第四章 会现场总线3.ppt

第四章第四章 基金会现场总线基金会现场总线Foundation Fieldbus FF4.1 基金会现场总线系统的技术概要基金会现场总线系统的技术概要•4.1.1 FF主要技术主要技术•1、通信技术、通信技术•包括：通信协议、模型、控制器芯片、包括：通信协议、模型、控制器芯片、网络和系统管理网络和系统管理•涉及：通信栈软件、仪表用通信接口卡、涉及：通信栈软件、仪表用通信接口卡、与计算机的接口卡、网关、网桥、中继与计算机的接口卡、网关、网桥、中继器等器等•2、标准化功能模块与功能模块应用进程、标准化功能模块与功能模块应用进程•提供：通用结构，所需功能划分为功能模块，提供：通用结构，所需功能划分为功能模块，实现公共特征标准化实现公共特征标准化•规定：规定：I/O、、算法、事件、参数实现混合组态算法、事件、参数实现混合组态与调用与调用•3、设备描述（、设备描述（DD））与设备描述语言（与设备描述语言（DDL)•DD:用于控制系统理解来自于现场设备的数据用于控制系统理解来自于现场设备的数据意义意义•DDL：：设备描述的标准编程语言把设备描述的标准编程语言把DDL编写编写的设备描述源程序转化为机器可读的输出文件，的设备描述源程序转化为机器可读的输出文件，来理解各制造商的设备的数据意义。

来理解各制造商的设备的数据意义4.1.1 FF主要技术（续）主要技术（续）•4、现场总线通信控制与智能仪表或工控、现场总线通信控制与智能仪表或工控机间的接口技术机间的接口技术•把不同厂家把不同厂家 提供的提供的FF集成控制芯片、通集成控制芯片、通信栈软件、园卡（仪表通用接口卡）有信栈软件、园卡（仪表通用接口卡）有机组合，使现场总线控制系统与现有的机组合，使现场总线控制系统与现有的计算机平台结合计算机平台结合4.1.1 FF主要技术（续）主要技术（续）•5、系统集成技术、系统集成技术•集控制、通信、计算机、网络软、硬件集控制、通信、计算机、网络软、硬件一体的综合性技术一体的综合性技术•6、系统测试技术、系统测试技术•含：一致性与互可操作性、总线监听分含：一致性与互可操作性、总线监听分析、系统功能和性能等测试技术析、系统功能和性能等测试技术4.1.2 通信系统的主要组成部分通信系统的主要组成部分 及其相互关系及其相互关系•1、、FF的四层通信模型：的四层通信模型：•1）物理层：规定信号如何发送）物理层：规定信号如何发送•2）数据链路层：规定设备间的网络共享）数据链路层：规定设备间的网络共享和信号调度和信号调度•3）应用层：设备间的数据交换和信息格）应用层：设备间的数据交换和信息格式式•4）用户层：）用户层：ISO/OSI七层参考模型上信七层参考模型上信加的一层。

用于组成用户应用程序加的一层用于组成用户应用程序2、通信模型的组成、通信模型的组成•每个具有通信能力的现场总线物理设备每个具有通信能力的现场总线物理设备都应具有通信模型都应具有通信模型•通信参考模型各部分在物理设备要完成的功能通信参考模型各部分在物理设备要完成的功能分为三大部分，由虚拟通信关系来沟通信息分为三大部分，由虚拟通信关系来沟通信息•系统管理内核系统管理内核SMK 功能块功能块FBAP 通信实体通信实体 • 虚拟通信关系虚拟通信关系•4.1.3 协议数据的构成协议数据的构成若：用户将数据通过现场总线送到其他设备：若：用户将数据通过现场总线送到其他设备：•1、在用户层形成用户数据、在用户层形成用户数据•2、报文规范层处理、报文规范层处理•3、用户数据信息在、用户数据信息在FAS、、•FMS、、DLL层加上各层协议层加上各层协议•控制信息控制信息 •4、在数据链路层加上帧校、在数据链路层加上帧校•验信息验信息•5、送物理层打包、送物理层打包•6、通过物理层转换为符合、通过物理层转换为符合•规范的物理信号规范的物理信号 4.1.4 现场总线应用进程及其网络可视部分现场总线应用进程及其网络可视部分•应用进程应用进程AP：：现场总线系统活动的基本现场总线系统活动的基本组成部分组成部分•网络可视部分：可在网络的总线段上可网络可视部分：可在网络的总线段上可以进行访问或者操作的部分以进行访问或者操作的部分•1、应用进程（、应用进程（AP)•作为分布系统或分别应用中的信息及其作为分布系统或分别应用中的信息及其处理过程处理过程•是最基本的对象是最基本的对象•可以对它赋予地址，也可以通过网络访可以对它赋予地址，也可以通过网络访问问•AP可组合成复合对象，复合对象可组合可组合成复合对象，复合对象可组合为列表对象为列表对象 2、现场总线应用进程结构、现场总线应用进程结构•AP可视部分可视部分•接口是接口是AP与与通通信实体间的界面信实体间的界面•对象字典内是一对象字典内是一系列系列AP对象描对象描述条目述条目•AP索引内装有索引内装有AP对象描述的对象描述的目录排列序号目录排列序号OD3、应用进程（、应用进程（AP））索引索引•读取对象字典读取对象字典(OD)中的对象字典描述条中的对象字典描述条目，得到目，得到AP索引目录号，索引目录号，•AP索引内含有网络可视对象的对象描述索引内含有网络可视对象的对象描述在在OD中的描述指针。

中的描述指针4、对象字典、对象字典•FF采用对象描述来说明总线上传输的数采用对象描述来说明总线上传输的数据格式与意义据格式与意义•把这些对象描述收集在一起，形成对象把这些对象描述收集在一起，形成对象字典（字典（OD)•OD的组成：的组成：1）由一序列条目组成）由一序列条目组成•2）每一个条目分别描述一个）每一个条目分别描述一个 AP和和它的它的报文数据报文数据•3）每个）每个OD条目分配了一个序列号条目分配了一个序列号4.1.5 基金会现场总线网络通信基金会现场总线网络通信中的虚拟通信关系中的虚拟通信关系•虚拟通信关系：虚拟通信关系：•FF现场总线网络中，设备之间传送信息现场总线网络中，设备之间传送信息通过预先组态好的通信通道进行的通信通过预先组态好的通信通道进行的通信通道•进程间的连接：进程间的连接：•是一种逻辑连接或看作为是一种软连接是一种逻辑连接或看作为是一种软连接1、虚拟通信关系的类型、虚拟通信关系的类型•为为满足不同需要，满足不同需要，FF设置了几种类型的虚拟通设置了几种类型的虚拟通信关系：信关系：•客户客户/服务器型、报告分发型、发布服务器型、报告分发型、发布/预订接收预订接收型型•A、、客户客户/服务器型虚拟通信关系服务器型虚拟通信关系•客户：请求者客户：请求者•服务器：接收请求服务器：接收请求•按优先权排队的非周期性通信按优先权排队的非周期性通信•得到传递的令牌－客户请求－服务器响应－客得到传递的令牌－客户请求－服务器响应－客户户/服务器间数据交换服务器间数据交换•B、、报告分发型虚拟通信关系报告分发型虚拟通信关系• 是一种排队式、非周期性通信。

由客户发起是一种排队式、非周期性通信由客户发起的一对多的通信方式的一对多的通信方式• 带有事件报告或趋势报告的设备收到来自于带有事件报告或趋势报告的设备收到来自于链路活动调度器的传递令牌时，通过报告分发链路活动调度器的传递令牌时，通过报告分发型虚拟通信关系，把报文分发给由它的虚拟关型虚拟通信关系，把报文分发给由它的虚拟关系所规定的系所规定的一组一组地址，一组设备将接收报文地址，一组设备将接收报文• 用于广播或多点传播事件与趋势报导用于广播或多点传播事件与趋势报导•C、、发布发布/预订接收型虚拟关系预订接收型虚拟关系•订阅者：希望接收发行消息的设备订阅者：希望接收发行消息的设备•用于实现缓冲型一对多通信用于实现缓冲型一对多通信•缓冲型缓冲型:表示只有最近发布的数据保留在表示只有最近发布的数据保留在网络缓冲器中为发布网络缓冲器中为发布/预订接收型特征预订接收型特征•实现过程：发布数据的设备收到令牌－实现过程：发布数据的设备收到令牌－对总线上的所有设备发布或广播消息给对总线上的所有设备发布或广播消息给订阅者2、虚拟通信关系的设置、虚拟通信关系的设置•应用进程间的通信连接类似两个通信拨号应用进程间的通信连接类似两个通信拨号连接连接•虚拟通信关系类似于存储号码，加快拨通虚拟通信关系类似于存储号码，加快拨通。

•现场总线设备间发起通信时，只需通过虚拟通现场总线设备间发起通信时，只需通过虚拟通信编号即可完成信编号即可完成•FF现场总线的虚拟通信由物理层、数据链路层现场总线的虚拟通信由物理层、数据链路层和应用层共同支持和应用层共同支持•物理层负责物理信号产生与传送物理层负责物理信号产生与传送•数据链路层负责网络通信调度数据链路层负责网络通信调度•应用层规定信息格式应用层规定信息格式3、虚拟通信关系小结、虚拟通信关系小结4.2 基金会现场总线的物理层及其网络连接基金会现场总线的物理层及其网络连接•遵循遵循IEC1158-2(1993年）和年）和ISA-S50.02中中有关物理层的标准有关物理层的标准•H1标准：标准：FF-816 31.25Kbps(低速低速)•H2标准：标准：1Mbps , 2.5Mbps•物理层的基本任务：物理层的基本任务：•1）不包括传输媒体本身）不包括传输媒体本身•2）为数据传输提供合格的物理信号波形，）为数据传输提供合格的物理信号波形，与传输介质直接连接与传输介质直接连接4.2.1 物理层的功能物理层的功能•物理层一方面接收来自于数据链路层的物理层一方面接收来自于数据链路层的信息，转换为物理信号，并传送到现场信息，转换为物理信号，并传送到现场总线的传输媒体上，总线的传输媒体上，起到发送驱动器的起到发送驱动器的作用。

作用•另一方面把来自于总线传输媒体的物理另一方面把来自于总线传输媒体的物理信号转换为信息送数据链路层，信号转换为信息送数据链路层，起到接起到接收器的作用收器的作用4.2.1 物理层的功能（续）物理层的功能（续）•1、实现现场物理设备与总线之间的连接、实现现场物理设备与总线之间的连接•2、为现场设备与通信传输媒体提供机械、为现场设备与通信传输媒体提供机械和电气接口，同时具备电气隔离、信号和电气接口，同时具备电气隔离、信号滤波等功能滤波等功能•3、为现场设备的发送或接收提供合符规、为现场设备的发送或接收提供合符规范的物理信号范的物理信号•4、处理总线向现场设备供电问题、处理总线向现场设备供电问题4.2.2 物理层的结构物理层的结构•按照按照IEC物理层规范规定：物理层规范规定：•物理层分为：物理层分为：•1、媒体相关子层、媒体相关子层•负责处理不同介质的传输媒体负责处理不同介质的传输媒体•不同速率的信号转换不同速率的信号转换•支持多种媒体访问冗余设备支持多种媒体访问冗余设备•2、媒体无关子层、媒体无关子层•物理媒体相关子层选择其中一组信号送到媒体物理媒体相关子层选择其中一组信号送到媒体无关子层，形成所通过的单一数据流。

无关子层，形成所通过的单一数据流4.2.4 基金会现场总线的物理信号波形基金会现场总线的物理信号波形•两种供电方式：两种供电方式：•1、非总线方式单独供电、非总线方式单独供电•2、总线供电方式：、总线供电方式：• A、、既要传送数字信号又既要传送数字信号又要由总线向现场设备供电要由总线向现场设备供电•B、按、按H1规范规范(3125Kbps)：：信号峰－峰信号峰－峰•电压电压0.75-1V,叠加在叠加在9－－32V的直流电压上，形成的直流电压上，形成现场总线的信号波形现场总线的信号波形4.2.4 基金会现场总线的物理信号波形基金会现场总线的物理信号波形•H1总线电总线电压模式的压模式的信号波形信号波形4.2.4 基金会现场总线的物理信号波形基金会现场总线的物理信号波形•H2总线总线电压模电压模式的信式的信号波形号波形4.2.4 基金会现场总线的物理信号波形基金会现场总线的物理信号波形•特点：特点：•1、、1.0Mbps的的H2总线规范的电总线规范的电流模式的本安型流模式的本安型总线供电模式总线供电模式•2、、1.0Mbps的现的现场总线信号叠加场总线信号叠加在在16KHz的交流的交流电源上。

电源上4.2.5 基金会现场总线的信号编码基金会现场总线的信号编码•协议报文编码特点：协议报文编码特点：•1、采用曼彻斯特编码技术将数据编码叠、采用曼彻斯特编码技术将数据编码叠加到直流电压或电流上形成物理信号加到直流电压或电流上形成物理信号•2、每个时钟周期被分为两半：、每个时钟周期被分为两半：•前半周期为低电平，后半周期为高电平前半周期为低电平，后半周期为高电平形成的脉冲正跳变来表示为形成的脉冲正跳变来表示为“0”•前半周期为高电平，后半周期为底电平前半周期为高电平，后半周期为底电平形成的脉冲负跳变来表示为形成的脉冲负跳变来表示为“1”•优点：隐含了同步时钟信号优点：隐含了同步时钟信号•信号编码信号编码•1、前导码：置于信号的、前导码：置于信号的最前端规定信号：最前端规定信号： 10101010，，1个字节个字节•2、帧前定界码：表明现、帧前定界码：表明现场总线信息的起点，场总线信息的起点，8个个时钟周期，由特殊的时钟周期，由特殊的N+、、N-和和正负跳变脉冲按规定正负跳变脉冲按规定顺序组成顺序组成•3、帧结束码：表明现场、帧结束码：表明现场总线信息的终止，总线信息的终止，8个时个时钟周期，由特殊的钟周期，由特殊的N+、、N-和正负跳变脉冲按规定顺和正负跳变脉冲按规定顺序组成（不同于帧前定界序组成（不同于帧前定界码）码）4.2.6 现场设备现场设备4.2.7 基金会现场总线的网络拓扑结构基金会现场总线的网络拓扑结构•H1支持点对点支持点对点连接、总线型、连接、总线型、菊花链型、树菊花链型、树型拓扑型型拓扑型•H2只支持总线只支持总线拓扑型拓扑型•基金会现场总基金会现场总线支持网桥结线支持网桥结构构4.3 数据链路层（数据链路层（DLL，，data link layer)•作用：作用：•1、位于物理层与总线访问子层之间、位于物理层与总线访问子层之间•2、为系统管理内核、总线访问子层、访问总、为系统管理内核、总线访问子层、访问总线媒体提供服务线媒体提供服务•3、完成链路活动调度、数据接收、完成链路活动调度、数据接收/发送、活动发送、活动状态的探测、响应、总线上各设备状态的探测、响应、总线上各设备•同步同步•4、每个总线段有一个媒体访问控制中心，即、每个总线段有一个媒体访问控制中心，即链路活动调度中心链路活动调度中心LAS(link active scheduler)4.3 链路活动调度室链路活动调度室LAS及其功能及其功能•LAS作用：作用：•拥有总线上所有设备清单，由拥有总线上所有设备清单，由LAS掌管掌管总线段上各设备对总线的操作。

总线段上各设备对总线的操作4.3 链路活动调度室链路活动调度室LAS及其功能及其功能•LAS功能功能•1、向设备发送强制数据、向设备发送强制数据CD•2、、向设备发送传递令牌向设备发送传递令牌PT•3、、为新入网的设备找好地址为新入网的设备找好地址•4、定期对总线段发布数据链路时间和调、定期对总线段发布数据链路时间和调度时间度时间•5、监视设备对传递令牌、监视设备对传递令牌PT的响应的响应4.3.2 通信设备类型通信设备类型•三类通信设备：三类通信设备：•1、链路主设备：有能力成为链路活动调、链路主设备：有能力成为链路活动调度器的设备度器的设备•2、网桥：连接两个总线段之间的设备，、网桥：连接两个总线段之间的设备，属于链路主设备属于链路主设备•3、基本设备：只能接收令牌并作出响应，、基本设备：只能接收令牌并作出响应，仅具有最基本的通信功能仅具有最基本的通信功能4.3.2 通信设备类型通信设备类型4.3.3 数据链路协议数据单元数据链路协议数据单元DLPDU•作用：提供数据链路的协议控制信息作用：提供数据链路的协议控制信息•组成：组成：•1、帧控制信息、帧控制信息•2、数据链路地址、数据链路地址•3、、DLPDU参数参数。