第2章 数据通信原理及基础课件.ppt

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1、工业通信网络技术和应用（工业现场总线）,主讲：莫太平,前置课程：数据通信基础、计算机网络等教材:许勇-工业通信技术-原理与应用，西安电子科技大学出版社，2012参考教材:许勇-工业通信技术-原理与应用，中国电力出版社，2008.9参考教材：阳宪惠-网络化控制系统-现场总线技术，清华大学出版社，2009.5教师:许勇Email:xuyguet.edu.eduTelephone: 229-1208,教材及参考资料,主要教学内容和学时分配,第1章 工业通信概论第2章 数据通信原理及基础第3章 总线接口技术介绍第4章 工控机与测控仪器接口总线第5章 工业通信常用技术第6章 常用的工业现场总线第7章 C

2、AN Bus和汽车网络第8章 工业以太网技术及应用,源系统,传输系统,目的系统,传输系统,源点,终点,发送器,接收器,输入信息,输出信息,第2章数据通信原理及基础,为有效而可靠地通信，通信双方必须按一定的规程进行，如双方的同步、差错控制、传输链路的建立、维护和拆除及数据流量控制等。通信系统：硬件（信道+结点/设备）；软件（通信协议）,数据（Data）：传递（携带）信息的实体。信息（Information）：是数据的内容或解释。信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播。模拟信号、数字信号基带（Base band）、宽带（Broad band）信道（Ch

3、annel）：传送信息的线路（或通路）。时延（Delay）：信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间发送时延=数据位数/信道带宽传播时延=d/s d:距离，s:介质中信号传播速度(0.7c),基本术语,协议,在计算机网络中，协议(protocol)是通信双方必须严格遵守的规则。协议精确地规定在网络通信中使用的各种控制信息的格式、意义以及各种事件出现的先后顺序。协议在通信网络中起着非常重要的作用：寻址差错控制流量控制 信道复用。,信号和信号传输,基带（基本频带） 传

4、输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲。近距离通信的局域网都采用基带传输，信号由矩形脉冲组成。,信号和信号传输,数字信号通过实际的信道,失真不严重失真严重,实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输入信号波形,输出信号波形(失真不严重),模拟传输和数字传输所使用的技术,1）,2）,3）,1) 使数字数据能在模拟信道上传输三种常用的调制技术：幅移键控ASK （Amplitude Shift Keying）频移键控FSK （Frequency Shift Keying）相移键控PSK （Phase Shift Keying）原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号 S(t) = A

5、cos(t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、初相位调制就是要使A、 或随数字基带信号的变化而变化,ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1FSK：用载波的两个不同频率表示0和1PSK：用载波的起始相位的变化表示0和1,2) 数字编码,3）使模拟数据能在数字信道上传输采样定理：如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。要转换的模拟数据主要是电话语音信号模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后

6、的信号称为PCM信号（脉码调制, Pulse Coded Modulation）。,脉码调制（PCM）的原理,PCM 输出：,001 001 100 011 111 100 001 100,数据传输的同步技术目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：同步脉冲频率数据从什么时候开始，什么时候结束位边界数据块边界数据通信中需要在三个层次上实现同步：位位同步字符字符同步帧(Frame)帧同步,位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，2种同步方法：外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码

7、信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,字符同步：找到正确的字符边界。常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：1个起始位、58个数据位、1、1.5或2个停止位采用这种同步方式的通信也称“异步通信”。起止式的优缺点：频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；每两个字符之间的间隔时间不固定；增加了辅助位，所以传输效率低；例如，采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其传输效率为8/1173,帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧（Frame）：数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块面向字符的以同步字符（SYN，16H）

8、来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧面向比特的以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧,7EH,7EH,信道： 物理层介质,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅无线电,调频无线电,海事无线电,光纤,电视,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022

9、 1024,移动无线电,电信用电磁波频谱-The Electromagnetic Spectrum,常用传输介质的比较,工业通信系统的可靠性,工业通信系统需要满足高可靠性和安全性需求。大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过95%。但是工业通信系统层次需要在干扰频繁的恶劣环境中工作，来自生产过程现场的模拟信号可能出错，传输中常混杂有干扰信号。可靠性要求：1）控制错误，和2）容错。即系统有足够的抗干扰措施，同时要求在无法完全避免错误的情况下，有差错控制机制。以保证系统能正常地工作。,常用的差错控制技术,信号在物理信道中传输时，线路/电器随机噪声、信号的衰减、频率和相位的畸变、信号在线路上反

10、射、相邻线路间 的串扰等都会造成信号的失真。噪声有两大类，一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声；另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。热噪声引起的差错称为随机差错，与前后码元没有关系。它导致的随机错通常较少。冲击噪声呈突发状，声幅度可能相当大，无法靠提高幅度来避免冲击噪声造成的差错。差错的控制方法：检错（纠错码）-纠错（出错重传）,差错控制编码,最常用的差错控制方法是差错控制编码。数据信息在向信道发送之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成一个检错码附在数据信息后发送，这个过程称为差错控制编码过程。接收端收到该码字后，检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错

11、发生，这个过程称为检验过程。差错控制编码可分为检错码和纠错码。差错控制方法分两类，一类是自动请求重发ARQ（Automatic Repeat reQuest） ，另一类是前向纠错FEC(Forwarding Error Correction)。在ARQ方式中，当接收端发现差错时，就设法通知发送端重发，直到收到正确的码字为止。ARQ方式只使用检错码。,1. 奇/偶校验码(1) 水平奇/偶校验码 校验字段占一位，也称校验位，常用于字符校验； 校验位的取值应使整个码字(包括校验位)中为“1”的位数 为奇(偶)数。传输时，形成的校验位附加在字符之后传输，可检一位错。 异步传输方式中采用偶校验，编码效率

12、: Q/(Q+1) 同步传输方式中采用奇校验。 （信息字段占Q位）例： 信息字段 奇校验码 偶校验码 0110001 01100010 0110001,（2） 垂直奇/偶校验码 将被传输的信息进行分组（如按字符分组）， 分组中的相同位进行奇/偶校验，可检一位错。 编码效率为: PQ/P(Q+1) （假设信息分组占Q行P列）,例如：4行7列信息组的垂直奇/偶校验码。 信息组： 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 垂直奇校验字符 0 1 0 1 1 0 1 垂直偶校验字符 1 0 1 0 0 1 0 01110010010

13、10101010111010101 0101101 (奇校验）,例：当约定采用水平/垂直奇/偶校验码来传输ASCII字符集（低位先传）时，若收到的序列“110010100010111010101011001001111001111111110011”传输是否正确？能否根据该序列指出实际传输的字符？,1分组区分校 验字段：1100101 00010111 01010101 10010011 11001111 11111001 1,2 偶校验1100101 00010111 01010101 10010011 11001111 11111001 1,3 纠错/解码（低位先传）1010011 -OC

14、123 : S1110100 -OC164 : t1110101 -OC165 : u1100100 -OC144 : d1111001 -OC171 : y,冗余码的计算举例,M,C,M,C,K,salt,要实现更多的功能， 就要付出更多的代价原始数据的一个映射（mapping），是冗余的，被增加信息量，完成的是附加的功能：检错、纠错、认证（数字签名等）,工业现场的干扰及对系统的影响,随着DCS、现场总线技术的应用，被控对象和被测信号往往是分布的，因此信号线和控制线均可能是易受干扰的长线。其次，工业现场往往有许多强电设备，他们的启动和工作将对测控系统产生强烈的影响。同时来自空间的辐射干扰、系

15、统外引线干扰等问题也存在。因此，除有用信号外，由于各种原因必然会有一些与被测信号无关的电流 或电压存在，这种无关的电流或电压通称为“干扰”（噪声）。有效地排除和抑制各种干扰，已成为必需探讨和解决的迫切问题，因为干扰不仅能造成逻辑混乱，使系统测量和控制失灵，以致降低产品的质量，甚至使生产设备损坏，造成事故。由于工业现场经常存在着多种干扰源，扰的形式与危害多种多样，而系统的结构与功能又是各式各样。因此，应当根据具体的实际系统采取相应的抗干扰措施。,信噪比,电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指无规则的干扰信号。信噪比的计量

16、单位是dB 信噪（功率）比=10Lg(PS/PN)，Ps和Pn分别代表信号和噪声的有效功率 换算成电压幅值的比率关系： 信噪（幅值）比=20Lg(Vs/Vn)，Vs和Vn分别代表信号和噪声电压的“有效值”,干扰源及作用,通信系统所受到的干扰源分为外部干扰和内部干扰。1）外部干扰：主要有三类：来自环境。雷电，电源电网的波动、大型用电设备的启停等暂态过程、高压设备和电磁开关的电磁辐射、还有人为干扰等；（大气层的天电噪声能量频谱主要集中在30MHz以下，对检测系统的影响较大。）来自来自电源的干扰：来自系统外引线的干扰主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰；来自接地系统混乱时的干扰。,2）内部干扰

17、：主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，有分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。细分有 机械干扰：是指机械振动或冲击使电子装置元件振动，改变系统电气参数。（可采用减振措施减小系统振幅。） 湿度及化学干扰：潮湿降低绝缘强度，加速金属材料腐蚀，产生原电池电化学干扰电压。热干扰：元件参数的变化（温漂）、接触热电势干扰等。固有噪声干扰：元件本身产生的、随机、宽频噪声称固有噪声。重要有电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声等。,干

18、扰的传播途径,常见的干扰耦合方式：静电耦合：电场通过电容耦合途径窜入其他线路的。两根并排的导线之间会构成分布电容，如印制线路板上印制线路之间、变压器绕线之间都会构成分布电容。磁场耦合：通过导体间的互感耦合产生的。任何载流导体周围空间都会产生磁场，而交变磁场则对其周围闭合电路产生感应电势。阻抗耦合（公共阻抗耦合）：发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响漏电流耦合：漏电电流产生的干扰,干扰的作用形式,干扰信号对系统的作用形式可分为串模干扰和共模干扰。（1）串模干扰：串模干扰指叠加在被测信号上的干扰噪声，即干扰源串联在信号源回路中

19、，（也称横向干扰或正态干扰，线间感应噪声、串模噪声或常模噪声）。（2）共模干扰：共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，（也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等）。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成的，共模干扰对系统的影响是转换成串模干扰的形式作用的。工业控制系统中的信号传输线通常长达几十米以至上百米，现场信号的参考接地点与计算机系统I/O通道的参考接地点间有电位差。即共模干扰。可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值达几伏甚至更高。,干扰的抑制,解决噪声干扰问题的硬件方法：屏蔽：屏蔽共分两种，即电场屏蔽及磁场屏蔽。隔离：隔离是使电路

20、相互独立，不成回路。有效地切断噪声通道，常用方法有三种：采用光电耦合器件；用继电器隔离（因为继电器的信号动作与控制触点动作分在两个电路中）；用隔离变压器隔离。滤波：用RC或LC滤波电路，消除或抑制直流电源传递的噪声。接地：“地线” 指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以接大地，也可以与大地隔绝。比如有信号地、模拟地、数字地和系统地等。,软件抗干扰技术数字滤波：加一段数字滤波程序， 有中位值法、平均值法和限幅滤波等；软件冗余/软件陷阱“看门狗”（watchdog）：控制器受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”。当指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境时，通常采用程序监视技术，又称，使失控的程序摆脱“死循环”。“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合实现。,