数字传输：PLC网络系统配置指南

数字可并行传输，也可串行传输。在串行传输中还有个如何同步以及面向字符与面向比特的问题。数字传输是直接把编码信号通过信道发送给目标站点，也称基带传输。由于信号频带宽，所以传输距离或速率要受限制。以下分别就这些问题作简要讨论。

1.并行传输与串行传输

在计算机、PLC及现场设备中，数据的表达、存储、处理都是并行的，即数据的各个位总是同时参与运算或处理。数据传输当然也可是并行的。实际上，各站点内部以总线形式的部件间的数据传输，就是并行传输。为了节省资源用的更多的是串行传输。

（1）并行传输

并行传输，可以字或字节为单位传输。这单位也叫数据宽度。图1-18所示为并行传输的示意。从图可知，它除了数据线外，还要有一些控制信号线，如这里的数据准备好、选通等。并行传输速度快，但用的通信线多，成本高，不宜长距离传输，多只用在计算机内部或PLC内部部件或模块间交换数据。此外，计算机连接打印机也多用它。

PLC与PLC通信，如果交换的数据不多，最简单的通信方法，也可互相把自己的输出信号，作为对方的输入信号。这样处理，还可不用什么选通信号。只是如此并行传输通信距离不长，而且开销也太大，一般不用。

（2）串行传输

数据在信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度（T）。如图1-19所示，如一个字节有8位，则至少要传8次才可把一个字节传出去。

图1-18 并行传输

图1-19 串行数据传送示意

串行传输使用的数据线少。尽管串行传输要多花费些时间，但如果数据传输速率很高，这个时间的增加是有限的。以这种时间的多花费去取得数据线的减少还是很合算的。因而计算机、PLC网络传输数据都是用串行传输。

图1-20 同步方式传输

2.数字传输同步

串行一位一位传输数据是分时进行的。为了确保发送方发送的数据能被接收方正确接收，数据发送与数据接收应该协调好，这也就是这里讲的数据通信同步。

最简单的同步方法是，在发送数据的同时，也发送时钟信号。如图1-20所示，接收方在接收数据的同时，也接收时钟信号，并依时钟给定的时刻采集数据。

但是，这样同步方式传输数据，系统比较复杂，计算机网络、PLC网络基本不用。较实际的解决数据通信同步的办法有两个：

一是在数据信号中不含时钟信号，而靠发送、接收双方设定相同的工作速率，即波特率及数据格式等保证同步。但是毕竟通信双方是两个主机，即使设定的速率相同，时间长了，同步将难以保证。为此，传输数据的每一帧（一组二进制数据）的起始处，都加有起始标志。对方接到起始标志后，再按设定的速率接收数据。这样，即使双方稍有一些速率差别，经过每一帧开始时所作的核对，双方工作同步还是有保证的。

二是使用合适的数据编码，可在数据信号中自包含有时钟信号。这样，在发送方发送数据的同时，也就发送了时钟信号。接收方接收到数据时，先从中提取时钟信号，然后用时钟信号的节拍实现与发送方工作同步。上述曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码就包含时钟信息，可用以同步。也正因为它的数据多使用含有时钟信号的编码，所以有时也称之为内同步。

当然，更可靠的同步是两者兼用。

3.面向字符传输与面向位（比特）传输

同样串行传输还有面向字符与面向比特之分。

（1）面向字符传输

它是一个一个字符传输。一个字符一般只有10位左右。其中先是起始位，接着为若干数据位，再或为某种校验位或无校验位，最后为停止位。而一个这样的字符到底有多少位以及其中的具体组成，则取决于双方的通信约定，即具体的通信协议。

运用这种传输，不管传输多个数据，都要先把数据以上述字符为单位作划分，然后以这样的字符一个一个传向对方。

图1-21所示为一个面向字符传输的实例。该图示的是传输数据“321”。虽然传输的是连续3个数。但面向字符的传输总是一个一个字符分开传（字符之间的间隔是任意的）。从图知，先是传输字符3，接着传输2，最后传输1。(www.xing528.com)

而在传输字符时，首先是起始位（这里的设定1为低电平，0为高电平，用的是负逻辑），之后为数据位。这里的数据位为8位。数据的最高位先传，依次为较低位，最后为最低位。如传输字符3，则要传8位，即00110011（3的ASCII码二进制值）。数据位之后为停止位（本例无校验位），再就是停止位（输出1、低电平）。而且，每传输一个字符总是要停止一小段时间，使线路处空闲状态，即输出1、低电平。各个位之间的时间间隔为传输的速率，即每秒传输多少位（bit）的倒数。接收与发送双方必须预先约定好，并靠各自的硬件及软件保证。

面向字符传输也称异步传输。在一个字符的传输过程中，收发双方基本保持同步。这里所谓异步只是指字符间隔的不确定性。所说的基本同步，是指双方的同步并不基于同一个时钟，会有一定的差异，位数越多，差异越明显。但在异步传输中，每次只传一个字符，每次都进行同步关系的校正，不会造成误差积累。

面向字符传输在传送每个字符时都要传送起始、停止位，字符间还有等待时间，所以，效率低、耗时多。但它对时钟要求不高，容易实现同步传送。计算机、PLC及现场设备间使用标准通信串口通信，用的都是面向字符的传送。

（2）面向比特传输

它不是以字符为单位传送，而是以一大批位组成的帧传送，一个帧有几十位、几百位。帧具体有多少数据，其中含有什么信息，通信双方要进行约定。

图1-22所示为面向位的传输示意。站点1为发送方，站点2为接收方。在发送的数据帧中，先是Syn（同步位），接着为Control（控制位），紧接着为Data（数据位），再为Error（校验位），最后为End（终结位）。

图1-21 面向字符传输

这里Syn为起始字节，如有的为01111110一个字节、8位二进制串，表示数据到来，提示对方要做好接收数据准备。Control为控制字或字节，指明发送及接收地址、帧的长度等信息。Data为要传送的数据位，是连续的字或字节，即一大批二进制位。Error为校验字。它按一定算法对所发数据逐位计算后得出的校验码。接收方在收到数据时，也收到此校验码。接收方在收到全部数据后，对校验码之前的数据也作校验计算，然后与所收到的校验码进行比较，看其是否一致？并根据比较结果作相应处理，如要求对方重发或向用户提示等。End为终结字节，表示这一帧数据传送结束。

很显然，使用面向位传送时，帧的具体格式，通信各方一定要先做好约定，各方都按约定处理。否则数据将无法正确传送。

面向比特传输也称同步传输。以上介绍的是帧同步。还有可用位同步。在传送数据流的过程中，发收双方对每一位数据都要准确地保持同步。这可在发送端和接收端间设置专门的时钟线。这叫做外同步，比如I²C总线采用的就是外同步。也还可在数据传输中嵌入同步时钟，如曼彻斯特编码，这叫做内同步。

与面向字符传输相比，它不是每个字符都要有起止位，也没有停止等待，所以传送效率高，适合于大数据量的传送。但面向比特传送的数据最好使用含有时钟信号的编码，以确保同步。

图1-22 面向位的传输

4.数字传输限制

直接数字信号传输是基带传输。其最高传输距离或速率总是受信道的特性限制的。这是因为从傅里叶分析可知，任何周期信号总是由可以分解为常量信号分量及一系列频率不同、相位不同、振幅不同的正弦信号分量。图1-23所示为数字信号傅里叶分析示意。

图1-23a所示为二进制数011000010的信号波形。周期为T。其傅里叶分析后列出的谐波共15个（未全部列出）。其中1为周期为T的谐波的振幅，2为周期为T/2的谐波振幅，3为周期为T/3的谐波的振幅……余类推。总的看周期越短，即频率越高，谐波的振幅也越小。

图1-23b所示为仅传送一次谐波的波形。这个波形显然与实际波形相差很远。该图1-23c所示为仅传送1次与2次谐波的波形。这个波形显然与实际波形还是相差很远。直到图1-23e所示为传送1次到8次谐波。这个波形就与实际波形相差不大了。这说明，为了保证数字信号能正确传输，直到8次所有谐波都必须传送。而可传送谐波数n与信道带宽F及信号周期T有如下关系：

n/T<F即

n<FT

而这里T又与二进制数传送的比特率有关。本例每个波形传送8位二进制数。所以其比特率为8/T。对普通电话信道最大带宽，即F，一般为3000Hz，那么可计算出各个比特率下，可发送的谐波数n。表1-7列出的就是这个关系。

图1-23 数字信号傅里叶分析示意

表1-7 比特率与谐波数关系

从表1-7可知，如果比特率达4800bit/s，那么只能发送5个谐波。再高就更少。说明普通电话线路，如果基带传送，比特率不能超过4800bit/s。当然，如果传输距离短，或不用普通电话线路，就另当别论了。