PLC网络系统配置指南及通信数据的问题

1.数据类型

（1）模拟数据

其变化是连续的，可在一定范围内任意取值，表示它用的是模拟信号。语音、图像数据就是模拟数据。

（2）数字数据

其变化是不连续的，如二进制数据只能在0、1之间取值，就是数字数据。表示它多用数字信号。

2.数据转换

模拟数据经采样、量化，可以转换数字数据，并用数字信号表示。PLC模拟量输入模块要实现的就是这个功能。反之，数字数据经数-模转换也可变为模拟数据，并用模拟量表示。PLC模拟量输出模块要实现的就是这个功能。

3.数据表示

数据可通过信号表示。模拟数据表示比较简单，直接用对应的电压或电流大小表示就可以了。而数字数据信号表示则要先编码，然后用与编码对应的信号表示。编码的方法较多，常用的有：

（1）直接电平编码

也称非归零（NRZ，Non-ReturntoZero）表示。它对逻辑1、0分别用相同宽度和幅值但极性相反或幅值不同的脉冲电压表示。

NRZ编码简单。缺点是无法确定一个位的开始和结束，不便于双方保持同步；同时，当信号中包含的逻辑1、0个数不相同时，存在直流分量。

为此，为了保持同步，接收方采用了传输速率（波特率）某倍数（如64倍、16倍）的时钟来采样传输信号，如图1-14所示。

图用的是16倍数的时钟频率。找到起始位后，于时钟的第8周期采样。以后为每隔16个时钟周期再采样。这样可保证，所采样的ON或OFF信号，均为接近ON-OFF变化周期中心处的信号。效果当然要好得多。

此外，也可使用归零（RZ，Return-to-zeroCode）编码。用这样编码时，在两次输出之间，输出信号都要先归零，如图1-15所示。这样，在接收方，从每次收到归零信号时，就可得知时钟信号。

图1-14 用倍数时钟采样

图1-15 归零编码示意

只是归零码的脉冲较窄，由于存在脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，可知它在信道上占用的频带较宽。

还有一种编码为不归零就翻向（NRZI，Non Return to Zero Invert）的编码。和NRZ的区别就是NRZI用信号的翻转代表“0”，信号保持不变代表“1”。图1-16给出一个数据流和等同的NRZI码流，其中高电平代表数据线上的J状态。一串“0”会使得NRZI数据每比特周期都会出现跳变，而一串“1”则使得数据中长时间不会出现变化。

图1-16 与数据流和等同的NRZI码流

这样的编码方式会遇到的问题是：若一直为“1”信号进入时，就会造成数据长时间不翻转。这可能造成读取的时序出错。因此在NRZI编码之间，还需执行所谓的位填塞（bits-tuffing）工作。办法是：若原始的串行数据中含有连续6个“1”位，就强制插一个“0”，也就是bit-stuffing。如果传输的数据中有7个连续的1，发送前就会在第6个“1”后面强制插入一个“0”，让发送的信号强制出现翻转。接收者接收后只要删除6个连续“1”之后的“0”，就可以恢复原始的数据了。USB口传输数据使用的就是这个编码。

（2）曼彻斯特（Manchester）编码

其特点是每位都有跳变，并用周期中间的不同跳变，表示ON-OFF。由低跳到高表示“0”或OFF，反之表示“1”或ON。(www.xing528.com)

图1-18表示的都是“0100101”的不同编码，图1-17a为NRZ编码，低电平为0而高电平为1。图1-17b用曼彻斯特编码，0为在周期中间处于正的跳变，1为在周期中间处于负的跳变。而在周期的起始处则为这相应的跳变作准备。

曼彻斯特编码的每个比特位在时钟周期内只占一半，当传输“1”时，在时钟周期的前一半为高电平，后一半为低电平；而传输“0”时正相反。这样，每个时钟周期内必有一次跳变，这种跳变就是位同步信号。

（3）差分曼彻斯特编码（Differ-enceManchester）编码

用周期中间的跳变作定时，而值由周期开始处是否跳变确定。开始处若有跳变，表示“0”、OFF，没有跳变，表示“1”、ON。图1-17c就是用差分曼彻斯特编码表示“0100101”的。

差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的改进。它在每个时钟位的中间都有一次跳变，传输的是“1”还是“0”，是在每个时钟位的开始有无跳变来区分的。这样，差分曼彻斯特编码比曼彻斯特编码的变化要少。

曼彻斯特码和差分曼彻斯特码不含直流分量，包含时钟信息，便于双方同步。著名的10M以太网就是用的曼彻斯特码。Profibus网用的是差分曼彻斯特码。然而，由于这两种编码每个时钟位都必须有一次变化，信号变化频率比不归零编码高，在信道上占用的频带较宽。设备使用效率仅可达到50%左右。

（4）4B/5B编码——快速以太网

这种编码是将欲发送的数据流每4bit作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应5bit码。5bit码共有32种组合。实际只使用了24种，其中的16种用做数据符号，其余8种用做控制符号。表1-6列出0～15的4位二进制数对应的4B/5B码。

图1-17 基带传输码制

表1-6 0～154位二进制数对应4B/5B码

为了得到信号同步，还可以采用二级编码的方法。即先按4B/5B编码，然后再用NRZI编码。确保5比特编码中至少有2位“0”，从而保证传输的信号至少发生两次跳变，以利于接收端的时钟提取。

使用4B/5B码。对于100Mbit/s的网络只需125MHz的元件就可实现，使设备使用效率提高到80%。所以，在高速以太网及一些光纤网络多使用它。

4.数据传输

无论是模拟数据还是数字数据，其传输都有两种方法：模拟传输及数字传输。而为了充分利用信道资源，这两种传输还都可使用信道复用传输。

（1）模拟数据模拟传输

就是模拟数据直接在通信线路传输。在传统的电话网络中（入户使用的为3类无屏蔽双绞线）传输语音信号，就是模拟数据模拟传输。由于语音这样的信号带宽不是很大，所以用普通电话信道传输，也不会有太大的减弱及失真。

当然，如果传输距离太大，信号减弱及失真是难免的。为此，在线路中可增加中转器。对模拟传输，这中转器只是简单的信号放大器。用它把衰减的信号放大，恢复至原始的强度。但它在原始信号放大的同时，噪声也放大了。也将恶化信号传输效果。所以，模拟传输只能用于对传输要求不高，传输距离不太大的场合。

（2）数字数据数字传输

经编码后的数字数据为脉冲信号。数字传输就是在线路上，直接传输这个脉冲信号。脉冲信号带宽很大，为了不失真，对线路要求高，不然就很难传输到很长的距离。

数字传输要增大距离也可增加中转器。这中转器则是信号收发处理器。它收到数字信号后，先进行识别，以得出正确的数字数据。然后再用表达这数据的数字信号向远方传输。所以，它的中转器有去除噪声的功能。因而可实现远距离传输。这也是当今远距离网络都使用它的原因。数字传输还可加密，可按自己的要求转换数据与信号间的对应关系。如果其他人不清楚这个关系，即使监听到此信号，也不能得知其中的真实数据或信息含义。只是数字传输对信道特性要求高，需要较多的投入。

（3）数字数据模拟传输。经编码后的数字数据虽为脉冲信号。但传输前可用它调制正弦波信号。这样，也可实现数字信号模拟传输。也可用普通电话信道，可以进行长距离通信，而没有失真。

（4）模拟数据数字传输。模拟数据经采样、量化也可变为数字数据。因而也可用数字传输。而为了远距离传输，这数字化后的数据又可模拟传输。事实上用Modem上网，使用IP电话就是这样反复的转换过程。

（5）信道复用传输。为了充分利用资源，特别是稀有资源或高性能的信道，往往对信道进行复用，可同时或相当于同时传输多路数据。如无线电广播，利用的信道是电磁场，而用不同信号的频率，就可传输不同的声音数据，使这个稀有的资源可得以复用。再如，有线电视信道是光纤与同轴电缆混用，这两个信道都是复用，因而一个信道可传输多套节目。只是PLC网络信道性能大多不是太高，所以复用的场合不多。