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工业数据通信与控制网络
第4讲 基金会现场总线的主要技术
阳宪惠
主要内容
F 一 基金会现场总线的特点
F 二 基金会现场总线的主要技术
F 三 FF的通信模型
F 四 基金会现场总线的物理层及其网络连接
F 五 数据链路层与链路活动调度器
F 六 应用层与虚拟通信关系
F 七 用户层与功能块应用
F 八 关于FF的产品开发
F 九 FF的网络系统集成
F 十 FF现场总线控制系统的设计与组态
一 基金会现场总线的特点
1 基金会现场总线的特点
A 为适应过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而设计
B 能适应总线供电的要求，利用总线为现场设备提供工作电源
C 能适应本质安全防爆的要求
D 为IEC国际现场总线标准子集
二 基金会现场总线的主要技术：
1 通信技术：
通信模型、通信协议、通信网络
与网络相关的硬软件：如通信控制器芯片、仪表通信接口卡、FF与计算机的接口卡，各种网关、网桥、中继器、通信栈软件等
2 标准化功能块(FB Function Block)
开放式应用系统集成的基础
功能块结构
功能块种类 输入、输出、算法、事件
H1的通信参考模型
3 设备描述（DD Device Description)
为系统理解来自现场设备的数据意义提供必需的信息；
设备描述是设备驱动的基础：主机通过设备描述实现对某个设备的驱动。
4 现场总线通信控制器与智能仪表或工控机之间的接口技术
OEM集成
设备描述库的组成及其工作过程
5. 控制系统、网络系统的系统集成技术
F 控制系统网络系统组态
F 控制系统网络系统的系统管理
F 系统软硬件配置
6 系统测试技术
F 一致性测试 Conformance Testing
F 互可操作性测试 Interoperability
F 系统功能性能测试
三 基金会现场总线的物理层
及其网络连接
1 物理层的功能
F 物理层用于实现现场物理设备与总线之间的连接。其主要功能是为现场设备与通信传输媒体的连接提供机械和电气接口，为现场设备对总线的发送或接收提供合乎规范的物理信号。
F 物理层作为电气接口，一方面接受来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输媒体上，起到发送驱动器的作用；另一方面把来自总线的物理信号转换为信息送往数据链路层，起到接收器的作用
2 物理层的信号处理：
F 当它接收到来自数据链路层的数据信息时，对数据帧加上前导码与定界码，并对其实行数据编码( 曼彻斯特编码)，再经过发送驱动器，把所产生的物理信号传送到总线的传输媒体上。
F 对从总线上接收到的来自其它设备的物理信号，对其去除前导码、定界码，并实行解码后，把数据信息送往数据链路层
3 设备连接：配备标有"+""-"号的醒目标签，以清楚地表明接口处的极性。
容许那些具有自动极性判别能力的现场设备不配备这种标签。
4 基金会现场总线的信号编码
F 基金会现场总线信号的编码序列（表1）
F 协议数据的分层生成
F 曼彻斯特编码
F 前导码
F 帧前定界码
F 帧结束码
F 前导码置于通信信号最前端，标志着通信信号开始。前导码一般为长度是8位的一个字节，字节内容为10101010。接收端利用这一信号同步其内部时钟的。
F 帧前定界码标明了现场总线信息的起点，其长度为8个时钟周期的一个字节。帧前定界码由特殊的N+ 码、N-码和普通正负跳变脉冲按规定的顺序组成。N+ 码和N-码具有自己的特殊性。它们在时钟周期的中间不存在电平的跳变。 N+ 码在整个时钟周期都保持高电平，N-码在整个时钟周期都保持低电平，接收端利用帧前定界码信号来决定现场总线信息的起点。
F 帧结束码标志着总线信息的终止，其长度也为8位的一个字节。象起始码那样，帧结束码也是由特殊的N+ 码、N-码和普通正负跳变脉冲按规定的顺序组成，其组合顺序不同于起始码
F 前导码、帧前定界符、帧结束码都是由物理层的硬件电路生成并加载到物理信号上的。作为发送端的发送驱动器，要把前导码、帧前定界符、帧结束码增加到发送序列之中；而接收端的信号接收器则要从所接收的信号序列中把前导码、帧前定界符、帧结束码除掉
基金会现场总线的几种编码波形
四 数据链路层与链路活动调度器
1 数据链路层DLL( Data Link Layer )的作用：
F 位于物理层与总线访问子层之间，为系统管理内核和总线访问子层访问总线媒体提供服务。
F 总线通信中的链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的探测、响应，总线上各设备间的链路时间同步，都是通过数据链路层实现的。
F 具备链路活动调度能力的设备，能形成链路活动调度表，并按照调度表的内容形成各类链路活动的协议数据单元。
F 没有链路活动调度能力的设备，其数据链路层要对来自总线的链路数据作出响应，控制本设备对总线的活动。
F 数据链路层还要对所传输的信息实行帧校验
2 链路活动调度器LAS ( Link Active Scheduler )
它是总线段上的媒体访问控制中心
LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。任何时刻每个总线段上都只能有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到链路活动调度器LAS的许可，才能向总线上传输数据。
3 FF的通信活动的类型：
F 预定周期通信：由LAS按预定调度时间表周期性依次发起的通信活动，称为受调度通信。根据预定的调度时间表，一旦到了某个设备要发送的时间，链路活动调度器就发送一个强制数据( CD Compel Data )给这个设备。基本设备收到了这个强制数据信息，就可以向总线上发送它的信息。
F 非周期（非预定）通信：在预定周期时间表之外的时间，LAS通过总线发出一个传递令牌 ( PT Pass Token ) ，得到这个令牌的设备便可向总线发送信息。所有总线上的设备都有机会通过这种方式发送信息。
F 预定周期通信与非周期通信都是由LAS掌管
4 链路活动调度器的基本功能：
1）. 按照链路活动调度器内保留的调度表，向网络上的设备发送强制数据CD。
2）向网络上的设备发送传递令牌PT，使设备得到发送非周期数据的权力，为它们提供发送非周期数据的机会。
3）为新入网的设备探测未被采用过的地址。并在新设备找好地址后，把它们加入到活动表。
4）定期对总线段发布数据链路时间和调度时间。
5）监视设备对传递令牌PT的响应，当某些设备既不能随着传递令牌PT进入使用状态，也不将令牌返还时，就把这些设备从活动表中去掉。
5 链路活动调度权的竞争过程与LAS转交
F 在系统启动或现有LAS出错失去LAS作用时，总线段上的链路主设备通过竞争争夺LAS权
F 具有最低节点地址的链路主设备会成为LAS
F 低节点地址的链路主设备加入到已运行的网络时，由于网段上已经有了一个执行LAS，在没有出现新的竞争之前，它不可能成为LAS。
F 如果确实想让某个链路主设备成为LAS，可在该设备的网络管理信息库的组态中置入这一信息，以便能让网络设备了解到希望把LAS转交给它的这种要求。
6 活动表及其维护
F 一个设备只要能响应链路活动调度器发出的传递令牌，它就会一直保持在活动表内。
F LAS周期性地对那些不在活动表内的地址发出节点探测信息PN，如果这个地址有设备存在，它就会返回一个探测响应信息。LAS就把这个设备列入活动表，并发给该设备一个节点确认信息。LAS对活动表执行一个循环之后，会对至少一个地址发出探测。
F 如果某设备既不使用令牌，也不把令牌返还给链路活动调度器，经过三次试验，链路活动调度器就把它从活动表中去掉。
F 每当一个设备被增加到活动表、或从活动表中去掉的时侯，链路活动调度器就对活动表中的所有设备广播这一变化，使每个设备都能够保持有一个正确的活动表的拷贝。
7 数据链路的时间同步
F 总线上的所有预定周期通信和功能块的执行都按照数据链路层提供的时间来工作
F 链路活动调度器除提供精确的控制时序外，还通过周期性的广播一个时间发布信息TD (Time Distribution )，来决定链路调度的绝对开始时间，以便所有设备都准确地采用这一时间基准。
F 所有预定周期通信、非周期通信以及其它应用进程的执行时间，都以其对链路调度绝对开始时间的偏移量来计算。
8 链路活动的调度过程
五 应用层与虚拟通信关系
1 应用层
F 现场总线访问子层FAS( Fieldbus Access Sublayer )与总线报文规范子层FMS(Fieldbus Message Specification)一起构成应用层。
F 总线访问子层FAS为FMS和应用进程提供报文传送服务。
F 现场总线报文规范子层描述用户应用所需要的通信服务、报文格式、行为状态等。FMS提供服务和标准的报文格式。
2 虚拟通信关系VCR( Virtual Communication Relationships )
F 现场设备应用进程之间的连接是一种逻辑上的连接，或称为软连接，也把这种通信连接称为虚拟通信关系。
F 基金会现场总线的三种虚拟通信关系：
客户/服务器型；
报告分发型；
发布/预订接收型
u 客户/服务器型虚拟通信关系
F 当一个设备得到传递令牌时，这个设备可以对现场总线上的另一设备发送一个请求信息，这个请求者被称为客户
F 接受这个请求的被称为服务器。当服务器收到这个请求，并得到传递令牌时，就可以对客户的请求作出响应。
F 客户与服务者之间进行的一对一的请求/响应式数据交换，是一种按优先权排队的非周期性通信。
F 这种非周期通信是在受调度的周期性通信的间隙中进行的，设备与设备之间采用令牌传送机制共享周期通信以外的间隙时间
F 常用于设置参数或实现某些操作，如改变给定值，对调节器参数的访问与调整，对报警的确认，设备的上载与下载等
( 报告分发型虚拟通信关系
F 它是一种排队式、非周期通信，也是一种由用户发起的一对多的通信方式。
F 通过报告分发型虚拟通信关系，把报文分发给由它的虚拟通信关系所规定的一组地址，即有一组设备将接收该报文。
F 它区别于客户/服务器型虚拟通信关系的最大特点是它采用一对多通信，一个报告者对应由多个设备组成的一组接收者。
F 最典型的应用场合是将报警状态、趋势数据等通知操作台。
o 发布/预订接收型虚拟通信关系
F 发布/预订接收型虚拟通信关系主要用来实现缓冲型 一对多通信。
F 当数据发布设备收到令牌时，将对总线上的所有设备广播它的报文。
F 希望接收这一发行消息的设备就称为预订接收者
F 缓冲型意味着只有最近发布的数据保留在网络缓冲器内，新的数据会完全覆盖先前的数据。
F 发布者缓冲器的内容会在一次广播中同时传送到所有数据用户，即预订接收者的缓冲器内。
F 通常采用发布/预订接收型虚拟通信关系，按周期性的调度方式，为用户应用功能块的输入输出刷新数据，如刷新过程变量、操作输出等 。
o 三种虚拟通信关系特点比较表
o 由物理层、数据链路层和应用层共同作用，来支持以上几种虚拟通信关系。
o 物理层负责物理信号的产生与传送
o 数据链路层负责网络共享与通信调度
o 应用层负责为交换命令、应答、数据、事件等信息规定相关的信息格式，并为通信关系管理、变量访问、事件管理、程序调用、对象字典应用等提供服务
应用层提供的服务类型与作用
F 通信关系管理服务负责建立、释放通信连接；拒绝不合适的通信服务；读取设备状态等。
F 对象字典服务负责读取对象字典；装载或终止装载对象字典。
F 变量访问服务负责读、写变量；定义、删除变量。
F 事件管理服务负责事件报告、事件确认。
F 上/下载服务负责请求上/下载、打开上/下载、停止上/下载、对设备发送/读取数据。
F 程序调用服务负责建立/删除程序对象、启动/停止程序、恢复程序执行等
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