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第 6章 测控网络技术 (1)
控制网络技术
6.1 数据通信基础
6.1.1 数据通信系统
6.1.2 数据传输编码
6.1.3 通信同步技术
6.1.4 常用传输介质
6.2 通信网络技术
6.2.1 网络拓扑结构
6.2.2 网络控制方法
6.2.3 差错控制技术
6.3 网络体系结构
6.4 串行通信总线
6.4.1 RS-232C通信总线
6.4.2 RS-422/485通信总线
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随着计算机,通信,网络,控制等学科领域的发展,控制网络技术日益为人们所关注,控制网络,即网络化的控制系统,简称工控网,正是借助于计算机网络,单台的工业控制计算机被连成多处理器结构,
使系统在实现分散控制的同时,还能够达到集中监视,
集中管理和资源共享的目的,
控制网络技术 源于计算机网络技术,因此,控制网络一方面与一般计算机网络有许多 共同之处,另一方面又具有其特殊的可靠性高,实时性好及互操作性好的特点,
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6.1 数据通信基础 (了解 )
计算机网络就是利用通信线路和通信设备,把分布在不同地理位臵上的具备独立功能的多台计算机,终端及其附属设备连接起来的一种网络,配以相应的网络软件,使网络用户能够共享网络中的硬件,
软件和数据等资源,
数据通信是计算机控制网络的基础,因此,首先应了解数据通信的基本概念,
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6.1.1 数据通信系统
1．通信系统构成计算机与计算机或设备之间的数据交换称为数据通信,
数据通信的实质是以计算机为中心,通过某些 通信线路与设备,对二进制编码的字母、数字、符号以及数字化的声音、
图象信息进行的传输、交换和处理,一个数据通信系统主要由以下五部分组成,如图 6-1所示,
图 6-1 数据通信系统的构成报 文步骤 1,
步骤 2,
步骤 3,
……
协议发送设备 接收设备步骤 1,
步骤 2,
步骤 3,
……
协议
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(1)报文,报文即需要传送的数据,它可以是 文本,
数字,图像,声音 等,或上述内容的组合,
(2)发送设备,可以是计算机、工作站、电话机、
摄像机等,
(3)接收设备,可以是计算机、工作站、电话机、
电视机等,
(4)传输介质,发送设备与接收设备之间的物理通路,如 双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波 等,
(5)通信协议,控制数据通信的一系列规则,发送与接收设备都要 按相同的通信协议工作,如同两个谈话的人使用同一种语言一样,
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数据通信过程一般按以下步骤进行：
(1)数据打包,数据打包就是对需要传送的数据进行包装,形成数据包或报文,报文内除了 数据本身 外,还有报头,报尾等一些附加信息,如报文说明,长度,校验等,
(2)数据转换与编码,数据转换与编码就是 对报文作适当变换,以适应传输要求,如串行通信中的并 /串转换,0,1的传输编码 (归零编码,不归零编码 等 ),信号电平的选择,以及信号的调制形式等,
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(3)数据传输,经过转换与编码后,将 代表报文的信号
(数字信号或模拟信号 )放到传输介质 上,发往接收设备,
(4)数据转换与译码,接收设备将接收到的信号经转换与译码后,形成报文,
(5)数据解包,接收设备根据数据打包时的协议从报文中 去除附加信息,得到最终需要的数据,
8图 6-2 并行通信与串行通信
2．数据通信方式数据通信的基本传输方式有 并行通信 和 串行通信 两种,
(1)并行通信并行通信是指所传送数据的各位 同时发送或接收,数据 有多少位,就要多少根传输线,如图 6-2(a)所示,
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计算机中表示数据的最基本单位是 位 (bit),但为了处理的方便与快捷,往往将多个位一起使用,形成一个字 (word)
或字节 (byte).
并行通信 时常以 字节为单位 进行信号连接与数据传送,
由于 一个字节为 8位 (8bit),故最少需要 8条数据线,
并行通信的特点是传送速度快,但由于连线较多致使成本高,只适合于 近距离计算机或设备之间的数据通信,如 计算机与打印机之间 通常采用并行通信方式,另外,在过程控制系统中,处于同一机柜内的主计算机 (上位机 )与通道计算机
(下位机 )之间也常用并行通信方式 传送数据,
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并行接口目前,计算机中的 并行接口主要作为打印机端口,
接口使用的不再是 36针接头而是 25针 D形接头,所谓,并行,,是指 8位数据同时通过并行线进行传送,这样数据传送速度大大提高,但并行传送的线路长度受到限制,因为 长度增加,干扰就会增加,容易出错,
现在有五种常见的并口,4位,8位、半 8位,EPP
和 ECP,大多数 PC机配有 4位或 8位的并口,许多利用
Intel386芯片组的便携机配有 EPP口,支持全部 IEEE1284
并口规格的计算机配有 ECP并口,
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标准并行口 4位,8位、半 8位,4位口一次只能输入 4位数据,但可以输出 8位数据； 8位口可以一次输入和输出 8位数据；半 8位也可以,
EPP口 (增强并行口 ):由 Intel等公司开发,允许 8位双向数据传送,可以连接各种非打印机设备,如扫描仪,LAN
适配器、磁盘驱动器和 CDROM 驱动器等,
ECP口 (扩展并行口 ):由 Microsoft,HP公司开发,能支持命令周期、数据周期和多个逻辑设备寻址,在多任务环境下可以使用 DMA(直接存储器 访问 ).
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(2)串行通信串行通信是指所传送数据的各位按顺序 一位一位 地发送或接收,如图 6-2(b)所示,
其特点是 只需一对传输线,适合于 长距离 传输,但 通信速度较并行通信时慢,随着通信技术的发展,串行通信速度不断提高,使得计算机网络通信 普遍采用串行通信方式,计算机控制系统中各站间的数据传递及与信息管理系统间的数据交换都采用了串行通信方式,
波特率 (Baud Rate)是串行通信中的一个重要的指标,它定义为 每秒钟传送二进制数码的位数,单位是位 /每秒,用 bps、
bit/s或 b/s表示,
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在串行异步通信中,波特率为 每秒传送的字符数与每个字符位数的乘积,例如,如果每秒传送的速率为 120字符 /s,
而每个字符包含 10位 (1个起始位,7个数据位,1个奇偶校验位,1个停止位 ),则波特率为：
120字符 /s? 10b/字符 = 1200bps
现在 异步通信的波特率可达 100Mbps,当采用光纤作为传输介质时,传输波特率更高,
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3,数据通信制式按通信线路上信息传送方向与时间的关系,可分为三种通信制式,单工通信,半双工通信和全双工通信,
如图 6-3所示,
(1)单工制式,在单工制式下,通信线的 一端接发送器,另一端接接收器,它们形成 单向连接,只允许数据按照一个固定的方向传送,如图 6-3(a)所示,数据 只能由甲站传送到乙站,如 广播电台和收音机
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发送器 接收器发送器图 1 1 -2 串行 通信的三种制式发送器接收器接收器发送器接收器发送器接收器
(a ) 单工通信
(c ) 全双工通信
(b ) 半双工通信甲 乙乙乙甲甲图 6-3 三种通信制式
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(2)半双工制式,在半双工制式下,系统中的两个站都由一个发送器和一个接收器组成,通过收发开关接到一根通信线上,
如图 6-3(b)所示,在这种制式下,数据能从甲站传送到乙站,
也能从乙站传送到甲站,但是不能同时在两个方向上传送,只能交替的发送和接收,其收发开关是由软件控制的电子开关,
通过半双工协议进行功能切换的,如 对讲机
(3)全双工制式,在全双工制式下,两个站的每端都含有发送器和接收器,通过两条通信线可以 同时 传送两个方向的数据流,而不是交替进行,如图 6-3(c)所示,如 电话机
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6.1.2 数据传输 编码数据通信中需要传输数据信息,而 信息必须转换为数字的或模拟的信号后才能通过通信线路传送,这种信息转换称为 传输编码,它有多种方式,这里只讨论 数字信息的数字信号编码 与 数字信息的模拟信号编码 两种,
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1,数字信息的数字信号编码在众多数字信息的数字信号编码方法中,这里仅介绍常用的几种,单极性编码方法,不归零编码方法及归零编码方法中的曼彻斯特码与差动曼彻斯特码,如图 6-4所示,
单极性码 如图 6-4(a)所示,它是编码中最简单,
最原始的一种,单极性码 用一种电平代表,1”,用另一种电平代表,0”,而且通常其中的一种电平 (如
,0”对应的电平 )为 0V.但由于单极性码 具有直流成分且不含同步信息,影响了单极性码的应用,
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(a)单极性码
(b)双极性码
(c)归零编码
(d)曼彻斯特码
(e)差动曼彻斯特码
(f)解码时钟
(g)解码数据图 6-4 数字信息的数字信号编码
0 0 0 01 1 1 1
0 0 0 01 1 1 1
0 0 0 01 1 1 1
0 0 0 01 1 1 1
0 0 0 01 1 1 1
0 0 0 01 1 1 1
时钟
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双极性码 如图 6-4(b)所示,它使用 正,负两种电平,因此有效地减小了传输线上的直流分量,但不归零码仍然没有彻底解决信号同步问题,
归零编码 如图 6-4(c)所示,它使用 正,负,零三种电平,信号在数据位的中间发生变化,“正,到,零,
的跳变代表,1”,“负,到,零,的跳变代表,0”.归零码较好地解决了 信号同步问题,但由于 每一位数据都要产生两次跳变,因此占用更多的带宽,
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曼彻斯特码 如图 6-4(d)所示,它也是在数据位的中间产生跳变,用该 跳变的方向表示数值,“负,到
,正,的跳变代表,1”,“正,到,负,的跳变代表
,0”.该跳变还被 用作信号同步,即编码数据中自带时钟信息,保证了收发双方的绝对同步,以太网中就使用了曼彻斯特码,
差动曼彻斯特码 如图 6-4(e)所示,它用 数据位中间的跳变携带同步信息,但由 数据位起始处是否有跳变来传递数值,有跳变表示,0”,无跳变表示,1”.令牌环网中就使用了差动曼彻斯特码,
图 6-4(f),(g)分别表示接收端从编码数据中分离出的 解码时钟与解码数据,
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2．数字信息的模拟信号编码数字信号传送时要求传输线的频带很宽,而在 长距离通信时,通常是 用电话线进行传送的,其带宽往往不能满足要求,这时会产生信号的畸变,而且数据通信 速率越高信号畸变越严重,
一种解决方案是采用数字信息的模拟信号转换技术将数字信号传输变为模拟信号传输,称为信号调制,在数据接收端还要 将模拟信号复原为数字信息,称为解调,如图 6-5所示,完成调制与解调的装臵称为 调制解调器
(MODEM Modulator Demodulator).
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图 6-5 调制与解调示意图将数字信号调制为模拟信号有三种方式：
调幅、调频与调相发送装置 接收装置MODEM MODEM
数字信号 数字信号模拟信号
方法：选取音频范围 某一频率的正 (余 )弦模拟信号作为载波,用以运载所要传送的数字信号,
用传送的数字信号 改变载波信号的幅值、频率或相位,使之在信道上传送；
到达信道另一端,再将数字信号从载波中取出,
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按数字信号的值 改变载波信号的幅度按数字信号的值 改变载波信号的频率按数字信号的值 改变载波信号的相位
0 0 0 0 01 1 1 1
数字信号
(a)调幅
(b)调频
(c)调相
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调幅 又称 调 幅 键 控 ASK(Amplitude Shift
Keying),就是 用原始数字信号去控制载波的 振幅 变化,
这种调制是 利用数字信号的 1或 0去接通或断开连续的载波,图中,正常幅度的正弦波表示 1,幅度为 0的表示 0.
调幅方式很容易受干扰信号的影响,因此仅用于非常低速的信号传输,或与其他调制方式 (如相位调制 )结合使用,
调频 又称 调频键控 FSK(Frequency Shift Keying),
就是用 原始数字信号去控制载波的频率变化,如用一种频率的正弦波信号表示 1,而用另一种频率 (通常为低频 )
的正弦波信号表示 0.调频方式可以削弱干扰对信号的影响,但它占用较宽的频带,受传输介质制约较大,
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调相 又称 调相键控 PSK(Phase Shift Keying),就是用 原始数字信号去控制载波的相位变化,最简单的调相方法是 使正弦波相位相差 180° 来表示 0和 1.图中,相位为 0° 的正弦波信号表示 1,相位为 180° (反相 )的正弦波信号表示 0,这种方式称为 2-PSK方式,调相方式比调幅方式有较好的抗干扰能力,比调频方式节省带宽,因此得到广泛应用,
更复杂的调制称为 正交调制 QAM,它是 ASK与 PSK的结合,QAM方式可以有效提高数字信号的传送速率,也是目前 MODEM中普遍使用的方法,
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3,基带传输与频带传输按照传输线上信号的种类,数据通信可以分为 基带传输与频带传输,
所谓 基带,是指电信号所固有的频带,所谓基带传输,是指直接 用电脉冲信号代表数字信号 0或 1进行传输,基带传输的优点是安装,维护投资小,但存在信息传送容量小,每条传输线只可传送一路信号且传送距离短的缺点,
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所谓 频带传输 是指 用基带信号对载波信号调制后进行传输,利用载波传输信号可以减小线路干扰对传输信号的影响,实现远距离传输,用这种传输技术,可以在一条通信线路上,通过 频分复用 (FDM)将其 划分为几个信道,从而支持多路信号的传输,频带传输的安装维护费用较基带传输时高,但是它具有较高的信息传递量,
且可覆盖较大的范围,
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6.1.3 通信同步技术无论是并行通信,还是串行通信,数据都是 按时间顺序传送出去的,为保证发送与接收过程正确无误,必须使用同步技术,也就是使 接收端和发送端在时间上取得一致,否则将会导致通信质量下降,甚至完全不能工作,
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1,通过 控制线 实现收发双方同步所谓 并行同步通信方式,是指在 并行通信中通过控制线实现收发双方同步的,数据收发双方除了数据线相连外,还有若干控制信号线,用来传送发送与接收装臵的状态,对于图 6-2(a)所示并行通信连接方法,进行一次数据传送的过程如下：
(1)发送装臵在发送前,首先检查接收装臵的状态,
(2)若接收装臵处于非就绪状态,返回 (1)继续等待；若接收装臵处于就绪状态,表示可以接收数据,发送装臵将数据放到数据线上,并发出控制信号,告诉接收装臵数据已准备好,
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(3)接收装臵收到控制信号后,从数据线上将数据取走,取数据过程中,状态线臵为非就绪状态,取数完成后,状态线重新处于就绪状态,等待下一次接收数据,
(4)发送装臵将控制信号撤回,准备发送下一次数据,
而在 串行通信 中,往往只有一对数据线,没有控制信号线,
此时收发双方的同步是靠 同步信号 来实现的,而且一对传输线同时完成传送数据与同步信号双重任务,串行通信中的同步方式又有两种：
一种是 启停同步方式,与其相对应的传输方式称为 异步通信方式 ；
另一种是 自同步方式,与其相对应的传输方式称为 同步通信方式,
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2,串行异步通信串 行 异 步 通 信 ASYNC (Asynchronous Data
Communication)是 一个字符一个字符地按帧传送数据的方式,其传送一帧的格式如图 6-10所示,开头一个起始位,0”,接着是 5～ 8位数据位,且规定低位在前,高位在后,然后是一个奇偶校验位,最后加上一个停止位
,1”表示字符的结束,若数据没有准备好则以空闲字符
,1”来填充,直到数据准备好形成下一帧,
图中说明,一帧信息包含 1个起始位,5～ 8个数据位、
1个奇偶校验位,1～ 2个停止位,无信号传送时,为停止位 (高电平 )状态,当出现起始位 (低电平 )时,表示数据传送开始,因此 停止位到起始位的电平转换,即为同步信息,
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图 6-10 串行异步通信的信息帧格式
0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/10
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6起始位奇偶校验位停止位空闲位
0
起始位
MARK
1
MARK第 n帧传输方向七位数据
111
第 n+1帧
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进行异步通信时,收发双方必须有两项约定：一是帧信息格式,即 字符的编码形式,奇偶校验形式,起始和停止位的格式等； 二是 传送速率,
串行异步通信 在向外发送字符时,由于在字符的首尾分别附加了一个起始位和停止位,因此,传送效率较低,传送速率较慢,
能够完成异步通信的 硬件 称为 UART (Universal
Asynchronous Receiver／ Transmitter),典型的 UART
接口电路芯片有 Intel8250及 MC6850等,
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3,串行同步通信串 行 同 步 通 信 SYNC (Synchronous Data
Communication) 是一种连续传送数据块的方式,每次传送 n个字节的数据块,用 1-2个同步字符表示数据传送的开始,接着是 n个字节的数据块,字符之间不允许留空隙,当没有字符可发送时,则连续发送同步字符,
如图 6-11所示,
图10 - 11 串 行同步通信信息帧格式同步字符第 n 帧传输方向第 n+ 1 帧同步字符 同步字符 数据块
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同步字符可以选择一个特殊的 8位二进制码,如
01111110作为同步字符 (称单同步字符 ),或 两个连续的 8位二进制码作为同步字符 (称双同步字符 ).为了保证了收,发双方同步,收,发双方必须使用相同的同步字符,而且往往采用可以生成解码时钟的编码方式,
串行同步通信的传送速率高于串行异步通信,且传送的 数据块愈长,愈显示其优越性,
能够完成同步通信的硬件称为 USRT(Universal
Synchronous Receiver／ Transmitter).既能够完成异步通信,又能够完成同步通信的硬件称为 USART,典型的 USART接口电路芯片有 intel8251等,
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6.1.4 常用 传输介质传输介质是连接站与站间的物理信号通路,目前使用的传输介质主要有 3种,双绞线,同轴电缆和光纤,
表 6-1给出了这几种传输介质主要性能的比较,
表 6-1 传输介质主要性能比较类 型项目双绞线 基带同轴电缆 宽带同轴电缆 光纤传输信号 数字、模拟 数 字 数字、模拟 模 拟最大带宽 100k~1MHz 10M~50MHz 300M~400MHz
实际不受限制互连复杂性 不复杂 不太复杂 较复杂 复杂噪声抑制能力 外层有屏蔽较好好 好 非常好最大传输距离 100m 2,5km 300km 100km
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光纤双绞线
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6.2 通信网络技术按网络作用范围的大小,计算机网络可以分成两大类,一类是 分布在广大地理范围内的广域网 ；另一类为分布在一定区域内的局域网,计算机控制系统的通信网络属于后一类,决定局域网特性的要素有,传输介质,拓扑结构和介质访问控制方法,
6.2.1 网络拓扑结构在计算机网络中,抛开网络中的具体设备,将工作站、
服务器等网络单元抽象为,点,,将网络中的电缆等通信介质抽象为,线,,这样从拓扑学 (Topology)的观点观察计算机通信网络系统,就形成了点和线组成的几何图形,从而抽象出了网络系统的具体结构,
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因此,计算机通信网络的 拓扑结构,是指网络中的各台计算机以及设备之间相互连接的方式,常见的网络拓扑结构有 星型,环型和总线型 三种,如图 6-12所示,
S3
S1 S2
S4
S2
S3
S4
S1
N4
N1
N2
N3
S3
S2S4
S1
( a) ( b) ( c)
N
(a)星型 结构 (b)环型 结构 (c)总线型 结构图 6-12 网络拓扑结构
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星型结构 是将分布于 各处的多个站 (S1-Sn)连到处于中心位臵的中央节点 (N)上,任何两个站的通信都要通过中央节点,这种连接方式简单直观,但中央节点负荷较重,势必造成中央节点复杂,另外,中央节点的故障将造成系统通信中断,为提高网络的可靠性,常采取中央节点冗余的方法,
环型结构 中 每个站都是通过节点 (或称中继器 )连接到环形网上,所有的节点共享一条物理通道,信息沿单方向围绕环路进行循环,按点对点方式传输,由一个工作站发出的信息传递到相邻的下一节点,该节点对信息进行检查,若不是信息目的站,则依次向下一节点传递,直至到达目的站,为避免某节点故障会阻塞信息通路,环型网各节点应有旁路措施,
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总线型结构 中,网上所有节点通过硬件接口 直接连到一条公共通信线路上,任何站都可随机发送信息,
并能被其他站所接收,总线型网络具有 易于扩充,可靠性高的特点,但因为 总线为所有站共同使用,为避免发送冲突,应规定 介质访问控制协议 来 分配信道,
以 保证在任一时刻只有一个节点发送信息,
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6.2.2 网络控制方法网络控制方法 就是研究 在通信网络中,信息如何从源站迅速,正确地传递到目的站,网络控制方法与所使用的网络拓扑结构有关,常用的有,查询,令牌传送,CSMA/CD,时间片寄存器输入,存储转发等,
下面仅介绍其中几种,
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1,查询法查询法用于 主从结构网络 中,如星型网络或具有主站的总线型网络,主站依次询问各站是否需要通信,收到通信应答后再控制信息的发送与接收,当多个从站要求通信时,按站的优先级安排发送,
2,CSMA/CD
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With
Collision Detection),即带有 冲突检测的载体监听多重访问技术,是一种竞争方式,适用于 总线型 网络结构,在这种方式中,网上各站是平等的,任何一个站在任何时刻均可以广播式向网上发送信息,信息中包含有目的站地址,
其他各站接收到后确定是否为发给本站的信息,
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由于总线结构网络中线路是公用的,因此竞争发送所要解决的问题是当有多个站同时发送信息时的协调问题,CSMA/CD采取的 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,再试发送,
当工作站有数据需要发送时,首先监听线路是否空闲,若空闲,则该站就可发送数据,载体监听技术虽然能够减少线路冲突,但还不能完全避免冲突,如两个工作站同时监听到线路空闲时,会同时发送数据,造成数据作废,
解决的办法是在发送数据的同时,发送站还进行 冲突检测,当检测到冲突发生时,工作站将等待一段随机时间再次发送,
CSMA/CD遵守 IEEE802.3标准,
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3.令牌传送这种方式中,有一个称为 令牌 (Token Passing)的信息段在网络中各节点间依次传递,令牌 有空,忙 两种状态,开始时为空,节点只有得到空令牌时才具有信息发送权,同时将令牌臵为忙,令牌绕节点一周且信息被目标节点取走后,令牌被重新臵为空,
令牌传送既适合于 环型网 (称为令牌环 ——TOKEN
RING),又 适 合 于 总 线 型 网 ( 称 为 令 牌 总 线 ——
TOKENBUS).总线型网情况下,各站被赋予一逻辑位臵,
所有站型成一个逻辑环,令牌环遵守 IEEE802.5标准,令牌总线遵守 IEEE802.4标准,
令牌 传送效率高、信息吞吐量大,实时性好,
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4,存储转发式存储转发式的信息传送过程为,源节点发送信息,
到达它的相邻节点；相邻节点将信息存储起来,等到自己的信息发送完,再转发这个信息,直到把此信息送到目的节点；目的节点加上确认信息 (正确 )或否认信息
(出错 ),向下发送直至源站；源节点根据返回信息决定下一步动作,如取消信息或重新发送,
存储转发式不需要交通指挥器,允许有多个节点在发送和接收信息,信息延时小,带宽利用率高,
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7.2.3 差错控制技术由于通信线路周围电磁干扰的存在,以及收发器件噪声的影响,信息在发送,接收及传递过程中难免出现差错,
通信网络的差错控制技术就是要 及时将差错检测出来,并采取适当的纠正措施,以确保接收信息的准确性,
差错控制技术包括 检验错误与纠正错误,
1,检验错误检测传输错误 最简单的方法是将同一数据发送多次,
在接收端进行逐位比较,但这样做是很不经济的,一方面降低了传送速率,另一方面逐位比较也浪费时间,当前检错中普遍使用的 冗余技术 也利用了这种思路,只不过冗余数据量要小得多,
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源节点在发送数据时,除基本数据外,还包含 附加校验位,附加校验位与基本数据有一定关系,如为基本数据按指定规则的运算结果,目的节点接收到数据后,仍按相同规则对基本数据进行计算并将计算结果与接收到的附加校验位相比较,若二者相同,则认为所接收数据正确,
否则认为所接收数据错误,
不难理解,校验位愈多,校验准确性愈高,但传送效率愈低,
常用的校验方法有垂直冗余码校验或奇偶校验
(VRC),纵向冗余码校验 (LRC),循环冗余校验 (CRC)以及 校验和 (checksum)等几种,下面简要介绍奇偶校验和循环冗余校验的原理和基本方法,
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(1)奇偶校验奇偶校验是在传递字节最高位后附加一位校验位,该校验位根据字节内容取 1或 0,奇校验时传送字节与校验位中,1”的数目为奇数,偶校验时传送字节与校验位中,1”的数目为偶数,接收端按同样的校验方式对收到的信息进行校验,如发送时规定为奇校验时,
若收到的字符及校验位中,1”的数目为奇数,则认为传输正确；否则,认为传输错误,
例如采用 偶校验 方法传送一个字节 0110 0001,发送端在 字节最高位后添加校验位 1,使带校验位数据中 1的个数为偶数,即 10110
0001.接收端收到该数据后,同样检查数据中 1的个数,若为偶数,认为数据正确,将 0110 0001取走；若为奇数,表明有传输错误,采取进一步措施,
不难发现,奇偶校验只能检测出单个信息位出错而不能确定差错位臵,因此这种校验方式检错能力低,
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(2)循环冗余校验 (CRC)
采用循环冗余校验时,发送端发送的信息由 基本信息位与校验冗余位两部分组成,发送端在发送基本信息位的同时,发送端的 CRC校验位生成器 自动生成
CRC校验位 (由基本信息除以所谓生成多项式而得 ),一旦基本信息位发送完,就将 CRC校验位紧随其后发送,
接收端用接收到的基本信息及校验位除以同一多项式,
如果这种除法的余数为 0,即能被除尽,则认为传输正确；否则认为传输错误,
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与奇偶校验不同,循环冗余校验是 一个数据块校验一次,在 同步串行通信中,几乎都采用循环冗余校验,例如对磁盘信息读 /写的校验等,
常用的生成多项式主要有：
CRC-16
SDLC
CRC校验码在发送端的产生和接收端的校验,目前一般都是由 硬件 CRC校验电路自动实现 的,当然也可以通过软件实现 (此时通信速度受到软件执行时间的限制 ).
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2,纠正错误常用的纠错方式有三种：重发纠正错误,自动纠正错误,混合纠正错误
(1)重发纠正错误,当接收端检测出接收错误时,以适当方式将检测结果反馈给发送端,发送端重新发送该信息,这种过程可以重复多次,直至接收端接收正确为止,
(2)自动纠正错误,发送端在发送数据时,还带有 能够纠正错误的信息码,接收端检测出错误后,按纠错码自动进行纠正,这种方式要考虑纠错能力与发送效率间的权衡,
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(3)混合纠正错误,上述两种方式的综合,当接收端检测出错误时,若判断为在纠错能力之内,则进行自动纠错；
否则进行重发纠错,
理论上,任何错误都是可以自动纠正的,但实际上由于自动纠错需要较多的冗余信息,且 纠错算法复杂,因此自动纠错仅限于错误位数较少时的情况,
56
6.3 网络体系结构计算机网络就是要实现资源共享,但是,由于挂在网上的 计算机或设备可能出自于不同的生产厂,型号也不尽相同,硬件和软件上的差异给通信带来困难,因此,
在网络中应有 一系列供全网,成员,共同遵守的有关信息传递的人为约定,以实现正常通信和共享资源,这就是 通信网络协议或称规范,其最好的组织方式是 层次结构模型,因此,计算机网络层次结构模型与各层协议的集合 被定义为 计算机网络体系结构,在计算机网络的发展过程中,许多制造厂商均发表了各自的网络体系结构以支持本公司的计算机产品的联网,但其通用性差,
不便于不同厂商的网络产品进行互联,
57
为此,国际标准化组织 ISO于 1977年成立了专门机构研究该问题,不久,他们就提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架,这就是著名的 开放系统互联参考模型 OSI/RM
(Open System Interconnection/Reference Model),简称为 OSI,从而形成了网络体系结构的国际标准,使得 任何两个遵守 OSI协议的系统可以相互连接,
OSI参考模型将数据传输过程 分解为一系列功能元素,
把相关的功能组合在一起称为层,每一层完成一项通信子功能,并且下层为上层提供服务,分层结构具有易于理解和灵活的特点,更重要的是,OSI模型使得 不兼容系统之间的通信是透明的,
58
图 6-13 OSI模型
59
OSI参考模型由七层组成,从下至上分别为,物理层,
数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层及应用层,如图 6-13所示,
在传送一组数据 (报文 )时,要经过 第 7至 2层的封装,
到第 2层形成的信息整体称为 帧 (Frame).所谓封装实际上就是在原始数据上 附加报头 H或报尾 T,一般在第 7,6、
5,4,3,2层上加报头,第 2层上加报尾,封装后的信息由物理层放到通信线路上传输,接收过程中分别去除报头与报尾,最后获得所需数据,图 6-13中 L3～ L7表示相应层的数据,H7～ H2代表相应层上附加的报头,T2为第 2层上附加的报尾,
60
下面简要介绍 OSI模型各层的基本含义,
1,物理层物理层用来 提供通信设备的机械特性,电气特性,
功能特性和过程特性,并在物理线路上传输数据位流,如规定,1”与,0”的电平值,1位数据的宽度,连接器引脚数及其含义,数据收发的时序等等,物理层标准的例子有 RS-
232C,RS-499/422/423/485等,
物理层所关心的内容主要包括：
(1)线路结构,两个或多个设备是如何 物理相连的?线路共享还是独占?
(2)数据传送方式,两设备间是 单向 传递还是 双向 传递?
61
(3)网络拓扑结构,网络设备是 如何布局 的?设备间直接传递数据还是要通过中间设备?
(4)信号及编码,用什么信号传送信息? 0与 1如何表示的?
(5)介质,用什么介质传送数据?
2,链路层链路层负责将 被传送的数据按帧结构格式化,从一个站无差错地传送到下一个站,该层从第 3层接收数据,加上报头与报尾形成 数据帧,其中包含 地址及其他控制信息,
62
链路层的 主要职责为,
(1)节点至节点的数据发送,
(2)地址功能,报头与报尾中含有当前站与下一站的物理地址,保证使数据从发送站经过中间站到达目的站,
(3)存取控制,当两个以上设备连在同一条线路上时,链路层协议负责确定某时间段内哪一个设备获得线路控制权,
(4)流量控制,调节数据通信流量,
(5)差错控制,具有检错与纠错功能,当发现传输错误时,一般是要求重新发送完整信息,
(6)同步,报头中的同步信息向接收端表明数据已经到来,同时还可以使接收端调整接收时钟；报尾包含差错控制位及指示数据帧结束的位,
数据链路层协议的例子有 高级数据链路控制协议 (HLDC) 及逻辑链路控制协议 (LLC)等,
63
3.网络层网络层负责将 数据通过多种网络从源地址发送到目的地址,并负责多路径下的路径选择和拥挤控制,
网络层提供两种相关服务,即 线路交换和路由,
交换是指将物理线路暂时接通,就像用电话通话一样,
通过交换使发送站与接收站直接接通进行数据传递,
路由是指在多个路径方案中选择最佳路径,如速度、造价、可靠性等,每个数据块可能选择不同的路径,在达到目的站后重新组装成完整的数据,
网络层添加的报头中包含数据包源地址与目的地址的信息,这些地址与数据链路层中的地址是不同的,前者是当前站与下一个要经过站的物理地址,传输过程中是不断改变的,
网络层中的地址是逻辑地址,在传输过程中是不变的,
64
4,传输层传输层负责 源端到目的端完整数据的传送,在这一点上与网络层是有区别的,网络层只负责数据包的传送,
它并不关心数据包之间的关系,
计算机通常是多任务的,同时有若干个程序在运行,
因此,源地址到目的地址的数据发送不仅仅是从一个计算机发送到另一个计算机上,而 应是从一个计算机的应用程序发送到另一个计算机的应用程序上,传输层的数据头中包含了服务点 (端口地址或套接字地址 )的信息,
也就是说,网络层负责把数据包传送到正确的计算机,而传输层则是把完整的数据传送到计算机的应用程序上,
65
当传输层从会话层接到数据后,将其 分解为适合传输的数据段,在数据头中标明数据段的顺序,以便目的站的数据恢复,
为了提高安全性,传输层可以建立源站与目的站之间的,连接,,所谓,连接,是一个连接源站与目的站的逻辑通路,一个信息中的所有数据段都从这一通路通过,此时传输层还要考虑更多的顺序控制、流量控制、差错控制等,
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5,会话层会话层为网络的会话控制器,负责通信设备间交互作用的建立,维护与同步,同时还负责 每一会话的正常关闭,即不会造成会话的突然中断,
例如,一用户需要发送长度为 200页的文件,但当发送到 52
页时突然中断,这时有两种处理方法,一种方法是取消本次传送,
重新建立会话并从第 1页开始新一次发送； 另一种方法是将大的会话分割成若干子会话,如每 10页为一个子会话,当重新建立会话后,则从第 51页开始新一次发送,会话层中采用后一种方法
(NETANTS 断点续传 ).
会话层通过在会话中插入校验点的方法将其划分为子会话,
这样可保证当出现故障时不用从头开始,根据不同传输任务的要求,校验点可能非常重要,也可能根本不用,
会话层完成的其他工作还有用户的身份检查 (如口令与登录名等 )和控制数据的交换方向 (双向或单向 )等,
会话层的数据头包含控制信息如数据的类型及同步点信息等,
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6,表示层表示层使数据格式不同的设备之间可以进行通信,如设备分别采用不同的编码,表示层具有代码翻译功能,使设备间能够互相理解,
表示层还负责 数据的加密,解密,压缩,解压 等功能,
表示层的数据头包含 传输类型、参数及长度 等信息,
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7,应用层应用层是面向用户的,为用户程序 (或进程 )提供访问 OSI环境的服务,例如通信服务,虚拟终端服务,网络文件传送,网络设备管理等,该层还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问题或收 /发设备的速度匹配问题,
根据上述介绍,我们可以得出信息在 OSI中各层传递过程特点为,物理层面向,位,,链路层面向,帧,,网络层面向,信息包,,而在 传输层则是以,报文,为单位,一个报文可分为几个信息包向下传递,一般分类是低四层负责用户数据的透明传输,高三层对数据进行分析,
转换和利用,
69
分层模型的 主要优点在于便于结构化设计的实现、
修改和扩充,开放系统互连 OSI不是网络协议标准,它仅仅是为协议标准提供了一种主体结构,供各种协议标准选择,其中 选用最多的是物理层和数据链路层,其他各层按需要选用,并把第 3层及其以上各层称为 高层,例如,目前应用的 局域网络只选用了物理层和数据链路层,其余统称为高层,
实际的通信网络协议有多种,在计算机控制系统中有着广泛的应用,包括目前应用最广的局域网 LAN的网络协议,各种 DCS的通信协议,各种 FCS的通信协议、工业以太网 以及 串行通信总线的通信协议等等,
70
6.4 串行通信总线计算机控制网络中的计算机之间,计算机与远程终端,计算机与外部设备以及计算机与测量仪表之间的通信,多数情形下采用串行通信方式,而且借助于标准的物理层接口 ——串行通信总线,总线是信息传送的通道,是各部件之间的实际互联线,
串行通信总线有很多种,如 RS-232C,RS-422,RS-
485,SPI总线,I2C总线,USB,SMBus总线,以及现场总线等等,
下面主要介绍两种适用于 中小型工业控制系统 的常用串行通信总线标准,即 RS-232C和 RS-422/485.
71
72
6.4.1 RS-232C通信总线 (单片机教学中讲过 ) 复习
RS-232C总线是由美国电子工业协会 EIA于 1969年修定的一种通信接口标准,专门用于 数据终端设备
DTE(Data Terminal Equipment)和 数据通信设备 DCE
(Data Communication Equipment)之间的串行通信,
数据终端设备 DTE是数据的源点或归宿,通常是指输入,输出设备和传输控制器或者计算机等数据处理装臵及其通信控制器,
数据通信设备 DCE的任务是实现由源点到目的点的传输,通常是指自动呼叫应答设备,调制解调器以及其它一些中间装臵的集合,
目前 RS-232C接口已成为 计算机的标准配臵,如 串行口 COM1,COM2均为 RS-232C总线接口标准,
73
美国电子工业协会 (EIA)公布的一种异步通信标准,RS232C
标准 是,(掌握 )
1.设备之间通信的距离 不大于 15米
2.最大传输速率 20k bps
3.在 TxD和 RxD上,采用 负逻辑,
,1”(MARK) —— -5V～ -15V
“0”(SPACE)—— +5V～ +15V
在 RTS,CTS,DSR,DTR和 DCD等控制线上：
信号 有效 (接通,ON状态,正电压 )= +5V～ +15V
信号 无效 (断开,OFF状态,负电压 )= -5V～ -15V
不带负载时输出电平,-25V～ +25V
输出短路电流,< 0.5A
最大负载电容,2500pF
74
1．信号定义标准的 RS-232C接口定义了
25个信号针,采用 25针接插件
DB-25,并 规定 DTE的接插件为凸形,DCE的接插件为凹形,如图 6-
14(a)所示,对不需要 25针的系统来说,常用 9针的简化接插件
(更常见 ),如图 6-14(b)所示,表
6-2给出了 常用的 9根引脚 的信号功能,
75
(a)25针凸形 DB—25P (b)9针凸形 DB—9P
图 6-14 RS232-C接插件连接器的机械特性
76
串口通信基本接线方法
9针串口 (DB9) 25针串口 (DB25)
针号 功能说明 缩写 针号 功能说明 缩写
1 数据载波检测 DCD 8 数据载波检测 DCD
2 接收数据 RXD 3 接收数据 RXD
3 发送数据 TXD 2 发送数据 TXD
4 数据终端准备 DTR 20 数据终端准备 DTR
5 信号地 GND 7 信号地 GND
6 数据设备准备好 DSR 6 数据准备好 DSR
7 请求发送 RTS 4 请求发送 RTS
8 清除发送 CTS 5 清除发送 CTS
9 振铃指示 DELL 22 振铃指示 DELL
77
接口信号 (了解 )-DSR DTR
RS-232C规标准接口有 25条线,4条数据线,11条控制线、
3条定时线,7条备用和未定义线,常用的只有 9根,它们是：
(1)联络控制信号线：
数据装臵准备好 (Data set ready-DSR)——有效时 (ON)状态,表明通信装臵 处于可以使用的状态,
数据终端准备好 (Data set ready-DTR)——有效时 (ON)状态,表明 数据终端可以使用,
这两个信号 有时连到电源上,一上电就立即有效,这两个设备状态信号有效,只表示设备本身可用,并不说明通信链路可以开始进行通信了,能否开始进行通信要由下面的控制信号决定,
78
接口信号 --RTS CTS
请求发送 (Request to send-RTS)—— 用来表示 DTE请求 DCE
发送数据,即当终端要发送数据时,使该信号有效 (ON状态 ),
向 MODEM请求发送,它用来控制 MODEM是否要进入发送状态,
允许发送 (Clear to send-CTS)—— 用来表示 DCE准备好接收 DTE发来的数据,是对请求发送信号 RTS的 响应信号,当
MODEM已准备好接收终端传来的数据,并向前发送时,使该信号有效,通知终端开始沿发送数据线 TxD发送数据,
这对 RTS/CTS请求应答联络信号是用于 半双工 MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换,在 全双工系统 中作发送方式和接收方式之间的切换,在全双工系统中,因配臵双向通道,故不需要 RTS/CTS联络信号,使其变高,
79
接口信号 ---DCD RI
接收线信号检出 (Received Line detection-RLSD)——
用来表示 DCE已接通通信链路,告知 DTE准备接收数据,当本地的 MODEM收到由通信链路另一端 (远地 )的 MODEM送来的载波信号时,使 RLSD信号有效,通知终端准备接收,并且由 MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据后,
沿接收数据线 RxD送到终端,此线也叫做 数据载波检出
(Data Carrier dectection-DCD)线,
振铃指示 (Ringing-RI)——当 MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时,使该信号有效 (ON状态 ),通知终端,已被呼叫,
80
接口信号 ---TxD RxD
数据发送与接收线：
发送数据 (Transmitted data-TxD)——通过 TxD
终端将串行数据发送到 MODEM (DTE→DCE).
接收数据 (Received data-RxD)——通过 RxD线终端接收从 MODEM发来的串行数据 (DCE→DTE).
地线有 两根线 SG (Signal Ground),PG (Protect
Ground)——信号地和保护地信号线,无方向,
81
2．电气特性由于 RS-232C是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准,为了 增加信号在线路上的传输距离和提高抗干扰能力,RS-232C采用了 较高的传输电平,且为双极性,公共地和负逻辑,即规定 逻辑,1”状态电平为 -15～ -5V,逻辑,0”状态电平为 +5～ +15V,其中 -5～ +5V用作信号状态的变迁区,
而 计算机均采用 TTL逻辑电平,TTL电平规定低电平,0”在 0～ +0.8V之间,高电平,1”在 +2.4～
+5V之间,因此在 TTL电路与 RS-232C总线之间 要进行电平的转换及正反逻辑的转换,否则将使 TTL电路烧毁,
82
3．接口电路这种电平与逻辑的转换是用专门的集成电路芯片来完成的,早期 常用 MC1488和
MC1489作发送器和接收器 (了解 ).如图 10-
15所示,发送器 MC1488可实现 TTL到 RS-232C
的电平转换,所用正负电源分别是 ± 12V；
接收器 MC1489可实现 RS-232C到 TTL的电平转换,所用电源是 +5V.由于需要 ± 12V与 +5V
供电电压,因此现在更愿意使用一种 新的单一电源供电的 MAX232芯片,(datasheet)P17
83
TTL电平 可以由专用集成电路转换成 RS232C标准 ;
如,MC1488 或 75188 TTL RS232C
MC1489 或 75189 RS232C TTL
由于 MC1488需要采用 ± 12V电源,一般在单片机通信中大量使用的是 只需要 +5V电源,具有发送和接收的一体化芯片,
如,MAX232(常用 ),ICL232,ADM202等,
84
MAX232芯片 的引脚结构及发送 /接收过程如图 7-16所示,它是一个含有两路发送器和接收器的 16脚 DIP/SO封装型工业级 RS-232C标准接口芯片,芯片内部有一个电源电压变换器,可以把 输入的 +5V电源电压变换为 RS-232C输出电平所需的 ± 10V电压,所以,采用此芯片接口的串行通信系统 只需单一的 +5V电源 就可以,图中给出了其中的一路发送器和接收器,T1IN引脚为 TTL电平输入端,转换后的 RS-232C
电平由 T1OUT送出；而 R1IN引脚接受 RS-232C电平,转换后的
TTL电平由 R1OUT输出,如此,完成了 TTL到 RS-232C(发送 )以及 RS-232C到 TTL(接收 )的电平与逻辑的转换,
由于采用单端输入和公共信号地线,容易引进干扰,为了保证数据传输的正确,RS-232C总线的传送距离一般不超过 15m,传送信号速率不大于 20kbps.
85
86
C1?
C1?
C2?
C2?
T1IN
T2IN
R1OUTR
2OUT
V+
V-
T1OUT
T2OUT
R1INR
2IN
+5V
1.0 F?
F?
F?
F?
F?
1.0
1.0 1.0
1.0
+10V
-10V
TTL/CMOS
TTL/CMOS
RS-232
RS-232
VCC
MAX232 连线图当计算机采用 RS232标准时必须通过 电平转换,MAX232是 EIA和 TTL电平转换芯片,内部具有电压提升 电路,并有 两路接收器和发送器,其引脚和连线如图：
87
需要指出的是,一般 PC机如 Intel8088/8086～
80586等各种 CPU内均没有串行接口,因此在进行串行通信时,都 需配备适当的接口适配器,如
Intel8250,Intel8251等,以完成 CPU与串行接口之间发送数据的并 /串转换与接收数据的串 /并转换,
作为自动化系统的设计者,一般并不关心已成为计算机标准配臵的 RS-32C接口的内部电路,更关心如何利用 PC机的 RS-32C接口构建与外部其它计算机
(包括本身带有串行接口的单片微型计算机 )或数据通信设备的串行通信问题,
88
4,RS-232C的应用
RS-232C总线标准中包含 两个信道 ——主信道和次信道,表 8-2中仅给出了常用的主信道接口信号,根据具体的应用场合不同,RS-232C通信主要有以下几种连接方式,
89
(1)MCS-51之间 的双机通信
RXD
TXD
GND
TXD
GND
8xx51 8xx51
90
(2)PC机与单片机之间的通信网络这种模式是把以 单片机为核心的智能式测控仪表作为从机 (又称下位机 ),完成对工业现场的数据采集和控制任务,而 PC机作为主机 (又称上位机 )将上传数据和下达指令以实现集中管理和最优控制,
图 10-20给出了 PC机与 多个单片机 构成的 RS-232C
通信网络示意图,PC机作主机,n个单片机智能仪表为从机,构成了主从方式的 RS-232C串行总线网络,PC
机串行口给出的已是标准的 RS-232C电平,而 单片机则为 TTL电平,采用 MAX232芯片就可实现电平的转换和驱动 (可参考图 10-16).
91
PC机和 单个 单片机的通信
VCC
EA
RST
XTAL1
XTAL2
TxD/P3.1(11)
RxD/P3.0(10)
89C51
C1
C2
T1IN(11)
R1OUT(12)
R1IN(13)
T1OUT(14)
V-(6)
V+(2)
Vcc(16)
C3
C4
C5
GND
GND(15)
C1=C2=C3=C4=C5=1μF
MAX232
1
5
PC机
COM1
或
COM2
1
2 RxD
3 TxD
4
6
7
8
9
+5V
+5V
C1+(1)
C1-(3)
C2+(4)
C2-(5)
92
IBM P C
RS-
232C
TX D
RX D
T1 OUT R1 IN
M AX 23 2
T1 IN R1 OUT
T1 OUT R1 IN
M AX 23 2
T1 OUT R1 IN
M AX 23 2
TX D RX D
机从#1 机从#2 n# 从机
TX D RX D TX D RX D
T1 IN R1 OUT T1 IN R1 OUT
图 1 0 - 2 0 PC 机与多个单片机构成的 RS -232 C 通信网络
GND
GND GND GND
单片机 单片机 单片机
232 电平
TTL 电平
93
6.4.2 RS-422/485通信总线
RS-232C虽然使用很广,但由于推出时间比较早,所以在现代通信网络中已暴露出明显的缺点,
主要表现在,传送速率不够快；传送距离不够远；
未明确规定连接器；接口使用非平衡发送器和接收器；接口处各信号间容易产生串扰,
所以 EIA在 1977年作了部分改进,制定了新标准 RS-449：除了保留与 RS-232C兼容外,还在 提高传输速率,增加传输距离,改进电气特性 等方面做了很多努力,增加了 RS-232C没有的环测功能,明确规定了连接器,解决了机械接口问题,
在 RS-449标准下,推出的子集有 RS-423A/RS-
422A,以及 RS-422A的变型 RS-485.
94
由于 RS-232-C的数据传送速率不高 (20000bps以内 )、距离不长 (15m以内 )且在接口处各信号间容易串扰等缺点,因而美国电子工业协会 EIA使制定了 RS-
499,RS-422-A,RS-423-A和 RS-485串行接口标准,
1.RS-499接口 (了解 )
RS-499标准规定,信号导线上传送的是 差分信号,可在 4000英尺的 24-AWG双绞线上进行数字通信,速率可达 90000波特,
95
2.RS-422-A接口 (重要 )
RS-422是从 RS-232改进而来,是一种以 平衡方式传输的标准,每路信号使用 一对双绞线,将其中一线定义为 A(Y),另一线定义为 B(Z),根据 AB(YZ)之间的电位差来确定接收 (发送 )数据的逻辑电平,并通过 平衡发送器 和 差动接收器 完成逻辑电平和电位差之间的转换,
大多数编辑录像机都采用 RS-422接口标准,通过 DB-9
接口与编辑控制器或其他编辑录像机连接,
96
RS-423A/RS-422A总线标准的数据线也是 负逻辑且参考电平为地,与 RS-232C规定为 -15～ +15V有所不同,
这两个 标准规定为 -6～ +6V.
与 RS-232C的 单端驱动非差分 接收方式 相比,RS-423A
是一个 单端驱动差分 接收 方式,而 RS-422A则是 平衡驱动差分 接收 方式,因此 抗干扰能力一个比一个强,数据传送速率与传送距离也更快、更远,
RS-423A在传送速率为 1kbps时,传送距离可达 1200m,
在速率为 100kbps时,距离可达 90m；
RS-422A可以在 1200m距离内把传送速率提高到
100kbps,或在 12米内提高到 10Mbps.图 7-21给出了 RS-
232C/RS-423A/RS-422A的数据传送电气接口电路,
97
98
图 (a)为 RS-232C所采用的 单端发送,单端接收电路,该电路的特点是 传送信号只用一根导线,对于多路信号线,其 地线是公共的,因此,它是最简单的连接结构,但缺点是 易受干扰信号的影响,
图 (b)所示 RS-423A采用了 单端发送,双端接收 的传送方式,
如利用差分接收器的另一端接发送端的信号地,因而大大地 减少了地线的干扰,
图 (c)所示 RS-422A则更进一步采用了 双端发送,双端接收的传送方式,如,这种平衡驱动和差分接收方法 从根本上消除了地线干扰,这种发送器相当于两个单端发送器,它们的输入是同一个信号,而一个发送器的输出正好与另一个反相,当干扰信号作为共模信号出现时,接收器则接收差分输入电压,只要接收端具有足够的抗共模电压工作范围,它就能识别这两种信号而正确接收传送信号,
RS-423A/RS-422A的另一个优点是允许传送线上 连接多个接收器,虽然在 RS-232C系统中可以使用多个接收器循环工作,
但它每一时刻只允许一个接收器工作,RS-423A/RS-422A可允许
10个以上接收器同时工作,
99
3,RS-485总线 (常用,1983年提出 )
在许多工业过程控制中,往往 要求用最少的信号线来完成通信任务,目前 广泛应用 的 RS-485串行接口总线就是为适应这种需要应运而生的,它实际就是 RS-422总线的变型,二者不同之处在于：
RS-422为全双工,采用两对差分平衡信号线 ；
RS-485为半双工,只需一对平衡差分信号线,
RS-485更适合于 多站互连 (已经具备了现场总线的概念 ),一个 发送驱动器 最多可连接 大于 32个负载设备,负载设备可以是被动发送器、接收器和收发器,其电路结构是在 平衡连接的电缆上挂接发送器、接收器或组合收发器,且在电缆两端 各挂接一个终端电阻用于消除两线间的干扰,
100
图 6-22给出了 RS-485与 RS-422总线两种数据传送方式,
图 (a)为 RS-485半双工 连接方式,任一时刻只能有 一个站发送数据,一个站接收数据,因此,其 发送电路必须由使能站加以控制,
图 (b)由于是 RS-422全双工 连接方式,故 两站都可以同时发送和接收,
(1)传送方式
101
102
(2)接口电路与 RS-232C标准总线一样,RS-422和 RS-485两种总线也需要 专用的接口芯片 完成电平转换,MAX481E/ MAX488E分别是只用 +5V电源的 RS-485/RS-422的 8引脚收发器,其结构及引脚如图 7-23所示,
两个芯片的共同点是都含有 一个发送器 D和一个接收器 R,
其中 DI是发送输入端,RO是接收输出端,图 (a)中只有 两根信号线 A和 B,信号线 A为同相接收器输入和同相发送器输出,信号线 B为反相接收器输入和反相发送器输出,由于是 半双工,
所以有发送与接受的 使能端 DE与引脚,
图 (b)中,有两对 4根信号线 A,B和 Y,Z,其中 A,B专用作接收器输入,A为同相,B为反相；而 Y,Z专用作发送器输出,Y为同相,Z为反相,所以构成了 全双工通信,
103
RO
DE
DI
A
B
VCC
GND
RE
R
D
1
2
3
4
8
7
6
5
RO
Y
DI
A
B
VCC
GND
Z
R
D
1
2
3
4
8
7
6
5
(a)MAX481E/483E/485E/487E/1487E (b)MAX488E/490E
图 7-23 MAX481E/488E结构及引脚图
104
在控制领域中,以微处理器为核心构成的测控仪表的一个 重要技术指标就是具有串行通信接口功能,以前主要是采用 RS-232C接口,现在无一例外地是 RS-485接口,
图 7-24给出了 AT89C52单片机与芯片 MAX487E构成的
RS-485接口电路,用单片机的 P1.7口控制 MAX487E的数据发送和接收,
105
图 6-24 单片机系统中的 RS-485接口电路
P0.0
P0.1
P0.2
P0.3
P0.4
P0.5
P0.6
P0.7
P2.0
P2.1
P2.2
P2.3
P2.4
P2.5
P2.6
P2.7
RD
WR
PSEN
ALE/P
TXD
RXD
AT89C52
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
EA/VP
XTAL1
XTAL2
RESET
INT0
T0
T1
INT1
RO
DE
DI
A
B
V CC
GND
RE
R
D
1
2
3
4
8
7
6
5
MAX487E
106
当 数据发送 时臵 P1.7为高电平,则 使能端 DE=1打开发送器 D的缓冲门,发自单片机 TxD端的数据信息经 DI端分别从 D
的同相端与反相端传到 RS-485总线 上,
当 接收数据 时把 P1.7臵于低电平,此时 使能端 RE*=0打开接收器 R的缓冲门,来自于 RS-485总线上的数据信息分别经 R
的同相端与反相端从 RO端传出 进入单片机 RXD端,
RS-485总线上的 A正 (高 )B负 (低 )电平对应的是 逻辑
,1”,而 RS-485总线上的 A负 (低 )B正 (高 )电平对应的是 逻辑
,0”.一般地,A与 B之间的正负 (高低 )电压之差在 0.2～ 2.5V
之间,
107
(3)通信网络图 6-25为以 PC机作主机,n个单片智能设备为从机、
工作于主从方式的 RS-485总线网络 的结构图,利用 PC机配臵的 RS-232C串行端口,外配一个 RS-232C/RS-485转换器,
可将 RS-232C信号转换为 RS-485信号,每个从机通过
MAX487E芯片 构建 RS-485通信接口,就可挂接在 RS-485总线网络上,总线端点处 并接的两个 120Ω 电阻用于消除两线间的干扰 (终端阻抗匹配 ).RS-485总线网络传输距离 最远可达 1200m(速率 100 kb/s)、传输速率最高可达
10Mb/s(距离 12 m).至于在网络上最多允许挂接多少个从机,这主要取决于 232/485转换器的 驱动能力 与 485接口芯片的输入阻抗与驱动能力,如果再加上中继站,可以增加更多的从机数量,
108
109
台达变频器 VFD-L
110
泓格 I7520
RS232－ >RS485转换
111
4.20mA电流环串行接口
20mA电流环路串行接口也是目前串行通信广泛使用的一种接口电路,但未形成正式标准,由于其抗干扰能力强和传输距离远的特点,要比 RS-232-C接口优越得多且简单得多,
112
本章小结计算机控制网络,即网络化的计算机控制,已成为当今自动化领域技术发展中的热点,
本章首先介绍了计算机控制网络的数据通信基础知识,包括数据通信系统、数据传输编码、多路复用技术、通信同步技术与常用传输介质,然后阐述了网络拓扑结构、网络控制方法与差错控制技术等通信网络技术,并简述了网络体系结构标准 ——开放系统互联参考模型 OSI/RM的七层组成及其功能,最后分析讨论了两种工业控制常用的串行通信总线 ——RS-232C总线和 RS-485总线 的接口电路及通信网络,
第 6章 测控网络技术 (1)
控制网络技术
6.1 数据通信基础
6.1.1 数据通信系统
6.1.2 数据传输编码
6.1.3 通信同步技术
6.1.4 常用传输介质
6.2 通信网络技术
6.2.1 网络拓扑结构
6.2.2 网络控制方法
6.2.3 差错控制技术
6.3 网络体系结构
6.4 串行通信总线
6.4.1 RS-232C通信总线
6.4.2 RS-422/485通信总线
2
随着计算机,通信,网络,控制等学科领域的发展,控制网络技术日益为人们所关注,控制网络,即网络化的控制系统,简称工控网,正是借助于计算机网络,单台的工业控制计算机被连成多处理器结构,
使系统在实现分散控制的同时,还能够达到集中监视,
集中管理和资源共享的目的,
控制网络技术 源于计算机网络技术,因此,控制网络一方面与一般计算机网络有许多 共同之处,另一方面又具有其特殊的可靠性高,实时性好及互操作性好的特点,
3
6.1 数据通信基础 (了解 )
计算机网络就是利用通信线路和通信设备,把分布在不同地理位臵上的具备独立功能的多台计算机,终端及其附属设备连接起来的一种网络,配以相应的网络软件,使网络用户能够共享网络中的硬件,
软件和数据等资源,
数据通信是计算机控制网络的基础,因此,首先应了解数据通信的基本概念,
4
6.1.1 数据通信系统
1．通信系统构成计算机与计算机或设备之间的数据交换称为数据通信,
数据通信的实质是以计算机为中心,通过某些 通信线路与设备,对二进制编码的字母、数字、符号以及数字化的声音、
图象信息进行的传输、交换和处理,一个数据通信系统主要由以下五部分组成,如图 6-1所示,
图 6-1 数据通信系统的构成报 文步骤 1,
步骤 2,
步骤 3,
……
协议发送设备 接收设备步骤 1,
步骤 2,
步骤 3,
……
协议
5
(1)报文,报文即需要传送的数据,它可以是 文本,
数字,图像,声音 等,或上述内容的组合,
(2)发送设备,可以是计算机、工作站、电话机、
摄像机等,
(3)接收设备,可以是计算机、工作站、电话机、
电视机等,
(4)传输介质,发送设备与接收设备之间的物理通路,如 双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波 等,
(5)通信协议,控制数据通信的一系列规则,发送与接收设备都要 按相同的通信协议工作,如同两个谈话的人使用同一种语言一样,
6
数据通信过程一般按以下步骤进行：
(1)数据打包,数据打包就是对需要传送的数据进行包装,形成数据包或报文,报文内除了 数据本身 外,还有报头,报尾等一些附加信息,如报文说明,长度,校验等,
(2)数据转换与编码,数据转换与编码就是 对报文作适当变换,以适应传输要求,如串行通信中的并 /串转换,0,1的传输编码 (归零编码,不归零编码 等 ),信号电平的选择,以及信号的调制形式等,
7
(3)数据传输,经过转换与编码后,将 代表报文的信号
(数字信号或模拟信号 )放到传输介质 上,发往接收设备,
(4)数据转换与译码,接收设备将接收到的信号经转换与译码后,形成报文,
(5)数据解包,接收设备根据数据打包时的协议从报文中 去除附加信息,得到最终需要的数据,
8图 6-2 并行通信与串行通信
2．数据通信方式数据通信的基本传输方式有 并行通信 和 串行通信 两种,
(1)并行通信并行通信是指所传送数据的各位 同时发送或接收,数据 有多少位,就要多少根传输线,如图 6-2(a)所示,
9
计算机中表示数据的最基本单位是 位 (bit),但为了处理的方便与快捷,往往将多个位一起使用,形成一个字 (word)
或字节 (byte).
并行通信 时常以 字节为单位 进行信号连接与数据传送,
由于 一个字节为 8位 (8bit),故最少需要 8条数据线,
并行通信的特点是传送速度快,但由于连线较多致使成本高,只适合于 近距离计算机或设备之间的数据通信,如 计算机与打印机之间 通常采用并行通信方式,另外,在过程控制系统中,处于同一机柜内的主计算机 (上位机 )与通道计算机
(下位机 )之间也常用并行通信方式 传送数据,
10
11
并行接口目前,计算机中的 并行接口主要作为打印机端口,
接口使用的不再是 36针接头而是 25针 D形接头,所谓,并行,,是指 8位数据同时通过并行线进行传送,这样数据传送速度大大提高,但并行传送的线路长度受到限制,因为 长度增加,干扰就会增加,容易出错,
现在有五种常见的并口,4位,8位、半 8位,EPP
和 ECP,大多数 PC机配有 4位或 8位的并口,许多利用
Intel386芯片组的便携机配有 EPP口,支持全部 IEEE1284
并口规格的计算机配有 ECP并口,
12
标准并行口 4位,8位、半 8位,4位口一次只能输入 4位数据,但可以输出 8位数据； 8位口可以一次输入和输出 8位数据；半 8位也可以,
EPP口 (增强并行口 ):由 Intel等公司开发,允许 8位双向数据传送,可以连接各种非打印机设备,如扫描仪,LAN
适配器、磁盘驱动器和 CDROM 驱动器等,
ECP口 (扩展并行口 ):由 Microsoft,HP公司开发,能支持命令周期、数据周期和多个逻辑设备寻址,在多任务环境下可以使用 DMA(直接存储器 访问 ).
13
(2)串行通信串行通信是指所传送数据的各位按顺序 一位一位 地发送或接收,如图 6-2(b)所示,
其特点是 只需一对传输线,适合于 长距离 传输,但 通信速度较并行通信时慢,随着通信技术的发展,串行通信速度不断提高,使得计算机网络通信 普遍采用串行通信方式,计算机控制系统中各站间的数据传递及与信息管理系统间的数据交换都采用了串行通信方式,
波特率 (Baud Rate)是串行通信中的一个重要的指标,它定义为 每秒钟传送二进制数码的位数,单位是位 /每秒,用 bps、
bit/s或 b/s表示,
14
在串行异步通信中,波特率为 每秒传送的字符数与每个字符位数的乘积,例如,如果每秒传送的速率为 120字符 /s,
而每个字符包含 10位 (1个起始位,7个数据位,1个奇偶校验位,1个停止位 ),则波特率为：
120字符 /s? 10b/字符 = 1200bps
现在 异步通信的波特率可达 100Mbps,当采用光纤作为传输介质时,传输波特率更高,
15
3,数据通信制式按通信线路上信息传送方向与时间的关系,可分为三种通信制式,单工通信,半双工通信和全双工通信,
如图 6-3所示,
(1)单工制式,在单工制式下,通信线的 一端接发送器,另一端接接收器,它们形成 单向连接,只允许数据按照一个固定的方向传送,如图 6-3(a)所示,数据 只能由甲站传送到乙站,如 广播电台和收音机
16
发送器 接收器发送器图 1 1 -2 串行 通信的三种制式发送器接收器接收器发送器接收器发送器接收器
(a ) 单工通信
(c ) 全双工通信
(b ) 半双工通信甲 乙乙乙甲甲图 6-3 三种通信制式
17
(2)半双工制式,在半双工制式下,系统中的两个站都由一个发送器和一个接收器组成,通过收发开关接到一根通信线上,
如图 6-3(b)所示,在这种制式下,数据能从甲站传送到乙站,
也能从乙站传送到甲站,但是不能同时在两个方向上传送,只能交替的发送和接收,其收发开关是由软件控制的电子开关,
通过半双工协议进行功能切换的,如 对讲机
(3)全双工制式,在全双工制式下,两个站的每端都含有发送器和接收器,通过两条通信线可以 同时 传送两个方向的数据流,而不是交替进行,如图 6-3(c)所示,如 电话机
18
6.1.2 数据传输 编码数据通信中需要传输数据信息,而 信息必须转换为数字的或模拟的信号后才能通过通信线路传送,这种信息转换称为 传输编码,它有多种方式,这里只讨论 数字信息的数字信号编码 与 数字信息的模拟信号编码 两种,
19
1,数字信息的数字信号编码在众多数字信息的数字信号编码方法中,这里仅介绍常用的几种,单极性编码方法,不归零编码方法及归零编码方法中的曼彻斯特码与差动曼彻斯特码,如图 6-4所示,
单极性码 如图 6-4(a)所示,它是编码中最简单,
最原始的一种,单极性码 用一种电平代表,1”,用另一种电平代表,0”,而且通常其中的一种电平 (如
,0”对应的电平 )为 0V.但由于单极性码 具有直流成分且不含同步信息,影响了单极性码的应用,
20
(a)单极性码
(b)双极性码
(c)归零编码
(d)曼彻斯特码
(e)差动曼彻斯特码
(f)解码时钟
(g)解码数据图 6-4 数字信息的数字信号编码
0 0 0 01 1 1 1
0 0 0 01 1 1 1
0 0 0 01 1 1 1
0 0 0 01 1 1 1
0 0 0 01 1 1 1
0 0 0 01 1 1 1
时钟
21
双极性码 如图 6-4(b)所示,它使用 正,负两种电平,因此有效地减小了传输线上的直流分量,但不归零码仍然没有彻底解决信号同步问题,
归零编码 如图 6-4(c)所示,它使用 正,负,零三种电平,信号在数据位的中间发生变化,“正,到,零,
的跳变代表,1”,“负,到,零,的跳变代表,0”.归零码较好地解决了 信号同步问题,但由于 每一位数据都要产生两次跳变,因此占用更多的带宽,
22
曼彻斯特码 如图 6-4(d)所示,它也是在数据位的中间产生跳变,用该 跳变的方向表示数值,“负,到
,正,的跳变代表,1”,“正,到,负,的跳变代表
,0”.该跳变还被 用作信号同步,即编码数据中自带时钟信息,保证了收发双方的绝对同步,以太网中就使用了曼彻斯特码,
差动曼彻斯特码 如图 6-4(e)所示,它用 数据位中间的跳变携带同步信息,但由 数据位起始处是否有跳变来传递数值,有跳变表示,0”,无跳变表示,1”.令牌环网中就使用了差动曼彻斯特码,
图 6-4(f),(g)分别表示接收端从编码数据中分离出的 解码时钟与解码数据,
23
2．数字信息的模拟信号编码数字信号传送时要求传输线的频带很宽,而在 长距离通信时,通常是 用电话线进行传送的,其带宽往往不能满足要求,这时会产生信号的畸变,而且数据通信 速率越高信号畸变越严重,
一种解决方案是采用数字信息的模拟信号转换技术将数字信号传输变为模拟信号传输,称为信号调制,在数据接收端还要 将模拟信号复原为数字信息,称为解调,如图 6-5所示,完成调制与解调的装臵称为 调制解调器
(MODEM Modulator Demodulator).
24
图 6-5 调制与解调示意图将数字信号调制为模拟信号有三种方式：
调幅、调频与调相发送装置 接收装置MODEM MODEM
数字信号 数字信号模拟信号
方法：选取音频范围 某一频率的正 (余 )弦模拟信号作为载波,用以运载所要传送的数字信号,
用传送的数字信号 改变载波信号的幅值、频率或相位,使之在信道上传送；
到达信道另一端,再将数字信号从载波中取出,
25
按数字信号的值 改变载波信号的幅度按数字信号的值 改变载波信号的频率按数字信号的值 改变载波信号的相位
0 0 0 0 01 1 1 1
数字信号
(a)调幅
(b)调频
(c)调相
26
调幅 又称 调 幅 键 控 ASK(Amplitude Shift
Keying),就是 用原始数字信号去控制载波的 振幅 变化,
这种调制是 利用数字信号的 1或 0去接通或断开连续的载波,图中,正常幅度的正弦波表示 1,幅度为 0的表示 0.
调幅方式很容易受干扰信号的影响,因此仅用于非常低速的信号传输,或与其他调制方式 (如相位调制 )结合使用,
调频 又称 调频键控 FSK(Frequency Shift Keying),
就是用 原始数字信号去控制载波的频率变化,如用一种频率的正弦波信号表示 1,而用另一种频率 (通常为低频 )
的正弦波信号表示 0.调频方式可以削弱干扰对信号的影响,但它占用较宽的频带,受传输介质制约较大,
27
调相 又称 调相键控 PSK(Phase Shift Keying),就是用 原始数字信号去控制载波的相位变化,最简单的调相方法是 使正弦波相位相差 180° 来表示 0和 1.图中,相位为 0° 的正弦波信号表示 1,相位为 180° (反相 )的正弦波信号表示 0,这种方式称为 2-PSK方式,调相方式比调幅方式有较好的抗干扰能力,比调频方式节省带宽,因此得到广泛应用,
更复杂的调制称为 正交调制 QAM,它是 ASK与 PSK的结合,QAM方式可以有效提高数字信号的传送速率,也是目前 MODEM中普遍使用的方法,
28
3,基带传输与频带传输按照传输线上信号的种类,数据通信可以分为 基带传输与频带传输,
所谓 基带,是指电信号所固有的频带,所谓基带传输,是指直接 用电脉冲信号代表数字信号 0或 1进行传输,基带传输的优点是安装,维护投资小,但存在信息传送容量小,每条传输线只可传送一路信号且传送距离短的缺点,
29
所谓 频带传输 是指 用基带信号对载波信号调制后进行传输,利用载波传输信号可以减小线路干扰对传输信号的影响,实现远距离传输,用这种传输技术,可以在一条通信线路上,通过 频分复用 (FDM)将其 划分为几个信道,从而支持多路信号的传输,频带传输的安装维护费用较基带传输时高,但是它具有较高的信息传递量,
且可覆盖较大的范围,
30
6.1.3 通信同步技术无论是并行通信,还是串行通信,数据都是 按时间顺序传送出去的,为保证发送与接收过程正确无误,必须使用同步技术,也就是使 接收端和发送端在时间上取得一致,否则将会导致通信质量下降,甚至完全不能工作,
31
1,通过 控制线 实现收发双方同步所谓 并行同步通信方式,是指在 并行通信中通过控制线实现收发双方同步的,数据收发双方除了数据线相连外,还有若干控制信号线,用来传送发送与接收装臵的状态,对于图 6-2(a)所示并行通信连接方法,进行一次数据传送的过程如下：
(1)发送装臵在发送前,首先检查接收装臵的状态,
(2)若接收装臵处于非就绪状态,返回 (1)继续等待；若接收装臵处于就绪状态,表示可以接收数据,发送装臵将数据放到数据线上,并发出控制信号,告诉接收装臵数据已准备好,
32
(3)接收装臵收到控制信号后,从数据线上将数据取走,取数据过程中,状态线臵为非就绪状态,取数完成后,状态线重新处于就绪状态,等待下一次接收数据,
(4)发送装臵将控制信号撤回,准备发送下一次数据,
而在 串行通信 中,往往只有一对数据线,没有控制信号线,
此时收发双方的同步是靠 同步信号 来实现的,而且一对传输线同时完成传送数据与同步信号双重任务,串行通信中的同步方式又有两种：
一种是 启停同步方式,与其相对应的传输方式称为 异步通信方式 ；
另一种是 自同步方式,与其相对应的传输方式称为 同步通信方式,
33
2,串行异步通信串 行 异 步 通 信 ASYNC (Asynchronous Data
Communication)是 一个字符一个字符地按帧传送数据的方式,其传送一帧的格式如图 6-10所示,开头一个起始位,0”,接着是 5～ 8位数据位,且规定低位在前,高位在后,然后是一个奇偶校验位,最后加上一个停止位
,1”表示字符的结束,若数据没有准备好则以空闲字符
,1”来填充,直到数据准备好形成下一帧,
图中说明,一帧信息包含 1个起始位,5～ 8个数据位、
1个奇偶校验位,1～ 2个停止位,无信号传送时,为停止位 (高电平 )状态,当出现起始位 (低电平 )时,表示数据传送开始,因此 停止位到起始位的电平转换,即为同步信息,
34
图 6-10 串行异步通信的信息帧格式
0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/10
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6起始位奇偶校验位停止位空闲位
0
起始位
MARK
1
MARK第 n帧传输方向七位数据
111
第 n+1帧
35
进行异步通信时,收发双方必须有两项约定：一是帧信息格式,即 字符的编码形式,奇偶校验形式,起始和停止位的格式等； 二是 传送速率,
串行异步通信 在向外发送字符时,由于在字符的首尾分别附加了一个起始位和停止位,因此,传送效率较低,传送速率较慢,
能够完成异步通信的 硬件 称为 UART (Universal
Asynchronous Receiver／ Transmitter),典型的 UART
接口电路芯片有 Intel8250及 MC6850等,
36
3,串行同步通信串 行 同 步 通 信 SYNC (Synchronous Data
Communication) 是一种连续传送数据块的方式,每次传送 n个字节的数据块,用 1-2个同步字符表示数据传送的开始,接着是 n个字节的数据块,字符之间不允许留空隙,当没有字符可发送时,则连续发送同步字符,
如图 6-11所示,
图10 - 11 串 行同步通信信息帧格式同步字符第 n 帧传输方向第 n+ 1 帧同步字符 同步字符 数据块
37
同步字符可以选择一个特殊的 8位二进制码,如
01111110作为同步字符 (称单同步字符 ),或 两个连续的 8位二进制码作为同步字符 (称双同步字符 ).为了保证了收,发双方同步,收,发双方必须使用相同的同步字符,而且往往采用可以生成解码时钟的编码方式,
串行同步通信的传送速率高于串行异步通信,且传送的 数据块愈长,愈显示其优越性,
能够完成同步通信的硬件称为 USRT(Universal
Synchronous Receiver／ Transmitter).既能够完成异步通信,又能够完成同步通信的硬件称为 USART,典型的 USART接口电路芯片有 intel8251等,
38
6.1.4 常用 传输介质传输介质是连接站与站间的物理信号通路,目前使用的传输介质主要有 3种,双绞线,同轴电缆和光纤,
表 6-1给出了这几种传输介质主要性能的比较,
表 6-1 传输介质主要性能比较类 型项目双绞线 基带同轴电缆 宽带同轴电缆 光纤传输信号 数字、模拟 数 字 数字、模拟 模 拟最大带宽 100k~1MHz 10M~50MHz 300M~400MHz
实际不受限制互连复杂性 不复杂 不太复杂 较复杂 复杂噪声抑制能力 外层有屏蔽较好好 好 非常好最大传输距离 100m 2,5km 300km 100km
39
光纤双绞线
40
6.2 通信网络技术按网络作用范围的大小,计算机网络可以分成两大类,一类是 分布在广大地理范围内的广域网 ；另一类为分布在一定区域内的局域网,计算机控制系统的通信网络属于后一类,决定局域网特性的要素有,传输介质,拓扑结构和介质访问控制方法,
6.2.1 网络拓扑结构在计算机网络中,抛开网络中的具体设备,将工作站、
服务器等网络单元抽象为,点,,将网络中的电缆等通信介质抽象为,线,,这样从拓扑学 (Topology)的观点观察计算机通信网络系统,就形成了点和线组成的几何图形,从而抽象出了网络系统的具体结构,
41
因此,计算机通信网络的 拓扑结构,是指网络中的各台计算机以及设备之间相互连接的方式,常见的网络拓扑结构有 星型,环型和总线型 三种,如图 6-12所示,
S3
S1 S2
S4
S2
S3
S4
S1
N4
N1
N2
N3
S3
S2S4
S1
( a) ( b) ( c)
N
(a)星型 结构 (b)环型 结构 (c)总线型 结构图 6-12 网络拓扑结构
42
星型结构 是将分布于 各处的多个站 (S1-Sn)连到处于中心位臵的中央节点 (N)上,任何两个站的通信都要通过中央节点,这种连接方式简单直观,但中央节点负荷较重,势必造成中央节点复杂,另外,中央节点的故障将造成系统通信中断,为提高网络的可靠性,常采取中央节点冗余的方法,
环型结构 中 每个站都是通过节点 (或称中继器 )连接到环形网上,所有的节点共享一条物理通道,信息沿单方向围绕环路进行循环,按点对点方式传输,由一个工作站发出的信息传递到相邻的下一节点,该节点对信息进行检查,若不是信息目的站,则依次向下一节点传递,直至到达目的站,为避免某节点故障会阻塞信息通路,环型网各节点应有旁路措施,
43
总线型结构 中,网上所有节点通过硬件接口 直接连到一条公共通信线路上,任何站都可随机发送信息,
并能被其他站所接收,总线型网络具有 易于扩充,可靠性高的特点,但因为 总线为所有站共同使用,为避免发送冲突,应规定 介质访问控制协议 来 分配信道,
以 保证在任一时刻只有一个节点发送信息,
44
6.2.2 网络控制方法网络控制方法 就是研究 在通信网络中,信息如何从源站迅速,正确地传递到目的站,网络控制方法与所使用的网络拓扑结构有关,常用的有,查询,令牌传送,CSMA/CD,时间片寄存器输入,存储转发等,
下面仅介绍其中几种,
45
1,查询法查询法用于 主从结构网络 中,如星型网络或具有主站的总线型网络,主站依次询问各站是否需要通信,收到通信应答后再控制信息的发送与接收,当多个从站要求通信时,按站的优先级安排发送,
2,CSMA/CD
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With
Collision Detection),即带有 冲突检测的载体监听多重访问技术,是一种竞争方式,适用于 总线型 网络结构,在这种方式中,网上各站是平等的,任何一个站在任何时刻均可以广播式向网上发送信息,信息中包含有目的站地址,
其他各站接收到后确定是否为发给本站的信息,
46
由于总线结构网络中线路是公用的,因此竞争发送所要解决的问题是当有多个站同时发送信息时的协调问题,CSMA/CD采取的 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,再试发送,
当工作站有数据需要发送时,首先监听线路是否空闲,若空闲,则该站就可发送数据,载体监听技术虽然能够减少线路冲突,但还不能完全避免冲突,如两个工作站同时监听到线路空闲时,会同时发送数据,造成数据作废,
解决的办法是在发送数据的同时,发送站还进行 冲突检测,当检测到冲突发生时,工作站将等待一段随机时间再次发送,
CSMA/CD遵守 IEEE802.3标准,
47
3.令牌传送这种方式中,有一个称为 令牌 (Token Passing)的信息段在网络中各节点间依次传递,令牌 有空,忙 两种状态,开始时为空,节点只有得到空令牌时才具有信息发送权,同时将令牌臵为忙,令牌绕节点一周且信息被目标节点取走后,令牌被重新臵为空,
令牌传送既适合于 环型网 (称为令牌环 ——TOKEN
RING),又 适 合 于 总 线 型 网 ( 称 为 令 牌 总 线 ——
TOKENBUS).总线型网情况下,各站被赋予一逻辑位臵,
所有站型成一个逻辑环,令牌环遵守 IEEE802.5标准,令牌总线遵守 IEEE802.4标准,
令牌 传送效率高、信息吞吐量大,实时性好,
48
4,存储转发式存储转发式的信息传送过程为,源节点发送信息,
到达它的相邻节点；相邻节点将信息存储起来,等到自己的信息发送完,再转发这个信息,直到把此信息送到目的节点；目的节点加上确认信息 (正确 )或否认信息
(出错 ),向下发送直至源站；源节点根据返回信息决定下一步动作,如取消信息或重新发送,
存储转发式不需要交通指挥器,允许有多个节点在发送和接收信息,信息延时小,带宽利用率高,
49
7.2.3 差错控制技术由于通信线路周围电磁干扰的存在,以及收发器件噪声的影响,信息在发送,接收及传递过程中难免出现差错,
通信网络的差错控制技术就是要 及时将差错检测出来,并采取适当的纠正措施,以确保接收信息的准确性,
差错控制技术包括 检验错误与纠正错误,
1,检验错误检测传输错误 最简单的方法是将同一数据发送多次,
在接收端进行逐位比较,但这样做是很不经济的,一方面降低了传送速率,另一方面逐位比较也浪费时间,当前检错中普遍使用的 冗余技术 也利用了这种思路,只不过冗余数据量要小得多,
50
源节点在发送数据时,除基本数据外,还包含 附加校验位,附加校验位与基本数据有一定关系,如为基本数据按指定规则的运算结果,目的节点接收到数据后,仍按相同规则对基本数据进行计算并将计算结果与接收到的附加校验位相比较,若二者相同,则认为所接收数据正确,
否则认为所接收数据错误,
不难理解,校验位愈多,校验准确性愈高,但传送效率愈低,
常用的校验方法有垂直冗余码校验或奇偶校验
(VRC),纵向冗余码校验 (LRC),循环冗余校验 (CRC)以及 校验和 (checksum)等几种,下面简要介绍奇偶校验和循环冗余校验的原理和基本方法,
51
(1)奇偶校验奇偶校验是在传递字节最高位后附加一位校验位,该校验位根据字节内容取 1或 0,奇校验时传送字节与校验位中,1”的数目为奇数,偶校验时传送字节与校验位中,1”的数目为偶数,接收端按同样的校验方式对收到的信息进行校验,如发送时规定为奇校验时,
若收到的字符及校验位中,1”的数目为奇数,则认为传输正确；否则,认为传输错误,
例如采用 偶校验 方法传送一个字节 0110 0001,发送端在 字节最高位后添加校验位 1,使带校验位数据中 1的个数为偶数,即 10110
0001.接收端收到该数据后,同样检查数据中 1的个数,若为偶数,认为数据正确,将 0110 0001取走；若为奇数,表明有传输错误,采取进一步措施,
不难发现,奇偶校验只能检测出单个信息位出错而不能确定差错位臵,因此这种校验方式检错能力低,
52
(2)循环冗余校验 (CRC)
采用循环冗余校验时,发送端发送的信息由 基本信息位与校验冗余位两部分组成,发送端在发送基本信息位的同时,发送端的 CRC校验位生成器 自动生成
CRC校验位 (由基本信息除以所谓生成多项式而得 ),一旦基本信息位发送完,就将 CRC校验位紧随其后发送,
接收端用接收到的基本信息及校验位除以同一多项式,
如果这种除法的余数为 0,即能被除尽,则认为传输正确；否则认为传输错误,
53
与奇偶校验不同,循环冗余校验是 一个数据块校验一次,在 同步串行通信中,几乎都采用循环冗余校验,例如对磁盘信息读 /写的校验等,
常用的生成多项式主要有：
CRC-16
SDLC
CRC校验码在发送端的产生和接收端的校验,目前一般都是由 硬件 CRC校验电路自动实现 的,当然也可以通过软件实现 (此时通信速度受到软件执行时间的限制 ).
54
2,纠正错误常用的纠错方式有三种：重发纠正错误,自动纠正错误,混合纠正错误
(1)重发纠正错误,当接收端检测出接收错误时,以适当方式将检测结果反馈给发送端,发送端重新发送该信息,这种过程可以重复多次,直至接收端接收正确为止,
(2)自动纠正错误,发送端在发送数据时,还带有 能够纠正错误的信息码,接收端检测出错误后,按纠错码自动进行纠正,这种方式要考虑纠错能力与发送效率间的权衡,
55
(3)混合纠正错误,上述两种方式的综合,当接收端检测出错误时,若判断为在纠错能力之内,则进行自动纠错；
否则进行重发纠错,
理论上,任何错误都是可以自动纠正的,但实际上由于自动纠错需要较多的冗余信息,且 纠错算法复杂,因此自动纠错仅限于错误位数较少时的情况,
56
6.3 网络体系结构计算机网络就是要实现资源共享,但是,由于挂在网上的 计算机或设备可能出自于不同的生产厂,型号也不尽相同,硬件和软件上的差异给通信带来困难,因此,
在网络中应有 一系列供全网,成员,共同遵守的有关信息传递的人为约定,以实现正常通信和共享资源,这就是 通信网络协议或称规范,其最好的组织方式是 层次结构模型,因此,计算机网络层次结构模型与各层协议的集合 被定义为 计算机网络体系结构,在计算机网络的发展过程中,许多制造厂商均发表了各自的网络体系结构以支持本公司的计算机产品的联网,但其通用性差,
不便于不同厂商的网络产品进行互联,
57
为此,国际标准化组织 ISO于 1977年成立了专门机构研究该问题,不久,他们就提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架,这就是著名的 开放系统互联参考模型 OSI/RM
(Open System Interconnection/Reference Model),简称为 OSI,从而形成了网络体系结构的国际标准,使得 任何两个遵守 OSI协议的系统可以相互连接,
OSI参考模型将数据传输过程 分解为一系列功能元素,
把相关的功能组合在一起称为层,每一层完成一项通信子功能,并且下层为上层提供服务,分层结构具有易于理解和灵活的特点,更重要的是,OSI模型使得 不兼容系统之间的通信是透明的,
58
图 6-13 OSI模型
59
OSI参考模型由七层组成,从下至上分别为,物理层,
数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层及应用层,如图 6-13所示,
在传送一组数据 (报文 )时,要经过 第 7至 2层的封装,
到第 2层形成的信息整体称为 帧 (Frame).所谓封装实际上就是在原始数据上 附加报头 H或报尾 T,一般在第 7,6、
5,4,3,2层上加报头,第 2层上加报尾,封装后的信息由物理层放到通信线路上传输,接收过程中分别去除报头与报尾,最后获得所需数据,图 6-13中 L3～ L7表示相应层的数据,H7～ H2代表相应层上附加的报头,T2为第 2层上附加的报尾,
60
下面简要介绍 OSI模型各层的基本含义,
1,物理层物理层用来 提供通信设备的机械特性,电气特性,
功能特性和过程特性,并在物理线路上传输数据位流,如规定,1”与,0”的电平值,1位数据的宽度,连接器引脚数及其含义,数据收发的时序等等,物理层标准的例子有 RS-
232C,RS-499/422/423/485等,
物理层所关心的内容主要包括：
(1)线路结构,两个或多个设备是如何 物理相连的?线路共享还是独占?
(2)数据传送方式,两设备间是 单向 传递还是 双向 传递?
61
(3)网络拓扑结构,网络设备是 如何布局 的?设备间直接传递数据还是要通过中间设备?
(4)信号及编码,用什么信号传送信息? 0与 1如何表示的?
(5)介质,用什么介质传送数据?
2,链路层链路层负责将 被传送的数据按帧结构格式化,从一个站无差错地传送到下一个站,该层从第 3层接收数据,加上报头与报尾形成 数据帧,其中包含 地址及其他控制信息,
62
链路层的 主要职责为,
(1)节点至节点的数据发送,
(2)地址功能,报头与报尾中含有当前站与下一站的物理地址,保证使数据从发送站经过中间站到达目的站,
(3)存取控制,当两个以上设备连在同一条线路上时,链路层协议负责确定某时间段内哪一个设备获得线路控制权,
(4)流量控制,调节数据通信流量,
(5)差错控制,具有检错与纠错功能,当发现传输错误时,一般是要求重新发送完整信息,
(6)同步,报头中的同步信息向接收端表明数据已经到来,同时还可以使接收端调整接收时钟；报尾包含差错控制位及指示数据帧结束的位,
数据链路层协议的例子有 高级数据链路控制协议 (HLDC) 及逻辑链路控制协议 (LLC)等,
63
3.网络层网络层负责将 数据通过多种网络从源地址发送到目的地址,并负责多路径下的路径选择和拥挤控制,
网络层提供两种相关服务,即 线路交换和路由,
交换是指将物理线路暂时接通,就像用电话通话一样,
通过交换使发送站与接收站直接接通进行数据传递,
路由是指在多个路径方案中选择最佳路径,如速度、造价、可靠性等,每个数据块可能选择不同的路径,在达到目的站后重新组装成完整的数据,
网络层添加的报头中包含数据包源地址与目的地址的信息,这些地址与数据链路层中的地址是不同的,前者是当前站与下一个要经过站的物理地址,传输过程中是不断改变的,
网络层中的地址是逻辑地址,在传输过程中是不变的,
64
4,传输层传输层负责 源端到目的端完整数据的传送,在这一点上与网络层是有区别的,网络层只负责数据包的传送,
它并不关心数据包之间的关系,
计算机通常是多任务的,同时有若干个程序在运行,
因此,源地址到目的地址的数据发送不仅仅是从一个计算机发送到另一个计算机上,而 应是从一个计算机的应用程序发送到另一个计算机的应用程序上,传输层的数据头中包含了服务点 (端口地址或套接字地址 )的信息,
也就是说,网络层负责把数据包传送到正确的计算机,而传输层则是把完整的数据传送到计算机的应用程序上,
65
当传输层从会话层接到数据后,将其 分解为适合传输的数据段,在数据头中标明数据段的顺序,以便目的站的数据恢复,
为了提高安全性,传输层可以建立源站与目的站之间的,连接,,所谓,连接,是一个连接源站与目的站的逻辑通路,一个信息中的所有数据段都从这一通路通过,此时传输层还要考虑更多的顺序控制、流量控制、差错控制等,
66
5,会话层会话层为网络的会话控制器,负责通信设备间交互作用的建立,维护与同步,同时还负责 每一会话的正常关闭,即不会造成会话的突然中断,
例如,一用户需要发送长度为 200页的文件,但当发送到 52
页时突然中断,这时有两种处理方法,一种方法是取消本次传送,
重新建立会话并从第 1页开始新一次发送； 另一种方法是将大的会话分割成若干子会话,如每 10页为一个子会话,当重新建立会话后,则从第 51页开始新一次发送,会话层中采用后一种方法
(NETANTS 断点续传 ).
会话层通过在会话中插入校验点的方法将其划分为子会话,
这样可保证当出现故障时不用从头开始,根据不同传输任务的要求,校验点可能非常重要,也可能根本不用,
会话层完成的其他工作还有用户的身份检查 (如口令与登录名等 )和控制数据的交换方向 (双向或单向 )等,
会话层的数据头包含控制信息如数据的类型及同步点信息等,
67
6,表示层表示层使数据格式不同的设备之间可以进行通信,如设备分别采用不同的编码,表示层具有代码翻译功能,使设备间能够互相理解,
表示层还负责 数据的加密,解密,压缩,解压 等功能,
表示层的数据头包含 传输类型、参数及长度 等信息,
68
7,应用层应用层是面向用户的,为用户程序 (或进程 )提供访问 OSI环境的服务,例如通信服务,虚拟终端服务,网络文件传送,网络设备管理等,该层还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问题或收 /发设备的速度匹配问题,
根据上述介绍,我们可以得出信息在 OSI中各层传递过程特点为,物理层面向,位,,链路层面向,帧,,网络层面向,信息包,,而在 传输层则是以,报文,为单位,一个报文可分为几个信息包向下传递,一般分类是低四层负责用户数据的透明传输,高三层对数据进行分析,
转换和利用,
69
分层模型的 主要优点在于便于结构化设计的实现、
修改和扩充,开放系统互连 OSI不是网络协议标准,它仅仅是为协议标准提供了一种主体结构,供各种协议标准选择,其中 选用最多的是物理层和数据链路层,其他各层按需要选用,并把第 3层及其以上各层称为 高层,例如,目前应用的 局域网络只选用了物理层和数据链路层,其余统称为高层,
实际的通信网络协议有多种,在计算机控制系统中有着广泛的应用,包括目前应用最广的局域网 LAN的网络协议,各种 DCS的通信协议,各种 FCS的通信协议、工业以太网 以及 串行通信总线的通信协议等等,
70
6.4 串行通信总线计算机控制网络中的计算机之间,计算机与远程终端,计算机与外部设备以及计算机与测量仪表之间的通信,多数情形下采用串行通信方式,而且借助于标准的物理层接口 ——串行通信总线,总线是信息传送的通道,是各部件之间的实际互联线,
串行通信总线有很多种,如 RS-232C,RS-422,RS-
485,SPI总线,I2C总线,USB,SMBus总线,以及现场总线等等,
下面主要介绍两种适用于 中小型工业控制系统 的常用串行通信总线标准,即 RS-232C和 RS-422/485.
71
72
6.4.1 RS-232C通信总线 (单片机教学中讲过 ) 复习
RS-232C总线是由美国电子工业协会 EIA于 1969年修定的一种通信接口标准,专门用于 数据终端设备
DTE(Data Terminal Equipment)和 数据通信设备 DCE
(Data Communication Equipment)之间的串行通信,
数据终端设备 DTE是数据的源点或归宿,通常是指输入,输出设备和传输控制器或者计算机等数据处理装臵及其通信控制器,
数据通信设备 DCE的任务是实现由源点到目的点的传输,通常是指自动呼叫应答设备,调制解调器以及其它一些中间装臵的集合,
目前 RS-232C接口已成为 计算机的标准配臵,如 串行口 COM1,COM2均为 RS-232C总线接口标准,
73
美国电子工业协会 (EIA)公布的一种异步通信标准,RS232C
标准 是,(掌握 )
1.设备之间通信的距离 不大于 15米
2.最大传输速率 20k bps
3.在 TxD和 RxD上,采用 负逻辑,
,1”(MARK) —— -5V～ -15V
“0”(SPACE)—— +5V～ +15V
在 RTS,CTS,DSR,DTR和 DCD等控制线上：
信号 有效 (接通,ON状态,正电压 )= +5V～ +15V
信号 无效 (断开,OFF状态,负电压 )= -5V～ -15V
不带负载时输出电平,-25V～ +25V
输出短路电流,< 0.5A
最大负载电容,2500pF
74
1．信号定义标准的 RS-232C接口定义了
25个信号针,采用 25针接插件
DB-25,并 规定 DTE的接插件为凸形,DCE的接插件为凹形,如图 6-
14(a)所示,对不需要 25针的系统来说,常用 9针的简化接插件
(更常见 ),如图 6-14(b)所示,表
6-2给出了 常用的 9根引脚 的信号功能,
75
(a)25针凸形 DB—25P (b)9针凸形 DB—9P
图 6-14 RS232-C接插件连接器的机械特性
76
串口通信基本接线方法
9针串口 (DB9) 25针串口 (DB25)
针号 功能说明 缩写 针号 功能说明 缩写
1 数据载波检测 DCD 8 数据载波检测 DCD
2 接收数据 RXD 3 接收数据 RXD
3 发送数据 TXD 2 发送数据 TXD
4 数据终端准备 DTR 20 数据终端准备 DTR
5 信号地 GND 7 信号地 GND
6 数据设备准备好 DSR 6 数据准备好 DSR
7 请求发送 RTS 4 请求发送 RTS
8 清除发送 CTS 5 清除发送 CTS
9 振铃指示 DELL 22 振铃指示 DELL
77
接口信号 (了解 )-DSR DTR
RS-232C规标准接口有 25条线,4条数据线,11条控制线、
3条定时线,7条备用和未定义线,常用的只有 9根,它们是：
(1)联络控制信号线：
数据装臵准备好 (Data set ready-DSR)——有效时 (ON)状态,表明通信装臵 处于可以使用的状态,
数据终端准备好 (Data set ready-DTR)——有效时 (ON)状态,表明 数据终端可以使用,
这两个信号 有时连到电源上,一上电就立即有效,这两个设备状态信号有效,只表示设备本身可用,并不说明通信链路可以开始进行通信了,能否开始进行通信要由下面的控制信号决定,
78
接口信号 --RTS CTS
请求发送 (Request to send-RTS)—— 用来表示 DTE请求 DCE
发送数据,即当终端要发送数据时,使该信号有效 (ON状态 ),
向 MODEM请求发送,它用来控制 MODEM是否要进入发送状态,
允许发送 (Clear to send-CTS)—— 用来表示 DCE准备好接收 DTE发来的数据,是对请求发送信号 RTS的 响应信号,当
MODEM已准备好接收终端传来的数据,并向前发送时,使该信号有效,通知终端开始沿发送数据线 TxD发送数据,
这对 RTS/CTS请求应答联络信号是用于 半双工 MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换,在 全双工系统 中作发送方式和接收方式之间的切换,在全双工系统中,因配臵双向通道,故不需要 RTS/CTS联络信号,使其变高,
79
接口信号 ---DCD RI
接收线信号检出 (Received Line detection-RLSD)——
用来表示 DCE已接通通信链路,告知 DTE准备接收数据,当本地的 MODEM收到由通信链路另一端 (远地 )的 MODEM送来的载波信号时,使 RLSD信号有效,通知终端准备接收,并且由 MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据后,
沿接收数据线 RxD送到终端,此线也叫做 数据载波检出
(Data Carrier dectection-DCD)线,
振铃指示 (Ringing-RI)——当 MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时,使该信号有效 (ON状态 ),通知终端,已被呼叫,
80
接口信号 ---TxD RxD
数据发送与接收线：
发送数据 (Transmitted data-TxD)——通过 TxD
终端将串行数据发送到 MODEM (DTE→DCE).
接收数据 (Received data-RxD)——通过 RxD线终端接收从 MODEM发来的串行数据 (DCE→DTE).
地线有 两根线 SG (Signal Ground),PG (Protect
Ground)——信号地和保护地信号线,无方向,
81
2．电气特性由于 RS-232C是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准,为了 增加信号在线路上的传输距离和提高抗干扰能力,RS-232C采用了 较高的传输电平,且为双极性,公共地和负逻辑,即规定 逻辑,1”状态电平为 -15～ -5V,逻辑,0”状态电平为 +5～ +15V,其中 -5～ +5V用作信号状态的变迁区,
而 计算机均采用 TTL逻辑电平,TTL电平规定低电平,0”在 0～ +0.8V之间,高电平,1”在 +2.4～
+5V之间,因此在 TTL电路与 RS-232C总线之间 要进行电平的转换及正反逻辑的转换,否则将使 TTL电路烧毁,
82
3．接口电路这种电平与逻辑的转换是用专门的集成电路芯片来完成的,早期 常用 MC1488和
MC1489作发送器和接收器 (了解 ).如图 10-
15所示,发送器 MC1488可实现 TTL到 RS-232C
的电平转换,所用正负电源分别是 ± 12V；
接收器 MC1489可实现 RS-232C到 TTL的电平转换,所用电源是 +5V.由于需要 ± 12V与 +5V
供电电压,因此现在更愿意使用一种 新的单一电源供电的 MAX232芯片,(datasheet)P17
83
TTL电平 可以由专用集成电路转换成 RS232C标准 ;
如,MC1488 或 75188 TTL RS232C
MC1489 或 75189 RS232C TTL
由于 MC1488需要采用 ± 12V电源,一般在单片机通信中大量使用的是 只需要 +5V电源,具有发送和接收的一体化芯片,
如,MAX232(常用 ),ICL232,ADM202等,
84
MAX232芯片 的引脚结构及发送 /接收过程如图 7-16所示,它是一个含有两路发送器和接收器的 16脚 DIP/SO封装型工业级 RS-232C标准接口芯片,芯片内部有一个电源电压变换器,可以把 输入的 +5V电源电压变换为 RS-232C输出电平所需的 ± 10V电压,所以,采用此芯片接口的串行通信系统 只需单一的 +5V电源 就可以,图中给出了其中的一路发送器和接收器,T1IN引脚为 TTL电平输入端,转换后的 RS-232C
电平由 T1OUT送出；而 R1IN引脚接受 RS-232C电平,转换后的
TTL电平由 R1OUT输出,如此,完成了 TTL到 RS-232C(发送 )以及 RS-232C到 TTL(接收 )的电平与逻辑的转换,
由于采用单端输入和公共信号地线,容易引进干扰,为了保证数据传输的正确,RS-232C总线的传送距离一般不超过 15m,传送信号速率不大于 20kbps.
85
86
C1?
C1?
C2?
C2?
T1IN
T2IN
R1OUTR
2OUT
V+
V-
T1OUT
T2OUT
R1INR
2IN
+5V
1.0 F?
F?
F?
F?
F?
1.0
1.0 1.0
1.0
+10V
-10V
TTL/CMOS
TTL/CMOS
RS-232
RS-232
VCC
MAX232 连线图当计算机采用 RS232标准时必须通过 电平转换,MAX232是 EIA和 TTL电平转换芯片,内部具有电压提升 电路,并有 两路接收器和发送器,其引脚和连线如图：
87
需要指出的是,一般 PC机如 Intel8088/8086～
80586等各种 CPU内均没有串行接口,因此在进行串行通信时,都 需配备适当的接口适配器,如
Intel8250,Intel8251等,以完成 CPU与串行接口之间发送数据的并 /串转换与接收数据的串 /并转换,
作为自动化系统的设计者,一般并不关心已成为计算机标准配臵的 RS-32C接口的内部电路,更关心如何利用 PC机的 RS-32C接口构建与外部其它计算机
(包括本身带有串行接口的单片微型计算机 )或数据通信设备的串行通信问题,
88
4,RS-232C的应用
RS-232C总线标准中包含 两个信道 ——主信道和次信道,表 8-2中仅给出了常用的主信道接口信号,根据具体的应用场合不同,RS-232C通信主要有以下几种连接方式,
89
(1)MCS-51之间 的双机通信
RXD
TXD
GND
TXD
GND
8xx51 8xx51
90
(2)PC机与单片机之间的通信网络这种模式是把以 单片机为核心的智能式测控仪表作为从机 (又称下位机 ),完成对工业现场的数据采集和控制任务,而 PC机作为主机 (又称上位机 )将上传数据和下达指令以实现集中管理和最优控制,
图 10-20给出了 PC机与 多个单片机 构成的 RS-232C
通信网络示意图,PC机作主机,n个单片机智能仪表为从机,构成了主从方式的 RS-232C串行总线网络,PC
机串行口给出的已是标准的 RS-232C电平,而 单片机则为 TTL电平,采用 MAX232芯片就可实现电平的转换和驱动 (可参考图 10-16).
91
PC机和 单个 单片机的通信
VCC
EA
RST
XTAL1
XTAL2
TxD/P3.1(11)
RxD/P3.0(10)
89C51
C1
C2
T1IN(11)
R1OUT(12)
R1IN(13)
T1OUT(14)
V-(6)
V+(2)
Vcc(16)
C3
C4
C5
GND
GND(15)
C1=C2=C3=C4=C5=1μF
MAX232
1
5
PC机
COM1
或
COM2
1
2 RxD
3 TxD
4
6
7
8
9
+5V
+5V
C1+(1)
C1-(3)
C2+(4)
C2-(5)
92
IBM P C
RS-
232C
TX D
RX D
T1 OUT R1 IN
M AX 23 2
T1 IN R1 OUT
T1 OUT R1 IN
M AX 23 2
T1 OUT R1 IN
M AX 23 2
TX D RX D
机从#1 机从#2 n# 从机
TX D RX D TX D RX D
T1 IN R1 OUT T1 IN R1 OUT
图 1 0 - 2 0 PC 机与多个单片机构成的 RS -232 C 通信网络
GND
GND GND GND
单片机 单片机 单片机
232 电平
TTL 电平
93
6.4.2 RS-422/485通信总线
RS-232C虽然使用很广,但由于推出时间比较早,所以在现代通信网络中已暴露出明显的缺点,
主要表现在,传送速率不够快；传送距离不够远；
未明确规定连接器；接口使用非平衡发送器和接收器；接口处各信号间容易产生串扰,
所以 EIA在 1977年作了部分改进,制定了新标准 RS-449：除了保留与 RS-232C兼容外,还在 提高传输速率,增加传输距离,改进电气特性 等方面做了很多努力,增加了 RS-232C没有的环测功能,明确规定了连接器,解决了机械接口问题,
在 RS-449标准下,推出的子集有 RS-423A/RS-
422A,以及 RS-422A的变型 RS-485.
94
由于 RS-232-C的数据传送速率不高 (20000bps以内 )、距离不长 (15m以内 )且在接口处各信号间容易串扰等缺点,因而美国电子工业协会 EIA使制定了 RS-
499,RS-422-A,RS-423-A和 RS-485串行接口标准,
1.RS-499接口 (了解 )
RS-499标准规定,信号导线上传送的是 差分信号,可在 4000英尺的 24-AWG双绞线上进行数字通信,速率可达 90000波特,
95
2.RS-422-A接口 (重要 )
RS-422是从 RS-232改进而来,是一种以 平衡方式传输的标准,每路信号使用 一对双绞线,将其中一线定义为 A(Y),另一线定义为 B(Z),根据 AB(YZ)之间的电位差来确定接收 (发送 )数据的逻辑电平,并通过 平衡发送器 和 差动接收器 完成逻辑电平和电位差之间的转换,
大多数编辑录像机都采用 RS-422接口标准,通过 DB-9
接口与编辑控制器或其他编辑录像机连接,
96
RS-423A/RS-422A总线标准的数据线也是 负逻辑且参考电平为地,与 RS-232C规定为 -15～ +15V有所不同,
这两个 标准规定为 -6～ +6V.
与 RS-232C的 单端驱动非差分 接收方式 相比,RS-423A
是一个 单端驱动差分 接收 方式,而 RS-422A则是 平衡驱动差分 接收 方式,因此 抗干扰能力一个比一个强,数据传送速率与传送距离也更快、更远,
RS-423A在传送速率为 1kbps时,传送距离可达 1200m,
在速率为 100kbps时,距离可达 90m；
RS-422A可以在 1200m距离内把传送速率提高到
100kbps,或在 12米内提高到 10Mbps.图 7-21给出了 RS-
232C/RS-423A/RS-422A的数据传送电气接口电路,
97
98
图 (a)为 RS-232C所采用的 单端发送,单端接收电路,该电路的特点是 传送信号只用一根导线,对于多路信号线,其 地线是公共的,因此,它是最简单的连接结构,但缺点是 易受干扰信号的影响,
图 (b)所示 RS-423A采用了 单端发送,双端接收 的传送方式,
如利用差分接收器的另一端接发送端的信号地,因而大大地 减少了地线的干扰,
图 (c)所示 RS-422A则更进一步采用了 双端发送,双端接收的传送方式,如,这种平衡驱动和差分接收方法 从根本上消除了地线干扰,这种发送器相当于两个单端发送器,它们的输入是同一个信号,而一个发送器的输出正好与另一个反相,当干扰信号作为共模信号出现时,接收器则接收差分输入电压,只要接收端具有足够的抗共模电压工作范围,它就能识别这两种信号而正确接收传送信号,
RS-423A/RS-422A的另一个优点是允许传送线上 连接多个接收器,虽然在 RS-232C系统中可以使用多个接收器循环工作,
但它每一时刻只允许一个接收器工作,RS-423A/RS-422A可允许
10个以上接收器同时工作,
99
3,RS-485总线 (常用,1983年提出 )
在许多工业过程控制中,往往 要求用最少的信号线来完成通信任务,目前 广泛应用 的 RS-485串行接口总线就是为适应这种需要应运而生的,它实际就是 RS-422总线的变型,二者不同之处在于：
RS-422为全双工,采用两对差分平衡信号线 ；
RS-485为半双工,只需一对平衡差分信号线,
RS-485更适合于 多站互连 (已经具备了现场总线的概念 ),一个 发送驱动器 最多可连接 大于 32个负载设备,负载设备可以是被动发送器、接收器和收发器,其电路结构是在 平衡连接的电缆上挂接发送器、接收器或组合收发器,且在电缆两端 各挂接一个终端电阻用于消除两线间的干扰,
100
图 6-22给出了 RS-485与 RS-422总线两种数据传送方式,
图 (a)为 RS-485半双工 连接方式,任一时刻只能有 一个站发送数据,一个站接收数据,因此,其 发送电路必须由使能站加以控制,
图 (b)由于是 RS-422全双工 连接方式,故 两站都可以同时发送和接收,
(1)传送方式
101
102
(2)接口电路与 RS-232C标准总线一样,RS-422和 RS-485两种总线也需要 专用的接口芯片 完成电平转换,MAX481E/ MAX488E分别是只用 +5V电源的 RS-485/RS-422的 8引脚收发器,其结构及引脚如图 7-23所示,
两个芯片的共同点是都含有 一个发送器 D和一个接收器 R,
其中 DI是发送输入端,RO是接收输出端,图 (a)中只有 两根信号线 A和 B,信号线 A为同相接收器输入和同相发送器输出,信号线 B为反相接收器输入和反相发送器输出,由于是 半双工,
所以有发送与接受的 使能端 DE与引脚,
图 (b)中,有两对 4根信号线 A,B和 Y,Z,其中 A,B专用作接收器输入,A为同相,B为反相；而 Y,Z专用作发送器输出,Y为同相,Z为反相,所以构成了 全双工通信,
103
RO
DE
DI
A
B
VCC
GND
RE
R
D
1
2
3
4
8
7
6
5
RO
Y
DI
A
B
VCC
GND
Z
R
D
1
2
3
4
8
7
6
5
(a)MAX481E/483E/485E/487E/1487E (b)MAX488E/490E
图 7-23 MAX481E/488E结构及引脚图
104
在控制领域中,以微处理器为核心构成的测控仪表的一个 重要技术指标就是具有串行通信接口功能,以前主要是采用 RS-232C接口,现在无一例外地是 RS-485接口,
图 7-24给出了 AT89C52单片机与芯片 MAX487E构成的
RS-485接口电路,用单片机的 P1.7口控制 MAX487E的数据发送和接收,
105
图 6-24 单片机系统中的 RS-485接口电路
P0.0
P0.1
P0.2
P0.3
P0.4
P0.5
P0.6
P0.7
P2.0
P2.1
P2.2
P2.3
P2.4
P2.5
P2.6
P2.7
RD
WR
PSEN
ALE/P
TXD
RXD
AT89C52
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
EA/VP
XTAL1
XTAL2
RESET
INT0
T0
T1
INT1
RO
DE
DI
A
B
V CC
GND
RE
R
D
1
2
3
4
8
7
6
5
MAX487E
106
当 数据发送 时臵 P1.7为高电平,则 使能端 DE=1打开发送器 D的缓冲门,发自单片机 TxD端的数据信息经 DI端分别从 D
的同相端与反相端传到 RS-485总线 上,
当 接收数据 时把 P1.7臵于低电平,此时 使能端 RE*=0打开接收器 R的缓冲门,来自于 RS-485总线上的数据信息分别经 R
的同相端与反相端从 RO端传出 进入单片机 RXD端,
RS-485总线上的 A正 (高 )B负 (低 )电平对应的是 逻辑
,1”,而 RS-485总线上的 A负 (低 )B正 (高 )电平对应的是 逻辑
,0”.一般地,A与 B之间的正负 (高低 )电压之差在 0.2～ 2.5V
之间,
107
(3)通信网络图 6-25为以 PC机作主机,n个单片智能设备为从机、
工作于主从方式的 RS-485总线网络 的结构图,利用 PC机配臵的 RS-232C串行端口,外配一个 RS-232C/RS-485转换器,
可将 RS-232C信号转换为 RS-485信号,每个从机通过
MAX487E芯片 构建 RS-485通信接口,就可挂接在 RS-485总线网络上,总线端点处 并接的两个 120Ω 电阻用于消除两线间的干扰 (终端阻抗匹配 ).RS-485总线网络传输距离 最远可达 1200m(速率 100 kb/s)、传输速率最高可达
10Mb/s(距离 12 m).至于在网络上最多允许挂接多少个从机,这主要取决于 232/485转换器的 驱动能力 与 485接口芯片的输入阻抗与驱动能力,如果再加上中继站,可以增加更多的从机数量,
108
109
台达变频器 VFD-L
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泓格 I7520
RS232－ >RS485转换
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4.20mA电流环串行接口
20mA电流环路串行接口也是目前串行通信广泛使用的一种接口电路,但未形成正式标准,由于其抗干扰能力强和传输距离远的特点,要比 RS-232-C接口优越得多且简单得多,
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本章小结计算机控制网络,即网络化的计算机控制,已成为当今自动化领域技术发展中的热点,
本章首先介绍了计算机控制网络的数据通信基础知识,包括数据通信系统、数据传输编码、多路复用技术、通信同步技术与常用传输介质,然后阐述了网络拓扑结构、网络控制方法与差错控制技术等通信网络技术,并简述了网络体系结构标准 ——开放系统互联参考模型 OSI/RM的七层组成及其功能,最后分析讨论了两种工业控制常用的串行通信总线 ——RS-232C总线和 RS-485总线 的接口电路及通信网络,
