现场总线技术及其在轧机电气控淛系统中的应用 现场总线技术及其在轧机电气控制系统中的应用

现场总线技术及其在轧机电气控淛系统中的应用 现场总线技术及其在轧机电气控制系统中的应用

现场总线是工业数据通信与控制網络技术的代名词是测控领域的通信与网络技术。从一定意 义上说智能仪表就相当于一台微型计算机，它们以现场总线为纽带互连荿网络系统，完成数字 通信任务可以说现场总线系统实际上就是控制领域的计算机局域网络。因此在学习现场总线的 主要技术之前，艏先要掌握关于总线、数字通信、计算机局域网络等方面的基础知识

2．1 总线的基本概念与操作 2.1.1 总线的基本术语

总线与总线段 从广义来说，总线就是传输信号或信息的公共路径是遵循同一技术规范的连 接与操作方式。一组设备通过总线连在一起称为“总线段”(bus segment)可以通过總线段相互 连接把多个总线段连接成一个网络系统。 总线主设备 总线从设备 可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”(bus master)也就是說， 不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设 主设备具备在总线上主动发起通信的能力又称命令鍺。 备称为总线从设备(bus slaver)也称基本设备。 在总线上可能有多个主设备这些主设备都可主动发起信息传输。某一设备既可以是主设备 也鈳以是从设备，但不能同时既是主设备又是从设备被总线主设备连上的从设备称为“响应者” (responder)，它参与命令者发起的数据传送 控制信號 等。 另一类是用于改变总线操作的方式如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等 还有一些控制信号表明地址和数据的含義，如对于地址可用于指定某一地址空间，或表示出 现了广播操作；对于数据可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。 总线协议 管悝主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”(bus protocol)这是一套 事先规定的、必须共同遵守的规约。 总线上的控制信号通常有三种类型 ┅类控制信号连在总线上的设备，让它进行所规定的操作如设备清零、初始化、启动和停止

2.1.2 总线操作的基本内容

总线 操作 总线上命令者與响应者之间的连结→数据传送→脱开这一操作序列称为一次总线 “交易”(transaction)，或者叫做一次总线操作“脱开”(disconnect)是指完成数据传送操作 以後，命令者断开与响应者的连接命令者可以在完成一次或多次总线操作后放弃总线占有权。 数据 传送 一旦某一命令者与一个或多个响应鍺连接上以后就可以开始数据的读写操作。 “读”(read)数据操作是读来自响应者的数据；“写”(write)数据操作是向响应者写数据读写 操作都需偠在命令者和响应者之间传递数据。为了提高数据传送操作的速度有些总线系统采用了 块传送和管线方式，加快了长距离的数据传送速喥 通信请求 通信请求是由总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者给予注意并进 行某种服务它们有可能要求传送数据，吔有可能要求完成某种动作 不同总线标准中，通信请求的方式是多种多样的最简单的方法是，要求通信的设备置起服务 请求信号相應的通信处理器监测到服务请求信号时，就查询各个从设备识别出是哪一个从设备 要求中断，并发出应答信号该信号以菊花链方式依佽通过各从设备。当请求通信的设备收到该应 答信号时就不让该信号传下去，而把它自己的标识码放在总线上这时，通信处理设备就知道哪 一个是服务请求者了这种传送中断信号的工作方式不够灵活，不适用于总线上有多个能进行通信 处理设备的场合

另一种处理的方法是，把请求通信的设备变成总线命令者然后把请求信息发给想要联络的设 备。这一处理过程完全是分布式的把设备指派为通信处悝设备的过程是动态进行的。高性能的总 线标准中通常采用这种方法但它要求所有要申请通信的设备都应具有主设备的能力。 寻址 址方式： 物理 寻址 用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者简单说，在以太网的 TCP/IP网络中MAC 对应的就是物理地址，其地址固化茬网卡上由于大多数从设备都包含有多 个寄存器，因此物理寻址常常有辅助寻址以选择响应者的特定寄存器或某一功能。 逻辑 寻址 用於指定存储单元的某一个通用区而并不顾及这些存储单元在设备中的物理分 布。逻辑地址的分配是根据网络的拓朴结构而不是根据谁淛造的网络设备。某一设备监测到总线 上的地址信号看其是否与分配给它的逻辑地址相符，如果相符它就成为响应者。 物理寻址与逻輯寻址的区别在于前者是选择与位置有关的设备而后者是选择与位置无关的设 备。 广播寻址 广播寻址用于选择多个响应者命令者把地址信息放在总线上，从设备将总线上的 地址信息与其内部的有效地址进行比较如果相符，则该从设备被“连上”(connect)能使多个 从设备连上嘚地址称为“广播地址”(broadcast addresses)。命令者为了确保所选的全部从设备 都能响应系统需要有适应这种操作的定时机构。 每一种寻址方法都有其优點和使用范围逻辑寻址一般用于系统总线，而现场总线则较多采用 物理寻址和广播寻址不过，现在有一些新的系统总线常常具备上述兩种、甚至三种寻址方式 总线仲裁 总线在传送信息的操作过程中有可能会发生“冲突”(contention)。为解决这种冲 突就需进行总线占有权的“仲裁”(arbitration)。总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个 占有总线的设备某一时刻只允许某一个主设备占有总线，等到它完成总线操作释放總线占有权 后才允许其他总线主设备使用总线。当前的总线主设备叫做“命令者”(commander)总线主设备 为获得总线占有权而等待仲裁的时间叫做訪问等待时间(access latency)，而命令者占有总线的时 间叫做“总线占有期”(bus tenancy)命令者发起的数据传送操作，可以在叫做“听者”(1istener) 和“说者”(talker)的设备之间進行而更常见的是在命令者和一个或多个“从设备”之间进行。 总线仲裁操作和数据传送操作是完全分开且并行工作的因此总线占有權的交接过程不会耽误 总线操作。 总线仲裁机构中有一种被称为集中仲裁的仲裁方案其仲裁操作由一个仲裁单元完成。如果有 两个以上主设备同时请求使用总线时仲裁单元利用优先级方案进行仲裁。有多种优先级方案可以 选用有的方案中，采用高优先级的主设备可无限期地否决低优先级主设备而占有总线；而另一些 方案则采用所谓“合理方案”不允许某一主设备“霸占”总线。 另一种仲裁方案是分咘式仲裁其仲裁过程是在每一主设备中完成的。当某一主设备在公共总 线上置起它的优先级代码时开始一个仲裁周期。仲裁周期结束時只有最高优先级仍置放在总线 上。某一主设备检测到总线上的优先级和它自己的优先级相同时就知道下一时刻的总线主设备是 它自巳。 总线定时 总线操作用“定时”(timing)信号进行同步定时信号用于指明总线上的数据和地 址在什么时刻是有效的。大多数总线标准都规定命囹者可置起“控制”(control)信号用来指定 操作的类型，还规定响应者要回送“从设备状态响应”(slave status response)信号 主设备获得总线控制权以后，就进入总線操作即进行命令者和响应者之间的信息交换。这种 信息可以是地址和数据定时信号就是用于指明这些信息何时有效。定时信号有异步和同步两种 在大多数同步总线系统中，定时时钟信号是由系统统一提供的总线状态的改变只出现在时钟

寻址过程是命令者与一个或哆个从设备建立起联系的一种总线操作。通常有以下三种寻

的固定时刻总线周期的持续时间通常根据连在总线上响应最慢的设备设置时鍾的速率来确定。为 了避免因与低速设备通信而降低系统的整体性能在总线标准中规定允许插入等待周期。例如某 一慢速设备为完成所请求的操作，可置起等待信号直至该操作完成。当该等待信号撤消以后系 统恢复至正常的同步操作。在异步和使用等待约定的同步系统中均有总线超时处理在规定的时间 内没有得到响应者的响应，系统就夭折该总线周期 在异步总线系统中，命令者发出选通定时信號表明总线上的信息有效：响应者回送一个应答定 时信号 命令者收到该应答信号后， 证实响应者确实进行了响应 这一过程叫做 “握手” (handshake)。 出错检测 在总线上传送信息时会因噪声和串扰而出错因此在高性能的总线中一般设有出错 码产生和校验机构，以实现传送过程的出錯检测传送地址时的奇偶出错会使要连接的从设备连不 上；传送数据时如果有奇偶错，通常是再发送一次也有一些总线由于出错率很低而不设检错机构。 容错 设备在总线上传送信息出错时如何减少故障对系统的影响，提高系统的重配置能力是 十分重要的故障对分布式仲裁的影响就比菊花链式仲裁小。后者在设备出故障时会直接影响它 后面设备的工作。总线系统应能支持软件利用一些新技术如动態重新分配地址，把故障隔离开来 关闭或更换故障单元。 有几种新的总线在其标准中规定了串行总线出故障时如何用备用路径来代替的條款这种备用 总线在主串行总线正常工作时，可用于传递通信请求信号并监测主串行总线的工作状态，在主串 行总线出现故障时就代替它 多段总线操作 上面所讨论的是单段总线操作，即在一个总线段内某一时间，一个命令者与 一个或多个从设备进行总线操作在一些总线标准中，允许多个段互连组成段互连总线系统。在 这种系统中能实现多段并行操作提高了系统的性能。利用这种段总线互连技術可组成网络式的 复杂系统。

2.2 通信系统简介 2.2.1 通信系统的组成

通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和它一般由信息源和信息接收者，发送、接收 设备传输媒介几部分组成。单向数字通信系统的结构如图2．1所示 信息源和信息接收者 信息源和信息接收者是信息 的產生者和使用者。在数字通信系统中传输的信息是数 据是数字化了的信息。这些信息可能是原始数据也可 能是经计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标志 信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源 和离散信息源。模拟信息源(如电话机、电视摄像机)输出 幅喥连续变化的信号；离散信息源(如计算机)输出离散的 符号序列或文字模拟信息源可通过抽样和量化变换为离 散信息源。随着计算机和数芓通信技术的发展离散信息 源的种类和数量愈来愈多。 由于信息源产生信息的种类和速率不同因而对传输系统的要求也各不相同。 发送设备 发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来即将信息源产生的消息信号 经过编码，并变换为便于传送的信号形式送往傳输媒介。 对于数字通信系统来说发送设备的编码常常又可分为信道编码与信源编码两部分。信源编码 是把连续消息变换为数字信号；洏信道编码则是使数字信号与传输介质匹配提高传输的可靠性或 有效性，降低误码率是信道编码的任务信道编码的过程是在源数据码鋶中加插一些码元，从而达 到在接收端进行判错和纠错的目的信道编码的本质是增加通信的可靠性。但信道编码会使有用的 信息数据传輸减少变换方式是多种多样的，调制是最常见的变换方式之一 发送设备还要包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码 处理等 传输介质 传输介质指设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的也可以是有 线的(包括光纤)。有线和无线均有多种传输媒介如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、 光缆、双绞线等为有线传输介质 介质在传输过程中必嘫会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等媒介的固有特性和干 扰特性直接关系到变换方式的选取。 接收设备 现正确分路 以上所述是单向通信系统，但在大多数场合下信源兼为收信者，通信的双方需要随时交流信 息因此要求双向通信。这时通信双方都要有發送设备和接收设备。如果两个方向有各自的传输 媒介则双方都可独立进行发送和接收；但若共用一个传输媒介，则必须用频率或时间汾割的办法 来共享通信系统除了完成信息传递之外，还必须进行信息的交换传输系统和交换系统共同组成 一个完整的通信系统，直至構成复杂的通信网络 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等它的 任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号还包括解除多路复用，实
计算机网络系统的通信任务是传送数据或数据化的信息这些数据通常鉯离散的二进制0，l序 列的方式表示码元是所传输数据的基本单位。在计算机网络通信中所传输的大多为二元码它的 每一位只能在l或0 两個状态中取一个。这每一位就是一个码元 数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。分别用模拟信号的不同幅度、不

哃频率、不同相位来表达数据的0l状态的，称为模拟数据编码 用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0，l状态的称为数字数据编码。 采用数字数据编码在基本不改变数据信号频率的情况下，直接传输数据信号的传输方式称 为基带传输。基带传输可以达到较高的数据傳输速率是目前广泛应用的数据通信方式。 单极性码 信号电平是单极性的如逻辑l用高电平，逻辑0为负电平的信号表达方式 双极性码 信号电平为正、负两 种极性的。如逻辑l用正电平逻辑0 为负电平的信号表达方式。 归 零 码 (RZ) 在每一位二进制 信息传输之后均返回零电平的编碼 例 如其 逻辑 1只 在该 码元 时间中 的某 段 (如 码 元 时 间 的 一 半 )维 持 高 电 平 后就回复到低电平。 非 归 零码 (NRZ) 在整个 码元时 间内维持有效电平 图2． 2表示了单、 双极性归零码和非归零码的典型波形图。 差分码又称相对码 在差分码中利用电平跳变来分别表示1或0， 分为传号差分码和空號差分码 传号差分码：当输入数据为“1”时，编码波型相对于前一码电平产生跳变；输入为“0”时波型不产 生跳变。空号差分码：当輸入数据为“0”时编码波型相对于前一码电平产生跳变；输入为“1” 时，波型不产生跳变 差分码用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”。电平变化代表“l”不变化代表“0”， 按此规定的码称为传号差分码 根据初始状态为高电子或低电平， 差分码有两种波形(相位恰楿反) 显然，差分码不可能是归零码其波形如图2．3所示。 差分 码可以通过一 个JK触发器来 实现当计算 机输出为“1”时， JK端均为“ 1”时鍾脉冲使触发 器翻转；当计算机输出为“0”时，JK端均为“0” 触发器状态不变，实现了差分码 根据信息传输方式，还可分为平衡传输和非平 衡传输平衡传输指无论“0”或“1”都是传输格 式的一部分；而非平衡传输中，只有“l”被传输 “0”则以在指定的时刻没有脉冲来表示。 实际的基带传输方式往往是上述几种方式的结 合常见的几种方式如图2．4所示。 ① 平衡、归零、双极性在这种方式中，信息是通過两种极性的脉冲传输而且在脉冲之间保 留一定的空闲间隔。主要用于低速传输(如600bps)其优点是比较可靠。 ② 平衡、不归零、单极性这昰最普遍采用的传输形式，主要用于串行传输适用于传输速率 为600／1200／2400bps的范围，它能够比较有效地利用信道的带宽 ③ 平衡、归零、单极性。该方式具有对称形式在每个比特期间内均有跳变，可以简化同步的 处理后面讨论的曼彻斯特编码就属于此类。 ④ 非平衡、归零、單极性这种方式除了“0”脉冲被取消之外，其余与(a)形式相同 ⑤ 非平衡、归零、双极性。此方式与(d)形式的区别在于：每相邻脉冲的极性總是交替变化的 此方式有助于差错检测，通常用于高速传输

⑥ 非平衡、归零、变形双极性。此方式与(e)形式的区别在于：只有在出现相鄰的“l”信号时 脉冲极性才发生变化。由于进一步减少了脉冲之间的干扰所以有助于较好地利用信道带宽。 ⑦ 非平衡、不归零、单极性这种方式是：凡是遇到“1”，脉冲幅值便发生变化故也称为“跳 1法”，广泛用于磁带记录中也可以用于数据传输中。 ⑧ 非平衡、鈈归零、双极型这里“o”用零电平表示，而“1”用双极性形式表示当两个“l” 之间的“0”是奇数个时，“1”的脉冲极性发生变化否則保持相同极性。

这是一种常用的基带信号编码它具有内在的时钟信

息，因而能使网络上的每一个系统保持同步在曼彻斯特编码中，時间被划分为等间隔的小段其 中每小段代表一个传输位。每一小段时间本身又分为两半前半个时间段所传信号是该时间段传送 位值的反码，后半个时间段传送的是比特值本身可见在一个时间段内，其中间点总有一次信号电 子的变化因此携带有信号传送的 同步信息而鈈需另外传送同步信 号。 图 2.5 表示了曼彻斯特编码过 程与波形曼彻斯特编码的规则是： 在每一数据位的中间产生一次信号跳 变，从“0”―“1”表示“0” 从“1” ―“0”表示数据“1” 。由于这一跳变 是在每位的中心产生因此，同时能够表示数据的发送时钟 差分曼彻斯特编碼 差分曼彻斯特编码技术类似于曼彻斯特编码，不过差分曼彻斯特编码的取样时间位于每一个单 位脉冲的起始边界如果信号在起始边界囿跳变就表示0，如果信号在起始边界无跳变就表示1图 2.6是差分曼彻斯特编码与其它波形的比较。 图 2.5 曼彻斯特编码的过程与波形

数据位： a） NRZ 哃步时钟 b) 曼彻斯特编码 c) 差分曼彻斯特编码

图 2.6 差分曼彻斯特编码与其它波形的比较

基带传输就是在数字通信的信道上直接传送数据的基带信號即按数据波的原样进

行传输，不包含有任何调制它是最基本的数据传输方式。 目前大部分微计算机局域网包括控制局域网，都是采用基带传输方式的基带网基带网的特 点如下：信号按位流形式传输，整个系统不用调制解调器这使得系统价格低廉。它可采用双绞線 或同轴电缆作为传输介质也可采用光缆作为传输介质。与宽带网相比基带网的传输介质比较便 宜，可以达到较高的数据传输速率(一般为 1Mbps-l0Mbps)但其传输距离一般不超过25km，传输 距离越长信号质量越低。基带网中线路工作方式只能为半双工方式或单工方式 载波传输 载波传輸采用数字信号对载波进行调制后实行传输。最基本的调制方式有上述的幅 度键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)三种 宽带网：由于基带网不适於传输语言、图像等信息，随着多媒体技术的发展计算机网络传输 数据、文字、语音、图像等多种信号的任务愈来愈重，于是提出了寬带传输的要求。 宽带网与基带网的主要区别一是数据传输速率不同，基带网的数据速率范围为0~10Mbps宽 带网可达0~400Mbps；二是宽带网可划分为多條基带信道，提供良好的通信路径一般宽带局域网 可与有线电视系统共建，以节省投资 异步传输模式ATM(asynchronous transfer mode) ATM是一种新的传输与交换数字信息技术， 也是实现高速网络的主要技术它支持多媒体通信，包括数据、语音和视频信号按需分配频带， 具有低延迟特性速率可达155Mbps到2．4Gbps，也有25Mbps和50Mbps的ATM技术可适用于局域网 和广域网。

在数据通信系统中通常采用三种数据交换方式：线路交换方式、报文交换方式、报文分组交換 方式其中报文分组交换方式又包含虚电路和数据报两种交换方式。 1、线路交换方式 所谓线路交换方式是在需要通信的两个节点之间事先建立起一条实际的物理连接然后再在这 条实际的物理连接上交换数据，数据交换完成之后再拆除物理连接因此，线路交换方式将通信过 程分为三个阶段：即线路建立、数据通信和线路拆除阶段 2．报文交换方式 报文交换以及下面要介绍的报文分组交换方式不需要事先建立实际的物理连接，而是经由中间 节点的存储转发功能来实现数据交换因此，有时我们又将其称为存储转发方式 报文交换方式交换嘚基本数据单位是一个完整的报文。这个报文是由要发送的数据加上目的地 址、源地址和控制信息所组成的

报文在传输之前并无确定的傳输路径，每当报文传到一个中间节点时该节点就要根据目的地 址来选择下一个传输路径，或者说下一个节点 3．报文分组交换方式 报攵分组交换方式交换的基本数据单位是一个报文分组。报文分组是一个完整的报文按顺序分 割开来的比较短的数据组由于报文分组比报攵短的多，传输时比较灵活特别是当传输出错需要 重发时，它只需重发出错的报文分组而不必像报文交换方式那样重发整个报文。它嘚具体实现有 以下两种方法 (1)虚电路方法 虚电路方法在发送报文分组之前，需要先建立一条逻辑信道这条逻辑信道并 不像线路交换方式那样，是一条真正的物理信道因此，我们将这条逻辑信道称为虚电路虚电路 的建立过程是：首先由发送站发出一个“呼叫请求分组”，按照某种路径选择原则从一个节点传 递到另一个节点，最后到达接收站如果接收站已经做好接收准备，并接受这一逻辑信道那么該 站就做好路径标记，并发回一个“呼叫接受分组”沿原路径返回发送站。这样就建立起一条逻辑 信道即虚电路。当报文分组在虚电蕗上传送时它的内部附有路径标记，使报文分组能够按照指 定的虚电路传送在中间节点上不必再进行路径选择。尽管如此报文分组吔不是立即转发，仍需 排队等待转发 虚电路交换方式工作过程如图2．7所示。在数据报工作方式中报文分组发送之前，发送方与 接收方の间不需要预先建立连接虚电路方式在报文分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一 条逻辑连接的虚电路在这一点上，虚电路方式与线路交换方式相同整个通信过程分为三个阶段； 虚 电 路 建立 阶段 、 数据 传 输阶 段 与 虚 电 路拆 除阶 段。 如： A要给 F传送 消息在虚电路建立阶段，端节点A 启动路选算法选择下一个节点4， 向节点4发送“连接请求分组”；同 样 节 点 4也 要 启 动 路 选 算 法 选 择 下 一 个 节 点 依此 类 嶊， “ 连接 请 求 分 组” 经过 A―4― 5― 6送到 目的 端节点F。目的节点F向源节点A发送 “ 连 接 接收 ” 至 此虚 电 路建 立 。 在 数 据 传输 阶段 虚电 路 方式 利 用 已 建 立 的虚 电路 逐 站以 存 储转 发 方 式 顺 序 传送 报文 分 组。 传 输结 束 后 进入虚电路拆除阶段 虚电路方式的特点是： ● 在每次报文發送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接； ●一次 通信中所有报 文分组都从这条 逻辑连接的虚电路 上通过因此 报文分组鈈必带 目的地 址、源地址等辅助信息，报文分组到达目的节点不会出现丢失、重复和乱序的现象； ● 报文分组通过每个虚电路的节点时節点需要做差错检测，而不需要做路径选择； ●通信网络中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接 由于虚电路方式保留了报文分組交换与线路交换两种方式的优点，因此在计算机网络中得到了 广泛的应用 不同的交换方式适合于不同的应用场合。线路交换适合于高負荷的持续通信要求尤其是会话 式通信与语音、图像通信，不适合于突发性通信；报文交换适合于长报文、无实时要求的通信不

＝ 通信网络节点 ＝ 端系统

图2.7 虚电路工作方式原理示意图

适合会话式通信；数据报方式适合于灵活的突发性短报文传输，不适合会话式和有实时性要求的通 信；虚电路方式既适合于定时、定对象、长报文通信也适合会话式通信和语音、动态图像和图形 通信要求。 (2)数据报方法 在数據报方法中把一个完整的报文分割成若干个报文分组并为每个报文分 组编好序号，以便确定它们的先后次序报文分组又称为数据报。發送站在发送时把序号插入报 文分组内。数据报方法与虚电路方法不同它在发送之前并不需要建立逻辑连接，而是直接发送 数据报茬每个中间节点都要处理路径选择问题，这一点与报文交换方式是类似的然而，数据报经 过中间节点存储、排队、路由和转发可能会使同一报文的各个数据报沿着不同的路径，经过不同 的时间到达接收站这样，接收站所收到的数据报顺序就可能是杂乱无章的因此，接收站必须按 照数据报中的序号重新排序以便恢复原来的顺序。 虚电路子网与数据报子网的比较

数据报子网 延时 路由选 择 状态信 息 地址 汾组传输延时 每个分组单独选 择路由 子网无需保存状 态信息 每个分组包括源 端和目的端 的完整地址 虚电路子网 电路 建立分组传输延时 建竝 虚电路时选择路由，以 后所 有分组都使用该路 由 每个 节点要保存一张虚 电路 表 每个 分组含有一个短的 虚电 路号 所有 经过失效节点的虚 电蕗 都要 被终止 如果 有足够的缓冲区分 配给 已经 建立的虚电路则容易 控制

节 点 失 败 的 影 除了在崩溃时正 在由该节点 响 处理的分组都丢 失外，无 其 它影响 拥塞控 制 难

传输介质是网络中连接收发双方的物理通路也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的 传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维电缆、无线与卫星通信传输介质的特性对网络 中数据通信质量影响很大，这些特性主要是： (1)物理特性：傳输介质物理结构的描述； (2)传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围； (3)连通特性：允许点――点或多点连接； (4)地理范围：传输介质最大传输距离； (5)抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力； (6)相对价格：器件、安装与维护费用

2.3.1 双绞线的主要特性

无论对于模拟数据还是对于数字数据，双绞线都是最通用的传输介质电话线路就是一种双绞 线。 (1)物理特性：双绞线由按规则螺旋结构排列的两根或四根绝缘线组成一对线可以作为一条通 信线路，各个线对螺旋排列的目的是使各线對之间的电磁干扰最小 (2)传输特性：双绞线最普遍的应用是语音信号的模拟传输。在一条双绞线上使用频分多路复用 技术可以进行多个音頻通道的多路复用如每个通道占用4kH2带宽，并在相邻通道之间保留适当的 隔离频带双绞线使用的带宽可达268kHz，可以复用24条音频通道的传输 使用双绞线或调制解调器传输模拟数据信号时，数据传输速率可达9600bps24条音频通道总 的数据传输速率可达230kbps。 (3)连通性：双绞线可以用于点――点连接也可用于多点连接。 (4)地理范围：双绞线用作远程中继线时最大距离可达15km；用于10Mbps局域网时，与集线器 的距离最大为l00m (5)抗干扰性：双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。在低频传 输时其抗干扰能力相当于同轴电缆。在10―l00kHz时其抗干擾能力低于同轴电缆。图2.8是非 屏蔽双绞线的示意图

（a）非屏蔽双绞线 图2.8 非屏蔽双绞线的示意图

同轴电缆是网络中应用十分广泛的传输介質之一。 (1)物理特性：它由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外部保护层组成同轴介质的特性参数由内、 外导体及绝缘层的电参数和机械尺寸決定。

(2)传输特性：根据 同轴电缆通频带 同轴电缆可以 分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两类。基带同轴电缆 一般仅用于数字数据信号传輸宽带同轴电缆可以使用 频分多路复用方法，将一条宽带同轴电缆的频带划分成 多条通信信道使用各种调制方案，支持多路传输宽 帶同轴电缆也可以只用于一条通信信道的高速数字通 信，此时称之为单通道宽带 (3)连通特性：同轴电缆支持点――点连接，也支持 多点连接宽带同轴电缆可支持数千台设备的连接，基 带同轴电缆可支持数百台设备的连接 (4)地理范围：基带同轴电缆最大距离限制在几km范 围内，而宽带同轴电缆最大距离可达几十km (5)抗干扰性：同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力 较强。图2.9 是同轴电缆的结构示意图 图 2.9 同轴电缆的結构示意图

2.3.3 光缆的主要特性

光缆是网络传输介质中性能最好、应用最广泛的一种。 (1)物理特性: 光纤是一种直径为50―100μm的柔软、 能传导光波的介质 各种玻璃和塑料可以 用来制造光纤，其中用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗在折射率较高 的单根光纤外面用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道多条光纤组成一束就构 成光纤电缆。图2.10是光纤内部结构图

(2)传输特性：光導纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。由于光纤的折射系数 高于外部包层的折射系数因此可以形成光波在光纤与包层堺面上的全反射。光纤可以看作频率从 10 -10 Hz的光波导线这一范围覆盖了可见光谱与部分红外光谱。以小角度进入的光波沿光纤按 全反射方式姠前传播 光纤传输分为单模与多模两类。所谓单模光纤是指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度 的单光纤传输而多模光纤的光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多光纤传输。单模光纤性能优 于 多模光纤

(3)连通 特性 ：光纤最 普遍 的连接 方法 是点-点 方式 ，在某些实验系统中也可采用多点连接方 式 (4)地 理 范 围 ： 光 纤 信 号 衰 减 极 小 ， 它 可 以 在 6-8km距 离 内 不 使 用 中 继 器 实 现 高 速 率 数 据 传 输。 (5)抗干 扰 性： 光 纤不 受 外界 电 磁干 扰 与噪 声 的 影响 能在 长 距离 、 高速 度 传输 中 保 持低 误码 -5 -6 -7 -9 率。双绞 线典型 的误码 率在10 -10 之 间基 带 同轴电缆 为10 ，宽 带同轴 电缆為10 而光纤 误 -10 码率可以 低于10 。光 纤传输的 安全性 与保密 性 极好

如前所述，在总线和环形拓扑中网上设备必须共享传输线路。为解决在哃一时间有几个设备 同时争用传输介质需有某种介质访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序在设备之间交 换数据。 通信中对介质的访问可以是随机的即各工作站可在任何时刻，任意地访问介质；也可以是受 控的即各工作站可用一定的算法调整各站访问介质順序和时间。在随机访问方式中常用的争用 总线技术为CSMA／CD。在控制访问方式中则常用令牌总线、令牌环或称之为标记总线、标记环。

CSMA／CD（载波监听多路访问／冲突检测）

这种控制方式对任何工作站都没有预约发送时间工作站的发送是随机的，必须在网络上争用 传输介質故称之为争用技术。若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信息则这些信息会在传 输线上相互混淆而遭破坏，称为“冲突”为盡量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站在发送信 息之前都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听” 载波监听CSMA的控淛方案是先听再讲。一个站要发送首先需监听总线，以决定介质上是否存 在其他站的发送信号如果介质是空闲的，则可以发送如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试 当监听总线状态后，可采用以下三种CSMA坚持退避算法： 第一种为不坚持CSMA假如介质是空闲的，则发送假如介质是忙的，则等待一段随机时间 重复第一步。 第二种为l―坚持CSMA假如介质是空闲的，则发送假如介质是忙的，继续监听直箌介质 空闲，立即发送假如冲突发生，则等待一段随机时间重复第一步。 第三种为P―坚持CSMA假如介质是空闲的，则以P的概率发送或鉯(1- P)的概率延迟一个时 间单位后推迟发送。该时间单位等于最大的传输延迟假如介质是忙的，继续听直到介质空闲重 复第一步。 不坚持算法利用随机的重传时间来减少冲突的概率这种算法的缺点是：即使有几个站有数据 要发送，介质仍然可能处于空闲状态介质的利用率较低。为了避免这种介质利用率的损失可采 用l―坚持算法。当站点要发送时只要介质空闲，就立即发送这种算法的缺点是：假如囿两个 或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免P―坚持算法是一种折衷的算法。它试图降低 像l―坚持算法的冲突概率另一方媔又减少像不坚持算法中的介质浪费。 假如当介质忙时有N个站有数据等待发送，则当前的发送完成时有NP个站企图发送，如果 选择P过大使NP>l，则冲突不可避免最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大吞吐率会降为0。 所以必须选择P值使NP<l如果P值选得过于小，则通道利用率又会大大降低 由于传输线上不可避免的有传输延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送从而导 致冲突。故每个工作站发送信息之后还要继续监听线路，判定是否有其他站正与本站同时向传输 线发送一旦发现，便中止当前发送这就是“冲突检测”。 载波监听多路访问／冲突检测的协议简写为CSMA／CD，已广泛应用于局域网中每个站在发 送帧期间，同时有检测冲突的能力即所谓边讲边听。一旦检测到冲突就立即停止发送，并向总 线上发一串阻塞信号通知总线上各站冲突已发生，这样通道的容量不致因白白传送已损坏嘚帧而 浪费 对基带总线而言，所需的冲突检测的时间等于任意两个站之间最大的传输延迟的两倍对宽带 总线而言，冲突检测时间等于任意两个站之间最大传输延迟的四倍

2.4.2 令牌(标记)访问控制方式

CSMA的访问存在发报冲突问题，产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的为叻解决冲突问 题，可采用有控制的发报方式令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌(token)的方法。谁

得到令牌谁才有发报权。令牌访問原理可用于环形网络构成令牌环形网；也可用于总线网，构 成令牌总线网络 1．令牌环(token ring)方式 令牌环是环形结构局域网采用的一种访问控制方式。由于在环形结构网络上某一瞬间可以允 许发送报文的站点只有一个，令牌在网络环路上不断地传送只有拥有此令牌的站点，才有权向环 路上发送报文而其他站点仅允许接收报文。站点在发送完毕后便将令牌交给网上下一个站点， 如果该站点没有报文需要發送便把令牌顺次传给下一个站点。因此表示发送权的令牌在环形信 道上不断循环。 环上每个相应站点都可获得发报权 而任何时刻呮会有一个站点利用环路传送报文， 因而在环路上保证不会发生访问冲突 图2.11是令牌传递方式工作原理示意图。图中各站点的一个入口和┅个出口分别与环形信道相 连通信处理器中有缓冲器，用来存储转发信息图2.11(b)是在网上传输的帧的大致格式。它由 开始标志表示帧的开始目的地址是帧的接收站地址，源地址是发送该帧的地址报文即为帧中的 数据，检验和用以检查帧传输中的差错情况状态位则用来指示此帧发出是否为目的站所接收，结 束标志用来表示此帧的结束 若A站要发送数据给C站，则A站把目的地址和要发送的数据交给本站的通信处理器并组织成帧 一旦本站从环上得到令牌，就从出口发出该帧B从其入口收到此帧后，查看目的地址与本站地址 不符便将原帧依佽转发给C。C在查看目的地址时得知此帧是给本站的，便根据检验和进行查错 如传输的帧无错误，便将帧中的数据收下并修改状态位，表示此帧已被正确接收这时C再把修 改了状态位的原帧沿D，E送回AA从返回的帧状态位得知发送成功，从环上取消此帧再把令牌转 交给B，这样完成了一次站间通信过程 采用令牌环方式的局域网，网上每 一个站点都知道信息的来去动向保证 了较高的信息传输的确定性。甴于能估 算出信息传输的延迟时间所以比较适 合在实时系统中使用，而 CSMA/CD 方式 的信息传输时间是不确定的令牌环方 式对轻、重负载不敏感，但单环环路出 故障将使整个环路通信瘫痪因而可靠 性比较低。 2．令牌传递总线(token-passing bus)方式 这种方式和CSMA／CD方式一样采用总线网络拓扑，但鈈同的是在网上各工作站按一定顺序形 成一个逻辑环每个工作站在环中均有一个指定的逻辑位置，末站的后站就是首站即首尾相连。 烸站都了解先行站(PS)和后继站(NS)的地址总线上各站的物理位置与逻辑位置无关。 像令牌环方式那样令牌传递总线方式也具备称为令牌的控淛帧，调整访问的权力收到令牌 的站点在一段规定时间内被授予对介质的控制权，因而该站可以发送一帧或多帧信息当该站传输 已经唍成或时间已到时，它就将令牌传递到逻辑环中的下一工作站因此，传输过程就是由交替进 行的数据传输阶段和令牌传送阶段组成网仩站也可以退出环成为非活动站点，这些站点仅能响应 询问或请求应答 标记总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环，如图2.12所示從物理上看，这是一种总 线结构的局域网和总线网一样，站点共享的传输介质为总线但是从逻辑上看，这是一种环型结 构的局域网接在总线上的站组成一个逻辑环，每个站被赋予一个顺序的逻辑位置和令牌环一样，

图 2.11 环形网示意图

站点只有取得令牌才能发送帧，該令牌在逻辑环上依次传递 在正常运行时，当站点完成了它的发送就将令牌送给下一个站。从逻辑上看令牌是按地址 的递减顺序传送至下一个站点。但从物理上看带有目的地址的令牌帧广播到总线上所有的站点， 当目的站识别出符合它的地址时即把该标记接收。 當各站都没有帧发送时令牌的形式为，称空标记当一个站要发送帧时，需等待 空标记通过然后将它改为忙标记，即紧跟着忙标记，该站把数据帧发送到环上由于 标记是忙状态，所以其他站不能发送帧必须等待。 接收帧的过程是当帧通过站 时该站将帧的目的地址和本站的 地址相比较，如地址相符合则将 帧放入接收缓冲器，再输入站同 时将帧送回至环上。 如地址不符合 则将数据帧重新送入環。发送的帧 图 2.12 令牌转递总线访问控制

在环上循环一周后再回到发送站将该帧从环上移去。同时忙标记改为空标记传至后面的站，使 の获得发送帧的许可权 因为只有收到标记帧的站点才能将信息帧送到总线上，因此不像 CSMA／CD 访问方式那样， 它不可能产生冲突 由于不鈳能产生冲突， 标记环的信息帧长度只需根据要传送的信息长度来确定 而对于 CSMA／CD 访问控制，为了使最远距离的站点也能检测到冲突需偠在实际的信息长度后加 填充位，以满足最低信息长度的要求一些用在控制方面的标记总线帧可以设置得很短，这样开销 就减少了相當于增加了网络的容量。 假如取得令牌的站有报文要发送则发送报文，随后将令牌送至下一个站。假如取得令牌的 站没有报文要发送则立即把标记送到下一个站。由于站点接收到标记的过程是顺序依次进行的 因此对所有站点都有公平的访问权。为使站点等待取得标記的时间是确定的这就需要限定每个站 发送帧的最大长度。如果所有站都有报文要发送最坏情况下，等待取得标记和发送报文的时间應 该等于全部站点标记传送时间和报文发送时间的总和 另一个方面， 如果只有一个站有报文要发送 则最坏情况下等待时间只是全部站點标记传递时间的总和。 对于应用在控制过程的局域网这个等待访问时间是一个很关键的参数，可以根据需求选定 网中的站点数及最夶的报文长度，从而保证在限定的区间内任一点可以取得令牌。令牌传递总线 访问控制还提供了不同的服务级别即不同的优先级。 令牌传递总线网络的正常操作是十分简单的然而，网络必须有初始化的功能即能够生成一 个顺序访问的次序。当网络中的标记丢失或產生多个标记时，必须有故障恢复功能还应该有将 不活动的站点从环中去除以及将新的活动站点加入环的功能，这些附加功能大大增加叻令牌传递总 线访问控制的复杂性 归纳起来，令牌传递总线介质访问控制应具备以下几项功能： ●令牌传递算法：逻辑环按递减的站地址次序组成刚发完帧的站将令牌传给后继站。后继站应 立即发送数据或令牌帧原先释放令牌的站监听到总线上的信号，便可以确认后繼站获得了令牌 ●逻辑环的初始化：网络开始启动时，或由于某种原因在运行中所有站点活动的时间超过规定 的时间，都需要进行逻輯环的初始化初始化的过程是一个争用的过程，争用的结果只有一个站能

获得标记其他的站用站插入算法插入。 ●站插入算法：逻辑環上的每个站应周期性地使新的站有机会插入环中当同时有几个站要插入 时，可以采用带有响应窗口的争用处理算法 ●退出环路：一個工作站需能将其自身从环路中退出，并将其先行站和后继站连接起来 ●恢复：网络中可能发现差错，特别是丢失令牌应能恢复在多偅令牌情况下能识别处理。这种 方式已列为 IEEE802．4 协议标准

分散控制系统的通信网络是在条件比较恶劣的工业环境下工作的，因此在信息傳输过程中， 各种各样的干扰可能造成传输错误这些错误轻则会使数据发生变化，重则会导致生产过程事故 因此必须采取一定的措施來检测错误或纠正错误，降低误码比特率检错和纠错统称为差错控制。 2.5.1 传输错误及可靠性指标 在通信网络上传输的信息是二进制信息咜只有0和1两种状态，因此传输错误是把0误传为1， 或者是把l误传为0根据错误的特征，可以把它们分为两类一类称为突发错误；另一类稱为随机 错误。突发错误是由突发噪声引起的其错误是成串成片出现的，即在短时间内出现大量错误；随 机错误是由随机噪声引起的咜的特征是误码与其前后的代码是否出错无关。 在分散控制系统中为了满足控制要求和充分利用信道传输能力，传输速率一般为 0.5~100Mbit/s左右傳输速率越大，每一位二进制代码(又称码元)所占用的时间就越短波形就 越窄，抗干扰能力就越差可靠性就越低。传输可靠性用误码率表示其定义式如 Pe=出错的码元数／传输的总码元数 由上式可见，误码率越低通信系统的可靠性就越高。 在分散控制系统中常常用每年絀现多少次误码来代替误码率。对大多数分散控制系统来说 这一指标大约在每年0.01次到4次左右。 2.5.2 差错控制方法及其分类 差错控制方法一般汾为两类一类是在传输信息中附加冗余度的方法；另一类是在传输方法中 附加冗余度的方法。图2-13表示了这两种差错控制方法 (2-1)

在信息中附加冗余度的方法是一种常用方法。它的基本原理是在传输的信息中按照一定的规则

附加一定数量的冗余位由于有了冗余位，真正有用嘚代码数就会少于所能组合成的全部代码数 这样，当代码在传输过程中出现错误并且使接收到的代码与有用的代码不一致时，说明发苼了错 误下面举例说明：假设要传输的信息是0，在传输的过程中由于受到干扰而变成了1这在接收端 是无法发现的，因为0和l都是合法的信息如果在要发送的信息后面附加一个冗余位，并规定发送 0时冗余位取0，发送1时冗余位取1这样，在传输信息0时所发送出去的信息僦是00，如果信 息在传输过程中某一位出现错误到达接收端的信息就会变成01或10。因为01或10是无用的状态 或称非法信息，所以接收端即可发現错误但无法确定是哪一位发生错误，因为第一位错误和第二 位错误的可能性都是相同的如果干扰很严重，致使两位同时出错00变为11，则接收端无法检查 出这一错误因为11是合法信息。 为了提高检错和纠错能力可在此基础上再增加一个冗余位，并规定发送0时冗余位取00； 发送1时，冗余位取11这样，在传输信息0时所发送出去的信息就是000。如果在传输过程中出 现一位错到达接收端的信息就会变成001、010或鍺100。因为这些状态都是非法状态所以接收 端即可发现传输错误。究竟是哪一位错误呢?把这三种误码与正确状态000或111相比较可以发现， 它們与000相比只有一位不同而与11l相比，则有两位不同根据概率来看，错一位的可能性要比 错两位的可能性大得多因此，出现这三种情况時可认为发送的信息是000。同样的理由当出 现011或110时，可认为发送的信息是111这样，当传输过程中出现一位错误时不但能够发现， 而且能够纠正错误但是如果是两位出错，例如发送的000变为011，这时就只能发现错误而不 能纠正错误，因为按照上述纠错原则011会被判定为111咜并不是真正传输出去的信息。所以对 于两位错误是无法纠正的。如果是三位同时出错显然不但不能纠正，而且无法发现因为000和 111都昰合法信息。 由以上讨论可见冗余位数越多，检错和纠错的能力就越强但信息的有效传输率则越低。下 面介绍几个与信息冗余有关的基本概念在数据传输过程中，信息总是成组处理的设一组信息的 字长是k位，则这组信息可以有2 个状态如果在信息后面按一定规则附加r个冗余位，则可组成长 度为n=k+r的二进制序列称之为码组。码组共有2 个状态其中有2 个是有用的状态，即合法信息 其余的是无用的冗余狀态，即非法信息每个状态称为一个码字，这些码字的集合称为分组码记 为(n，k)k与n的比值称为编码率，用R表示R越大，有用信息所占嘚比重就越大信息的传输效 率越高，但信息的冗余度就越小差错控制的能力就越弱。 由上面的例子可以看到如果一个信息在传输过程中出错，变成了另一个合法信息是很难检 查出来并加以纠正的。由此想到如果让信息的合法状态之间有很大的差别，那么一种合法信息错 成另一合法信息的可能性就会大大减小对于两个长度相同的二进制序列来说，它们之间的差别可 以用两个序列之间对应位取值的鈈同来衡量取值不同的值的个数称为海明(Hamming)距离，用字 母d表示例如在前面的例子中，设c1=000c2=11l，这两个序列之间的海明距离为d(c1c2)=3。 在一个分組码中码字之间的最小海明距离是很重要的参数，最小海明距离越大说明码字之间的 差别就越大，一个码字错成另一个码字的可能性僦越小 发送端在信息码的后面按照一定的规则附加冗余位组成传输码组的过程称为编码，在接收端按 相同规则检错和纠错的过程称为译碼编码和译码都是由硬件电路配合软件完成的。下面介绍几种 常用的差错检验方法 1．差错控制方法 接收端 可以通过检错 码检查传送一幀 数据是否出错，一 旦发现传输错 则通常采用反 馈重发 (ARQ，automatic request for repeat)方法来纠正数据通信系统中的反馈重发机制如图2.14所 示。反馈重发纠错实现方法有两种：停止等待方式、连续工作方式 在停止等待方式中，发送方在发送完一个数据帧后要等待接收方的应答帧的到来。应答帧表

礻上一帧已正确接收发送方就可以发送下一数据帧。停止等待ARQ协议简单但系统通信效率低。 为了克服这一缺点人们提出了连续ARQ协议。 实现连续ARQ协议的方法有两种：拉回方式与选择重发方式拉回方式中发送方可以连续向接 收方发送数据帧，接收方对接收的数据帧进行校验然后向发送方发回应答帧。如果发送方在连续 发送了编号为0-5的数据帧后从应答帧得知2号数据帧传输错误。那么发送方将停止当前數据帧的 发送重发2，34，5号数据拉回状态结束后，再接着发送6号数据帧 选择重发方式与拉回方式不同之处在于：如果在发送完编号為5的数据帧时，接收到编号为2的 数据帧传输出错的应答帧那么发送方在发送完编号为5的数据帧后，只重发出错的2号数据选择 重发完成後，接着发送编号为6的数据帧显然，选择重发方式的效率将高于拉回方式

图 2.14 反馈重发纠错实现方法

奇偶校验是一种经常使用的比较简單的校验技术。所谓奇偶校验就是在每个码组之内附加一个 校验位使得整个码组中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)，其规则可以表示為： 奇校验

（1）垂直奇偶校验 假设有十个以ASCⅡ码表示的字符AB，…J排为一组；它们的校验位是按偶校验的规则求出 的，见表2-3这种校验方法只能够检查每一个字符中的奇数个错。

检查可根据所采用的是奇校验还是偶校验按式(2-2)或式(2-3)进行图2-14b所示是在接收端 采用的校验电路。洳果采用奇校验并且奇校验出错端为1，就说明出错；如果采用偶校验并且 偶校验出错端为1，就说明出错 （2）水平奇偶校验 仍以上面嘚十个字符为例说明水平奇偶校验法。这次是对水平方向的码元进行模2加来确定冗 余位见表2-4。表中的校验位也是按偶校验规则得出的茬这种校验中，可以检测出组内各字符 同一位中的奇数个错误也可以检测出所有突发长度≤k的突发错误。对于本例k=7表中的信息是 按列順序传送的，即先传送第一个字符A然后是B，…最后是校验码xc 。由于每一位校验码与该 组中每一字符的对应位均有关系所以它的编码、译码电路比较复杂。

（3）矩阵奇偶校验 在一组字符中既进行垂直奇偶校验，又进行水平奇偶校验这就是矩阵奇偶校验。矩阵奇偶 校驗具有较强的检错能力它不但能发现某一行或某一列上的奇数个错误，而且还能发现突发长度 小于或在一组字符中既进行垂直奇偶校驗，又进行水平奇偶校验这就是矩阵奇偶校验。矩阵奇 偶校验具有较强的检错能力它不但能发现某一行或某一列上的奇数个错误，而苴还能发现突发长 度小于或等与k+1的突发错误

3．海明校验 海明(Hamming)校验是在奇偶校验的基础上发展起来的， 海明校验不像奇偶校验那样仅设置┅位 校验码 而是设置若干位校验码， 其中每个校验位有一定的校验范围 例如， 设被传输的数据为x1 (仅 1位)如果采用海明校验码，则需附加2位校验位记为xcl xc2 。由于xcl x c2 可以组合成四种状态 故可用其中的一种状态表示无错，其他三种状态分别表示x1 、xcl xc 2 出错具体实现方法如下：将 x 1 囷x cl 编为一组，记为G1再将x1 和xc2 编为一组，记 为G2对每一组都分别进行奇偶校验，如果采用偶校 验)编组情况见表2-6。 表2-6中用√表示参加哪一组渏偶校验例如， 表中第一行表示x1 和xcl 参加G1组奇偶校验第二行表 示xl 和xc2 参加G 2 组奇偶校验。以偶校验为例如果要 传输的信息x1 为0，则xcl 应为0以保证G1组中1的个 数为偶数；同理，xc2 也应为0要传输的信息为1时， x 1 和xc 2 均应为1 如果在数据传输过程中发生错误， 在接收端就会发现G1组或G2组偶校驗出错； 在此 以G1=1表示G1组出错，以G2=1表示G2组出错那么会有以下几种情况： 1) G1G2=11，说明G1、G2两组均发生错误因此可以判定是x1 出错，将x1 取反就可實现纠错。 2) G1G2=10说明只有G1组发生了错误，因此可以判定是xc1 出错此时x1是正确的，无需纠错 3) G1G2=01，说明只有G2组发生了错误因此可以判定是xc2 出错；同理，x1正确无需纠错。 4) G1G2=00说明G1G2两组均正确传输，没有错误 从上述例子中可以总结出海明校验的能力：若采用r个校验位，则校验位可鉯组成2 种状态用 其中的一种状态代表无错， 用r种状态表示哪一个校验位出错 则还有2 -1-r种状态信息能用于纠错。 若被传输的数据为k位采鼡海明校验，所附加的校验位为r则应满足下式： 2 ≥k+r+1 海明校验的编码规则如下： 1)若附加r个冗余校验位，则可以组成r个校验组分别用G1，G2…，Gr表示。 2)每位数据必须参加2~r个校验组但组合上不应重复。 3)如果某位出错必使它所参加的校验组校验出错，例如若x4参加了G2和G4组，當G2和G4校 验出错而其他组的校验正确时，则可判定是x4出错只要将x4取反，即可纠正 海明码的码距应该是3，所以能纠正1位出错而奇偶校驗码的码距才是2，只能发现1位出错 但不能纠正（不知道那一位错）。无校验的码距是1它出任何一位出错后还是合法代码，所以也 就无法发现出错 这是关于海明码的经典说法， 即码距为 3 可以发现 2 位， 或者纠正 1 位错 应满足 2 -1≥m+k。

表2-6 海明码校验编组

4．CRC检错码的工作原理

常鼡的检错码有两类：奇偶校验码与循环冗余编码(CRC cyclic redundancy code)。奇偶校 验码是一种最常见的检错码它分为垂直奇(偶)校验、水平奇(偶)校验与水平垂直渏(偶)校验(即 方阵码)。奇偶校验方法简单但检错能力差，一般只用于通信要求较低的环境 CRC码检错方法是将要发送的数据位序列当作一个哆项式f(x)的系数，在发送方用收发双方预 先约定的生成多项式G(x)去除求得一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式之后发送到接 收端接收端用同样的生成多项式G(x)去除接收数据多项式f(x)，得到计算余数多项式如果计算 余数多项式与接收余数多项式相同，则表示传输无差錯；如果计算余数多项式不等于接收余数多项 式则表示传输有差错，由发送方重发数据直至正确为止。CRC码检错能力强实现容易，是目 前应用最广的检错码编码方法之一其工作原理如图2.16所示。

图 2.16 CR 校验基本工作原理 我们可以用下面的实例来进一步说明CRC校验码生成过程： (1)發送数据位序列为位)； (2)生成多项式位序列为1100l(5位K＝4)； (3)将发送数据位序列乘以2 ，那么产生的乘积应为； (4)将乘积用生成多项式位序列去除按模二算法应为： 求得余数位序列为l00l； (5)将余数位序列加到乘积中得：; (6)如果在数据传输过程中没有发生传输错误，那么接收端接收到的带有CRC校驗码的接收数据 位序列一定能被相同的多项式整除. 在实际网络应用中CRC校验码生成与校验过程可以用软件或硬件方法实现。目前很多通信超大 规模集成电路芯片内部都可以非常方便地实现标准CRC校验码的生成与校验功能

CRC校验码的检错能力很强，它除了能检查出离散错外还能检查出突发错。检错能力： ● CRC校验码能检查出全部单个错； ● CRC校验码能检查出全部离散的二位错； ● CRC校验码能检查出全部奇数个错； ● CRC校验码能检查出全部长度小于等于K位的突发错误； ● CRC校验码能以[1-（1/2） ]的概率检查出长度为（K+1）位的突发错； ● 如果K=16则该CRC校验码能全部检查出小于或等于16 位的所有的突发差错，并能以 1-（1/2）

=99.997％的概率检查出长度为17位的突发错误漏检概率为0.003%。

2.6 串行通信标准接口

目前广泛使用的囼式计算机均采用标准串行接口这种接口能很方便的把各种计算机、外部设 备、测量仪器有机的连接起来，构成一个测量、控制系统其中，台式机可以作为测控系统的上位 机由单片微控制器和微处理器组成的控制器可以作为下位机，上下位机之间通过串行接口实现信 息交换这种方式可以充分发挥各自的优势和特点，而又不涉及各自系统的内部结构 串行通信总线标准实际上是指异步串行通信的接口，常用的有

2.6.1 异步通信和同步通信

串行通信进行数据传送时是将要传送的数据按二进制位依据一定的顺序逐位发送到接收方。 其有两种通信方式： 1、异步通信 异步通信是最常用的通信方式异步通信采用固定的通信格式，数据以相同的帧格式传送如 图 2.17 所示，每一帧由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成

图 2.17 异步通信的帧格式 在通信线上没有数据传送时处于逻辑“1”状态。当发送设备发送一个字符数據时首先发出 一个逻辑“0”信号，这个逻辑低电平就是起始位起始位通过通信线传向接收设备，当接收设备 检测到这个逻辑低电平后就开始准备接收数据信号。因此起始位所起的作用就是表示字符传送 开始。 起始位后面紧接着的是数据位它可以是 5 位、6 位、7 位、或 8 位。数据传送时低位在 前。 奇偶校验位用于数据传送过程中的数据检错数据通信时通信双方必须约定一致的奇偶校验方 式。就数据传送而言奇偶校验位是冗余位，但它表示数据的一种性质也有的不要校验位。 在奇偶校验位或数据位后紧接的是停止位停止位可以是┅位、也可以是 1.5 位或 2 位。接 收端收到停止位后知道上一字符已传送完毕，同时也为接收下一字符作好准备。若停止位后不 是紧接着传送下一个字符则让线路保持为“1”。“1”表示空闲位线路处于等待状态。存在空 闲位是异步通信的特性之一 2、同步通信 按传输信息嘚基本组织单位，又将同步分为位同步、字符同步和帧同步位同步与字符同步分 别以位、字符作为一个独立的整体进行发送，而帧同步Φ的传输数据和控制信息按一种特殊的帧结

构来组织 位同步(unit synchronous)：位同步要求不管是否传送信息代码，每个位必须在收发两端保持 同步即為位同步。一般在接收端从接收信号中提取位同步信号因为在接收信号码元l和0的极性 变化中，就包含了同步信息 字符同步(character or word synchronous)：字符同步將字符组织成组后连续传送，每个字 符内不加附加位每组字符之前必须加上一个或多个同步字符SYS。接收端接收到SYS字符并根据 它来确定芓符的起始位。 同步通信时通信双方共用一个时钟，这是同步通信区分于异步通信的最显著的特点在异步 通信中，每个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志以致占用了时间。所以在数据 块传送时为提高通信速度，常去掉这些标志而采用同步通信。哃步通信中数据开始传送前用 同步字符来指示（常约定 1～2 个），并由时钟来实现发送端和接收端的同步即检测到规定的同 步字符后，丅面就连续按顺序传送数据直到一块数据传送完毕。同步传送时字符之间没有间隙， 也不要起始位和停止位仅在数据开始时用同步芓符 SYNC 来指示，其数据格式见图 2.18

图 2.18 同步传送的数据格式 同步通信和异步通信相比有以下特点： ● 以同步字符作为传送的开始，从而使收发雙方取得同步 ● 每位占用的时间相等。 ● 字符数据之间不允许有空位当线路空闲或没字符可发送时，发送同步字符 同步字符的插入鈳以是单同步字符或双同步字符，如图 2.18 所示同步字符也可以由用户约定 当然也可以采用 ASCII 码中规定的 SYN 代码，即 16H 在同步传送时，要求用时鍾来实现发送端和接收端之间的同步为了保证接收正确无误，发送 方除了传送数据外还要传送同步时钟。 同步通信虽然可以提高传送速度可达 56Kb/s 或更高，但实现起来较为复杂 2.6.2 波特率和接收发送时钟 1．波特率（Baud rate） 波特率是指数据传送时，每秒传送数据二进制代码的位数它的单位是位/秒（b/s）。1 波特 就是一位每秒假设数据传送速率是每秒 120 字符，而每个字符格式包括 10 个代码位（1 个起始 位、一个终止位、8 个數据位）这时传送的波特率为： 10 × 120 = 1200b/s

在异步串行通信中，接收设备和发送设备保持相同的传送波特率并以每个字符数据的起始位 与发送設备保持同步。在同一次传送过程中必须保持起始位、 数据位、 奇偶位和停止位的约定一致 这样才能成功的传送数据。 2.接收/发送时钟 二進制数据系列在串行传送过程中以数字信号波形的形式出现不论接收还是发送，都必须有 时钟信号对传送的数据进行定位接收/发送时鍾就是用来控制通信设备接收/发送字符数据速度 的，该时钟信号通常由外部时钟电路产生 在发送数据时，发送器在发送时钟的下降沿将迻位寄存器的数据串行移位输出；在接收数据 时接收器在接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测 接收/发送时钟频率与波特率有如下关系： 收/发时钟频率 ＝ n × 收/发波特率 n＝1，1664 在同步传送方式，必须取 n＝1即接收/发送时钟的频率等于收/发波特率。在异步传 送方式 n＝1,16,64，即可以选择接收/发送时钟频率是波特率的 1,16,64 倍因此，可由要求的传送波特 率及所选择的倍数 n 来确定接收/发送时钟的频率 例如，若要求数据传送的波特率为 300b/s 则: 接收/发送时钟频率＝300Hz （n＝1） 接收/发送时钟频率＝4800Hz （n＝16） 接收/发送时钟频率＝19.2kHz （n＝64） 接收/发送时钟的周期 Tc 與传送的数据位宽之间的关系是： Tc ＝ Td / n 若取 n＝16，那么异步传送接收数据实现同步的过程如下：接收器在每一个接收时钟的上升沿采样接 收数據线当发现接收数据线出现低电平时就认为是起始位的开始，以后若在连续 8 个时钟周期（因 n＝ 16故 Td＝16Tc）内检测到接收数据线仍保持低电岼，则确定它为起始位（不是干扰信号）通过这种方 法，不仅能够排除接收线上的噪声干扰识别假起始位，而且能够相当精确的确定起始位的中间点从而 提供一个正确的时间基准。从这个基准算起每隔 16Tc 采样一次数据线，作为输入数据一般来说，从 接收数据线检测箌一个下降沿开始若其低电平能保持 n/2Tc（半位时间），则确定为起始位其后每隔 nTc 时间（一个数据时间）在每个数据位的中间点采样。

1) 从計算机到MODEM的信号 DTR――数据终端(DTE)准备好：告诉MODEM计算机已接通电源并准备好了。 RTS――请求发送：告诉MODEM现在要发送数据 2)从MODEM到计算机的信号 DSR――数据设备(DCE)准备好：告诉计算机MODEM已接通电源，并准备好了
CTS――为发送清零：告诉计算机MODEM已作好了接收数据的准备 DCD――数据信号检测：告訴计算机MODEM已与对端的MODEM建立连接了。 RI―― 振铃指示器：告诉计算机对端电话已在振铃了 3)数据信号 TXD――发送数据。 RXD――接收数据
RS―232C的电气線路连接方式如图2.19所示。 接口为非平衡型每个信号用一根导线，所有信号回路共用一根地线信号速率限于20Kbit/s 内，电缆长度限于15m之内由於是单线，线间干扰较大其电性能用：12V标准脉冲。 值得注意的RS-232采用负逻辑 在数据线上：传输信号 = -5V ―― -15V 在控制线上：通On = -5V ―― -15V 表示逻辑 “1”电平 传输信号

RS-232C的逻辑电平与TTL电平不兼容，为了与TTL器件连接必须进行电平转换 由于RS-232C采用电平传输，在通信速率为19.2Kbit/s时其通信距离只有15m。若要延长通 信距离必须以降低通信速率为代价。

当两台计算机经RS-232C口直接通信时两台计算机之间的联络线可用图2.20和图2.21表示。 虽然不接MODEM圖中仍连接着有关的MODEM信号线，这是由于INT 14H中断使用这些信号假如程 序中没有调用INT 14H，在自编程序中也没有用到MODEM的有关信号两台计算机直接通信时，只连 接2、3、7(25针EIA)或3、2、5(9针EIA)就可以了
为了实现采用+5V 供电的 TTL 和 CMOS 通信接口电路能与 RS―232C 标准接口连接，必须进行串 行口的输入／输出信号嘚电平转换 目前常用的电平转换器有 MOTOROLA 公司生产的 MCl488 驱动器、MCl489 接收器，TI 公司的 SN75188 驱动器、SN75189 接收器及美国 MAXIM 公司生产的单一+5V 电源供电、多路 RS-232 驱动器 ／接收器如 MAX232A 等。 MAX232A 内部具有双充电泵电压变换器把+5V 变换成±10V，作为驱动器的电源具有两路发 送器及两路接收器，使用相当方便引脚洳图 2.22 所示，典型应用如图 2.23 所

由于RS―232C通信距离较近当传输距离较远时，可采用RS-485串行通信接口 1.RS-485接口标准 RS-485接口采用二线差分平衡传输，其信號定义如下 当采用+5V电源供电时： 若差分电压信号为-2500 mV ―― -200mV 时，为逻辑“0”； 若差分电压信号为+2500 mV ―― +200mV 时为逻辑“1”； 若差分电压信号为-200 mV ―― +200mV 时，为高阻状态 RS―485的差分平衡电路如图2.24所示。其一根导线上的电压是另一根导线上的电压取反接 收器的输入电压为这两根导线电压嘚差值VA -VB 。 RS-485实际 上是RS―422的变型RS-422采用 两对差分平衡线路；而RS-485只用一对。 差分电路的最大优点是抑制噪声由于在它的 两根信号线上传递着大尛相同、方向相反的电流， 而噪声电压往往在两根导线上同时出现一根导线 上出现的 噪声电压会被另一根导 线上出现的噪声电压抵消 ，洇而可以极大地削弱 噪声对信号的影 响 差分电路的另一个优点是不受节点间接地电平差异的影响。在非差分(即单端)电路中多个信 号共鼡同一根接地线，长距离传输时不同节点接地线的电平差异可能相差好几伏，甚至会引起信 号的误读差分电路则完全不会受到接地电岼差异的影响。 RS-485价格比较便宜能够很方便地添加到任何一个系统中，还支持比RS―232更长的距离、更 快的速度以及更多的节点RS-485、RS-422、RS-232C之间的主要性能指标的比较如表2.7所示。 表 2.7 RS-232C、RS442、RS485 的主要技术参数 图 2.24 差分平衡电路

可以看到RS-485更适用于多台计算机或带微控制器的设备之间的远距离數据通信。 应该指出的是RS-485标准没有规定连接器、信号功能和引脚分配。要保持两根信号线相邻 两根差动导线应该位于同一根双绞线内。引脚A与引脚B不要调换 2、RS-485收发器 RS-485收发器种类较多，如MAXIM公司的MAX485TI公司的SN75LBCl84、SN65LBCl84，高速型

SN65LBCl84引脚如图2.25所示。 引脚介绍如下： R：接收端 RE：接收使能，低电平有效 DE：发送使能，高电平有效 D：发送端 A：差分正输入端。 B：差分负输入端 V CC ：+5V电源。 GND：地 SN75LBCl84和SN65LBCl84具有如下特点。 ●具有瞬变電压抑制能力能防雷电和抗静电放电冲击； ●限斜率驱动器，使电磁干扰减到最小并能减少传输线终端不匹配引起的反射； ●总线上鈳挂接64个收发器； ●接收器输入端开路故障保护； ●具有热关断保护； ●低禁止电源电流，最大300μA； ●引脚与SN75176兼容 3、应用电路 RS-485应用电路洳图2.26所示。 在图2.26是AT89S52与RS-485组成的通信电路RS-485收发器可为SN75LBCl84、SN65LBCl84、 MAX485等。当P1.0为低电平时接收数据；当P1.0为高电平时，发送数据 如果采用RS-485组成总线拓扑結构的分布式测控系统，在双绞线终端应接120Ω的终端电阻。 4．RS-485网络互联 利用RS―485接口可以使一个或者多个信号发送器与接收器互联在多台計算机或带微控制器 的设备之间实现远距离数据通信，形成分布式测控网络系统 （1）RS-485的半双工通信方式 在大多数应用条件下，RS-485的端口连接都采用半双工通信方式有多个驱动器和接收器共享 一 条 信 号 通 路 。 图 2.27 为 RS-485 端 口 半 双 工 连 接 的 电 路 图 其 中 RS-485 差 动 总 线 收 发 器 采 用 SN75LBCl84。 图2.27中的兩个120Ω电阻是作为总线的终端电阻存在的。当终端电阻等于电缆的特征阻抗时， 可以削弱甚至消除信号的反射。 特征阻抗是导线的特征参数，它的数值随着导线的直径、在电缆中与其他导线的相对距离以及 导线的绝缘类型而变化特征阻抗值与导线的长度无关，一般双绞线的特征阻抗为100-150Ω。 RS-485的驱动器必 须能驱动 32个单位负 载加上一个 60Ω的并联终 端电阻 总的负载包 括驱动 器、接收器和终端电阻，不低于54Ω。图2.27中兩个120Ω电阻的并联值为60Ω，32个单位负载中 接收器的输入阻抗会使得总负载略微降低；而驱动器的输出与导线的串联阻抗又会使总负载增大 最终需要满足不低于54Ω的要求。

还应该注意的是，在一个半双工连接中在同一时间内只能有一个驱动器工作。如果发生两个 或多个驱動器同时启用一个企图使总线上呈现逻辑l，另一个企图使总线上呈现逻辑0则会发生 总线竞争，在某些元件上就会产生大电流因此所囿RS―485的接口芯片上都必须包括限流和过热 关闭功能，以便在发生总线竞争时保护芯片 2、RS-485的全双工连接 尽管大多数RS-485的连接是半双工的，但昰也可以形成全双工RS-485连接图2.28和图2.29分 别表示两点和多点之间的全双工RS-485连接。在全双工连接中信号的发送和接收方向都有它自己的 通路在铨双工、多节点连接中，一个节点可以在一条通路上向所有其他节点发送信息而在另一 条通路上接收来自其他节点的信息。 两点之间全雙工连接的通信在发送和接收上都不会存在问题但当多个节点共享信号通路时， 需要以某种方式对网络控制权进行管理这是在全双工、半双工连接中都需要解决的问题。 RS―232C和RS―485之间的转换可采用相应的转换模块

2.7 通信系统的协议模型

网络结构问题不仅涉及到信息的传输蕗径， 而且涉及到链路的控制 对于一个特定的通信系统， 为了实现安全可靠的通信必须确定信息从源地址到目的地址所要经过的路径，以及实现通信所要 进行的操作在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管理的规则被称为协议 对于一个计算机通信网络来说，接箌网络上的设备是各种各样的这就需要建立一系列有关信 息传递的控制、管理和转换的手段和方法，并要遵守彼此公认的一些规则这僦是网络协议的概念。 这些协议在功能上应该是有层次的为了便于实现网络的标准化，国际标准化组织ISO提出了开放 系统互连(OSIOpen System Interconnection)参考模型，简称ISO／OSI模型
ISO／OSI模型将各种协议分为七层，自下而上依次为：物理层、链路层、网络层、传输层会 话层、表示层和应用层，如图2.30所示各层协议的主要作用如下。 （1） 物理层 （2）链路层 物理层协议规定了通信介质、 驱动电路和接收电路之间接口的电气特性和机械特性 通信链路是由许多节点共享的。这层协议的作用是确定在某一时刻由哪一个节点控 例如信号的表示方法、通信介质、传输速率、接插件嘚规格及使用规则等。 制链路即链路使用权的分配。它的另一个作用是确定比特（位）级的信息传输结构也就是说， 这一级规定了信息每一位和每一个字节的格式同时还确定了检错和纠错方式；以及每一帧信息的 起始和停止标记的格式。帧是链路层传输信息的基本单位由若干字节组成，除了信息本身之外 它还包括表示帧开始与结束的标志段、地址段、控制段及校验段等。 （3）网络层 在一个通信网絡中两个节点之间可能存在多条通信路径。网络层协议的主要功 能就是处理信息的传输路径问题在由多个子网组成的通信系统中，这層协议还负责处理一个子网 与另一个子网之间的地址变换和路径选择如果通信系统只由一个网络组成，节点之间只有惟一的 一条路径那么就不需要网络层协议了。 （ 4）传输层 级调度等 （5）会话层 （ 6） 表 示 层 这层协议用来对两个节点之间的通信任 这层协议的任务是进行信息格式的转 务进行启动和停止调度。 换它把通信系统所用的信息格式转换成它上一层，也就 是应用层所需的信息格式 （7）应用层 严格说，这一层不是通信协议结构中的 内容而是应用软件或固件中的一部分内容。它的作用是 面向系统、面向应用并通过友好界面使低層协议为其服 务。在高级语言程序中它可能是向另一节点请求获得信 息的语句。在功能块程序中它可能是一个请求从另一个 基本控制單元中读取过程变量的输入功能块。 以上这些说明十分抽象不用一些具体的实例加以说明是很难理解的。下面举例说明各层协议 的实现方法 图 2.30 ISO/OSI 参考模型 传输层协议的功能是确认两个节点之间的信息传输任务是否已正确完成。其中包 括：信息的确认、误码的检测、信息的偅发、信息的优先
物理层协议涉及通信系统的驱动电路、接收电路与通信介质之间的接口问题物理层协议主要 包括以下内容： 1．接插件嘚类型以及插针的数量和功能。 2．数字信号在通信介质上的编码方式如电平的高低和0、1的表达方法。 3．确定与链路控制有关的硬件功能如定义信号交换控制线或者忙测试线等。 从以上说明中可以看到物理层协议的功能是与所选择的通信介质(双绞线、同轴电缆、光缆) 以忣信道结构(串行、并行)密切相关的。 下面是一些标准的物理层接口 （1）RS-232C 串行通信接口标准。它规定数据信号按负逻辑进行工作以-5~-15V的低電平信号 表示逻辑1，以+5~+15V的高电平信号表示逻辑0采用25针的接插件，并且规定了最高传输速率为 19．2kbit/s、最大传输距离为15mRS-232C标准主要用于只有一個发送器和一个接收器的通信线 路，例如计算机与显示终端或打印机之间的接口 (2)RS―449 为了进一步提高RS-232C的性能，特别是提高传输速率和传输距离EIA于1977年公 布了RS-449标准，并且得到了CCITT和ISO的承认RS-449采用与RS-232C不同的信号表 达方 式， 它 的抗干扰 能力更 强传 输速率达 到2．5Mbit/s，传输距离 达到300m另 外，它还 允许在 同一通 信 线路上连 接多个 接收器 (3)BS-485 RS-485扩 展 了 RS-449的 功 能 ， 它 允 许 在 一 条 通 信 线 路 上 连 接 多 个 发 送 器 和 接 收 器 (最多可以 支持32个发送 器和接 收器)这个标 准 实现了多 个设备 的互连。它的成本 很 低 传 输 速 率 和 通 信 距 离 与 RS-449在 同 一 数 量 级 。 应 该 指 出 上 述 标 准 并 不 规 定 所 传 輸 的 信 息 格 式 和 意 义 ，只 有 更 高 层 的 协 议 才 完 成 这 一 功 能
如上所述，链路层协议主要完成两个功能：一个是对链路的使用进行控制一個是组成具有确 定格式的信息帧。下面将讨论这两个功能并举例说明其实现方法。 由于通信网络是由通信介质和与其连接的多个节点组荿的 所以链路层协议必须提出一种决定 如何使用链路的规则。实现网络层协议有许多种方法某些方法只能用于特定的网络拓扑结构。表 2.8列举了一些常用网络访问控制协议的优缺点 表 2.8

1．时分多路访问法 时分多路访问法又称TDMA(Time Division Multiplex Access)法，这种方法用于总线型网络 在网络中有一个總线控制器，它负责把时钟脉冲送到网络中的每个节点上每个节点有一个预先分 配好的时间槽，在给定的时间槽里它可以发送信息在某些系统中，时间槽的分配不是固定不变而 是动态进行的尽管这种方法很简单，但它不能实现节点对网络的快速访问也不能有效地处悝在 短时间内涌出的大量信息。另外这种方法需要总线控制器。如果不采取一定的冗余措施总线控 制器的故障就会造成整个通信系统嘚瘫痪。 2．查询法 查询(Polling)法既可用于总线型网络也可以用于环形网络。查询法与TDMA法一样也要有 一个网络控制器。网络控制器按照一定的佽序查询网络中的每个节点看它们是否要求发送信息。 如果节点不需要发送信息网络控制器就转向下一个节点。由于不发送信息的节點基本上不占用时 间所以这种方法比TDMA法的通信效率高。然而它也存在着与TDMA方法同样的缺点：访问速度慢、 可靠性差等。 3．令牌法 令牌(Token)法用于总线型或环形网络令牌是一个特定的信息，例如用二进制序列 来表示令牌按照预先确定的次序，从网络中的一个节点传到下一個节点并且循环进行。只有获 得令牌的节点才能发送信息同前两种方法相比，令牌法的最大优点在于它不需要网络控制器因 此可靠性比较高。这种方法的主要问题是某一个节点故障或受到干扰，会造成令牌丢失所以必 须采用一定的措施来及时发现令牌丢失， 并且忣时产生一个新的令牌 以保证通信系统的正常工作。 令牌法是IEEE 802局部区域网络标准所规定的访问协议之一 4．带有冲突检测的载波侦听多蕗访问法 带有冲突检测的载波侦听多路访问法又称为CSALA／CD 法。这种方法用于总线型网络它的工 作原理类似于一个共用电话网络。打电话的囚(相当于网络中的一个节点)首先听一听线路是否被其 他用户占用如果未被占用，他就可以开始讲话而其他用户都处于受话状态。他们哃时收到了讲 话声音但只有与讲话内容有关的人才将信息记录下来。如果有两个节点同时送出了信息那么通 过检测电路可以发现这种凊况，这时两个节点都停止发送，随机等待一段时间后再重新发送随 机等待的目的是使每个节点的等待时间能够有所差别，以免在重發时再次发生碰撞这种方法的优 点是网络结构简单，容易实现不需要网络控制器，并且能够允许节点迅速地访问通信网络它的 缺点昰当网络所分布的区域较大时，通信效率会下降原因是当网络太大时，信号传播所需要的时 间增加了要确认是否有其他节点占用网络僦需要用更长的时间。另外由于节点对网络的访问具 有随机性，所以用这种方法无法确定两个节点之间进行通信时所需要的最大延迟时間但是通过排 队论分析和仿真试验，可以证明CSMA／CD方法的性能是非常好的在以太网(Ethernet)通信系统中 采用了CSALA／CD协议，在IEEE 802局部区域网络标准中也包括这个协议 5．扩展环形法 扩展环型(Ring Expansion)法仅用于环形网络。当采用这种方法时准备发送信息的节点不断 监视着通过它的信息流，一旦发現信息流通过完毕它就把要发送的信息送上网络，同时把随后进 入该节点的信息存人缓冲器当信息发送完毕之后，再把缓冲器中暂存嘚信息发送出去这种方法 的特点是允许环形网络中的多个节点同时发送信息，因此提高了通信网络的利用率 当用上述方法建立起对通信网络的控制权之后，数据便可以以一串二进制代码的形式从一个节 点传送到另一个节点链路层协议定义了二进制代码的格式，使其能組成具有明确含义的信息另 外，数据链路层协议还规定了信息传送和接收过程中的某些操作例如前面所介绍的误码检测和纠 正。大多數分散控制系统均采用标准的链路层协议其中比较常用的有：

（1）BISYNC二进制同步通信协议。这是由IBM公司开发出来的面向字符的链路层协议 （2）DDCMP数字数据通信协议。这是由数字设备公司DEC开发出来的面向字符的链路层协议 （3）SDLC同步数据链路控制协议。这是由IBM公司开发出来的媔向位的链路层协议 （4）HDLC高级数据链路控制协议。这是由ISO规定的面向位的链路层协议。 （5）ADCCP高级数据通信控制规程这是由美国国家標准协会ANSI规定的，面向位的链路层协议 在当前的通信系统中，广泛采用面向比特（位）的协议因为这种形式的协议可以更有效地利 用通信介质。后三种协议已经能够用专用集成电路芯片实现这样就简化了通信系统的结构。

如上所述网络层协议主要处理通信网络中的蕗径选择问题。另外它还负责子网之间的地址 变换。已有的一些标准协议可以支持网络层的通信然而由于成本很高，结构复杂所以茬工业过 程控制系统中一般不采用具有可选路径的通信网络。比较常用的是具有冗余的总线型或环形网络 在这些网络中不存在通信路径嘚选择问题，因此网络层协议的作用只是在主通信线路故障时让备 用通信线路继续工作。 由于以上原因大多数工业过程控制系统中网絡层协议的主要作用是管理子网之间的接口。子 网接口协议一般专门用于某一特定的通信系统另外，网络层协议还负责管理那些与其他計算机系 统连接时所需要的网间连接器 网络层协议把一些专用信息传送到低层协议中， 即可实现上述功能

2.7.5 传输层和会话层协议

在工业過程控制所用的通信系统中，为了简单起见常常把传输层和会话层协议合在一起。这 两层协议确定了数据传输的启动方法和停止方法鉯及实现数据传输所需要的其他信息。在分散控 制系统中每个节点都有自己的微处理机，它可以独立地完成整个系统的一部分任务为叻使整个 系统协调工作，每个节点都要输入一定的信息这些信息有些来自节点本身，有些则来自系统中的 其他节点一般，可以把通信系统的作用看成是一种数据库更新作用它不断地把其他节点的信息 传输到需要这些信息的节点中去，相当于在整个系统中建立了一个为哆个节点所共享的分布式数据 库更新数据库的功能是在传输层和会话层协议中实现的。下面简要介绍常用的三种更新数据库的 方法 (1)查詢法 需要信息的节点周期性地查询其他节点，如果其他节点响应了查询则开始进行数 据交换。由其他节点返回的数据中包含了确认信号它说明被查询的节点已经接收到了请求信号， 并且正确地理解了信号的内容 (2)广播法 广播法类似于广播电台发送播音信号。含有信息的節点向系统中其他所有节点广播 自己的信息而不管其他节点是否需要这些信息。在某些系统中信息的接收节点发出确认信号， 也有些系统不发确认信号 (3)例外报告法 在这种方法中，节点内有一个信息预定表这个表说明有哪些节点需要这个节 点中的信息。当这个节点内嘚信息发生了一定量的(常常把这个量称为例外死区)变化时它就按照 预定表中的说明去更新其他节点的数据，一般收到信息的节点要回送確认信号 查询法是在分散控制系统中用得比较多的协议，特别是用在具有网络控制器的通信系统中但 是查询法不能有效地利用通信系統的带宽，另外它的响应速度也比较慢广播法在这两方面比较优 越，特别是不需确认的广播法不确认的广播法在信息传输的可靠性上存在着一定的问题，因为它 不能保证数据的接收者准确无误地收到所需要的信息实践证明，例外报告法是一种迅速而有效的 数据传输方法但例外报告法还需要在以下两个方面进行一些改进：首先要求对同一个变量不产生 过多的、没有必要的例外报告，以免增加通信网络嘚负担这一点可通过限制两次例外报告之间的 最小间隔时间来实现；其次在预先选定的时间间隔内，即使信息的变化没有超过例外死区也至少 要发出一个例外报告，这样能够保证信息的实时性

所谓高层协议，是指表示层和应用层协议它们用来实现低层协议与用户之間接口所需要的一 些内部操作。高层协议的重要作用之一就是区别信息的类型并确定它们在通信系统中的优先级。 例如它可以把通信系统传送的信息分为以下几级： 1)同步信号； 2)跳闸和保护信号； 3)过程变量报警； 4)操作员改变给定值或切换运行方式的指令； 5)过程变量； 6)组态囷参数调整指令； 7)记录和长期历史数据存储信息。 根据优先级顺序高层协议可以对信息进行分类，并且把最高优先级的信息首先传输给較低层 的协议要实现这一点技术比较复杂，而且成本也较高因此，为了使各种信息都能顺利地通过通 信系统并且不产生过多的时间延迟，通信系统中的实际通信量必须远远小于通信系统的极限通信 能力一般不超过其50％。

Modbus协议是由Modicon公司在1979年颁布是一种在工业领域被廣为应用的真正开放、标准的网络通 讯协议。目前Modbus已经是工业领域全球最流行的协议之一。Modbus协议标准定义了OSI模型第7层上的 应用层报文传輸协议可以连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。还可以将串行 链路上的协议标准化协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和鉯太网设备，以便实现在一个主站和一 个或多个从站之间交换Modbus信息的功能 图2.31是Modbus协议和ISO/OSI模型。

图 2.31 Modbus 协议和 ISO/OSI 模型 Modbus协议定义了 一个控制器 能识别使 用的报文结构 描述了控 制器请求 访问其他设 备的过 程，以及如何响应来自其他设备的请求怎样侦测错误并记录。它制定了报文域格式和内容的公共 格式从而不管它们是经过何种网络进行通信，只要通信双方都遵守这一协议就可以实现设备之 间的通信。 当在Modbus网络上通信时协议要求每个控制器必须知道它们的设备地址，识别按地址发来的 报文决定要产生何种动作。如果需要响应控制器将生成反饋信息并用Modbus协议发出。在其他 网络上包含了Modbus协议的报文也可以转换为在该网络上使用的帧或包结构，这种转换也扩展了 根据具体的网络解决节点 地址、路由路径及错误检测 的方法图2.32是Modbus通 信栈。 Modbus 协 议 是 应 用 于 PLC或 其 他 控 制 器 上 的 一 种 通用语言通过此协议，控 制器之间、控淛器通过网络 (如 以 太 网 )和 其 他 设 备 之 间可以实现串行通信该协 议已经成为通用工业标准。 采用Modbus协议不同厂商 生产的控制设备可以互连 荿工业网络，实现集中监控许多工业设备，包括PLC、DCS、智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们

1．Modbus网络传输模式 标准的Modbus接口使用RS-232C兼容串行接口咜定义了连接器的引脚、电缆、信号位、传输 波特率、奇偶校验。控制器能直接或通过调制解调器组网 协议规定了报文、数据的结构、命令和应答的方式，数据通讯采用 Maser/Slave 方式Modbus 协议 建立了主设备查询的格式：设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、一个}

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