1、第七章第七章:工業控制系統通信技術工業控制系統通信技術本章要點本章要點1.1.數據通信有關通信方式、制式、編碼、復用、同數據通信有關通信方式、制式、編碼、復用、同步及傳輸介質等基礎知識；步及傳輸介質等基礎知識； .串行通信總線的RS232-C通信總線與RS-422/485通信總線本章主要內容本章主要內容 引引 言言 7.17.1 數數據通信基礎據通信基礎 7.27.2 通通信網絡技術信網絡技術 7.37.3 串串行通信總線行通信總線 7.47.4 USBUSB通用串行接口標準通用串行接口標準 本章小結本章小結 思考題思考題引引 言言v計算機系統中，計算機之間或計算機與外部設備計算機系統中，計算

2、機之間或計算機與外部設備交換信息稱為通信。通信方式有：并行通信和串交換信息稱為通信。通信方式有：并行通信和串行通信行通信; ; v工控系統通信類型根據系統構成層次分為工控系統通信類型根據系統構成層次分為3 3種基種基本通信方法：標準通信總線、現場總線和局域網本通信方法：標準通信總線、現場總線和局域網通信通信; ;v工業控制計算機總線包括系統總線和通信總線。工業控制計算機總線包括系統總線和通信總線。通信總線分為并行通信總線和串行通信總線通信總線分為并行通信總線和串行通信總線7.1 7.1 數據通信基礎數據通信基礎主要內容主要內容 7.1.1 7.1.1 數數據通信系統據通信系統7.1.2 7.1

3、.2 數據傳輸編碼數據傳輸編碼 7.1.3 7.1.3 多路復用技術多路復用技術7.1.4 7.1.4 通信同步技術通信同步技術7.1.1 7.1.1 數數據通信系統據通信系統主要知識點1、通信系統構成2、數據通信方式3、數據通信制式 、通信系統構成圖數據通信系統組成信息源：需要發送的數據發送設備：使不同種類和速率的信息源與傳輸介質相匹配傳輸介質：是發送設備與接收設備之間信號傳遞所經過的媒介。例如：電磁波，紅外線，電纜、光纜、雙絞線等接收設備：完成對發送設備的反變換2數據通信方式 數據通信的基本傳輸方式有：數據通信的基本傳輸方式有： （1 1）并行通信）并行通信傳送數據的各位同時發送或接收傳送

4、數據的各位同時發送或接收 （2 2）串行通信）串行通信傳送數據的各位按順序一位一位進行發送傳送數據的各位按順序一位一位進行發送和接收和接收數據通信制式按通信線路上信息傳送方向與時間的關系可分為種通信制式：（）單工通信（）半雙工通信（）全雙工通信發送器接收器發送器圖 11-2 串行通信的三種制式發送器接收器接收器發送器接收器發送器接收器(a) 單工通信(c) 全雙工通信(b) 半雙工通信甲甲乙乙乙乙乙乙甲甲甲甲.1.2 .1.2 數據傳輸編碼數據傳輸編碼主要知識點主要知識點 （1 1） 數字信息的數字信號編碼數字信息的數字信號編碼 （2 2）數字信息的模擬字信號編碼）數字信息的模擬字信號編碼 （

5、3 3） 數據的傳輸方式數據的傳輸方式 （1 1） 數字信息的數字信號的編碼數字信息的數字信號的編碼單極性編碼雙極性編碼歸零編碼曼徹斯特碼差動曼徹斯特碼編碼方式很多000011110000111100001111000011110000111100001111時鐘時鐘(a)(b)(c)(d)(e)( f )(g)數字信號傳送時要求傳輸線的頻帶很寬，而長距離通信時通常是數字信號傳送時要求傳輸線的頻帶很寬，而長距離通信時通常是電話線進行傳送，其帶寬往往不能滿足要求，這時會產生信號的電話線進行傳送，其帶寬往往不能滿足要求，這時會產生信號的畸變?；?。解決辦法：數字信號的模擬信號轉換技術解決辦法：數字

6、信號的模擬信號轉換技術（）（） 數字信息的模擬信號編碼數字信息的模擬信號編碼發發送送裝裝置置接接收收裝裝置置MODENMODEN數字信號數字信號模擬信號調幅（）：用原始信號控制載波振幅變化，容易受干擾調頻（）：用原始信號控制載波頻率變化，占用較寬頻帶，受介質制約大調相（）：用原始信號控制載波相率變化，抗干擾性能較好正交調制（）：SAK與PSK結合。將數字信號調制為模擬信號有種方式基帶傳輸：直接用電脈沖信號代表數字基帶傳輸：直接用電脈沖信號代表數字0 0，1 1，不進行調制，適，不進行調制，適 合近距離傳輸，常用非歸零碼，合近距離傳輸，常用非歸零碼，曼徹斯特碼和和差動曼徹斯特碼頻帶傳輸：采用調制

7、解調技術的傳輸形式。利用載波傳輸信號可頻帶傳輸：采用調制解調技術的傳輸形式。利用載波傳輸信號可以減少線路干擾對傳輸信號的影響，實現遠距離傳輸。可以利用以減少線路干擾對傳輸信號的影響，實現遠距離傳輸?？梢岳枚嗦窂陀眉夹g實現多路信號的傳輸。多路復用技術實現多路信號的傳輸。異步傳輸：異步傳輸：（3 3） 數據的傳輸方式數據的傳輸方式.1.3 .1.3 多路復用技術多路復用技術主要知識點主要知識點 （1 1） 頻分多路復用（頻分多路復用（FDMFDM） （2 2）時分多路復用（）時分多路復用（TDMTDM） 多路復用技術就是多路信號在一條信道上多路復用技術就是多路信號在一條信道上進行的傳輸技術，作用

8、是把單條傳輸信道進行的傳輸技術，作用是把單條傳輸信道劃分成多個子信道，提高信路的利用率劃分成多個子信道，提高信路的利用率1 1 頻分多路復用頻分多路復用頻分多路復用是將單個物理信道的頻譜分割成若干互不重疊的小頻段，每個小頻段可看成一個子信道。終終端端低低 通通濾濾波波器器A調調制制器器1080120840 - 1320帶帶通通濾濾波波器器終終端端低低 通通濾濾波波器器B調調制制器- 1800帶帶通通濾濾波波器器終終端端低低 通通濾濾波波器器C調調制制器器20401201800 - 2280帶帶通通濾濾波波器器終終端端低低 通通濾濾波波器器D調調制制器器25201202

9、280 - 2760帶帶通通濾濾波波器器終終端端低低 通通濾濾波波器器E調調制制器器30001202760 - 3240帶帶通通濾濾波波器器載載 波波發發生生器器參參考考載載波波頻頻率率單單位位為為KHz通通信信信信道道2時分多路復用 時分多路復用技術把信道的傳輸時間分隔成許多時間段，在一個時間段內一路信號占用整個信道帶寬進行傳輸。為了在接收端能夠對復合信號進行正確的分離，接收端和發送端的時序必須嚴格同步，否則造成信號間的混淆。 終終端端A終終端端B終終端端C終終端端D終終端端EA B C D E AAABCDE緩緩沖沖區區時時鐘鐘3兩種復用技術的比較（1 1）時分多路復用（）時分多路復用（T

10、DMTDM）比頻分多路復用（）比頻分多路復用（FDMFDM）設備易于實）設備易于實現現（2 2）TDMTDM比比FDMFDM具有較高的傳輸速度具有較高的傳輸速度（3 3）TDMTDM中只需要一個中只需要一個MODEMMODEM（4 4）FDMFDM通常需要模通常需要模/ /數轉換設備，而數轉換設備，而TDMTDM中具有明顯的數字形中具有明顯的數字形式，因此特別適用于與計算機直接相連式，因此特別適用于與計算機直接相連（5 5）TDMTDM能混合不同速率和同步方式的終端，能適應新型數據能混合不同速率和同步方式的終端，能適應新型數據通信網通信網（6 6）進行數據傳輸的差錯控制和校正操作時，）進行數據

11、傳輸的差錯控制和校正操作時，TDMTDM比比FDMFDM會產生會產生較長的時間延遲。較長的時間延遲。FDMFDM主要應用在模擬通信系統中主要應用在模擬通信系統中 .1.4 .1.4 通信同步技術碼通信同步技術碼主要知識點主要知識點 （1 1） 通過控制線實現收發雙方同步通過控制線實現收發雙方同步 （2 2）串行異步通信）串行異步通信 （3 3）串行同步通信）串行同步通信 1通過控制線實現收發雙方同步 （1 1）并行同步方式是指在并行通信中通過控制線實現）并行同步方式是指在并行通信中通過控制線實現收發雙方同步。數據收發雙方除了數據線相連外，還收發雙方同步。數據收發雙方除了數據線相連外，還有控制信

12、號線，用來傳送發送和接收裝置的狀態。有控制信號線，用來傳送發送和接收裝置的狀態。（2 2）串行通信中，只有一對數據線，沒有控制信號）串行通信中，只有一對數據線，沒有控制信號線線 。收發雙方的同步靠同步信號來實現的。同步方式。收發雙方的同步靠同步信號來實現的。同步方式有：啟停同步，與其對應的傳輸方式稱異步通信方式；有：啟停同步，與其對應的傳輸方式稱異步通信方式；自同步方式，與其對應的傳輸方式稱同步通信方式自同步方式，與其對應的傳輸方式稱同步通信方式2串行異步通信串行異步通信是一個字符一個字符地按幀傳送數據的方式開始是起始位“0”，接下來是數據位，接下來是奇偶校驗位，最后是停止位“1”圖10-10

13、 串行異步通信的信息幀格式0/10/10/10/10/10/10/10/10D0D1D2D3D4D5D6起始位奇偶校驗位停止位空閑位0起始位MARK1MARK第n幀 傳輸方向七位數據111第n+1幀 3串行同步通信串行同步通信是連續傳送數據塊的方式。每次傳送n個數據塊，用一到二個同步字符表示數據傳送的開始，接下是n 個字節的數據塊，字符之間不留空隙。無字符發送的時候則連續發送同步字符。同步字符可以選擇一個特殊的8位二進制碼或兩個連續的8位二進制碼顯然串行同步通信的傳送效率高于串行異步通信顯然串行同步通信的傳送效率高于串行異步通信7.2 7.2 通信網絡技術通信網絡技術 7.2.1 網絡拓撲結構

14、網絡拓撲結構 7.2.2 網絡控制方法網絡控制方法 7.2.3 差錯控制技術差錯控制技術7.2.1 網絡拓撲結構網絡拓撲結構S3S1S2S4S2S3S4S1N4N1N2N3S3S2S4S1(a)(b)(c)N7.2.2 7.2.2 網絡控制方法網絡控制方法 網絡控制方法就是研究在通信網絡中信息如何從源站迅速正確地傳遞到目的站。網絡控制方法與網絡拓撲結構有關。有多種控制方式1查詢法2CSMA/CD3令牌傳送4存儲轉發7.2.3 7.2.3 差錯控制技術差錯控制技術 由于通信線路周圍電磁干擾存在，以及收發器件噪聲的影響，信息在發送、接收以及傳遞過程中難免會出現差錯。通信網絡差錯控制技術就是要及時將

15、差錯檢測出來，并采用合適糾正措施，以確保接收信息的正確性。1 錯誤檢驗 奇偶校驗 循環冗余校驗2糾正錯誤 7.3 7.3 串行通信總線串行通信總線 7.3.1 RS-232C 7.3.1 RS-232C通信總線通信總線 7.3.2 RS-422/4857.3.2 RS-422/485通信總線通信總線7.3.1 RS-232C7.3.1 RS-232C通信總線通信總線 RS-232C通信總線是通信總線是1969年年EIA公布的通信接口公布的通信接口標準專門用于數據終端設備（標準專門用于數據終端設備（DTE）和數據通信）和數據通信設備（設備（DCE）之間的串行通信。目前）之間的串行通信。目前RS-

16、232C接接口已成為計算機標準配置如口已成為計算機標準配置如COM1COM21 1信號特性、電纜長度及波特率信號特性、電纜長度及波特率 為了確保正確地發送二進制數據和正確地執行設備控制，RS232C標準為數據和管制信號提供了電壓標準及范圍-15V-5V為“1”，+5V +15V為“0”電纜長度在15m之內串行數據傳輸速率為020000b/s2 2引腳分配及定義引腳分配及定義3 3連接器的機械特性連接器的機械特性 7.3.2 RS-422/485C通信總線通信總線由于RS232接口標準出現較早，難免有不足之處，主要有以下四點： （1） 接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL

17、電平不兼容故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接。 （2） 傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps；因此在許多程序波特率只能采用19200，也是這個原因。 （3） 接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式， 這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。 （4） 傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在50米左右。 為了改進RS-232的缺點，EIA制定了新標準RS-449。包括RS-422 和RS-485。 RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kb/s時），并允許在一條平

18、衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規范，被命名為TIA/EIA-422-A標準。為擴展應用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。 RS-4851. RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（26） V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（26）V表示。接口信號電平比RS-232降低了，就不易損壞接口電路的芯片， 且該電平與TTL電平兼容，可

19、方便與TTL 電路連接。2. RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps 。3. RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。4. RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達 3000米，另外RS-232接口在總線上只允許連接1個收發器， 即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡。 MC1488 MC1489MC8T13 MC3486MC3487MC3486(a)RS-232C單端驅動非差分接收電路(b)RS-423A單端驅動差

20、分接收電路(c)RS-422A平衡驅動差分接收電路圖10-21 RS-232C/RS-423A/RS-422A接口電路TxD使能RxDRxD使能TxD(a) RS-485連接電路TxDRxD使能使能RxDTxD(b) RS-422連接電路圖10-22 RS-485與RS-422總線的數據傳送方式7.3.3USB通用串行接口標準由于多媒體技術的發展對外設與主機之間的數據傳輸率有了更高的需求，因此，USB總線技術應運而生。USB（Universal Serial Bus)，通用串行總線，是由Conpaq，DEC，IBM，Inter，Microsoft，NEC和Northen Telecom等公司為

21、簡化PC與外設之間的互連而共同研究開發的一種免費的標準化連接器，它支持各種PC與外設之間的連接，還可實現數字多媒體集成。USB接口的主要特點是：即插即用，可熱插拔。USB連接器將各種各樣的外設I/O端口合而為一，使之可熱插拔，具有自動配置能力，用戶只要簡單地將外設插入到PC以外的總線中，PC就能自動識別和配置USB設備。而且帶寬更大，增加外設時無需在PC內添加接口卡，多個USB集線器可相互傳送數據，使PC可以用全新的方式控制外設。USB可以自動檢測和安裝外設，實現真正的即插即用。而USB的另一個顯著特點是支持“熱”插拔，即不需要關機斷電，也可以在正運行的電腦上插入或拔除一個USB設備。USB總

22、線標準由1.1版升級到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了240Mbps，更換介質后連接距離由原來的5米增加到近百米。USB總線結構簡單，信號定義僅由2條電源線，2條信號線組成。1.USB的硬件結構USB采用四線電纜，其中兩根是用來傳送數據的串行通道，另兩根為下游（Downstream)設備提供電源，對于高速且需要高帶寬的外設，USB以全速12Mbps的傳輸數據；對于低速外設，USB則以1.5Mbps的傳輸速率來傳輸數據。USB總線會根據外設情況在兩種傳輸模式中自動地動態轉換。USB是基于令牌的總線。類似于令牌環網絡或FDDI基于令牌的總線。USB主控制器廣播令牌，總線上設備檢測令牌中的地

23、址是否與自身相符，通過接收或發送數據給主機來響應。USB通過支持懸掛/恢復操作來管理USB總線電源。USB系統采用級聯星型拓撲，該拓撲由三個基本部分組成：主機（Host)，集線器（Hub)和功能設備。主機，也稱為根，它做在主板上或作為適配卡安裝在計算機上，主機包含有主控制器和根集線器（Root Hub)，控制著USB總線上的數據和控制信息的流動，每個USB系統只能有一個根集線器，它連接在主控制器上。7-18 USB電纜定義集線器是USB結構中的特定成分，它提供叫做端口（Port)的點將設備連接到USB總線上，同時檢測連接在總線上的設備，并為這些設備提供電源管理，負責總線的故障檢測和恢復。集線可

24、為總線提供能源，亦可為自身提供能源（從外部得到電源），自身提供能源的設備可插入總線提供能源的集線器中，但總線提供能源的設備不能插入自身提供能源的集線器或支持超過四個的下游端口中，如總線提供能源設備的需要超過100mA電源時，不能同總線提供電源的集線器連接。功能設備通過端口與總線連接。USB同時可做Hub使用。2.USB的軟件結構每個USB只有一個主機，它包括以下幾層:(1)USB總線接口 USB總線接口處理電氣層與協議層的互連。從互連的角度來看，相似的總線接口由設備及主機同時給出，例如串行接口機（SIE）。USB總線接口由主控制器實現。(2)USB系統USB系統用主控制器管理主機與USB設備間

25、的數據傳輸。它與主控制器間的接口依賴于主控制器的硬件定義。 主控制器驅動程序（HCD）這可把不同主控制器設備映射到USB系統中。系統軟件中的最高層通過UHCD的軟件接口與主控制器通信。USB驅動程序（USBD）它在UHCD驅動器之上，它提供驅動器級的接口，滿足現有設備驅動器設計的要求。USBD以I/O請求包（IRPs)的形式提供數據傳輸架構，它由通過特定管道（Pipe)傳輸數據的需求組成。主機軟件在某些操作系統中，沒有提供USB系統軟件。這些軟件本來是用于向設備驅動程序提供配置信息和裝載結構的。在這些操作系統中，設備驅動程序將應用提供的接口而不是直接訪問USBDI（USB驅動程序接口）結構。USB系統還有三個基本組件（3）USB客戶軟件 它是位于軟件結構的最高層，負責處理特定USB設備驅動器。客戶程序層描述所有直接作用于設備的軟件入口。當設備被系統檢測到后，這些客戶程序將直接作用于外圍硬件。這個共享的特性將USB系統軟件置于客戶和它的設備之間，這就要根據USBD在客戶端形成的設備映像由客戶程序對它進行處理。主機各層有以下功能：檢測連接和移去的USB設備。 管