現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用課件：通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)2.1通信基礎(chǔ)2.2網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)小結(jié)思考與習(xí)題

知識(shí)目標(biāo)

(1)了解通信和網(wǎng)絡(luò)的基本術(shù)語(yǔ)。

(2)理解數(shù)據(jù)的編碼方式。

(3)理解通信的校驗(yàn)和校正過(guò)程。

能力目標(biāo)

(1)掌握網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備的識(shí)別能力。

(2)了解OSI參考模型包含的內(nèi)容。

2.1通信基礎(chǔ)

通信主要負(fù)責(zé)處理的是數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)包括總線結(jié)構(gòu)、發(fā)送和接收設(shè)備、傳輸介質(zhì)、通信軟件等。數(shù)據(jù)的編碼和傳輸方式、校驗(yàn)方式是影響穩(wěn)定性和可靠性的重要指標(biāo)。

2.1.1基本術(shù)語(yǔ)

1.總線

總線是指網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)共享的、信號(hào)傳輸?shù)墓猜窂?。以總線為載體，還包括很多組成部分：

(1)總線段?？偩€段是指通過(guò)總線連接的一組設(shè)備，同一個(gè)總線段上的設(shè)備的連接和操作遵循同一種技術(shù)規(guī)范，同一個(gè)總線段上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)能同時(shí)收到總線上的報(bào)文信息。多個(gè)總線段的相互連接可以構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

(2)總線協(xié)議?？偩€上的各個(gè)設(shè)備使用的統(tǒng)一的通信規(guī)則稱為總線協(xié)議，它包含了通信介質(zhì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、校驗(yàn)方式等多種信息，而且它必須是提前定義好的、總線上設(shè)備共同遵守的協(xié)議。

(3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。連接在現(xiàn)場(chǎng)總線上的物理實(shí)體(即各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))，具有測(cè)量控制功能和數(shù)據(jù)通信能力的傳感器、繼電器、控制單元、執(zhí)行器都屬于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

(4)主站和從站。主站是在總線上能夠發(fā)起通信的設(shè)備，從站則是在總線上對(duì)主站發(fā)起的通信進(jìn)行執(zhí)行及信息反饋的設(shè)備，但從站不能主動(dòng)發(fā)起通信?？偩€上最常見(jiàn)的是一主多從的結(jié)構(gòu)，即一個(gè)主站控制多個(gè)從站。一個(gè)總線上也可以有多個(gè)主站，即多主多從的結(jié)構(gòu)，但同一時(shí)刻只能有一個(gè)主站獲得發(fā)起通信的權(quán)利，即同一時(shí)刻只能有一個(gè)主站執(zhí)行主站的功能。

(5)總線仲裁。如果總線上有多個(gè)設(shè)備請(qǐng)求控制權(quán)，總線仲裁負(fù)責(zé)裁定下一個(gè)時(shí)刻具有控制權(quán)的設(shè)備，用以避免沖突?？偩€仲裁會(huì)分配每一個(gè)時(shí)刻的控制權(quán)，只有某一時(shí)刻的設(shè)備完成控制后，下一時(shí)刻的設(shè)備才會(huì)獲得控制權(quán)，如此循環(huán)往復(fù)。設(shè)備占有控制權(quán)的時(shí)間叫總線占有期，設(shè)備為獲得控制權(quán)而等待的時(shí)間叫訪問(wèn)等待時(shí)間。

2.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的基本功能，數(shù)據(jù)通信的過(guò)程是指兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間借助傳輸媒體進(jìn)行信息交換。一個(gè)最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，由發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、傳輸介質(zhì)、通信軟件等組成，如圖2-1所示。

圖2-1簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

發(fā)送設(shè)備是指具有通信信號(hào)發(fā)送電路的設(shè)備，接收設(shè)備是指具有通信信號(hào)接收電路的設(shè)備?？偩€上的設(shè)備通常既有發(fā)送電路也有接收電路，它們通常被稱為收發(fā)器。收發(fā)器通過(guò)發(fā)送電路在總線上發(fā)送請(qǐng)求信息，同時(shí)也通過(guò)接收電路接收總線上其他設(shè)備發(fā)送的信息并執(zhí)行或反饋。

傳輸介質(zhì)是指兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連接的物理通路，是發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備信息傳遞的媒介。傳輸介質(zhì)可以是有線的，如屏蔽雙絞線、動(dòng)力電纜、光纖等；傳輸介質(zhì)也可以是無(wú)線的，如紅外線、電磁波等。傳輸介質(zhì)的主要特性包括物理結(jié)構(gòu)、傳輸?shù)乃俣群皖l率、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一對(duì)多點(diǎn)的連接方式、最大傳輸距離、抗干擾性等。

通信軟件包括總線上設(shè)備信息交換時(shí)使用的報(bào)文和通信協(xié)議等。報(bào)文是指需要傳送的文本、命令、圖片、聲音等信息，也包括特定的指令或標(biāo)志。通信協(xié)議是設(shè)備間用于控制數(shù)據(jù)通信和通信數(shù)據(jù)定義的規(guī)則，它定義了通信何時(shí)開(kāi)始、何時(shí)結(jié)束、通信的內(nèi)容及如何進(jìn)行等。通信協(xié)議包含語(yǔ)法、語(yǔ)義和時(shí)序三大要素。

①語(yǔ)法定義了通信中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和格式，如起始幾位是源地址，隨后幾位是功能碼，然后幾位是目標(biāo)地址及通信內(nèi)容等。后面的章節(jié)中我們將對(duì)不同的通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析，主要就是分析它們的語(yǔ)法部分。

②語(yǔ)義定義了通信數(shù)據(jù)中的每個(gè)部分。如通過(guò)通信讀取變頻器的狀態(tài)字，從變頻器反饋的信息中需要根據(jù)語(yǔ)義來(lái)判斷是哪一臺(tái)變頻器反饋的信息，反饋的信息中變頻器狀態(tài)是否正常等。

③時(shí)序定義了數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間的先后及發(fā)送速度。發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須通過(guò)各種方式校準(zhǔn)始終來(lái)判斷數(shù)據(jù)的先后，如果不知道數(shù)據(jù)的先后順序，就像人說(shuō)話前后顛倒一樣，別人是無(wú)法理解的。發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的發(fā)送和接收處理速度必須匹配，低速的設(shè)備是無(wú)法及時(shí)對(duì)高速的設(shè)備發(fā)出的請(qǐng)求做出響應(yīng)的。

3.通信的性能指標(biāo)

通信的主要任務(wù)是傳遞信息，為了保證信息能夠準(zhǔn)確、快速地傳遞，有很多性能指標(biāo)來(lái)對(duì)通信進(jìn)行衡量，如通信的有效性、可靠性、頻率特性、帶寬、信道容量、信噪比等。

(1)有效性：通信傳輸信息的能力。它同時(shí)也反映了通信系統(tǒng)資源的利用率。下面介紹與有效性有關(guān)的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)。

①和傳輸速率相關(guān)的指標(biāo)有比特率和波特率。比特率是指每秒傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位為bit/s或者b/s；波特率是指每秒傳輸信號(hào)的變化波形數(shù)，單位為Baud或者B。如果每個(gè)信號(hào)包含一個(gè)數(shù)據(jù)位，則比特率和波特率相等；如果每個(gè)信號(hào)包含兩個(gè)數(shù)據(jù)位，則波特率的值為比特率的一半。

②吞吐量是指單位時(shí)間內(nèi)通信系統(tǒng)接收和發(fā)送的比特?cái)?shù)、字節(jié)數(shù)或者幀數(shù)。

③頻帶利用率是指單位頻帶內(nèi)的傳輸速度，單位為bit/s·Hz。它在比特率的基礎(chǔ)上還考量了占用帶寬的大小，是真正衡量通信有效性的指標(biāo)。

④協(xié)議效率是指?jìng)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)包中有效數(shù)據(jù)位和整個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的比值，一般用百分比表示，協(xié)議效率越高，則通信有效性越好。

⑤傳輸延遲也叫傳輸時(shí)間，是指數(shù)據(jù)從發(fā)送端傳送到接收端需要的時(shí)間。它由數(shù)據(jù)塊從節(jié)點(diǎn)送上傳輸介質(zhì)所用的發(fā)送時(shí)間、信號(hào)通過(guò)傳輸介質(zhì)所需要的傳播時(shí)間、經(jīng)過(guò)路由器或交換機(jī)類的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所需要的排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間組成。

⑥通信效率是指數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)間和發(fā)送報(bào)文的所有時(shí)間的比值。通信效率為1，則意味著所有時(shí)間都有效地用于數(shù)據(jù)幀的傳輸；通信效率為0，則意味著報(bào)文存在沖突和碰撞。

(2)可靠性：通信接收信息的可靠程度。它的衡量指標(biāo)是誤碼率。

誤碼率是指?jìng)鬏敵鲥e(cuò)的二進(jìn)制碼元數(shù)和傳輸?shù)拇a元總數(shù)的比值。實(shí)際應(yīng)用中采用更多的是平均誤碼率，即對(duì)同一個(gè)通信系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)測(cè)試后得出的平均值，或在某些特殊情況下重復(fù)測(cè)試后得出的平均值。

(3)頻率特性：取決于傳輸介質(zhì)的物理特性和通信設(shè)備的物理特性。它分為幅頻特性和相頻特性。幅頻特性是指不同頻率的信號(hào)在通過(guò)信道后其輸出信號(hào)幅值和輸入信號(hào)幅值的比值；相頻特性是指不同頻率的信號(hào)在通過(guò)信道后其輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位差。幅頻特性和相頻特性取決于整個(gè)通信通道由電阻、電容、電感組成的等效電路，如果輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的幅頻特性和相頻特性太差，則代表經(jīng)過(guò)傳輸介質(zhì)后信號(hào)的嚴(yán)重失真。

(4)帶寬：包括信號(hào)帶寬、信道帶寬、介質(zhì)帶寬等。信號(hào)帶寬是指信號(hào)頻譜占有的頻率寬度；信道帶寬是指信道允許通過(guò)的物理信號(hào)的頻率范圍，即允許通過(guò)的最高頻率和最低頻率的差；介質(zhì)帶寬是指?jìng)鬏斀橘|(zhì)允許通過(guò)的物理信號(hào)的頻率范圍，它是由傳輸介質(zhì)的物理特性決定的，每種傳輸介質(zhì)都只能傳輸特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。

(5)信道容量：信道在單位時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)淖畲蟊忍財(cái)?shù)。如果通信過(guò)程中有噪聲存在，信道中數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤的幾率就會(huì)變大，會(huì)降低信道容量。

(6)信噪比：信號(hào)功率和噪聲功率的比值，它被用于衡量噪聲的大小。

2.1.2數(shù)據(jù)編碼

通信的主要任務(wù)就是傳遞數(shù)據(jù)，發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須按照事先約定好的、規(guī)范的編碼來(lái)傳遞信息，這樣發(fā)送設(shè)備才能有發(fā)送的規(guī)范編碼，接收設(shè)備才能識(shí)別接收到的信息。在現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用中，有使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼的，即使用高電平和低電平的脈沖信號(hào)來(lái)表示1和0的狀態(tài)；也有使用模擬數(shù)據(jù)編碼的，即使用連續(xù)的模擬信號(hào)的幅度、頻率、相位來(lái)表示1和0的狀態(tài)。

圖2-2所示的4個(gè)信號(hào)發(fā)送的信息內(nèi)容都是010110，信號(hào)1為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼，信號(hào)2為模擬數(shù)據(jù)編碼(幅值)，信號(hào)3為模擬數(shù)據(jù)編碼(頻率)，信號(hào)4為模擬數(shù)據(jù)編碼(相位)。

圖2-2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼和模擬數(shù)據(jù)編碼

1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼中，已經(jīng)有了眾多的二進(jìn)制編碼方式，如4位二進(jìn)制編碼組成的BCD碼，5位二進(jìn)制編碼組成的博多碼，電報(bào)通信中應(yīng)用的莫爾斯碼，還有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)編碼中應(yīng)用最廣泛的ASCII碼。(ASCII碼是美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼，它使用7位二進(jìn)制編碼組成的128種組合來(lái)對(duì)應(yīng)多種數(shù)字、字母、符號(hào)、功能等，如十進(jìn)制48～57對(duì)應(yīng)數(shù)字0～10，十進(jìn)制65～90對(duì)應(yīng)大寫(xiě)字母A～Z等。)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，還有不經(jīng)任何處理直接傳輸?shù)亩M(jìn)制編碼，直接用二進(jìn)制數(shù)值來(lái)對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的物理量信息，如溫度、壓力等。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼有以下幾種不同的波形：

(1)非歸零碼：在整個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)都維持其電平并保持邏輯值的編碼。

(2)歸零碼：在每個(gè)二進(jìn)制信息傳遞完成之后都返回到低電平的編碼，二進(jìn)制信息傳遞持續(xù)的時(shí)間是任意的，但很多都是取碼元時(shí)間的一半。

(3)單極性碼：高電平為邏輯1，低電平為邏輯0，即信號(hào)電平是單極性的。

圖2-3所示為單極性非歸零碼和單極性歸零碼。在單極性非歸零碼波形圖中，高電平代表邏輯1且持續(xù)不歸零；在單極性歸零碼波形圖中，高電平代表邏輯1且持續(xù)半個(gè)碼元時(shí)間后歸零，低電平代表邏輯0，但歸零和自身是一樣的值，所以無(wú)法在波形圖中顯示出來(lái)。

圖2-3單極性非歸零碼和單極性歸零碼

4)雙極性碼：正電平為邏輯1，負(fù)電平為邏輯0，即信號(hào)電平有正負(fù)兩種極性。

圖2-4所示為雙極性非歸零碼和雙極性歸零碼。在雙極性非歸零碼波形圖中，正電平代表邏輯1且持續(xù)不歸零，負(fù)電平代表邏輯0且持續(xù)不歸零；在雙極性歸零碼波形圖中，正電平代表邏輯1且持續(xù)半個(gè)碼元時(shí)間后歸零，負(fù)電平代表邏輯0且持續(xù)半個(gè)碼元時(shí)間后歸零。

圖2-4雙極性非歸零碼和雙極性歸零碼

(5)差分碼：在時(shí)鐘周期的起點(diǎn)開(kāi)始用信號(hào)電平是否變化來(lái)代表邏輯1或邏輯0，而且差分碼按照初始狀態(tài)是高電平或低電平是有兩種完全相反的成“鏡像”的波形的，如圖2-5所示。

圖2-5差分碼

需要注意的是，單極性碼和雙極性碼都是使用固定的電平來(lái)代表邏輯1和邏輯0，無(wú)論是高電平、低電平、正電平、負(fù)電平，電平和1、0的對(duì)應(yīng)關(guān)系都是固定的。差分碼則截然不同，它不是使用固定的電平和邏輯1及邏輯0對(duì)應(yīng)，而是用電平“變化”對(duì)應(yīng)邏輯1，電平“不變化”對(duì)應(yīng)邏輯0，這會(huì)使編碼的人工閱讀相對(duì)更困難一些，但是根據(jù)有無(wú)電平“變化”來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)更可靠。

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信息的傳輸還可以區(qū)分為平衡傳輸和非平衡傳輸，平衡傳輸中“0”和“1”都是傳輸?shù)囊徊糠郑瞧胶鈧鬏斨袆t只有“1”被傳輸，“0”以沒(méi)有脈沖在制定的時(shí)刻出現(xiàn)為標(biāo)識(shí)。

在實(shí)際應(yīng)用中，單極性、雙極性，歸零、不歸零，平衡傳輸、非平衡傳輸?shù)?，這幾種模式是組合使用的，如單極性、不歸零、平衡傳輸這種方式就是應(yīng)用最普遍的傳輸方式。

2.模擬數(shù)據(jù)編碼

模擬數(shù)據(jù)編碼是使用模擬信號(hào)來(lái)表示數(shù)據(jù)的“0”和“1”狀態(tài)的編碼。在前文的圖2-2中，我們提到模擬數(shù)據(jù)編碼可以通過(guò)幅值、頻率、相位的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，分為幅值鍵控、頻率鍵控、相位鍵控三種不同的編碼方式。

幅值鍵控中，信號(hào)的頻率、相位不變，通過(guò)幅值的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼。圖2-2中的信號(hào)2就是幅值鍵控，通過(guò)正弦波的“有”和“無(wú)”來(lái)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的“1”和“0”。

頻率鍵控中，信號(hào)的幅值、相位不變，通過(guò)頻率的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼。圖2-2中的信號(hào)3就是頻率鍵控，通過(guò)正弦波頻率的“低”和“高”來(lái)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的“1”和“0”。

相位鍵控中，信號(hào)的幅值、頻率不變，通過(guò)相位的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼。圖2-2中的信號(hào)4就是相位鍵控，通過(guò)正弦波相位的“0°”和“180°”來(lái)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的“1”和“0”。

2.1.3數(shù)據(jù)傳輸方式

數(shù)據(jù)傳輸方式是指數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的“順序”和“同步方式”，數(shù)據(jù)傳輸方式依照不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分為串行傳輸、并行傳輸，同步傳輸、異步傳輸，位同步、字符同步、幀同步。

1.串行傳輸與并行傳輸

串行傳輸和并行傳輸是按照數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中使用的通道數(shù)量及每個(gè)通道上的數(shù)據(jù)量來(lái)區(qū)分的。串行傳輸是在一條數(shù)據(jù)通道上以串行的方式按順序逐位地傳輸數(shù)據(jù)；并行傳輸是在多條數(shù)據(jù)通道上以并行的方式成組地同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。

串行傳輸需要的數(shù)據(jù)通道少，但每次只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)位，而且發(fā)送方在發(fā)送前必須先確定是先發(fā)送數(shù)據(jù)的高位還是低位，接收方在接收前必須先知道收到的數(shù)據(jù)中第一個(gè)數(shù)據(jù)位在什么位置，發(fā)送方和接收方必須采取同步措施。由于需要的數(shù)據(jù)通道少，串行傳輸更易于實(shí)現(xiàn)，而且在遠(yuǎn)距離傳輸中可靠性高，更適合中距離、遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。

并行傳輸需要的數(shù)據(jù)通道多，但每次可以同時(shí)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)位(由數(shù)據(jù)通道的數(shù)量決定)，而且在并行傳輸中除了傳輸數(shù)據(jù)位的通道外，還會(huì)有一個(gè)通知接收方接收數(shù)據(jù)的專用通道，這樣接收方就可以通過(guò)這個(gè)通道的信號(hào)來(lái)知曉什么時(shí)候開(kāi)始并行接收多個(gè)數(shù)據(jù)位，不需要特殊的同步措施就可以實(shí)現(xiàn)同步。從理論上來(lái)看，并行傳輸同步更容易實(shí)現(xiàn)，而且數(shù)據(jù)是同時(shí)并行傳輸?shù)?，效率?huì)更高。但由于其使用的數(shù)據(jù)通道多，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致硬件成本大幅提高，所以并行傳輸更適合短距離、超短距離的數(shù)據(jù)傳輸。

以前，老款打印機(jī)很多都是使用并行傳輸，個(gè)人計(jì)算機(jī)中主板和硬盤(pán)、光驅(qū)、顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等也是使用并行傳輸，變頻器的主控板和電源板、通信卡之間也是使用并行傳輸，在這些元件之間我們都可以看到結(jié)構(gòu)類似、很寬的用于并行傳輸?shù)摹芭啪€”，如圖2-6所示。圖2-6用于并行傳輸?shù)摹芭啪€”

2.同步傳輸與異步傳輸

同步傳輸和異步傳輸是按照通信過(guò)程中時(shí)鐘信號(hào)的處理方式不同來(lái)區(qū)分的。

時(shí)鐘信號(hào)是獨(dú)立于有效的數(shù)據(jù)之外的單獨(dú)的信號(hào)，發(fā)送方和接收方都要通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)判斷信號(hào)從什么時(shí)候開(kāi)始發(fā)送和接收。因?yàn)樵跀?shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，各個(gè)處理的過(guò)程都是按照一定的時(shí)序脈沖來(lái)處理的，可以理解為處理的“節(jié)奏”和“順序”。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鱾€(gè)設(shè)備的“節(jié)奏”和“順序”必須一致，才能保證數(shù)據(jù)的正確性，如果“節(jié)奏”和“順序”不一致，那么數(shù)據(jù)的處理有可能會(huì)漏掉或者完全錯(cuò)誤。在串行傳輸中，同步措施關(guān)鍵是依靠時(shí)鐘。串行傳輸中的數(shù)據(jù)在一條數(shù)據(jù)通道上按“節(jié)奏”和“順序”逐位傳輸，接收方按照同樣的“節(jié)奏”和“順序”逐位接收。通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)送方和接收方就可以知曉什么時(shí)候開(kāi)始發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

同步傳輸中所有的設(shè)備使用的是同一個(gè)時(shí)鐘。這個(gè)時(shí)鐘可以是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃性O(shè)備中的一臺(tái)產(chǎn)生的，也可以是一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)源產(chǎn)生的。這個(gè)時(shí)鐘可以使用固定的頻率，也可以使用不固定的頻率來(lái)進(jìn)行周期性的替換(但是在所有設(shè)備中都是同樣的時(shí)鐘)。依據(jù)這同一個(gè)時(shí)鐘，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位只在時(shí)鐘信號(hào)的每一次跳變后的一段時(shí)間內(nèi)有效，且所有的數(shù)據(jù)位都和這個(gè)時(shí)鐘同步，接收方利用時(shí)鐘跳變(上升沿或下降沿)來(lái)決定讀取輸入的數(shù)據(jù)位的時(shí)刻。同步傳輸?shù)乃俣雀?、效率高，更適用于高速傳輸數(shù)據(jù)系統(tǒng)，但是遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)的傳輸需要額外的成本且易受到干擾而影響同步過(guò)程，所以它更多地應(yīng)用于短距離、超短距離數(shù)據(jù)傳輸。

異步傳輸中所有的設(shè)備使用的不是同一個(gè)時(shí)鐘，而是自己產(chǎn)生的時(shí)鐘。但是這些設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)鐘必須同步，否則數(shù)據(jù)傳輸就無(wú)法正常進(jìn)行，所以這些設(shè)備的時(shí)鐘都必須在允許的誤差范圍內(nèi)保持同步。異步傳輸時(shí)，通常會(huì)有一個(gè)起始位來(lái)做時(shí)鐘的同步。異步傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)更容易，對(duì)發(fā)送方和接收方的要求較低，但異步傳輸中需要額外傳輸一個(gè)或多個(gè)用于同步的字符或幀頭，例如用起始位和終止位來(lái)告知接收方傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容所在的位置，所以它效率較低。整體而言，異步傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)更大，所以它也是計(jì)算機(jī)通信中常用的同步方式。

3.位同步和字符同步與幀同步

數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐绞潜ＷC通信正確的基礎(chǔ)。按照同步的最小單位來(lái)做區(qū)分的話，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐娇梢苑譃槲煌健⒆址?、幀同步?/p>

位同步是指發(fā)送方和接收方按數(shù)據(jù)位來(lái)保持同步。前面提到的時(shí)鐘同步就屬于位同步，它是所有同步的基礎(chǔ)。位同步要求發(fā)送方和接收方的定時(shí)信號(hào)頻率相同，而且數(shù)據(jù)信號(hào)和同步信號(hào)保持固定的相位關(guān)系，即保持相同的“節(jié)奏”。

2.1.4信號(hào)的傳輸方式

信號(hào)的傳輸方式是指在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中信號(hào)的處理方式，它包括基帶傳輸、寬帶傳輸、載波傳輸?shù)饶Ｊ健?/p>

1.基帶傳輸

基帶是指數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為傳輸信號(hào)時(shí)其本身變化的頻帶，即“原始的”頻帶。

基帶傳輸是指在基本不改變數(shù)據(jù)信號(hào)頻率的前提下，不包含任何頻率變換，按基帶信號(hào)的數(shù)據(jù)波原樣進(jìn)行傳輸?shù)姆绞健?/p>

2.寬帶傳輸

寬帶傳輸是指在同一傳輸介質(zhì)上可以同時(shí)傳輸多個(gè)頻帶的信號(hào)的傳輸方式。它的出現(xiàn)是為了滿足文字、語(yǔ)音、圖像等多媒體信號(hào)的傳輸需求，因?yàn)楹突鶐鬏斚啾?，它的傳輸速率更?可達(dá)到Gb/s)，而且由于它可以同時(shí)傳輸多條基帶信號(hào)，從而給通信的可靠性提供了更好的保障。

3.載波傳輸

載波信號(hào)是指信號(hào)傳輸過(guò)程中作為基波來(lái)承載數(shù)據(jù)信號(hào)的某個(gè)頻率的信號(hào)，它的頻率就是載波頻率。

載波傳輸是指按照要承載的數(shù)據(jù)來(lái)改變載波信號(hào)的幅值、頻率、相位形成調(diào)制信號(hào)再進(jìn)行傳輸。

2.1.5通信線路的工作方式

通信線路的工作方式是指發(fā)送器和接收器之間的信號(hào)在通信線路上的處理方式，它包括單工通信、半雙工通信、全雙工通信等。

1.單工通信

單工通信是指在通信過(guò)程中信息的傳輸只能沿著一個(gè)方向進(jìn)行，不能進(jìn)行反方向的傳送。這種方式下通常是發(fā)送器和接收器之間的通信，只允許發(fā)送器發(fā)送信號(hào)給接收器，不允許接收器發(fā)送信號(hào)給發(fā)送器(因?yàn)榻邮掌鳠o(wú)法發(fā)送信號(hào)，發(fā)送器也無(wú)法接收信號(hào))。

2.半雙工通信

半雙工通信是指在通信過(guò)程中信息的傳輸可以沿著兩個(gè)方向進(jìn)行，但同一時(shí)刻只能有一個(gè)方向工作，它們?cè)谕恍诺郎线M(jìn)行轉(zhuǎn)換。如收發(fā)器1和收發(fā)器2之間的通信，兩個(gè)收發(fā)器都既可以發(fā)送信號(hào)也可以接收信號(hào)，但同一時(shí)刻要么是收發(fā)器1發(fā)送信息、收發(fā)器2接收信息，即收發(fā)器1工作在發(fā)送器模式下、收發(fā)器2工作在接收器模式下；要么是收發(fā)器2發(fā)送信息、收發(fā)器1接收信息，即收發(fā)器2工作在發(fā)送器模式下、收發(fā)器1工作在接收器模式下。半雙工通信是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中最常用的通信線路工作方式。

3.全雙工通信

全雙工通信相當(dāng)于把兩個(gè)相反方向的單工通信“并聯(lián)”在一起，以實(shí)現(xiàn)正向和反向的通信能夠在同一時(shí)刻同時(shí)進(jìn)行。如收發(fā)器1和收發(fā)器2之間的通信，兩個(gè)收發(fā)器都同時(shí)擁有發(fā)送器和接收器，收發(fā)器1的發(fā)送器發(fā)送信號(hào)給收發(fā)器2的接收器接收，同時(shí)收發(fā)器1的接收器接收收發(fā)器2的發(fā)送器發(fā)送的信號(hào)。全雙工通信是計(jì)算機(jī)之間通信最常用的工作方式。

2.1.6通信校驗(yàn)和校正

1.通信校驗(yàn)

通信校驗(yàn)的任務(wù)就是監(jiān)視傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否發(fā)生錯(cuò)誤，在現(xiàn)有的校驗(yàn)方法中應(yīng)用最多的是冗余校驗(yàn)，即在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，除了基本的需要傳遞的數(shù)據(jù)信息外，另外加上一定的附加位，通過(guò)這些附加位的特征來(lái)判斷傳輸?shù)倪^(guò)程中是否有錯(cuò)誤發(fā)生。常見(jiàn)的冗余校驗(yàn)有奇偶校驗(yàn)、求和校驗(yàn)、縱向冗余校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)等。

(1)奇偶校驗(yàn)是指在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中在基本的數(shù)據(jù)信息后加一個(gè)校驗(yàn)位，使得包含校驗(yàn)位的單個(gè)數(shù)據(jù)幀中1的個(gè)數(shù)是奇數(shù)(奇校驗(yàn))，或者是偶數(shù)(偶校驗(yàn))。

(2)求和校驗(yàn)是指將基本的數(shù)據(jù)信息分為x段，每段都是等長(zhǎng)的y比特，再將分段1和分段2做求和操作并逐一和分段3至分段x做求和操作，得到的求和結(jié)果長(zhǎng)度為y比特，然后將求和結(jié)果按位取反作為校驗(yàn)數(shù)據(jù)放在基本的數(shù)據(jù)信息后面。

(3)縱向冗余校驗(yàn)即LRC，是一種復(fù)合的奇偶校驗(yàn)。它會(huì)把多個(gè)單位的數(shù)據(jù)組成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，首先對(duì)各個(gè)單位的數(shù)據(jù)采用奇偶校驗(yàn)，得到它們的冗余校驗(yàn)位；再將各個(gè)單位的數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)位按照一定的規(guī)律采用奇偶校驗(yàn)，得到一些新的冗余校驗(yàn)位。

(4)循環(huán)冗余校驗(yàn)即CRC，是指對(duì)要傳輸?shù)幕镜臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行一次事先約定好的除法操作，將除法操作的余數(shù)附加在基本的數(shù)據(jù)信息后面。

2.通信校正

在通信校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤信息后，必須想辦法將錯(cuò)誤的信息進(jìn)行糾正，以使控制和監(jiān)視過(guò)程繼續(xù)正常進(jìn)行，這就是通信校正。常用的通信校正方法有前向差錯(cuò)糾正和自動(dòng)重傳。

(1)前向差錯(cuò)糾正是指接收器在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤信息后，在接收器端自己進(jìn)行通信校正。

(2)自動(dòng)重傳的原理則要簡(jiǎn)單得多，接收器在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤信息后，會(huì)要求發(fā)送器把剛才的信息重新發(fā)送一次。

2.2網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)的概念始于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是指一定數(shù)量的計(jì)算機(jī)通過(guò)傳輸介質(zhì)連接成固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行信息的交換。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)量的多少及范圍的多少可以分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等?，F(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)通常屬于局域網(wǎng)，因?yàn)樗墓ぷ鞣秶ǔＪ且粋€(gè)工廠或者一個(gè)車間內(nèi)的設(shè)備間的信息交換。如果工業(yè)以太網(wǎng)和商用以太網(wǎng)配合使用，則從理論上來(lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線也可以達(dá)到廣域網(wǎng)的范圍，只是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的數(shù)量較少。

2.2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫侵妇W(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備之間的連接方式。常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星形、環(huán)形、總線形、樹(shù)形等，如圖2-7所示。

圖2-7星形、環(huán)形、總線形、樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖中各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)，但是現(xiàn)場(chǎng)總線中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以是如變頻器、電機(jī)管理控制器、流量計(jì)、壓力表等多種現(xiàn)場(chǎng)受控設(shè)備。

(1)星形拓?fù)涫侵妇W(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)都通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式直接連至一個(gè)中心連接點(diǎn)，所有的信息交換都是通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)完成的。位于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的終端設(shè)備如果有信息處理的需求，則必須將需求發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)，再由中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送至其他設(shè)備。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的中心節(jié)點(diǎn)需要很強(qiáng)的信息處理能力以用于處理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的信息交換，終端節(jié)點(diǎn)的信息處理能力只需要滿足點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信即可。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較適用于終端節(jié)點(diǎn)眾多且處理能力一般的場(chǎng)合，比如，我們家庭常用的路由器連接至多臺(tái)設(shè)備。

如個(gè)人PC、手機(jī)、平板電腦等就是典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于它對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的信息處理能力要求不高，而且由于每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都是通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式連接至中心節(jié)點(diǎn)的，一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的意外中斷不會(huì)影響到其他終端節(jié)點(diǎn)的通信。

(2)環(huán)形拓?fù)涫侵妇W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接構(gòu)成一個(gè)環(huán)路。環(huán)形拓?fù)涞男畔鬏斒菑囊粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)起，直到需求的另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)束。環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都集成有一個(gè)中繼器，中繼器會(huì)把它從一條鏈路上收到的信息加上自己的信息處理需求，再?gòu)牧硗庖粭l鏈路發(fā)送出去。之前的環(huán)形拓?fù)湫畔鬏數(shù)姆较蚨际菃蜗虻?，即無(wú)論有信息交換的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于什么位置，它們的信息傳輸只能按照固定的方向進(jìn)行。但現(xiàn)在很多控制設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形拓?fù)涞碾p向傳輸，雙向傳輸?shù)暮锰幵谟谕ㄐ艜?huì)自動(dòng)選擇通信速率較快的方向，而且當(dāng)一個(gè)方向的鏈路出現(xiàn)故障時(shí)通信可以從另外一條鏈路正常進(jìn)行。當(dāng)然，如果控制設(shè)備只支持單向環(huán)形拓?fù)?，則也可以做成兩路方向相反的環(huán)形拓?fù)浠槿哂唷?/p>

3)總線形拓?fù)涞耐ㄐ啪€路由兩部分組成：主干線路和分支線路。主干線路即是總線，用于傳輸整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的所有信息需求；分支線路則用于連接至各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。總線形拓?fù)渖蟼鬟f的信息可以是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，也可以是分組的，即一次發(fā)送分組信息再通過(guò)地址識(shí)別傳遞到對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，也可以是廣播的，即一次發(fā)送信息所有總線上的終端節(jié)點(diǎn)都接受執(zhí)行但無(wú)需回應(yīng)。總線形拓?fù)涫窃诠I(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最普遍的拓?fù)湫问?，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易排查故障，容易安裝，更節(jié)約電纜，但是它在距離過(guò)長(zhǎng)時(shí)會(huì)因?yàn)榫€路的阻抗、信號(hào)在總線上的反射造成信號(hào)的衰減或錯(cuò)誤。

(4)樹(shù)形拓?fù)淇梢岳斫鉃榭偩€形拓?fù)涞臄U(kuò)展，或者總線形拓?fù)渑c其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組合，它通常是在總線形拓?fù)涞慕K端節(jié)點(diǎn)上又連接了多個(gè)額外的終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的。和總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣，樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)也可以完成多點(diǎn)廣播通信。樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于它對(duì)設(shè)備的數(shù)量、速率、數(shù)據(jù)類型等沒(méi)有太多要求，有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。它主要應(yīng)用于將設(shè)備節(jié)點(diǎn)按主次或等級(jí)來(lái)進(jìn)行分層的層次性網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)論是星形、環(huán)形、總線形、樹(shù)形拓?fù)?，它們都要?duì)終端節(jié)點(diǎn)及處理的信息進(jìn)行管理，即什么時(shí)候由誰(shuí)發(fā)起信息需求、哪一條信息是有效的。星形拓?fù)涞墓芾硗ǔＳ芍行墓?jié)點(diǎn)設(shè)備完成；其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則取決于網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備類型，具有管理權(quán)限的設(shè)備可以位于網(wǎng)絡(luò)上的任意節(jié)點(diǎn)。由誰(shuí)發(fā)起信息需求、哪一條信息是有效的管理權(quán)在于管理設(shè)備，管理設(shè)備通常由事先約定好的規(guī)則來(lái)決定各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的權(quán)限，后面的Modbus章節(jié)中，我們將在編程部分介紹“令牌”的管理方式，在設(shè)備數(shù)量不多的情況下這是一種很簡(jiǎn)單有效的管理方式。

2.2.2網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)

網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)分為有線和無(wú)線兩大類。

1.有線傳輸介質(zhì)

常見(jiàn)的有線傳輸介質(zhì)有雙絞線、同軸電纜、光纖線纜等。

1)雙絞線

雙絞線是指兩根或者四根按照螺旋結(jié)構(gòu)排列的絕緣線。雙絞線的螺旋結(jié)構(gòu)可以減小線路之間的電磁干擾，帶有屏蔽層的雙絞線是現(xiàn)場(chǎng)總線中應(yīng)用最多的傳輸介質(zhì)。雙絞線可以用于數(shù)字信號(hào)傳輸，也可以用于模擬信號(hào)傳輸；它既可以用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，也可以用于多點(diǎn)傳輸。雙絞線的通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)幾百米至上千米。雙絞線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本較低，無(wú)論是安裝還是維護(hù)都很簡(jiǎn)便。常見(jiàn)的屏蔽雙絞線如圖2-8所示。

圖2-8屏蔽雙絞線

2)同軸電纜

同軸電纜是由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、外導(dǎo)體、外部保護(hù)層組成的，同軸是指內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體是同軸的，這樣的結(jié)構(gòu)使得它抗干擾能力較強(qiáng)，如圖2-9所示。

同軸電纜既可用于傳輸數(shù)字信號(hào)，也可用于傳輸模擬信號(hào)。它支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，也支持多點(diǎn)連接?；鶐S電纜可連接數(shù)百臺(tái)設(shè)備，寬帶同軸電纜可連接上千臺(tái)設(shè)備。同軸電纜的傳輸距離更遠(yuǎn)，基帶同軸電纜最大傳輸距離可達(dá)幾千米，寬帶同軸電纜最大傳輸距離可達(dá)幾十千米。家庭中的有線電視信號(hào)就是使用同軸電纜傳輸?shù)摹?/p>

圖2-9同軸電纜

3)光纖線纜

光纖線纜又被稱為光纜，它是由光纖、包層、保護(hù)層組成的，如圖2-10所示。

圖2-10光纖線纜

和雙絞線及同軸電纜不同，光纜傳輸?shù)牟皇请娦盘?hào)而是光信號(hào)。它是通過(guò)內(nèi)部的塑料或者玻璃光纖和包層的全反射來(lái)傳輸信號(hào)的。在傳輸信號(hào)前，發(fā)送器會(huì)把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，接收器接收到光信號(hào)后再將其轉(zhuǎn)換回電信號(hào)處理。光纖常用的連接方式是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，但它也可用于多點(diǎn)連接。它的傳輸距離較遠(yuǎn)，由于內(nèi)部光信號(hào)的全反射衰減極小，光纖可以在不適用中繼器加強(qiáng)信號(hào)的情況下傳輸數(shù)千米。由于光纖傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)受到各種電磁輻射的干擾，線路上也不會(huì)有電信號(hào)帶來(lái)的發(fā)熱損耗，而且速率高、誤碼率低，因此未來(lái)它是應(yīng)用前景最好的傳輸介質(zhì)。它的缺點(diǎn)在于制造工藝較為復(fù)雜，成本較高。

2.無(wú)線傳輸介質(zhì)

常見(jiàn)的無(wú)線傳輸介質(zhì)有無(wú)線電波、微波、紅外線、激光等。它們的頻率有所不同，無(wú)線電波的頻率一般在1?GHz以下，工業(yè)應(yīng)用的無(wú)線電波頻率一般為2.4

GHz；微波的頻率范圍在300?MHz～300?GHz；紅外線的頻率范圍在1011～1014?Hz；激光的頻率范圍在1014～1015

Hz。

無(wú)線信號(hào)的頻率越高，其對(duì)障礙物的穿透能力越差。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常采用的是低頻的無(wú)線信號(hào)，因?yàn)樗邆湟欢ǖ拇┩改芰?，可以穿透部分障礙物。

2.2.3網(wǎng)絡(luò)的連接設(shè)備

常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備有網(wǎng)關(guān)、路由器、網(wǎng)橋、中繼器等。網(wǎng)關(guān)屬于轉(zhuǎn)換類的設(shè)備，路由器、網(wǎng)橋、中繼器則屬于連接類的設(shè)備。對(duì)照2.2.4節(jié)介紹的OSI標(biāo)準(zhǔn)模型，路由器工作在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)橋工作在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，中繼器工作在物理層。

1.網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)的作用是進(jìn)行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，所以它又被稱為網(wǎng)間協(xié)議變換器。網(wǎng)關(guān)的工作過(guò)程包含接收、翻譯、發(fā)送，即接收一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里的A格式協(xié)議的數(shù)據(jù)信息，將其翻譯成B格式協(xié)議的數(shù)據(jù)信息，再發(fā)送到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里去。網(wǎng)關(guān)內(nèi)部通常有兩個(gè)不同的處理器和通信接口，用于處理兩個(gè)不同的A格式協(xié)議和B格式協(xié)議。需要注意的是，很多網(wǎng)關(guān)的翻譯都是單向的。

例如：施耐德的網(wǎng)關(guān)LA9P307，它是一個(gè)ProfibusDP和ModbusRTU的網(wǎng)關(guān)，但是它是以一個(gè)ProfibusDP從站的身份存在的，即可以把它連接至ProfibusDP總線，然后在它的下方連接支持ModbusRTU的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；如果反過(guò)來(lái)把它連接至ModbusRTU總線，然后在它的下方連接支持ProfibusDP的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，則是不可行的。

在現(xiàn)在這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線百花齊放的時(shí)代，網(wǎng)關(guān)的存在解決了很多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和總線的協(xié)議不匹配問(wèn)題，是簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)、減少編程的重要設(shè)備。

2.路由器

路由器用于連接至兩個(gè)甚至更多的網(wǎng)絡(luò)中，并在這些網(wǎng)絡(luò)中都擁有對(duì)應(yīng)的地址，它的作用在于從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中接收到數(shù)據(jù)信息，再把數(shù)據(jù)信息傳遞到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中去。路由器內(nèi)的軟件會(huì)識(shí)別數(shù)據(jù)信息的目的地，有目的地進(jìn)行對(duì)應(yīng)的傳遞，無(wú)目的地進(jìn)行取消；而且它會(huì)選擇數(shù)據(jù)信息傳遞的最佳路徑。路由器自身可以用于連接多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，路由器之間的連接可以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡(luò)，并且這個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都是可以數(shù)據(jù)信息傳遞的。路由器連接的所有網(wǎng)段協(xié)議是一致的，但是這些網(wǎng)段可以具有獨(dú)立的地址分配、不同的速率和傳輸介質(zhì)。

路由器是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)、分區(qū)的重要設(shè)備。

3.網(wǎng)橋

網(wǎng)橋是指在局域網(wǎng)中連接類型相同、網(wǎng)段不同、傳輸速率不同、傳輸介質(zhì)不同的設(shè)備并傳遞數(shù)據(jù)信息的設(shè)備。網(wǎng)橋連接的網(wǎng)段之間在接口、速率、傳輸媒體種類可以不同，但它兩側(cè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和地址應(yīng)該是一致的。網(wǎng)橋可以訪問(wèn)它連接的所有終端節(jié)點(diǎn)的物理地址，并選擇是否傳輸它們的報(bào)文，可以使不同網(wǎng)段之間隔離。它具備尋址和路徑選擇的功能。

4.中繼器

中繼器的作用是信號(hào)的再生，又被稱為重發(fā)器。在信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中，因?yàn)榫€路自身的阻抗、信號(hào)的反射和噪聲等原因，信號(hào)的正確性和完整性會(huì)受到影響。中繼器會(huì)按照接收到的信號(hào)的原始波形進(jìn)行每一位的再生復(fù)制，同時(shí)它會(huì)區(qū)分信號(hào)和噪聲，只再生信號(hào)部分，取消噪聲部分。中繼器和不區(qū)分信號(hào)及噪聲而全部放大的放大器是不同的，這點(diǎn)需要注意。中繼器只負(fù)責(zé)信號(hào)的再生，不會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行其他多余的加工，所以連接在它兩端的線路具有相同的速率、協(xié)議、地址。每種網(wǎng)絡(luò)都會(huì)規(guī)定通信的最遠(yuǎn)距離，中繼器可以在遠(yuǎn)距離傳輸中信號(hào)變?nèi)跎踔翐p壞之前將其再生發(fā)送出去，從而延長(zhǎng)通信距離。

2.2.4

OSI參考模型

OSI參考模型即開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OpenSystemInterconnection)，它由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織OSI/TC97起草于1978年，并于1983年正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。OSI參考模型為設(shè)備互聯(lián)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)框架，為各通信協(xié)議的一致性和兼容性提供了良好的基礎(chǔ)。OSI參考模型按照1～7的數(shù)字編號(hào)依次為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層，

如表2-1所示。第1～3層為低層功能，即通信傳送功能；第4～7層為高層功能，即通信處理功能。每一層都是獨(dú)立的功能，每一層都利用其下一層的功能為其上一層提供服務(wù)，而與其他層無(wú)關(guān)。通信協(xié)議即兩個(gè)設(shè)備在OSI參考模型相同層次之間的通信規(guī)約。

OSI參考模型每個(gè)層級(jí)包含的內(nèi)容如下。

1.物理層

物理層并不單指?jìng)鬏斀橘|(zhì)，它包含設(shè)備間利用物理媒體實(shí)現(xiàn)物理連接的功能描述及執(zhí)行連接的規(guī)程，它提供有關(guān)信號(hào)同步和數(shù)據(jù)流在物理媒體上的傳輸手段，如建立、保持、斷開(kāi)物理連接的機(jī)械、電氣、功能、規(guī)程。物理層規(guī)定了和傳輸介質(zhì)連接的機(jī)械和電氣特性，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為何種在物理媒體上傳輸?shù)男盘?hào)，常見(jiàn)的內(nèi)容有傳輸介質(zhì)的類型和結(jié)構(gòu)、傳輸距離和傳輸速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系、連接頭的形式和針腳定義、傳輸信號(hào)的物理特性(如電壓及高低電平)、數(shù)據(jù)傳輸是單向還是雙向等。

2.數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層是對(duì)數(shù)據(jù)鏈路的建立、保持、斷開(kāi)進(jìn)行管理，通過(guò)訪問(wèn)仲裁、數(shù)據(jù)成幀、同步控制、尋址、差錯(cuò)控制等功能，保證無(wú)差錯(cuò)傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路層還要實(shí)現(xiàn)流量控制，使發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)不能超過(guò)接收器的接收能力，避免造成數(shù)據(jù)