工業(yè)通信基礎綜述

第二章內容2.1工業(yè)網絡通信基礎1.工業(yè)數據通訊的基本概念2.數據編碼3.數據傳輸4.差錯控制2.2工業(yè)網絡物理結構

1.網絡的傳輸媒介2.工業(yè)通信網絡的拓撲形式3.介質訪問控制方式2.3開放系統互連參考模型

1.OSI參考模型2.網絡互連3.現場總線通信協議模型

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9/28/202312.1工業(yè)網絡通信基礎工業(yè)數據通訊的基本概念基礎知識基本任務計算機技術和通信技術相結合，應用于工業(yè)自動化領域中，將工業(yè)數據安全準確地傳送到上層網絡中，從而為實現真正的企業(yè)ERP提供全生命周期的設備和現場數據?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/202322.1工業(yè)網絡通信基礎工業(yè)數據通訊的基本概念基礎知識相關知識主要涉及通信協議、信號編碼、數據傳輸和交換、安全、通信控制和軟硬件平臺等。系統的基本組成主要由數據信息的發(fā)送設備、接收設備、傳輸介質、傳輸報文、通信協議等組成。●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/202332.1工業(yè)網絡通信基礎工業(yè)數據通訊的基本概念基本術語數據(Data)：數據是任何描述物體概念、情況、形勢的事實、數字、字母和符號。也可以說數據是傳遞（攜帶）信息的實體，信息(Information)則是數據的內容或解釋模擬(Analog)數據；數字(Digital)數據。信號(Signal)：數據的物理量編碼（通常為電編碼），數據以信號的形式傳播模擬信號；數字信號

?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/202342.1工業(yè)網絡通信基礎工業(yè)數據通訊的基本概念基本術語信道(Channel)：傳送信息的線路（或通路）。數字信道：以數字脈沖形式（離散信號）傳輸數據的信道。模擬信道：以連續(xù)模擬信號形式傳輸數據的信道。●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/202352.1工業(yè)網絡通信基礎工業(yè)數據通訊的基本概念基本術語信道帶寬（BandWidth）：數據通信系統的信道傳輸的是波信號(包括無線電、微波、光波等)，帶寬就是它所能傳輸波的最大有效頻率與最小有效頻率之差。信道容量(Channelcapacity)

：信道的傳輸能力是有一定限制的，某個信道傳輸數據的速率有一個上限，叫作信道的最大傳輸速率，即信道容量。信道的最大傳輸速率是與信道帶寬有直接聯系的?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/202362.1工業(yè)網絡通信基礎工業(yè)數據通訊的基本概念基本術語碼元(CodeCell)：時間軸上的一個信號編碼單元?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/202372.1工業(yè)網絡通信基礎工業(yè)數據通訊的基本概念基本術語數據傳輸速率比特率(BitRate)：每秒傳遞的bit數(bps，b/s)。波特率（BaudRate）：每秒傳送的碼元數。Rbit=Rbaudlog2M式中：M為信號的有效狀態(tài)數，即碼元數。當M＝2時（二進制數表示信號波形），兩者相等。一般來說波特率小于比特率。誤碼率(Biterrorrate)：信道傳輸的可靠性指標P=錯誤的位數/傳輸的總位數

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9/28/202382.1工業(yè)網絡通信基礎數據編碼為什么要進行數據編碼？工業(yè)數據通信的任務是傳送數據或指令等信息，而這些信息通常用離散的二進制0、1序列的方式來表示，即用0、1的不同組合來表示不同的信息內容。例如用00、01、10、11來分別表示電動機的停止、運行、錯誤和不確定等四個狀態(tài)。通過編碼把一種組合與一個確定的內容聯系起來。編碼要得到通信各方的認同?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/202392.1工業(yè)網絡通信基礎數據編碼編碼和調制用數字信號承載數字或模擬數據——編碼用模擬信號承載數字或模擬數據——調制

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9/28/2023102.1工業(yè)網絡通信基礎數據編碼數據傳輸種類不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有4種組合，每一種組合相應地需要進行不同的處理。

數據：模擬數據、數字數據信號：模擬信號、數字信號信道：模擬信道、數字信道●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023112.1工業(yè)網絡通信基礎數據編碼數字數據的數字編碼定義：用高低電平的矩形脈沖信號來表示數據的0、1狀態(tài)。數字編碼的種類有：單極性碼、雙極性碼、歸零碼、非歸零碼、差分碼、Manchester編碼等。工業(yè)通信中常用的是非歸零碼和Manchester編碼。非歸零碼：邏輯1表示高電平，邏輯0表示低電平，在整個碼元期間都維持有效電平的編碼。優(yōu)點：能夠比較有效地利用信道的帶寬，這是最常用的編碼之一。缺點：不具備自同步機制，必須使用外同步。曼徹斯特編碼：在每個碼元的中間都要發(fā)生跳變。接收端可將此變化提取出來作為同步信號，使接收端的時鐘與發(fā)送設備的時鐘保持一致。是工業(yè)數據通信中最常用的一種基帶信號編碼優(yōu)點：不需要外同步信號。缺點：需要雙倍的傳輸帶寬（即信號速率是數據速率的2倍）?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023122.1工業(yè)網絡通信基礎●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023132.1工業(yè)網絡通信基礎數據編碼數字數據的調制編碼定義：用模擬信號來表示數據的0、1狀態(tài)。基本原理：用數字信號對載波的不同參量進行調制。

載波S(t)=Acos(

t+

)

S(t)的參量包括：幅度A、頻率

、相位

調制就是要使這三個參量隨數字基帶信號的變化而變化常用技術幅移鍵控ASK(AmplitudeShiftKeying)，調幅頻移鍵控FSK(FrequencyShiftKeying)，調頻。相移鍵控PSK(PhaseShiftKeying)，調相舉例說明：PSK：用載波的兩個不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK：用載波的兩個不同頻率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)?，F場總線的HART通信信號采用這種編碼方式。PSK：用載波的起始相位的變化表示0(同相)和1(反相)●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023142.1工業(yè)網絡通信基礎●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023152.1工業(yè)網絡通信基礎數據傳輸數據通信方式（數據流動方向）單工：數據單向傳輸。例如無線電廣播、計算機與鍵盤之間；半雙工：數據可以雙向傳輸，但不能在同一時刻雙向傳輸。例如對講機。這種方式具有控制簡單可靠、通信成本低等優(yōu)點。工業(yè)數據通信中常用這種方式。全雙工：數據可同時雙向傳輸。例如電話，計算機與計算機之間。這種方式控制相對復雜，系統成本高，但通信效率高。●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023162.1工業(yè)網絡通信基礎數據傳輸數據傳輸方式串行傳輸（SerialTransmission）：數據流以串行方式逐位地在一條信道上傳輸。每次只能發(fā)送一個數據位，發(fā)送方必須確定是先發(fā)數據的高位還是低位；同理，接收方也必須知道所收到字節(jié)的第一個數據位應該在什么位置。這種方式適合距離較遠的數據通信，但需要在收發(fā)雙方采取同步措施。并行傳輸（ParallelTransmission)：數據以成組的方式在兩條以上的并行通道上同時傳輸。每個數據位使用單獨的一條導線，所以它可以同時傳輸一組數據位。因為它有一條“選通”線通知接收方接收數據，所以不需要特別的措施實現收發(fā)雙方的同步。顯然，這種方式成本高，不適合遠距離的通信?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023172.1工業(yè)網絡通信基礎●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023182.1工業(yè)網絡通信基礎數據傳輸

數據傳輸方式異步傳輸：每個字符作為一個單元獨立傳輸，字符之間的傳輸間隔任意。為了標志字符的開始和結尾，在每個字符的開始加一位起始位，結尾加1位、1.5位或2位停止位，構成一個個的“字符”。這里的“字符”指異步傳輸的數據單元，不同于“字節(jié)”，一般略大于一個字節(jié)。異步傳輸使用的是字符同步方式。

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9/28/2023192.1工業(yè)網絡通信基礎數據傳輸

數據傳輸方式同步傳輸：同步傳輸方式不是對每個字符單獨進行同步，而是對一組字符組成的數據塊進行同步。同步的方法不是加一位起始位，而是在數據塊前面加特殊模式的位組合(如01111110)或同步字符(SYN)，并且通過位填充或字符填充技術保證數據塊中的數據不會與同步字符混淆。

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9/28/2023202.1工業(yè)網絡通信基礎數據傳輸

數據同步方式位同步（bitsynchronous）：目的是使接收端接收的每一位信息都與發(fā)送端保持同步。面向位塊的同步傳輸外同步——發(fā)送端發(fā)送同步時鐘信號，接收方用它來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。自同步——通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），這些數據編碼信號包含了同步脈沖，接收方提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。

面向字符塊的同步傳輸●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023212.1工業(yè)網絡通信基礎差錯控制產生差錯的原因：信道的電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變；信號反射；串擾(是兩條信號線之間的耦合、信號線之間的互感和互容引起線上的噪聲)；閃電、大功率電機的啟停等。線路傳輸差錯是不可避免的，但要盡量減小其影響。如何提高通信質量？采用高質量的通信線路在外部采取抗干擾措施●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023222.1工業(yè)網絡通信基礎差錯控制如何提高通信質量？采用差錯控制方法一種軟的控制技術。它容忍差錯的存在，但能夠發(fā)現，并設法加以糾正。這是普遍采用的提高通信質量的方法。原理：對所傳輸的數據進行抗干擾編碼，即按一定的規(guī)則給被傳送的數據增加一定的冗余碼。冗余碼與被傳送的信息碼一起發(fā)送，經信道傳輸后，接收端按照與發(fā)送端約定的譯碼規(guī)則進行譯碼，從而發(fā)現錯誤或糾正錯誤。檢測碼：能夠發(fā)現錯誤的編碼稱為檢測碼。檢測碼實現容易，代價小，所以在通信系統中使用得較多。糾錯碼：能夠發(fā)現錯誤并能糾正錯誤的編碼稱為糾錯碼。●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023232.1工業(yè)網絡通信基礎差錯控制奇偶校驗（ParityChecking）原理：在原始數據字節(jié)中增加一個附加比特位，使結果中1的個數為奇數(奇校驗)或偶數(偶校驗)。增加的位稱為奇偶校驗位。舉例：原始數據=1100010，采用偶校驗。則增加校驗位后的數據為11000101

若接收方收到的字節(jié)奇偶結果不正確，就可以知道傳輸中發(fā)生了錯誤。檢錯能力：奇偶校驗只能檢測出奇數個比特位錯，對偶數個比特位錯則無能為力。11000101→11011101●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023242.1工業(yè)網絡通信基礎差錯控制循環(huán)冗余校驗（CRC,CyclicRedundancyCheck）

一種通過多項式除法檢測錯誤的方法。檢錯思想：收發(fā)雙方約定一個生成多項式G(x)，發(fā)送方在幀的末尾加上校驗和，使帶校驗和的幀的多項式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多項式，若有余數，則傳輸有錯。校驗和計算方法若G(x)為r階，則在原幀后面添加r個0按模2除法得出余數形成要傳送的帶校驗和的幀的多項式T(x)

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9/28/2023252.1工業(yè)網絡通信基礎差錯控制循環(huán)冗余校驗（CRC,CyclicRedundancyCheck）舉例●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023262.1工業(yè)網絡通信基礎差錯控制循環(huán)冗余校驗（CRC,CyclicRedundancyCheck）其實CRC中的生成多項式不是隨便選定的。它的結構和檢錯效果是要經過嚴格的數學分析與實驗。目前有多種生成多項式被列為國際標準，如：CRC-12G(x)=x12+x11+x3+x2+x1+1

CRC-16G(x)=x16+x15+x2+1

CRC錯誤檢測方法大約能檢查出99.95%以上的錯誤。●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023272.1工業(yè)網絡通信基礎差錯控制海明碼海明距離：一個有效編碼集中，任意兩個碼字的對應位取值不同的個數的最小值稱為該編碼集的海明距離。如：有效編碼集10110、11010的海明距離為2；有效編碼集10101、01111的海明距離為3；有效編碼集10110、11010、10101、01111的海明距離為2。海明碼的檢錯和糾錯能力可以用海明距離來表示，海明距離越大，檢錯和糾錯能力也越強，但所需要冗余的信息也越多。如果需檢測出d個錯誤，則海明距離至少應為d+1；如果要能糾正d個錯誤，則編碼集中的海明距離至少應為2d+1。●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023282.2工業(yè)網絡物理結構網絡的傳輸媒介有線傳輸介質：包括雙絞線、同軸電纜和光纖。無線傳輸介質：包括無線電、微波、衛(wèi)星等各種通信介質。

工業(yè)通信中常用的是有線傳輸介質。雙絞線（twistedpair)每一對雙絞線由絞合在一起的相互絕緣的兩根銅線組成，每根銅線的直徑大約1mm。雙絞線絞在一起的目的就是減少電磁干擾，提高傳輸質量。雙絞線可以用于傳輸模擬信號或數字信號。計算機局域網中經常使用的雙絞線有屏蔽和非屏蔽之分。屏蔽雙絞線(STP，ShieldedTwistedPair)：抗干擾性好，性能高，用于遠程中繼線時，最大距離可以達到十幾公里。但成本也較高，但工業(yè)通信系統中廣泛使用STP。非屏蔽雙絞線(UTP，UnshieldedTwistedPair)：非屏蔽雙絞線的傳輸距離一般為100米。非屏蔽雙絞線有1、2、3、4、5五類，常用的是3類線和5類線，5類線既可支持100Mbps的快速以太網連接，又可支持到150Mbps的ATM數據傳輸，是連接桌面設備的首選傳輸介質?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023292.2工業(yè)網絡物理結構●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023302.2工業(yè)網絡物理結構●工業(yè)網絡與通信基礎知識

內芯9/28/2023312.2工業(yè)網絡物理結構網絡的傳輸媒介光纜：即光導纖維。根據材料的不同，分為玻璃光纖、塑料光纖等。光纖通信的原理是基于光線由光密介質進入光疏介質時，在入射角足夠大的情況下會發(fā)生全反射，光波能量幾乎全部反射，這樣才可以達到長距離高速傳輸的目的?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023322.2工業(yè)網絡物理結構網絡的傳輸媒介光傳輸系統：光源、介質、光檢測器光源:850nm/1300nm/1500nm，發(fā)光二極管/激光二極管介質:光纖光檢測器:光電二極管無線通信：主要有微波、紅外和激光等。適合于在地理上或安裝上有要求的場合，或頻繁移動的設備。在實際工業(yè)通信網絡的底層使用的不多?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023332.2工業(yè)網絡物理結構工業(yè)通信網絡的拓撲形式

工業(yè)網絡中的拓撲形式就是節(jié)點的互連形式。常見的是：總線型、環(huán)形、星形和樹形等?？偩€型：通過一條總線電纜作為傳輸介質，各節(jié)點通過接口接入總線。是工業(yè)通信網絡中最常用的一種拓撲形式。特點：通信可以是點對點方式，也可以是廣播方式；接入容易，擴展方便；節(jié)省電纜。●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023342.2工業(yè)網絡物理結構工業(yè)通信網絡的拓撲形式星形與樹形：在星形拓撲中，每個節(jié)點通過點對點連接到中央節(jié)點，任何節(jié)點之間的通信都通過中央節(jié)點進行。樹形拓撲是星形拓撲的變化。常用于節(jié)點密集的地方，在商業(yè)和民用網絡中使用較多。特點維護、管理簡單；每個結點的通信負擔很小，所以沖突小?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023352.2工業(yè)網絡物理結構工業(yè)通信網絡的拓撲形式環(huán)形：通過網絡節(jié)點點對點的鏈路的連接，構成一個環(huán)路。信號在環(huán)路上從一個設備到另一個設備單向傳輸，直到信號到達目的地為止。特點各節(jié)點以令牌方式實現對共享介質的訪問控制；使用光纜等傳輸介質，傳輸率高，適合于工業(yè)環(huán)境；一個設備故障會導致整個網絡癱瘓，因此在一些重要的場合需要采用雙環(huán)?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023362.2工業(yè)網絡物理結構介質訪問控制方式定義：

在計算機網絡中，將傳輸介質的頻帶有效地分配給網絡上各站點的用戶的方法稱為介質訪問控制方法或協議。介質訪問控制方法對網絡的響應時間、吞吐量和效率起著十分重要的作用。各種局域網的性能在很大程度上取決于所選用的介質訪問控制協議。多路復用技術定義：在實際的計算機網絡系統中，為了有效地利用通信電路，總是利用一個信道同時傳輸多路信號。多路復用技術就是把多路信號在單一的傳輸線路上用單一的傳輸設備進行傳輸的技術。在遠距離傳輸時，多路復用技術可以大大節(jié)省電纜的安裝和維護費用?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023372.2工業(yè)網絡物理結構介質訪問控制方式多路復用技術多路復用技術種類：頻分多路復用和時分多路復用?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023382.2工業(yè)網絡物理結構介質訪問控制方式

多路復用技術（頻分多路復用FrequencyDivisionMultiplexing）●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023392.2工業(yè)網絡物理結構介質訪問控制方式多路復用技術（時分多路復用TimeDivisionMultiplexing）

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9/28/2023402.2工業(yè)網絡物理結構介質訪問控制方式

多路復用技術時分多路復用（TimeDivisionMultiplexing） 同步時分：同步時分多路復用是指時分方案中的時間片是分配好的，而且是固定不變地輪流占用，而不管某個信息源是否真的有信息要發(fā)送。這樣，時間片與信息源是固定對應的，或者說，各種信息源的傳輸與定時是同步的。異步時分（統計時分）：異步時分多路復用允許動態(tài)地分配傳輸媒介的時間片，這樣可以大大地減少時間片的浪費?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023412.2工業(yè)網絡物理結構●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023422.2工業(yè)網絡物理結構介質訪問控制方式

多路復用技術時分多路復用（TimeDivisionMultiplexing）異步時分（統計時分）輪轉每個站輪流地獲得發(fā)送機會，這種技術適合于交互式的終端對主機通信。

預約介質上的時間被分割成時間片，網上的站點要發(fā)送信息，必須事先預約可以占用的時間片，這種技術適合于數據流的通信。

爭用所有站點都能爭用介質的使用權，這種技術實現起來簡單，對輕負載或中等負載的系統比較有效，適合于突發(fā)式的通信?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023432.2工業(yè)網絡物理結構介質訪問控制方式

帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CD載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA，CarrierSenseMultipleAccess）網絡站點監(jiān)聽載波是否存在，即判斷信道是否被占用，并采取相應的措施，它是一種爭用協議。原則：發(fā)前監(jiān)聽，空閑即發(fā)，忙時等待。不足：由于信道的傳播延遲，當總線上兩個站點監(jiān)聽到總線沒有信號而發(fā)送幀時，仍會產生沖突。由于CSMA中沒有檢測沖突的功能，所以即使沖突已經發(fā)生，仍然要把已破壞的幀發(fā)送完，結果造成了總線的利用率降低。帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA/CD，CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）該方式可以提高總線的利用率，這種協議的國際標準為IEC802.3，就是以太網標準，已在局域網中廣泛使用。原則：發(fā)前先偵聽，空閑即發(fā)送，邊發(fā)邊檢測，沖突時退避。

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9/28/2023442.2工業(yè)網絡物理結構介質訪問控制方式

令牌環(huán)（TokenRing）介質訪問方式工作過程舉例●工業(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023452.2工業(yè)網絡物理結構介質訪問控制方式令牌總線（TokenBus）介質訪問方式定義：從物理上看，這是一種總線結構的局域網，共享的傳輸介質。從邏輯上看，這是一種環(huán)形結構的局域網，每個站點被賦予一個順序的邏輯位置。在這個邏輯環(huán)中，令牌依次傳遞，站點只有取得令牌才能發(fā)送幀。工作過程：在正常運行時，當某站點完成了它的發(fā)送，就將令牌送給下一個站點。帶有目的地址的令牌幀廣播到總線上所有的站點，當目的站點識別出符合它的地址后，就接收該令牌幀。特點因為只有擁有令牌的站點才能發(fā)送數據幀到總線，所以就避免了沖突；令牌總線的幀可以設置得很短，和CSMA/CD相比，這樣減少了開銷，相當于增加了網絡的容量。令牌總線是現場總線中最常用的介質控制方式，比如PROFIBUS?！窆I(yè)網絡與通信基礎知識

9/28/2023462.2工業(yè)網絡物理結構介質訪問控制方式舉例

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9/28/2023472.3開放系統互連參考模型7應用7應用6表示6表示5會話5會話4傳送4傳送3網絡3網絡2鏈路2鏈路1物理1物理通信線路H2H3H4H5H6H7數據T2H2H3H4H5H6H7數據T2H3H4H5H6H7數據H4H5H6H7數據H5H6H7數據H6H7數據H7數據數據H2H3H4H5H6H7數據T2H2H3H4H5H6H7數據T2H3H4H5H6H7數據H4H5H6H7數據H5H6H7數據H6H7數據H7數據數據S2S11、OSI模型9/28/2023482.3開放系統互連參考模型協議數據單元OSI參考模型中，對等層協議之間交換的信息單元統稱為協議數據單元(PDU,ProtocolDataUnit)。傳輸層及以下各層的PDU另外還有各自特定的名稱：傳輸層——數據段（Segment）網絡層——分組（數據報）（P