚定义。 RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不 必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以 按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的 双绞线）实现。 n终接电阻100，一 个，在在传输电缆 的最远端。 n3、RS-485接口标准 n由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以 RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡 传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS- 485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正 的多点双向通信，如图。 n而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对 多的通信，即只能有一个主（
13、Master）设备，其余 为从设备，但它比RS-422有改进， 无论四线还是 二线连接方式总线上可多接到32个设备。参见下 图。 LTC2871采用RS232到RS485转换的RS232扩展电缆连接框图 RS-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性 阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以 下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端。 LTC2870/71 RS485全双工网络框图 n九、数据通信系统的几个指标n数据传输速率，即比特率n调制速率，即波特率，二进制时与比特率相等。n信噪比n误码率n频带利用率n通信建立时间3.2 计算机网络基础n一、计算机网络构成n1、
14、网络组成（由网络节点构成）n端节点：拥有计算机资源的用户设备。n转接节点：支持网络连通性并在网络中对 数据起转发及交换的设备。 n网络习惯分为资源子网和通信子网。n资源子网 ：由端节点构成的用户子网。n通信子网：完全由转接节点和链路按照某 各结构互连而成。n2、网络拓扑（Topology）结构n指网络中各节点相互连接的方法与形式。总线型拓扑结构环状拓扑结构网状拓扑结构树状拓扑结构星型拓扑结构扩展星型拓扑结构网络拓扑结构二、计算机网络的体系结构n1、OSI模型n由国际标准化组织（International Organization for Standardization， ISO）制定的开放系统
15、互连参考模 型（Open System Interconnection Reference Model ），简称OSI模型。n“开放”表示能使任何二个遵循参考模型和有关标准 的系统进行互连。n模型共有七层，每层的目的是为上面的层提供服务 ，并定义对等系统必须遵守的规则和规程，以达到 和其他系统对等进程进行通信的目的。OSI参考模型2、协议（Protocol）n在二个实体间控制数据交换的规则的集合，包括语法、语 义和时序。n简单协议如基于ASCII的，复杂如TCP、IP。n二层协议如SDLC（同步数据链路控制）、HDLC（高级链 路控制）。n三层协议IP（Internet Protocol，互联
16、网协议）、IPX。n四层协议TCP（Transmission Control Protocol，传输控制 协议）、UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议 ）、SPX。n5+6+7层协议CIP（Common Industrial Protocol，通用工业 协议）、HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输 协议 ） 、FTP（File Transfer Protocol 、文件传输协议）、 POP3（Post Office Protocol 3，邮局协议第三版）等。协议所处工作层，需完成以下一个或多个功能：n数据包破碎/分段与组装：每个协议对处理和低层协议有 关联的数据包都具有局限性，如三层协议IP只能处理64KB 的包，则四层TCP协议须将来自五层的数据包分段。二层 协议只能接受不大于1500字节的数据，则三层必须将数
