数据通信的基本构成要素

2.1.1.1　广义通信系统模型

由香农（C.E Shannon）定义的广义通信系统模型如图2-1所示。其中信源为待传输数据信息的产生者。发送器将信息变换为合适于信道上传输的信号，而接收器的作用则与之相反。信道指发送器与接收器之间用于传输信号的物理介质。经过传输，在接收器处收到的信号在信宿处变换为信息。通信传输过程会受到噪声的干扰，而噪声往往会影响接收者正确接收和理解所接收到的信号。当然，将所接收到的信号还原为原有信息，并为接收者理解，需要一套事先约定的协议。

图2-1　广义通信系统模型

2.1.1.2　发送与接收设备

发送设备、接收设备和传输介质是通信系统的硬件。其中，发送设备用于匹配信息源和传输介质，即将信息源产生的报文经过编码转换为便于传送的信号形式，送往传输介质；接收设备则需要完成发送设备的反变换，即从带有干扰的信号中正确恢复出原有的信号，并进行解码、解密等。

在工业数据通信系统中，发送与接收设备往往都与数据源紧密连接为一个整体。许多测量控制设备既可以作为发送设备又可以作为接收设备：一方面将本设备产生的数据发送到通信系统；另一方面也接收系统内其他设备传送给它的信号。在工业数据通信系统中典型的发送与接收设备如下：

（1）各种变送器、传感器。

（2）各种数据采集装置。

（3）可编程逻辑控制器PLC，PID控制器等。

（4）作为监视操作设备的监控计算机或工作站。

（5）各种调节阀门。

（6）变频器。

（7）机器人。

（8）网络连接设备，如中继器、网桥、网关等。

2.1.1.3　传输介质

传输介质是指从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介，是网络中连接收发双方的物理通路，是通信中实际传送信息的载体。它也是组成通信系统的硬件之一。

工业数据通信系统可以采用无线传输介质，例如电磁波、红外线等，也可以采用双绞线、电缆、电力线、光缆等有线介质。传输介质的特性对网络中的数据通信质量影响很大。

传输介质的特性主要指：

（1）物理特性：传输介质的物理结构。(www.xing528.com)

（2）传输特性：传输介质对数据传送所允许的传输速率、频率、容量等。

（3）连通特性：点对点或一对多点的连接方式。

（4）地理范围：传输介质的最大传输距离。

（5）抗干扰性：传输介质防止电磁干扰等噪声对传输数据影响的能力。

（6）性能价格比。

2.1.1.4　通信软件

报文与通信协议都属于通信系统中的软件。一般把需要传送的信息，包括文本、命令、参数值、图片、声音等称为报文，它们是经过数字化后的信息。这些信息或是原始数据，或是测控参数值，或是经计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标志。

各通信实体之间仅仅依靠传送的二进制码就指望能相互理解信息的内容是不可能的，还需要有一套事先规定、共同遵守的规约。通信设备之间控制数据通信与理解数据通信数据意义的一组规则，称为通信协议。协议定义了通信的内容，通信何时进行以及通信如何进行等。协议的关键要素是语法、语义和时序。

（1）语法。这里的语法是指通信中数据的结构、格式及数据表达的顺序。例如一个简单的协议可以定义数据的前8位（或16位）是发送者的地址，接着的8位（或16位）是接收者的地址，后面紧跟着的是传送的指令或数据等。

（2）语义。这里的语义是指通信帧的位流中每个部分的含义，收发双方是根据语义来理解通信数据的意义。例如该数据表明了现场的温度测量值、该点温度是否处于异常状态、该温度测量仪表本身的工作状态是否正常等。

（3）时序。时序包括两方面的特性：一是数据的发送时间；二是数据的发送速率。收发双方往往需要以某种方式校对时钟周期，并协调数据处理的快慢速度。如果发送方以100Mbit/s的速率发送数据，而接收方仅能处理1Mbit/s速率的数据，则接收方将因负荷过重而导致大量数据丢失。

一个完整的通信协议所包含的内容十分丰富，它规定了用以控制信息通信的各方面的规则。在通信设备或产品的形成过程中，还需要有依据通信协议所制定的各项标准或行规，例如国际标准化组织的ISO标准、IEC标准等。

2.1.1.5　数据通信的基本过程

（1）数据打包。数据打包就是对需要传送的数据进行包装，形成数据包或报文。报文内除了数据本身外，还有报头、报尾等一些附加信息，如报文说明、长度、校验等。

（2）数据转换与编码。数据转换与编码就是对报文作适当变换，以适应传输要求。如串行通信中的并—串转换，0、1的传输编码（归零编码、非归零编码等）、信号电平的选择，以及信号的调制形式等。

（3）数据传输。经过转换与编码后，将代表报文的信号（数字信号或模拟信号）放到传输介质上，发往接收设备。

（4）数据转换与译码。接收设备将接收到的信号经转换与译码后，形成报文。

（5）数据解包。接收设备根据数据打包时的协议从报文中去除附加信息，得到最终需要的数据。