《現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用》課件5－1ff

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，即FoudationFieldbus,簡(jiǎn)稱FF，這是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)，是一種全數(shù)字、串行、雙向通信協(xié)議，用于智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互聯(lián)。是兩大集團(tuán)（以美國(guó)Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協(xié)議）于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)，致力于開(kāi)發(fā)出國(guó)際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

FF由二部分組成：即HI低速現(xiàn)場(chǎng)總線及HSE高速現(xiàn)場(chǎng)總線。H1的通信速率為31．25kbps，通信距離可達(dá)1900m(可加中繼器延長(zhǎng))，可支持總線供電，HSE速率為100Mbps（H2的通信速率為1Mbps及2．5Mb／s，其通信距離為750m和500m）。H1與HSE通過(guò)FF的連接設(shè)備連接，物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無(wú)線發(fā)射。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼，每位發(fā)送數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變，或是負(fù)跳變。正跳變代表0，負(fù)跳變代表1，從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的定位信息，以保持發(fā)送雙方的時(shí)間同步。接收方既可根據(jù)跳變的極性來(lái)判斷數(shù)據(jù)的“1”、“0”狀態(tài)，也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確定位。

為了支持功能塊模型的標(biāo)準(zhǔn)化，F(xiàn)F定義了2個(gè)工具：對(duì)象字典（ObjectDictionary,OD）和設(shè)備描述語(yǔ)言（DeviceDescriptionLanguage,DDL）。

OD是一個(gè)"基本方案"工具，用于定義字典以及設(shè)備和其中功能塊目錄信息。設(shè)備應(yīng)用的OD可以由設(shè)備描述"DD"來(lái)補(bǔ)足，而這些DD又是由DD語(yǔ)言（DDL）生成的。

DDL是一種解釋語(yǔ)言、用于描述AP（應(yīng)用進(jìn)程）對(duì)象到行為和操作接口。故而使眾多FF成員生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的設(shè)備描述方法標(biāo)準(zhǔn)化，由此，使得與生產(chǎn)廠家無(wú)關(guān)的設(shè)備互操作成為可能。第二節(jié)FF通信模型一、H1現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的核心部分之一是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)的數(shù)字通信。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開(kāi)放性，其通信模型參考了ISO/OSI參考模型，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的參考模型只具備了ISO/OSI參考模型七層中的三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并按照現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)際要求，把應(yīng)用層劃分為兩個(gè)子層——總線訪問(wèn)子層（FAS）與總線報(bào)文規(guī)范子層（FMS）。省去了中間的3～6層，即不具備網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層與表示層。不過(guò)它又在第七層應(yīng)用層之上增加了新的一層（用戶層），這樣可以將通信模型視為四層。物理層（PHY）與傳輸介質(zhì)（電纜、光纜等）相連接．規(guī)定了如何發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)。數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）規(guī)定了總線設(shè)備如何共享網(wǎng)絡(luò)，怎樣調(diào)度通信。應(yīng)用層分為現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層（FAS）和現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范子層（FMS）兩個(gè)子層，其中FAS規(guī)定數(shù)據(jù)訪問(wèn)的關(guān)系模型和規(guī)范，在DLL和FMS之間提供服務(wù)；FMS則規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文格式，為用戶提供了所規(guī)定的通信服務(wù)。用戶層規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的功能塊、對(duì)象字典（OD）和設(shè)備貓述（DD），供用戶組成所需要的應(yīng)用程序，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和系統(tǒng)管理。

在相應(yīng)軟硬件開(kāi)發(fā)的過(guò)程中．往往把除去最下端的物理層和最上端的用戶層之后的中間部分作為一個(gè)整體，統(tǒng)稱為通信棧。這時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)總線的通信參考模型可簡(jiǎn)單地視為三層。二、HSE現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型第三節(jié)FF物理層一、物理層（PHY）的功能

1、發(fā)送功能物理層接收來(lái)自數(shù)據(jù)鏈路層的“DLL協(xié)議數(shù)據(jù)”，首先加上前導(dǎo)碼、幀前定界碼和幀后結(jié)束碼，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼（即曼徹斯特編碼），再把它轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)物理信號(hào)，然后發(fā)送到傳輸介質(zhì)上，加電纜、光纜或無(wú)線。

2、接收功能物理層接收來(lái)自傳輸介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)物理信號(hào)，首先去除前導(dǎo)碼、幀前定界碼和幀后結(jié)束碼，再迸行解碼，然后把標(biāo)準(zhǔn)信息傳給數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）。

物理層作為電氣接口，除了具有上述發(fā)送和接收功能外，還應(yīng)該具備電氣隔離，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電、接地和屏蔽等規(guī)范。

物理層作為機(jī)械接口相對(duì)較為簡(jiǎn)單，因?yàn)閭鬏斀橘|(zhì)一般為兩根導(dǎo)線，只需在設(shè)備接線端標(biāo)出“＋”、“－”標(biāo)簽，以清楚地表示極性，對(duì)于那些具有自動(dòng)判別極性的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備可以不配備這種標(biāo)簽。二、物理層的結(jié)構(gòu)1、介質(zhì)相關(guān)子層介質(zhì)相關(guān)子層負(fù)責(zé)處理導(dǎo)線、光纜、無(wú)線介質(zhì)等不同傳輸介質(zhì)和不同傳輸速率的信號(hào)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，亦稱為介質(zhì)訪問(wèn)單元。2、介質(zhì)無(wú)關(guān)子層介質(zhì)無(wú)關(guān)子層是上述介質(zhì)相關(guān)子層與數(shù)據(jù)鏈路層之間的接口。該子層功能有兩條：一是對(duì)發(fā)送信息增加前導(dǎo)碼、幀前定界碼和幀后結(jié)束碼，再進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼；另一條是去除前導(dǎo)碼、幀前定界碼和幀后結(jié)束碼，再進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼。

三、物理層的信號(hào)編碼

根據(jù)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）的報(bào)文結(jié)構(gòu)，物理層（FHY）的信號(hào)編碼有協(xié)議報(bào)文編碼，前導(dǎo)碼、幀前定界碼和幀后結(jié)束碼四種。

1．協(xié)議報(bào)文編碼物理層對(duì)來(lái)自數(shù)據(jù)鏈路層的“DLL協(xié)議數(shù)據(jù)”采用曼徹斯特編碼。該編碼的特點(diǎn)是每個(gè)時(shí)鐘周期被分成兩半，用前半周期為高電平、后半周期為低電平的脈沖負(fù)跳變表示數(shù)據(jù)1。反之，用前半周期為低電平、后半周期為高電平的脈沖正跳變表示數(shù)據(jù)0。這種縮碼的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)編碼中隱含了同步時(shí)鐘，因此不必另外設(shè)置同步信號(hào)。

2、前導(dǎo)碼前導(dǎo)碼表示傳輸信號(hào)的開(kāi)始，采用特殊的8位數(shù)字信號(hào)10101010，前導(dǎo)碼位于傳輸信號(hào)的最前端，如果采用中繼器，那么前導(dǎo)碼可以多于一個(gè)字節(jié)。接收端的接收器正是利用前導(dǎo)碼信號(hào)，與正在接收的現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸信號(hào)同步。

3．幀前定界碼幀前定界碼表示協(xié)儀數(shù)據(jù)的起點(diǎn)，其長(zhǎng)度為8個(gè)時(shí)鐘周期，即一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)。該編碼由特殊的N＋碼、N－碼、正負(fù)跳變脈沖按規(guī)定的順序組成，N＋碼或N－碼的特點(diǎn)是在整個(gè)時(shí)鐘同期保持高電平或低電平，即在時(shí)鐘周期的中間不存在電平的跳變。

4、幀后結(jié)束碼幀后結(jié)束碼表示協(xié)議數(shù)據(jù)的終點(diǎn)，其長(zhǎng)度為8個(gè)時(shí)鐘周期，即一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)。該編碼由特殊的N＋碼、N－碼、正負(fù)跳變脈沖按規(guī)定的順序組成，當(dāng)然，其組合順序不同于幀前定界碼。FF信號(hào)的編碼序列基會(huì)會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的報(bào)文結(jié)構(gòu)

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）報(bào)文信息的形成過(guò)程如圖所示。如某臺(tái)總線設(shè)備要將數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)往其他設(shè)備，首先在用戶層形成用戶數(shù)據(jù)，再把它們送往現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范子層（FMS）。每幀最多可發(fā)送251個(gè)宇節(jié)的用戶數(shù)據(jù)。然后依次送住現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層（FAS）和數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）；用戶數(shù)據(jù)在FMS、FAS和DLL各層分別加上各層的協(xié)議控制信息，而在DLL還加上幀校驗(yàn)信息；最后送往物理層（PHY）將數(shù)據(jù)打包，即加上幀前定界碼和幀后結(jié)束碼，再在幀前定界碼之前加上用于時(shí)鐘同步的前導(dǎo)碼（或稱之為同步碼）。圖中還標(biāo)明了各層所附的協(xié)議控制信息的字節(jié)數(shù)，最終在DLL形成的DLL協(xié)議數(shù)據(jù)為12－273個(gè)字節(jié)。信息幀形成之后仍不能發(fā)送，還要通過(guò)物理層轉(zhuǎn)換成符合規(guī)范的物理信號(hào)．在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理控制之下，發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)總線上?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（1）高速以太網(wǎng)：HSE現(xiàn)場(chǎng)總線描述了在100Mbps以太網(wǎng)上工作的一種現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),通常連接I/O子系統(tǒng)、鏈接設(shè)備、交換器、主機(jī)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等求。（2）FF網(wǎng)絡(luò)可以包括1個(gè)或多個(gè)HSE子網(wǎng)和1個(gè)或多個(gè)互連的H1鏈路。（3）幾個(gè)HSE子網(wǎng)之間可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)路由器進(jìn)行互連。（4）1個(gè)HSE子網(wǎng)包含1臺(tái)或多臺(tái)通過(guò)以及網(wǎng)相連的HSE設(shè)備。（5）HSE設(shè)備是一種能夠與高速以太網(wǎng)(HSE)現(xiàn)場(chǎng)總線直接連接的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，可以為HSE現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、HSE鏈接設(shè)備和I/O網(wǎng)關(guān)設(shè)備等。（6）HSE鏈接設(shè)備用于將1個(gè)或幾個(gè)H1鏈路到HSE子網(wǎng)上。（7）l條H1鏈路可連接1臺(tái)或幾臺(tái)H1設(shè)備。（8）2臺(tái)或多臺(tái)H1設(shè)備之間可通過(guò)H1網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)互連。樹(shù)形拓樸總線拓樸第四節(jié)FF通信棧一、數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)

數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)控制消息在現(xiàn)場(chǎng)總線上的傳輸。DLL通過(guò)確定鏈路活動(dòng)調(diào)度器(LAS),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊訪問(wèn)進(jìn)行控制。1、設(shè)備類型DLL規(guī)范中定義了三類設(shè)備：不可成為L(zhǎng)AS的基本設(shè)備可成為L(zhǎng)AS的鏈路主設(shè)備

用于兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段互聯(lián)的連接設(shè)備網(wǎng)橋現(xiàn)場(chǎng)總線的通信設(shè)備與LAS2、鏈路活動(dòng)調(diào)度器受調(diào)度通信

鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS擁有總線上所有設(shè)備的清單，由它來(lái)掌管總線段上各設(shè)備對(duì)總線的操作。鏈路活動(dòng)調(diào)度器內(nèi)有一個(gè)傳送時(shí)間表，一旦到了某個(gè)設(shè)備要發(fā)送的時(shí)間，鏈路活動(dòng)調(diào)度器就發(fā)送一個(gè)強(qiáng)制數(shù)據(jù)（CD）給這個(gè)設(shè)備。收到CD后，該設(shè)備就可以向總線發(fā)送它的信息。非調(diào)度通信在預(yù)定調(diào)度時(shí)間表之外的時(shí)間，由LAS通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)出一個(gè)傳遞令牌（PT），得到這個(gè)令牌的設(shè)備就可以發(fā)送信息。所有總線上的設(shè)備都有機(jī)會(huì)通過(guò)這一方式發(fā)送調(diào)度之外的信息。由此可以看到，F(xiàn)F通信采用的是令牌總線工作方式。LAS的全部操作可分為：CD調(diào)度發(fā)送PT活動(dòng)表維護(hù)數(shù)據(jù)鏈接時(shí)間同步監(jiān)視設(shè)備對(duì)PT的響應(yīng)二、現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層FAS

總線訪問(wèn)子層FAS位于FMS與數(shù)據(jù)鏈路層之間，把FMS與數(shù)據(jù)鏈路層DLL分隔開(kāi)來(lái)，利用數(shù)據(jù)鏈路層的受調(diào)度通信與非調(diào)度通信作用，為總線報(bào)文規(guī)范層