力控组态软件与硬件的通信方式及各自特点分析.docx
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力控组态软件与硬件的通信方式及各自特点分析
力控可以与多种I/O设备进行通信。
目前支持的I/O设备包括集散系统DCS、可编程控制器（PLC、现场总线FCS、USB、智能模块、板卡、智能仪表、变频器等方式的设备。
一、力控组态软件与硬件的通信方式
力控与I/O设备之间一般通过以下几种方式进行数据交换:
串行通信方式（支持Modem
远程通信、板卡方式、网络节点方式、适配器方式、DDE方式、OPC方式、网桥方式支持GPRS的DTU等。
对于采用不同协议通信的I/O设备力控提供具有针对性的I/O驱动程序实时数据库借助I/O驱动程序对I/O设备执行数据的采集与回送。
实时数据库与I/O驱动程序构成服务器/客户结构模式。
一台运行实时数据库的计算机通过若干I/O驱动程序可同时连接任意多台I/O设备。
无论对于哪种设备都需要确切知道设备及该点的物理通道的编址方法（必要时咨询制造厂。
1.1串行通信方式
串行通信:
串行通信是指使用一条数据线,将数据一位一位地依次传输,每一位数据占据一个固定的时间长度。
其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息,特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。
串口通信时,发送和接收到的每一个字符实际上都是一次一位的传送的,每一位为1或者为0。
一般是通过标准RS-232、RS-422、RS-485等方式通信另外使RS-232互连的计算机串口和设备通信口还可以用Modem、电台、GPRS/CDMA等方式通信。
1.1.1串行通信两种类型
1、同步通信
同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式,一次通信只传送一帧信息。
这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同,通常含有若干个数据字符。
它们均由同步字符、数据字符和校验字符（CRC组成。
其中同步字符位于帧开头,用于确认数据字符的开始。
数据字符在同步字符之后,个数没有限制,由所需传输的数据块长度来决定;校验字符有1到2个,用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。
同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。
2、异步通信
异步通信中,在异步通信中有两个比较重要的指标:
字符帧格式和波特率。
数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。
字符帧由发送端逐帧发送,通过传输线被接收设备逐帧接收。
发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收,这两个时钟源彼此独立,互不同步。
接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑"0"（即字符帧起始位时,确定发送端已开始发送数据,每当接收端收到字符帧中的停止位时,就知道一帧字符已经发送完毕。
1.1.2串行通信特点
数据在单条一位宽的传输线上,一比特接一比特地按顺序传送的方式称为串行通信。
在并行通信中,一个字节（8位数据是在8条并行传输线上同时由源传到目的地;而在串行通信方式中,数据是在单条1位宽的传输线上一位接一位地顺序传送。
这样一个字节的数据要分8次由低位到高位按顺序一位位地传送。
由此可见,串行通信的特点如下:
1、节省传输线,这是显而易见的。
尤其是在远程通信时,此特点尤为重要。
这也是串行通信的主要优点。
2、数据传送效率低。
与并行通信比,这也这是显而易见的。
这也是串行通信的主要缺点。
例如:
传送一个字节,并行通信只需要1T的时间,而串行通信至少需要8T的时间。
由
此可见,串行通信适合于远距离传送,可以从几米到数千公里。
对于长距离、低速率的通信,串行通信往往是唯一的选择。
并行通信适合于短距离、高速率的数据传送,通常传输距离小于30米。
特别值得一提的是,现成的公共电话网是通用的长距离通信介质,它虽然是为传输声音信号设计的,但利用调制解调技术,可使现成的公共电话网系统为串行数据通信提供方便、实用的通信线路。
1.1.3
1、通信协议
普遍协议最被人们熟悉的串行通信技术标准是EIA-232、EIA-422和EIA-485,也就是以前所称的RS-232、RS-422和RS-485。
由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀,所以在工业通信领域,仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。
EIA-232、EIA-422和EIA-485都是串行数据接口标准,最初都是由电子工业协会（EIA制订并发布的,EIA-232在1962年发布,后来陆续有不少改进版本,其中最常用的是EIA-232-C版。
目前EIA-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。
EIA-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。
EIA-232采取不平衡传输方式,即所谓单端通信。
标准规定,EIA-232的传送距离要求可达50英尺（约15米,最高速率为20kbps。
由于EIA-232存在传输距离有限等不足,于是EIA-422诞生了。
EIA-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”,它定义了一种平衡通信接口,将传输速率提高到10Mbps,传输距离延长到4000英尺（约1219米,并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。
当然,EIA-422也有缺陷:
因为其平衡双绞线的长度与传输速率成反比,所以在100kbps速率以内,传输距离才可能达到最大值,也就是说,只有在很短的距离下才能获得最高传输速率。
一般在100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mbps。
另外有一点必须指出,在EIA-422通信中,只有一个主设备（Master,其余为从设备（Slave,从设备之间不能进行通信,所以EIA-422支持的是点对多点的双向通信。
为扩展应用范围,EIA于1983年在EIA-422基础上制定了EIA-485标准,增加了多点、双向通信能力,即允许多个发送器连接到同一条总线上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围,后命名为TIA/EIA-485-A标准。
由于EIA-485是从EIA-422基础上发展而来的,所以EIA-485许多电气规定与EIA-422相仿,如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻、最大传输距离约为1219米、最大传输速率为10Mbps等。
但是,EIA-485可以采用二线与四线方式,采用二线制时可实现真正的多点双向通信,而采用四线连接时,与EIA-422一样只能实现点对多点通信,但它比EIA-422有改进,无论四线还是二线连接方式总线上可接多达32个设备。
2、USB
USB是英文UniversalSerialBus的缩写,翻译成中文的含义是“通用串行总线”。
从技术上看,USB是一种串行总线系统,它的最大特性是支持即插即用和热插拔功能。
在Windows2000的操作系统中,任何一款标准的USB设备可以在任何时间、任何状态下与计算机连接,并且能够马上开始工作。
USB诞生于1994年,是由康柏、IBM、Intel和Microsoft共同推出的,旨在统一外设接口,如打印机、外置Modem、扫描仪、鼠标等的接口,以便于用户进行便捷的安装和使用,逐步取代以往的串口、并口和PS/2接口。
发展至今,USB共有四种种标准:
1996年发布的USB1.0,1998年发布的USB1.1以及刚刚发布的最新标准USB2.0,2008年USB3.0PromoterGroup宣布新一代USB3.0标准已经正式完成并公开发布。
此四种标准最大的差别就在于数据传输速率方面,当然,在其他方面也有不同程度的改进。
就目前的USB3.0而言,最大传输带宽高达5.0Gbps,也就是640MB/s,同时能够兼容USB2.0。
目前在IT领域,USB接口可谓春风得意。
人们在市场上可以看到,每一款计算机主板都带有不少于2个USB接口,USB打印机、USB调制解调器、USB鼠标、USB音箱、USB存储器等产品越来越多,USB接口已经占据了串行通信技术的垄断地位。
但是,在工业领域,使用USB接口的产品则甚为少见。
在工业领域,人们更要求产品的可靠性和稳定性,目前,EIA标准下的串行通信技术完全可以满足人们对工业设备传输的各种性能要求,而且,这些产品价格非常低廉。
相比之下,USB价格较高,并且其即插即用的功能在工业通信中没有优势。
因为工业设备一般连接好以后很少进行重复插拔,USB特性的优越性不能很好地被体现出来,也就得不到工业界的普遍认可。
因此,在工业领域,EIA标准依然占据统治地位。
3、IEEE1394
IEEE1394是一种与平台无关的串行通信协议,标准速度分为100Mbps、200Mbps和400Mbps,是IEEE（电气与电子工程师协会于1995年正式制定的总线标准。
目前,1394商业联盟正在负责对它进行改进,争取未来将速度提升至800Mbps、1Gbps和1.6Gbps这三个档次。
相比于EIA接口和USB接口,IEEE1394的速度要高得多,所以,IEEE1394也称为高速串行总线。
IEEE1394提供了一种高速的即插即用总线。
接入这条总线,各种外设便不再需要单独供电,它也支持等时的数据传输,是将计算机和消费类电器连接起来的重要桥梁。
例如,用户可以在计算机上接驳一部数字VCR,把它当作一个普通的外设使用,既可用来播放电影,亦可以录制在计算机上编辑视频流。
除此以外,带有IEEE1394接口的DV（数字视频摄影机和数字卫星接收器目前均已上市。
由于速度非常快,所以它是消费类影音（A/V电器、存储、打印、高分辨率扫描和其他便携设备的理想选择。
从技术上看,IEEE1394具有很多优点,首先,它是一种纯数字接口,在设备之间进行信息传输的过程中,数字信号不用转换成模拟信号,从而不会带来信号损失;其次,速度很快,1Gbps的数据传输速度可以非常好地传输高品质的多媒体数据,而且设备易于扩展,在一条总线中,100Mbps、200Mbps和400Mbps的设备可以共存;另外,产品支持热插拔,易于使用,用户可以在开机状态下自由增减IEEE1394接口的设备,整个总线的通信不会受到干扰。
1.2板卡方式
通信接口卡方式是利用I/O设备制造厂家提供的安装在计算机插槽中的专用接口卡与
设备进行通信。
I/O卡一般直接插在计算机的扩展总线上如ISA、PCI等然后利用开发
商提供的驱动程序或直接经端口操作和软件进行通信一般采用的是同步通信方式。
I/O设备与计算机间的通信完全由这块专用接口卡管理并负责两者之间的数据交换。
现
场总线网络主要借助于这种方式如MB+、LON、PROFIBUS等。
1.3工业以太网
大多采用TCP/IP或者UDP/IP网络通信协议进行网络节点间的数据传递。
1.3.1TCP/IP协议
TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的简写,中译名为传输控制协议/因特网互联协议,又名网络通讯协议,是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础,由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。
TCP/IP定义了电子设备如何连入因特网,以及数据如何在它们之间传输的标准。
协议采用了4层的层级结构,每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。
通俗而言:
TCP负责发现传输的问题,一有问题就发出信号,要求重新传输,直到所有数据安全正确地传输到目的地。
而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。
1、TCP
TCP是面向连接的通信协议,通过三次握手建立连接,通讯完成时要拆除连接,由于TCP是面向连接的所以只能用于端到端的通讯。
TCP提供的是一种可靠的数据流服务,采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。
TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制,所谓窗口实际表示接收能力,用以限制发送方的发送速度。
如果IP数据包中有已经封好的TCP数据包,那么IP将把它们向‘上’传送到TCP层。
TCP将包排序并进行错误检查,同时实现虚电路间的连接。
TCP数据包中包括序号和确认,所以未按照顺序收到的包可以被排序,而损坏的包可以被重传。
TCP将它的信息送到更高层的应用程序,例如Telnet的服务程序和客户程序。
应用程序轮流将信息送回TCP层,TCP层便将它们向下传送到IP层,设备驱动程序和物理介质,最后到接收方。
面向连接的服务（例如Telnet、FTP、rlogin、XWindows和SMTP需要高度的可靠性,所以它们使用了TCP。
DNS在某些情况下使用TCP（发送和接收域名数据库,但使用UDP传送有关单个主机的信息。
2、IP
IP层接收由更低层（网络接口层例如以太网设备驱动程序发来的数据包,并把该数据包发送到更高层---TCP或UDP层;相反,IP层也把从TCP或UDP层接收来的数据包传送到更低层。
IP数据包是不可靠的,因为IP并没有做任何事情来确认数据包是否按顺序发送的或者有没有被破坏,IP数据包中含有发送它的主机的地址（源地址和接收它的主机的地址（目的地址。
高层的TCP和UDP服务在接收数据包时,通常假设包中的源地址是有效的。
也可以这样说,IP地址形成了许多服务的认证基础,这些服务相信数据包是从一个有效的主机发送来的。
IP确认包含一个选项,叫作IPsourcerouting,可以用来指定一条源地址和目的地址之间的直接路径。
对于一些TCP和UDP的服务来说,使用了该选项的IP包好像是从路径上的最后一个系统传递过来的,而不是来自于它的真实地点。
这个选项是为了测试而存在的,说明了它可以被用来欺骗系统来进行平常是被禁止的连接。
那么,许多依靠IP源地址做确认的服务将产生问题并且会被非法入侵。
3、特性
主要特点
（1TCP/IP协议不依赖于任何特定的计算机硬件或操作系统,提供开放的协议标准,即使不考虑Internet,TCP/IP协议也获得了广泛的支持。
所以TCP/IP协议成为一种联合各种硬件和软件的实用系统。
（2TCP/IP协议并不依赖于特定的网络传输硬件,所以TCP/IP协议能够集成各种各样的网络。
用户能够使用以太网（Ethernet、令牌环网（TokenRingNetwork、拨号线路（Dial-upline、X.25网以及所有的网络传输硬件。
（3统一的网络地址分配方案,使得整个TCP/IP设备在网中都具有惟一的地址
（4标准化的高层协议,可以提供多种可靠的用户服务。
协议优势
在长期的发展过程中,IP逐渐取代其他网络。
这里是一个简单的解释。
IP传输通用数据。
数据能够用于任何目的,并且能够很轻易地取代以前由专有数据网络传输的数据。
下面是一个普通的过程:
一个专有的网络开发出来用于特定目的。
如果它工作很好,用户将接受它。
为了便利提供IP服务,经常用于访问电子邮件或者聊天,通常以某种方式通过专有网络隧道实现。
隧道方式最初可能非常没有效率,因为电子邮件和聊天只需要很低的带宽。
通过一点点的投资IP基础设施逐渐在专有数据网络周边出现。
用IP取代专有服务的需求出现,经常是一个用户要求。
IP替代品过程遍布整个因特网,这使IP替代品比最初的专有网络更加有价值（由于网络效应。
专有网络受到压制。
许多用户开始维护使用IP替代品的复制品。
IP包的间接开销很小,少于1%,这样在成本上非常有竞争性。
人们开发了一种能够将IP带到专有网络上的大部分用户的不昂贵的传输媒介。
大多数用户为了削减开销,专有网络被取消。
主要缺点
第一,它在服务、接口与协议的区别上就不是很清楚。
一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开来,TCP/IP恰恰没有很好地做到这点,就使得TCP/IP参考模型对于使用新的技术的指导意义是不够的。
TCP/IP参考模型不适合于其他非TCP/IP协议簇。
第二,主机-网络层本身并不是实际的一层,它定义了网络层与数据链路层的接口。
物理层与数据链路层的划分是必要和合理的,一个好的参考模型应该将它们区分开,而TCP/IP参考模型却没有做到这点。
1.3.2UDP/IP协议
UDP是UserDatagramProtocol的简称,中文名是用户数据报协议,是OSI（OpenSystemInterconnection,开放式系统互联参考模型中一种无连接的传输层协议,提供面向事务的简单不可靠信息传送服务,IETFRFC768是UDP的正式规范。
UDP在IP报文的协议号是17。
与所熟知的TCP（传输控制协议协议一样,UDP协议直接位于IP（网际协议协议的顶层。
根据OSI（开放系统互连参考模型,UDP和TCP都属于传输层协议。
UDP协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式。
一个典型的数据包就是一个二进制数据的传输单位。
每一个数据包的前8个字节用来包含报头信息,剩余字节则用来包含具体的传输数据。
1、特性
（1UDP是一个无连接协议,传输数据之前源端和终端不建立连接,当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据,并尽可能快地把它扔到网络上。
在发送端,UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制;在接收端,UDP把每个消息段放在队列中,应用程序每次从队列中读一个消息段。
（2由于传输数据不建立连接,因此也就不需要维护连接状态,包括收发状态等,因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。
（3UDP信息包的标题很短,只有8个字节,相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。
（4吞吐量不受拥挤控制算法的调节,只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。
（5UDP使用尽最大努力交付,即不保证可靠交付,因此主机不需要维持复杂的链接状态表（这里面有许多参数。
（6UDP是面向报文的。
发送方的UDP对应用程序交下来的报文,在添加首部后就向下交付给IP层。
既不拆分,也不合并,而是保留这些报文的边界,因此,应用程序需要选择合适的报文大小。
虽然UDP是一个不可靠的协议,但它是分发信息的一个理想协议。
例如,在屏幕上报告股票市场、在屏幕上显示航空信息等等。
UDP也用在路由信息协议RIP（RoutingInformationProtocol中修改路由表。
在这些应用场合下,如果有一个消息丢失,在几秒之后另一个新的消息就会替换它。
UDP广泛用在多媒体应用中,例如,ProgressiveNetworks公司开发的RealAudio软件,它是在因特网上把预先录制的或者现场音乐实时传送给客户机的一种软件,该软件使用的RealAudioaudio-on-demandprotocol协议就是运行在UDP之上的协议,大多数因特网电话软件产品也都运行在UDP之上。
1.3.3两种协议对比UDP和TCP协议的主要区别是两者在如何实现信息的可靠传递方面不同。
TCP协议中包含了专门的传递保证机制，当数据接收方收到发送方传来的信息时，会自动向发送方发出确认消息；发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信息，否则将一直等待直到收到确认信息为止。
与TCP不同，UDP协议并不提供数据传送的保证机制。
如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报的丢失，协议本身并不能做出任何检测或提示。
因此，通常人们把UDP协议称为不可靠的传输协议。
相对于TCP协议，UDP协议的另外一个不同之处在于如何接收突发性的多个数据报。
不同于TCP，UDP并不能确保数据的发送和接收顺序。
例如，一个位于客户端的应用程序向服务器发出了以下4个数据报D1D22D333D4444但是UDP有可能按照以下顺序将所接收的数据提交到服务端的应用：
D333D1D4444D22事实上，UDP协议的这种乱序性基本上很少出现，通常只会在网络非常拥挤的情况下才有可能发生。
1.4软件通信DDE方式和OPC方式通过Windows标准协议进行进程间通信。
1.4.1DDEDDE是一种动态数据交换机制（DynamicDataExchange，DDE）。
使用DDE通讯需要两个Windows应用程序，其中一个作为服务器处理信息，另外一个作为客户机从服务器获得信息。
客户机应用程序向当前所激活的服务器应用程序发送一条消息请求信息，服务器应用程序根据该信息作出应答，从而实现两个程序之间的数据交换。
“动态数据交换”（DDE是Microsoft开发的一种通讯协议，可供Windows环境中的应用程序彼此之间发送/接收数据与指令。
是用于网络与Wonderware及非Wonderware数据源之间进行的通讯的旧协议，WindowsXP与Windows2000支持此协议，而Windows2003Server则不支持它。
Wonderware数据源的通讯建议使用SuiteLink。
（建议用于内部客户端通讯）1.4.2OPCOPC是OLEforProcessControl的缩写，这里的OLE（ObjectLinkingandEmbedding是微软的对象链接与嵌入技术，所以OPC就是用于过程控制中的对象链接与嵌入技术。
它是一套组件对象模型标准接口，用于在基于Windows操作平台的工业应用程序之间，为其提供高效的信息集成和数据交换功能。
OPC以微软的OLE\COM\DCOM技术为基础，采用客户端/服务器模式，定义了一套适用于过程控制应用，支持过程数据访问、报警、事件、与历史数据访问等的功能接口。
在使用过程中，OPC的服务器是数据的供应方，负责为OPC的客户提供所需的数据；OPC客户是数据的使用方，可以对OPC服务器提供的数据按需要进行处理。
OPC服务器不必知道它的客户来源，OPC客户可根据需要，接通或断开与OPC服务器的连接。
所以，只要各种现场设备等具有标准的OPC接口，服务器通过这些标准接口把数据传送出去，需要使用这些数据的客户也以标准的OPC读写方式对OPC标准接口进行访问即可获得所需要的数据。
OPC最本质的就是实现了工业过程数据交换的标准化和开放性，它已经成为工业数据交换的最有效的工具。
6
OPC（OLEforProcessControl）是基于windows的软件程序，效率较高，速度较快，除实时数据外，还可以传输历史数据、报警和事件等，但必须要同时有OPC服务器和OPC客户端才能实现相互访问。
1.5适配器方式适配器是英语Adapter/adaptor的汉语翻译。
适配器就是一个接口转换器，它可以是一个独立的硬件接口设备，允许硬件或电子接口与其它硬件或电子接口相连，也可以是信息接口。
比如：
电源适配器、三角架基座转接部件、USB与串口的转接设备等。
1.6网桥方式使用网桥模式时力控软件是做TCPSERVER端，DTU来主动的访问力控软件。
当然DTU与软件的通讯端口还是需要做映射的。
可以很多DTU共用一个端口（需要前端仪器可以自我区分），也可以一个DTU使用一个端口（这样是并行的，速度比较快）网桥（Bridge）是早期的两端口二层网络设备，用来连接不同网段。
网桥的两个端口分别有一条独立的交换信道，不是共享一条背板总线，可隔离冲突域。
网桥比集线器（Hub）性能更好，集线器上各端口都是共享同一条背板总线的。
后来，网桥被具有更多端口、同时也可隔离冲突域的交换机（Switch）所取代。
网桥（Bridge）像一个聪明的中继器。
中继器从一个网络电缆里接收信号，放大它们，将其送入下一个电缆。
相比较而言，网桥对从关卡上传下来的信息更敏锐一些。
网桥是一种对帧进行转发的技术，根据MAC分区块，可隔离碰撞。
网桥将网络的多个网段在数据链路层连接起来。
网桥也叫桥接器，是连接两个局域网的一种存储/转发设备，它能将一个大的LAN分割为多个网段，或将两个以上的LAN互联为一个逻辑LAN，使LAN上的所有用户都可访问服务器。
扩展局域网最常见的方法是使用网桥。
最简单的网桥有两个端口，复杂些的网桥可以有更多的端口。
网桥的每个端口与一个网段
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