第6章 计算机控制中的网络与通信技术(4)

第6章 计算机控制中的网络与通讯技术

3．多路复用技术

为了提高传输效率，人们希望把多路信号用一条信道进行传输，其作用相当于把单条传输信道划分成多条信道，以实现通信信道的共享，这就是多路复用技术。

常用的多路复用技术有两种：频分多路复用和时分多路复用。 （1）频分多路复用

频分多路复用（FDM）是把信道的频谱分割成若干互不重叠的小频段，每条小频段都可以看作是一条子信道，而且相邻的频段之间留有一段空闲频段，以保证数据在各自的频段上可靠地传输。

（2）时分多路复用

时分多路复用（TDM）是把信道的传输时间分割成许多时间段。当有多路信号准备传输时，每路信号占用一个指定的时间段，在此时间段内，该路信号占用整个信道进行传输。为了接受端能够对复合信号进行正确分离，接受端与发送端的时序必须严格同步，否则将造成信号间的混乱。

6.2.2 数据通信中的检错与纠错

在计算机通信过程中，由于干扰等各种原因，数据出现差错是不可避免的。问题的关键是如何能够可靠地判断一次传输是否有误，这就是所要讨论的差错检测技术。

差错检测技术的原理是：发送方在发送数据的基础上，生成某些校验编码，然后将该校验编码附加在数据后面一起发送。接收方接收到数据和校验码后，用校验码对收到的数据进行检验，以确立本次传输是否正确。差错检测技术的核心是校验编码，下面介绍三种常用的校验编码方法（奇／偶校验编码、循环冗余校验编码和恒比校验编码）和纠错方式。

1．检验编码方法

（1）奇/偶校验(Parity Check)

奇／偶校验编码是对要发送的整个格式报文(一个字节或一帧数据)中的数字为“1”的码元个数进行统计，根据统计结果，按以下规则生成奇／偶校验位：

当“1”码元数为奇数：采用偶校验，校验位为“1”；采用奇校验，校验位为“O”。 当“1”码元数为偶数：采用偶校验，校验位为“0”；采用奇校验，校验位为“l”。 也就是说，在采用奇校验时，报文加上校验位后应保证“l”码元个数为奇数；而在采用偶校验时，报文加上校验位后应保证“l”码元个数为偶数。

（2）循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)

循环冗余校验的原理是：发送端发出的信息有基本的信息位和CRC校验位两部分组成的，如图6.15所示。发送端首先发送基本的信息位，与此同时，CRC校验位生成器用基本的信息位除以多项式G(x)。一旦基本的信息位发送完，CRC校验也就生成，并紧接其后再发送CRC校验位。

图6.15 CRC校验示意图 16

计算机控制技术

接受端在接收基本信息位的同时，CRC检验器用接收的基本信息位除以同一个生成多项式G(x)。当基本信息位接收完之后，接着接收CRC校验位，并同时也进行这一计算。当CRC校验位接收完，如果这种除法的余数为0，即能被生成多项式G(x)除尽，则认为传输正确；否则，传输错误。

循环冗余校验(CRC)的原理及其实现比较复杂，很多资料都有论述。

循环冗余校验的检验能力与生成多项式有关。若能针对传输信息的差错模式设计多项式，就会得到较强的检测差错能力。目前人们已经设计了许多生成多项式，下面三个多项式已成为国际标准：

CRC-12：G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1 CRC-16：G(x)=x16+x15+x2+1 CRC-CITT：G(x)=x16+x12+x5+1 （3） 恒比码

在通信时不是原码传送，而是对待发送的数据进行编码，使之编码后的每一个字节(或每一码组)中，“l”和“0”的个数之比保持恒定，这种编码称为恒比码。我国国内电报通信就是采用恒比码电码编码的。用户报文中的字符要按照统一制定的标准电码本翻译成四位数字，每个数字在电传机中用一个五单位电码表示，因此每个字符实际上要用20个二元码。在传输过程中，只要五单位电码中出现一个码元的差错，就会产生出错数字，最终使译出的报文失去原意。

2．纠错方式

常用的纠错方式有三种：重发纠错、自动纠错和混合纠错。

（1）重发纠错方式：发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收端根据该码的编码规则，判断传输中有无错误，并把判断结果反馈给发送端。如果传输错，则再次发送，直到接收端认为正确为止。

（2）自动纠错方式：发送端发送能够纠错的信息码，而不仅仅是检错的信息码。接收端收到该码后，通过译码不仅能发现错误，而且能自动地纠正传输中的错误。但是，纠错位数有限，如果为了纠正比较多的错误，则要求附加的冗余码比基本信息码多，因而传输效率低，译码设备也比较复杂。

（3）混合纠错方式：这是上述两种方式的综合。发送端发送的信息码不仅能发现错误，而且还具有一定的纠错能力。接收端收到该码后，如果错误位数在纠错能力以内，则自动地进行纠错；如果错误多，超出了纠错能力，则接收端要求发送端重发，直到正确为止。

第6章 计算机控制中的网络与通讯技术

6.3 工业控制计算机网络与通讯

计算机、通信技术和微电子技术的迅猛发展、相互渗透和结合，促成了信息技术的革命。信息已经成为一项重要的生产力要素在社会各行业发挥着重要作用。信息化是企业迈向21世纪信息经济的必由之路，信息经济是以信息为主导的全面经济活动，而企业信息化就是企业用信息化去推动企业的管理、生产和销售。企业网的建设成为企业基础设施建设的重要内容。工业企业网是企业网的一个重要分支，是指应用于工业领域的网络，是工业企业的管理和信息基础设施。它是一种综合的集成技术，涉及到计算机技术、通信技术、多媒体技术、控制技术和现场总线等。在功能上，工业网络的结构可分为信息网和控制网两层，信息网位于工业网的上层，是企业数据共享和传输的载体，这一层主要采用以太网技术；控制网位于工业网的下层，与信息网紧密地集成在一起，具有独立性和完整性，这一层主要采用现场总线。

6.3.1 现场总线技术

在现代工业控制中，由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散性，以及控制与监控等任务对实时性的要求，工业控制内在地需要一种分布实时控制系统来实现控制任务。在分布式实时控制系统中，不同的计算设备之间的任务交互是通过通信网络，以信息传递的方式实现的。为了满足任务的实时要求，要求任务之间的信息传递必须在一定的通信延迟时间内。工业通信网络的采用，不仅为实现过程分布控制提供了现实可行的条件，而且对系统的实时性提出了强烈的要求。为了满足工业控制中对时间限制的要求，通常采用具有确定的、有限排队延迟的专用实时通信网络。典型的实时通信网络就是现场总线，它是应用在生产现场，在微机化测量控制设备间实现双向串行多节点的数字通讯系统，又称为开放式、数字化、多点通讯的低层控制网络，被誉为自动化领域的计算机局域网。它把各个分散的测量控制设备转换为网络节点，以现场总线为纽带，连接成为可以互相通信、沟通信息、共同完成自控任务的网络化控制系统。

现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征。

1．现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绞线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；

2．网络数据通信采用基带传输（即数字信号传输），数据传输速率高（为 Mbit/s 或 10Mbit/s 级），实时性好，抗干扰能力强；

3．废弃了集散控制系统（DCS）中的 I/O 控制站，将这一级功能分配给通信网络完成； 4．分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性；

5．开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；

6．互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。

国际上发达国家的厂商看到了现场总线的广阔前景，能给他们带来巨大的商业利益，于是纷纷投入很大的人力、物力进行研究开发。他们首先立足于总线标准，即总线协议的制定，而后力图发展其应用领域以扩张自己的营运范围。目前已经出现了四十多种现场总线，各发

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计算机控制技术

展各的势力，各做各的生意，已形成了目前多种现场总线并存的，各不相让相互竞争的局面。多种总线并存，就意味着有多种标准，这就严重束缚了总线的应用和发展，国际电工协会(IEC)于1999年认定通过了八种现场总线为现行的现场总线标准。它们分别是：（1）基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)；（2） ControlNet；（3） Profibus；（4） P-Net；（5） FF(Foundation Fieldbus)高速以太网HSE；（6） SwiftNet；（7） WorldFIP；（8） Interbus-S。

6.3.2 工业以太网

1．以太网的优势

以太网( Ethernet) 由于其应用的广泛性和技术的先进性，已逐渐垄断了商用计算机的通讯领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信，并且有进一步直接应用到工业现场的趋势。与目前的现场总线相比，以太网具有以下优点:

（1）应用广泛

以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持Ethernet 的应用开发，如Java 、Visual C + + 、Visual Basic、Delphi 等。这些编程语言由于使用广泛，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景。 因此，如果采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。

（2）成本低廉

由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛，硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有Profibus、FF 等现场总线的十分之一，而且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。

（3）通信速率高

目前以太网的通信速率为10M，100M的快速以太网已开始广泛应用，1000M以太网技术逐渐成熟，10G以太网正在研究。其速率比目前的现场总线快得多。以太网可以满足对带宽的更高要求。

（4）软硬件资源丰富

由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。

（5）可持续发展潜力大

由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入。并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展在很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。

因此，如果工业控制领域采用以太网作为现场设备之间的通信网络平台，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使现场总线技术和一般网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入。这一点是任何现有现场总线技术所无法比拟的。同时机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络有更高的带宽、更好的性能，通信协议有更高的灵活性。这些要求以太网都能很好地满足。

第6章 计算机控制中的网络与通讯技术

2．工业以太网的关键技术

正是由于以太网具有上述优势，使得它受到越来越多的关注。但是以太网应用于工业现场设备之间的通信还存在着一些问题，这些问题包括：

（1）通信实时性

长期以来，Ethernet 通信响应的“不确定性”是它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一。

众所周知，以太网采用冲突检测载波监听多点访问(CSMA/ CD —Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 机制解决通讯介质层的竞争。以太网的这种机制导致了非确定性的产生。因为在一系列碰撞后，报文可能会丢失，节点与节点之间的通信将无法得到保障，从而使控制系统需要的通信确定性和实时性难以保证。

随着互联网技术的发展和大面积推广应用，以太网也得到了迅速的发展，使通信确定性和实时性得到了增强。

首先，在网络拓扑上，采用星型连接代替总线型结构，使用网桥或路由器等设备将网络分割成多个网段(segment) 。在每个网段上，以一个多口集线器为中心，将若干个设备或节点连接起来。这样，挂接在同一网段上的所有设备形成一个冲突域( collision domain)，每个冲突域均采用CSMA/ CD 机制来管理网络冲突。这种分段方法可以使每个冲突域的网络负荷和碰撞几率都大大减小。

其次，使用以太网交换技术，将网络冲突域进一步细化。用交换式集线器代替共享式集线器，使交换机各端口之间可以同时形成多个数据通道，正在工作的端口上的信息流不会在其他端口上广播，端口之间信息报文的输入和输出已不再受到CSMA/ CD介质访问控制协议的约束。因此，在以太网交换机组成的系统中，每个端口就是一个冲突域，各个冲突域通过交换机实现了隔离。

再次，采用全双工通信技术，可以使设备端口间两对双绞线(或两根光纤)上可以同时接收和发送报文帧，从而也不再受到CSMA/ CD 的约束，这样，任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在。

总之，采用星型网络结构、以太网交换技术，可以大大减少(半双工方式) 或完全避免碰撞(全双工方式)，从而使以太网的通信确定性得到了大大增强，并为以太网技术应用于工业现场控制清除了主要障碍。

此外，通过降低网络负载和提高网络传输速率，可以使传统共享式以太网上的碰撞大大降低。实际应用经验表明，对于共享式以太网来说，当通信负荷在25 %以下时，可保证通信畅通，当通信负荷在5 %左右时，网络上碰撞的概率几乎为零。由于工业控制网络与商业网不同，每个节点传送的实时数据量很少，一般仅为几个位或几个字节，而且突发性的大量数据传输也很少发生，因此完全可以通过限制每个网段站点的数目，降低网络流量。同时，使用UDP 通信协议，可以充分保证报文传输的有效载荷，避免在网络上传输不必要的填充域数据所占用的带宽，使网络保持在轻负荷工作条件下，就可以使网络传输的实时性进一步得到保证。

对于紧急事务信息，则可以根据IEEE802.3p&q，应用报文优先级技术，使优先级高的报文先进入排队系统先接受服务。通过这种优先级排序，使工业现场中的紧急事务信息能够及时成功地传送到中央控制系统，以便得到及时处理。

（2）总线供电

所谓“总线供电”或“总线馈电”，是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号，还

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