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1、1 绪论1.1 设计概述水泥生产工艺复杂，设备联锁众多，各种检测信号相互影响，如果采用传统的人工控制或继电器仪表控制，很难达到控制要求。如果生产线上的任何一台设备出现电气故障停机，将影响整个生产线的运行，严重时会发生压料、堵料，给生产带来很大的损失在分布式控制系统（DCS）日益向工业渗透的今天，对这种多工况进行集散控制已是行业所急，由此，本设计设计了一个多级分布式集中控制系统，可对水泥生产线进行实时控制和监测管理。系统结构如图1所示：系统在总体上是纵向分层、横向分散的结构，系统从结构上可分为厂长管理级、工程师管理级、操作员管理级、过程控制级和现场设备级。图1系统原理图该系统总体设计的指导思想是
2、技术先进、生产可靠、节省投资、提高效益。基于这种思想该生产线采用了PLC型集散控制系统，完成了从生料进窑到熟料入库的整条生产线的自动控制。采用集散控制后，真正做到分散控制、集中管理、危险分散。设备出现故障后，系统能够按照预先编制好的程序自动停止相关设备，并发出声光报警，提醒操作人员及时处理，以免影响生产。对一些重要的参数和报警，系统能够自动生成历史记录和历史趋势。操作人员和技术人员可以随时查询历史数据，随时了解生产情况。通过对数据的统计和分析提出新工艺，新方法，以不断提高水泥的产量和质量。水泥配料是水泥生产的关键环节,配料质量的好坏直接影响水泥的产量和质量。DCS 技术的引入,大大提高了水泥配
3、料质量,提高了水泥产量和质量。目前各水泥生产厂家几乎均采用了水泥配料自动控制技术,但目前的微机配料控制系统存在以下问题:(1) 采用传统的控制方式,检测和控制环节多,故障率高。(2) 采用模拟信号传送和控制,控制精度不高。传统的配料控制系统中,传感器信号(模拟信号) 从现场传至A/ D 设备,这段距离短则几十米,长则几百米,信号很易受到干扰或发生畸变。控制信号首先经由D/ A 设备,也以模拟信号的形式传到现场。(3) 系统采用的计算机软硬件技术落后,功能不强,系统不易扩展。目前相当一部分的配料控制系统仍采用单片机,软件采用汇编语言或其它编程语言而成,大多仍基于DCS 环境。(4) 系统孤立运行
4、,无法与别的系统(例如,DCS系统) 连接,等等。因此,我们在水泥厂采用DCS 控制系统,开发水泥配料DCS 控制系统,在提高水泥配料质量的同时,使系统更易于操作维护、更可靠地安全运行,以达到优质、高产、低消耗、安全文明生产和高劳动生产率的目的。本控制系统充分利用了现有的PLC技术、现场总线技术和计算机网络通讯技术等先进技术，吸收了其它同类控制系统的优点，具有结构开放，组态灵活，控制功能完善，操作简单规范等显著特点大大提高了生产和管理的自动化水平，减少了故障的发生率，提高了劳动生产效率。本系统在府谷水泥厂自投入运行以来，结果令人满意，各项指标均满足技术要求，在水泥自动化生产线系统中具有推广价值
5、。1.2目的和意义目前，从世界范围看，集散控制系统以其高可靠、高性能、分散控制、集中管理以及合理的价格而成为工业控制的一大趋势。本系统投入运行以来，结果令人满意，各项指标均满足技术要求；系统功能强大，全汉化操作界面，在线组态，形象直观，易于操作；保证了现场运行的安全可靠性，为现场操作人员创造了高效率的工作环境，实现了较为先进的过程控制和管理技术水平；系统自动化程度高、运行稳定，能极大的减少工人的劳动强度，提高劳动生产率，在水泥自动化生产线系统中具有推广价值。实践证明，采用DCS控制系统是顺应工业现代化发展趋势的，也为企业带来了巨大的经济效益和社会效益。2集散控制系统2.1集散控制系统的概述集散
6、控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。图1-1是集散控制系统的组成框图。它是一种典型的分级分布式控制结构。管理计
7、算机完成制定生产计划、产品管理、财务管理、人员管理以及工艺流程管理的功能，以实现生产过程的静态最优化。监控计算机通过协调个控制器的工作，达到过程的动态最优化。基木控制器则完成过程的现场控制任务。CRT操作站是显示操作装置，完成人一控制系统一过程的接口任务。数据采集器用来收集现场控制信息和过程变化的信息。1723管理计算机基本控制器数据采集器数据操作板基本控制器CRT操作站监督计算机 高速数据总线工程过程现场图1-1集散控制系统框图2.2集散控制系统的特点（1）系统构成灵活。从总体上看，DCS就是由各个工作站通过网络通信系统组网而成的。根据生产需求，你可以随时加入或者撤去工作站。系统组态很灵活。
8、（2）操作管理便捷。DCS的人机反馈都是通过CRT跟键盘、鼠标等实现的。可以监视生产装置乃至整个工厂的运行情况。（3）控制功能丰富。原先用模拟控制回路实现的复杂运算，通过高精度的微处理器来实现。（4）信息资源共享。只要在DCS系统中权限够大，就能了解到任何参数。（5）安装、调试方便。相比原先的模拟控制系统，DCS系统算是很方便了。（6）安全可靠性高。2.3水泥厂集散控制系统介绍系统分为过程站和操作站，主要有过程站、操作站、现场站和编程器等组成，并且可以与外部计算机通讯，构成工厂管理系统。过程站是一个可编程过程控制站，可用于逻辑控制、顺序控制和调节控制等，过程站的编程软件是采用组态化软件。操作站
9、是一种高性能的操作管理站，它可以完成以下任务：执行用户定义的工艺过程显示、标准显示、趋势曲线显示和报表。用于操作的人机对话功能。故障报警和事件显示。趋势曲线的历史记录。控制系统的状态显示。设计用户显示画面。打印报警和事件列表，拷贝显示画面。现场站是远程站，其作用是实现现场数据参数的采集及执行。编程器的作用主要是用于设计和修改应用程序及数据库，它可以在线或离线编程。编程器通过总线，借助于网络号和接点号与挂在总线上的管理站和控制站通讯。3 数据传输系统3.1通信系统组成3通信系统模型传输信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。通信系统的一般模型如图3-1所示。通信系统有以下几部分组成:3信息源收
10、信者接收设备传输媒介发送设备干扰图3-1通信系统的一般模型（1）信息源和收信者 根据信息源输出信号的性质不同可分为模拟信源和离散信源。模拟信源输出连续幅度的信号:离散信源输出离散的符号序列或文字。模拟信源可通过抽样和量化变换成离散信源。（2）发送设备 发送设备的基本功能是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的信号变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。调制是最常见的变换方式。对于数字通信系统来说，发送设备常常由可分为信道编码与信源编码两部分。信源编码将连续信号变换成数字信号;而信道编码则是使数字信号与传输媒介匹配，提高传输的可靠性和有效性。发送设备还包括为达到特殊处理所要求的各种处理，如多路
11、复用、保密处理、纠错处理等。（3）传输媒介从发送设备到接收设备之间信号传输所经过的媒介。当数据通过媒介时必然将引入干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰落等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系到变换的选取。（4）接收设备接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解码、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，对于多路复成用信号，还包括解除多路复用，实现正确的分路。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换信息，因而需要双向通信。此外，通信系统除完成信息传递外，还必须进行信息的交换，传输系统和交换系统共同组成了一个完整的通信系统，乃至通信网络
12、。3通信系统的性能度量通信的任务是传递信息，因此传输信息的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标。有效性是指在给定信道内能传输的信息内容的多少，而可靠性是只接收信息的准确程度。这两者是相互矛盾而又相互联系的，通常是可以互换的。模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。对于数字通信系统，有效性可用信息传输速率来衡量。二进制数字消息的信息速率用b/s(比特/秒)作单位。比特(bit)是信息量单位，当二进制数字0、1取值等概率时，传送一个二进制数字其信息量就等于1 bit。信息速率常称比特率。显然，当信道一定时
13、，信息速率愈高，有效性也就愈好。为了提高有效性，可以采用多进制传输，此时每个码元携带的信息量超过1 bit。若码元速率为RS，信息速率为Rb，每个码元有N种可能采用的符号，则它们之间的关系为: （式3-1）数字通信系统的可靠性可用错误率来衡量。误码率Pb=错误比特数/传输总比特数 （式3-2）误码元率PS=错误码元数/传输总码元数 （式3-3）有时将误比特率称为误信率，误码元率称为误符号率。3.1.3数据传输系统的主要技术（1）传输信道传输信道指的是以传输媒质为基础的信号通路，它是传输数据的物质基础。信道特性的好坏，对传输系统及系统各部分的设计具有决定性的影响。因此设计数据传输系统的第一步就是
14、要选择合适的信道，并详细地调查了解。信道的特征。数据传输最常用的信道分有线和无线两种。信道既给数据传输以通路，又给数据传输以限制。由于各种实际因素，信道提供的频带总是有限的，信道特性总是不完善的。数据信号通过信道时，往往发生振幅失真和相位失真，从而产生波形失真。除失真外，信号功率也由于信道的损耗而下降。而且，数据信号还被信道中一切不需要的和不确定的电扰动所损害，这些扰动称为噪声或干扰。信道对信号的某些损害可以设法消除或补偿，但噪声或干扰对信号的影响不能完全消除，因此，从这个意义上说，传输系统设计的主要目标是尽可能地抑制噪声或干扰的不良作用。常见的对信道的描述有二进制对称信道模型(BSC)和修正
15、二进制对称信道(GBSC)，本设计的误码率计算也以这两个模型为准，其后还给出香农公式及信道容量。2二进制对称信道模型(BSC )由于目前在信道中传输的数据序列基木上是二进制序列，因此在信道中产生的错误不外乎是0错成1或1错成0。但无论哪一种错误，在差错序列中这一位的取值均为1。如果0错成1和1错成0的概率相等，则我们称这种信道为对称二进制信道(BSC)。如果信道又是随机的，则我们称它为随机二进制对称信道。一般情况下，若无特别说明，就用BSC来表示随机二进制对称信道，它是最早提出的一个信道模型。如图3-1所示。 1-Pe1-PePePe0011图3-1 BSC信道模型该信道模型中只有一个参数Pe
16、，它就是0错成1或1错成0的概率，称为信道转移概率，也就是人们常说的误码率。由于BSC模型完全由一个参数Pe确定，在进行统计和计算时特别简便，并且也基本上符合某些实际信道的差错特性，故该信道模型用得非常广泛，往往以它为基础来计算各种差错控制方式和各种纠错码的性能。在BSC中，对于长度为m个码元的数据码组，码组不错的概率P(n, 0),错组概率P(n, 1)也称误组率 Pwu，出现m个错误的概率P(n ,m)以及出现等于和大于m个错误的概率P(n,m)分别为： （式3-4） （式3-5） （式3-6） （式3-7）概率P(n，m)服从二项式分布，当n很大时近似为泊松分布，即： （式3-8）若n很
17、大，且nPe 1，则近似可写为P(n, 1) nPe （式3-9）修正二进制对称信道(GBSC) BSC模型虽然计算简单，但并不符合大多数实际信道差错序列的0, 1分布情况，如在有线及大多数无线信道中，错误往往以突发形式出现，表现在差错序列中1的出现是密集而不是随机的。因此为了描述这种信道，对原来BSC模型加以修正，增加一个反映信道错误密集情况的参数，这样既保持了原来BSC模型计算简单的优点，又反映了实际信道错误密集的情况，这就是所谓的修正二进制对称信道模型，简称GBSC模型。GBSC模型由误码率Pe和错误密集指数a决定。其中错误密集指数a反映了错误密集的情况，也就是反映了差错序列中出现1的密
18、集程度，a处在0和1之间。不同的信道，并不相同，它通常由实标测量决定。若a=0，则认为错误不相关，也就是BSC情况:若a=1，说明错误完全相关。如果我们知道了信道的Pe和a，则可以很容易地计算各种概率。下面给出计算各种概率的公式。 （式 3-10） （式3-11） （式3-12） （式3-13）仅当时上述公式才较推确，否则误差较大。由上述公式可知，只要知道了a和P。就可以很方便地计算各种概率。根据实际测量，在一般情况下，有线信道的a在左右，短波和散射倍道的a在之间，而微波中继线路的。在之间。BSC和GBSC模型计算简单，但比较粗糙。因此在需要精确计算各种错误概率的情况下，还必须用其它模型。如双
19、状态马尔可夫链模型(Gilbert模型)，分群马氏链模型等。香农公式和信道容量 (b/s) （式3-14）就是著名的香农信道容量公式，简称为香农公式。由香农公式可得如下结论:3提高信号与噪声功率之比能增加信道容；当噪声功率N- 0时，信道容量C趋于，这意味着无干扰信道容量为无穷大:增加信道频带并不能无限制地使信道容量增大。当噪声为白 色高斯噪声时，随着W增大，噪声功率N= Wn0。也增大，在极限情况 下，即使信道带宽无限增大，信道容量仍然是有限的；信道容量一定时，带宽W与信噪比S/N之间可以彼此互换。香农公式给出了理论极限，但未对如何达到或接近这一理论极限，给出具体的实现方案。这正是通信系统研
20、究的任务，四十余年来，人们正是围绕着这一目标，开展了大量的研究，得到了各种数字信号表示方法和调制手段。（2）调制与解调调制器的功能是把输入的比特流交换为适合于通过信道的电信号。为了实现调制，要产生一个载波，并让载波波形的一个或几个参量随着数据信号而变化。载波波形有两类:一类是正弦波，一类是脉冲波。在数据基带传输系统中，采用脉冲载波的调制一般是脉冲振幅调制。用正弦载波调制的传输系统使用更广泛，通常把它称为通带传输系统。正弦载波的调制有振幅调制、频率调制、相位调制及复合调制等方式。解调器的功能是完成调制的逆变换，即对接收波形进行识别，然后判决。所以，解调器又叫波形识别器。在任一码元区间内，接收端只
21、知道发送的波形是So(t),S,(t).Sm-1,(t)，而不能确知是哪一个。它只能根据混有噪声的接收波形进行估计，因此判决难免有错。在输入信噪比相同的条件下，使判决差错概率最小的解调器称为最佳解调器(又称最佳接收机)。解调的方法必须与调制方式相适应。.凡是涉及到相位的解调，必须采用相干或差分相干解调:而振幅调制与频率调制可以采用相干解调，也可以采用非相干解调。无论哪一种调制方式，采用相干解调的性能均优于非相干解调的性能。（3）同步通过调制，比特序列变换为代表码元的波形序列。各个码元具有相同的时间长度。码元之间的转换是由发送端的时钟脉冲进行控制的。为了解调，接收端必须确定码元的转换时刻。确定码
22、元转换时刻的过程称为位同步。在利用正弦载波进行传输的情况下，为了实现相干解调，接收端除了要求位同步以外，还要求载波同步，也就是说要在接收端获得相干载波。提取相干载波的过程称为载波恢复或载波提取。位同步和载波同步的信息通常是从经过各种各样锁相环路的接收信号波形中提取。除了位同步与载波同步以外，传输系统中还有更大时间范田的同步问题。发送的数据序列常常是分组的，若干组构成一帧。因此，接收端必须对收到的比特序列正确地进行分组，这些组同步和帧同步统称为群同步。群同步的建立通常是在发送的比特流中插入特殊的标志字符，接收机从收到的比特流中把标志字符检测出来，作为群同步信息。（4）差错控制由于噪声和干扰的影响
23、，解调器输出的比特差错率一般为10-3-10-5，而计算机要求数据传输的比特差错率小于10-8-10-10，因此必须采用差错控制技术，以便把解调器输出的差错率下降到使用者能够接受的数值。此外，在信道瞬时中断或存在脉冲干扰的情况下，解调器的输出将出现成群的差错，或叫突发差错。对于这种类型的差错，依靠加大信号功率来克服它是很不合算的，而采用差错控制技术却能以较小的代价取得良好的效果。差错控制的基本方法有:反馈重传(ARQ)、前向纠错(FEC),混合纠错(HEC)。不论哪种方法都要依靠编码技术，即在发送端有规律地在输人数据中加入一定的多余码，使接收端能够因此而自动地检测或纠正传输差错。这些增加的多余
24、比特称为差错控制比特，或校验比特。 差错控制编码有两种基本的类型:分组码与卷积码。编码器根据输入的数据比特产生相应的校验比特，其主要要求是编码效率高、差错控制能力强及实现简单。译码器实现检错与纠错，其主要要求是译码错误概率小、快速、简单和译码时延小。目前在数据传输系统中，广泛地采用反馈重发技术。接收端根据编码规则，发现传输出现差错后，经过反馈信道请求发送端重传，以便纠正差错。这种方法的优点是编码效率可以高，对信道的适应能力强，只要选择检错能力足够强的编码和可靠的反馈信道，则反馈重传能够保证接收端最终输出的比特差错率满足使用要求。在后面章节将进行详细论述。 综上所述，数据传输的基本过程是:输入的
25、数据比特流先经过差错控制编码器，插人差错控制比特后，再经过调制器变成适合于通过信道的波形序列:这些波形通过信道传输后，产生了失真并混入了噪声，解调器对它们进行识别，还原成比特流，其中出现的差错由译码器检测和纠正，如果译码器对差错纠正不了，那么还需要通过反馈重传来纠错。3.2数字信号调制数字信号调制可分为三种基本方式:振巾副周制(AM)，频率调制(FM)和相位调制(PM)。12353振幅调制（1）双边带(DSB)振幅调制双边带振幅调制的信号表示式为: （式3-15）式中，a是振幅调制指数(0a1), m(t)是调制信号，c是载波角频率。（2）双边带抑制载波(DSB-SC)振幅调制 因为载波并不传
26、输信息，所以使用双边带抑制载波(DSB-SC)的振幅调制能够节省传输所需的功率，DSB-SC信号的一般形式是: （ 式3-16）当m(t)的取值是-1或1时，便是二进制相移键控(2PSK)信号。（3）单边带(SSB)调制上述两种DNB调制技术都要传输一个多余的频带，在应用中，如果频谱效率很重要，则采用单边带调制可以把信号占据的频带减小一半。单边带信号可以写为: （式3-17）式中m(t)是m(t)的希尔伯特变换。实际上，我们常采用带通滤波器，在双边带信号中抑制掉上边带或者下边带，以产生SSB信号，并在传送数据时发送载波导频。（4）正交振幅调制(QAM)这种调制技术把两个相位相差的DSB-SC信
27、号迭加在一起，其表示式为 （ 式3-18）cosct项和sinct项在相量图上是彼此正交的. cosct项通常被称为同相信号，或者I信号; sinct项通常被称为正交信号，或者Q信号。当是mQ (t)是mt的希尔伯特变换时，正交振幅调制也就变成了单边带调制。当mI(t)和mQ (t)是独立的二进制数据时，正交振幅调制即使不用严格的滤波器，也可以在所需功率与带宽方面，与单边带调制一样有效。正交振幅调制信号要求相干解调，任何相位误差都会在I信号与Q信号之间引起干扰，从而使性能下降。当mI(t)与mQ (t)的取值为土I时，正交振幅调制和四相相移键控(4PSK)完全相同。3频率调制(FM)（1）频移
28、键控(FSK)二进制频移键控(2FSK)利用两个频率相差f Hz的正弦信号，进行二进制传信。f叫做频差，和载波频率相比是很小的。实际上，常常用频差比来说明频差的大小，很多地方把频差比称为调制指数，其定义为: （式3-19）这里Tb是码元宽度，rb是数据速率，rb =1 /Tb。和其他类型的调制一样，2FSK既信号可以采用相干解调，也可以来用非相干解调。非相干解调可以采用两个带通滤波器，把信号中的两个频率分量分别滤出来，经过包络检波，然后用一个判决器，把传输的信J自、序列恢复出来。用这种方法进行解调，频率间隔不能太小，至少应等于2/Tb，以防止两个带通滤波器的通带发生明显的交迭。如果用动态滤波器
29、分路以构成最佳非相干解调器，则f可以小到1/Tb。另外一种方法是利用鉴频器进行解调。这种方法不受上述频差比h的限制。二进制频移键控(2FSK)可以推广到多进制频移键控(MFSK, M2)。（2）连续相位频移键控(CP-FSK)CP-FSK信号在码元转换瞬问没有相位突跳，因而信号频谱在频带之外的滚降加快。这类信号所占用的频带可以比相移键控小，在解调时如果采用迟延判决(增大观察区间)，还可能获得比相移键控更好的抗噪声性能。CP-FSK可分为两类:一类是全响应CP-FSK，其基带脉冲的响应限制在一个比特间隔:另一类是部分响应CP-FSK，其基带脉冲的响应宽于一个以上的比特间隔。前者的频谱在带外的滚降
30、加快，但主瓣较宽，后者的频谱既有窄的主瓣，又有快的带外滚降。（3）最小频移键控(MSK)MSK是一种日益受人们重视的调制方式.MSK是全响应CP-FSK的特殊情况，其调制指数h=0.5.这种调制方式能获得与PS K相同的性能，而且具有CP-FSK所固有的良好频谱特性.MS K的另一优点是实现自同步比较简单。最小频移键控也叫做快速频移键拌(FFSK).“最小”二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数(h=0.5)获得正交信号;而“快速”二字指的是这种调制方式，对于给定的频带，能比PSK传送更高的比特速率。（4）高斯滤波最小频移键控(GMSK) MSK虽然是一种性能优良的调制方式，并且己在实际中获
31、得了广泛的应用，但是就其频谱特性来说，由于主瓣较宽，副瓣也大，因而还达不到某些窄带数字传输系统的要求。为此，人们在MSK的基础上，采用高斯滤波器，对输入到调制器的基带信号进行预处理，这就形成了高斯滤波最小频移键控。GMSK信号具育优良的频谱特性和较好的抗干扰性能，通过改变高斯滤波器的带宽，可以改变已调信号的频谱分布，以适应不同通倍系统的要求.这种调制方式在数据传输系统中己获得成功应用.3相位调制(PM)（1）相移键控(PSK)PSK调制方式的主要优点是具有良好的抗噪声性能。PSK有两种不同的形式:相干相移键控(PSK)、差分相移键控(DPSK)。相干相移键控信号必须用相干解调，差分相移键控可以
32、用相干解调，也可以用差分相干解调。多相相移键控(M-PSK)也发展得较快，其中，四相相移键控(4PSK或QPSK)和八相相移键控8PSK)是最常见的多相相移键控。多于八相的相移键控，因为抗干扰性能差，并不可取。（2）偏置键控一四相相移键控(OK-QPSK)OK-QPSK是4PSK的改进型，也叫做交错四相相移键控(S-4PSK)。它的优点是可以限制信号在码元转换时刻的相位突变量，不会超过士/2，从而能减小信号经过带限系统所引起的包络起伏。（3）/4偏转四相相移键控(/4-QPSK)/4- QPSK也是一种能限制信号相位突变量(不超过士3/4)的调制方式。/4-QPSK的优点是其信号可以进行有效的
33、非相干检测，这对于在移动环境中难以提取相干载波的条件下实现信号检测，是有实用意义的。/4-QPSK近年来得到了人们的重视，己被选做数字蜂窝通信系统的调制方式。上面对数字信号的调制进行了简单的介绍。其中MSK具有较多的优点，如MSK在比特转换时不存在相位的急h I变化:MSK在为满足带宽要求而频带受限时，信号的包络不会出现有过零的现象，包络能保持其恒定性;MSK的解调和同步电路也很简单，所以在本设计的无线数据传输系统中采用了MSK调制方式，满足无线通信的要求。3.3数据的串行通信串行通信同并行通信相比，虽然速度低，因其较远的传输距离而广泛应用于工业现场的数据传输中。本设计中无线控制子系统的调度机
34、就是通过串行通信来完成与上位机交互的，下面就数据串行通信的几个主要方面进行介绍。3串行通信协议通信协议是为了保证通信的正确，通信双方都必须遵守的一种约定。在通信中通信协议至观重要。通过协议的约定，对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、纠错方式以及控制字符定义等作出统一规定，通信双方必须共同遵守，以保证数据传输的正确执行。通信协议也叫做通信控制规程，它属于ISO/OSI七层参考模型中的数据链路层。目前，采用的串行通信协议有两类:异步通信和同步通信协议。（1）异步串行通信协议异步串行通信时，每个字符作为一个独立的信息，可以随机地出现在数据流中，即每个字符出现在数据流中的相对时间是任意的。然而，
35、一个字符一旦开始出现以后，字符中各位则是以预先固定的时钟传输。因此，异步通信方式的“异步”主要体现在字符与字符之间，至于同一字符内部的位与位之间却是同步的。为了确保异步通信的正确性必须找到一个方法，使收发双方在随机传送的字符与字符之间实现同步。这种方法就是在字符格式中设置起始位与停止位。接收器检测到起始位就知道字符到达，接收器检测到停止位就知道字符己结束。由于这种通信协议是靠起始位和停止位来进行字符同步的，所以有时也称之为起止式协议。所以，一个字符单位除了表示字符信息的数据位外，还有若干附加位。（2）同步串行通信 由于异步通信每传送一个字符都加起、止信号等附加位，使其传输效率比较低，因此异步通
36、信一般用在数据速率较慢的场合。在高速传送时，一般应采取同步协议。目前国际上比较通用的链路级同步通信规程有面向字符型(Character-Oriented)和面向比特(Bit-Oriented)两大类面向字符的同步协议 这种协定的特点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符，并规定了10个特殊字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，它们也叫通信控制字。由于被传送的数据块是由一序列字符组成的，故被称作面向字符的协议。协议的一帧数据格式，如图3-2所示。数据帧由几个控制字开始紧跟着数据位数相同的各字符(ln),最后以校验字段结束。SYNSYNSOH标题STX数据
37、块ETX/ETB块效验符图3-2 BSC的帧数据格式在面向字符同步协议的帧格式中规定的10个通信字符的定义如图3-3SOHSTXETBETXSYNEOTENQACKNAKDLE序始文始组终文终同步送毕询问确认否定转义图3-3 BSC规程的传输控制字符集面向字符的同步通信有别于异步通信的特点是，它允许连续发送一序列字符，而每个字符的数据位数都相同，且没有起始位和停止位。通常，一个数据帧内包含成百甚至上千个字符，而附加的控制信息仅几个字符。这样，附加信息只占约1%。然而在异步传输中，一个字符帧内附加位约占20。因此，面向字符的同步传输效率要比异步传输高得多。由于在面向字符的同步通信协议中采用了一些
38、传输控制字，从而增强了通信控制能力和校验能力，但也出现了一些问题，例如如何区别数据字符代码和特定字符代码的问题，如果在数据块出现与特定的通信控制字符代码完全相同的数据字符，这就会发生误解。因此，通信协议应具有将特定字符作为普通数据处理的能力，这种能力叫做“数据透明”。为此，协议中设置了转义定符DLE (Data Link Escape)。当把一个字符看成是数据时，就要在它前面加一个DLE，每当接收器收到一个DLE，就可预知下一个字符是数据字符。但是，由于DIE本身也是特定字符，当它出现在数据块时，也要在它前面加上另一个DLE。这种方法称为字符填充，而字符的填充与字符的编码有关，故实现起来相当麻
39、烦。为了克服以上的缺点，提出了面向比特的同步协议。面向比特的同步协议面向比特的同步传输又称作二进制同步传输。在面向比特的同步协议中，最有代表性的同步协议有如下三种:1)同步数据链路控制规程SDLC (Synchronous Data Link Control)2)局级数据链路控制规程HDLC(High Level Data Link Control)3)先进数据通信规程ADCCP( Advanced Data Communication Control Procedure). 这些协议的特点是所传输的一帧数据可以是任意位，而且它是靠约定的.位组合模式而不是靠特定字符来标志帧的开始和结束。这些协
40、议的一帧格式如表3-1所示，该传输格式中不是以字符而是以二进制位为最小传输单位，故称为“面向比特”的协议。表3-1 HDLC/SDLC帧信息格式01111110ACIFC01111110开始标志地址控制信息效验结束标志(1)HDLC /SDLC的标志字符HDLC/ SDLC协议规定，所有信息传输必须以一个标志符开始，且以同一个标志符结束。这个标志字符是01111110，称为标志位(Flag)。从开始标志到结束标志之间部分构成一个完整的信息单位，称为一帧(Frame)。所有的信息是以帧的形式传输的，而标志字符提供了每一帧的边界。接收端可以通过搜索01111110来确定帧的开头和结束，以此建立帧同
41、步。(2)地址字段和控制字段在标志位之后，可以有一个地址字段A(Address)和一个控制字段C(Control)。地址字段用来规定与之通信的次站的地址。控制字段可规定若干个命令。HDLC允许A字段可为任意长度，C字段可为8位或16位。(3)信息字段(数据字段)信息、字段包含有要传送的数据，并不是每一帧都必须有信01、字段。即信息字段可以为0，这一种帧通常是控制帧。(4)帧校验字段在信息场之后的是两字节的帧校验字段，帧校验字段称为FC(FrameCheck)或称为帧校验序列FCS(Frame Check Sequence).。HDLC/SD LC均采用16位循环冗余校验码CRC，其生成多项式为
42、CCITT多项式X16十X 12十X5十1。除了标志位和自动插入的“0”位外，所有的信息都参加CRC计算。本设计的数据通信协议就是采用了HDLC规程，来保证数据的可靠、有序的传输。下面我们介绍串行通信的工业标准RS-232。3 RS-232C标准RS-232C标准最初是为远程通信连接数据终端设备DTE与数据通信设备DCE而制定的，其适用于数据传输率为0-20KB/S范围内的通信。但目前己广泛地应用于计算机与终端或外设之间的近端连接。这个标难对串行通信接口的物理特性：信号功能、电气特性和机械特性都作了较明确的规定。RS-232C为了提高抗干扰能力和增加传送距离，选择一巧-15V -3V和+3V+
43、15V这个范围而不采用TTL逻辑。由于传号和空号状态用反逻辑电平来表示，其间最少有6V的电压差，所以极大地提高了数据传输的可靠性。RS-232C异步串行通信的最大传输速率和最大传输线长度是相互制约的两项性能指标。即可靠的最大传输速率随传输距离的增加而减小。可靠的最大传输长度也随传输速率的增加而减小。当传输距离很短时，最大化输速率可以很高;同样当传输速率很低时，最大传输距离可以很长。用户可以根据实际需要选择合适的最大传输速率和最大传输线长度。对于短距离通信可通过RS-232接口直接通信。RS-232一般有两种接线方法:反馈与交又相结合的连接法;一种是简单的三线连接法，如图3-4保护地 1计 2算
44、 3机 4接口或 5终 6端 20 712 计3 算4 机 接 口5 或6 终20 端7计算机RS-232CRS-232C终端发送数据发送数据接受数据接受数据清除发送清除发送请求发送请求发送DCE就绪DCE就绪DTE就绪DTE就绪信号地图3-4反馈与交叉结合的连接法与三线连接法在一般的双机短距离通信中，只需用到3根最基本的信号线:发送数据线、接收数据线和信号地线。本设计就是采用的三线制连接的.，串行通信除了RS232标准外，还有高抗干扰性能的RS422和RS485标准。它们通过平衡方式传输数据，大大的增强了抗共模干扰的能力，因此数据传输数率和距离都有明显提高。故在现场干扰较强或传输距离较远时，应改用RS-422或RS-485来传输数据。3.4数据的网络通信本设计的远程维护子系统是通过网络传输系统参数，在远端再现控制现场，从而实现系统远程维护的功能。这里先介绍TCP/IP网络协议模型，然后就数据传输中的安全性问题，对网络安全和数据加密进行一些讨论。673 TCP/ I P参考模型OSI协议模型定义了一个网络标准，详细划分了各层的功能，为网络发展奠定了基础，而TCP/IP协议做为事实上的通信标准己广泛应用到网络中。TCP/IP网络协议是分不同层次进行开发的，每一层分别负责不同的通信功能，是一个协议族，TCP/IP协议通常被认为是一个四层协议系统，如图3-5所示。用户进程用户进程
