開始了解模擬和數(shù)字通信之間的區(qū)別，并閱讀一些關(guān)于如何在控制系統(tǒng)中使用模擬、數(shù)字和離散信號(hào)的示例。

設(shè)備之間的通信是現(xiàn)代控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵但也是最令人困惑的概念之一。很多混亂是由于多年不斷發(fā)展的協(xié)議和技術(shù)——有些簡(jiǎn)單，有些復(fù)雜得多。

主要有兩類通信方法，分別涉及模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。但即使在數(shù)字信號(hào)的范疇內(nèi)，也有許多不同的策略來解釋控制器如何共享過程數(shù)據(jù)。

在這篇入門文章中，我們將討論數(shù)字和模擬通信的高級(jí)概念，并為控制工程師在工作中如何與這些概念交互提供背景信息。

了解模擬與數(shù)字信號(hào)

每個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的控制工程師都熟悉數(shù)字電壓和模擬電壓之間的區(qū)別。這兩種對(duì)比電壓策略在任何數(shù)字電子技術(shù)或工程課程的范圍內(nèi)都有解釋。經(jīng)過進(jìn)一步的實(shí)踐檢驗(yàn)，在兩個(gè)設(shè)備之間創(chuàng)建通信通道時(shí)會(huì)出現(xiàn)相同的概念。但是，在這種情況下，差異并不像教科書所呈現(xiàn)的那么簡(jiǎn)單。

設(shè)備之間的模擬通信是發(fā)送數(shù)據(jù)的常用方法，它比按鈕或開關(guān)等簡(jiǎn)單的開關(guān)控制更復(fù)雜。模擬信號(hào)仍然很簡(jiǎn)單，但可以通過單線呈現(xiàn)大量數(shù)據(jù)。

圖 1. 模擬信號(hào)示例。

數(shù)字通信更抽象。術(shù)語“數(shù)字”可以指單個(gè)離散信號(hào)，也可以指以太網(wǎng)、DeviceNet、Modbus或幾乎所有其他串行數(shù)據(jù)流使用的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。

圖 2. 一個(gè)示例數(shù)字信號(hào)。

由于這種復(fù)雜性，數(shù)字通信類別將在離散和數(shù)字場(chǎng)景中進(jìn)行討論。

模擬通信

術(shù)語模擬是指具有兩個(gè)以上不同可能電平的任何電壓。大多數(shù)驅(qū)動(dòng)數(shù)字控制器的微處理器更喜歡兩態(tài)電壓——通常簡(jiǎn)稱為“開”和“關(guān)”——可能的最低和最高電壓，具體取決于系統(tǒng)的電源。

但是，在計(jì)算機(jī)之外，這些電壓可能在最小值到最大值范圍內(nèi)的任何位置。根據(jù)工業(yè)系統(tǒng)的不同，有一些通用標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于微控制器，例如流行的 Arduino 和其他相關(guān)板，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC ）可以讀取 0 到 5 V 之間的電壓。更常見的工業(yè)電壓，如 24 V 系統(tǒng)，通常依賴于 0-10 V 電平。

圖 3. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器示例。

如果長(zhǎng)線的電壓降可能會(huì)在發(fā)送和接收之間出現(xiàn)不準(zhǔn)確的讀數(shù)，則信號(hào)可能會(huì)以恒流電源的形式呈現(xiàn)，其中 4-20 mA 是來自源的數(shù)據(jù)電平。

控制器具有從傳感器讀取單個(gè)模擬信號(hào)的能力是很常見的，但提供模擬輸出則是另一回事。這可能很關(guān)鍵的一個(gè)場(chǎng)景是在沒有以太網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)適配器的情況下驅(qū)動(dòng) VFD 。必須比開/關(guān)更仔細(xì)地控制速度；因此，控制器必須向 VFD 提供模擬信號(hào)。同樣，在大多數(shù)情況下，這可以是電壓或電流。

模擬信號(hào)的一種不太常見但巧妙的用法是使用不同的電壓電平來提供完全不同的數(shù)據(jù)——而不是簡(jiǎn)單地改變單一數(shù)據(jù)類型的值。例如，一個(gè)系統(tǒng)可能需要將六個(gè)不同傳感器的值從一個(gè)設(shè)備發(fā)送到另一個(gè)設(shè)備。通過發(fā)送具有 2個(gè) 6（或 64）個(gè)不同電平的單個(gè)模擬信號(hào)，接收控制器可以立即識(shí)別這六個(gè)傳感器的哪個(gè)組合通過單根電線打開和關(guān)閉。

離散通信

上一節(jié)中列出的電壓電平，例如 0-5 V 或 0-24 V，在離散通信系統(tǒng)中同樣相關(guān)。與其使用整個(gè)信號(hào)電平范圍，不如期望它們以 0 伏或最大電壓存在——兩者之間沒有任何關(guān)系。

在這些通信系統(tǒng)中，每個(gè)信號(hào)都是不同的線路。如果前面示例中的同一個(gè) VFD 需要一個(gè)用于 RUN 和 JOG 的信號(hào)，那必須是兩個(gè)單獨(dú)的信號(hào)。

束中增加的電線數(shù)量可能會(huì)帶來問題，因此這種離散通信方法很少用于傳輸大量數(shù)據(jù)。它的優(yōu)勢(shì)是在少量簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)信號(hào)的情況下，或者當(dāng)設(shè)備在物理上分開時(shí)，使網(wǎng)絡(luò)電纜失效。這些單獨(dú)的信號(hào)比在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中更容易排除故障。

與經(jīng)常混淆的觀點(diǎn)相反，交流電壓絕對(duì)有可能用于離散控制系統(tǒng)。事實(shí)上，這很常見。電壓可能是 120 vAC，如果傳感器提供 0 V，它會(huì)關(guān)閉；但如果它提供 120 V，則信號(hào)開啟。唯一的區(qū)別是控制設(shè)備的輸入模塊的額定電壓必須至少為 120 vAC，否則會(huì)發(fā)生損壞。

實(shí)際上，電壓不是 0 和全電源電壓。每個(gè)器件都會(huì)在數(shù)據(jù)表中列出一個(gè)容差，該數(shù)據(jù)表提供了關(guān)于多低可以被視為“關(guān)閉”以及多高可以被視為“開啟”的指導(dǎo)。如果顯著的電壓降迫使 24 V 信號(hào)降至 21 V 以下（例如），則控制器可能無法將其識(shí)別為開啟或關(guān)閉，并且必須解決問題的根源才能正常運(yùn)行。

數(shù)字通信

這最后一類不能在一篇文章的范圍內(nèi)徹底解釋和定義。

當(dāng)從一個(gè)設(shè)備直接連接到另一個(gè)設(shè)備或作為大型網(wǎng)絡(luò)的一部分時(shí)，可能會(huì)發(fā)生數(shù)字通信。這些數(shù)字協(xié)議以一系列離散位的形式存在，這些位沿單個(gè)發(fā)送 （Tx） 或接收 （Rx） 線發(fā)送。這些位的速度，以及控制器的任何地址或數(shù)據(jù)流的實(shí)際內(nèi)容和目的，完全取決于協(xié)議的定義。

從某種意義上說，數(shù)字通信可以被認(rèn)為是摩爾斯電碼，點(diǎn)劃線代表高低兩個(gè)電壓電平。