《现场总线技术及应用》课件5－1ff.ppt

1、 基金会现场总线，即基金会现场总线，即Foudation Fieldbus,简称简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术，是一种全数字、串行、有良好发展前景的技术，是一种全数字、串行、双向通信协议，用于智能现场设备的互联。是双向通信协议，用于智能现场设备的互联。是两大集团（两大集团（以美国以美国Fisher-Rousemount公司为首，公司为首，联合联合Foxboro、横河、横河、ABB、西门子等西门子等80家公司家公司制订的制订的ISP协议协议和和以以Honeywell公司为首，联合欧公司为首，联合欧洲等地的洲等地的150家公司

2、制订的家公司制订的WordFIP协议协议）于）于1994年年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线技术。发出国际上统一的现场总线技术。FF由二部分组成：即由二部分组成：即HI低速现场总线低速现场总线及及HSE高速现场总线。高速现场总线。H1的通信速率为的通信速率为3125 kbps，通信距离可达，通信距离可达 1900m(可加可加中继器延长中继器延长)，可支持总线供电，可支持总线供电，HSE速速率为率为100 Mbps（H2的通信速率为的通信速率为1 Mbps及及25 Mbs，其通信距离为，其通信距离为750m和和500m）。）。

3、H1与与HSE通过通过FF的连接设备连的连接设备连接，物理传输介质可支持双绞线、光缆接，物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射。和无线发射。基金会现场总线的物理媒介的传输信号采基金会现场总线的物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表是正跳变，或是负跳变。正跳变代表0，负跳，负跳变代表变代表1，从而使串行数据位流中具有足够的，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”

4、、“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定状态，也可根据数据的中心位置精确定位。位。为了支持功能块模型的标准化，为了支持功能块模型的标准化，FF定义了定义了2个工具：对象字典（个工具：对象字典（Object Dictionary,OD）和设备描述语言（和设备描述语言（Device Description Language,DDL）。）。OD是一个是一个基本方案基本方案工具，用于定工具，用于定义字典以及设备和其中功能块目录信息。义字典以及设备和其中功能块目录信息。设备应用的设备应用的OD可以由设备描述可以由设备描述DD来补来补足，而这些足，而这些DD又是由又是由DD语言（语言（DDL）生生成的。

5、成的。DDL是一种解释语言、用于描述是一种解释语言、用于描述AP（应用进程）对象到行为和操作接口。应用进程）对象到行为和操作接口。故而使众多故而使众多FF成员生产厂家生产的设备成员生产厂家生产的设备描述方法标准化，由此，使得与生产厂描述方法标准化，由此，使得与生产厂家无关的设备互操作成为可能。家无关的设备互操作成为可能。第二节第二节 FF通信模型通信模型一、一、H1现场总线通信模型现场总线通信模型 基金会现场总线的核心部分之一是实现现场总线信基金会现场总线的核心部分之一是实现现场总线信号的数字通信。为了实现系统的开放性，其通信模型参号的数字通信。为了实现系统的开放性，其通信模型参考了考了ISO

6、/OSI参考模型，基金会现场总线的参考模型只具参考模型，基金会现场总线的参考模型只具备了备了ISO/OSI参考模型七层中的三层，即物理层、数据链参考模型七层中的三层，即物理层、数据链路层和应用层，并按照现场总线的实际要求，把应用层路层和应用层，并按照现场总线的实际要求，把应用层划分为两个子层划分为两个子层总线访问子层（总线访问子层（FAS）与总线报文规）与总线报文规范子层（范子层（FMS）。省去了中间的）。省去了中间的36层，即不具备网络层，即不具备网络层、传输层、会话层与表示层。不过它又在第七层应用层、传输层、会话层与表示层。不过它又在第七层应用层之上增加了新的一层（用户层），这样可以将通信

7、模层之上增加了新的一层（用户层），这样可以将通信模型视为四层。型视为四层。物理层（物理层（PHY）与传输介质（电缆、光缆等）相）与传输介质（电缆、光缆等）相 连接规定了如何发送信号和接收信号。连接规定了如何发送信号和接收信号。数据链路层（数据链路层（DLL）规定了总线设备如何共享网）规定了总线设备如何共享网络，怎样调度通信。络，怎样调度通信。应用层分为现场总线访问子层（应用层分为现场总线访问子层（FAS）和现场总）和现场总线报文规范子层（线报文规范子层（FMS）两个子层，其中）两个子层，其中FAS规规定数据访问的关系模型和规范，在定数据访问的关系模型和规范，在DLL和和FMS之之间提供服务；间

8、提供服务；FMS则规定了标准的报文格式，为则规定了标准的报文格式，为用户提供了所规定的通信服务。用户提供了所规定的通信服务。用户层规定了标准的功能块、对象字典（用户层规定了标准的功能块、对象字典（OD）和设备猫述（和设备猫述（DD），供用户组成所需要的应用），供用户组成所需要的应用程序，并实现网络管理和系统管理。程序，并实现网络管理和系统管理。在相应软硬件开发的过程中往往把除去在相应软硬件开发的过程中往往把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间部分作为一个整体，统称为通信栈。这时，现部分作为一个整体，统称为通信栈。这时，现场总线的通信参考模型可简单

9、地视为三层。场总线的通信参考模型可简单地视为三层。二、二、HSE现场总线通信模型现场总线通信模型第三节第三节 FF物理层物理层一、物理层（一、物理层（PHY）的功能）的功能 1、发送功能、发送功能 物理层接收来自数据链路层的物理层接收来自数据链路层的“DLL协议数据协议数据”，首先，首先加上前导码、帧前定界码和帧后结束码，并对其进行数据加上前导码、帧前定界码和帧后结束码，并对其进行数据编码（即曼彻斯特编码），再把它转换成标准物理信号，编码（即曼彻斯特编码），再把它转换成标准物理信号，然后发送到传输介质上，加电缆、光缆或无线。然后发送到传输介质上，加电缆、光缆或无线。2、接收功能、接收功能 物理

10、层接收来自传输介质的标准物理信号，首先去除物理层接收来自传输介质的标准物理信号，首先去除前导码、帧前定界码和帧后结束码，再迸行解码，然后前导码、帧前定界码和帧后结束码，再迸行解码，然后把标准信息传给数据链路层（把标准信息传给数据链路层（DLL）。）。物理层作为电气接口，除了具有上述发送和物理层作为电气接口，除了具有上述发送和接收功能外，还应该具备电气隔离，现场设备供接收功能外，还应该具备电气隔离，现场设备供电、接地和屏蔽等规范。电、接地和屏蔽等规范。物理层作为机械接口相对较为简单，因为传物理层作为机械接口相对较为简单，因为传输介质一般为两根导线，只需在设备接线端标出输介质一般为两根导线，只需在

11、设备接线端标出“”、“”标签，以清楚地表示极性，对于标签，以清楚地表示极性，对于那些具有自动判别极性的现场总线设备可以不配那些具有自动判别极性的现场总线设备可以不配备这种标签。备这种标签。二、物理层的结构二、物理层的结构1、介质相关子层、介质相关子层 介质相关子层负责处理导线、光缆、无线介介质相关子层负责处理导线、光缆、无线介质等不同传输介质和不同传输速率的信号转换质等不同传输介质和不同传输速率的信号转换问题，亦称为介质访问单元。问题，亦称为介质访问单元。2、介质无关子层、介质无关子层 介质无关子层是上述介质相关子层与数据链介质无关子层是上述介质相关子层与数据链路层之间的接口。该子层功能有两条

12、：一是对路层之间的接口。该子层功能有两条：一是对发送信息增加前导码、帧前定界码和帧后结束发送信息增加前导码、帧前定界码和帧后结束码，再进行数据编码；另一条是去除前导码、码，再进行数据编码；另一条是去除前导码、帧前定界码和帧后结束码，再进行数据解码。帧前定界码和帧后结束码，再进行数据解码。三、物理层的信号编码三、物理层的信号编码 根据基金会现场总线（根据基金会现场总线（FF）的报文结构，物理层）的报文结构，物理层（FHY）的信号编码有协议报文编码，前导码、帧前定）的信号编码有协议报文编码，前导码、帧前定界码和帧后结束码四种。界码和帧后结束码四种。1协议报文编码协议报文编码 物理层对来自数据链路层

13、的物理层对来自数据链路层的“DLL协议数据协议数据”采用曼彻采用曼彻斯特编码。该编码的特点是每个时钟周期被分成两半，用前斯特编码。该编码的特点是每个时钟周期被分成两半，用前半周期为高电平、后半周期为低电平的脉冲负跳变表示数据半周期为高电平、后半周期为低电平的脉冲负跳变表示数据1。反之，用前半周期为低电平、后半周期为高电平的脉冲。反之，用前半周期为低电平、后半周期为高电平的脉冲正跳变表示数据正跳变表示数据0。这种缩码的优点是发送端发出的数据编。这种缩码的优点是发送端发出的数据编码中隐含了同步时钟，因此不必另外设置同步信号。码中隐含了同步时钟，因此不必另外设置同步信号。2、前导码、前导码 前导码表

14、示传输信号的开始，采用特殊的前导码表示传输信号的开始，采用特殊的8位数字信号位数字信号10101010，前导码位于传输信号的最前端，如果采用中继器，前导码位于传输信号的最前端，如果采用中继器，那么前导码可以多于一个字节。接收端的接收器正是利用前那么前导码可以多于一个字节。接收端的接收器正是利用前导码信号，与正在接收的现场总线传输信号同步。导码信号，与正在接收的现场总线传输信号同步。3帧前定界码帧前定界码 帧前定界码表示协仪数据的起点，其长度为帧前定界码表示协仪数据的起点，其长度为8个时钟周期，个时钟周期，即一个字节长。该编码由特殊的即一个字节长。该编码由特殊的N码、码、N码、正负跳变码、正负跳

15、变脉冲按规定的顺序组成，脉冲按规定的顺序组成，N 码或码或N 码的特点是在整个时码的特点是在整个时钟同期保持高电平或低电平，即在时钟周期的中间不存在电钟同期保持高电平或低电平，即在时钟周期的中间不存在电平的跳变。平的跳变。4、帧后结束码、帧后结束码 帧后结束码表示协议数据的终点，其长度为帧后结束码表示协议数据的终点，其长度为8个时钟个时钟周期，即一个字节长。该编码由特殊的周期，即一个字节长。该编码由特殊的N码、码、N 码、码、正负跳变脉冲按规定的顺序组成，当然，其组合顺序不正负跳变脉冲按规定的顺序组成，当然，其组合顺序不同于帧前定界码。同于帧前定界码。FF信号的编码序列信号的编码序列基会会现场

16、总线的报文结构基会会现场总线的报文结构 基金会现场总线（基金会现场总线（FF）报文信息的形成过程如图所示。）报文信息的形成过程如图所示。如某台总线设备要将数据通过现场总线发往其他设备，首如某台总线设备要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在用户层形成用户数据，再把它们送往现场总线报文规先在用户层形成用户数据，再把它们送往现场总线报文规范子层（范子层（FMS）。每帧最多可发送）。每帧最多可发送251个宇节的用户数据。个宇节的用户数据。然后依次送住现场总线访问子层（然后依次送住现场总线访问子层（FAS）和数据链路层）和数据链路层（DLL）；用户数据在）；用户数据在FMS、FAS和和DLL各层分别加

17、上各各层分别加上各层的协议控制信息，而在层的协议控制信息，而在DLL还加上帧校验信息；最后送还加上帧校验信息；最后送往物理层（往物理层（PHY）将数据打包，即加上帧前定界码和帧后）将数据打包，即加上帧前定界码和帧后结束码，再在帧前定界码之前加上用于时钟同步的前导码结束码，再在帧前定界码之前加上用于时钟同步的前导码（或称之为同步码）。图中还标明了各层所附的协议控制（或称之为同步码）。图中还标明了各层所附的协议控制信息的字节数，最终在信息的字节数，最终在DLL形成的形成的DLL协议数据为协议数据为12273个字节。信息帧形成之后仍不能发送，还要通过物理层转个字节。信息帧形成之后仍不能发送，还要通过

18、物理层转换成符合规范的物理信号在网络系统的管理控制之下，换成符合规范的物理信号在网络系统的管理控制之下，发送到现场总线上。发送到现场总线上。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（1）高速以太网：）高速以太网：HSE现场总线描述了在现场总线描述了在100Mbps以太网上工作以太网上工作的一种现场总线网络的一种现场总线网络,通常连接通常连接I/O子系统、链接设备、交换器、子系统、链接设备、交换器、主机设备和现场设备等求。主机设备和现场设备等求。（2）FF网络可以包括网络可以包括1个或多个个或多个HSE子网和子网和1个或多个互连的个或多个互连的H1链路。链路。（3）几个）几个HS

19、E子网之间可以通过标准路由器进行互连。子网之间可以通过标准路由器进行互连。（4）1个个HSE子网包含子网包含1台或多台通过以及网相连的台或多台通过以及网相连的HSE设备。设备。（5）HSE设备是一种能够与高速以太网设备是一种能够与高速以太网(HSE)现场总线直接连接现场总线直接连接的现场总线设备，可以为的现场总线设备，可以为HSE现场设备、现场设备、HSE链接设备和链接设备和I/O网关网关设备等。设备等。（6）HSE链接设备用于将链接设备用于将1个或几个个或几个H1链路到链路到HSE子网上。子网上。（7）l条条H1链路可连接链路可连接1台或几台台或几台H1设备。设备。（8）2台或多台台或多台H

20、1设备之间可通过设备之间可通过H1网桥实现互连。网桥实现互连。树形拓朴树形拓朴总线拓朴总线拓朴第四节第四节 FF通信栈通信栈一、数据链路层一、数据链路层(DLL)(DLL)数据链路层数据链路层(DLL)(DLL)控制消息在现场总线上的传输。控制消息在现场总线上的传输。DLLDLL通过确定链路活动调度器通过确定链路活动调度器(LAS),(LAS),对现场总线的通讯访问进对现场总线的通讯访问进行控制。行控制。1 1、设备类型、设备类型DLL DLL 规范中定义了三类设备：规范中定义了三类设备：不可成为不可成为 LAS LAS 的基本设备的基本设备可成为可成为 LAS LAS 的链路主设备的链路主设

21、备 用于两个现场总线网段互联的连接设备网桥用于两个现场总线网段互联的连接设备网桥现场总线的通信设备与现场总线的通信设备与LAS2、链路活动调度器、链路活动调度器受调度通信受调度通信 链路活动调度器链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来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。掌管总线段上各设备对总线的操作。链路活动调度器内有一个传送时间表，一旦到了某个设备链路活动调度器内有一个传送时间表，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（要发送的时间，链路活动调度器就发送一个强制数据（CD）给）给这个设备。收到这个设备。收到CD后，该设备就可以

22、向总线发送它的信息。后，该设备就可以向总线发送它的信息。非调度通信非调度通信 在预定调度时间表之外的时间，由在预定调度时间表之外的时间，由LAS通过现通过现场总线发出一个传递令牌（场总线发出一个传递令牌（PT），得到这个令牌），得到这个令牌的设备就可以发送信息。所有总线上的设备都有的设备就可以发送信息。所有总线上的设备都有机会通过这一方式发送调度之外的信息。由此可机会通过这一方式发送调度之外的信息。由此可以看到，以看到，FF通信采用的是令牌总线工作方式。通信采用的是令牌总线工作方式。LAS 的全部操作可分为：的全部操作可分为：CD 调度调度发送发送PT活动表维护活动表维护数据链接时间同步数据链

23、接时间同步监视设备对监视设备对PT的响应的响应二、现场总线访问子层二、现场总线访问子层FAS 总线访问子层总线访问子层FAS位于位于FMS与数据链路层与数据链路层之间，把之间，把FMS与数据链路层与数据链路层DLL分隔开来，分隔开来，利用数据链路层的受调度通信与非调度通信利用数据链路层的受调度通信与非调度通信作用，为总线报文规范层提供服务。作用，为总线报文规范层提供服务。可以把总线访间子层的协议机制划为三可以把总线访间子层的协议机制划为三层：层：FAS服务协议机制服务协议机制FSPM；应用关系协议；应用关系协议机制机制ARPM，数据链路层映射协议机制，数据链路层映射协议机制DMPM。三、现场总线报文规范子层三、现场总线报文规范子层 现场总线报文规范（现场总线报文规范（FMS）子层在整个通）子层在整个通信模型中介于现场总线访问子层（信模型中介于现场总线访问子层（FAS）和用）和用户层之间。户层之间。FMS子层描述了用户应用所需要的子层描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式、行为状态筹，提供了一通信服务、信息格式、行为状态筹，提供了一组服务和标准的报文格式，用户可采用这种标组服务和标准的报文格式，用户可采用这种标准格式在总线上相互传递信息。准格式在总线上相互传递信息。