（控制科学与工程专业论文）worldfip总线技术的应用研究.pdf

摘要 摘要 w o r l d f i p 现场总线作为国际现场总线标准之一，以其可靠性高，实时性好， 协议单一，节点进退网络操作简单等特点被广泛应用。在国外w o r l d f i p 现场总 线已经成功应用在轨道列车的控制系统，而城市轨道交通是我国主要支柱产业 之一，但我国在这方面差距很大，至今国内的列车控制系统还没有自主知识产 权的产品。因此研究w o r l d f i p 现场总线，探索其在列车控制系统中的应用意义 深远。 本课题以目融w o r l d f i p 在列车通信网络的发展情况为背景，首先从列车通 信网络的性能要求出发，对比剖析了w o r l d f i p 现场总线与列车通信网络t c n 标准。从网络的可靠性、可扩展性、实时性、安全性及信息的有效性五个方面 将两种总线进行对比，更深入透彻的分析了两种总线的介质冗余管理、信号编 码方式、帧格式、介质访问方式等性能特点的差异和优劣。从理论上探讨了 w o r l d f i p 在列车通信网络应用中的优势和特点，同时也为后面的设计提供理论 依据。 在此基础上，建立了w o r l d f i p 通信网络的实验平台，没计了能够进行数掘 通信的w o r l d f i p 站点，以模块化方式详细介绍了网络接口单元n i u l 和n i u 2 的内部结构和外部接口以及部分模块的功能设置。以此为平台，编写软件程序， 设计了w o r l d f i p 网络的软件结构，主要实现了网卡的驱动程序，总线仲裁扫描 变量表的配置，并给出了主程序流程框图。最后成功的实现站点之浏的数据通 信，完成了w o r l d f i p 性能验证实验以及在此基础上的研究实验，探索了w o r l d f i p 总线技术的数据通信性能，深入理解了w o r i d f i p 协议，为研究w o r l d f i p 在列车 微机控制系统中的实际应用奠定基础。 最后给出结论和建议。在目前实现w o r l d f i p 网络数据通信的基础上，可以 考虑网络冗余的实现以及自行研制嵌入式系统下的w o r l d f i p 网络通信卡等。 关键词：w o r l d f i p 总线，列车通信网络，t c n ，数据通信 垒! ! 塑! ! a b s t r a c t w o r l d f i pi so n eo ft h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so ff i e l d b u s ，i t sa p p l i e dw i d e l y w i t hi t sc h a r a c t e r i s t i co f h i g hr e l i a b i l i t y , g o o dr e a l - t i m e ，u n i t a r yp r o t o c o la n dt h e n o d ee n t e r so rq u i tn e t w o r ko p e r a t i o ns i m p l ye t ct h ec i t yo r b i tt r a n s p o r t a t i o ni so n e o fm a i n s t a yi n d u s t r i e so fo u rc o u n t r y s of a r , t h o s ec o u n t r i e si ne u r o p eh a v ep r o d u c e d p r o d u c t sa c c o r d i n gw i t hw o r l d f i pf i e l d b u ss t a n d a r d b u to u rc o u n t r ys t i l lh a sv e r y b i gm a r g i ni n t h i sa r e a t h e r ei ss t i l ln oi n d e p e n d e n ti n t e l i i g e n tp r o p e r t yr i g h ti n d o m e s t i cn o w s oi ti si m p o r t a n t ，a n da l s on e c e s s a r yf o ru st od os o m er e s e a r c hi nt h i s a r e a t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do fn o w a d a y sw o r l d f i pa p p l i c a t i o n s i t u a t i o no nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt r a i nv e h i c l e ，t h e n ，a n a l y z e sw o r l d f i p f i e l d b u sa n dc o m p a r e sw i t ht c ns t a n d a r df r o mt h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k c o m p a r et w ok i n d so fb u s e sf r o mt h ed e p e n d a b i l i t y ， e x p a n s i b i l i t y ，r e a l t i m e ，s e c u r i t ya n dv a l i d i t yo fi n f o r m a t i o no ft h en e t w o r k ，i t d e e p l ya n dt h o r o u g ha n a l y s i sm e d i u mm a n a g e dr e d u n d a n t l y , s i g n a le n c o d i n g ，f r a m e f o r m ，t h em e d i u mc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l i n gw a y ，e t c ，i tp r o b e si n t ot h ea d v a n t a g e a n dc h a r a c t e r i s t i ct h a tw j r l d f i pc o m m u n i c a t e si nn e t w o r ka p p l i c a t i o ni nt h et r a i n t h e o r e t i c a l l y , o f f e r st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rf o l l o w i n gd e s i g nt o oa tt h es a m e t i m e b a s e do ni t ，ap r o t o t y p eo fw o r l d f i pn o d ew a sd e s i g n e df o rd a t ac o m m u n i c a t i o n u n d e rt h ee n v i r o m e n to fl a b o r a t o r y , a n dg i v e st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r es t r n c t u r e p l a t f o r mo fw o r j d f i pn e t w o r k i n t r o d u c i n gt h en e t w o r ki n t e r f a c eu n i tn i u1a n d n i u 2i nd e t a i lw i t ht h e mi n s i d es t r u c t u r e sa n do u t s i d ei n t e r f a c ea n dc o n f i g r a t i o n ， f u n c t i o ne t c w o r l d f i pc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki ss e t u p w r i t t e nt h es o f t w a r e p r o c e d u r e ，r e a l i z e dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o na m o n gt h en o d e s ，t h ed e s i g no ft h e s o f t w a r es t r u c t u r eo fw o r l d f i pn e t w o r ki sg i v e n i tm a i n l yr e a l i z e st h ed r i v e ro ft h e n e t w o r kc a r da n dt h eb at a b l e t h e np r o v i d e st h ep r o c e d u r eb l o c kd i a g r a mo fm a i n p r o g r a m r e s e a r c h i n gt h ep e r f o r m a n c eo fw o r l d f i pf i e l d b u st h r o u g ht h ee x p e r i m e n t u n d e r s t a n d i n gw b r l d f l p p r o t o c o ld e e p l y ，t h i sw i l lb et h eb a s eo ns t u d y i n gw j r l d f i p i i a b s t r a c t p r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h et r a i nc o n t r o ls y s t e m f i n a l y , i tc o m e st o t h ec o n c l u s i o na n dg i v e ss o m ea d v i c e i th a sd a t a c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n b a s e do ni t ，c o n s i d e r a t i o na b o u tt h er e d u n d a n tr e a l i z a t i o no f n e t w o r k ，m a dr e s e a r c ho nw o r l d f i pn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nc a r du n d e rt h ee m b e d d e d s y s t e me t c k e yw o r d s ：w o r l d f i pf i e l d b u s ，t r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t c n ，d a t a c o m m u n i c a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者虢力山以争 加孵月砷 一一一一一一一一一- 一一一一一一一一一- 一一一，一一一一一一一一一一一一一一一一一一- 一一一一一一一一一一一一一一 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：步”雅，学位论文作者签每莓气t 移 2 j 吼厂年3 月i i 臼2 孵月v 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：屈，c 多 0 肿胡) 7 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究背景 现场总线是测控领域与网络技术工业数据通信系统。自2 0 世纪8 0 年代中 开始发展以来一直是自动化领域内的热门技术，被誉为自动化领域的计算机局 域网川。 现场总线种类繁多，目前还没有统一的标准，处于百花齐放的状态，每辩 总线都有自己的特色和一定的应用领域。从既能满足过程控制安全可靠的需要， 又能适应信息技术发展所带来的智能化、网络化的趋势，并且系统的丌放性较 好这一标准来衡量，2 0 0 0 年初国际i e c 标准委员会宣布了八种现场总线国际标 准。 w o r l d f i p 现场总线就是这八大总线标准之一，融合了控制技术和信息技术， 是一种先进而开放的现场总线：用于自动化系统，提供现场设备和控制器以及 控制器之间的数字化连接：适合各种应用结构：集中、分散和主从，使分布智 能、控制和数据成为可能；其开放性使不同制造厂家的设备能够互操作。 在国外( 主要是欧洲) w o r l d f i p 己被广泛应用在能源、交通、轮船码头、 航空航天、石化、化工、冶会、城市交通管理等多个领域，在我国这是一种新 型的很具潜力的现场总线【l9 1 。目前国内对w o r l d f i p 总线技术的研究和使用主要 集中在电力系统，如大亚湾核电站，石家庄热电厂，三峡一华东输电等发电输配 电系统都使用了w o r l d f l p 总线技术”。w o r l d f i p 总线技术在轨道交通列车上的 应用在国外有很成功的例子，上海轨道交通三号线和五号线列车也引进了此技 术，但是国内对w o r l d f i p 总线列车微机控制系统的应用研究还是很欠缺，本课 题将探讨w o r l d f i p 总线技术特性，探索w o r l d f i p 总线技术的在列车控制系统上 的实用性，并将它与其他总线进行对比剖析，为推动城市轨道列车微机控制系 统与通信网络国产化打下理论基础。 城市轻轨和地铁交通是我国目前发展的热点，轨道交通车辆将成为一个重 要的产业，上海也已经将其列为发展的支柱产业之一。轨道交通在我国有很大 的发展潜力，其自动化控制水平也有待于提高，w o r l d f i p 总线技术在这个领域 具有宽阔的的应用前景。法国a l s t o m 公司将w o r l d f i p 作为标准通信协议应 第1 章引言 用于其刀发的a g a t e 列车控制系统，并成功应用于t g v 高速列车。a g a t e 列 车控制系统和s i e m e n s 的s 1 b a s 系统，b o m b a r d i e r 的m i t r a c 系统成为世界 列车微机控制系统的三大系统，它们有许多相同之处，又各具特色l 】”。将 w o r l d f i p 总线应用于列车通信系统，提高列车整体性能，能很好的适应城市对 轨道交通的需求，具有较高的实际应用价值。 这一课题对于w o r l d f i p 在我国的应用推广，促进多种列车通信网络在我国 城市轨道列车上的应用有着积极的意义。宏观上，可以加速全球竞争，促进了 国内外城市轨道交通事业的发展；微观上，这一工作在很大程度上有助于推动 国产列车微机系统的发展，促进多种列车通信网络产品共存局面，增加列车通 信网络的可选性，从而能提高舀产列车的质量。因而，研究w o r l d f i p 现场总线 在列车控制网络中的应用，将为我国城市轨道列车微机系统的改进和发展做出 重要贡献。 1 2w o r l d f i p 总线在国内列车通信网络的开发应用状况 w o r l d f i p 组织目前在世界上有1 0 0 多个成员，在共同研究丌发这项技术的 同时，也将这项技术推广到了各个应用领域。w o r l d f i p 组织在中国也建立了技 术推广中心1 2 “。现在把注意力放在中国的能源和铁路两个应用领域，而这是中 国将要大力发展的两个行业。相对来说，这两个行业的自动化水平不高，w o r l d f i p 的应用前景广阔1 2 2 】。 在我国的城市轨道列车领域中，应用较多的是符合i e c6 1 3 7 5 一l 国际标准的 t c n 列车控制系统，其次就是由法国a l s t o m 公司推出的以w o r l d f i p 作为标 准通信协议的列车控制系统。 目前国内也加强了w o r l d f i p 总线在列车通信网络中的研究，如中国铁道科 学研究院机车车辆研究所、南京南瑞公司以及同济大学铁道与城市轨道研究院 等。这将加快w o r l d f i p 总线技术的应用研究，通向未来研制国产化列车通信网 络之路。 1 3 论文所解决的主要问题 根据论文所选题目的背景和意义，本论文对w o r l d f i p 现场总线技术进行了 分析和研究，并在实验室环境下建立_ w o r l d f i p 现场总线网络，进行数据通信， 第1 章引言 通过理论分析和实验的手段剖析w o r l d f i p 总线协议结构特点。论文所做的工作主 要包括以下三个方面的内容： 1 ) 从列车通信网络性能要求出发，对比分析w o r l d f i p 总线协议和t c n 标 准。 2 ) 建立了w o r l d f i p 总线的实验室平台，搭建了网络硬件环境，编写软件程 序在应用层实现数据传输，实现了整个网络的通信。 3 ) 在w o r l d f i p 总线的应用平台上，通过实验研究了总线仲裁( b a ) 管理 机制以及数据传输机理。 第2 章w o r l d f i p 现场总线j | i 述 第2 章w o r l d f i p 现场总线概述 w o r l d f i p 现场总线作为国际标准的现场总线之一，以其速度快、可靠性高 ( 采朋冗余的远程光纤传输介质) 的特点，正得到越来越广泛的应用。w o r l d f i p 组织从丌始定义三层结构协议时，就考虑了以下两个方面：经济性减少设 计、安装和完善时的成本；技术性实时性能强，保证响应速度，提高安全 性能，并且功能完备，容易维护和完善。 2 1 w o r l d f i p 现场总线的特点 w o r l d f i p 总线协议首先满足各种环境下对生产控制的要求和工业用户的实 际需要，并考虑了相关技术( 尤其是信息技术) 发展所带来的影响，融合了控 制技术和信息技术。w 洲d f l p 在一条总线上，在单一协议的框架内，在有调度 的访问控制下，既传输实时数据、又传输随机信息，两者之间互不影响。既是 实时的，可预测性的，又是面向未来可与i n t e r n e t 连接的现场总线。其主要特点 可归纳为。： ( 1 ) 同步性：它的生产者使用者模式和总线仲裁器的调度方式保证了在一 条总线上传递大量信息的同时，不会干扰实时变量的通信。控制信息和非控制 信息能在同一条总线上互不干扰地传递。 ( 2 ) 可靠性高：w o d d f i p 采用i e c 物理层标准，支持电缆冗余，大部分协议 固化在硬件上，稳定性强，支持双介质冗余。在网络安全性方面的考虑有其独 到之处。在一个网络中有多个网络仲裁器，在任一给定时刻只有一个起作用， 其它处于热备份状态，监听网络状态。而每一个用户站的网络冗余则是通过一 个控制器驱动两路驱动器，接入两根独立的网线实现的。当一根网线被破坏， 自动切换到另一根网线。物理层带有冗余机制，软硬件处理冗余，硬件采用专 用芯片，安全可靠。 ( 3 ) 抗干扰能力和实时性强：能适应恶劣环境；能完全满足i e c 关于电磁兼 容性的e m c 标准；它的通信模式支持后台传输报文、周期和事件变量，保证珍 断信息传输不影响实时控制。 ( 4 ) 协议单一完善：w o r l d f i p 现场总线不论低速还是高速，只有套协议， 能适应各种结构和规模的控制系统，不需要任何网桥或网关，低速与高速网络 第2 章w o r l d f i p 现场总线概述 的衔接只用软件完成。 综上所述，w o r l d f i p 现场总线支持控制功能下放和设备识别；协 义之外还 有详尽的互操作指南，为互操作的实现提供帮助：物理层为i e c 国际标准，具有 良好的电磁兼容性。 2 2w o r l d f i p 一般结构 w o r l d f i p 作为实时工业控制网络，可用于连续或断续过程的自动化控制系 统。在w o r l d f i p 系统中，连接传感器、执行器、现场设备( 常称为“o ”级) 与 p l c s 控制器( 常称为“i ”级) 的网络和控制器之间的连接网络使用的是同一 种协议。如图2 1 所示跚： 幽2 】 w o r ld f i p 的一般结构 w o r l d f i p 支持分布数据库，其中控制器和协调设备可以根据需要灵活设置， 便于系统从集散控制系统( d c s ) 向现场总线控制系统( f c s ) 过渡。连接到 w o r l d f i p 总线上的设备从网络角度看，可称为“站点”，执行两种功能：总线 仲裁器：管理对传输介质的访问( 只调度通信，不调度进程) 。产生z - 使用 者功能：向总线发付从总线接收信息，也称“工作站”功能。任何一个站点可 以同时具备两种功能，但在任何一个给定的时刻，整个网络上只能有一个站点 箱2 帝w o r d f | p 埘场总线概违 执行总线仲裁器功能。所有要传递的变量均由一个1 6 位的逻辑地址( 称为i p 地址) 来标 = ； 。每一个变量的值只能由一个产生者产生，可为一个或多个使用 者所使用。基本通信模式如图2 2 所示”j ： 信递标识格 产堂者 使用誉 产生并使用与标识符相关的数据 图2 2w o r l d f p 网络基本延通信模式 在每个站点中对应于逻辑标识符的是专用内存缓冲区，总线仲裁器按顺序 传递一个标识符，产生者识别出自己的标识符后即向总线上以广播的形式发布 相关变量的值，需要此变量的使用者则将该值接收到自己的缓冲区。使用者一 般还要对数据是否符合时间约定进行检测。总线仲裁器处理的标识符列表是周 期性进行的，从而构成划分南数据库的实时刷新机制。此外，在u ，o r 】d f j p 总线 一 i 还根据斋要定义了非周期通信( 如：事件) 和消息传递，两者均在完成周期 通信后的富余时间内进行。 w 训d f i p 采用有调度的总线访问控制，符合i e c 制定标准的精神，确保了 实时性、可预见性，完全防止了“碰撞”的发生：协议单而完备，能适应各 第2 章w o r l d f i p 现场总线 i e 述 种结构和规模的控制系统；控制信息和非控制信息能在同一条总线上互不干扰 地传递，最长数据为2 5 6 字节，适应包括t c p i p 在内的各种类型的协议数据单 元( p d u ) ，支持控制功能下放和设备识别。 w o r d f i p 使用以下三层通信协议：应用层、数据链路层、物理层。这些协 议已经标准化，相应的标准如图2 3 所示”1 。 、 图2 3w o r l d f i p 现场总线通信模型 2 3w o r l d f i p 物理层 物理层为数据链路上的两端实体例提供建立、维护和拆除物理连接信道所 必须的( 机械的、电气的、功能的) 功能，目的在于保证可靠的电信号的传输， 即按比特为单位的同步与传输。w o r l d f i p 支持物理传输介质为屏蔽双绞线或光 纤，传输速率与最大距离如表2 1 所示。 表21w o r l d f t p 物理层 传输速率双绞线介质传输_ 蛙大距离光纤介质传输最大距离 3 1 2 5 k b i t s 5 k m 2 0 k m 4 0 k m l m b i f f s1k i t i 4 k m4 0 k m 2 、5 m b i t s 5 0 0 m l5 k m 4 0 k m 5 m b i f f s 3 0 0 m 7 0 0 m 4 0 k m 2 5 m b i d s 8 0 m 2 0 d m 4 0 k m 每个子段最多可有3 2 个物理连接点，通过使用分线盒可以连接2 5 6 个站点， 整个网络最多使用3 个中继器连接4 个子段。典型速率为1 m b i t s 。，典型的传输 7 一 里们。17。第三卷3-w分册 一 一 嘲络管理蔓u 一 雾 介质是工业级屏蔽双绞线。物理层有专用线路驱动芯片管理介质冗余。在一条 通道 u 现故障的情况下，另一条能自动切入。物理层具有信号检错并通知网络 管耻和杂音侦听并中断链路层服务的机制。 2 4 信号表示 2 4 1w o r l d f i p 帧的编码和解码 物理层使用曼彻斯特码对数据链路层传来的位流进行编码。该码把数据、 时钟及帧旧步信号结合在一起生成一个信号，可以同时传递数掘和时间同步- y , q 号。“i ，用位兀中删负跳变传送， “0 ”用位元中问正跳变传送。n f | - 3 n 的每 一化时矧间隔被分成等时长的两部分。 信号如f 所示： 逻辑”1 ” 逻辑”旷 或e b + 或眼 所有w o r l d f l p 帧( 询问帧、响应帧、 序列( f s s ) 、数据和控制段( c a d ) 和 m m l - + - t 2 w 2 定界v +定界v 消息等等) 都由三部分组成：帧起始 帧结束序列( f e d ) 。如图所示： 一1nn 门n f f 1n c a d 门 f n 厂 其中：帧起始序歹u ( f s s ) 包含下列段： i u 导( p r e ) ：一个8 位的1 0 1 0 1 0 1 0 序列用于接收方同步发送方的时钟。 帧起始定界符( f s d ) ：8 位1v + v _ 10v - v + 0 序列位串向数据链路层指 示有l j 信启、( c a d ) 的丌始。 c a d ( 控制和数掘) 段仅包含束自数掘链路层的逻辑信息( 0 和1 ) 。 f e d ( 帧结束定界符) 被数据链路层用来定位c a d 段的结束。 物理层为 每个传输帧增加2 4 个符号。 卜举 一 第2 辛w o r l d f i p 小场总线慨述 24 2w o r l d f i p 帧和报文 w o l l d f l p 缓冲区传输机制使用两种类型的帧：询问帧( i dd a t ) 和响应帧 ( r pd a t ) 。每一个传递的w o r l d f i p 帧都被来自物理层的信息包裹起来，帧处 在d t r 段( 帧丌始) 和f t r 段( 帧结束) 之间。这些段在物理层部分解释。 w o r l d f i p 帧以一个控制字节丌始，网络站点以此字节识别接收到的帧的类 型。这个控制段用柬编码变量传输请求，确认帧等等。并以2 个字节的帧校验 序列( f c s ) 结束，用于验证接收到的帧的完整性。 d - d a te 王 五丑玉五工五二匿 2b y t e s1b y t e2b y t e s2b y t e s1b y t e s r t r 1 一r r p d a tf s $ | 控制l 数据 f c $ l f e s 2b y t o lto c t e tnb y t e s 【m 1 2 8 i2b y t e s1b y t e s 一个变量( 产生者或使用者) 可以是8 字节，也可以是1 6 、3 2 、4 8 乃至1 2 8 字节。一则消息，则可以长至2 5 6 字节。下三层是在w o r l d f l p 网络控制器中自 动实现的，不需要用户c p u 干预。它相应于七层网络通信协议的l 、2 和7 层。 应用层在用户层信息的前面加上两个字节的识别码( i d ) 。这两个字节第一 个是变量类型即p d u 类型，第二个字节是数据长度。 数据链路层则在应用层基础上加上一头一尾。头上是一个字节的状态字， 表示该信息是最近刷新的，还是重复以前的数据。尾上加两个字节，用于c r c 校验。 物理层则住数掘链路层基础上再加上头尾。帧头加两个字节，一个是前同 步字符，由1 0 1 0 1 0 1 0 组成，第二个是帧开始分界符，由1 、高电平、低电平、1 、 0 、高电平、低电平、0 组成。尾部加一个帧结束字节，由1 、高电平、低电平、 高电平、低电平、1 、0 、1 、组成。 综上所述，三层协议一共在有用信息两端增加了8 个字节。当速率为1 m b i t s 时，帧与帧之间的时j 剞白j 隔可设定在1 0 7 0 1 1s 之间。如果每个数据都是8 字节， 有用通量在2 0 0 k 一3 0 0 k b i t s 之间。如果数据长度为1 2 8 字节，有用通量可达 8 0 0 k b i t s 。 在l m b it s 速率下，如果扫描周期为1 0 m s 。假设5 m s 用于周期性同步和异 步数据，5 m s 用于传送信息包，则5 m s 巾可以扫描2 3 个8 字节变量或4 个1 2 8 字节变量。如果网上有2 5 0 个用户站，每站有1 6 个变量，即总共4 0 0 0 个变量， 9 第2 章w o r l d f l p 现场总线概述 半的时删留给消息包传输，则一次扫描约需要2 s 。 2 43 帧 w o r l d f l p 帧以一个控制字节开始，网络站点以此字节识别接收到的帧的类 型。这个控制段用来编码变量传输请求，确认帧等等。w o r | d f i p 帧以2 个字节 的f c s ( 帧校验序列) 结束，用于验证接收到的帧的完整性。f c s 是前面字节 的多项式计算结果( 不包括f s s ) 。 所有的询问帧，不管是i dr q 还是i dm s g 帧均为i dd a t 类型，它 们只在控制字段的某些位上有区分。 o - 。盯臣王 五丑j 五工五二固 作为对1 d _ d a t 帧的响应的帧的格式如下所示： 一一一臣匠 麴工二 匾二二 亘 习 2 帅$ o c ( e tnh 一e 忡1 2 8 i2b y t e s1b y t e , 数据段可包含来自应用层的最多1 2 8 个字节。控制段指示出有否非周期变 量或消息传输请求。 响应请求传输( r pr q ) ：当发出变量传输请求的站点接收到一个i d r q 帧 时，它以r p 帧回应，编码如下：rq r p 锄臣互 匝工二夏堕互二 五 卫 2b y t e s1o c t e t n 6b i t s in 。6 4 )2b y t e s1b y t e s 一个请求帧可包含6 4 个1 6 位标识符号，这种格式可用于数据组传送。 响应消息传输( r p m s g x x x ) ：当发出消息传输请求的站点接收到一个 i d m s g 帧时，它以一个r p m s gn o a c k 或r p m s g a c k 帧回应，编码 如下： 胂州s 。x x 臣! 匣工匦叵压巫 二蔓 工至 亘三 2b y t e s1b y t e3b y t e s3b y t e s m a x2 5 6b y t e s2b y t e s1b y t e s 控制段中有一位指示出消息是有确认还是无确认的。目的段和源段显示出 通信实体的地址。 响应确认传输( r pa c k ) ：当目的站点接收到要求确认的消息时，它将传 递一个确认帧。 第2 章w o r i d f i p 现场总线概述 c e 互 堕1 j 王匠 2b y t e sb y t e2 b y t e s，b y t e s 该帧非常短，确认的信息包含在控制段中。 消息处理响应结束帧( r p f i n ) ： r p - f t ne 互工亟 二夏工卫 2 b y t e s 1b y t e2b y t e s1b y t e s 该帧非常短，消息处理结束信息包含在控制段中。 25 数据链路层 2 5 1 链路层提供的服务 数据链路层利用物理层提供的比特序列传送功能，在相邻的站点之间实现 透明的、高可靠性的数据传输，一般具有链路的建立和释放、组帧、帧的序列 化、传送确认、流量控制、传送错误检测和恢复等功能。但出于现场总线具有 范围小、信息交换量相对较小以及可以进行多址通信等区别于广域网的特点， 不一定需要以上提到的所有链路层功能，传送错误检测和恢复等任务可以放在 传输层执行。出于允许多址通信，共享通信线路，就存在合理占用信道的问题， 所以w o r l d f i p 和一般l a n 一样，其数据链路层也分为两个子层，逻辑链路控 制l l c 子层，浚层用于向l l c 实体提供无连接和面向连接两种类型的交换信息 帧的操作方式；介质访问控制m a c 子层，孩子层支持l l c 子层执行介质访 问功能，以确保物理功能和逻辑功能的连续性。 w o r l d f i p 数据链路层提供两种类型的传输服务：被标识变量的交换和消息 传输。传输可以是周期性的或非周期性的。这些交换以下述方式发生： 周期性，在系统配置了对象的名字并设置了它们的周期后，这些变量或消息 的交换就自动发生而无需用户的请求。 在用户明确请求下，这些明确请求将在总线上产生一个或多个变量，或条 或多条消息的传递。 链路层的状态机制可以避免对询问帧的不正确响应。总线上的通信由总线 仲裁器( b a ) 管理。它根据应用程序所要求的服务来规定总线上信息的传送次 序，执行三种功能：扫描周期性变量；扫描非周期性变量；传输消息。 第2 章w o r l d f i pj 见场总线 i 【述 2 5 。2w o r l d f i p 介质访问控制 w o r l d f i p 在数据链路层，介质访问控制采用总线仲裁方式，而在通信方式 上矗：采用产生者( i l 用者模式。 总线仲裁设计思路：按照一定的时序，为每个信息产生者分配一定的时段， 在总线仲裁器罩存放着调度顺序表，总线仲裁器按照这个调度顺序表发出提问 请求，逐个呼叫每个产生者。如果这个产生者在总线上状态正常，应在规定时 白j 内对总线仲裁者的呼叫做出反应。总线仲裁者使用i d d a t 帧在总线上广播一 个标识站名，连接到总线上所有站的链路层同时记录1 d d a t 帧。仅有一个站被 识别为标识的产生者，其它站作为使用者。信息的产生者以响应帧广播被标识 的值，u 向应帧为r p d a t ，这个值同时被所有客户接收。然后，总线仲裁者按顺 序表继续下一个识别过程，如此周而复始的按照调度顺序表的顺序进行下去“。 总线仲裁器是整个网络通信的主宰者，轮番呼叫每个产生者变量，整个 网线卜总是有信号的。如果若干时间间隔内( 例如几十毫秒) 没有监听到网上的 信号、则i j 丁以诊断为网络故障，此时可以自动将冗余热备份网线切换上去，也 可以设计成各用户站回本质安全态。 w o r l d f l p 创立并成功地使用了产生者使用者通信模式。产生者使用者型通 信模式在每个智能装置的通信栈中建立一个缓冲区。多个装置的通信缓冲区形 成一个分布式数据库。连接到总线并具通信能力的设备既可以是产生者，也可 以是使用者，其身价由总线仲裁器决定。总线仲裁器中的通信协议包含一个调 度顺序表，以此来约定成为产生者的设备。这种模式的通信步骤是；某一设 备成为产生者时，将数掘写入缓冲区。网络将数据复制进多个使用者的缓冲 区中。需要此数据的使用者再从其缓冲区中读取。所以，产生者使用者通信 模式是一对多的、基于表格的模式。这种一对多的通信方式，采用缓冲区构成 分布式数掘库。它以复制方式通信，实现异步并发传输信息，通信效率非常高， 可以实现任何装置间通信，网络结构灵活【2 1 。 在典型的“令牌传递”总线中，“数掘管道”几乎全部用柬传递报文，因此 很难保证c r i t i c a lt i m e 数据不受于扰：在典型的底层控制总线中，出于只能严格 地传递c r i t i c a lt i m e 变量，报文的效用难以很好发挥。而w o r l d f i p 允许两类信息 互不干扰地在一条总线上同时传递，并且用户可以自己选择两类信息在“管道” 中的比例以满足实际需求。为加强安全性还可构造防火墙，保证在从控制部分 提取有用信息的同时不会影响到c r i t i c a lt i m e 控制，做到了信息技术和控制技术 豫2 章w o r l d f i p 现场总线慨述 _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 的结合。既能保证控制的安全又能很容易地组成系统，“向上”、“向下”均有 很大的发展余地【j l 。 2 53 总线仲裁器冗余机制”。 网络管理规定了总线仲裁器的冗余。在一个w o r l d f i p 网络上可有一个或多 个总线仲裁器，在一个给定时刻，只有一个总线仲裁器是激活的，其它仲裁器处 于休眠状态，但时刻监视着激活仲裁器的活动。 当激活的总线仲裁器中止，所有潜在总线仲裁器的本地机制将选举一个新的 仲裁器，选举的发生不需要协商。 每一个w o r l d f i p 站点都有一个0 到2 5 5 的物理站号。选举新总线仲裁器的 机制是这个站号和时间的函数。潜在的总线仲裁器无论何时探测到网络上的静 止，都会设置一个计时器t 3 。当计时器超时并且从计时器启动后在总线上没 有探测到其它活动，则站点选举自己为总线仲裁器。 t 3 的计算公式为：t 3 = 4 ( n + 1 ) t o 这里：n = 站点号 t o = 基本填充时阍( 缺省l1 0 t s ) 对于n = l 并且t o = 1 1 0 p s ，t 3 = 6 6 0 1 t s ( 站点0 的总线仲裁器中止) ，新的 总线仲裁器在探测到网络静止后的6 6 0 p s 启动。很明显，站点号越低其总线 仲裁器优先级就越高。当有更高优先级的b a 到来时，当前活动总线仲裁器就被 中断。 一旦总线仲裁器被选举出来，它就丌始扫描。为防止可能的灾难，新的总线 仲裁器必须以与先前仲裁器相同的基本循环和宏循环来配置。 新的总线仲裁器可以一些不同的方式来控制网络。在基本循环开始的时候， 激活的总线仲裁器更新并扫描一个总线仲裁器同步变量，浚变量由基本循环数和 宏循环数的数据对组成。 休眠的总线仲裁器使用这个变量，并据此改变宏循环数和基本循环数。当总 线仲裁器选举了自己后，它可以在丌始处重新启动当前的宏循环，或者在当前的 宏循环中重新启动当胁的基本循环，以被中断的基本循环的剩余时间设置一个计 时器，当计时器超时丌始下一个基本循环，以保证变量扫描的时间同步。 第2 币w o r l d f i p 现场总线 l 蚝述 2 5 4 总线仲裁扫描机制 总线仲裁器对站点的控制是通过扫描一个变量调度表完成的。调度表结构 是周期信息调度的基础，同时也同内存等系统开销密切相关。调度表的最小调 度单位，也是总线上的仲裁站点扫描调度表的最小调度，称为微周期。所有周 期信息按照一定规律重复出现的最小间隔，称为宏周期。调度表就是一个宏周 期内要完成调度的全部任务的集合。 总线仲裁器必须扫描b a 表中所有周期变量，b a 需要知道每个变量它的周 期时间( m s 为单位) 及其应用类型( 比如8 位整数，3 2 位字符等) 。b a 还能确 保同步功能。每种类型的扫描分别在四个不同“窗口”中进行。如图2 4 所示。1 ： 碍r 啡t i l “ ! on 瓣糕 蓐镅晖 i i 蘸黼 n n 心 z d ， 1 4 i 撼渊囊 n 心 r 0 ， 瓣蠹 ：! ： 、) ： 窗口 闰鼬扫兰 靠周嘲扫描 f 电旦夏换 同步 厮明r d 珐= e 0 们 簏鞠i di 3 ，2 0 周期i d “，4 e l 图2 4 总线仲裁器扫描表 四个“窗口”构成了一个基本的扫描循环，它的周期是由用户在组态时定 义的。一个基本循j ；i = 的处理包含使用相同服务的帧序列，所有的数据交换均以 周期变量的处理为基础，通过控制数据帧的有关字段来控制各种类型的信息传 递，从而实现周期和非周期传送请求。 第2 章w o r l d f i p 现场总线 c 述 25 5w o r l d f i p 介质访问方式的优点 w o r l d f i p 介质访问的优点在于，它将总线上的时问片划分为不同的基本周 期。而每个基本周期又分为周期变量和非周期变量，既可以传送对时间有确切 要求的数据，同时也可以处理紧急数据。相对于其它总线，如c a n 和l o n w o r k s 它们的介质访问属于改进了的c s m a c d 方式，虽然也解决了总线的争用问题， 但数据的发送时间不确定。w o r l d f i p 则可以很好的弥补这个缺陷，数据请求可 以在确定的时间中得到响应，满足列车控制系统对实时性的要求。这点和m v b 有异曲同工之处。 2 6 本章小结 本章主要介绍了w o r l d f i p 总线的特点和内容，按照欧耖i t