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第2章数据通信与网络基础第2章数据通信与网络基础2.0数据通信的基本含义2.1总线的基本概念2.2通信系统的基本概念2.3网络结构及传输介质2.4通信系统的协议模型2.5差错控制2.0数据通信的基本含义数据通信的基本含义是指在2个或2个以上相互独立的计算机类设备之间传递数字化信息。比如：工业控制机与PLC之间，计算机与手机、PDA之间，校园网中计算机与计算机之间等。在计算机内部的数据传递，如CPU与显示卡、CPU与硬盘之间等，一般不归于数据通信的范畴。2.0数据通信的基本含义在计算机等数字化设备中，信息的基本描述形式为二进制数，而目前最基本、最常用的表述形式为8位数据位。若在2台计算机之间传递一条信息，从信息传递的方式上看，可以采用串行通信方式或并行通信方式。2.0数据通信的基本含义一条信息的各位数据被同时传送的通信方式称为并行通信。并行通信的特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位就需多少根数据线，因此传送成本高，只适用于近距离（相距数米）的通信。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式称为串行通信。串行通信的特点是：各个数据位的传送是按位序顺序进行，最少只需一根数据传输线即可完成，成本低但传送速度慢。串行通信的距离可以从几米到几千米。2.0数据通信的基本含义1011100010111000设备A设备Bbit0bit7bit7bit01011100010111000设备A设备Bbit0bit7bit7bit0(a)并行通信(b)串行通信一般常说的数据通信就指的是串行数据通信2.1总线的基本概念（1）总线与总线段（2）主设备与从设备（3）总线上的控制信号（4）总线协议2.1总线的基本概念（1）总线（bus）与总线段(bussegment)从广义说，总线就是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。一组设备通过总线连在一起称为总线段。可以通过总线段相互连接把多个总线段连接成一个网络系统。（2）主设备与从设备可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”(busmaster)，又称命令者。不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(busslaver)，也称基本设备。在总线上可能有多个主设备，某一设备既可以是主设备，也可以是从设备，但不能同时既是主设备又是从设备。2.1总线的基本概念（3）控制信号（三种类型）（a）控制连接在总线上的设备，让其进行所规定的操作，如设备清零、初始化、启动和停止等。（b）用于改变总线操作的方式，如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。（c）表明地址和数据的含义，如对于地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现了广播操作；对于数据，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。（4）总线协议管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”(busprotocol)。协议是一套事先规定的、总线上所有设备必须共同遵守的规约。2.1总线的基本概念2.2通信系统的基本概念（1）通信系统的组成（2）数据通信基本原理（3）数据交换方式（1）通信系统的组成通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输介质几部分组成。信息源和接收者信息源和接收者是信息的产生者和使用者。在数字通信系统中传输的信息是数据，是数字化了的信息。这些信息可能是原始数据，也可能是经计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标志。信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源。发送设备发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。信源编码：把连续消息变换为数字信号；信道编码：使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。发送设备还要包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。传输介质传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的，也可以是有线的(包括光纤)。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。介质在传输过程中必然会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。接收设备接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。以上所述是单向通信系统，但在大多数场合下，信源兼为收信者，通信的双方需要随时交流信息，因此要求双向通信。(2)数据通信基本原理A.通信方式按照信息的传输方向分为：(i)单工(Simplex)方式信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式；(ii)半双工(Halfduplex)方式信息可以沿着两个方向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式；(iii)全双工(Fullduplex)方式信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式称为全双工方式。单工、半双工和全双工通信方式B.传输模式基带传输载波（带）传输宽带传输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，即按数据波的原样进行传输，不采用任何调制措施。它是目前广泛应用的最基本的数据传输方式。局域网、控制局域网载波（带）传输载波传输是先用数字信号对载波进行调制，然后进行传输的传输模式。最基本的调制方式有幅值键控(ASK)，频移键控(FSK)和相移键控(PSK)3种。在载波传输中，发送设备首先要产生某个频率的信号作为基波来承载信息信号，这个基波就称为载波信号，基波频率就称为载波频率;然后按幅值键控、频移键控、相移键控等不同方式改变载波信号的幅值、频率、相位，形成调制信号后发送。宽带传输由于基带网不适于传输语言、图像等信息，随着多媒体技术的发展，计算机网络传输数据、文字、语音、图像等多种信号的任务愈来愈重，因此提出了宽带传输的要求。宽带传输与基带传输的主要区别:一是数据传输速率不同，基带网的数据传输速率范围为0~l0Mbit/s，宽带网可达0~400Mbit/s;二是宽带网可划分为多条基带信道，能提供良好的通信路径。一般宽带局域网可与有线电视系统共建，以节省投资。C.二进制数据表示方法基带传输中数据的表示方法(i)信息传输有平衡传输和非平衡传输。(ii)根据对零电平的关系，信息传输可以分为归零传输和不归零传输。(iii)根据信号的极性，信息传输分为单极性传输和双极性传输。单极性码双极性码常用的数据表示方法a)平衡、归零、双极性b)平衡、归零、单极性c)平衡、不归零、单极性d)非平衡、归零、双极性e)非平衡、归零、单极性f)非平衡、不归零、单极性数据表示方法载带传输中的数据表示方法(1)调幅方式调幅方式AM(AmplitudeModulation)又称为幅移键控法ASK(Amplitude-ShiftKeying)(2)调频方式调频方式FM(FrequencyModulation)又称为频移键控法FSK(Frequency-ShiftKeying)(3)调相方式调相方式PM(PhaseModulation)又称为相移键控法PSK(Phase-ShiftKeying)数据调制方式（a）调幅（b）调频（c）调相2.3网络结构及传输介质（1）网络的拓扑结构（2）传输介质（1）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。通信网络的拓扑结构(a)星形结构；(b)环型结构；(c)总线型结构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。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。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）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。2.4协议模型OSI七层网络协议2.5差错控制为什么要进行差错控制传输错误的种类有哪些差错控制方法奇偶校验为什么要进行差错控制？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。传输错误的种类：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在传输方法中附加冗余度思考题与习题1.何谓现场总线的主设备、从设备？2.通信系统由哪几部分组成?各自具有什么功能?3.在数据传输中有几种常用的数据表示方法?4.差错控制的作用是什么?5.CRC校验是如何实现的?