現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用 第4版 課件 第1-3章 概述、現(xiàn)場總線通信基礎(chǔ)、Profibus總線及其應(yīng)用

《現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用》(第3版）2第1章概述一、現(xiàn)場總線的定義二、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生三、現(xiàn)場總線的本質(zhì)四、現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點五、現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定六、現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀七、以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合3一、現(xiàn)場總線的定義現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信網(wǎng)絡(luò)。IEC對現(xiàn)場總線的定義

現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)。涉及智能儀表、控制、計算機、數(shù)據(jù)通信技術(shù)4二、

現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展第一代：氣動信號控制系統(tǒng)(50年代之前)

信號采用0.02～0.1MPa的氣動信號標(biāo)準(zhǔn)。各測控儀表自成體系，既不能與其他儀表或系統(tǒng)連接，也不能與外界進行信息溝通，操作人員只能通過現(xiàn)場巡視來了解生產(chǎn)情況。5二、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展第二代：電動模擬信號控制系統(tǒng)(50年代至今)，4－20mA的模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號。

通過模擬量信號將生產(chǎn)現(xiàn)場的運行參數(shù)與信息傳送到集中控制室，操作人員可在控制室內(nèi)了解現(xiàn)場生產(chǎn)情況，并實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的操作和控制。上個世紀(jì)六七十年代占據(jù)主導(dǎo)地位，但存在著模擬信號精度低、易受干擾等缺點。6二、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展第三代：計算機集中控制系統(tǒng)（DDC)(70年代)

采用單片機、微機或PLC作為控制器，控制器采用數(shù)字信號進行交換和傳輸，克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度低的缺陷，顯著提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。7DDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8第四代：集散式分布控制系統(tǒng)(80年代)

集散控制系統(tǒng)(DCS)于上個世紀(jì)八、九十年代占據(jù)主導(dǎo)地位，是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機控制系統(tǒng)，其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機用于集中監(jiān)視管理功能，下位機分散下放到現(xiàn)場實現(xiàn)分布式控制，上/下位機通過控制網(wǎng)絡(luò)互相連接以實現(xiàn)相互之間的信息傳遞。二、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展9DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)10第五代：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。二、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展11FCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)*12微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使儀表和現(xiàn)場控制設(shè)備在性能和功能上有顯著的提高；對系統(tǒng)維護管理、測試和監(jiān)視需求的日益增加；控制領(lǐng)域在控制精度、可操作性、可維護性、可移植性等方面的要求。二、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生---產(chǎn)生背景131）現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)

用于過程及制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的通信網(wǎng)絡(luò)。2）現(xiàn)場設(shè)備互連

現(xiàn)場設(shè)備或儀表指傳感器、變送器和執(zhí)行器等。這些設(shè)備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等。3）互操作性

對不同廠商不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制回路，并且具備相互操作的功能。三、現(xiàn)場總線的本質(zhì)14

4）分散功能塊

把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。 例如：流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入模塊，而且有PID控制和運算功能塊。調(diào)節(jié)閥的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補償模塊，或PID控制和運算模塊，甚至閥門特性自檢驗和自診斷功能。三、現(xiàn)場總線的本質(zhì)155）通信線供電

允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上獲取能量，對于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，可采用這種供電方式。6）開放式互連網(wǎng)絡(luò)

既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。三、現(xiàn)場總線的本質(zhì)16四、現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)特點由于采用智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設(shè)備中，在現(xiàn)場直接完成采集和控制。由于不需要其他的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，且一對電線能傳輸多個信號，因而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了設(shè)備及安裝維護費用。1718四、現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---FCS與DCS的詳細對比1）結(jié)構(gòu)

FCS:

一對多，一對傳輸線接多臺儀表，雙向傳輸多個信號。

DCS:一對一，一對傳輸線接一臺儀表，單向傳輸一個信號。192)可靠性

FCS:可靠性好，數(shù)字信號傳輸抗干擾能力強，精度高；

DCS:可靠性差，模擬信號傳輸不僅精度低，而且容易受干擾。四、現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---FCS與DCS的詳細對比203)失控狀態(tài)

FCS:操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對設(shè)備進行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測或?qū)ふ夜收?，使設(shè)備始終處于操作員的遠程監(jiān)視與可控狀態(tài)之中；

DCS:操作員在控制室既不能了解模擬儀表的工作狀態(tài)，也不能對其進行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測故障，導(dǎo)致操作員對儀表處于“失控”狀態(tài)。四、現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---FCS與DCS的詳細對比214)互換性

FCS：

用戶可以自由選擇不同制造商提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備和儀表，并將不同品牌的儀表互連；

DCS：盡管模擬儀表統(tǒng)一了信號標(biāo)準(zhǔn)(4-20mADC)，可大部分參數(shù)仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表互換難度較大。四、現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---FCS與DCS的詳細對比225)儀表FCS:智能儀表，除了具有模擬儀表的檢測、變換、補償?shù)裙δ芡?，還具有數(shù)字通信能力，并且具有控制和運算的能力；

DCS:模擬儀表只具有檢測、變換、補償?shù)裙δ堋?)控制

FCS:控制功能分散在各個智能儀表中；

DCS:所有控制功能集中在控制站中。四、現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---FCS與DCS的詳細對比23系統(tǒng)的開放性 通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換互可操作性與互用性現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性四、現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---現(xiàn)場總線的技術(shù)特點24節(jié)省硬件數(shù)量與投資節(jié)省安裝費用節(jié)約維護開銷用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性四、現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---現(xiàn)場總線的優(yōu)點25五、現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)1984年，IEC開始起草現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)；1993-1998年，制定IEC61158的現(xiàn)場總線物理層規(guī)范、鏈路服務(wù)定義及協(xié)議規(guī)范、應(yīng)用層服務(wù)定義及協(xié)議規(guī)范；1999年，修改IEC61158技術(shù)規(guī)范，形成8種類型新標(biāo)準(zhǔn)；2000年，修改后的IEC61158最終獲得通過。26標(biāo)準(zhǔn)采用8種類型Type1IEC61158(FF的H1)Type2ControlNet(美國Rockwell公司)Type3PROFIBUS(德國Siemens公司)Type4P-Net(丹麥ProcessData公司)Type5FFHSE(Fisher-Rosemount公司)Type6SwiftBet(美國波音公司)Type7WorldFIP(法國Alstom公司)Type8INTERBUS(德國PhoenixContact公司)27（2015）年國際上現(xiàn)有的總線標(biāo)準(zhǔn)28六、現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀1）多種總線共存過程自動化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)醫(yī)藥領(lǐng)域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)交通運輸：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)航空，國防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks,ControlNet,DeviceNet)其它，如樓宇自動化，農(nóng)業(yè)等。292）每種總線各有其應(yīng)用領(lǐng)域3）每種總線各有其國際組織4）每種總線均有其支持背景5）設(shè)備制造商參加多個總線組織6）多種總線均作為國家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)7）協(xié)調(diào)共存8）工業(yè)以太網(wǎng)引入工業(yè)領(lǐng)域六、現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀七、以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合

現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)是當(dāng)前工業(yè)控制應(yīng)用中普遍采用的兩種技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)在一些行業(yè)的應(yīng)用上已經(jīng)真正實現(xiàn)了一網(wǎng)到底，但對于另一些行業(yè)，現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)在并存使用?，F(xiàn)場總線存在著協(xié)議多、標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一導(dǎo)致不同廠商的設(shè)備之間系統(tǒng)集成困難；而以太網(wǎng)在控制網(wǎng)絡(luò)中存在的網(wǎng)絡(luò)故障快速恢復(fù)、本質(zhì)安全等問題是制約以太網(wǎng)全面應(yīng)用的主要障礙。事實上，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為一種新的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。3031七、以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合

工業(yè)以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線使用具有一定的優(yōu)勢。1.應(yīng)用方便：工業(yè)以太網(wǎng)是基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)，是一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式通信網(wǎng)絡(luò)，不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián)。2.價格低廉、組網(wǎng)容易：由于信息網(wǎng)絡(luò)的存在和以太網(wǎng)的大量使用，使得其具有價格明顯低于控制網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)軟硬件的特點。3.技術(shù)支持廣泛：技術(shù)成熟、易于得到、已為許多人掌握，有利于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的信息集成、及與上層網(wǎng)絡(luò)的連接，便于實現(xiàn)企業(yè)管控一體化。32現(xiàn)場總線的定義什么是集散控制系統(tǒng)?其基本設(shè)計思想是什么?現(xiàn)場總線的技術(shù)特點體現(xiàn)在哪幾個方面？工業(yè)以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線具有哪些優(yōu)勢？你認為現(xiàn)場總線對自動控制系統(tǒng)會產(chǎn)生怎樣的影響？思考與練習(xí)《現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用》(第3版）一、總線的基本概念與操作二、通信系統(tǒng)的組成三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)四、通信模型五、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)第2章現(xiàn)場總線通信基礎(chǔ)第二章現(xiàn)場總線通信基礎(chǔ)

現(xiàn)場總線把分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并把他們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。可以說現(xiàn)場總線系統(tǒng)實際上就是控制領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)絡(luò)。因此有必要簡述關(guān)于總線、數(shù)字通信、計算機局域網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)知識。一、總線的概念與操作1.總線與總線段

總線是多個系統(tǒng)功能部件之間傳輸信號或信息的公共路徑，是遵循同一技術(shù)規(guī)范的連接與操作方式；使用統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)，不同設(shè)備之間的互連將更容易實現(xiàn)。一組設(shè)備通過總線相互連接在一起就稱為“總線段”（BusSegment）；總線段之間可以相互連接構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

總線主設(shè)備（BusMaster）是指能夠在總線上發(fā)起信息傳輸?shù)脑O(shè)備，其具備在總線上主動發(fā)起通信的能力；總線從設(shè)備（BusSlaver）是掛接在總線上、不能在總線上主動發(fā)起通信，只能對總線信息接收查詢的設(shè)備?？偩€上可以有多個設(shè)備，這些設(shè)備可以做主站也可以做從站；總線上也可以有多個主設(shè)備，這些主設(shè)備都具有主動發(fā)起信息傳輸?shù)哪芰?；但某一設(shè)備不能同時既做主設(shè)備又做從設(shè)備。被總線主設(shè)備連接上的從設(shè)備通常稱為響應(yīng)者，參與主設(shè)備發(fā)起的數(shù)據(jù)傳送。2.總線主設(shè)備與總線從設(shè)備一、總線的概念與操作3.總線的控制信號總線上的控制信號通常有三種類型，分別為：

1）控制設(shè)備的動作與狀態(tài)。完成諸如設(shè)備清零、初始化、啟動、停止等所規(guī)定的操作。

2）改變總線操作方式。例如改變數(shù)據(jù)流的方向、選擇數(shù)據(jù)字段和字節(jié)等。

3）表明地址和數(shù)據(jù)的含義。例如對于地址，可以用于指定某一地址空間或表示出現(xiàn)了廣播操作；對于數(shù)據(jù)，可以用于指定它能否轉(zhuǎn)譯成輔助地址或命令。一、總線的概念與操作4.總線協(xié)議

總線協(xié)議（BusProtocol）是管理主、從設(shè)備工作的一套規(guī)則，是事先規(guī)定的、共同遵守的規(guī)約。一、總線的概念與操作5.總線操作的基本內(nèi)容

總線操作是指總線上主設(shè)備與從設(shè)備之間通過建立連接、數(shù)據(jù)傳送、接收到脫開這一操作過程。所謂脫開（Disconnected）是指完成數(shù)據(jù)傳送操作以后，主設(shè)備與從設(shè)備之間斷開連接。主設(shè)備可以在執(zhí)行完一次或多次總線操作后放棄總線占有權(quán)。一、總線的概念與操作5.總線操作的基本內(nèi)容

通信請求：通信請求是由總線上某一設(shè)備向另一設(shè)備發(fā)出的傳送數(shù)據(jù)或完成某種動作的請求信號，要求后者給予響應(yīng)并進行某種服務(wù)。

總線仲裁：系統(tǒng)中可能會出現(xiàn)多個設(shè)備同時申請對總線的使用權(quán)，為避免產(chǎn)生總線“沖突”

，需要由總線仲裁機構(gòu)合理地控制和管理系統(tǒng)中需要占用總線的申請者，在多個申請者同時提出使用總線請求時，以一定的優(yōu)先算法仲裁哪個申請者應(yīng)獲得對總線的使用權(quán)。一、總線的概念與操作5.總線操作的基本內(nèi)容

尋址：是主設(shè)備與從設(shè)備建立聯(lián)系的一種總線操作，通常有物理尋址、邏輯尋址及廣播尋址三種方式。

物理尋址：用于選擇某一總線段上某一特定位置的從設(shè)備作為響應(yīng)者；

邏輯尋址：用于指定存儲單元的某一個通用區(qū)，而不顧及這些存儲單元在設(shè)備中的物理分布；

廣播尋址：用于選擇多個響應(yīng)者。

一、總線的概念與操作5.總線操作的基本內(nèi)容

數(shù)據(jù)傳送：如果主設(shè)備與響應(yīng)者連接上，就可以進行數(shù)據(jù)的讀/寫操作。讀/寫操作需要在主設(shè)備和響應(yīng)者之間傳遞數(shù)據(jù)?！白x”（Read）數(shù)據(jù)操作是讀取來自響應(yīng)者的數(shù)據(jù)；“寫”（Write）數(shù)據(jù)操作是向響應(yīng)者發(fā)送數(shù)據(jù)。一、總線的概念與操作5.總線操作的基本內(nèi)容

出錯檢測及容錯：

總線傳送信息時，有時會因傳導(dǎo)干擾、輻射干擾等而出現(xiàn)信息錯誤，使得“1”變成“0”，“0”變成“1”，影響到現(xiàn)場總線的性能，甚至于現(xiàn)場總線不能正常工作。除了在系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試時采取必要的抗干擾措施以外，在高性能的總線中一般還設(shè)有出錯碼產(chǎn)生和校驗機構(gòu)，以實現(xiàn)傳送過程的出錯檢測。一、總線的概念與操作5.總線操作的基本內(nèi)容

總線定時

：主設(shè)備獲得總線控制權(quán)以后，就進入總線操作，即進行主設(shè)備和響應(yīng)者之間的信息交換，這種信息可以是地址也可以是數(shù)據(jù)。定時信號用于指明總線上的數(shù)據(jù)和地址何時有效。大多數(shù)總線標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定主設(shè)備可發(fā)起“控制”（Control）信號，指定操作的類型、從設(shè)備狀態(tài)響應(yīng)信號。一、總線的概念與操作二、通信系統(tǒng)的組成1.信源（信息源，也稱發(fā)送端）

把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號，如電話系統(tǒng)中電話機可看成是信源。通信系統(tǒng)是傳遞信息所需要的一切技術(shù)設(shè)備的總和。2.發(fā)送設(shè)備：將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息經(jīng)過編碼并變換成便于傳送的信號形式，送往傳輸介質(zhì)。3.信道：信號傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線的，也可以是無線的，甚至還可以包含某些設(shè)備。4.接收設(shè)備：任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號來，即進行解調(diào)、譯碼、解密等。5.信宿：信息的使用者，將復(fù)原的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)1．?dāng)?shù)據(jù)與信息1）信息（Information）是客觀事物屬性和相互聯(lián)系特性的表征，它反映了客觀事物的存在形式和運動狀態(tài)。2）數(shù)據(jù)（Data）一般可以理解為“信息的數(shù)字化形式”或“數(shù)字化的信息形式”。狹義的“數(shù)據(jù)”通常是指具有一定數(shù)字特性的信息，如統(tǒng)計數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)及計算機中區(qū)別于程序的計算數(shù)據(jù)等。但在計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通常被廣義地理解為在網(wǎng)絡(luò)中存儲、處理和傳輸?shù)亩M制數(shù)字編碼。

數(shù)據(jù)是信息的載體，它是信息的表示形式，可以是數(shù)字、字符、符號等。單獨的數(shù)據(jù)沒有實際的含義。數(shù)據(jù)和信息既有區(qū)別又有聯(lián)系，數(shù)據(jù)是獨立的，雖然數(shù)據(jù)本身并沒有含義，但把數(shù)據(jù)按一定規(guī)則、形式組織起來時，就可以傳達某種意義，這種具有某種意義的數(shù)據(jù)集合就是信息。

信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的具體物理表示形式，具有確定的物理描述，如電壓、磁場強度等。信號一般有模擬信號和數(shù)字信號兩種表示方式。2．概念和術(shù)語1）比特率S和波特率B

數(shù)據(jù)傳輸率常用比特率和波特率表示。比特率是一種數(shù)字信號的傳輸速率，它表示單位時間（1秒）內(nèi)所傳送的二進制代碼的有效位（bit）數(shù)。S用每秒比特數(shù)bit/s（bps）、每秒千比特數(shù)（Kbps）或每秒兆比特數(shù)（Mbps）等單位來表示。波特率是一種調(diào)制速率，也稱波形速率。它表示模擬信號在傳輸過程中，從調(diào)制解調(diào)器輸出的調(diào)制信號，每秒鐘載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)?；蛘哒f，數(shù)據(jù)傳輸過程中，線路上每秒鐘傳送的波形個數(shù)就是波特率B=1/T(Baud)。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2．概念和術(shù)語2）帶寬

物理信道的頻帶寬度，即信道允許的最高頻率和最低頻率之差，單位為赫茲（Hz）。模擬信道中，使用“帶寬”表示傳輸信息的能力，單位有Hz，KHz，MHz。

數(shù)字信道中，使用“數(shù)據(jù)傳輸率”表示傳輸信息的能力，單位有bps，Kbps，Mbps。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2．概念和術(shù)語3）信道容量

信道是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。是傳輸信息的必經(jīng)之路。一般來說，一條通信線路至少包含兩條信道，一條用于發(fā)送的信道和一條用于接收的信道。信道容量一般是指物理信道能夠傳輸信息的最大能力，它的大小由信道的帶寬F、可使用的時間T、傳輸速率，及信道質(zhì)量（即信號功率與干擾功率之比S/N）等因素決定。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2．概念和術(shù)語4）誤碼率

誤碼率是衡量通信系統(tǒng)線路質(zhì)量的一個重要參數(shù)。它的定義為：二進制符號在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，近似等于被傳錯的二進制符號數(shù)與所傳二進制符號總數(shù)的比較，即：誤碼率=接收的錯誤比特數(shù)/傳輸?shù)目偙忍財?shù)在計算機網(wǎng)絡(luò)中誤碼率要求低于10-6。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

數(shù)字通信系統(tǒng)的任務(wù)是傳輸數(shù)字信息，數(shù)字信息可能來自數(shù)據(jù)終端設(shè)備的原始數(shù)據(jù)信號，也可能來自模擬信號經(jīng)數(shù)字化處理后的脈沖編碼信號。數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號為什么要編碼？數(shù)字數(shù)據(jù)為二進制數(shù)(0或1)，數(shù)字信號為高電平或低電平進行傳輸，所以需要將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為高電平或低電平。可以采用：1）基帶方式2）4B/5B編碼方式：就是用5bit的二進制制碼來代表4bit二進制碼。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

數(shù)字信號可以直接采用基帶傳輸,所謂基帶就是指基本頻帶?；鶐鬏斁褪窃诰€路中直接傳送數(shù)字信號的電脈沖,這是一種最簡單的傳輸方式,近距離通信的局域網(wǎng)都采用基帶傳輸。數(shù)字數(shù)據(jù)采用數(shù)字信號傳送是常采用非歸零碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.數(shù)據(jù)編碼技術(shù)非歸零碼：nonreturntozerocode(NRZ)

一種二進制信息的編碼，用兩種不同的電聯(lián)分別表示“1”和“0”，不使用零電平。信息密度高，但需要外同步并有誤碼積累。優(yōu)點：易實現(xiàn)，直接將計算機的信號加到通信線路上，未做任何處理，代價最低；缺點：接收方無法判斷一位的開始和結(jié)束，即不具備同步特性；含有直流成分（連續(xù)多個“1”或“0”），而數(shù)據(jù)傳輸中最不希望存在的就是直流成分。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

曼徹斯特編碼：應(yīng)用最廣泛的編碼之一。特點：在每個位時間內(nèi)有一次信號跳變，使接收端可以利用這一跳變信號作為提取數(shù)據(jù)的依據(jù)，即自同步信號。

每一位的中間有一跳變,位中間的跳變既作為時鐘信號,又作為數(shù)據(jù)信號：從高到低的跳變表示"1",從低到高的跳變表示"0"。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

曼徹斯特編碼：應(yīng)用最廣泛的編碼之一。特點：在每個位時間內(nèi)有一次信號跳變，使接收端可以利用這一跳變信號作為提取數(shù)據(jù)的依據(jù)，即自同步信號。

優(yōu)點：無需另外發(fā)送同步信號，這也是自同步信號得到廣泛應(yīng)用的原因；不含直流成分。缺點：傳輸速率低，因為每一位要占用兩個波形。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

差分曼徹斯特編碼：前者的改進。特點：每一位中間的跳變只做提取時鐘之用，每一位數(shù)據(jù)的值根據(jù)起始處有無跳變來決定。每位開始時有無跳變表示“0”或“1”,有跳變表示“0”,無跳變表示“1”。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)4.數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接写袀鬏敽筒⑿袀鬏?；單向傳輸和雙向傳輸；同步和異步傳輸。串行傳輸和并行傳輸

1）串行通信：計算機中的一個字節(jié)由一個8位二進制代碼來表示。將準(zhǔn)備傳輸?shù)拿總€字節(jié)的二進制代碼按照由低到高位的順序，依次發(fā)送。這種數(shù)據(jù)傳輸方式稱為串行傳輸.適合遠距離傳輸，在分散控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)幾乎全部采用串行通信。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)4.數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

2）并行傳輸:指同時傳輸一組比特，每個比特用一個線路通道。傳輸距離短時采用之可以提高傳輸速率。但若數(shù)據(jù)位數(shù)較多、傳送距離較遠時，則線路復(fù)雜，成本較高且干擾大，不適合遠距離傳送。一般用于在可編程序控制器內(nèi)部的各元件之間、主機與擴展模塊或近距離智能模塊之間的數(shù)據(jù)處理。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)4.數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接写袀鬏敽筒⑿袀鬏?；單向傳輸和雙向傳輸；同步和異步傳輸。單向傳輸和雙向傳輸串行通信按信息在設(shè)備間的傳送方向可分為單工、半雙工和全雙工三種方式。（1）單工通信：單向通信。即只能有一個方向的通信，而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬于這種類型。（2）半雙工通信：雙向交替通信。即通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送（或同時接收），這種通信方式往往是一方發(fā)送另一方接收，例如無線對講機。（3）全雙工通信：雙向同時通信。即通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息，例如電話。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)4.數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接写袀鬏敽筒⑿袀鬏敚粏蜗騻鬏敽碗p向傳輸；同步和異步傳輸。異步傳輸與同步傳輸：按時鐘分。在異步傳輸中，信息以字符為單位進行傳輸，每個信息字符都有自己的起始位和停止位，每個字符中的各個位是同步的，相鄰兩個字符傳送數(shù)據(jù)之間的停頓時間長短是不確定的，它是靠發(fā)送信息時同時發(fā)出字符的開始和結(jié)束標(biāo)志信號來實現(xiàn)的。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)4.數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)異步傳輸：簡單便宜，但每個字符有2-3個位的額外開銷，傳輸效率低，主要用于中、低速場合三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)4.數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)同步傳輸：

同步通信的數(shù)據(jù)傳輸是以數(shù)據(jù)塊為單位的，字符與字符之間、字符內(nèi)部的位與位之間都同步；每次傳送1～2個同步字符、若干個數(shù)據(jù)字節(jié)和校驗字符；同步字符起聯(lián)絡(luò)作用，用它來通知接收方開始接收數(shù)據(jù)。在同步通信中發(fā)送方和接收方要保持完全的同步，即發(fā)送方和接收方應(yīng)使用同一時鐘頻率。

由于同步通信方式不需要在每個數(shù)據(jù)字符中加起始位、校驗位和停止位，只需要在數(shù)據(jù)塊之前加一兩個同步字符，所以傳輸效率高，但對硬件要求也相應(yīng)提高，主要用于高速通信。三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)5.數(shù)據(jù)交換方式

數(shù)據(jù)交換技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中通常采用線路交換、報文交換和分組交換的數(shù)據(jù)交換方式。使用線路（電路）交換（CircuitSwitching）方式，就是通過網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在兩個站之間建立一條專用的通信線路。最普通的線路交換例子是電話系統(tǒng)。線路交換方式的通信包括三種狀態(tài)：（1）線路建立（2）數(shù)據(jù)傳送（3）線路拆除線路交換

報文交換不需要事先建立實際的物理連接，而是經(jīng)由中間節(jié)點的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，因此有時又將其稱為存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式。報文交換方式交換的基本數(shù)據(jù)單位是一個完整的報文。這個報文由要發(fā)送的數(shù)據(jù)加上目的地址、源地址和控制信息組成的。報文交換

報文交換比線路交換有以下優(yōu)點：（1）線路效率較高，因為許多報文可以分時共享一條節(jié)點到節(jié)點的通道。（2）不需要同時使用發(fā)送器和接收器來傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)可以在接收器可用之前，暫時存儲這個報文。（3）在線路交換網(wǎng)上，當(dāng)通信量變得很大時，就不能接受某些呼叫。（4）報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地。（5）根據(jù)報文的長短或其他特征能夠建立報文的優(yōu)先權(quán)，使得一些短的、重要的報文優(yōu)先傳遞。（6）報文交換網(wǎng)可以進行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。

缺點：延時長，不能滿足實時交互式的通信要求。報文交換

分組交換與報文交換類似，只是交換的單位為報文分組，且限制了每個分組的長度，即將長的報文分成若干個報文組。在每個分組的前面加上一個分組頭，用以指明該分組發(fā)往何地址，然后由交換機根據(jù)每個分組的地址標(biāo)志，將他們轉(zhuǎn)發(fā)至目的地，這些分組不一定按順序抵達。這樣處理可以減輕節(jié)點的負擔(dān)，改善網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，例如因特網(wǎng)。

分組交換

分組交換的優(yōu)點是轉(zhuǎn)發(fā)延時短，數(shù)據(jù)傳輸靈活。由于分組是較小的傳輸單位，只有出錯的分組會被重發(fā)而非整個報文，因此大大降低了重發(fā)比例，提高了交換速度，而且每個分組可按不同路徑不同順序到達。缺點是在目的結(jié)點要對分組進行重組，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

分組交換

（1）線路交換：在數(shù)據(jù)傳送之前需建立一條物理通路，在線路被釋放之前，該通路將一直被一對用戶完全占有。（2）報文交換：報文從發(fā)送方傳送到接收方采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式。（3）分組交換：此方式與報文交換類似，但報文被分成組傳送，并規(guī)定了分組的最大長度，到達目的地后需重新將分組組裝成報文。三種數(shù)據(jù)交換技術(shù)的比較三、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)5.差錯控制技術(shù)

差錯控制是指在數(shù)據(jù)通信過程中發(fā)現(xiàn)或糾正差錯，并把差錯限制在盡可能小的、允許的范圍內(nèi)而采用的技術(shù)和方法。差錯控制編碼就是對網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)字信號進行抗干擾編碼，目的是為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的容錯性和可靠性，它在發(fā)送端被傳輸?shù)男畔⒋a元序列中，以一定的編碼規(guī)則附加一些校驗碼元，接收端利用該規(guī)則進行相應(yīng)的譯碼，譯碼的結(jié)果有可能發(fā)現(xiàn)差錯或糾正差錯。在差錯控制碼中，檢錯碼是指能自動發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)差錯的編碼，糾錯碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯而且能夠自動糾正差錯的編碼。當(dāng)然，檢錯和糾錯能力是用信息量的冗余和降低系統(tǒng)的效率為代價來換取的?；靖拍钇媾夹ｒ灤a奇偶校驗碼是一種最簡單也是最基本的檢錯碼，一維奇偶校驗碼的編碼規(guī)則是把信息碼元先分組，在每組最后加一位校驗碼元，使該碼中1的數(shù)目為奇數(shù)或偶數(shù)，奇數(shù)時稱為奇校驗碼，偶數(shù)時稱為偶校驗碼。

在奇校驗法中，校驗位使字符代碼中“1”的個數(shù)為奇數(shù)，例如：

11010110；接收端按同樣的校驗方式對收到的信息進行校驗；

如發(fā)送時收到的字符及校驗位中“1”的數(shù)目為奇數(shù)，則認為傳輸

正確，否則認為傳輸錯誤；在偶校驗法中，校驗位使字符代碼

中“1”的個數(shù)為偶數(shù)，例如：01010110。常用的差錯控制編碼奇偶校驗碼

奇偶校驗碼是一種最簡單也是最基本的檢錯碼，一維奇偶校驗碼的編碼規(guī)則是把信息碼元先分組，在每組最后加一位校驗碼元，使該碼中1的數(shù)目為奇數(shù)或偶數(shù)，奇數(shù)時稱為奇校驗碼，偶數(shù)時稱為偶校驗碼。循環(huán)冗余碼循環(huán)冗余碼（CRC，CyclicRedundancyCode）校驗（Check）是目前在計算機網(wǎng)絡(luò)通信及存儲器中應(yīng)用最廣泛的一種校驗編碼方法，它所約定的校驗規(guī)則是：讓校驗碼能為某一約定代碼所除盡；如果除得盡，表明代碼正確；如果除不盡，余數(shù)將指明出錯位所在位置。常用的差錯控制編碼四、通信模型1.ISO/OSI模型

為了實現(xiàn)不同設(shè)備之間的互聯(lián)與通信，1978年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO(InternationalOrganizationforStandardization)提出了一個試圖使各種計算機在世界范圍內(nèi)互聯(lián)為網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)框架，即開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI(OpenSystemInterconnection)1983年其成為正式國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO7498)。ISO/OSI七層參考模型:物理層（PhysicalLayer）數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer）網(wǎng)絡(luò)層（NetworkLayer）傳輸層（TransportLayer）會話層（SessionLayer）表示層（PresentationLayer）應(yīng)用層（ApplicationLayer）四、通信模型1.ISO/OSI模型

四、通信模型1.ISO/OSI模型

OSI通信模型是一個理論模型，在實際環(huán)境中并沒有一個真實的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與之完全相對應(yīng)，它更多地被用于作為分析、判斷通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的依據(jù)；多數(shù)應(yīng)用只是將OSI模型與應(yīng)用的協(xié)議進行大致的對應(yīng)，對應(yīng)于OSI的某層或包含某層的功能。四、通信模型2.現(xiàn)場總線通信模型

現(xiàn)場總線是工業(yè)控制現(xiàn)場的底層網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量的傳感器、控制器、執(zhí)行器等設(shè)備，并被零散地分布在一個較大的工作范圍內(nèi)。由這些設(shè)備組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)，某個節(jié)點面向控制的信息量并不大，信息傳輸?shù)娜蝿?wù)也相對比較簡單，但系統(tǒng)對實時性、快速性的要求較高。對于這樣的控制系統(tǒng)要構(gòu)成開放式的互聯(lián)系統(tǒng)，需要考慮以下幾個重要問題：

1）采用什么樣的通信模型合適？是采用ISO/OSI的完全模型還是在此基礎(chǔ)上做進一步的簡化？

2）采用什么樣的協(xié)議合適？是否需要實現(xiàn)OSI的全部功能？

3）所選擇的通信模型能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境要求和系統(tǒng)性能要求嗎？

四、通信模型2.現(xiàn)場總線通信模型2.現(xiàn)場總線通信模型現(xiàn)場總線通信模型的主要特點總結(jié)如下：1）簡化了ISO/OSI參考模型。通常只采用ISO/OSI參考模型的第1層（物理層）、第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）及最高層（應(yīng)用層），以便簡化通信模型結(jié)構(gòu)、縮短通信開銷、降低系統(tǒng)成本及提高系統(tǒng)的實時性。2）采用相應(yīng)的補充方法實現(xiàn)被刪除的OSI各層功能，并增設(shè)了用戶層。3）現(xiàn)場總線通信模型通信數(shù)據(jù)的信息量較小。相對于其他通信網(wǎng)絡(luò)而言，通信模型相對簡單，但結(jié)構(gòu)更加緊湊，實時性更好，通信速率更快。4）多種現(xiàn)場總線并存，并采用不同的通信協(xié)議。但在應(yīng)用與發(fā)展中都已形成自己的特點和應(yīng)用領(lǐng)域。五、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)1.現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)就是把單個分散的、有通信能力的測控設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，按照總線型、星型、樹型等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)連接而成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得各個節(jié)點之間可以相互溝通信息、共同配合完成系統(tǒng)的控制任務(wù)。五、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)1.現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點五、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備

采用中繼器、網(wǎng)橋、路由器、網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備可以將不同網(wǎng)段或子網(wǎng)連接成企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。

1）中繼器中繼器工作在物理層，是一種最為簡單但也是用得最多的互聯(lián)設(shè)備。它負責(zé)在兩個節(jié)點的物理層上按位傳遞信息，完成信號的復(fù)制、調(diào)整和放大功能，以此來延長網(wǎng)絡(luò)的長度。中繼器由于不對信號作校驗等其他處理，因此即使是差錯信號，中繼器也照樣整形放大。五、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備2）網(wǎng)橋網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，根據(jù)MAC地址（物理地址）對幀進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。它可以有效地連接兩個局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，簡稱LAN），使本地通信限制在本網(wǎng)段內(nèi)，并轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的信號至另一網(wǎng)段。網(wǎng)橋通常用于連接數(shù)量不多的、同一類型的網(wǎng)段。網(wǎng)橋?qū)⒁粋€較大的LAN分成子段，有利于改善網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。2.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備3）路由器路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層，在不同網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)單元。因此路由器具有判斷網(wǎng)絡(luò)地址和選擇路徑的功能，能在多網(wǎng)絡(luò)互連環(huán)境中建立靈活的連接。路由器最重要的功能是路由選擇，即為經(jīng)過路由器的每個數(shù)據(jù)分組，并按某種路由策略選擇一條最佳路徑將該數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)出去。路由器比網(wǎng)橋更復(fù)雜、管理功能更強大，同時更具靈活性，經(jīng)常被用于多個局域網(wǎng)、局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連。2.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備

4）網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)工作在在傳輸層以上，是最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，僅用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)互連，用于提供協(xié)議轉(zhuǎn)換、路由選擇、數(shù)據(jù)交換等網(wǎng)絡(luò)兼容功能。與網(wǎng)橋只是簡單地傳達信息不同，網(wǎng)關(guān)對收到的信息要重新打包，以適應(yīng)目的端系統(tǒng)的需求。網(wǎng)關(guān)具有從物理層到應(yīng)用層的協(xié)議轉(zhuǎn)換能力，主要用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)、局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的互聯(lián)，不存在通用的網(wǎng)關(guān)。五、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)3.接口標(biāo)準(zhǔn)

所謂接口就是微處理器與外圍設(shè)備之間的連接電路，它是兩者之間進行信息交換時的必要通路，不同的外設(shè)有不同的輸入/輸出接口電路。例如，鍵盤輸入有鍵盤接口電路，CRT顯示器有顯示器輸出接口電路，打印機也有打印輸出接口電路等等.

3.接口標(biāo)準(zhǔn)

接口標(biāo)準(zhǔn)是指外設(shè)接口的規(guī)范和定義，它涉及外設(shè)接口的信號線定義、傳輸速率、傳輸方向、拓樸結(jié)構(gòu)、電氣和機械特性等方面。3.接口標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)的一般特點：1）接口標(biāo)準(zhǔn)的最大特點是專用性，一般情況下是一種接口只連接一類設(shè)備，不能混用；2）一般在機箱外，以插頭或插座形式提供；3）信號傳輸形式既有并行傳輸又有串行傳輸；4）定義信號線較少，且種類不多。1）RS-232C串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232C是數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，是在微機接口應(yīng)用中常用的一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)，全稱為EIA—RS—232C標(biāo)準(zhǔn)（ElectoronicIndustrialAssociateRecommendedStandard—232C）

RS-232C串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)的信號線

RS—232C標(biāo)準(zhǔn)的信號線共25根，其中只定義了22根。這22根信號線又分為主、輔兩個信道，大多數(shù)微機串行通信系統(tǒng)中都只使用主信道的信號線。在通信中，即便是只使用主信道，也并非主信道的所有信號都要連接，一般情況下只需使用其中的9根信號線。這就是為什么我們在微機的機箱上看到的串行通信接口（如COM1、COM2）只有9根的原因。

RS-232C接口引腳功能RS-232C串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性

RS-232C串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)中，對于發(fā)送端，規(guī)定－5V～－15V表示邏輯“1”（MARK信號），用＋5V～＋15V表示邏輯“0”（SPACE信號），內(nèi)阻為幾百歐姆，可以帶2500pF的電容負載。負載開路時電壓不得超過±25V。對于接收端，電壓低于－3表示邏輯“1”，高于＋3表示邏輯“0”RS-232C的機械特性

RS-232C的機械特性規(guī)定：微機的RS-232C接口通向外部的連接器是一種標(biāo)準(zhǔn)的“D”型插針。

總結(jié)

RS-232C雖然使用廣泛，但缺點也不少，已不能滿足現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信的許多要求，主要表現(xiàn)如下：（1）數(shù)據(jù)傳輸速率慢。RS-232C規(guī)定的最大20kbps的傳輸速率遠不能滿足用戶日益增長的傳輸速率要求。（2）傳送距離短。RS-232C接口一般規(guī)定電纜長度在15m以內(nèi)，即使有較好的線路器件，優(yōu)良的信號質(zhì)量，電纜長度也不會超過60m。（3）未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的連接器，因而出現(xiàn)了互不兼容的25芯和9芯連接器。（4）接口處各信號間容易產(chǎn)生串?dāng)_（單端驅(qū)動/單端接收）。2）RS-422A串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)

針對RS-232C的不足，美國電子協(xié)會EIA于1977年推出了串行通信接口RS-499，對RS-232C的電氣特性作了改進；RS-422A是RS-499的子集，它定義了RS-232C所沒有的10種電路功能，規(guī)定用37腳連接器。RS-449在很多方面可代替RS-232C。兩者的主要差別是信號在導(dǎo)線上的傳輸方法不同。RS-232C是利用傳輸信號線與公共地之間的電壓差，RS-449接口是利用信號導(dǎo)線之間的信號電壓差，可在1200m的雙絞線上進行數(shù)字通信，速率可達90000bps。RS-449可以不使用調(diào)制解調(diào)器，它比RS-232C傳輸速率高，通信距離長，由于RS-449系統(tǒng)用平衡信號差電路傳輸高速信號，所以噪聲低，又可以多點或者使用公用線通信，兩臺以上的設(shè)備可與RS-449通信電纜并聯(lián)。RS-449

RS-422A標(biāo)準(zhǔn)接口RS-422A是RS-449標(biāo)準(zhǔn)的子集。它具體通過傳輸線驅(qū)動器，把邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息傳送；通過傳輸線接收器，把電位差轉(zhuǎn)變成邏輯電平，實現(xiàn)終端的信息接收。RS-422A比RS-232C傳輸信號距離長，速度快，傳輸率最大為10Mbit/s，在此速率下電纜允許長度為120m。如果采用較低傳輸速率，如90000波特率時，最大距離可達1200m。RS-422A標(biāo)準(zhǔn)接口

RS-422A每個通道要用二條信號線，如果其中一條是邏輯“1”狀態(tài)，另一條就為邏輯“0”，若傳輸過程中，信號中混入了干擾和噪聲（以共模形式出現(xiàn)），由于差分器的作用，就能識別有用信號并正確接收傳輸?shù)男畔?，并使干擾和噪聲相互抵消。RS-422電路由發(fā)送器、平衡連接電纜、電纜終端負載、接收器幾部分組成。在電路中規(guī)定只許有一個發(fā)送器，可有多個接收器，因此通常采用點對點通信方式。該標(biāo)準(zhǔn)允許驅(qū)動器輸出為±2V～±6V，接收器可以檢測到的輸入信號電平可低到200mV。

RS-232C即是一種電氣標(biāo)準(zhǔn)，又是一種物理接口功能標(biāo)準(zhǔn)，而RS-422A僅是一種電氣標(biāo)準(zhǔn)。

PC機不帶RS-422A。因此要使用RS-232/RS-422A轉(zhuǎn)換器，把RS-232C接口轉(zhuǎn)換成RS-422A接口。3）RS-485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)

RS-485是RS-422A的變型。RS-422A用于全雙工，采用兩對平衡差分信號線；而RS-485則為半雙工，采用一對平衡差分信號線。RS-485對于多站互連是十分方便的，允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。RS-485電氣特性RS-485的信號傳輸采用兩線間的電壓來表示邏輯“1”和邏輯”0”，由于收發(fā)方需要兩根傳輸線，數(shù)據(jù)采用差分傳輸，所以干擾抑制性好。又因無接地問題，所以傳輸距離可達1200米，傳輸速率可達1Mbps?？偩€兩端要接匹配電阻。驅(qū)動器輸出電平在-1.5V以下時為邏輯“1”，在+1.5V以上時為邏輯“0”。接收器輸入電平在-0.2V以下時為邏輯“1”，在+0.2V以上為邏輯“0”。普通的PC機一般不帶RS-485接口，因此要使用RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。4.傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)也稱傳輸媒質(zhì)或通信介質(zhì)，是指通信雙方用于彼此傳輸信息的物理通道。通常分為有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)兩大類。有線傳輸介質(zhì)使用物理導(dǎo)體提供從一個設(shè)備到另一個設(shè)備的通信通道；無線傳輸介質(zhì)不使用任何人為的物理連接，通過空間來廣播傳輸信息。4.傳輸介質(zhì)

4.傳輸介質(zhì)5.網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)控制方法

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)控制方法令牌方式

這種傳送方式對介質(zhì)訪問的控制權(quán)是以令牌為標(biāo)志的。只有得到令牌的節(jié)點才有權(quán)控制和使用網(wǎng)絡(luò)，常用于總線型網(wǎng)絡(luò)和環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。令牌是一組特定的二進制代碼，它按照事先排列的某種邏輯順序沿網(wǎng)絡(luò)而行，令牌有空、忙兩種狀態(tài)，開始時為空閑；節(jié)點只有得到空令牌時才具有信息發(fā)送權(quán)，同時將令牌置為忙。令牌沿網(wǎng)絡(luò)而行，當(dāng)信息被目標(biāo)節(jié)點取走后，令牌被重新置為空。5.網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)控制方法

網(wǎng)絡(luò)控制方法5.網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)控制方法

網(wǎng)絡(luò)控制方法爭用方式

這種傳送方式允許網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點自由發(fā)送信息，但如果兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送信息就會出現(xiàn)線路沖突，故需要加以約束，目前常用的是CSMA/CD方式，即載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測。

CSMA/CD控制方式原理比較簡單、技術(shù)上容易實現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)中各工作站處于平等地位，不需集中控制，不提供優(yōu)先級控制；但在網(wǎng)絡(luò)負載增大時，沖突概率增加，發(fā)送效率急劇下降；因此CSMA/CD控制方式常用于總線型網(wǎng)絡(luò)、且通信負荷較輕的場合。5.網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)控制方法

網(wǎng)絡(luò)控制方法主從方式

在這種傳送方式中，網(wǎng)絡(luò)中有主站，主站周期性地輪詢各從站節(jié)點是否需要通信，被輪詢的節(jié)點允許與其他節(jié)點通信，多用于信息量少的簡單系統(tǒng)。適合于星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或具有主站的總線型用于主從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。5.網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)控制方法6.現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)

1）將控制系統(tǒng)中現(xiàn)場運行的各種信息傳送到控制室，使現(xiàn)場設(shè)備始終處于遠程監(jiān)視之中。例如在控制室監(jiān)視生產(chǎn)現(xiàn)場閥門的開度、開關(guān)的狀態(tài)、運行參數(shù)的測量值及現(xiàn)場儀表的工作狀況等信息。

2）控制室將各種控制、維護、參數(shù)修改等命令送往位于生產(chǎn)現(xiàn)場的測量控制設(shè)備中，使得生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備處于可控狀態(tài)之中。3）與操作終端、上層管理網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享。此外，現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)還要面臨工業(yè)生產(chǎn)的高溫高壓、強電磁干擾、各種機械振動及其他惡劣工作環(huán)境，因此要求現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)能適應(yīng)各種可能的工作環(huán)境。由于現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)要完成的工作任務(wù)和所處的工作環(huán)境，使得它具有許多不同于普通計算機網(wǎng)絡(luò)的特點。思考與練習(xí)總線的尋址方式有哪些？各有什么特點？數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由哪些設(shè)備組成？各起什么作用？串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)有哪些？試分別闡述其電氣特性

采用光纜傳輸數(shù)據(jù)有哪些優(yōu)勢？簡述ISO/OSI七層模型的結(jié)構(gòu)和每一層的作用現(xiàn)場總線通信模型有什么特點？試闡述現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的特點和它承擔(dān)的主要任務(wù)?！冬F(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用》(第3版）117第3章Profibus總線及其應(yīng)用一、Profibus現(xiàn)場總線概述二、Profibus傳輸技術(shù)三、

Profibus

-DP系統(tǒng)配置和設(shè)備類型四、GSD文件五、S7-300之間Profibus-DP總線通信的實現(xiàn)六、S7-300PLC與DP從站（變頻器）之間的通信一、PROFIBUS現(xiàn)場總線概述1）PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動化。2）PROFIBUS由三個兼容部分組成。

PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery，分布式外圍設(shè)備）

PROFIBUS-PA(ProcessAutomation，過程自動化)

PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification，現(xiàn)場總線報文規(guī)范)。PROFIBUS-DP：是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號傳輸。

PROFIBUS-PA：專為過程自動化設(shè)計，可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。

隨著現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大和工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，PROFIBUS技術(shù)也在不斷發(fā)生變化，例如PROFIBUS-FMS行規(guī)目前已不再使用，而PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA的應(yīng)用越來越多，另外像PROFIdrive、PROFIsafe等新的行規(guī)隨著應(yīng)用的增加也在逐漸普及。

Profibus是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。二、PROFIBUS傳輸技術(shù)

PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型：

1.用于DP和FMS的RS485傳輸。

2.用于PA的IEC1158-2傳輸。

3.光纖1.用于DP/FMS的RS485傳輸技術(shù)

由于DP與FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而，這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時操作。

RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術(shù)。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。RS-485傳輸技術(shù)基本特征網(wǎng)絡(luò)拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻傳輸速率：9.6Kbit/s~12Mbit/s介質(zhì)：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMC）插頭連接：最好使用9針D型插頭

·站點數(shù)：每分段32個站（不帶中繼），可多到127個站（帶中繼）電纜最大長度取決于傳輸速率：如使用A型電纜，則傳輸速率與長度如下表。波特率（Kbit/s）9.619.293.75187.5500150012000距離/段（M）1200120012001000400200100三、PROFIBUS-DP系統(tǒng)配置和設(shè)備類型在同一總線上最多可連接127個站點。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)格式等。每個PROFIBUS-DP系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設(shè)備：

1)一級DP主站（DPM1）：一級DP主站是中央控制器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC或PC2)二級DP主站（DPM2）：二級DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。

3)DP從站：DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備（I/O設(shè)備、驅(qū)動器、HMI、閥門等）。

PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng).四、GSD文件

1．GSD文件簡介GSD文件用來描述Profibus-DP設(shè)備的特性。為了將不同廠商生產(chǎn)的Profibus產(chǎn)品集成在一起，生產(chǎn)廠商必須為其產(chǎn)品提供電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件，即GSD文件。

四、GSD文件

2．GSD文件組成

GSD文件包含用于通信通用的和設(shè)備專用的規(guī)范，其文件結(jié)構(gòu)可以分為以下三個部分：

1）一般規(guī)范。這部分包括制造商的信息、設(shè)備的名稱、硬件和軟件的版本狀況、所支持的傳輸速率、可能的監(jiān)視時間間隔以及在總線連接器上的信號分配等；

四、GSD文件

2．GSD文件的組成

2）與DP主站有關(guān)的規(guī)范。這部分包含所有與主站有關(guān)的參數(shù)，如最大可連接的從站個數(shù)、上裝和下載選項等。這部分內(nèi)容不能用于從站設(shè)備；3）與DP從站有關(guān)的規(guī)范。這部分包括與從站有關(guān)的信息，如輸入／輸出通道的數(shù)量和類型、中斷測試的規(guī)范、輸入／輸出數(shù)據(jù)一致性的信息等。

四、GSD文件

3．GSD文件格式GSD是可讀的ASCII文本文件，可以用任何一種ASCII編輯器進行編輯，如計事本、UltraEdit等，也可使用Profibus用戶組織提供的編輯程序GSDEdit編輯。GSD文件由若干行組成，每行都用一個關(guān)鍵字開頭，包括關(guān)鍵字及參數(shù)(無符號數(shù)或字符串)兩部分。

四、GSD文件

3．GSD文件格式

四、GSD文件

4．GSD文件安裝

為了支持設(shè)備商，Profibus網(wǎng)站上有專用的GSD編輯/檢查程序可供下載，便于用戶創(chuàng)建和檢查GSD文件，也有專用的GSD文件庫供相關(guān)設(shè)備的用戶下載使用。

五、S7-300之間Profibus-DP總線通信的實現(xiàn)控制要求

采用Profibus-DP通信方式，完成S7-300PLC之間的信息交換和控制功能。實驗設(shè)備CPU313C-2DP(6ES7313-6CF03-00AB0)PLC2臺；PC機1臺；PC/適配器編程電纜1根。中央處理單元(CPU)電源單元(PS)信號模板(SM)接口模板(IM)功能模板(FM)通訊模板(CP)特殊模板(SM374仿真器)1.S7-300PLC系統(tǒng)組成導(dǎo)軌（機架）系統(tǒng)背板總線S7300模塊電源模塊（選項）

CPU模塊

MPI接口

ProfibusDP接口

24VDC連接器

CPU工作模式選擇開關(guān)

CPU狀態(tài)及故障指示燈

信號模塊

通信模塊

MMC存儲卡（CPU313以上）

S7-300系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

24VDCSFBFDC5VFRCERUNSTOPRUNSTOPMRESPUSHSIEMENSSIEMENS++PS307CPU31x-2DP012345670123456701234567012345670123456701234567PSCPUSMDISMDOSMAISMAO0123456701234567USB/MPIPROFIBUS總線電纜SFSFSFSFx234x234x234x23424VDCSFBFDC5VFRCERUNSTOPRUNSTOPMRESPUSHSIEMENSSIEMENS++PS307CPU31x-2DP0123456701234