第1章 現(xiàn)場(chǎng)總線與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)

設(shè)計(jì)技術(shù)李燁liye@光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院主要內(nèi)容第1章現(xiàn)場(chǎng)總線與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)第2章CAN總線的概念及相關(guān)協(xié)議第3章CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理第4章CAN網(wǎng)絡(luò)控制器與相關(guān)芯片第5章開(kāi)發(fā)CAN模塊的單片機(jī)及C51編程語(yǔ)言基礎(chǔ)主要內(nèi)容第6章最小的CAN通信系統(tǒng)第7章CAN接口模塊的設(shè)計(jì)第8章應(yīng)用介紹——陶瓷輥道窯CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第9章CAN應(yīng)用層協(xié)議第10章CAN總線實(shí)時(shí)性研究及實(shí)時(shí)性解決方案第一章現(xiàn)場(chǎng)總線與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)總線概念定義：現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)、數(shù)字通信的開(kāi)放型控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。自控領(lǐng)域的局域網(wǎng)，企業(yè)的底層網(wǎng)絡(luò)。控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變1、初級(jí)控制系統(tǒng)20世紀(jì)50年代以前，由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較小，各類檢測(cè)、控制儀表處于發(fā)展的初級(jí)階段，生產(chǎn)設(shè)備以機(jī)械設(shè)備為主，所用的設(shè)備主要是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、具有簡(jiǎn)單測(cè)控功能的基地式儀表，信號(hào)基本上都是在本儀表內(nèi)起作用（主要是顯示功能），一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，各測(cè)控點(diǎn)為封閉狀態(tài)，無(wú)法與外界溝通信息，操作人員只能通過(guò)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的巡檢來(lái)了解生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)行狀況。控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變2、模擬儀表控制系統(tǒng)（PCS、ACS）60年代至70年代后期，先后出現(xiàn)了以電子管、晶體管、集成電路為核心的氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合式儀表兩大系列。它們分別以壓縮空氣和直流電源作為動(dòng)力，用于對(duì)防爆要求較高的化工生產(chǎn)和其他行業(yè)，防爆等級(jí)為本質(zhì)安全型，并以氣壓信號(hào)0.02MPa～0.1MPa，直流電流信號(hào)0mA～10mA、4mA～20mA，直流電壓信號(hào)0V～5V，1V～5V等作為儀表的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，在儀表內(nèi)部實(shí)行電壓并聯(lián)傳輸，外部實(shí)行電流串聯(lián)傳輸，以減小傳輸過(guò)程的干擾。控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變3、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)（CCS）模擬信號(hào)的傳遞需要一對(duì)一的物理連接，信號(hào)變化緩慢，提高計(jì)算速度與精度的開(kāi)銷(xiāo)、難度都較大，信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差，因此，80年代初人們開(kāi)始尋求用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，研制出直接數(shù)字控制（DirectDigitControl，DDC）系統(tǒng)，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替控制室內(nèi)的儀表來(lái)完成控制系統(tǒng)功能。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，人們總是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代控制室的所有儀表，于是出現(xiàn)了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。這樣，解決了信號(hào)傳輸及抗干擾問(wèn)題。風(fēng)險(xiǎn)高度集中控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變4、集散控制系統(tǒng)（DCS）隨著計(jì)算機(jī)可靠性的提高和價(jià)格的下降，自控領(lǐng)域又出現(xiàn)了新型控制方案——集散控制系統(tǒng)，它由數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制器（PLC）以及多臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)出故障時(shí)，其他計(jì)算機(jī)立即接替該計(jì)算機(jī)的工作，使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。在集散系統(tǒng)中系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)被分散到多臺(tái)計(jì)算機(jī)承擔(dān)，避免了集中控制系統(tǒng)的高風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，它被工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程廣泛接受，這就是今天正在被許多企業(yè)采用的DCS系統(tǒng)。在DCS系統(tǒng)中，測(cè)量?jī)x表、變送器一般為模擬儀表，控制器多為數(shù)字式，因而它又是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。封閉控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變5、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)突破了DCS通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開(kāi)化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，即可以將來(lái)自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動(dòng)化設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)把DCS集中與分散結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線具有較高的測(cè)控性能，一是得益于儀表的智能化，二是得益于設(shè)備的通信化?？刂葡到y(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演變控制器遠(yuǎn)程傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)...控制器現(xiàn)場(chǎng)總線智能自治節(jié)點(diǎn)控制器工控機(jī)...遠(yuǎn)程傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線控制集散控制集中控制控制系統(tǒng)測(cè)控能力現(xiàn)場(chǎng)智能儀表內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型4～20mA標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)全數(shù)字通信多分支結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的開(kāi)放性交互性現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化和功能自治性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的高度適應(yīng)性多為短幀傳送，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，安全性好低帶寬現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)企業(yè)信息化與自動(dòng)化層次信息層控制層設(shè)備層各類局域網(wǎng)802（IEEE），TCP/IP實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，容許符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備方便接入。傳感器、I/O部件、變送器、閥門(mén)、驅(qū)動(dòng)器等，各設(shè)備廠商遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備可互操作。三層網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)信息層高速報(bào)文傳送高容量數(shù)據(jù)共享控制層支持I/O信息，報(bào)文的傳輸和診斷功能開(kāi)放性技術(shù)能夠設(shè)置信息的優(yōu)先級(jí)支持多主、廣播和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(Peer-to-Peer)的通信方式高速I(mǎi)/O信息和報(bào)文的傳送有效地?cái)?shù)據(jù)共享確定性和可重復(fù)性(Determinism&Repeatability)設(shè)備層有類似于控制層的要求，但更強(qiáng)調(diào)降低安裝費(fèi)用、系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間。典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FoundationFieldbus，F(xiàn)F）1994年，由ISP和WorldFIP兩大集團(tuán)合并成立現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)，擁有120多個(gè)成員如AB、ABB、Honeywell等。采用ISO/OSI物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，增加了用戶層。有低速（H1，31.25kb/s,200m，400m，1200m，1900m）與高速（H2，1Mbps,2.5Mpbs,750m,500m）之分，H2逐漸被HSE（100Mb/s，甚至更高）取代。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和無(wú)線發(fā)射等傳輸介質(zhì)。應(yīng)用領(lǐng)域以過(guò)程自動(dòng)化為主，比如化工，石油，污水處理。典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線（Processfieldbus，Profibus）西門(mén)子為首的13家公司共有3種版本Profibus-FMS（FieldbusMessageSpecification），適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等。Profibus-PA（ProcessAutomation），用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類型，它遵從IEC61158-2標(biāo)準(zhǔn)。Profibus-DP（DecentralisedPeripherals），分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。采用ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。傳輸速率為9.6kbps-12Mbps，傳輸距離為100m-1.2km。采用總線型、樹(shù)型、星型。支持雙絞線和光纖。制造自動(dòng)化和過(guò)程控制自動(dòng)化,電力，鐵路交通。典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）由德國(guó)Bosch開(kāi)發(fā),起初專為汽車(chē)工業(yè)設(shè)計(jì)。遵循ISO/OSI模型，采用了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，應(yīng)用層協(xié)議允許用戶自行開(kāi)發(fā)。采用短幀結(jié)構(gòu)，最可靠?？刹捎秒p絞線、同軸電纜、光纜等傳輸介質(zhì)。通訊速率最高1Mb/s，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)10km。成為ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。芯片由摩托羅拉、Intel、Philips等公司生產(chǎn)，價(jià)格低廉，用量最大。典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介局部操作網(wǎng)絡(luò)（LocalOperatingNetwork，LON）由美國(guó)Echelon公司推出，摩托羅拉、東芝支持倡導(dǎo)，組成LonMARK互操作協(xié)會(huì)。采用ISO/OSI模型全部7層通訊協(xié)議。通訊速率從300b/s到1.5Mb/s，通訊距離可達(dá)2700m。采用總線型、樹(shù)型。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線、電力線、無(wú)線發(fā)射等傳輸介質(zhì)。LonTalk協(xié)議固化在Neuron芯片中，每片芯片帶3個(gè)8位微處理器。最大的應(yīng)用領(lǐng)域在樓宇自動(dòng)化，在工業(yè)控制領(lǐng)域如石油、鐵路也有應(yīng)用。典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）由Rockwell推出，交由ODVA管理后得到全球眾多制造商的支持，如Omron，Hitachi，ABB采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層?？蛇x數(shù)據(jù)傳輸速率125Kbps、250Kbps、500Kbps。對(duì)等、多主和主從通信方式?？蓭щ姼鼡Q網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在線修改網(wǎng)絡(luò)配置?；贑AN的技術(shù)，低成本，高可靠性。典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介控制網(wǎng)（ControlNet）由美國(guó)RockwellAutomation推出，交由CI管理后在全世界范圍內(nèi)擁有包括RockwellAutomation、ABB、Honeywell等70家著名廠商組成的成員單位。通訊速率5Mb/s，通訊距離30km。采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。支持總線型、樹(shù)型和星型。應(yīng)用于交通運(yùn)輸、汽車(chē)制造、冶金、礦山、電力、食品等領(lǐng)域。基于CAN的技術(shù)。典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介P-Net（ProcessautomationNet）1984年由丹麥ProcessdataA/s公司提出，由Process-DataSilkeborgAps開(kāi)發(fā)。采用ISO/OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。采用屏蔽雙絞線，數(shù)據(jù)傳輸速率為76.8kbps，傳輸距離1.2km。多主控制器，主從式總線，每段最多可容納32個(gè)主控制器。應(yīng)用主要集中農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)、飼養(yǎng)、林業(yè)、食品等行業(yè)。典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介WorldFIP（WorldFactoryInstrumentationProtocol）WorldFIP基于FIP協(xié)議，其最初由法國(guó)于80年代開(kāi)發(fā)，并成為法國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)，有WorldFIP協(xié)會(huì)組織。采用ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。具有單一的總線結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。不同應(yīng)用領(lǐng)域采用不同的總線速率，過(guò)程控制采用31.25kpbs，制造業(yè)為1Mbps，驅(qū)動(dòng)控制為1-5Mbps。主要應(yīng)用在過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、電力、鐵路運(yùn)輸。典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介Interbus（InternationalBus）1984年由德國(guó)PhoenixContact公司開(kāi)發(fā)，后成立Interbus組織（InterbusClub）。采用ISO/OSI物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。集中式主從方案，環(huán)型拓?fù)洌瑐鬏斔俾蕿?00Kbps。InterBus適用于分散輸入輸出、串行總線的PLC和PC系統(tǒng)。Interbus是一種傳感器級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線，采用令牌網(wǎng)，經(jīng)濟(jì)性是它的一大特點(diǎn)。Interbus的應(yīng)用主要在汽車(chē)制造、機(jī)械制造、水處理、隧道交通、食品、輕工、煙草、印刷等行業(yè)。典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介AS-i（ActuatorSensorInterface）AS-i由德國(guó)11家傳感器/執(zhí)行器制造商針對(duì)機(jī)床控制中的二進(jìn)制開(kāi)/關(guān)設(shè)備聯(lián)合開(kāi)發(fā)，成立ASI國(guó)際協(xié)會(huì)。AS-i系純粹的主從系統(tǒng)，支持最多31個(gè)從節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)帶4位數(shù)據(jù)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)共有124個(gè)可尋址輸入/輸出。采用黃色的非屏蔽、非絞的雙線傳輸數(shù)據(jù)和電源。AS-i可通過(guò)具網(wǎng)關(guān)功能的主設(shè)備（PLC或PC）連接至高一級(jí)總線系統(tǒng)，特別適用于作為小型PLC的通訊總線。典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介SDS（SmartDeviceSystem）SDS專為I/O級(jí)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)，以擴(kuò)展到更高一級(jí)總線，由HoneywellMicroSwitchDivision開(kāi)發(fā)。SDS標(biāo)準(zhǔn)定義了應(yīng)用層、物理層和設(shè)備規(guī)約。連接簡(jiǎn)單I/O設(shè)備至PLC或PC，以查詢方式工作時(shí)特別有效。同時(shí)可以運(yùn)行在對(duì)等模式下，以提供分散控制。規(guī)定的4種傳輸速率為125K、250K、500K和1M，網(wǎng)絡(luò)中可容納至多64個(gè)節(jié)點(diǎn)?；贑AN的技術(shù)，數(shù)據(jù)傳送方式與DeviceNet類似。典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）HART協(xié)議為可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路通信協(xié)議。最早由Rosemount公司開(kāi)發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持和加盟，于1993年成立了HART通信基金會(huì)。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，是模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的過(guò)渡性產(chǎn)品，因而在現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，得到了較快的發(fā)展。主要現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)比較各種現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)關(guān)量信號(hào)紅外色譜掃描儀器傳感器分析儀器單回路控制器驅(qū)動(dòng)裝置微驅(qū)動(dòng)裝置控制閥門(mén)馬達(dá)啟動(dòng)器接觸器電磁閥ASI數(shù)據(jù)寬度：位字節(jié)數(shù)據(jù)流SeriplexCANBaseNetworksINTER-BUSPROFI-BUS-DPPROFIBUSP-NETLONWorksFIPFOUNDATIONFieldbus現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，凡屬設(shè)備間需要數(shù)據(jù)通信的場(chǎng)合都需要它。連續(xù)、離散制造業(yè)，如電力、石化、冶金、紡織、造紙，過(guò)程自動(dòng)化儀表；火車(chē)、汽車(chē)、輪船、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床；智能傳感器樓宇自控、倉(cāng)儲(chǔ)智能交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)（大氣、水污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)）農(nóng)、林、水利、養(yǎng)殖等其技術(shù)與產(chǎn)品在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、測(cè)控板卡、儀器儀表、系統(tǒng)集成、應(yīng)用系統(tǒng)等領(lǐng)域都有良好的發(fā)展前景。現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)總線市場(chǎng)份額數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)VDC公司全球現(xiàn)場(chǎng)總線新增節(jié)點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)自IMSResearch中國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線新增節(jié)點(diǎn)數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化（IEC61158）Type1，IEC

61158技術(shù)規(guī)范。由IEC/ISA負(fù)責(zé)制訂的，曾試圖使之成為統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)技術(shù)規(guī)范，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF的H1（低速現(xiàn)場(chǎng)總線）是其子集。

Type2，ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線。美國(guó)AB公司、Rockwell開(kāi)發(fā)，ControlNet

International（CI）組織支持。

Type3，Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線。德國(guó)西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)，Profibus用戶組織（PNO）支持。歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)三大總線之一。

Type4，PNet現(xiàn)場(chǎng)總線。丹麥Process

Data公司開(kāi)發(fā)，PNet用戶組織支持。歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)三大總線之一。Type5，F(xiàn)F

HSE（High

Speed

Ethernet，高速以太網(wǎng)）?，F(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)FF開(kāi)發(fā)的H2（高速現(xiàn)場(chǎng)總線）。

Type6，SwiftNet現(xiàn)場(chǎng)總線。美國(guó)SHIP

STAR協(xié)會(huì)主持制定，波音公司支持。

Type7，WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線。法國(guó)WorldFIP協(xié)會(huì)制訂并支持。歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)三大總線之一。

Type8，Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線。德國(guó)Phoenix

Contact公司開(kāi)發(fā)，Interbus

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現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化（IEC61158）數(shù)據(jù)來(lái)自IEC61158第4版現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化IEC62026AS-I，德國(guó)西門(mén)子公司支持DeviceNet，美國(guó)羅克韋爾公司、日本OMRON公司支持SDS，美國(guó)Honeywell公司支持Seriplex，美國(guó)Honeywell公司支持ISOCAN，ISO11898(1Mb/s)CAN，ISO11519(125kb/s)BACnet，ISO16484-5CC-Link，ISO15745-5數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)通信模型通信模型在大多數(shù)場(chǎng)合下，信源兼為信宿，通信的雙方需要隨時(shí)交流信息，因此要求雙向通信。這時(shí)，通信雙方都要有發(fā)送器和接收器。如果兩個(gè)方向有各自的傳輸介質(zhì)，則雙方都可獨(dú)立進(jìn)行發(fā)送和接收；但若共用一個(gè)傳輸介質(zhì)，則必須用頻率或時(shí)間分割的辦法來(lái)共享。通信系統(tǒng)除了完成信息傳遞外，還必須進(jìn)行信息的交換。傳輸系統(tǒng)和交換系統(tǒng)共同組成一個(gè)完整的通信系統(tǒng)，乃至構(gòu)成復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)計(jì)算機(jī)所能處理的數(shù)字、文字、圖形等信息都是以數(shù)據(jù)的形式在計(jì)算機(jī)、外圍設(shè)備和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和處理的。數(shù)據(jù)與信息有著密不可分的關(guān)系，可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為數(shù)據(jù)是還沒(méi)有加工的原料，而信息是加工處理過(guò)的成品；更確切地說(shuō)，信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋，而數(shù)據(jù)是信息的抽象表示或信息的載體。例如：電話號(hào)這串?dāng)?shù)字本身就是一個(gè)數(shù)據(jù)，它所包含的信息為：021表示上海，88886666則表示某電話的電話號(hào)碼。由于計(jì)算機(jī)所處理的數(shù)據(jù)總是有某種意義的數(shù)據(jù)，所以通常在不混淆的情況下，很少對(duì)信息和數(shù)據(jù)這兩個(gè)概念加以區(qū)分。數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)數(shù)據(jù)的類型模擬數(shù)據(jù)（AnalogData）是由傳感器采集得到在某個(gè)區(qū)間連續(xù)變化的值，例如溫度、壓力，以及目前在電話、無(wú)線電和電視廣播中的聲音和圖像。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（DigitalData）則是在某個(gè)區(qū)間產(chǎn)生的離散的值，例如文本信息、整數(shù)和脈沖數(shù)等，或者模擬數(shù)據(jù)經(jīng)量化后得到的離散的值，例如在計(jì)算機(jī)中用二進(jìn)制代碼表示的字符、圖形、音頻與視頻數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)信號(hào)與數(shù)據(jù)、信息有所不同，信號(hào)是數(shù)據(jù)的具體物理表現(xiàn)，具有確定的物理描述形式，如電壓、磁場(chǎng)強(qiáng)度等。數(shù)據(jù)通常需要用某種信號(hào)進(jìn)行傳遞和處理（即編碼）。模擬信號(hào)是指取值隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)是指時(shí)間和數(shù)值上都不連續(xù)的信號(hào)。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間有著明顯的差異，但兩者在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)可以通過(guò)采樣、量化、編碼等步驟變成數(shù)字信號(hào)，這個(gè)過(guò)程通常稱為模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號(hào)也可通過(guò)解碼、平滑等步驟恢復(fù)為模擬信號(hào)，這個(gè)過(guò)程通常稱為數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換。通信線路的工作方式單工單工是指信號(hào)在任何時(shí)間內(nèi)只能沿信道的一個(gè)方向傳輸，不允許改變方向。采用這種通信方式時(shí)，信源只允許發(fā)送信息，而信宿只能接收數(shù)據(jù)。半雙工方式半雙工是指信號(hào)在信道中可以雙向傳輸，但兩個(gè)方向只能交替進(jìn)行，而不能同時(shí)進(jìn)行。全雙工方式全雙工方式允許通信的雙方在任何一個(gè)時(shí)刻，均可同時(shí)在兩個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。也就是說(shuō)，通信雙方在發(fā)送數(shù)據(jù)信息的同時(shí)仍可以接收對(duì)方發(fā)送來(lái)的信息。數(shù)據(jù)的傳輸模式并行傳輸數(shù)據(jù)以成組的方式在多條并行信道上同時(shí)進(jìn)行傳輸，每位單獨(dú)使用一條線路。串行傳輸數(shù)據(jù)按照順序一位一位地在通信設(shè)備之間的一條通信信道上傳輸。數(shù)據(jù)的傳輸模式在串行傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)是一位一位依次傳輸?shù)?，發(fā)送端通過(guò)發(fā)送時(shí)鐘確定數(shù)據(jù)位的起始和結(jié)束。信號(hào)通過(guò)傳輸線路的到達(dá)接收端，為了保證能夠被準(zhǔn)確無(wú)誤地接收，接收端必須與發(fā)送端同步。所謂同步就是要求通信的發(fā)送端和接收端在時(shí)間基準(zhǔn)上保持一致。也就是說(shuō)接收端不但要知道一組二進(jìn)制位的開(kāi)始與結(jié)束，還要知道每位二進(jìn)制持續(xù)的時(shí)間，這樣才能做到用適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率采樣所收到的數(shù)據(jù)。由于發(fā)送端與接收端的時(shí)鐘信號(hào)不能絕對(duì)一致，因此必須采取一定的同步手段。異步傳輸同步傳輸。異步傳輸數(shù)據(jù)傳輸以字符為單位，即每個(gè)字符作為一個(gè)獨(dú)立的整體進(jìn)行發(fā)送，字符與字符之間的間隔可以是任意的。實(shí)現(xiàn)方法是：當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，傳輸線路處于空閑狀態(tài)，線路信號(hào)電平與二進(jìn)制“1”對(duì)應(yīng)的電平相同。當(dāng)發(fā)送端發(fā)送字符時(shí)，為了通知接收端準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，在要發(fā)送的字符前加上一個(gè)起始位，起始位的長(zhǎng)度為1bit，其信號(hào)電平與二進(jìn)制“0”對(duì)應(yīng)的電平相同。接收端通過(guò)檢測(cè)信號(hào)電平發(fā)生的跳變來(lái)判斷新數(shù)據(jù)的到達(dá)，從而與發(fā)送端取得同步。為了通知接收端一個(gè)字符已經(jīng)傳輸結(jié)束，在字符代碼的最后加上1位、1.5位或2位終止位（邏輯“1”）。異步傳輸方式簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，但傳輸效率較低，開(kāi)銷(xiāo)較大，這是因?yàn)槊總€(gè)字符都要附加起始位和終止位。因此，異步傳輸常用于低速設(shè)備。異步傳輸8位字符8位字符1b1.5b1.5b1b起始位終止位起始位終止位……同步傳輸同步傳輸是將若干個(gè)字符組合起來(lái)（稱作數(shù)據(jù)幀或簡(jiǎn)稱為幀）一起進(jìn)行傳輸。在數(shù)據(jù)幀的第一部分包含一組同步字符，類似于異步傳輸?shù)钠鹗嘉?，用于通知接收方一個(gè)數(shù)據(jù)幀已經(jīng)到達(dá)，它同時(shí)還能確保接收方的采樣速度和比特的到達(dá)速度保持一致，使收發(fā)雙方進(jìn)入同步。數(shù)據(jù)幀的最后一部分是一個(gè)幀結(jié)束標(biāo)記，類似于異步傳輸方式中的終止位，用于表示在下一幀開(kāi)始之前沒(méi)有別的即將到達(dá)的數(shù)據(jù)。SYNSYN控制字符數(shù)據(jù)字符控制字符幀起始標(biāo)記幀結(jié)束標(biāo)記同步傳輸同步傳輸以數(shù)據(jù)幀為單位來(lái)傳送數(shù)據(jù)，幀中的字符是連續(xù)的，字符間無(wú)需加入附加位，因此同步傳輸比異步傳輸效率高，開(kāi)銷(xiāo)也很小。缺點(diǎn)是發(fā)送端和接收端的控制復(fù)雜，且對(duì)線路要求也較高?；鶐鬏斣跀?shù)據(jù)通信中，由計(jì)算機(jī)或終端產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)，其頻譜從零開(kāi)始，包括直流、低頻和高頻等多種成份，這種原始的脈沖電信號(hào)所固有的頻率范圍叫基本頻帶，簡(jiǎn)稱基帶（BaseBand）。在信道中直接傳輸基帶信號(hào)就稱為基帶傳輸，基帶傳輸也稱數(shù)字傳輸。它是指把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，使用固定的頻率在信道上直接傳輸。目前大部分計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，都采用基帶傳輸方式。由于基帶傳輸是把數(shù)字信號(hào)按照原樣進(jìn)行傳輸，不需要經(jīng)過(guò)任何調(diào)制或解調(diào)，因此所需附屬設(shè)備少，價(jià)格低。雙絞線、同軸電纜和光纖都可作為基帶傳輸?shù)膫鬏斀橘|(zhì)。頻帶傳輸基帶信號(hào)含有直流和大量的低頻成分，往往不能直接通過(guò)電話線路這類介質(zhì)進(jìn)行傳輸，因此需要采取措施把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成線路允許傳輸?shù)念l帶范圍內(nèi)的模擬信號(hào)，才能在電話線路上傳輸，這就形成了頻帶傳輸。所謂頻帶傳輸就是將基帶信號(hào)變換（調(diào)制）成便于在模擬信道中傳輸?shù)?、具有較高頻率范圍的模擬信號(hào)（稱為頻帶信號(hào)），再將這種頻帶信號(hào)在模擬信道中傳輸，在接收端，進(jìn)行相反變換（解調(diào)），把模擬的調(diào)制信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)。信號(hào)的編碼技術(shù)在通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而根據(jù)傳遞的信號(hào)的性質(zhì)不同，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ酪部煞譃槟M通信信道與數(shù)字通信信道。這樣不同類型的信號(hào)在不同類型的信道上傳輸時(shí)形成了4種組合：模擬數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在模擬信道上傳輸、模擬數(shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸、以及數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸。無(wú)論哪種組合，在傳輸數(shù)據(jù)之前，都應(yīng)解決數(shù)據(jù)的編碼問(wèn)題，使數(shù)據(jù)表示為適合于該信道傳輸?shù)木幋a。模擬信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù)幅度調(diào)制（AM）簡(jiǎn)稱調(diào)幅，使載波信號(hào)幅度隨原始的模擬數(shù)據(jù)（即調(diào)制信號(hào)）的幅度變化而得到的信號(hào)（已調(diào)信號(hào)），載波的頻率是不變的。頻率調(diào)制（FM）簡(jiǎn)稱調(diào)頻，使載波信號(hào)頻率隨原始的模擬數(shù)據(jù)的頻率變化而得到的信號(hào)，而載波的幅度是不變的。相位調(diào)制（PM）簡(jiǎn)稱調(diào)相，使載波信號(hào)的相位隨原始的模擬數(shù)據(jù)的相位變化而得到的信號(hào)，而載波的幅度、頻率是不變的。模擬信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)