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2013-3-2 1
分散控制系统的 通信
第五章
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2013-3-2 2
所谓通信, 就是指采用某种特定的方法, 通
过某种介质 （ 如传输线 ） 或渠道将信息从一处
传送到另一处的过程 。 由此可见, 通信的含义
十分广泛, 且对于不同的应用, 不同的通信手
段, 将会有不同的通信形式与类型 。
第一节 数据通信
一、通信的含义
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2013-3-2 3
二、通信的类型
存在两大类通信方式：非电通信和电通信。
其中电通信在工业过程中的应用极为普通，它
可分为三种类型,
1．模拟通信, 是以模拟信号传输信息的通信方式。
例如：在常规控制系统中采用的 0?10mA
或 4?20mA或 0?5V的模拟电信号。
2．数字通信, 是将模似电信号转换为数字信号后，再进
行传输的通信方式。
例如,A/D转换器与 CPU之间的信息传输。
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3．数据通信, 是一种通过计算机或其它数字装置与通信
线路相结合，实现对数据信息（ 具有一定
编码、格式和位长要求的数字信息 ）的传
输、转换、存储和处理的通信技术。
例如：计算机与计算机之间的交换信息都
是数据信息。
数据通信与数字通信的不同之处是,
数字通信的信息源发出的是模拟信号；
数据通信的信息源发出的是数字信息。
数据通信是本章讨论的主题
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一个最基本的通信系统, 是由信息源, 发送装置 /接收
装置, 信道, 通信控制部件, 信息宿等部分组成, 如图所示,
三、数据通信系统的组成,
信息源
或
信息宿
信息源
或
信息宿
通信
控制
部件
通信
控制
部件
收发装置
或
调制解调器
收发装置
或
调制解调器
通信控制部件是
通信数据处理子
系统，负责实现
计算机内部代码
与通信编码之间
的转换，以及网
络控制方式、同
步方式、差错控
制和通信软件的
选择与执行。
信息源
是将要
被传输
(发送 )
的数据
信息；
信息宿
是通过
传输已
收到的
数据信
息；
信道是信
息传输通
道，它包
括传输介
质（线路）
和有关的
中间通信
设备,
收 /发装置（调制
解调器）是一个
以信息的发送、
收集、分配和转
贮为目的的数据
传输子系统，它
只负责保证数据
准确无误的传送，
不涉及对数据信
息的加工处理；
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根据不同的分类方法加以说明 。
四、数据通信方式
特点：线路投资省, 传输速度比并行通信的
速度慢 。
（一）按数据位的传送方式分，有,
1．并行通信方式,将一个二进制数据的所有位同时传送
的方式，如图所示。
特点：传送速度快，线路成本高。
发 送 装 置
接 收 装 置
1 0 0 1 0 1 0 0
2．串行通信方式,将一个二进制数据逐位顺序传送的方式，
如图所示。
发
送
装
置
接
收
装
置
1 0 0 1 0 1 0 0
只适用于近距离的数据通信。
适用于长距离传送。
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（二）按信息的传送方向分，有,
发送装置 接收装置 A B
发送装置 接收装置
接收装置 发送装置 A B
发送装置 接收装置
接收装置 发送装置 A B
2．半双工（ Half duplex） 通信方式,允许信息在两个方
向上传输，但在同一时刻只限于一个方向的传输，如图所示。
3．全双工（ Full duplex） 通信方式 。允许信息同时在两
个方向上进行传输，如图所示。
1,单工 （ Simplex） 通信方式,只允许信息沿一个方向
（ 而不能作反向 ） 传输 。 如图所示 。
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2,调制 /解调连接的通信方式,将计算机输出数据经并
/串转换后进行调制, 然后在双芯传送线上发送；而接收端
对收到的信息进行解调, 然后经串 /并转换使数据复原, 如
图所示 。
（三）按连接方式分，有,
1．总线连接的通信方式,将两台计算机的总线通过缓
冲转换器直接相连。如图所示。
计
算
机
计
算
机
计
算
机
计
算
机
通
信
控
制
调
制
解
调
通
信
控
制
调
制
解
调
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计
算
机
计
算
机
I/O
接
口
I/O
接
口
3．过程 I/O连接的通信方式,利用计算机的输入 /输出接
口的功能传送数据的，如图所示。
计算机 计算机
高速通道接口 高速通道接口
…………
高 速 数 据 通 道
4,高速数据通道连接的通信方式,采用二进制串行高速
传送的方式, 它在高速数据通信指挥器的控制下, 对要通信
的计算机内存进行直接存储器存取 （ Direct Memory Access
简称 DMA） 操作, 实现数据通信, 如图所示 。
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在数据信息的传输有两种基本形式,
五、数据传输原理
在分散控制系统中，各功能站处理的信号均
为二进制数据信息，这些由, 0” 和,1”组成的
数据信息，最普通且最简单的方法是用一系列电
脉冲信号来表示。
具有固有频带且未经任何处理的原始电脉冲信
号，称为,“基带信号”。
1、基带传输，即直接利用基带信号进行传输；
2、频带传输，即将基带信号用交流或脉冲信号调制
后再传输。
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基带传输是数据传输中最基本的传输方式, 其
首要的问题是如何把数据信息用电信号表示出来 。
常见的几种基带信息表示方法如下,
（一）基带传输
1．基带信息的几种表示法
0 1 1 0 1 0 0 1 0 数据
0 时钟 脉冲
K
0.5K
0
t
t
t
判决门限
（ 1）单极性波形 。 在一个码
元（一位二进制符号）的时间
内，数据,0”用零电位表示，
数据,1”用正电位表示。
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0 1 1 0 1 0 0 1 0 数据
0 时钟 脉冲
K
K
0
-K
K
0.5K
0
t
t
t
t
判决门限
判决门限
（ 2）双极性波形 。 在一个码
元的时间内，数据,0”用负电
位表示，数据,1”用正电位表
示，且正、负电位的幅值相等。
（ 3）单极性归零波形 。 在发
送数据,1”时，发送短于一个
码元时间的电脉冲信号，其余
时间内或发送数据,0”时，电
信号幅值回到零。
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0 1 1 0 1 0 0 1 0 数据
0 时钟 脉冲
K
0
-K
K
0
-K
t
t
t
t 判决门限
判决门限
（ 5） 交替双极性归零波形 。 在
发送数据, 0” 时, 不发送脉冲,
而在发送数据, 1” 时, 采用极
性交替的窄脉冲信号发送 。
（ 4）双极性归零波形 。 在发
送数据,1”时，发送正脉冲信
号；在发送数据,0”时，发送
负脉冲信号，脉冲宽度小于一个
码元时间，脉冲以外的时间无信
号（信号幅值为零）,
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它可表示一个周期性的基带
信号, 即在脉冲宽度期间表示数
据, 1”, 而非脉冲期间表示数据
,0” 。
2．基带信号的频谱
为了设计适用于数据信号的传输信道，必须掌握信号的
频谱。分析周期信号的波形与频谱的对应关系，通常以数
学中的傅里叶级数为工具。对于图示的周期性矩形脉冲波,
其中,周期为 T
脉冲宽度为 d
幅度为 A
利用傅里叶分析，图中随时
间变化的脉冲波函数 U(t)可表达
为,
U（ t）
A
t
-T 0 T/2 T
d d
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tnTnd TndS inTAdTAdtU
n
?? ? c o s/ )/(2)(
1
??
?
??
各次谐波的总和 直流分量
正比于 T nd T nd Sin / ) / ( ? ?
所以频谱分量的轨迹是遵循 T nd T nd Sin / ) / ( ? ? 包络线
T nd
T nd Sin
/
) / (
?
? 的第一个零点发生在
n=T/d 时刻,
相当于频带宽度为,dTnnfB f 1/ ???
T f
1 ? 为频率
说明脉冲越窄，频带越宽。
图中，示出了 d=T/10的基带信号频谱。
Tnd TndSin / )/(??
形包络线
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(1)基带信号传输, 要求信道具有从直流到高频的频率
特性 。 因此, 在信息高速传输的 DCS中, 不能采用常规的
传输介质, 而应采用具有很高通频带的同轴电缆或光缆 。
(2)基带传输是按照数字信号波形的原样进行传输的,
它不需要调制解调器, 因而设备投资少, 维护费用低 。 但
信号传输距离有限, 仅适用于较小范围的数据传输 。
对应用于火电厂的 DCS,可采用基带传输方式连接各
个分散的功能站点 。
3．基带传输的特点
任何一种传输装置在传输信号过程中，都具有能量损
失，且各次傅里叶分量的损失是不相同的，这与传输介质
的物理特性密切相关。
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目前, 工程上采用的传输系统主要是模拟式传
输系统, 它在传输数字基带信号时会产生信号波形
的失真现象 。 这种失真是由于传输线路上存在的电
容, 电感和电阻所致 。 失真的程度与信号传输速度,
传输距离等有关, 传输距离越远, 传输速度越快,
信号的失真越严重 。
（二）频带传输（调制与解调）
当然，数字基带信号可以采用数字式传输信道。
由于这种信道在每隔一定距离的位置装设一个中继
器，它可对传送来的位信号进行整形、再生，以原
来的强度和清晰度把位信号向下传送，因此可避免
传输信号的失真。
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但模拟式传输系统和通信设备至今仍占一定统治地位。
在此情况下，数据信号在模拟传输系统上远距离传输时，
必须采用调制与解调手段。
所谓,调制,，是在发送端用基带脉冲信号对
载波波形的某个参数（如振幅、频率、相位）进行
控制，使其随基带脉冲的变化而变化，即把基带信
号变换成适合于模拟传输系统传输的交流信号。
所谓, 解调,,是在接收端将收到的调制信号
进行与调制相反的转换，使之恢复到原来的基带脉
冲信号。
具有调制和解调两种功能的装臵称之为调制解
调器（或称 MODEM）。
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正弦波交流信号易于产生，并适合于模似式传
输系统的传输。在利用高频正弦波传输数据信息时，
该正弦波称为,载波,。
未经调制的载波可表示为,
)2( ?? ?? ftA S inF
只要让参数 A,f,φ 中的任何一个随基带信号
发生变化，它就可以携带基带信号，此时被传输的
基带信号称为, 调制波,。
式中,A为载波振幅,
f为载波频率,
φ 为载波相位。
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?相位连续调频信号, 如图
中 （ b） 所示 。 这种调制是
发送端只采用一个振荡器,
且用原始基带脉冲信号改
变该振荡器的参数, 使振
荡频率发生变化 。
?相位不连续调频信号, 如
图中 （ c） 所示 。 这种调制
是发送端采用了两个振荡
器 f1和 f2,由原始基带脉冲
信号控制 f1和 f2输出的频率 。
常用的调制方式有三种,
（ 1）振幅调制 。 又称振幅键控 ASK（ Amplitude Shift Keying）。 即用
原始基带脉冲信号控制载波的振幅变化，如图中（ a） 所示。
（ 2）频率调制 。 又称为频率键控 FSK(Frequency Shift Keying)。 即用
原始基带脉冲信号控制载波的频率变化。频率调制所产生的调制波
称为,调频信号,，频率调制可分为两种形式,
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?绝对移相调相信号, 如图中 （ d）
所示 。 这种调制是当原始基带信
号为 1时, 控制发送端移相器输出
的调相信号为 Sinω 0t； 当原始基
带信号为 0时, 控制发送端移相器
输出的调相信号为 Sin(ω 0t+?)。
?相对移相调相信号, 如图中 （ e）
所示 。 这种调制是当原始基带信
号为 1时, 控制发送端移相器输出
的调相信号的相位, 相对于前一
信号相位移动 ?；当原始基带信号
为 0时, 控制发送端移相器输出的
调相信号的相位不变 。
（ 3）相位调制 。 又称为相位键控 PSK（ Phase Shift Keying）。 即
用原始基带脉冲信号控制载波的相位变化。相位调制所产生的调制波称
为,调相信号,，它可分为两种形式,
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（ 1） 数据信号速率 。 在数据通信中, 每一位二进制符号 （ 1
或 0） 为一个比特 （ 或称为 码元 ） 。 数据信号速率表示
的是每一秒钟内传输数据信息的比特数, 单位为 bit/s，
国际上用 bps表示 。 数据信号速率 S的定义为,
六、数据通信的技术指标
1．数据传输速率 —— 单位时间内传送的信息量。
数据传输中有三种速率,
)(lo g1 2
1
b p sNTS i
i
m
i ?
??
m—— 并行传输的信道数；
Ti—— 第 i条信道传输的符号的最小单位时间（秒）；
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（ 2）调制速率 。 表示每秒钟内调制信号波的变换次数，单
位为波特（ Bd）。 若用秒表示一个单位调制信号波的
时间长度为 T,则调制速率为,
TB
1?
数据信号速率 S与调制速率 B之间的关系为,
iNBS 2l o g?
（ 3）数据传输速率 。 数据传输速率是单位时间内传送的信
息量。信息量的单位可以是比特、字符、数据组等；
时间的单位可以是秒、分甚至小时等。
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通常用信息传输速率表示信息的传输能力, 即单位时
间内传输的信息量越大, 信息的传输能力也就越大, 表示
信道容量大 。 信道容量 C用极限传输速率 （ 香农公式 ） 表示,
2．信道容量 —— 信道所具有的最大传输能力
)1(l o g 2 NSFC ??
F—— 信道带宽（ Hz）；
S—— 信道内传输的信号平均功率（ W）；
N—— 信道内白噪声功率（ W）；
若要提高信道传输能力，应从增加信号功率、降低干扰
强度和充分利用信道频带着手。
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对于大部分通信系统来说, 一般要求误码率在 10-5
至 10-9之间, 而计算机之间的数据传输则要求误码率低
于 10-9。
3．误码率 —— 二进制码元在传输系统中被传错
的概率。
误码率 Pc为的定义式为,
N
NP c
c ?
N—— 传输二进制码元的总数；
Nc —— 被传错的码元数,
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2013-3-2 26
是把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段, 每条
小频段为一条子信道, 相邻频段之间留有一空闲频段, 以
保证数据在各自频段上可靠地传输 。
七、多路复用技术
即把多路信号在一条信道上进行传输，以提高
传输效率。常用的多路复用技术有,
1．频分多路复用（ FDM） 技术
是把信道的传输时间分割成许多时间段 。 当有多路信号
准备传输时, 每路信号占用一个指定的时间段, 在此时间
段内, 该路信号占用整个信道进行传输, 如图所示,
2．时分多路复用（ TDM） 技术
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2013-3-2 27
图中表示了在一条信道上分四个时间段分别传送四路
信号。为了在接收端能够对复合信号进行正确的分离，接
收端与发送端的时序必须严格同步，否则将造成信号间的
混淆。
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2013-3-2 28
自同步方式
对应的传输方式称 同步通信方式 。
八、同步技术
是指接收端按照发送端所发送的每个码元的起止时间来接
收数据，即收、发端的动作在时间上取得一致。
位同步
接收端产生与发送信号位同频、
且保持一固定相位差的时钟脉
冲序列，对信号的每一位进行
取样（通常在每一位的中间时
刻进行），以正确识别出信号
的每一位。这种收发之间的同
步称为位同步。
帧同步 （字符同步）
接收端产生与每个字符起始时刻相一
致的定时脉冲序列，以识别在一连串
的位流中每一个字符的起始时间，从
而按规定的编码格式将每个字符分离
出来。这种收发之间的同步称为帧同
步。
如何确定字符的第一位是帧同步问题
的关键所在。常用的帧同步方式有,
起停同步方式
对应的传输方式称 异步通信方式 ；
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2013-3-2 29
第二节 通信网络
通信网络, 是将地理位臵不同, 并具有独立
功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接
起来, 以功能完善的网络软件实现数据传输及资
源共享的系统 。
通常, 处于网络中的每个单元称为 站 或 节点
（ 统称 站点 ） 。 根据网络中站与站之间的距离远
近, 通信网络可分为三大类,
一、通信网络的概念
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2013-3-2 30
这是一种通过计算机内部总线实现站与站之间通信的网
络 。 如具有多处理器的现场控制单元内部, 采用的就是这
类网络 。
1、紧耦合网络 (又称多处理器系统 )
2,局域网络
（ Local Area Network简称 LAN,又称局部网络）
这是一种 利用双绞线（或 同轴电缆或光缆）实现站间连
接的 网络,站与站之间的距离在几公里范围之内。目前电厂
分散控制系统，皆采用局域网络。
这是一种 利用光缆, 电 话线或无线信道实现站间连接的
网络, 网络覆盖的地理范围一般在几公里以上乃至全球 。
3,广域网络
（ Wide Area Network简称 WAN,又称远程网络）
本节将重点介绍局域网络的基本知识
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2013-3-2 31
二、工业控制局域网络的特点
与一般的商用局域网络（邮电通信网络、办公
自动化网络等）不同，工业控制局域网具有自己突
出的特点，主要体现在以下几个方面,
1．具有快速实时响应能力
能及时地传输现场过程信息和操作管理信息，网络的
响应时间一般在 0.01~0.5秒以内，高优先级信息的存取时间
不超过 10毫秒。
2．具有恶劣环境的适应性
工业局域网采取了各种技术措施（如光电隔离技术、整
形滤波技术、信号调制解调技术等），能克服如：电源、电
磁、雷击、地电位差等各种干扰的影响。保证通信系统在恶
劣的环境下正常工作。
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2013-3-2 32
一般而言, 火电厂的网络系统可分为三层, 即现场总
路线, 车间级网络和工厂级网络 。 这是一种以不同层次的
网络适应不同的应用需求的分层网络结构 。 使系统内的信
息交换区域和网络上的信息流量等更具合理性 。
3．具有极高的可靠性
通常，除采取各种有效的信号处理和传输技术，使通
信误码率最大限度降低外，还采用了双网冗余方式，进一
步提高局域网运行的可靠性。
4．具有合理的分层网络结构
网络的拓朴 （ Topology） 结构是指网络中各站 （ 或节
点 ） 之间相互连接的方式 。 局域网络常见的拓朴结构有,
三、局域网络的拓朴结构
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2013-3-2 33
（ a） 星形
（ e） 总线形
（ b） 环形
（ d） 网形
（ c） 树形
S1,S2,…, Sn为站；
N, N1,…, Nn为节点
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2013-3-2 34
各种拓朴结构都具有自己的 特点 （详见教材）
这是因为：这两种网络拓朴结构既可通过采用冗余通道提
高网络的可靠性, 又保持了网络结构的简单性, 故应用广
泛 。
除上述的几种网络拓朴结构外，还存在其它形式的网络
结构，但它们都是在以上基本结构的基础上派生出来的。
目前，在分散控制系统中应用最多的网络为总线结构和
（或）环形结构两种。例如,
INFI-90系统采用的是环形网络；
WDPF系统采用的是总线网络；
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2013-3-2 35
在研究 DCS的网络时, 除考虑网络拓朴结构的
选择外, 采用与之相适应的信息送取控制方式也
是十分重要的 。 通信网络上各站之间的信息迅速
无误地传递, 关键在于选用合适的网络信息送取
控制方式 。
四、网络控制方式
常用的控制方式大致可分为三类,
存储转发方式。
查询方式
广播方式
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2013-3-2 36
适用于有主节点的 星形 网络控制, 网络中的主节点就是
一个网络控制器 。 网络控制器按照一定次序向网络上的每一
个站发送是否要通信的询问信息, 被询问站作出应答 。 如果
被询问站不需要发送信息, 网络控制器就转向下一个站询问,
如果被询问站需要发送信息, 网络控制器便控制该站的通信 。
当网络中同时有多个站要发送信息时, 网络控制器则根据各
站的优先级别, 安排发送顺序 。
由于不发送信息的站基本上不占用时间, 所以查询方式
比普通分时方式的通信效率高, 而且查询方式具有无冲突,
软件设计比较简单的优点；但查询方式的信息交换都必须经
过网络控制器, 所以通信速度较慢, 可靠性较差 。
（一）查询方式
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2013-3-2 37
（二）广播方式
是一类在同一时间内网络上只有一个节点发送
信息而其它节点处于收听信息状态的网络控制方式。
广播式通讯控制技术不需要网络控制器，参加网络通讯
的所有站点都处于平等地位。但各站点为抢占信道会产生冲
突，因此，解决信道冲突、保证任一时刻只由一个站点收发
信息，是广播方式中的一个重要问题。
广播方式有三种形式,
令牌传送方式
自由竞争方式
时间分槽方式
应用最为普通，进一步说明
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2013-3-2 38
令牌是由一组特定的二进制码构成的信息段, 他有空,
忙两个状态 。 当网络开始运行时, 由一个被指定的站点产
生一个空闲令牌, 且按某种逻辑排序将令牌依次通过网上
的每一个站点, 只有得到令牌的站点才有权控制和使用网
络, 即有权向网上发送信息；此时其它各站点只能接收信
息 。
1．令牌传送（ Token Passing） 方式
任何一个需要发送信息的站点得到空令牌后，首先将其
置为忙状态，并置入发送信息、源站点名、目的站点名，然
后将此令牌送上网络，传输给下一个站点，该令牌依次通过
所有站点循环到发送信息的源站点时，发送的信息已被目的
站点取走，此时发送站点再把令牌置为空闲状态向下传输，
以便其它站点占用。
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2013-3-2 39
可见，在令牌传送方式的网络中，不存在控制站（器），
各站点之间也无主从关系存在，而且能解决信道的冲突问
题。
令牌传输过程中，任何站点若,
已发送（接收）完信息
无信息发送（接收）
持有令牌时间到
将自动把令牌下传。
令牌传送技术要求通信系统形成环路, 故它特别适用
于环形网络, 对于不具有物理环路的总线网络, 只要在初
始化时, 按有序序列指定各站的逻辑位置 （ 次序 ）, 在总
线上形成一个逻辑环路, 同样可采用令牌传送技术 。
令牌传送方式的传送效率高，信息的吞吐量大。但令
牌丢人是其主要问题，如果令牌丢失，需由监视站点向网
络注入一个新的令牌。
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2013-3-2 40
自由竞争方式不受时间和站点顺序的限制, 网络上每
个站点在任何时候都可以向外发送信息 。 它以, 先听后讲,
边讲边听, 冲突后退, 再试重发, 的规约, 尽量避免和及
时处理冲突问题 。
２．自由竞争方式
目前，应用最为广泛的自由竞争方式采用的是具有载波
监听、多路访问／碰撞检测（ Carrier Sense Multiple Access
With Collision Detection简称 CSMA/CD） 技术。
CSMA/CD允许共享一条传输线的多个站点随机访问传输
线路。
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2013-3-2 41
CSMA/CD的控制策略是：竞争发送，广播式传输、
载波监听、冲突检测、冲突后退和再试发送。 CSMA/CD
在通信管理和软硬件上都比较简单，且允许各站平等竞争，
多用于总线形网络；其缺点是每一站点发送信息的时间间
隔没有确切保证，距离加长时，发送信息的效率明显下降，
因此只能用于低速轻载的网络。
令牌传送具有良好的实时性，尤其适用于工业控制局
域网络之中。
CSMA/CD的实时性比令牌传送差。多用于办公自动化
和管理局域网络之中。
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2013-3-2 42
存储转发方式也称环形扩展 （ Ring Expansion）
式 。 其工作过程为,
（三）存储转发方式
一个站点发送信息，到达它相邻的站点，后者将传送
来的信息存储起来，等到自己的信息发送完毕后，再转发
这个信息，直到将此信息送到目的站点。目的站点检查此
信息，如没有发现错误，就在信息帧的后面加上确认，然
后又将信息帧放回环路中，直到信息返回到源站点。源站
点对信息帧进行检查，若发现是确认码则将此信息清除，
准备发送下一条信息，如发现信息帧后带的是否认码，则
源站点触发重发逻辑，重新发送此信息。
存储转发方式的主要优点是在同一时间内，可支持网
络中多个站点发送信息，网络利用率较高、且结构简单，
信息的延时少。不足之处是硬件软件都比较复杂。
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2013-3-2 43
通信网络使用的信息交换技术通常有三种,
五、网络的信息交换技术
是指通过网络中的节点在两个站之间建立一
条专用的物理线路进行数据传送, 当传送周期结
束后, 立即, 拆除, 专用线路 。
１．线路交换（ Circuit Switching）
例如，在图示网络中,
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2013-3-2 44
站 S1要把信息传送给站
S3,有多条路径，如,
N1→N 2→N 3
或 N1→N 4→N 3等。
首先是 S1向 N1申请与 S3通信，
按照路径算法（路径短、等
待时间短等）,N1选择 N4为
下一个节点,N4再选择 N3为
下一个节点，这样 S1经节点
N1→N 4→N 3与 S3建立一条专
用的物理线路，然后再由 S1
向 S3传送信息。传送结束便
“拆除”专用的 N1→N 4→N 3
线路，释放所占用的资源。
特点：信息传送的实时性好，
各节点延时小，但一旦
两站连接建立起来，即
使没有数据传送，其它
站也不能使用线路上的
任何节点，故线路的利
用率较低。
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2013-3-2 45
这种信息交换方法是：在发送站将发往目的站
的信息分割成一份份报文正文, 并在报文正文前加
上报头 （ 由发送地址, 目的地址和其它辅助信息组
成 ）, 在报文正文后面加上报尾 （ 报文的结束标
志 ）, 然后把报文交给节点传送 。 整个报文传送由
报头控制, 传送中节点接收整个报文并予暂存, 然
后发送到下一个节点, 直至目的站 。
2．报文交换（ Message Switching）
例如，在图示网络中,
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2013-3-2 46
S1要发报文给 S3,首先
是 S1把报头和报尾附加在报
文正文上，再把整个报文交
给节点 N1,N1存储该报文，
并决定将报文传给下一个节
点 N4,若 N4忙,N1 →N 4的
报文需排队等待，只有当这
段线路可用时，再将报文发
送到 N4； N4继续仿照上述过
程，把报文发送到 N3,最后
由 S3接收。目的站将收到的
各份报文，按原来的顺序装
配成完整的信息。
特点：允许多个报文分时共享
同一线路，其线路的利
用率高；而且只要在报
文上附上有关目的站的
站名，可以把一个报文
发送给多个目的站。但
是报文要在节点上排队
等待，使传输时间延长。
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2013-3-2 47
也叫分组交换, 它将一个较长报文分解成若
干个较短的报文段, 这些报文段称之为, 包,
或, 报文分组,, 每个包上附加必要的传送控
制信息, 并按规定的格式排列, 以一个组合的整
体作为一个信息交换单位 。
3．包交换（ Packet Switching）
如图所示。
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M 1 T S M 1 P 1 P Σ T S ******** 校验 …… M 1 P n P Σ T S ******** 校验 校验
报
文
号
目
的
站
源
站
报
文
号
报
文
段
号
报
文
段
总
数
目
的
站
源
站
正
文
1
包
校
验
…… 报
文
号
报
文
段
号
报
文
段
总
数
目
的
站
源
站
正
文
n
包
校
验
报
文
校
验
总控制信息 分控制信息 分控制信息
第一段报文 第一段报文
包交换与报文交换的不同之处是以包为基本单位进行传
送的 。 这些包可经不同路径分别传送到目的站后, 再拼装成
一个完整的报文 。
特点：综合了线路交换和报文交换的优点，既具有良好的实
时性，又具有较高的线路利用率和传输效率。
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2013-3-2 49
由于来自信道内部或外部的干扰与噪声的影响,
在数字信号的传输过程中将不可避免地引起信息的
传输错误, 即产生传输差错 。 根据差错的特征, 可
分为以下两种差错类型,
第三节 差错控制技术
一、差错及其类型
随机差错
突发差错
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2013-3-2 50
1．随机差错 —— 主要是由传输介质或放大电路中电子热
运动产生的白噪声所引起的。随机差错的特征是随机的、
独立的，即二进制数据的某一位（码元）出错与它前后的
位（码元）是否出错无关。
2．突发差错 —— 主要是由外界的冲击噪声所致，冲击噪
声的持续时间可能相当长，幅度可能相当大，可以影响相
邻的多位数据。突发差错的特征是成片出现，即二进制数
据的某一位出错受到前后位的影响。
在实际传输线路中, 出现的差错往往是随机差错和突
发差错的综合 。 但由于一般信道中保证了相当大的信噪比
（ 信号功率 /噪声功率 ）, 使白噪声幅值减小以及引起的
随机差错减少, 因而突发差错占主导地位 。
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2013-3-2 51
传输的可靠性与传输速度密切相关 。 传输速度
越快, 每个码元所占用的时间越短, 其波形越窄,
它所含有的能量就越少, 抗干扰能力就越差, 可靠
性就越低 。
通常传输的可靠性指标用误码率来表示, 即,
二、传输的可靠性
N
NP c
c ?
N—— 传输二进制码元的总数；
Nc —— 被传错的码元数,
误码率是衡量通信信道质量的一个重要参数。
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2013-3-2 52
国际电工委员会系统研究分会（ IEC SC65A） 曾建议，
每一千个运行年只允许有一个码元出错，这相当于传输速
度为 1M bit/s的通信系统，误码率应低于 3?10-15。
三、降低误码率的措施
降低通信系统的误码率，提高数据传输的准确
度，保证传输质量的措施有两种,
?对于传输速度为 600~4800bit/s的通信系统，一般要求误码
率低于 10-9,
?而对于工业过程控制中应用的 DCS,由于其实际传输速度
更高，可靠性和数据完整性的要求也更高，其误码率要求
就更低。
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2013-3-2 53
2,在误码率不够理想的情况下, 由接收端检验
误码, 然后设法纠正误码 。 这种措施即为, 差错控
制技术,, 是降低误码率常采用的措施 。
1．通过改善通信网络及各站的电气性能和机械
性能，来降低误码率。但这种措施是有一定限度的，
往往受到经济上和技术上的制约。过于苛求的网络
性能改善措施，必然导致各站的结构复杂化。
在差错控制技术中，包含了两个基本技术内容，
即 误码检验 和 误码纠正 。下面分别介绍几种常见的
检验和纠错的技术方法。
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2013-3-2 54
是一种以字符为单位的校验方法 。 这种校验方法首先将
所要传输的信息按字符进行分组, 并在每组 （ 每个字符 ）
信息前面加上一个奇偶校验位 （ 冗余码 ） 构成 码字 。
奇偶校验位可以是 0或 1,其作用是保证码字中为, 1”
的个数为奇数 （ 或偶数 ） 。
若码字中为, 1” 的个数为奇数, 该码字称为, 奇校验
码, ；
若码字中为, 1” 的个数为偶数, 该码字称为, 偶校验
码, 。
四、误码检验
最常用,奇偶校验 和 循环冗余校验 两种方法。
（一）奇偶校验（ Parity Check）
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2013-3-2 55
例如：字符,R” 的 ASCII码为 1010010，为使其传输
时具有检错能力，应在该字符的七位信息码前加上一个校
验位。
R信息码前加一个为,0”的校验位，构成码字
01010010（ R的奇校验码）；
R信息码前加一个为,1”的校验位，构成码字
11010010（ R的偶校验码）。
发送端 按照上述奇（偶）校验码编码后，以字
节（ b0~b7） 为单位发送； 接收端 则对收到的每个字
节进行奇（偶）校验。其校验规则为,
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2013-3-2 56
若发送端发出的字节为奇校验码, 接收端收
到的字节经校验满足 奇校验规则, 则传输正确,
否则传输错误；
若发送端发出的字节为偶校验码, 接收端收
到的字节经校验满足 偶校验规则, 则传输正确,
否则传输错误 。
奇校验,1
7
6
0 ???? bbii
偶校验,
076 0 ???? bbii
bi为字符的位；
b7为校验位（冗余位）,
其中加法运算采用模 2加规则,
式中,
即, 0+0=0,0+1=1,1+1=0
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2013-3-2 57
实际应用中，奇偶校验又分垂直、水平、方阵三种校验方法。
设有一组字符 A?J,其 ASCII代码的垂直奇偶校验编码如
表所示 。
1、垂直奇偶校验
字符
位
A B C D E F G H I J
b
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0
b
1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1
b
2
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0
b
3
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1
b
4
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
b
5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
b
6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
奇 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0
b
7
偶 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1
垂直奇偶校验是对一组字符中的每一个字符 （ 表中的列 ）
分别进行奇偶校验, 其方法如前所述 。
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2013-3-2 58
应该说明的是：在垂直奇偶校验中, 若传输的一个字
节有 1位 （ 或 3位 … ） 出现差错可以检查出来, 而有 2位 （ 或
4位 … ） 出现差错是不能检查出来的, 即垂直奇偶校验只能
检查出奇数个差错 。
同样设一组字符 A?J,其 ASCII代码的水平奇偶校验编
码如表所示,
2、水平奇偶校验
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2013-3-2 59
b
S 字符
位
A B C D E F G H I J
奇 偶
b
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1
b
1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1
b
2
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0
b
3
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1
b
4
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0
水平奇偶校验是对一组字符中各字符相同的位 （ 表中的
行 ） 分别进行奇偶校验 。
这种校验方法在传输数据过程中, 是按列的次序进行的,
而在接收端, 是对收到的一组字符进行水平奇偶检查 。
优点,
1,可以检查出字符组内各字符相同位上的奇数个差错,
2,能发现长度小于或等于 i（ 每列码元总数 ） 的突发差错,
缺点：编 /译码电路比较复杂 。
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2013-3-2 60
方阵奇偶校验是上述垂直, 水平奇偶校验的综合 。 仍设
一组字符 A?J,其 ASCII代码的方阵奇偶校验编码如表所示 。
3、方阵奇偶校验
bs 字符
位
A B C D E F G H I J
奇 偶
b
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1
b
1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1
b
2
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0
b
3
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1
b
4
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0
奇 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1
b
7
偶 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1
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2013-3-2 61
方阵奇偶校验是先对字符组中每一个字符 A?J（ 表中的
列）分别进行奇偶校验，形成垂直奇（偶）校验码；然后对
字符组中各字符相同位 b0,……, b7(表中的行 )分别进行奇
偶校验，形成水平奇（偶）校验码。
特点,方法较严密，查错能力较强； 编 /译码电路复杂，编
码率相对较低。
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2013-3-2 62
设需发送的信息为二进制信息码, 信息码的字长为 K位,
则 K位信息码有 2K个组合；若在信息码后按照某种规则附加 r
位冗余码, 可构成字长为 K+r=n位的 码字, n位码字会有 2n个
组合 。
(二 )循环冗余校验
（ Cyclic Redundancy Check简称 CRC）
—— 是应用最为广泛，纠错能力很强的一种误
码检验方法。
循环冗余校验采用的编码方式如下,
在 2n个码字中存在着 2k个不同的码字集合，这个集合称
为：, 分组码, （ n,k）。
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2013-3-2 63
若附加冗余码的规则是：冗余码中的每一位都是由 K个信
息码中某几位线性模 2加。则由此所得的分组码称为：, 线性分
组码, 。
以下通过一例子予以说明。
设信息码的字长为 K=3,则 3位字长的信息码会有 23=8个，
若在信息码后附加 r=4位的冗余码，即构成字长为 n=k+r=7位
的码字，而 7位字长的码字会有 27=128个。在这 128个码字中，
只有 8个不同码字的集合形成分组码。
如果将信息码和冗余码按位作如下排列,
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2013-3-2 64
4 3 4 2 1
信息码
4 5 6 b b b 4 4 3 4 4 2 1
冗余码
0 1 2 3 b b b b
（模 2加表达式）
?
?
?
?
?
?
?
??
??
???
??
450
561
4562
463
bbb
bbb
bbbb
bbb
确定冗余码，可编出下表所示的码字,
码 字
信 息 码 冗 余 码
b
6
b
5
b
4
b
3
b
2
b
1
b
0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 1 1 0 1
0 1 0 0 1 1 1
0 1 1 1 0 1 0
1 0 0 1 1 1 0
1 0 1 0 0 1 1
1 1 0 1 0 0 1
1 1 1 0 1 0 0
表中 8个不同的 7位码字即
为 线性分组码 。
由表可知,在第 2?8行中，
任何一个码字都可以由另
一个码字循环右移一位或 i
位得到,由此特性有如下
定义 。
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2013-3-2 65
循环码的定义,
设有一个（ n,k） 线性分组码 C,若其中一个码字为,
V=（ bn-1,bn-2,bn-3……b 0）
将 V循环右移 1位所得的码字,
),,,,( 1210)1( bbbbV nn ????
将 V循环右移 i位所得的码字,
),,,,,,( 2121)( inniii bbbbbV ?? ?????
是 C的一个码字
仍是 C的一个码字
那么，该线性分组码 C为循环码。
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2013-3-2 66
码多项式的运算规则是,
? 乘法运算与一般多项式相同,
? 加, 减法运算遵循模 2加运算规则 。
例如,对于 V=（ bn-1,bn-2,bn-3…… b0） 表示的码字，
码多项式为,
02211)( bxbxbxV nnnn ???? ???? ?
每一个码字都有一个 ≤ （ n-1） 次的码多项式与之对应。
通常，为了研究问题的方便，以码字中的每一位作为
系数构成一个, 码多项式, 。
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2013-3-2 67
且循环码 C中的每一个码多项式 V(x)都是 g(x)的倍
式 。 即每一个小于或等于 (n-1)次的多项式, 若为
g(x)的倍式, 则它们必定是码多项式 V(x)。
[定理 ]
在一个 (n,k)循环码 C中，唯一存在一个阶次最
低 (n-k次 )的非零码多项式,
1)( 111 ???? ????? xgxgxxg knknkn ?
g(x)通常称为, 生成多项式,,其阶次等于冗余码位数。
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2013-3-2 68
可见,
一个信息的编码, 等价于把信息多项式 m(x)
和生成多项式 g(x)相乘 。
定理表明,
在 (n,k)循环码中，每个码多项式都可表示为,
)()()( xgxmxV ??
其中,
012211)( mxmxmxmxm kkkk ????? ???? ?
称为,信息多项式,
系数 mk-1,……, m0分别为信息码的各位的值。
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 69
例,设需编码的信息码为 101（ k=3）,则该信息的对应的
信息多项式为 m(x)=x2+1； 若冗余码位数 r=4,生成多
项式为 g(x)=x4+x3+x2+1,求（ 7,3）循环码。
解,根据 有码多项式,)()()( xgxmxV ??
1
1
)1)(1()()()(
356
2342456
2342
????
????????
???????
xxx
xxxxxxx
xxxxxgxmxV
上式对应的码字为 V=（ 1,1,0,1,0,0,1）,故所
求的（ 7,3）循环码为 1101001。
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2013-3-2 70
分析上例循环码的排列结构, 信息码 101位于冗余码之间 。
凡前端不是 K位信息码的码字，称为, 非系统循环
码, ；
而前端为 K位信息码，随后为 r位冗余码的码字，称为
,系统循环码, 。 而在分散控制系统中，大都采用系统循环码进行检错。
将, 信息多项式, 乘以 xn-k,可得,
系统循环码的编码方法如下,
)()()(
)( 0112211
xrxgxp
xmxmxmxmxmx knknnknkkn
???
?????? ???????? ?
式中,p(x)和 r(x)分别为 xn-k?m(x)除以 g(x)的商式和余式。
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2013-3-2 71
由于 g(x)的阶次 r=n-k,则 r(x)的阶次必小于或等于 (n-k-1)；
即,
012211)( rxrxrxrxr knkn ????? ???? ?
则有,
01
2
2
1
1
0
1
1
2
2
1
1
)()()()(
rxrxrxr
xmxmxmxm
xrxmxxgxp
kn
kn
knknn
k
n
k
kn
?????
?????
????
??
??
????
?
?
?
?
?
?
上式表明,
)()( xrxmx kn ???
是 g(x)的倍式，且阶次小于等于 (n-1),
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 72
依据前述定理,为一个码多项式，
它对应的码字由上式有,
)()( xrxmx kn ???
),,,,,,( 011021 rrrmmm knkk ?? ????
该码字是由前端为 K位信息码，随后附加 r位冗余码所
构成，故该码字为 系统码,而与该码字一一对应的循环码
为 系统循环码 。
利用长除法，求,有,
例,求上例中的系统循环码。
解,已知,1)( 234 ???? xxxxg
7 ? ? ? r k n
,1 ) ( 2 ? ? x x m
则,4624 )1()()( xxxxxmxxmx rkn ????????
)(/)( 46 xgxx ?
,计算机分散控制系统,
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1
1
1
1
234
234
345
25
2456
46234
2
?
???
???
???
?
???
????
??
x
xxx
xxxx
xxxx
xx
xxxx
xxxxx
xx
由此获得余式 r=x+1,则可求
得码多项式为,
1)()( 46 ??????? xxxxrxmx kn
对应的码字为,
（ 1,0,1,0,0,1,1）,
所求的系统循环码为 1010011。
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码字,k+r=n位,2n =2(k+r)个
有 2k个 分组码 (不同的码字集合 )
其中冗余码中的各位皆是 K个信息码中某几位线性模 2加。
则为 线性分组码 C
C中一码字循环右移 i位也是 C中一码字
则为 循环码 C
信息码,k位
冗余码,r位
信息多项式
由 码多项式 V=g(x)m(x)决定
系统循环码 非系统循环码
由 码多项式 xn-km(x)+r(x)决定
生成多项式 xn-km(x)/g(x)的余式
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发送端按照 系统循环码 的编码方法，发送可以被 g(x)
除尽的码多项式对应的码字（先发送码字中的信息码，后
发送冗余码）。接收端设有检验电路，它用来接收码字，
并判别收到的码字是否能被 g(x)整除。如果可以被整除，
则认为传输正确，此时接收端向发送端作出肯定应答，通
知发送下一个新的数据信息；如果收到的码字不能被 g(x)
整除，则认为传输过程发生差错，此时接收端向发送端作
出否定应答，要求重新发送一次该码字。
循环冗余校验是基于系统循环码的误码检验方法。
其基本原理是,
利用 g(x)生成的循环码，其检错能力很强，它与方阵
码相比，误码率至少低于 1~3个数量级。特别是它可以发现
所有小于或等于 (n-k)位的突发差错。
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2013-3-2 76
另外，循环冗余校验的编码和检错，都是通过位移寄
存器、触发器等硬件予以实现的，现已制成各种适应不同
生成多项式的专用集成电路芯片供选用，使得编码和检错
电路的实现更为简单方便。
发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收
端收到信息码后根据该码的编码规则，判断传输过程是否产
生误码，并把判断结果反馈给发送端。如果没有误码，接收
端输出正确数据，并通知发送端发送下一个新数据信息；如
果有误码产生，接收端对该数据信息不予输出，并通知发送
端重新发送该信息，直至接收端认为正确为止。
五、纠错方式
在数据信息传输中，实际应用的纠错方式最常
用的有以下三种,
1．重发纠错方式,
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2013-3-2 77
发送端发送既能检错又能纠错的信息码 （ 如循环码 ）,
接收端收到信息码后, 通过译码不仅能发现传输差错, 而且
能自动地确定误码位臵并予以纠正, 保证接收端输出正确的
信息 。
2．自动纠错方式
是上述两种纠错方式的综合 。 发送端发送的信息码不仅
具有发现误码的能力, 而且还具有一定的纠错能力 。 接收端
收到该信息码后, 首先检错, 然后纠错, 如果误码较多, 超
过了自动纠错的能力范围, 则接收端通过反馈信道要求发送
端重发信息, 直到正确为止 。
3．混合纠错方式
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在计算机通信网络中，对所有的站点来说，
它们都要共享网络中的资源。但由于挂接在网上
的计算机或设备是各种各样的，可能出自于不同
的生产厂家，型号也不尽相同，它们在硬件及其
软件上的差异，给相互间的通信带来一定的困难。
因此，需要有一套所有, 成员, 共同遵守的, 约
定,,以便实现彼此的通信和资源共享。这种约
定称为, 网络协议, 。
第四节 网络协议
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为了便于实现网络的标准化，国际上一些标准化组织已
在工业控制局域网络协议的标准化方面做了大量地工作。
本节扼要介绍目前较有影响的协议结构框架和有关协议标准 。
国际标准化组织 （ ISO） 于 1977年成立了一个研
究通信任务体系结构的分委员会, 针对网络通信在
功能上的层次, 提出了开放系统互连 （ Open System
Interconnection 简称 OSI） 参考模型, 从而定义了任
何计算机互连时通信任务的结构框架 。
一、协议层次参考模型
如图所示。
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2013-3-2 80
OSI参考模型层次分明，每一层都具有相对独立的功能来
完成一块通信子任务，并且下层为上层提供服务，各层之间的
相互依赖关系确定。这使得通信系统的设计、实现、修改和扩
充更为规范化、便利化。
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首先，站 S1将数据传送到 应用层 （第 7层），并将一个标
题 H7添加到该数据上，标题 H7包含了第 7层协议所需的信息，
这样做称为 数据封装 。
然后，原始数据加上标题 H7作为一个整体，下传到 表达
层 （第 6层），第 6层将整个单元加上自己的标题 H6,标题 H6
包含了第 6层协议所需的信息，从而对数据进行第 2次封
装,…… ……,一直继续到 链路层 （第 2层）。
链路层 通常同时添加标题 H2和标尾 T2,标尾中包含了用
于差错检测的帧检验序列（ FCS）。 由第 2层构成的这个整
体单元，称为 一帧数据 。它通过 物理层 （第 1层）向外发送。
OSI参考模型数据通信的基本原理,
设站 S1向站 S2发送一批数据（或报文）。
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2013-3-2 82
同样，站 S2向站 S1的通信，工作过程也是如此。
目的站 S2收到一帧数据时，接收过程从 物理层 开始逐层
上升。每一层都将其最外面的标题和标尾剥除（卸装），并
根据包含在标题中的协议信息进行动作，然后把剩余的部分
传送到上一层。直到 应用层 剥掉标题 H7,目的站 S2即可得到
所需的数据。至此，站 S1向站 S2的通信结束。
1,物理层 （ Physical）
提供通信设备的电气, 特性, 功能, 过程等特性, 以便
建立, 维持和折除物理连接 （ 例如, 信号的表示方法, 传送
方向, 所采用的编码, 传输速率, 以及通信介质和连接件的
规格及使用规则 ） 。 负责在物理线路上传输数据的位流 (比特
流 ),为链路层服务 。
OSI参考模型各层的基本作用,
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2013-3-2 83
2,链路层 （ Data Link）
用以建立相邻节点之间的数据链路, 确立链路使用权的
分配, 负责将被传送的数据按帧结构格式化, 传送数据帧,
进行差错控制, 介质方向控制, 以及物理层的管理 。
3,网络层 （ Network）
用于传输信息包或报文分组, 向上一层的传输层提供传
输类型服务, 负责通信网络中路径的选择和拥挤控制 。
4,传输层 （ Transport）
用于建立不同节点间的通信信道, 提供数据交换的可靠
机制, 完成信息确认, 误码检测, 错误恢复, 优先级调度,
信息流的控制, 确保数据无差错, 不丢失, 不重复, 按次序
地传送 。 向会话层提供所要求的传送服务及其质量 。
传输层是用户与通信设施间的联系者 。
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2013-3-2 84
5,会话层 （ Session）
用于建立和管理进程 （ 程序为某个数据集合进行的一次
执行过程 ） 之间的连接, 为进程之间提供对话服务, 管理它
们的数据交换, 处理某些同步与恢复问题 。 会话层完成的主
要通信管理和同步功能是针对用户的 。
6,表达层 （ Presentation）
用于向应用程序和终端管理程序提供一批数据变换服务,
实现不同信息格式和编码之间的转换, 以便处理数据加密,
信息压缩, 数据兼容以及信息表达等问题 。 通常提供数据翻
译 （ 编码和字符集的转换 ）, 格式化 （ 修改数据的格式 ）,
语法选择 （ 对所用变换的初始选择和随后的修改 ） 等服务项
目 。
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7,应用层 （ Application）
该层为用户应用程序提供访问 OSI环境的服务 (如, 通
信服务, 虚拟终端服务, 网络文件传送, 网络设备管理等 )，
该层具有相应的管理功能, 支持分布应用的通用机制, 解
决数据传输完整性或收 /发设备的速度匹配等问题 。
应用层、表达层、会话层 —— 与应用有关,
传输层、网络层 —— 主要负责系统的互连,
链路层、物理层 —— 定义了实现通信的技术。 实际选用最多的。
统称为高层。按需选用。
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2013-3-2 86
应当指出,开放系统互连（ OSI） 参考模型，并非是协议标
准，它仅仅是为协议标准提供了一个宏观的开放
系统互连的概念和一种主体结构（协议层次），
供制定各种协议标准参考。一般的过程控制局域
网协议都是在 OSI参考模型的基础上建立起来的。
各层的协议参见教材。
电气与电子工程师协会 （ IEEE） 1980年 2月成
立了一个名为 802课题组 （ IEEE Standards Project
802）, 于 1981年底提出了 IEEE802局域网标准 。 该
标准目前在国际上已获得广泛的认可与应用 。
二,IEEE802局域网标准
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2013-3-2 87
其中,LLC和 MAC相当于 OSI参考模型的链路层 。
1,IEEE802标准的层次
IEEE802标准对应于 ISO参考模型的第 1,2层，其功能基
本上由相应的集成电路芯片来实现；而高层与 OSI参考模型保
持兼容，其功能由软件来实现，它提供两站之间的端 -端服务。
IEEE802提供的功能是局域网所应完成的最小的通信功能。
该标准规定了三个层次的内容，如图 5-29所示。
OSI 参考模型
应用层
表达层
会话层
传输层
网络层 IEEE802 局域网标准
逻辑链路控制层 （ LLC ） 链路层
介质存取 （访问）控制层 （ MAC ）
物理层 物理层 （ PS ）
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2013-3-2 88
IEEE802标准的结构如图所示 。
2,IEEE802标准的结构
高层 802.1 网络互连
802.2 逻辑链路控制层 （ LLC ）
介质存取 （访问）控制层 （ MAC ） 链路层
802.3 CSMA/CD
存取控制
802.4 令牌总线
存取控制
802.5 令牌环
存取控制
物理层 802.3 物理规范 802.4 物理规范 802.5 物理规范
802.1
体
系
结
构
IEEE802的体系结构标准，为网络的管理，故障、性能、节
点分析，节点存取控制和网络帐户规定了一组通信系统工具。
定义了整个管理结构和到较高层次的接口。
为网络上两个节
点间的信息传送
规定了同等层之
间的通信协议。
支持数据链路功
能、数据流控制、
命令解释及产生
响应。 LLC为高层
服务，向上提供
高层接口。
适用于总线形网络，其控制策略
是竞争发送、广播式传输、载体
监听、冲突检测、冲突后退和再
试发送。
适用于总线形网络，
总线上的所有站形
成一个逻辑环,
适用于环形网络，
令牌在环网上循
环,
规定通信介
质的种类和
网络拓朴结
构。对数据
位流进行编
码或解码
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2013-3-2 89
IEEE802建议的帧结构如图所示,
3,IEEE802推荐的帧结构
AC DA SA D S A P S S A P C 信息 FCS
（ a ） 令牌存取控制
填充位 DA SA D S A P S S A P C 信息 FCS
（ b ） C S M A / C D 控制
AC表示存取控制,
DA表示目的地址,
SA表示发送地址,
DSAP表示目的服务存取点标识符,
SSAP表示源服务存取点标识符,
C为控制字节,
FCS为帧校验。
图中,
详细说明见教材。
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2013-3-2 90
制造自动化协议 （ Manufacturing Automation
Protocol 简称 MAP） 是 由 美 国 通 用 汽 车 公 司
（ General Motors 简称 GM） 于 1982年开始的一项研
究计划 。
三、制造自动化协议（ MAP）
MAP的提出：在工业制造和过程控制领域使用
了大量的自成体系的专利网络通信系统，这些系统
虽然性能非常优良，但系统之间却互不相通，为了
解决这种, 自动化孤岛, 现象,GM的 MAP工作组
以 ISO的 OSI模型为基础，建立了一个适合于工业控
制领域的网络互连分层协议 —— MAP。
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MAP只是提供给各种智能设备之间进行通信的
一个规范，而不是一个新标准，它是从现有的文件
和已执行的标准中，选择出所应共同遵循的标准。
事实上 MAP的每层协议分别采用的是 IEEE803.4、
ISO,MBS（ 美国国家标准局）的有关标准。
在 MAP的发展过程中, 先后形成了宽带 MAP、
EPAMAP和 MiniMAP几种形式 。 如图所示 。
（一） MAP的几种形式
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它采用一种宽带主干道, 下挂数控机, 工
业计算机和其它 MAP装置 。 宽带 MAP的实时
性不强 。 主要解决主管级的通讯任务 。
1、宽带 MAP
是 MAP技术向过程工业发展而产生的 。 它
是为了提高全 MAP的实时响应性能, 取消了全
MAP中的一些中间层, 只保留物理层, 数据链
路层和应用层, 形成了三层 塌缩结构 。 它主要
应用于控制设备间的通信 。
2,MiniMAP(小 MAP)
是一种全 MAP和 MiniMAP的折衷形式 。 它一边可以采用全 MAP； 另
一边支持 MiniMAP,以适应有苛刻时间要求的控制任务 。 两边可互相通
信 。
3,EPA MAP（ 增强性能结构 MAP）
这几种形式互不排斥，能连接起来，完成不同层次的网络通信任务。
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MAP提出后 历经诸多版本，终于 1987年稳定在 MAP3.0
版本上。 MAP3.0结构是基于 IEEE802协议的，其特点为,
（二） MAP3.0的结构特点
数据链路层 也分为,
逻辑链路控制层（ LLC）
与 IEEE802.2逻辑链路层协议中
的非应答无连接服务基本符合；
介质存取控制层（ MAC）
与 IEEE802.4令牌总线协议基本一致。
MAP帧采用了 48位地址结构。 可在单一局域网中容纳更多的节点，
可在多个互连的网络中为某个节点
提供唯一的标识。
MAP的多层协议是在它的节点中实现的。
节点结构如图所示,
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2013-3-2 94
用微处理器实现高层通信功能。
实现数据链路层、应用层的所有通信功能。
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2013-3-2 95
目前, 工业计算机控制系统采用的分层模型, 以 NBS
（ 美国国家标准局 ） 模型最为普遍 。 NBS模型将工厂计算
机控制系统划分为六个层次, 用 MAP构成工业控制系统时,
NBS模型各层采用的协议如图所示 。
（三） MAP在工业领域的应用
?每一层都具有限定的通讯要求和数据处理能力。
?主管级采用与 MAP无关远程通信网络，多应用 TOP和 X.25协议,
?装臵级上目前无标准化协议。
主管 （公司）级 T OP, X, 2 5
工厂级 宽带 M A P
区域级 E P A M A P
单元 / 管理级 E P A M A P
设备级 M in i- M A P
装置级 专用网络协议
（ a ） N B S 分层模型 （ b ） M A P 网络
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2013-3-2 96
下图说明了一个实际应用的 MAP系统。
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2013-3-2 97
四、网络间的互连
当多个网络系统具有共同的特性时, 这些相容网络间
的互连最为简单, 只要在物理层采用重复器即可实现互连,
如图所示 。
1．采用重复器（ Repeater） 方式
用户 A 用户 B
应用层 A 应用层 B
??
重复器
??
物理层 A 物理层 物理层 B
网络 A 网络 B
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2013-3-2 98
当相连网络具有相同逻辑链路控制协议, 但采用不同的
介质存取控制协议时, 不能采用简单的重复器, 而必须采用
网桥实现网络互连, 如图所示 。
2．采用网桥（ Bridge） 方式
用户 A 用户 B
应用层 A 应用层 B
??
网 桥
??
物理层 A 物理层 A 物理层 B 物理层 B
网络 A 网络 B
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2013-3-2 99
当相连网络的逻辑链路控制协议都不相同时, 不能采
用重复器和网桥, 必须采用网关实现网络互连, 如图所示 。
3．采用网关（ Gatway） 方式
用户 A 用户 B
应用层 A 网 关 应用层 B
表达层 A 表达层 A 表达层 B 表达层 B
?? ?? ?? ??
物理层 A 物理层 A 物理层 B 物理层 B
网络 A 网络 B
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2013-3-2 100
网关的功能,
是将一个网络协议层次上的报文, 映射, 为另一网络
协议层次上的报文。
（ 1） 介质转换型,该类型网关是从一个子网中接收信息,
拆除封装, 并产生一个新封装, 然后将
信息转发到另一个子网中去 。
（ 2） 协议转换型,该类型网关是将一个子网的协议转换为
另一个子网的协议 。 对于语义不同的网,
这种转换还需先经过标准互连协议的处
理 。
网关有两种类型,
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2013-3-2 1
分散控制系统的 通信
第五章
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2013-3-2 2
所谓通信, 就是指采用某种特定的方法, 通
过某种介质 （ 如传输线 ） 或渠道将信息从一处
传送到另一处的过程 。 由此可见, 通信的含义
十分广泛, 且对于不同的应用, 不同的通信手
段, 将会有不同的通信形式与类型 。
第一节 数据通信
一、通信的含义
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2013-3-2 3
二、通信的类型
存在两大类通信方式：非电通信和电通信。
其中电通信在工业过程中的应用极为普通，它
可分为三种类型,
1．模拟通信, 是以模拟信号传输信息的通信方式。
例如：在常规控制系统中采用的 0?10mA
或 4?20mA或 0?5V的模拟电信号。
2．数字通信, 是将模似电信号转换为数字信号后，再进
行传输的通信方式。
例如,A/D转换器与 CPU之间的信息传输。
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2013-3-2 4
3．数据通信, 是一种通过计算机或其它数字装置与通信
线路相结合，实现对数据信息（ 具有一定
编码、格式和位长要求的数字信息 ）的传
输、转换、存储和处理的通信技术。
例如：计算机与计算机之间的交换信息都
是数据信息。
数据通信与数字通信的不同之处是,
数字通信的信息源发出的是模拟信号；
数据通信的信息源发出的是数字信息。
数据通信是本章讨论的主题
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2013-3-2 5
一个最基本的通信系统, 是由信息源, 发送装置 /接收
装置, 信道, 通信控制部件, 信息宿等部分组成, 如图所示,
三、数据通信系统的组成,
信息源
或
信息宿
信息源
或
信息宿
通信
控制
部件
通信
控制
部件
收发装置
或
调制解调器
收发装置
或
调制解调器
通信控制部件是
通信数据处理子
系统，负责实现
计算机内部代码
与通信编码之间
的转换，以及网
络控制方式、同
步方式、差错控
制和通信软件的
选择与执行。
信息源
是将要
被传输
(发送 )
的数据
信息；
信息宿
是通过
传输已
收到的
数据信
息；
信道是信
息传输通
道，它包
括传输介
质（线路）
和有关的
中间通信
设备,
收 /发装置（调制
解调器）是一个
以信息的发送、
收集、分配和转
贮为目的的数据
传输子系统，它
只负责保证数据
准确无误的传送，
不涉及对数据信
息的加工处理；
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2013-3-2 6
根据不同的分类方法加以说明 。
四、数据通信方式
特点：线路投资省, 传输速度比并行通信的
速度慢 。
（一）按数据位的传送方式分，有,
1．并行通信方式,将一个二进制数据的所有位同时传送
的方式，如图所示。
特点：传送速度快，线路成本高。
发 送 装 置
接 收 装 置
1 0 0 1 0 1 0 0
2．串行通信方式,将一个二进制数据逐位顺序传送的方式，
如图所示。
发
送
装
置
接
收
装
置
1 0 0 1 0 1 0 0
只适用于近距离的数据通信。
适用于长距离传送。
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2013-3-2 7
（二）按信息的传送方向分，有,
发送装置 接收装置 A B
发送装置 接收装置
接收装置 发送装置 A B
发送装置 接收装置
接收装置 发送装置 A B
2．半双工（ Half duplex） 通信方式,允许信息在两个方
向上传输，但在同一时刻只限于一个方向的传输，如图所示。
3．全双工（ Full duplex） 通信方式 。允许信息同时在两
个方向上进行传输，如图所示。
1,单工 （ Simplex） 通信方式,只允许信息沿一个方向
（ 而不能作反向 ） 传输 。 如图所示 。
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2013-3-2 8
2,调制 /解调连接的通信方式,将计算机输出数据经并
/串转换后进行调制, 然后在双芯传送线上发送；而接收端
对收到的信息进行解调, 然后经串 /并转换使数据复原, 如
图所示 。
（三）按连接方式分，有,
1．总线连接的通信方式,将两台计算机的总线通过缓
冲转换器直接相连。如图所示。
计
算
机
计
算
机
计
算
机
计
算
机
通
信
控
制
调
制
解
调
通
信
控
制
调
制
解
调
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2013-3-2 9
计
算
机
计
算
机
I/O
接
口
I/O
接
口
3．过程 I/O连接的通信方式,利用计算机的输入 /输出接
口的功能传送数据的，如图所示。
计算机 计算机
高速通道接口 高速通道接口
…………
高 速 数 据 通 道
4,高速数据通道连接的通信方式,采用二进制串行高速
传送的方式, 它在高速数据通信指挥器的控制下, 对要通信
的计算机内存进行直接存储器存取 （ Direct Memory Access
简称 DMA） 操作, 实现数据通信, 如图所示 。
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2013-3-2 10
在数据信息的传输有两种基本形式,
五、数据传输原理
在分散控制系统中，各功能站处理的信号均
为二进制数据信息，这些由, 0” 和,1”组成的
数据信息，最普通且最简单的方法是用一系列电
脉冲信号来表示。
具有固有频带且未经任何处理的原始电脉冲信
号，称为,“基带信号”。
1、基带传输，即直接利用基带信号进行传输；
2、频带传输，即将基带信号用交流或脉冲信号调制
后再传输。
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2013-3-2 11
基带传输是数据传输中最基本的传输方式, 其
首要的问题是如何把数据信息用电信号表示出来 。
常见的几种基带信息表示方法如下,
（一）基带传输
1．基带信息的几种表示法
0 1 1 0 1 0 0 1 0 数据
0 时钟 脉冲
K
0.5K
0
t
t
t
判决门限
（ 1）单极性波形 。 在一个码
元（一位二进制符号）的时间
内，数据,0”用零电位表示，
数据,1”用正电位表示。
,计算机分散控制系统,
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0 1 1 0 1 0 0 1 0 数据
0 时钟 脉冲
K
K
0
-K
K
0.5K
0
t
t
t
t
判决门限
判决门限
（ 2）双极性波形 。 在一个码
元的时间内，数据,0”用负电
位表示，数据,1”用正电位表
示，且正、负电位的幅值相等。
（ 3）单极性归零波形 。 在发
送数据,1”时，发送短于一个
码元时间的电脉冲信号，其余
时间内或发送数据,0”时，电
信号幅值回到零。
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0 1 1 0 1 0 0 1 0 数据
0 时钟 脉冲
K
0
-K
K
0
-K
t
t
t
t 判决门限
判决门限
（ 5） 交替双极性归零波形 。 在
发送数据, 0” 时, 不发送脉冲,
而在发送数据, 1” 时, 采用极
性交替的窄脉冲信号发送 。
（ 4）双极性归零波形 。 在发
送数据,1”时，发送正脉冲信
号；在发送数据,0”时，发送
负脉冲信号，脉冲宽度小于一个
码元时间，脉冲以外的时间无信
号（信号幅值为零）,
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它可表示一个周期性的基带
信号, 即在脉冲宽度期间表示数
据, 1”, 而非脉冲期间表示数据
,0” 。
2．基带信号的频谱
为了设计适用于数据信号的传输信道，必须掌握信号的
频谱。分析周期信号的波形与频谱的对应关系，通常以数
学中的傅里叶级数为工具。对于图示的周期性矩形脉冲波,
其中,周期为 T
脉冲宽度为 d
幅度为 A
利用傅里叶分析，图中随时
间变化的脉冲波函数 U(t)可表达
为,
U（ t）
A
t
-T 0 T/2 T
d d
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tnTnd TndS inTAdTAdtU
n
?? ? c o s/ )/(2)(
1
??
?
??
各次谐波的总和 直流分量
正比于 T nd T nd Sin / ) / ( ? ?
所以频谱分量的轨迹是遵循 T nd T nd Sin / ) / ( ? ? 包络线
T nd
T nd Sin
/
) / (
?
? 的第一个零点发生在
n=T/d 时刻,
相当于频带宽度为,dTnnfB f 1/ ???
T f
1 ? 为频率
说明脉冲越窄，频带越宽。
图中，示出了 d=T/10的基带信号频谱。
Tnd TndSin / )/(??
形包络线
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(1)基带信号传输, 要求信道具有从直流到高频的频率
特性 。 因此, 在信息高速传输的 DCS中, 不能采用常规的
传输介质, 而应采用具有很高通频带的同轴电缆或光缆 。
(2)基带传输是按照数字信号波形的原样进行传输的,
它不需要调制解调器, 因而设备投资少, 维护费用低 。 但
信号传输距离有限, 仅适用于较小范围的数据传输 。
对应用于火电厂的 DCS,可采用基带传输方式连接各
个分散的功能站点 。
3．基带传输的特点
任何一种传输装置在传输信号过程中，都具有能量损
失，且各次傅里叶分量的损失是不相同的，这与传输介质
的物理特性密切相关。
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目前, 工程上采用的传输系统主要是模拟式传
输系统, 它在传输数字基带信号时会产生信号波形
的失真现象 。 这种失真是由于传输线路上存在的电
容, 电感和电阻所致 。 失真的程度与信号传输速度,
传输距离等有关, 传输距离越远, 传输速度越快,
信号的失真越严重 。
（二）频带传输（调制与解调）
当然，数字基带信号可以采用数字式传输信道。
由于这种信道在每隔一定距离的位置装设一个中继
器，它可对传送来的位信号进行整形、再生，以原
来的强度和清晰度把位信号向下传送，因此可避免
传输信号的失真。
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但模拟式传输系统和通信设备至今仍占一定统治地位。
在此情况下，数据信号在模拟传输系统上远距离传输时，
必须采用调制与解调手段。
所谓,调制,，是在发送端用基带脉冲信号对
载波波形的某个参数（如振幅、频率、相位）进行
控制，使其随基带脉冲的变化而变化，即把基带信
号变换成适合于模拟传输系统传输的交流信号。
所谓, 解调,,是在接收端将收到的调制信号
进行与调制相反的转换，使之恢复到原来的基带脉
冲信号。
具有调制和解调两种功能的装臵称之为调制解
调器（或称 MODEM）。
,计算机分散控制系统,
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正弦波交流信号易于产生，并适合于模似式传
输系统的传输。在利用高频正弦波传输数据信息时，
该正弦波称为,载波,。
未经调制的载波可表示为,
)2( ?? ?? ftA S inF
只要让参数 A,f,φ 中的任何一个随基带信号
发生变化，它就可以携带基带信号，此时被传输的
基带信号称为, 调制波,。
式中,A为载波振幅,
f为载波频率,
φ 为载波相位。
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?相位连续调频信号, 如图
中 （ b） 所示 。 这种调制是
发送端只采用一个振荡器,
且用原始基带脉冲信号改
变该振荡器的参数, 使振
荡频率发生变化 。
?相位不连续调频信号, 如
图中 （ c） 所示 。 这种调制
是发送端采用了两个振荡
器 f1和 f2,由原始基带脉冲
信号控制 f1和 f2输出的频率 。
常用的调制方式有三种,
（ 1）振幅调制 。 又称振幅键控 ASK（ Amplitude Shift Keying）。 即用
原始基带脉冲信号控制载波的振幅变化，如图中（ a） 所示。
（ 2）频率调制 。 又称为频率键控 FSK(Frequency Shift Keying)。 即用
原始基带脉冲信号控制载波的频率变化。频率调制所产生的调制波
称为,调频信号,，频率调制可分为两种形式,
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?绝对移相调相信号, 如图中 （ d）
所示 。 这种调制是当原始基带信
号为 1时, 控制发送端移相器输出
的调相信号为 Sinω 0t； 当原始基
带信号为 0时, 控制发送端移相器
输出的调相信号为 Sin(ω 0t+?)。
?相对移相调相信号, 如图中 （ e）
所示 。 这种调制是当原始基带信
号为 1时, 控制发送端移相器输出
的调相信号的相位, 相对于前一
信号相位移动 ?；当原始基带信号
为 0时, 控制发送端移相器输出的
调相信号的相位不变 。
（ 3）相位调制 。 又称为相位键控 PSK（ Phase Shift Keying）。 即
用原始基带脉冲信号控制载波的相位变化。相位调制所产生的调制波称
为,调相信号,，它可分为两种形式,
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（ 1） 数据信号速率 。 在数据通信中, 每一位二进制符号 （ 1
或 0） 为一个比特 （ 或称为 码元 ） 。 数据信号速率表示
的是每一秒钟内传输数据信息的比特数, 单位为 bit/s，
国际上用 bps表示 。 数据信号速率 S的定义为,
六、数据通信的技术指标
1．数据传输速率 —— 单位时间内传送的信息量。
数据传输中有三种速率,
)(lo g1 2
1
b p sNTS i
i
m
i ?
??
m—— 并行传输的信道数；
Ti—— 第 i条信道传输的符号的最小单位时间（秒）；
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（ 2）调制速率 。 表示每秒钟内调制信号波的变换次数，单
位为波特（ Bd）。 若用秒表示一个单位调制信号波的
时间长度为 T,则调制速率为,
TB
1?
数据信号速率 S与调制速率 B之间的关系为,
iNBS 2l o g?
（ 3）数据传输速率 。 数据传输速率是单位时间内传送的信
息量。信息量的单位可以是比特、字符、数据组等；
时间的单位可以是秒、分甚至小时等。
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通常用信息传输速率表示信息的传输能力, 即单位时
间内传输的信息量越大, 信息的传输能力也就越大, 表示
信道容量大 。 信道容量 C用极限传输速率 （ 香农公式 ） 表示,
2．信道容量 —— 信道所具有的最大传输能力
)1(l o g 2 NSFC ??
F—— 信道带宽（ Hz）；
S—— 信道内传输的信号平均功率（ W）；
N—— 信道内白噪声功率（ W）；
若要提高信道传输能力，应从增加信号功率、降低干扰
强度和充分利用信道频带着手。
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2013-3-2 25
对于大部分通信系统来说, 一般要求误码率在 10-5
至 10-9之间, 而计算机之间的数据传输则要求误码率低
于 10-9。
3．误码率 —— 二进制码元在传输系统中被传错
的概率。
误码率 Pc为的定义式为,
N
NP c
c ?
N—— 传输二进制码元的总数；
Nc —— 被传错的码元数,
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2013-3-2 26
是把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段, 每条
小频段为一条子信道, 相邻频段之间留有一空闲频段, 以
保证数据在各自频段上可靠地传输 。
七、多路复用技术
即把多路信号在一条信道上进行传输，以提高
传输效率。常用的多路复用技术有,
1．频分多路复用（ FDM） 技术
是把信道的传输时间分割成许多时间段 。 当有多路信号
准备传输时, 每路信号占用一个指定的时间段, 在此时间
段内, 该路信号占用整个信道进行传输, 如图所示,
2．时分多路复用（ TDM） 技术
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图中表示了在一条信道上分四个时间段分别传送四路
信号。为了在接收端能够对复合信号进行正确的分离，接
收端与发送端的时序必须严格同步，否则将造成信号间的
混淆。
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2013-3-2 28
自同步方式
对应的传输方式称 同步通信方式 。
八、同步技术
是指接收端按照发送端所发送的每个码元的起止时间来接
收数据，即收、发端的动作在时间上取得一致。
位同步
接收端产生与发送信号位同频、
且保持一固定相位差的时钟脉
冲序列，对信号的每一位进行
取样（通常在每一位的中间时
刻进行），以正确识别出信号
的每一位。这种收发之间的同
步称为位同步。
帧同步 （字符同步）
接收端产生与每个字符起始时刻相一
致的定时脉冲序列，以识别在一连串
的位流中每一个字符的起始时间，从
而按规定的编码格式将每个字符分离
出来。这种收发之间的同步称为帧同
步。
如何确定字符的第一位是帧同步问题
的关键所在。常用的帧同步方式有,
起停同步方式
对应的传输方式称 异步通信方式 ；
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2013-3-2 29
第二节 通信网络
通信网络, 是将地理位臵不同, 并具有独立
功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接
起来, 以功能完善的网络软件实现数据传输及资
源共享的系统 。
通常, 处于网络中的每个单元称为 站 或 节点
（ 统称 站点 ） 。 根据网络中站与站之间的距离远
近, 通信网络可分为三大类,
一、通信网络的概念
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2013-3-2 30
这是一种通过计算机内部总线实现站与站之间通信的网
络 。 如具有多处理器的现场控制单元内部, 采用的就是这
类网络 。
1、紧耦合网络 (又称多处理器系统 )
2,局域网络
（ Local Area Network简称 LAN,又称局部网络）
这是一种 利用双绞线（或 同轴电缆或光缆）实现站间连
接的 网络,站与站之间的距离在几公里范围之内。目前电厂
分散控制系统，皆采用局域网络。
这是一种 利用光缆, 电 话线或无线信道实现站间连接的
网络, 网络覆盖的地理范围一般在几公里以上乃至全球 。
3,广域网络
（ Wide Area Network简称 WAN,又称远程网络）
本节将重点介绍局域网络的基本知识
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2013-3-2 31
二、工业控制局域网络的特点
与一般的商用局域网络（邮电通信网络、办公
自动化网络等）不同，工业控制局域网具有自己突
出的特点，主要体现在以下几个方面,
1．具有快速实时响应能力
能及时地传输现场过程信息和操作管理信息，网络的
响应时间一般在 0.01~0.5秒以内，高优先级信息的存取时间
不超过 10毫秒。
2．具有恶劣环境的适应性
工业局域网采取了各种技术措施（如光电隔离技术、整
形滤波技术、信号调制解调技术等），能克服如：电源、电
磁、雷击、地电位差等各种干扰的影响。保证通信系统在恶
劣的环境下正常工作。
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2013-3-2 32
一般而言, 火电厂的网络系统可分为三层, 即现场总
路线, 车间级网络和工厂级网络 。 这是一种以不同层次的
网络适应不同的应用需求的分层网络结构 。 使系统内的信
息交换区域和网络上的信息流量等更具合理性 。
3．具有极高的可靠性
通常，除采取各种有效的信号处理和传输技术，使通
信误码率最大限度降低外，还采用了双网冗余方式，进一
步提高局域网运行的可靠性。
4．具有合理的分层网络结构
网络的拓朴 （ Topology） 结构是指网络中各站 （ 或节
点 ） 之间相互连接的方式 。 局域网络常见的拓朴结构有,
三、局域网络的拓朴结构
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2013-3-2 33
（ a） 星形
（ e） 总线形
（ b） 环形
（ d） 网形
（ c） 树形
S1,S2,…, Sn为站；
N, N1,…, Nn为节点
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2013-3-2 34
各种拓朴结构都具有自己的 特点 （详见教材）
这是因为：这两种网络拓朴结构既可通过采用冗余通道提
高网络的可靠性, 又保持了网络结构的简单性, 故应用广
泛 。
除上述的几种网络拓朴结构外，还存在其它形式的网络
结构，但它们都是在以上基本结构的基础上派生出来的。
目前，在分散控制系统中应用最多的网络为总线结构和
（或）环形结构两种。例如,
INFI-90系统采用的是环形网络；
WDPF系统采用的是总线网络；
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2013-3-2 35
在研究 DCS的网络时, 除考虑网络拓朴结构的
选择外, 采用与之相适应的信息送取控制方式也
是十分重要的 。 通信网络上各站之间的信息迅速
无误地传递, 关键在于选用合适的网络信息送取
控制方式 。
四、网络控制方式
常用的控制方式大致可分为三类,
存储转发方式。
查询方式
广播方式
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2013-3-2 36
适用于有主节点的 星形 网络控制, 网络中的主节点就是
一个网络控制器 。 网络控制器按照一定次序向网络上的每一
个站发送是否要通信的询问信息, 被询问站作出应答 。 如果
被询问站不需要发送信息, 网络控制器就转向下一个站询问,
如果被询问站需要发送信息, 网络控制器便控制该站的通信 。
当网络中同时有多个站要发送信息时, 网络控制器则根据各
站的优先级别, 安排发送顺序 。
由于不发送信息的站基本上不占用时间, 所以查询方式
比普通分时方式的通信效率高, 而且查询方式具有无冲突,
软件设计比较简单的优点；但查询方式的信息交换都必须经
过网络控制器, 所以通信速度较慢, 可靠性较差 。
（一）查询方式
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2013-3-2 37
（二）广播方式
是一类在同一时间内网络上只有一个节点发送
信息而其它节点处于收听信息状态的网络控制方式。
广播式通讯控制技术不需要网络控制器，参加网络通讯
的所有站点都处于平等地位。但各站点为抢占信道会产生冲
突，因此，解决信道冲突、保证任一时刻只由一个站点收发
信息，是广播方式中的一个重要问题。
广播方式有三种形式,
令牌传送方式
自由竞争方式
时间分槽方式
应用最为普通，进一步说明
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2013-3-2 38
令牌是由一组特定的二进制码构成的信息段, 他有空,
忙两个状态 。 当网络开始运行时, 由一个被指定的站点产
生一个空闲令牌, 且按某种逻辑排序将令牌依次通过网上
的每一个站点, 只有得到令牌的站点才有权控制和使用网
络, 即有权向网上发送信息；此时其它各站点只能接收信
息 。
1．令牌传送（ Token Passing） 方式
任何一个需要发送信息的站点得到空令牌后，首先将其
置为忙状态，并置入发送信息、源站点名、目的站点名，然
后将此令牌送上网络，传输给下一个站点，该令牌依次通过
所有站点循环到发送信息的源站点时，发送的信息已被目的
站点取走，此时发送站点再把令牌置为空闲状态向下传输，
以便其它站点占用。
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2013-3-2 39
可见，在令牌传送方式的网络中，不存在控制站（器），
各站点之间也无主从关系存在，而且能解决信道的冲突问
题。
令牌传输过程中，任何站点若,
已发送（接收）完信息
无信息发送（接收）
持有令牌时间到
将自动把令牌下传。
令牌传送技术要求通信系统形成环路, 故它特别适用
于环形网络, 对于不具有物理环路的总线网络, 只要在初
始化时, 按有序序列指定各站的逻辑位置 （ 次序 ）, 在总
线上形成一个逻辑环路, 同样可采用令牌传送技术 。
令牌传送方式的传送效率高，信息的吞吐量大。但令
牌丢人是其主要问题，如果令牌丢失，需由监视站点向网
络注入一个新的令牌。
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2013-3-2 40
自由竞争方式不受时间和站点顺序的限制, 网络上每
个站点在任何时候都可以向外发送信息 。 它以, 先听后讲,
边讲边听, 冲突后退, 再试重发, 的规约, 尽量避免和及
时处理冲突问题 。
２．自由竞争方式
目前，应用最为广泛的自由竞争方式采用的是具有载波
监听、多路访问／碰撞检测（ Carrier Sense Multiple Access
With Collision Detection简称 CSMA/CD） 技术。
CSMA/CD允许共享一条传输线的多个站点随机访问传输
线路。
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2013-3-2 41
CSMA/CD的控制策略是：竞争发送，广播式传输、
载波监听、冲突检测、冲突后退和再试发送。 CSMA/CD
在通信管理和软硬件上都比较简单，且允许各站平等竞争，
多用于总线形网络；其缺点是每一站点发送信息的时间间
隔没有确切保证，距离加长时，发送信息的效率明显下降，
因此只能用于低速轻载的网络。
令牌传送具有良好的实时性，尤其适用于工业控制局
域网络之中。
CSMA/CD的实时性比令牌传送差。多用于办公自动化
和管理局域网络之中。
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2013-3-2 42
存储转发方式也称环形扩展 （ Ring Expansion）
式 。 其工作过程为,
（三）存储转发方式
一个站点发送信息，到达它相邻的站点，后者将传送
来的信息存储起来，等到自己的信息发送完毕后，再转发
这个信息，直到将此信息送到目的站点。目的站点检查此
信息，如没有发现错误，就在信息帧的后面加上确认，然
后又将信息帧放回环路中，直到信息返回到源站点。源站
点对信息帧进行检查，若发现是确认码则将此信息清除，
准备发送下一条信息，如发现信息帧后带的是否认码，则
源站点触发重发逻辑，重新发送此信息。
存储转发方式的主要优点是在同一时间内，可支持网
络中多个站点发送信息，网络利用率较高、且结构简单，
信息的延时少。不足之处是硬件软件都比较复杂。
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2013-3-2 43
通信网络使用的信息交换技术通常有三种,
五、网络的信息交换技术
是指通过网络中的节点在两个站之间建立一
条专用的物理线路进行数据传送, 当传送周期结
束后, 立即, 拆除, 专用线路 。
１．线路交换（ Circuit Switching）
例如，在图示网络中,
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2013-3-2 44
站 S1要把信息传送给站
S3,有多条路径，如,
N1→N 2→N 3
或 N1→N 4→N 3等。
首先是 S1向 N1申请与 S3通信，
按照路径算法（路径短、等
待时间短等）,N1选择 N4为
下一个节点,N4再选择 N3为
下一个节点，这样 S1经节点
N1→N 4→N 3与 S3建立一条专
用的物理线路，然后再由 S1
向 S3传送信息。传送结束便
“拆除”专用的 N1→N 4→N 3
线路，释放所占用的资源。
特点：信息传送的实时性好，
各节点延时小，但一旦
两站连接建立起来，即
使没有数据传送，其它
站也不能使用线路上的
任何节点，故线路的利
用率较低。
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2013-3-2 45
这种信息交换方法是：在发送站将发往目的站
的信息分割成一份份报文正文, 并在报文正文前加
上报头 （ 由发送地址, 目的地址和其它辅助信息组
成 ）, 在报文正文后面加上报尾 （ 报文的结束标
志 ）, 然后把报文交给节点传送 。 整个报文传送由
报头控制, 传送中节点接收整个报文并予暂存, 然
后发送到下一个节点, 直至目的站 。
2．报文交换（ Message Switching）
例如，在图示网络中,
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2013-3-2 46
S1要发报文给 S3,首先
是 S1把报头和报尾附加在报
文正文上，再把整个报文交
给节点 N1,N1存储该报文，
并决定将报文传给下一个节
点 N4,若 N4忙,N1 →N 4的
报文需排队等待，只有当这
段线路可用时，再将报文发
送到 N4； N4继续仿照上述过
程，把报文发送到 N3,最后
由 S3接收。目的站将收到的
各份报文，按原来的顺序装
配成完整的信息。
特点：允许多个报文分时共享
同一线路，其线路的利
用率高；而且只要在报
文上附上有关目的站的
站名，可以把一个报文
发送给多个目的站。但
是报文要在节点上排队
等待，使传输时间延长。
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2013-3-2 47
也叫分组交换, 它将一个较长报文分解成若
干个较短的报文段, 这些报文段称之为, 包,
或, 报文分组,, 每个包上附加必要的传送控
制信息, 并按规定的格式排列, 以一个组合的整
体作为一个信息交换单位 。
3．包交换（ Packet Switching）
如图所示。
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2013-3-2 48
M 1 T S M 1 P 1 P Σ T S ******** 校验 …… M 1 P n P Σ T S ******** 校验 校验
报
文
号
目
的
站
源
站
报
文
号
报
文
段
号
报
文
段
总
数
目
的
站
源
站
正
文
1
包
校
验
…… 报
文
号
报
文
段
号
报
文
段
总
数
目
的
站
源
站
正
文
n
包
校
验
报
文
校
验
总控制信息 分控制信息 分控制信息
第一段报文 第一段报文
包交换与报文交换的不同之处是以包为基本单位进行传
送的 。 这些包可经不同路径分别传送到目的站后, 再拼装成
一个完整的报文 。
特点：综合了线路交换和报文交换的优点，既具有良好的实
时性，又具有较高的线路利用率和传输效率。
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2013-3-2 49
由于来自信道内部或外部的干扰与噪声的影响,
在数字信号的传输过程中将不可避免地引起信息的
传输错误, 即产生传输差错 。 根据差错的特征, 可
分为以下两种差错类型,
第三节 差错控制技术
一、差错及其类型
随机差错
突发差错
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2013-3-2 50
1．随机差错 —— 主要是由传输介质或放大电路中电子热
运动产生的白噪声所引起的。随机差错的特征是随机的、
独立的，即二进制数据的某一位（码元）出错与它前后的
位（码元）是否出错无关。
2．突发差错 —— 主要是由外界的冲击噪声所致，冲击噪
声的持续时间可能相当长，幅度可能相当大，可以影响相
邻的多位数据。突发差错的特征是成片出现，即二进制数
据的某一位出错受到前后位的影响。
在实际传输线路中, 出现的差错往往是随机差错和突
发差错的综合 。 但由于一般信道中保证了相当大的信噪比
（ 信号功率 /噪声功率 ）, 使白噪声幅值减小以及引起的
随机差错减少, 因而突发差错占主导地位 。
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 51
传输的可靠性与传输速度密切相关 。 传输速度
越快, 每个码元所占用的时间越短, 其波形越窄,
它所含有的能量就越少, 抗干扰能力就越差, 可靠
性就越低 。
通常传输的可靠性指标用误码率来表示, 即,
二、传输的可靠性
N
NP c
c ?
N—— 传输二进制码元的总数；
Nc —— 被传错的码元数,
误码率是衡量通信信道质量的一个重要参数。
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2013-3-2 52
国际电工委员会系统研究分会（ IEC SC65A） 曾建议，
每一千个运行年只允许有一个码元出错，这相当于传输速
度为 1M bit/s的通信系统，误码率应低于 3?10-15。
三、降低误码率的措施
降低通信系统的误码率，提高数据传输的准确
度，保证传输质量的措施有两种,
?对于传输速度为 600~4800bit/s的通信系统，一般要求误码
率低于 10-9,
?而对于工业过程控制中应用的 DCS,由于其实际传输速度
更高，可靠性和数据完整性的要求也更高，其误码率要求
就更低。
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2013-3-2 53
2,在误码率不够理想的情况下, 由接收端检验
误码, 然后设法纠正误码 。 这种措施即为, 差错控
制技术,, 是降低误码率常采用的措施 。
1．通过改善通信网络及各站的电气性能和机械
性能，来降低误码率。但这种措施是有一定限度的，
往往受到经济上和技术上的制约。过于苛求的网络
性能改善措施，必然导致各站的结构复杂化。
在差错控制技术中，包含了两个基本技术内容，
即 误码检验 和 误码纠正 。下面分别介绍几种常见的
检验和纠错的技术方法。
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 54
是一种以字符为单位的校验方法 。 这种校验方法首先将
所要传输的信息按字符进行分组, 并在每组 （ 每个字符 ）
信息前面加上一个奇偶校验位 （ 冗余码 ） 构成 码字 。
奇偶校验位可以是 0或 1,其作用是保证码字中为, 1”
的个数为奇数 （ 或偶数 ） 。
若码字中为, 1” 的个数为奇数, 该码字称为, 奇校验
码, ；
若码字中为, 1” 的个数为偶数, 该码字称为, 偶校验
码, 。
四、误码检验
最常用,奇偶校验 和 循环冗余校验 两种方法。
（一）奇偶校验（ Parity Check）
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 55
例如：字符,R” 的 ASCII码为 1010010，为使其传输
时具有检错能力，应在该字符的七位信息码前加上一个校
验位。
R信息码前加一个为,0”的校验位，构成码字
01010010（ R的奇校验码）；
R信息码前加一个为,1”的校验位，构成码字
11010010（ R的偶校验码）。
发送端 按照上述奇（偶）校验码编码后，以字
节（ b0~b7） 为单位发送； 接收端 则对收到的每个字
节进行奇（偶）校验。其校验规则为,
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 56
若发送端发出的字节为奇校验码, 接收端收
到的字节经校验满足 奇校验规则, 则传输正确,
否则传输错误；
若发送端发出的字节为偶校验码, 接收端收
到的字节经校验满足 偶校验规则, 则传输正确,
否则传输错误 。
奇校验,1
7
6
0 ???? bbii
偶校验,
076 0 ???? bbii
bi为字符的位；
b7为校验位（冗余位）,
其中加法运算采用模 2加规则,
式中,
即, 0+0=0,0+1=1,1+1=0
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2013-3-2 57
实际应用中，奇偶校验又分垂直、水平、方阵三种校验方法。
设有一组字符 A?J,其 ASCII代码的垂直奇偶校验编码如
表所示 。
1、垂直奇偶校验
字符
位
A B C D E F G H I J
b
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0
b
1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1
b
2
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0
b
3
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1
b
4
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
b
5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
b
6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
奇 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0
b
7
偶 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1
垂直奇偶校验是对一组字符中的每一个字符 （ 表中的列 ）
分别进行奇偶校验, 其方法如前所述 。
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2013-3-2 58
应该说明的是：在垂直奇偶校验中, 若传输的一个字
节有 1位 （ 或 3位 … ） 出现差错可以检查出来, 而有 2位 （ 或
4位 … ） 出现差错是不能检查出来的, 即垂直奇偶校验只能
检查出奇数个差错 。
同样设一组字符 A?J,其 ASCII代码的水平奇偶校验编
码如表所示,
2、水平奇偶校验
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2013-3-2 59
b
S 字符
位
A B C D E F G H I J
奇 偶
b
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1
b
1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1
b
2
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0
b
3
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1
b
4
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0
水平奇偶校验是对一组字符中各字符相同的位 （ 表中的
行 ） 分别进行奇偶校验 。
这种校验方法在传输数据过程中, 是按列的次序进行的,
而在接收端, 是对收到的一组字符进行水平奇偶检查 。
优点,
1,可以检查出字符组内各字符相同位上的奇数个差错,
2,能发现长度小于或等于 i（ 每列码元总数 ） 的突发差错,
缺点：编 /译码电路比较复杂 。
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2013-3-2 60
方阵奇偶校验是上述垂直, 水平奇偶校验的综合 。 仍设
一组字符 A?J,其 ASCII代码的方阵奇偶校验编码如表所示 。
3、方阵奇偶校验
bs 字符
位
A B C D E F G H I J
奇 偶
b
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1
b
1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1
b
2
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0
b
3
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1
b
4
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0
奇 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1
b
7
偶 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1
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2013-3-2 61
方阵奇偶校验是先对字符组中每一个字符 A?J（ 表中的
列）分别进行奇偶校验，形成垂直奇（偶）校验码；然后对
字符组中各字符相同位 b0,……, b7(表中的行 )分别进行奇
偶校验，形成水平奇（偶）校验码。
特点,方法较严密，查错能力较强； 编 /译码电路复杂，编
码率相对较低。
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2013-3-2 62
设需发送的信息为二进制信息码, 信息码的字长为 K位,
则 K位信息码有 2K个组合；若在信息码后按照某种规则附加 r
位冗余码, 可构成字长为 K+r=n位的 码字, n位码字会有 2n个
组合 。
(二 )循环冗余校验
（ Cyclic Redundancy Check简称 CRC）
—— 是应用最为广泛，纠错能力很强的一种误
码检验方法。
循环冗余校验采用的编码方式如下,
在 2n个码字中存在着 2k个不同的码字集合，这个集合称
为：, 分组码, （ n,k）。
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2013-3-2 63
若附加冗余码的规则是：冗余码中的每一位都是由 K个信
息码中某几位线性模 2加。则由此所得的分组码称为：, 线性分
组码, 。
以下通过一例子予以说明。
设信息码的字长为 K=3,则 3位字长的信息码会有 23=8个，
若在信息码后附加 r=4位的冗余码，即构成字长为 n=k+r=7位
的码字，而 7位字长的码字会有 27=128个。在这 128个码字中，
只有 8个不同码字的集合形成分组码。
如果将信息码和冗余码按位作如下排列,
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2013-3-2 64
4 3 4 2 1
信息码
4 5 6 b b b 4 4 3 4 4 2 1
冗余码
0 1 2 3 b b b b
（模 2加表达式）
?
?
?
?
?
?
?
??
??
???
??
450
561
4562
463
bbb
bbb
bbbb
bbb
确定冗余码，可编出下表所示的码字,
码 字
信 息 码 冗 余 码
b
6
b
5
b
4
b
3
b
2
b
1
b
0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 1 1 0 1
0 1 0 0 1 1 1
0 1 1 1 0 1 0
1 0 0 1 1 1 0
1 0 1 0 0 1 1
1 1 0 1 0 0 1
1 1 1 0 1 0 0
表中 8个不同的 7位码字即
为 线性分组码 。
由表可知,在第 2?8行中，
任何一个码字都可以由另
一个码字循环右移一位或 i
位得到,由此特性有如下
定义 。
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2013-3-2 65
循环码的定义,
设有一个（ n,k） 线性分组码 C,若其中一个码字为,
V=（ bn-1,bn-2,bn-3……b 0）
将 V循环右移 1位所得的码字,
),,,,( 1210)1( bbbbV nn ????
将 V循环右移 i位所得的码字,
),,,,,,( 2121)( inniii bbbbbV ?? ?????
是 C的一个码字
仍是 C的一个码字
那么，该线性分组码 C为循环码。
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2013-3-2 66
码多项式的运算规则是,
? 乘法运算与一般多项式相同,
? 加, 减法运算遵循模 2加运算规则 。
例如,对于 V=（ bn-1,bn-2,bn-3…… b0） 表示的码字，
码多项式为,
02211)( bxbxbxV nnnn ???? ???? ?
每一个码字都有一个 ≤ （ n-1） 次的码多项式与之对应。
通常，为了研究问题的方便，以码字中的每一位作为
系数构成一个, 码多项式, 。
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2013-3-2 67
且循环码 C中的每一个码多项式 V(x)都是 g(x)的倍
式 。 即每一个小于或等于 (n-1)次的多项式, 若为
g(x)的倍式, 则它们必定是码多项式 V(x)。
[定理 ]
在一个 (n,k)循环码 C中，唯一存在一个阶次最
低 (n-k次 )的非零码多项式,
1)( 111 ???? ????? xgxgxxg knknkn ?
g(x)通常称为, 生成多项式,,其阶次等于冗余码位数。
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 68
可见,
一个信息的编码, 等价于把信息多项式 m(x)
和生成多项式 g(x)相乘 。
定理表明,
在 (n,k)循环码中，每个码多项式都可表示为,
)()()( xgxmxV ??
其中,
012211)( mxmxmxmxm kkkk ????? ???? ?
称为,信息多项式,
系数 mk-1,……, m0分别为信息码的各位的值。
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 69
例,设需编码的信息码为 101（ k=3）,则该信息的对应的
信息多项式为 m(x)=x2+1； 若冗余码位数 r=4,生成多
项式为 g(x)=x4+x3+x2+1,求（ 7,3）循环码。
解,根据 有码多项式,)()()( xgxmxV ??
1
1
)1)(1()()()(
356
2342456
2342
????
????????
???????
xxx
xxxxxxx
xxxxxgxmxV
上式对应的码字为 V=（ 1,1,0,1,0,0,1）,故所
求的（ 7,3）循环码为 1101001。
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 70
分析上例循环码的排列结构, 信息码 101位于冗余码之间 。
凡前端不是 K位信息码的码字，称为, 非系统循环
码, ；
而前端为 K位信息码，随后为 r位冗余码的码字，称为
,系统循环码, 。 而在分散控制系统中，大都采用系统循环码进行检错。
将, 信息多项式, 乘以 xn-k,可得,
系统循环码的编码方法如下,
)()()(
)( 0112211
xrxgxp
xmxmxmxmxmx knknnknkkn
???
?????? ???????? ?
式中,p(x)和 r(x)分别为 xn-k?m(x)除以 g(x)的商式和余式。
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 71
由于 g(x)的阶次 r=n-k,则 r(x)的阶次必小于或等于 (n-k-1)；
即,
012211)( rxrxrxrxr knkn ????? ???? ?
则有,
01
2
2
1
1
0
1
1
2
2
1
1
)()()()(
rxrxrxr
xmxmxmxm
xrxmxxgxp
kn
kn
knknn
k
n
k
kn
?????
?????
????
??
??
????
?
?
?
?
?
?
上式表明,
)()( xrxmx kn ???
是 g(x)的倍式，且阶次小于等于 (n-1),
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2013-3-2 72
依据前述定理,为一个码多项式，
它对应的码字由上式有,
)()( xrxmx kn ???
),,,,,,( 011021 rrrmmm knkk ?? ????
该码字是由前端为 K位信息码，随后附加 r位冗余码所
构成，故该码字为 系统码,而与该码字一一对应的循环码
为 系统循环码 。
利用长除法，求,有,
例,求上例中的系统循环码。
解,已知,1)( 234 ???? xxxxg
7 ? ? ? r k n
,1 ) ( 2 ? ? x x m
则,4624 )1()()( xxxxxmxxmx rkn ????????
)(/)( 46 xgxx ?
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 73
1
1
1
1
234
234
345
25
2456
46234
2
?
???
???
???
?
???
????
??
x
xxx
xxxx
xxxx
xx
xxxx
xxxxx
xx
由此获得余式 r=x+1,则可求
得码多项式为,
1)()( 46 ??????? xxxxrxmx kn
对应的码字为,
（ 1,0,1,0,0,1,1）,
所求的系统循环码为 1010011。
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 74
码字,k+r=n位,2n =2(k+r)个
有 2k个 分组码 (不同的码字集合 )
其中冗余码中的各位皆是 K个信息码中某几位线性模 2加。
则为 线性分组码 C
C中一码字循环右移 i位也是 C中一码字
则为 循环码 C
信息码,k位
冗余码,r位
信息多项式
由 码多项式 V=g(x)m(x)决定
系统循环码 非系统循环码
由 码多项式 xn-km(x)+r(x)决定
生成多项式 xn-km(x)/g(x)的余式
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 75
发送端按照 系统循环码 的编码方法，发送可以被 g(x)
除尽的码多项式对应的码字（先发送码字中的信息码，后
发送冗余码）。接收端设有检验电路，它用来接收码字，
并判别收到的码字是否能被 g(x)整除。如果可以被整除，
则认为传输正确，此时接收端向发送端作出肯定应答，通
知发送下一个新的数据信息；如果收到的码字不能被 g(x)
整除，则认为传输过程发生差错，此时接收端向发送端作
出否定应答，要求重新发送一次该码字。
循环冗余校验是基于系统循环码的误码检验方法。
其基本原理是,
利用 g(x)生成的循环码，其检错能力很强，它与方阵
码相比，误码率至少低于 1~3个数量级。特别是它可以发现
所有小于或等于 (n-k)位的突发差错。
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 76
另外，循环冗余校验的编码和检错，都是通过位移寄
存器、触发器等硬件予以实现的，现已制成各种适应不同
生成多项式的专用集成电路芯片供选用，使得编码和检错
电路的实现更为简单方便。
发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收
端收到信息码后根据该码的编码规则，判断传输过程是否产
生误码，并把判断结果反馈给发送端。如果没有误码，接收
端输出正确数据，并通知发送端发送下一个新数据信息；如
果有误码产生，接收端对该数据信息不予输出，并通知发送
端重新发送该信息，直至接收端认为正确为止。
五、纠错方式
在数据信息传输中，实际应用的纠错方式最常
用的有以下三种,
1．重发纠错方式,
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2013-3-2 77
发送端发送既能检错又能纠错的信息码 （ 如循环码 ）,
接收端收到信息码后, 通过译码不仅能发现传输差错, 而且
能自动地确定误码位臵并予以纠正, 保证接收端输出正确的
信息 。
2．自动纠错方式
是上述两种纠错方式的综合 。 发送端发送的信息码不仅
具有发现误码的能力, 而且还具有一定的纠错能力 。 接收端
收到该信息码后, 首先检错, 然后纠错, 如果误码较多, 超
过了自动纠错的能力范围, 则接收端通过反馈信道要求发送
端重发信息, 直到正确为止 。
3．混合纠错方式
,计算机分散控制系统,
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2013-3-2 78
在计算机通信网络中，对所有的站点来说，
它们都要共享网络中的资源。但由于挂接在网上
的计算机或设备是各种各样的，可能出自于不同
的生产厂家，型号也不尽相同，它们在硬件及其
软件上的差异，给相互间的通信带来一定的困难。
因此，需要有一套所有, 成员, 共同遵守的, 约
定,,以便实现彼此的通信和资源共享。这种约
定称为, 网络协议, 。
第四节 网络协议
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2013-3-2 79
为了便于实现网络的标准化，国际上一些标准化组织已
在工业控制局域网络协议的标准化方面做了大量地工作。
本节扼要介绍目前较有影响的协议结构框架和有关协议标准 。
国际标准化组织 （ ISO） 于 1977年成立了一个研
究通信任务体系结构的分委员会, 针对网络通信在
功能上的层次, 提出了开放系统互连 （ Open System
Interconnection 简称 OSI） 参考模型, 从而定义了任
何计算机互连时通信任务的结构框架 。
一、协议层次参考模型
如图所示。
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2013-3-2 80
OSI参考模型层次分明，每一层都具有相对独立的功能来
完成一块通信子任务，并且下层为上层提供服务，各层之间的
相互依赖关系确定。这使得通信系统的设计、实现、修改和扩
充更为规范化、便利化。
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2013-3-2 81
首先，站 S1将数据传送到 应用层 （第 7层），并将一个标
题 H7添加到该数据上，标题 H7包含了第 7层协议所需的信息，
这样做称为 数据封装 。
然后，原始数据加上标题 H7作为一个整体，下传到 表达
层 （第 6层），第 6层将整个单元加上自己的标题 H6,标题 H6
包含了第 6层协议所需的信息，从而对数据进行第 2次封
装,…… ……,一直继续到 链路层 （第 2层）。
链路层 通常同时添加标题 H2和标尾 T2,标尾中包含了用
于差错检测的帧检验序列（ FCS）。 由第 2层构成的这个整
体单元，称为 一帧数据 。它通过 物理层 （第 1层）向外发送。
OSI参考模型数据通信的基本原理,
设站 S1向站 S2发送一批数据（或报文）。
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同样，站 S2向站 S1的通信，工作过程也是如此。
目的站 S2收到一帧数据时，接收过程从 物理层 开始逐层
上升。每一层都将其最外面的标题和标尾剥除（卸装），并
根据包含在标题中的协议信息进行动作，然后把剩余的部分
传送到上一层。直到 应用层 剥掉标题 H7,目的站 S2即可得到
所需的数据。至此，站 S1向站 S2的通信结束。
1,物理层 （ Physical）
提供通信设备的电气, 特性, 功能, 过程等特性, 以便
建立, 维持和折除物理连接 （ 例如, 信号的表示方法, 传送
方向, 所采用的编码, 传输速率, 以及通信介质和连接件的
规格及使用规则 ） 。 负责在物理线路上传输数据的位流 (比特
流 ),为链路层服务 。
OSI参考模型各层的基本作用,
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2,链路层 （ Data Link）
用以建立相邻节点之间的数据链路, 确立链路使用权的
分配, 负责将被传送的数据按帧结构格式化, 传送数据帧,
进行差错控制, 介质方向控制, 以及物理层的管理 。
3,网络层 （ Network）
用于传输信息包或报文分组, 向上一层的传输层提供传
输类型服务, 负责通信网络中路径的选择和拥挤控制 。
4,传输层 （ Transport）
用于建立不同节点间的通信信道, 提供数据交换的可靠
机制, 完成信息确认, 误码检测, 错误恢复, 优先级调度,
信息流的控制, 确保数据无差错, 不丢失, 不重复, 按次序
地传送 。 向会话层提供所要求的传送服务及其质量 。
传输层是用户与通信设施间的联系者 。
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5,会话层 （ Session）
用于建立和管理进程 （ 程序为某个数据集合进行的一次
执行过程 ） 之间的连接, 为进程之间提供对话服务, 管理它
们的数据交换, 处理某些同步与恢复问题 。 会话层完成的主
要通信管理和同步功能是针对用户的 。
6,表达层 （ Presentation）
用于向应用程序和终端管理程序提供一批数据变换服务,
实现不同信息格式和编码之间的转换, 以便处理数据加密,
信息压缩, 数据兼容以及信息表达等问题 。 通常提供数据翻
译 （ 编码和字符集的转换 ）, 格式化 （ 修改数据的格式 ）,
语法选择 （ 对所用变换的初始选择和随后的修改 ） 等服务项
目 。
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7,应用层 （ Application）
该层为用户应用程序提供访问 OSI环境的服务 (如, 通
信服务, 虚拟终端服务, 网络文件传送, 网络设备管理等 )，
该层具有相应的管理功能, 支持分布应用的通用机制, 解
决数据传输完整性或收 /发设备的速度匹配等问题 。
应用层、表达层、会话层 —— 与应用有关,
传输层、网络层 —— 主要负责系统的互连,
链路层、物理层 —— 定义了实现通信的技术。 实际选用最多的。
统称为高层。按需选用。
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应当指出,开放系统互连（ OSI） 参考模型，并非是协议标
准，它仅仅是为协议标准提供了一个宏观的开放
系统互连的概念和一种主体结构（协议层次），
供制定各种协议标准参考。一般的过程控制局域
网协议都是在 OSI参考模型的基础上建立起来的。
各层的协议参见教材。
电气与电子工程师协会 （ IEEE） 1980年 2月成
立了一个名为 802课题组 （ IEEE Standards Project
802）, 于 1981年底提出了 IEEE802局域网标准 。 该
标准目前在国际上已获得广泛的认可与应用 。
二,IEEE802局域网标准
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其中,LLC和 MAC相当于 OSI参考模型的链路层 。
1,IEEE802标准的层次
IEEE802标准对应于 ISO参考模型的第 1,2层，其功能基
本上由相应的集成电路芯片来实现；而高层与 OSI参考模型保
持兼容，其功能由软件来实现，它提供两站之间的端 -端服务。
IEEE802提供的功能是局域网所应完成的最小的通信功能。
该标准规定了三个层次的内容，如图 5-29所示。
OSI 参考模型
应用层
表达层
会话层
传输层
网络层 IEEE802 局域网标准
逻辑链路控制层 （ LLC ） 链路层
介质存取 （访问）控制层 （ MAC ）
物理层 物理层 （ PS ）
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IEEE802标准的结构如图所示 。
2,IEEE802标准的结构
高层 802.1 网络互连
802.2 逻辑链路控制层 （ LLC ）
介质存取 （访问）控制层 （ MAC ） 链路层
802.3 CSMA/CD
存取控制
802.4 令牌总线
存取控制
802.5 令牌环
存取控制
物理层 802.3 物理规范 802.4 物理规范 802.5 物理规范
802.1
体
系
结
构
IEEE802的体系结构标准，为网络的管理，故障、性能、节
点分析，节点存取控制和网络帐户规定了一组通信系统工具。
定义了整个管理结构和到较高层次的接口。
为网络上两个节
点间的信息传送
规定了同等层之
间的通信协议。
支持数据链路功
能、数据流控制、
命令解释及产生
响应。 LLC为高层
服务，向上提供
高层接口。
适用于总线形网络，其控制策略
是竞争发送、广播式传输、载体
监听、冲突检测、冲突后退和再
试发送。
适用于总线形网络，
总线上的所有站形
成一个逻辑环,
适用于环形网络，
令牌在环网上循
环,
规定通信介
质的种类和
网络拓朴结
构。对数据
位流进行编
码或解码
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IEEE802建议的帧结构如图所示,
3,IEEE802推荐的帧结构
AC DA SA D S A P S S A P C 信息 FCS
（ a ） 令牌存取控制
填充位 DA SA D S A P S S A P C 信息 FCS
（ b ） C S M A / C D 控制
AC表示存取控制,
DA表示目的地址,
SA表示发送地址,
DSAP表示目的服务存取点标识符,
SSAP表示源服务存取点标识符,
C为控制字节,
FCS为帧校验。
图中,
详细说明见教材。
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制造自动化协议 （ Manufacturing Automation
Protocol 简称 MAP） 是 由 美 国 通 用 汽 车 公 司
（ General Motors 简称 GM） 于 1982年开始的一项研
究计划 。
三、制造自动化协议（ MAP）
MAP的提出：在工业制造和过程控制领域使用
了大量的自成体系的专利网络通信系统，这些系统
虽然性能非常优良，但系统之间却互不相通，为了
解决这种, 自动化孤岛, 现象,GM的 MAP工作组
以 ISO的 OSI模型为基础，建立了一个适合于工业控
制领域的网络互连分层协议 —— MAP。
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MAP只是提供给各种智能设备之间进行通信的
一个规范，而不是一个新标准，它是从现有的文件
和已执行的标准中，选择出所应共同遵循的标准。
事实上 MAP的每层协议分别采用的是 IEEE803.4、
ISO,MBS（ 美国国家标准局）的有关标准。
在 MAP的发展过程中, 先后形成了宽带 MAP、
EPAMAP和 MiniMAP几种形式 。 如图所示 。
（一） MAP的几种形式
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它采用一种宽带主干道, 下挂数控机, 工
业计算机和其它 MAP装置 。 宽带 MAP的实时
性不强 。 主要解决主管级的通讯任务 。
1、宽带 MAP
是 MAP技术向过程工业发展而产生的 。 它
是为了提高全 MAP的实时响应性能, 取消了全
MAP中的一些中间层, 只保留物理层, 数据链
路层和应用层, 形成了三层 塌缩结构 。 它主要
应用于控制设备间的通信 。
2,MiniMAP(小 MAP)
是一种全 MAP和 MiniMAP的折衷形式 。 它一边可以采用全 MAP； 另
一边支持 MiniMAP,以适应有苛刻时间要求的控制任务 。 两边可互相通
信 。
3,EPA MAP（ 增强性能结构 MAP）
这几种形式互不排斥，能连接起来，完成不同层次的网络通信任务。
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MAP提出后 历经诸多版本，终于 1987年稳定在 MAP3.0
版本上。 MAP3.0结构是基于 IEEE802协议的，其特点为,
（二） MAP3.0的结构特点
数据链路层 也分为,
逻辑链路控制层（ LLC）
与 IEEE802.2逻辑链路层协议中
的非应答无连接服务基本符合；
介质存取控制层（ MAC）
与 IEEE802.4令牌总线协议基本一致。
MAP帧采用了 48位地址结构。 可在单一局域网中容纳更多的节点，
可在多个互连的网络中为某个节点
提供唯一的标识。
MAP的多层协议是在它的节点中实现的。
节点结构如图所示,
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用微处理器实现高层通信功能。
实现数据链路层、应用层的所有通信功能。
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目前, 工业计算机控制系统采用的分层模型, 以 NBS
（ 美国国家标准局 ） 模型最为普遍 。 NBS模型将工厂计算
机控制系统划分为六个层次, 用 MAP构成工业控制系统时,
NBS模型各层采用的协议如图所示 。
（三） MAP在工业领域的应用
?每一层都具有限定的通讯要求和数据处理能力。
?主管级采用与 MAP无关远程通信网络，多应用 TOP和 X.25协议,
?装臵级上目前无标准化协议。
主管 （公司）级 T OP, X, 2 5
工厂级 宽带 M A P
区域级 E P A M A P
单元 / 管理级 E P A M A P
设备级 M in i- M A P
装置级 专用网络协议
（ a ） N B S 分层模型 （ b ） M A P 网络
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下图说明了一个实际应用的 MAP系统。
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四、网络间的互连
当多个网络系统具有共同的特性时, 这些相容网络间
的互连最为简单, 只要在物理层采用重复器即可实现互连,
如图所示 。
1．采用重复器（ Repeater） 方式
用户 A 用户 B
应用层 A 应用层 B
??
重复器
??
物理层 A 物理层 物理层 B
网络 A 网络 B
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当相连网络具有相同逻辑链路控制协议, 但采用不同的
介质存取控制协议时, 不能采用简单的重复器, 而必须采用
网桥实现网络互连, 如图所示 。
2．采用网桥（ Bridge） 方式
用户 A 用户 B
应用层 A 应用层 B
??
网 桥
??
物理层 A 物理层 A 物理层 B 物理层 B
网络 A 网络 B
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当相连网络的逻辑链路控制协议都不相同时, 不能采
用重复器和网桥, 必须采用网关实现网络互连, 如图所示 。
3．采用网关（ Gatway） 方式
用户 A 用户 B
应用层 A 网 关 应用层 B
表达层 A 表达层 A 表达层 B 表达层 B
?? ?? ?? ??
物理层 A 物理层 A 物理层 B 物理层 B
网络 A 网络 B
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网关的功能,
是将一个网络协议层次上的报文, 映射, 为另一网络
协议层次上的报文。
（ 1） 介质转换型,该类型网关是从一个子网中接收信息,
拆除封装, 并产生一个新封装, 然后将
信息转发到另一个子网中去 。
（ 2） 协议转换型,该类型网关是将一个子网的协议转换为
另一个子网的协议 。 对于语义不同的网,
这种转换还需先经过标准互连协议的处
理 。
网关有两种类型,
