现场总线技术 刘泽祥主编 北京机械工业出版社

? 单极性码 ? 双极性码

?常用的数据表示方法 ?1)平衡、归零、双极性 ?2)平衡、归零、单极性 ?3)平衡、不归零、单极性 ?4)非平衡、归零、双极性 ?5)非平衡、归零、单极性 ?6)非平衡、不归零、单极性

?2．载带传输中的数据表示方法

?(1)调幅方式 调幅方式AM (Amplitude Modulation)又称为幅移键控法 ASK (Amplitude-Shift

Keying)

?(2)调频方式 调频方式FM (Frequency Modulation)又称为频移键控法FSK (Frequency-Shift Keying)

?(3)调相方式 调相方式PM (Phase Modulation)又称为相移键控法PSK (Phase-Shift Keying)

?2.1.6通信网铬的拓扑结构

?在分布控制系统中应用较多的拓扑结构是星型、环型和总线型。

?1．星型结构

?在星型结构中，每一个节点都通过一条链路连接到一个中央节点上去。任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。中央节点有一个开关装置来接通两个节点之间的通信路径。因此，中央节点的构造是比较复杂的，一旦发生故障，整个通信系统就要瘫痪。因此，这种系统的可靠性是比较低的，在分散控制系统中应用得较少。

?2．环型结构

?在环型结构中，所有的节点通过链路组成一个环形。需要发送信息的节点将信息送到环上，信息在环上只能按某一确定的方向传输。当信息到达接收节点时，该节点识别信息中的目的地址与自己的地址相同，就将信息取出，并加上确认标记，以便由发送节点清除。

?3．总线型结构

?所有的站都通过相应的硬件接口直接接到总线上。由于所有的节点都共享一条公用的传输线路，所以每次只能由一个节点发送信息，信息由发送它的节点向两端扩散。

?这种结构的网络又称为广播式网络。某节点发送信息之前，必须保证总线上没有其他信息正在传输。当这一条件满足时，它才能把信息送上总线。

?2.1.7网络传输介质

?网络中连接收发双方的物理通路，实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维、无线与卫星通信。 ?1） 物理特性:传输介质物理结构的描述;

?2） 传输特性:传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围; ?3）连通特性:允许点-点或多点连接 ?4） 地理范围:传输介质最大传输距离

?5） 抗干扰性:传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力。

?1.双绞线的主要特性 ?(1)物理特性

?双绞线由按规则螺旋结构排列的2根或4根绝缘线组成。一对线可以作为一条通信线路，各

个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小。 ?(2)传输特性

?双绞线最普遍的应用是语音信号的模拟传输。在一条双绞线上使用频分多路复用技术可以进行多个音频通道的多路复用。

?数据传输速率可达9600bit，24条音频通道总的数据传输速率可达230Kbit。

?(3)连通特性

?用于点-点连接，也可用于多点连接。 ?(4)地理范围

?双绞线用作远程中继线时，最大距离可达15km;用于l0Mbit/s局域网时，与集线器的距离最大为100m。 ?(5)抗干扰性

?双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。在低频传输时，其抗干扰能力相当于同轴电缆。在10—100kHz时，其抗干扰能力低于同轴电缆。 ?2·同轴电缆的主要特性 ?(1)物理特性

?它由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外部保护层组成。同轴介质的特性参数由内、外导体及绝缘层的电参数和机械尺寸决定。 ?(2)传输特性

?根据同轴电缆通频带，同轴电缆可以分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两类。基带同轴电缆一般仅用于数字数据信号传输。宽带同轴电缆可以使用频分多路复用方法，将一条宽带同轴电缆的频带划分成多条通信信道，使用各种调制方案，支持多路传输。宽带同轴电缆也可以只用于一条通信信道的高速数字通信，此时称之为单通道宽带。

?(3)连通特性

?同轴电缆支持点-点连接，也支持多点连接。宽带同轴电缆可支持数千台设备的连接; ?基带同轴电缆可支持数百台设备的连接。 ?(4)地理范围

?基带同轴电缆最大距离限制在几km范围内，而宽带同轴电缆最大距离可达几十km。 ?(5)抗干扰性

?同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。

?3.光缆的主要特性

?光缆是网络传输介质中性能最好、应用最广泛的一种。 ?(1)物理特性

?光纤是一种直径为50一100件m的柔软、能传导光波的介质，各种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道，多条光纤组成一束就构成光纤电缆。

?(2)传输特性

?光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。由于光纤的折射系数高于外部包

层的折射系数，因此可以形成光波在光纤与包层界面上的全反射。光纤可以看作频率从10'。一1O\的光波导线，这一范围覆盖了可见光谱与部分红外光谱。以小角度迸人的光波沿光纤按全反射方式向前传播。

?光纤传输分为单模与多模两类。所谓单模光纤是指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光纤传输。而多模光纤的光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多光纤传输。单模光纤性能优于多模光纤。

?(3)连通特性

?光纤最普遍的连接方法是点-点方式，在某些实验系统中也可采用多点连接方式。 ?(4)地理范围

?光纤信号衰减极小，它可以在6~8km距离内不使用中继器，实现高速率数据传输。 ?(5)抗干扰性

?光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，能在长距离、高速度传输中保持低误码率。双绞线典型的误码率在10\一10\。之间，基带同轴电缆为10\，宽带同轴电缆为10-。而光纤误码率可以低于10\。。光纤传输的安全性与保密性极好。

?2.1.8数据交换方式

?数据通信系统中通常采用三种数据交换方式： ? 线路交换方式 ? 报文交换方式 ? 报文分组交换方式

? 报文分组交换方式包含： ? 虚电路 ? 数据报

?1．线路交换方式

?在需要通信的两个节点之间事先建立起一条实际的物理连接，然后再在这条实际的物理连接上交换数据，数据交换完成之后再拆除物理连接。因此，线路交换方式将通信过程分为三个阶段:即线路建立、数据通信和线路拆除阶段。 ?2．报文交换方式

?报文交换以及报文分组交换方式不需要事先建立实际的物理连接，而是经由中间节点的存储转发功能来实现数据交换，有时又将其称为存储转发方式。

?3．报文分组交换方式

?报文分组交换方式交换的基本数据单位是一个报文分组。报文分组是一个完整的报文按顺序分割开来的比较短的数据组。由于报文分组比报文短的多，传输时比较灵活。特别是当传输出错需要重发时，它只需重发出错的报文分组，而不必像报文交换方式那样重发整个报文。 ?(1)虚电路方法 ?(2)数据报方法

?2.1.9介质访问控制方式

?在总线和环形拓扑中，网上设备必须共享传输线路。为解决在同一时间有几个设备同时争用传输介质，需有某种介质访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序，在设备之间交换数据。

?通信中对介质的访问可以是随机的，即各工作站可在任何时刻，任意地点访问介质;也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法调整各站访问介质顺序和时间。在随机访问方式中，常用

的争用总线技术为CSMA/CD；在控制访问方式中则常用令牌总线、令牌环，或称之为标记总线、标记环。

?1.CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)

?工作站的发送是随机的，必须在网络上争用传输介质，故称之为争用技术。若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信息，则这些信息会在传输线上相互混淆而遭破坏，称为 \冲突\。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是 \载波监听\。

?载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。一个站要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。如果介质是空闲的，则可以发送。如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。

?三种CSMA坚持退避算法:

?1）不坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送;假如介质是忙的，则等待一段随机时间，重复第一步。

?2） 1-坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送;假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，立即发送;假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。

?3）P-坚持CSMA。假如介质是空闲的，则以P的概率发送;假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，重复第一步。

?2.令牌 (标记)访问控制方式

?CSMA的访问存在发报冲突问题，产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决冲突问题，可采用有控制的发报方式，令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌(Token)的方法。谁得到令牌，谁才有发报权。令牌访问原理可用于环形网络，构成令牌环形网;也可用于总线网，构成令牌总线网络。

?(1)令牌环 (Token-Ring)方式

?某一瞬间可以允许发送报文的站点只有一个，令牌在网络环路上不断地传送，只有拥有此令牌的站点，才有权向环路上发送报文，而其他站点仅允许接收报文。站点在发送完毕后，便将令牌交给网上下一个站点，如果该站点没有报文需要发送，便把令牌顺次传给下一个站点。因此，表示发送权的令牌在环形信道上不断循环。环上每个相应站点都可获得发报权，而任何时刻只会有一个站点利用环路传送报文，因而在环路上保证不会发生访问冲突。

?(2)令牌传递总线 (Token-PassingBus)方式

?这种方式和CSMA/CD方式一样，采用总线网络拓扑，但不同的是在网上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环。每个工作站在环中均有一个指定的逻辑位置，末站的后站就是首站，即首尾相连。每站都了解先行站 (PS)和后继站 (NS)的地址，总线上各站的物理位置与逻辑位置无关。

?2.1.10差错控制

?分布控制系统的通信网络是在条件比较恶劣的工业环境下工作的，因此，在信息传输过程中，各种各样的干扰可能造成传输错误。这些错误轻则会使数据发生变化，重则会导致生产过程事故。因此必须采取一定的措施来检测错误并纠正错误，检错和纠错统称为差错控制。 ?突发错误；由突发噪声引起的，误码连续成片出现；

?随机错误：由随机噪声引起的，误码与其前后的代码是否出错无关。

?差错控制方法：

?在传输信息中附加冗余度