1.2 工业以太网技术的发展现状

1.2.1 工业以太网标准化进程

1、商用以太网的优势：

开放性：采用公开的标准和协议

平台无关性：可以选择不同厂家、不同类型的设备和服务

提供多种信息服务：Email、WWW、FTP等多种信息服务

图形用户界面：操作简单，易学易用

2、目前还不统一，可能形成多种类型的协议标准，分别由主要的现场总线生产厂家和集团支持开发。

中国的EPA成为一种工业以太网标准

1.2.2 EPA的国际标准化进程

《用于工业测量与控制系统的EPA(Ethernet For Plant Automation)系统结构与通信规范》（以下简称《EPA标准》），是在国家“863”计划CIMS主题系列重点课题的支持下，由浙江大学、浙江中控技术股份有限公司、中国科学院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、清华大学、大连理工大学、上海工业自动化仪表研究所、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、北京华控技术有限责任公司等单位联合制定的用于工厂自动化的实时以太网通信标准。EPA标准在2005年2月26日经过国际电工委员会IEC/SC65C的投票已作为公共可用规范（Publicly Available Specification，PAS）IEC/PAS 62409标准化文件正式发布，并作为公共行规（Common Profile Family 14, CPF 14）列入正在制定的实时以太网应用行规国际标准IEC61784-2和正在修订的现场总线国际标准IEC61158（第四版）。

1.2.3 工业以太网正在成为工业控制网络的主流技术

以太网用于工业控制的主要优势：

1.通信速率高

2. 采用双工星形网络拓扑结构和以太网交换技术。

3. 应用广泛

4. 成本低廉

5. 软硬件资源丰富

6. 可持续发展能力强

7. 易于实现管控一体化

1.2.4 以太网用于工业控制需要解决的问题

与商业以太网相比，工业以太网具有特殊要求：

1. 要求高实时性与良好的时间确定性

2. 传送信息多为短帧信息，且信息交换频繁

3. 容错能力强，可靠性安全性好

4. 控制网络协议简单实用，工作效率高

5. 控制网络结构具有高度分散性

6. 控制设备的智能化与控制功能的自制性

7. 与信息网络之间有高效的通信，易于实现与信息网络的集成。

8. 设备的可靠性与环境的适应性

9. 远距离传输

10. 总线供电

11. 本安防爆

12. 网络安全性

13. 互操作性

表1-1 工业以太网设备与商业以太网设备间的区别

1.2.5 以太网用于工业控制技术的问题正在逐渐解决

1. 网络传输时间的确定性问题已基本解决

原因：

通信速率的提高－－-网络负荷减轻，碰撞减少

以太网交换技术的发展－－-每个节点提供独立带宽

全双工通信技术－－-提供发送和接收的专用通道

时分复用技术

2. 网络传输的实时性问题已逐渐消除

原因：

以太网通信速率的提高－－-减轻网络负荷，减少碰撞。

交换式以太网技术－－-多个网上设备之间同时进行通信。

3. 总线供电技术正在逐步成熟

通过以太网电缆提供电源。2003年6月IEEE最终批准了IEEE802.3af标准。该标准定义了一种允许通过以太网在传输数据的同时输送直流电源的方法，它能安全，可靠的将以太网供电技术引入现有的网络基础设施中，并且和原有的网络设备相兼容。

4. 本安防爆主导理论的研究有所突破

限制电缆的长度和总线的负载数量

采用低功耗芯片降低以太网耗电量，使电缆的分布电感，电容大幅度下降。

采用线状结构，支路的电源负载是确定的

1.3 工业以太网与工业IT

1.3.1 现代计算机技术对控制技术的影响

计算机控制技术的发展大体分为三个阶段：

试验阶段：1965年以前。

实用普及阶段：1965年到1969年。

大量推广分级控制阶段：1970年以后。

控制系统发展历史：

第一代控制系统：气动信号控制系统PCS

第二代控制系统：4~20mA等电动模拟信号控制系统

第三代控制系统：数字计算机集中式控制系统

第四代控制系统：集散式分布控制系统DCS

第五代控制系统：现场总线系统FCS

第六代控制系统：工业以太网控制系统

计算机控制技术经历的三个阶段：

1.集中式控制

2.分散式控制

3.分布式控制，即开放性，网络化的控制系统

1.3.2 工业控制网络的发展趋势

1. 嵌入式技术成为控制网络技术的重要支撑

嵌入式系统实际上就是一个集成化的计算机系统，并且逐步走向网络化应用。其核心就是集成了数据处理和系统管理能力以及网络功能的微处理器系统。

嵌入式系统实现网络功能的方法：

（1）通过直接在自动化设备上集成网络软\硬件来实现TCP/IP的接口与网络互联。

（2）使自动化设备经过信息转换后，通过公共的TCP/IP接口与网络互联。

2. 多现场总线并存向工业以太网技术为主体的方向发展

目前多种现场总线标准并存的原因是多反面的，但主要是技术和商业两方面的因素。

目前工业以太网已从信息层渗透到控制层和管理层，开始成为现场总线网络的一员，逐步向现场级深入发展。同时八种现场总线都在各自修改其应用层协议，支持TCP/IP规范，争取通过高层协议达到相互兼容的目的。

3. 集成是现场控制网络发展的主题

（1）多现场总线的集成

相互兼容，多种现场总线集成起来协同完成测控任务。

（2）多系统组成

现场总线控制系统与传统控制系统的集成，各种现场总线之间的集成。体现在：现场通信协议、数据交换、组态、监控、操作的统一。

（3）多技术集成

包括设备互操作技术、OPC技术、Ethernet进入工业现场技术、TCP/IP进入工业现场技术、现场总线设备管理技术。

4. 有线与无线的融合是控制网络技术发展潮流

在工业控制中无线通信的优势：

（1）网络无需人的参与，自动建立连接进行数据通信。

禁用电缆的工业环境（超净或真空封闭的房间）

难以使用电缆的环境（高速旋转设备、强腐蚀环境）

（2）无需电缆，组网灵活方便，增加了现场设备的可移动性、网络结构的灵活性和现场应用多样性。

（3）现场设备易于安装、维护和使用。

无线通信系统必须根据其具体的应用现实环境，对各层所采用的机制进行组合优化，以求得最好的综合通信性能。

综上所述，得到如下结论：

（1）无线传输进入工业控制领域的趋势毋庸置疑。

（2）无线技术的首要应用范围。

（3）主要集中在无线局域网和无线短程网

（4）无线是有线的一种发展和重要补充，而不是替代。

（5）评估可行性

（6）无线通信的标准，有些已颁布并被市场接受，有的还在制定，发展和市场开发值得重视。

1.3.3 控制网络技术的发展推动了综合自动化系统的广泛应用

综合自动化系统是现代化工厂自动化的发展方向。在完整的综合自动化网络架构中，控制网络模型应涉及从低层现场设备到上层管理。

目标：经济指标

核心技术：生产过程优化运行、优化控制与优化管理

综合自动化系统一般来讲是一个多层次递阶的集成控制系统，通常分为三层模型结构，（ERP-MES-PCS），典型的网络体系结构如图1-2所示。

1.企业资源计划系统Enterprise resource planning

企业经营管理功能：人力资源管理、财务管理、生产数据管理、生产计划管理、生产作业计划管理

2.生产执行系统manufacturing execution system

是处于计划层与控制层之间的执行层，对生产和经营管理活动中产生的信息进行转换、加工、传递，是生产和经营管理活动信息集成的重要桥梁和纽带。

3过程控制系统process control system

处理对象是与生产过程有关的局部系统，生产装置、生产过程的控制和优化、生产系统的调度等

目标是在总体指标的约束下，使某局部生产过程处于最优运行状态。

包括，集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）、工业以太网控制系统（IECS）、传统的模拟控制系统（APC）以及变送器、执行机构、在线分析仪等现场设备。

2．数据通信基础（工业数据通信与控制网络）

2.1 工业数据通信系统的基本组成

2.1.1工业数据通信系统基本概念

1、数据^【3】

我们经常说“水的温度40℃，礼物的重量500克，木头的长度2米，大楼的高度10层”。通过水、温度、40℃、礼物、重量、500克、木头、长度、2米、大楼、高度、10层这些关键词，我们的大脑里就形成了对客观世界的印象。这些约定俗成的字符或关键词就构成了我们探讨的数据基础，我们提到关键词必须是人们约定俗成的。这就表示不同阶级、不同宗教、不同国家的人对于关键词的约定必然会有差异。由此我们可以推导出数据其实也具有一个使用范围。不同领域的人在描述同一事物会出现不同的数据。例如，中国人会称每个星期的最后一天为“星期天”，美国人会把这一天叫做“Sunday”，基督教徒会称这一天为“礼拜天”。数据的有范围性导致由此建立的信息世界、知识世界在不同的国家、不同的宗教、不同的阶级中会产生差异。认识到数据的有范围性可以帮助我们在一个领域进行知识管理时，首先要统一关键词或数据的约定。

最后我们对数据进行这样的定义：数据是使用约定俗成的关键词，对客观事物的数量、属性、位置及其相互关系进行抽象表示，以适合在这个领域中用人工或自然的方式进行保存、传递和处理。

2、工业数据

工业数据一般指与生产过程密切相关的数值、状态、指令等的表达。例如用数字1表示阀门开启命令，0表示阀门关闭命令；规定数字1表示生产过程处于非正常状态，0表示生产过程处于正常状态；以及表示温度、压力、流量、液位等的参数数值都是典型的工业数据。

3、数据通信

数据通信是两点或多点之间借助某种传输介质以二进制形式惊醒信息交换的过程，它是计算机与通信技术结合的产物。

4、数据通信系统

数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。比较典型的数据通信系统主要由数据终端设备、数据电路、计算机系统三部分组成，如图2-1所示。

图2-1 典型的数据通信系统

将数据准确、及时地传送到正确的目的地是数据通信系统的基本任务。数据通信技术主要涉及通信协议、信号编码、接口、同步、数据交换、安全、通信控制与管理等问题。

在工业数据通信系统中，监控计算机和具有通信能力的现场测量控制仪表是主要的通信设备，是构成控制网络的网络节点。自动化系统正是借助它们之间的数据交换来实现测量、控制、监视、操作等功能。数据通信系统主要负责将数据按编码格式在两点之间准确传输，一般并不对数据内容进行任何操作。图2-2为工业数据通信系统得一个简单示例。图中的温度变送器（发送设备）将生产现场运行的温度测量值送到监控计算机（接收设备）。这里的报文内容为所传送的温度值，中间的连接电缆为传输介质，通信协议则是事先已软件形式存在于计算机和温度变送器内的一组程序。可以认为，这种数据通信系统实际上是一个软硬件的结合体。

图2-2 工业数据通信系统得一个简单示例

非常好，这个必须顶！

2.1.2广义通信系统模型

由香农（C. E. Shannon）定义的广义通信系统模型如图2-3所示。其中信源为待传输数据信息的产生者。发送器将信息变换为适合于信道上传输的信号，而接收器的作用与之相反。

（1）比特率

比特（bit）是数据信号的最小单位。每秒传输数据的二进制位数为比特率，记作bps。常用来表示系统实际的数据传送能力。

（2）波特率

波特（baud）指信号大小方向变化的一个波形。每秒传输信号的个数，即每秒传输信号波形的变化次数为波特率，记作baud。常用来表示传输频带宽度。

二者区别：

比特率=波特率×单个调制状态对应的二进制位数

显然，两相调制(单个调制状态对应1个二进制位)的比特率等于波特率；四相调制(单个调制状态对应2个二进制位)的比特率为波特率的两倍；八相调制(单个调制状态对应3个二进制位)的比特率为波特率的三倍；依次类推。

2、频带利用率

指单位频带内的传输速度。单位：bps/Hz，即每赫兹带宽所实现的比特率。

3、协议效率

指所传输的数据包中的有效数据位与整个数据包长度的比值。单位：%，从通信系统的分层参考模型看，减少层次可以提高编码效率。

4、通信效率

为数据帧的传输时间同用于发送报文的所有时间之比。数据帧的传输时间取决于：数据帧长度、比特率、节点间距离，发送报文的所有时间包括：竞用总线等待时间、数据帧传输时间、发送维护帧时间。

2.2.2可靠性指标

误码率是二进制码元在数据传输系统中被传错的概率， ，其中N为码元总数，N_e为被传错的码元数。

注意：

（1）是衡量正常工作状态下传输可靠性的参数。

（2）对于实际系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际要求提出误码率要求。因为系统传输速率确定后，误码率越低，设备越复杂，造价越高。

（3）实际中，对一种通信信道进行大量重复的测试，求出平均误码率：电话线路传输速率300—2400bps，平均误码率10^-4—10^-6；4800—9600时，平均误码率10^-2—10^-4。而计算机通信的平均误码率要求低于10^-9。因此，普通通信信道若不采用差错控制，则不能满足计算机通信的要求。

2.2.3通信信道的频率特性

频率特性描述通信信道在不同频率的信号通过后，其波形发生变化的特性。分为幅频特性和相频特性。

幅频特性指在不同频率的信号通过信道后，其幅值受到不同衰减的特性；相频特性指在不同频率的信号通过信道后，其相角发生不同程度改变的特性。

理想信道的特性应该是对不同频率的信号产生均匀的频率特性和线性的相位特性。而实际信道的频率特性并非理想特性，是由于传输线路非理想线路，实际的传输线路存在电感、电容，其阻抗随频率而改变，故信号的各次谐波幅值衰减不同，相角变化不同。

2.2.4介质带宽

通信系统中所传输的数字信号可以分解成无穷多个频率、幅度、相位各不相同的正弦波。信号所含频率分量的集合称为频谱，频谱所占的频率宽度称为带宽。

实际传输介质的带宽是有限的，只能传输某些频率范围内的信号。以一定的幅度门限为依据，将在接受端能收到的那部分主要信号的频谱从原来无穷大频谱中划分出来，形成有效频谱，其频带宽度称为有效带宽。一种介质只能传输有效带宽在介质带宽范围内的信号。如果介质带宽小于有效带宽，信号就可能失真，如图2-4所示。当传输速率升高时，信号的有效带宽会增加，需要更大的介质带宽。

图2-4 传输介质带宽

2.2.5信道容量

是在通信信道上可靠地传输信息时能够达到的最大速率，其单位为比特每秒、奈特每秒等等。

数据传输的速率应低于信道容量，即使超过一点，其传输也不能正常进行。

2.2.6信噪比对信道容量的影响

所谓信噪比就是指有用信号功率S和噪声功率N的比值，记作S/N，用 表示，单位分贝（dB）。

信道容量 ，单位bps，可见，介质带宽和信噪比均可提高信道容量，但随着介质带宽的增加，噪声功率也会增大。

2.3数据编码^【1】

工业数据通信系统的任务实传送数据或指令等信息，数据通常以离散的二进制0、1序列的方式表示，用0、1序列的不同组合来表达不同的信息内容。例如，2位二进制码的四种不同组合00、01、10、11可分别表示某控制电机处于断开、闭合、出错、不可用4种工作状态^【2】。

通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来，必须被通信各方认同和理解。已经存在多种编码，有：1838年Morse码、BCD码、ASCII码。在工业数据通信系统中还有大量不经过任何编码而直接传送的二进制数据，例如经A/D转换形成的温度、压力测量值、控制开关位置的0和1信号等。

码元是所传输的基本单位。在计算机网络通信中所传输的大多为二元码。数据编码是指通信系统中以何种物理信号的方式来表达数据。有模拟和数字数据编码。

2.3.1模拟数据编码

模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0、1状态。载波信号 ，其中幅度 ，频率 ，相位 是描述模拟信号的特征参数，可以通过改变这三个参数，实现模拟数据编码。

模拟数据编码的三种方法：

（1）幅移键控ASK（amplitude-shift keying）

用不同幅值的载波信号表示两个二进制数值。用有载波信号表示1，用无载波信号或载波信号幅值为零表示0。

幅移键控容易实现，技术简单，采用电信号传输时，抗电磁干扰能力较差，调制效率低。光线介质上常采用幅移键控。

（2）频移键控FSK（frequency-shift keying）

频移键控是利用两个不同频率F1和F2的振荡源来代表信号1和0。用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B=2xF+2Fb，xF是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以二进制频移键控的信号带宽B较大，频带利用率小。

容易实现，技术简单，抗电磁干扰能力强，是最常用的调制方式。

（3）相移键控PSK（phase-shift keying）

在相移键控中，用载波信号的相位偏移表示数据，载波相位受数字基带信号的控制，如在二进制基带信号中为0时，载波相位为0，为1时载波相位为π，载波相位和基带信号有一一对应的关系。

相移键控调制技术在数据传输中，尤其是在中速和中高速的数传机（2400bit/s～4800bit/s）中得到了广泛的应用。相移键控有很好的抗干扰性，在有衰落的信道中也能获得很好的效果。分为绝对相移键控和相对相移键控

2.3.2 数字编码波形

数字信号可以直接采用基带传输。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，它是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。基带传输时，需要解决的问题是数字数据的数字信号表示及收发两端之间的信号同步两个方面。用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。

1、数字数据的数字信号表示
　　对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。

a)单极性脉冲

c)单极性归零脉冲

d)双极性归零脉冲

e)交替双极性归零脉冲

图2-6  数字编码波形

a)单极性不归零码，无电压表示"0"，恒定正电压表示"1"，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。

b)双极性不归零码，"1"码和"0"码都有电流，"1"为正电流，"0"为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。

c)单极性归零码，当发"1"码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发"0"码时，仍然不发送电流。

d)双极性归零码，其中"1"码发正的窄脉冲，"0"码发负的窄脉冲，两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。

2、归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点

不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。

单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。

3、  差分码

用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”的编码。电平变化代表‘1”．不变化代表“0”，按此规定的编码方式形成的编码称为差分码。

4、曼彻斯特编码

曼彻斯特编码，常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示"1"，从低到高跳变表示"0"。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示"0"或"1"，有跳变为"0"，无跳变为"1"。

两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

就是说主要用在数据同步传输的一种编码方式。

【在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分1和0，即用正的电压跳变表示0，用负的电压跳变表示1。因此，这种编码也称为相应编码。由于跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位同步时钟，因此，这种编码也称为自同步编码。】

曼彻斯特编码的编码规则是:

在信号位中电平从低到高跳变表示1

在信号位中电平从高到低跳变表示0

差分曼彻斯特编码的编码规则是:

在信号位开始时不改变信号极性，表示辑"1"

在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑"0"

曼切斯特和差分曼切斯特编码是原理基本相同的两种编码，后者是前者的改进。他们的特征是在传输的每一位信息中都带有位同步时钟，因此一次传输可以允许有很长的数据位。

曼切斯特编码的每个比特位在时钟周期内只占一半，当传输“1”时，在时钟周期的前一半为高电平，后一半为低电平；而传输“0”时正相反。这样，每个时钟周期内必有一次跳变，这种跳变就是位同步信号。

差分曼切斯特编码是曼切斯特编码的改进。它在每个时钟位的中间都有一次跳变，传输的是“1”还是“0”，是在每个时钟位的开始有无跳变来区分的。

差分曼切斯特编码比曼切斯特编码的变化要少，因此更适合与传输高速的信息，被广泛用于宽带高速网中。然而，由于每个时钟位都必须有一次变化，所以这两种编码的效率仅可达到50%左右 。

2.4数据通信方式

2.4.1串行传输和并行传输

1、并行通信

是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时传输，每位单独使用一条线路，每组数据传输时，由一条附加的选通锁存信号线来通知接收端，作为双方的同步之用。如用ASCII码编码的符号是由8位二进制数表示的，则并行传输ASCII编码符号就需要8个传输信道，使表示一个符号的所有数据位能同时沿着各自的信道并排的传输。

特点：

（1）传输速度快:一位（比特）时间内可传输一个字符；

（2）通信成本高:每位传输要求一个单独的信道支持；因此如果一个字符包含8个二进制位，则并行传输要求8个独立的信道的支持；

（3）不支持长距离传输:由于信道之间的电容感应，远距离传输时，可靠性较低。

2、串行通信

是指数据流以串行的方式，按位有序的对字符在一条信道上传输。

特点：

（1）传输速度较低，一次一位；

（2）通信成本也较低，只需一个信道。

（3）支持长距离传输，目前计算机网络中所用的传输方式均为串行传输。

2.4.2同步传输与异步传输

同步传输和异步传输是串行通信中使用时钟信号的不同方式。异步传输中每个节点都有自己的时钟信号，每个节点在时钟频率上保持一致；同步传输中所有设备使用一个共同的时钟，始终可以是内部的也可以是外部的，可以是固定频率的也可以是周期切换的。

1、异步传输

通常，异步传输是以字符为传输单位，每个字符都要附加 1 位起始位和 1 位停止位，以标记一个字符的开始和结束，并以此实现数据传输同步。所谓异步传输是指字符与字符(一个字符结束到下一个字符开始)之间的时间间隔是可变的，并不需要严格地限制它们的时间关系。起始位对应于二进制值 0，以低电平表示，占用 1 位宽度。停止位对应于二进制值 1，以高电平表示，占用 1~2 位宽度。一个字符占用 5~8位，具体取决于数据所采用的字符集。例如，电报码字符为 5 位、ASCII码字符为 7 位、汉字码则为8 位。此外，还要附加 1 位奇偶校验位，可以选择奇校验或偶校验方式对该字符实施简单的差错控制。发送端与接收端除了采用相同的数据格式(字符的位数、停止位的位数、有无校验位及校验方式等)外，还应当采用相同的传输速率。典型的速率有：9 600 b/s、19.2kb/s、56kb/s等。

异步传输又称为起止式异步通信方式，其优点是简单、可靠，适用于面向字符的、低速的异步通信场合。例如，计算机与Modem之间的通信就是采用这种方式。它的缺点是通信开销大，每传输一个字符都要额外附加2～3位，通信效率比较低。例如，在使用Modem上网时，普遍感觉速度很慢，除了传输速率低之外，与通信开销大、通信效率低也密切相关。

2、同步传输

通常，同步传输是以数据块为传输单位。每个数据块的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比特序列，标记一个数据块的开始和结束，一般还要附加一个校验序列(如16位或32位CRC校验码)，以便对数据块进行差错控制。所谓同步传输是指数据块与数据块之间的时间间隔是固定的，必须严格地规定它们的时间关系。

同步传输中的数据传输单位是帧，每帧含有多个字符，字符间没有间隙，字符前后也没有起始位和停止位。同步传输中的同步包括位同步、字符同步和帧同步。

2.4.3位同步、字符同步与帧同步

1、位同步

又称同步传输，它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。

目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，有下面两种方式:

外同步——发送端发送数据时同时发送同步时钟信号，接收方用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)，这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。

在外同步法中，接收端的同步信号事先由发送端送来，而不是自己产生也不是从信号中提取出来。即在发送数据之前，发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率，以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。

自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法。典型例子就是著名的曼彻斯特编码，常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示"1"，从低到高跳变表示"0"。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示"0"或"1"，有跳变为"0"，无跳变为"1"。

2、字符同步

以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制。每个字符的传输需要:1个起始位、5～8个数据位、1，1.5，2个停止位。

字符同步的性能评估：

频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步。

每两个字符之间的间隔时间不固定。

增加了辅助位，所以效率低。例如，采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其效率为8/11<72%。

3、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)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。

在工业数据通信系统中主要涉及位同步和帧同步。

2.5通信线路的工作方式

2.5.1单工通信

信道单向通信，信号只能向一个方向传输，发送端和接收端是固定的。举例：电视，广播

2.5.2半双工通信

信道的信号可以双向传输，当两个方向只能交替进行，不能同时进行。通信双方都可以是发送端和接收端，不过在任意时刻一方只能为一端。举例：对讲机

2.5.3全双工通信

信道可以同时进行双向传输，通信双方可以同时是发送端和接收端。举例：电话通信、计算机通信

2.6信号的传输模式

2.6.1基带传输

基带传输是指在基本不改变数据信号频率的情况下，在数字通信中直接传送数据的基带信号，即按照数据波的原样进行传输，不采取任何调制措施。

广泛应用、最基本的传输方式。

计算机局域网、工业控制网。

特点：

（1）按数据位流的基本形式传输传输；

（2）双绞线、同轴电缆、光缆

（3）成本低

（4）较高传输速率

（5）传输距离<=25km

（6）半双工或单工

2.6.2载波传输

先用数字信号对载波进行调制，然后进行传输的模式。

发送设备首先产生某个频率的信号作为基波来承载信息信号，这个基波成为载波信号，基波频率成为载波频率，然后按ASK、FSK、PSK进行调制后发送。

2.6.3宽带传输

与基带传输的区别：

传输速率不同，基带0~10Mbps，宽带0~400Mbps；

宽带网可划分多条基带信道。这种频带传输不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，而且能实现多路复用的目的，从而提高了通信线路的利用率。不过频带传输在发送端和接收端都要设置调制解调器。

2.6.4异步转移模式ATM

ATM (Asynchronous Transfer Mode) 译为异步转移模式，或称为异步传输模式、异步传送模式。它是一种传递模式，在这一模式中，信息被组成固定长度的信元在电信网中进行复用、交换、传输。它综合了电路交换和分组交换的优点，可以传送任意速率的宽带信号，可传输话音、数据、图象和视频业务。

ATM是B-ISDN的核心技术，是实现高速网络的主要技术。

异步转移模式ATM定义，归结为：

(1) 面向连接的快速分组交换技术（Connection-oriented， high-speed packet switching）。

(2) 基于固定长度信元的异步传输技术（53-byte celled streaming）。各种类型的信息流（包括语音、数据、视频等）均被适配成固定长度的（53字节）的"信元"（Cell）中进行传输。信元是同步定时发送的，但信元所包含的信息之间却是异步，即不保证原来的信息顺序到达目的地。

3．控制网络基础^【2】

3.1计算机网络^【13】

1、定义

就是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。

计算机网络：资源子网＋通信子网

资源子网：主机Host＋终端Terminals

通信子网：通信链路组成

网络节点：分组交换设备PSE、分组装／卸设备PAD、集中器C、网络控制中心NCC、网间连接器G。统称为接口住处处理机IMP

3.2控制网络^【2】

控制网络是一类特殊类型的计算机网络，是用于完成自动化任务的网络系统。

节点的设备类型

传输信息的种类

网络所执行的任务

网络所处的工作环境

3.2.1控制网络的节点

大都是具有计算与通信能力的测控设备，当然也包括一般的PC、工作站。具体地讲，包括：

限位开关、感应开关等各类开关

条形码阅读器

光电传感器

温度、压力、流量、物位等各种传感器和变送器

PLC

PID等数字控制器

各种数据采集装置

作为监视操作设备的监控计算机、工作站及外设

各种调节阀

马达控制设备

变频器

机器人

作为控制网络连接设备的中继器、网桥、网关等

3.2.2控制网络的任务与工作环境

1、任务

现场生产设备的运行参数、状态及故障信息传送到控制室

各种控制、维护、组态命令等传送到现场测控设备

操作终端、上层管理网之间的数据连接和信息共享

基于web的远程监控

为现场设备供电

……

2、环境

强电磁干扰

机械振动

温度

化学物质

粉尘

……

3、特点

数据传输量相对较小

传输速率相对较低

短帧传送

实时性强

可靠性高

4、影响网络性能的因素

拓扑结构

传输介质的种类与特性

介质访问控制方式

信号传输方式

网络与系统管理