计算机接口技术及应用 第9讲 控制网络技术(1 数据通讯基础)

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算机接口技术及应用,讲义,第,9,讲 控制网络技术,(1),数据通讯基础,本讲主要内容,控制网络及其与一般信息网络的区别,数字通信基础,传输介质,:,有线,(,电缆,),光纤,(,光缆,),无线电波和红外,调制与解调技术,:,4,种,(AM,FM,PM,和,WLM),编码和解码方法,:,6,种方法,同步技术,:,位同步,字符同步和帧,(Frame,或包,),同步,数据校错和纠错方法,:,奇偶校验,CRC,校验,LRC,校验和海明编码校验方法等,实验室的门禁系统,(,网络拓扑,),以太网网络层,RS485,控制器层,RS485,控制器层,RS485,读卡器层,门状态信号,门状态信号,门控制信号,门控制信号,服务器,172.16.50.18,控制终端,172.16.50.28,管理终端,172.16.50.38,控制终端,C.01,门禁控制器,协议转换器,协议转换器,RS232,C.100,门禁控制器,C.01,门禁控制器,C.101,门禁控制器,A.1,读卡器,A.2,读卡器,A.3,读卡器,A.4,读卡器,门和,电动锁具,门和,电动锁具,RS232,172.16.50.29,管理终端,其他,安防,系统,报警,信号,RFID,刷卡,认证,开门,事件记录,从刷卡到开门,多长时间你可,以忍受,?,DCS,和,SCADA,控制网络,示例,(1),PLC,网络分布式控制系统,PLC network and DCS,监督控制和数据采集,(SCADA),系统,Supervisory Control And Data Acquisition system,企业自动化控制网络,示例,(2),工作站,1,工作站,2,光纤,光纤,其它,DCS,遥控终端,(RTU),高速数据,通讯接口,本地,DCS,高速数据,通讯接口,B,型,PLC,A,型,PLC,传感器,控制设备,中继器,(,协议转换器,),多端口中继器,控制室,工程师,企业,主机,设计工程师,设备和传感器层,控,制,层,信,息,层,网络数据,(,信息包,/,帧,),有序的字节,(,或位,),序列,包含以下信息,包起始标志,源地址,目的地址,数据,校验码,包结束标志等,网络协议,指定一个特定网络的数据帧,(Frame),格式,如,传输介质,点到点的物理信号传输通路,(,物理信号,调制和编码方法,),基本概念,Sync,Byte 1(head),Destination,address,Source,address,Data to be,transmitted,Error,detection byte,Sync,Byte 2(end),Direction of travel,控制网络和一般信息网络的模型,控制网络和其它信息网络一样,都采用下面的,OSI(Open Systems Interconnection),模型,?,每一层的作用是什么,?,相互关系,?,为什么要采用这个,OSI,模型,?,Application,Presentation,Session,Transport,Network,Data link,Physical,Application,Presentation,Session,Transport,Network,Data link,Physical,Network,Data link,Physical,Peer,m,Peer,n,Router,Peer to peer relationship,Communications medium,Communications medium,Trans.,Rece.,DD,ED,ED,ED,ED,ED,ED,DD,ED,ED,ED,ED,ED,ED,Head of each layer,实际的,TCP/IP,和,Modbus/TCP,模型,实际的网络模型并不是都具有七层结构,Application,Presentation,Session,Transport,Network,Data link,Physical,OSI Model,Application,(HTTP,FTP,DNS,SMTP,POP,ping),TCP UDP,Physical,TCP/IP Standard,Modbus,(modified),TCP,IP,Ethernet,Modbus/TCP,IP,Application,Presentation,Session,Transport,Network,Data link,Physical,OSI Model,面向应用,和服务,面向通讯,和网络,关键的层,提供传送和差错校验服务以维持一个会话,控制网络和一般信息网络的区别,共同的特点,功能,:,信息交换与共享,结构,:,遵循,OSI,模型,控制网络的特殊性,信息的可靠性高,信息的时效性高,信息量较小,总之,控制网络要求信息能够在,规定的时间内可靠地到达,接收方,数字通信基础,在了解各种控制网络之前,首先了解一些与数字通信有关的技术,(,方法,),数字通信基础,传输介质,调制与解调技术,编码和解码方法,同步技术,数据校错方法和纠错方法,物理层的实现技术和方法,传输介质,电缆,(Cable),同轴电缆,如,10MBase2,5.,双绞线,如,10MBaedT,光纤,(Fiber),单模和多模两种,无线电波,(Radio Wave),微波,短波,长波,红外线,作 用,:,为节点或站之间建立信号传输通路,(,物理层的实现,),选择依据,:,环境条件,传输速度和距离,抗噪能力和成本要求等,调制和解调技术,信号在,(,有线,/,无线电的,),物理层传输时,可以选择,非调制形式传输,(,也称作“零调制”传输,),调制形式发送,(,接收方必须有对应的解调,),必须有载波信号,采用调幅,(ASK/AM),调频,(FSK/FM),和调相,(PSK/PM),三种方法,波长调制,(WLM,限于光纤,),即不同颜色的光表示不同的数据,调制方法示意图,0,1,AM(60%),0,1,1,AM(100%),0,1,FM,PM,0,1,f,A,f,B,f,C,f,V,A,i,B,i,C,i,A,o,B,o,C,o,调制器,解调器,WLM,编码和解码方法,编码和解码必须对应,编码是面向位,(bit),流的,用于表示物理层传输的数据位,0,和,1,不同编码方法,数据位,0,和,1,有不同表示,常见的编码方法,不归零编码,(NRZ-Non-Return to Zero),归零编码,(RZ-Return to Zero),曼彻斯特编码,(Manchester),微分曼彻斯特编码,(Differential Manchester),交替双极性编码,(ABP-Alternate Bipolar,or AMI),MLT3,编码 等等,编码方法的原理示意,也称“微分编码”,双极性编码策略,正和负电压表示数字逻辑,电压的变化与数字逻辑变化同步,空闲状态总保持最后一个数字,逻辑位对应的电压,无自同步时钟,(no self-clocking),也称“微分的归零编码”,双极性编码策略,正和负电压表示数字逻辑,在每个位的传送区间内,信号电,压都保持一个跳变,空闲状态总保持零电压,包含自同步时钟,(self-clocking),编码方法的原理示意,(,续,),双相的信号编码策略,用于,Ethernet LAN,用电压跳变方向表示数字逻辑,:,负,正电压表示逻辑“,1”,正负电压表示逻辑“,0”,在每个位的传送区间,信号电压,都保持一个跳变,包含自同步时钟,(self-clocking),双相的信号编码策略,用于,Token Ring LAN,用电压跳变模式表示数字逻辑,:,电压跳变,(,即竖直模式,),表示逻辑“,1”,电压保持,(,即水平模式,),表示逻辑“,0”,在每个位的传送区间,信号电压,都保持一个跳变,包含自同步时钟,(self-clocking),编码方法的原理示意,(,续,),双极性编码策略,用于,ISDN,(,即综合服务数字网,),FDDI,(,即光纤分布式数据接口,),等高速网,用电压和数字逻辑关系,:,零电压表示逻辑“,0”,正和负电压交替表示逻辑“,1”,无自同步时钟,(no self-clocking),双极性编码策略,用于,FDDI,网络,(,为代替原,NRZ),仅在传输逻辑“,1”,之前有电压跳变,且跳变顺序永远为,:+V0-V,在每个位的传送区间,信号电压,都保持不变,无自同步时钟,(no self-clocking),各种编码和解码方法的比较,从以下几个方面比较,编码效率,解码的难易程度,:,位序列中各位之间是否相关,自同步时钟的优点,:,有和无自同步时钟,电压水平,:,二级和三级水平,Manchester,编码应用最广泛,同步技术,为了降低通讯过程中的误码率,以及数据的可靠传输,需要采用以下同步技术,位同步技术,字符同步,帧,(,包,),同步,实际应用中,三种同步技术是交叉共用,即,一,帧,内每个字符保持同步,每个字符内每个位保持同步,最终每个数据包通过,帧同步标志得以同步,位同步技术,三种方法实现发送方和接收方之间的位同步,共用同步时钟方法,(,真正的同步串行,),定期同步,(,校准,),时钟方法,或称为定期“位对齐”方法,信息流中伴随,(,载,),有自同步时钟,采用特殊的编码方法,如,RZ,Manchester,等编码方法,字符同步技术,每个字符的位序列,(,即有用的数据位序列,),前,或后,或前和后增加固定的同步位,用于整个字符的同步,.,例如,:,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,0,1,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,0,字符的位序列,起,始,位,停,止,位,字符,间的,空闲,空闲,字符的位序列,起,始,位,停,止,位,空闲,1,帧同步技术,方法类似于字符同步,即在每,帧数据,(,有用的数据包,由若干个字符,或一定长度的位序列组成,),前和后,或前,或后增加专用的字符作为同步字符,每帧前、后的同步字符分别称为,STX,和,ETX.,如,Sync,Byte 1(head),Destination,address,Source,address,Data to be,transmitted,Error,detection byte,Sync,Byte 2(end),STX,ETX,辅助信息,数据,误码校验,数据信息可靠传输的保障,通讯网络中采用同步技术的目的是保证通讯双方可靠地传输数据,降低误码率,但不能保证“零误码率”,由于误码率大于零,所以通讯网络上的接收者得到的信息中可能存在错误,(Errors,差错或误码,),即接收方的信息与发送方的信息不匹配,所以,差错侦测和修正,(Error Detection and Correction),也是控制网络可靠传输数据的重要保障之一,引起误码的原因,:,噪声,畸变,协议不匹配,失步,(,不同步,),缓冲器溢出等等,误码的侦测方法,误码的侦测方法和误差侦测编码,(EDC),字符内误码校验方法,:,奇,/,偶校验,(,众所周知的概念,!,),数据帧的校验方法,(,即增加块校验字符,BCC,):,循环冗余校验,(CRC,Cyclic Redundancy Check,),方法,:CRC-8/16/32,顺序,XOR(,异或,),校验“和”,(Sequence XOR Checksum),方法,纵向冗余校验,(LRC,L,ongitudinal,R,edundancy,C,heck,),方法,海明,(,编,),码,(Hamming Coding),校验方法,误码侦测机制,发送方对数据帧按上述的,EDC,方法将待发送的数据帧进行编码,并将块,(,帧,),检验码,(BCC),追加在帧数据尾部一并发送,接收方则按相同的,EDC,方法和,BC