（模式识别与智能系统专业论文）worldfipethernet网关的研发.pdf

摘要 现场总线是当今广泛用于自动生产制造领域控制设备之间通信的炙手可 热的技术，w o r l d f i p 作为一种符合国际标准的现场总线技术，较好地将实时 性和效率要求结合在一起，在不影响实时通信的前提下，在一条总线上能传 递其他信息，为与i t 技术的融合打下了坚实的基础。 为了解决w o r l d f i p 和e t h e r n e t 之间通信的问题，作者设计了e t h e r f i p 现 场总线网关。e t h e r f i p 连接w o r l d f i p 到以太网，从而p c 机或p l c 可以用来 监测和控制现场总线控制系统。e t h e r f i p 在设计上选用了n e t b o x i i 嵌入式 网络模块及w o r l d f i p 等通信器件；并使用了嵌入式实时操作系统u c o s i i 。 在测试中，e t h e r f i p 的w o r l d f i p 现场总线和以太网通信能正常、稳定的运行， 为w o r l d f i p 现场总线控制系统的设计奠定了一定的基础。本文描述了 e t h e r f i p 的硬件、软件设计架构以及调试等方面内容。 关键词：现场总线，w o r l d f i p ，网关，实时操作系统，t c p i p a b s t r a c t f i e l d b u s e sa r eb e c o m i n gm o r ew i d e l yu s e dt oc o m m u n i c a t ea m o n gc o n t r o l d e v i c e si nt h ea u t o m a t e dp r o d u c t i o nm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t a sak i n do f f i e l d b u sw o r l d f i pi si na c c o r d a n c et ot h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s a n dc a n p r e f e r a b l yc o m b i n er e a l t i m eq u a l i t yw i t he 娟c i e n c yr e q u i r e m e n t i no t h e rw o r d s b a s e do nt h ep r e m i s et h a td on o ti n f l u e n c er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n w 6 r l d f i pi s a b l et ot r a n s f e rr a n d o mi n f o r m a t i o no nt h es a m eb u s w h i c hh a v el a i das o l i d f o u n d a t i o nf o rt h ei n t e g r a t i o nw i t hi tt e c h n o l o g y t os o l v et h ec o m m u n i c a t i o np r o b l e m sb e t w e e no f 、r l d f i pa n dt h ee t h e r n e t t h ea u t h o rd e s i g nt h ew o r l d f i p e t h e r n e tg a t e w a ye t h e r f i p e t h e r f i pc o n n e c t s t h ew o r l d f i pf i e l d b u st oa ne t h e r n e tn e t w o r kw h e r ea no r d i n a r yp co r p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rc a nb eu s e df o rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h e c o n t r o ls y s t e m i nt h et e s t i n go ft h ee t h e r f i p t h ec o m m u n i c a t i o no ft h e w o r l d f i pf i e l d b u sa n dt h ee t h e r n e tc a nw o r kn o r m a l l ya n ds t a b l y , w h i c hl a ya s o l i df o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no ft h ew o r l d f i pc o n t r o ls y s t e m 、c h o o s e n e t b o x i ie m b e d d e dn e tm o d u l ea n dw b r l d f i pc o m m u n i c a t i o nc h i p sd e v i c e st o d e s i g nt h ee t h e r f i p a n do nt h es o f t w a r ew ec h o o s eu c o s i ie m b e d d e ds y s t e m t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r e ，t h es o f t w a r ea n dt h et e s to ft h ee t h e r fi p k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，w o r l d f i p ，g a t e w a y ，i 订o s ，t c p i p 摘要 现场总线是当今广泛用于自动生产制造领域控制设备之间通信的炙手可 热的技术，w o r l d f i p 作为一种符合国际标准的现场总线技术，较好地将实时 性和效率要求结合在一起，在不影响实时通信的前提下，在一条总线上能传 递其他信息，为与i t 技术的融合打下了坚实的基础。 为了解决w b r l d f i p 和e t h e r n e t 之间通信的问题，作者设计了e t h e r f i p 现 场总线网关。e t h e r f i p 连接w o r l d f i p 到以太网，从而p c 机或p l c 可以用来 监测和控制现场总线控制系统。e t h e r f i p 在设计上选用了n e t b o x i i 嵌入式 网络模块及w o r l d f i p 等通信器件；并使用了嵌入式实时操作系统u c o s i i 。 在测试中，e t h e r f i p 的w o r l d f i p 现场总线和以太网通信能正常、稳定的运行， 为w o r l d f i p 现场总线控制系统的设计奠定了一定的基础。本文描述了 e t h e r f i p 的硬件、软件设计架构以及调试等方面内容。 关键词：现场总线，w o r l d f i p ，网关，实时操作系统，t c p i p a b s t r a c t f i e l d b u s e sa r eb e c o m i n gm o r ew i d e l yu s e dt oc o m m u n i c a t ea m o n gc o n t r o l d e v i c e si nt h ea u t o m a t e dp r o d u c t i o nm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t a sak i n do f f i e l d b u sw o r l d f i pi si na c c o r d a n c et ot h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s a n dc a n p r e f e r a b l yc o m b i n er e a l t i m eq u a l i t yw i t he f b c i e n c yr e q u i r e m e n t i no t h e rw o r d s b a s e do nt h ep r e m i s et h a td on o ti n f l u e n c er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n w 6 r l d f i pi s a b l et ot r a n s f e rr a n d o mi n f o r m a t i o no nt h es a m eb u s w h i c hh a v el a i das o l i d f o u n d a t i o nf o rt h ei n t e g r a t i o nw i t hi tt e c h n o l o g y t os o l v et h ec o m m u n i c a t i o np r o b l e m sb e t w e e no f 、r l d f i pa n dt h ee t h e r n e t t h ea u t h o rd e s i g nt h ew o r l d f i p e t h e r n e tg a t e w a ye t h e r f i p e t h e r f i pc o n n e c t s t h ew o r l d f i pf i e l d b u st oa ne t h e r n e tn e t w o r kw h e r ea no r d i n a r yp co r p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rc a nb eu s e df o rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h e c o n t r o ls y s t e m i nt h et e s t i n go ft h ee t h e r f i p t h ec o m m u n i c a t i o no ft h e w o r l d f i pf i e l d b u sa n dt h ee t h e r n e tc a nw o r kn o r m a l l ya n ds t a b l y , w h i c hl a ya s o l i df o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no ft h ew o r l d f i pc o n t r o ls y s t e m 、c h o o s e n e t b o x i ie m b e d d e dn e tm o d u l ea n dw b r l d f i pc o m m u n i c a t i o nc h i p sd e v i c e st o d e s i g nt h ee t h e r f i p a n do nt h es o f t w a r ew ec h o o s eu c o s i ie m b e d d e ds y s t e m t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r e ，t h es o f t w a r ea n dt h et e s to ft h ee t h e r fi p k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，w o r l d f i p ，g a t e w a y ，r t o s ，t c p i p 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文w r o r l d f i p e t h e m e t 网关的 研发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特另j j j j i 以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名：獭幻 i ol ；i 日期：翌坐二垒= ，妙 笨 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章引言 随着计算机、通信、计算机网络等新技术不断地被引入到自动控制系统 中，传统的工业控制领域经历一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展， 形成了新的控制网络。现场总线已为业内人士广为认知，是一种应用于生产 现场，在现场设备之间，现场设备与控制装置之间实行的双向、串行、多节 点数字通信技术。随着其技术的不断发展和内容的不断丰富，现场总线已超 出原有的定位，不再只是通信标准和通信技术，而称为网络系统与控制网络， 现场总线是2 1 世纪控制系统的主要形式，代表着自动化技术的发展方向。 1 1 1 工业控制网络的发展 本世纪六十年代，数字计算机进入控制领域，产生了第一代控制系统 c c s ( 计算机集中控制系统) ，它取代了传统的模拟仪表，从而能够使用更先 进的控制技术，使控制系统发生了质的飞跃。但是其控制简单，直接面向控 制对象，并未形成控制网络，同时可靠性也较差，实时性差，危险集中。系 统越大，缺点越突出。 真正意义上的工业控制网络体系是七十年代出现的分散型控制系统 d c s ，这种控制系统的特点是“集中管理，分散控制”。其基本控制功能在过 程控制级中，工作站级的主要作用是监督管理，这样极大地提高了整个系统 的可靠性，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。然而d c s 的缺点也是十 分明显的。首先其结构是多级主从关系，底层相互间进行信息传递必须经过 主机，从而造成主机负荷过重，效率低下，并且主机一旦发生故障，整个系 统就会“瘫痪”。其次它是一种数字模拟混合系统，d c s 的现场仪表仍 然使用传统的4 - - 一2 0 m a 电流模拟信号，传输可靠性差，成本高。再有各厂 家的d c s 自成标准，通讯协议封闭，极大的制约了系统的集成与应用。 新的现场总线控制系统( f c s ) ，它综合了数字通信技术、计算机技术、自 动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的 模拟、数字信号混合及控制信号的传递等局限性，构成一种全分散、全数字 化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网 络结构也发生了较大的变化。f c s 也存在着许多的问题，如多种现场总线共 存，然而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性，实现现场总线技术的 统一是所有用户的愿望。另外，现场总线也存在着技术上的瓶颈，表现在现 华北电力大学硕士学位论文 场总线切断后，体系有可能发生不可预知的效果；体系组态参数过于复杂， 且其设定的好坏对体系性能影响很大；生产运行需大批人机数据交换，现场 总线体系的通信容量有限，可能容易造成信息流的阻塞。 统一、开放的t c p i pe t h e r n e t 是2 0 多年来发展最成功的网络技术过 去一直认为，e t h e r n e t 是为i t 领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、 环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能 得到有限应用。以太网的t c p i p 协议的开放性使得在工控领域通讯这一关 键坏节具有无可比拟的优势。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对 e p a 技术( e t h e r n e tf o rp r o c e s sa u t o m a t i o n ) 也取得了很大的进展【1 】【2 j 。 1 1 2 现场总线的发展和工业以太网 现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，几乎涵盖了所 有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家 庭自动化等等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠 性、增强可维护性和提高数据采集的智能化的要求。现场总线技术的发展体 现为两个方面：一个是低速现场总线领域的不断发展和完善：另一个是高速 现场总线技术的发展。而目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运 行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。国内厂商的规模相对较小， 研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术 供应商( 芯片制造商等) 对国内的支持和市场推广力度的影响。而且，还有一 个不可忽视的一点就是在构建自动化管理系统时，选择的上位机，比如组态 软件对总线设备的支持程度。由于现场总线目前种类繁多，标准不一，很多 人都希望以太网技术能介入设备底层，广泛取代现有现场总线技术，施耐德 公司就是该想法的积极倡导者和实践者，目前已有一批工业级产品问世和实 际应用。可是就目前而言，以太网还不能够真j 下解决实时性和确定性问题， 大部分现场层仍然会首选现场总线技术。由于技术的局限和各个厂家的利益 之争，这样一个多种工业总线技术并存，工业以太网技术不断渗透的现状还 会维持一段时间。 1 2 课题研究的意义 工业以太网正在向下渗透、扎入控制级现场总线领域，控制网络和信息 网络采用统一的协议标准，这种方式将成为控制网络和信息网络完全集成的 晟终解决方案。由于控制网络和信息网络采用了面向不同应用的协议标准， 因此二者集成时总需要某种数据格式的转换机制，这将使系统复杂化，也不 能确保数据的完整性。如果信息网络的协议标准提高其实时性，而控制网络 2 华北电力大学硕士学位论文 的协议标准提高其传输速度，二者的兼容性就会提高，二者合二为一，这样 从底层设备到远程监控系统，都可以使用统一的协议标准，不仅确保了信息 准确、快速、完整的传输，还可以极大地简化系统设计。但是当前的现实是 多种总线标准并存，信息网络协议也不尽相同，所以要实现控制网络与信息 网络采用统一的协议标准，还有很多问题需要解决，还有较长一段路。 由于基于t c p i p 协议的以太网具有传输速率高、开放性好、规模可大 可小、容易安装、兼容性好以及支持几乎所有流行协议等优点，自然也成为 控制网络现场总线看好的发展目标，因而出现了工业以太网。但是，以太网 原本是用信息网络领域的，要将其用于工业控制系统，还需解决一系列的问 题。首先是实时性差问题，因为以太网采用的是c s m a c d 媒介访问协议， 网络中的每个节点要通过竞争来获得信息包的发送权，节点只有在监听到信 道空闲时才能发送信息，否则因信道忙碌而需要等待，而且在信息开始发送 后，如若信息在信道中发生碰撞，还需要退出重发，因此工业控制要求的实 时响应难以保证，构建实时控制网络困难。其次是可靠性问题，要能适应工 业现场的环境要求。因此，在应用中采用了一种折中的办法，即在工业控制 网络的底层仍然采用现场总线，但在上层使用以太网，中间加一个路由网关 来实现底层和上层的通讯。 1 3 课题研究重点 本课题研究重点主要有，第一、对w o r l d f i p 现场总线技术进行深入理解 与研究；第二、对w o r l d f i p 现场总线元器件特别是通信控制器f u l l f i p 2 的特性深入研究，在此基础上研发w o r l d f i p e t h e r n e t 网关，包括网关的硬件 实现，测试程序的编写；第三、搭建w o r l d f i p 网络，实现网关的一个具体的 应用，即利用p c ( 包括上位机软件) 和e t h e r f i p 网关以及w o r l d f i p 仪表 ( w o r l d f i p 电能表) 或c c l 6 5 板卡，组建w o r l d f i p 网络，实现通信。 华北电力大学硕士学位论文 第二章w o r l d f i p 现场总线及其特点 2 1w o r l d f i p 现场总线概述 w o r l d f i p 是一种用于工业自动化系统的控制网络技术。2 0 世纪8 0 年代 推出，名为f i p ( f a c t o r yi n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 。1 9 9 3 年因采纳了现场总线国 际标准i e c l15 8 2 物理层标准，发展为w o r l d f i p ，即w o r l df a c t o r y i n s t r u m e n t a t i o np r o t o c o l 。2 0 0 0 年又宣布在原有w o r l d f i p 技术的基础上集成 专用的互联网功能，发展为新的f i p ( f i e l d b u si n t e r n e t p r o t o c 0 1 ) 【2 1 。 w b r l d f i p 采用三层结构：物理层、数据链路层和应用层，图2 1 为 w b r l d f i p 协议的组成。传输介质为双绞线或光纤，可以提供双线冗余。采用 屏蔽双绞线时，传输速率在低速网段为3 1 2 5 k b p s ，1 m b p s ，2 5 m b p s ：采用 光纤时传输速率为5 m b p s ；在高速网段为2 5 m b p s 。数据链路层负责数据传 输和差错、访问控制。采用与c o n t r o l n e t ，f f 类似的生产者与使用者的通信 模式，由总线仲裁器进行介质访问的集中控制，网络中还可以存在多个总线 仲裁器以构成主控设备冗余。w o r l d f i p 有周期和非周期两种数据传输，变量 寻址和报文寻址两种寻址方式，由应用层提供变量和消息的两种访问服务， 具有完备的网络和网络管理。此外，w 6 r l d f i p 还发展了无线，以适应新的应 用要求。 图2 1w o r l d f 口协议的组成 4 华北电力大学硕士学位论文 w o r l d f i p 采用有调度的总线访问控制，符合i e c 标准，确保了通信的实 时性、可预见性，完全防止了“碰撞”的发生；协议单一而完备，能适应各 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，最长数据长度为2 5 6 字节，活应包括t c p i p 在内的各种类型的 协议，支持控制功能下放和设备识别；协议之外还有详尽的互操作指南，为 互操作的实现提供帮助；物理层具有良好的电磁兼容性。w o r l d f i p 将现场设 备如变送器、执行器、i o 单元、p l c 等挂到总线上，形成w b r l d f i p 控制网 络。目前，w o r l d f i p 现场总线已被广泛应用于能源、石化、冶金、建材、机 械、公路、铁路、城市交通、航运、航空与航天、楼宇自动化等控制领域。 2 2w o r l d f i p 的主要特点 w o r l d f i p 融合了控制技术和信息技术，其在协议的设计上，一开始就把 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放在首位，并且考 虑了相关技术，尤其是信息技术发展所带来的影响。开发出的w b r l d f i 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，从而既是实时的可预测性的，又是面 向未来的可与i n t e r n e t 连接的现场总线。其主要特点可归纳为： l 、同步性：它的生产者使用者通信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，不会干扰实时数据的传递。 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 、实用性：w o r l 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。同时也支持介质冗余。 3 、抗干扰能力：w o r l d f i p 现场总线采用曼彻斯特编码方式并利用磁性 变压器隔离，具有良好的抗电磁干扰能力，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。 4 、可靠性：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，并监听网络状态，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个独立的网线实现的。当一个网线被 破坏如短路和断路，能自动切换到另一个网线。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。 5 、生产者消费者模型：w o r l d f i p 的生产者消费者模型和总线仲裁的调 度方式特别适合工业，i e c 标准和f f 规范都采用这种模型。 6 、开放性：w o r l d f i p 现场总线是开放的现场总线，w o r l d f i p 产品的设 5 华北电力大学硕士学位论文 计者、用户和集成商都可以得到w o r l d f i p 组织的技术支持。 2 3w o r l d f i p 现场总线的层次结构 w o r l d f i p 通信接口参照i s o o s i 模型分为三层：1 、物理层；2 、数据链 路层；3 、应用层，如图2 2 所示为w o r l d f i p 通信协议模型。w o r l d f i p 物理 层的通信速率为3 1 2 5 k b i t s 、l m b i t s 、2 5 m b i t s 、5 m b i t s 和2 5 m b i t s ，传输 介质为屏蔽双绞线或光纤。物理层有专用线路驱动芯片管理介质冗余。在一 条通道出现故障的情况下，比如短路或者断路，另一条能自动切入。物理层 具有信号检错、通知网络管理、杂音侦听、中断链路层服务的功能。 通信 图2 2w o r l d f i p 通信协议模型 物理层传输的每个帧皆附加有一个1 6 位的帧校验序列( f c s ) 。数据使 用曼彻斯特编码，好处是自带时钟信息。如图2 3 所示： b i t p h 敏 卜卜啼 t 2 1 佗 一t 2 t 2 l 逻辑数据 o t 2 一t 佗 一t 亿 t 2 e b + 平衡 e b 一 图2 3w o d d f i p 物理层信号 数据链路层提供两种类型的传输服务：变量交换和消息传递；传输可以 是周期性的或非周期性的。链路层的状态机制可以避免对问题帧的不正确响 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 6 华北电力入学硕十学位论文 来规定总线上信息的传送次序，执行三种功能： 1 ) 扫描周期性变量 2 ) 扫描非周期性变量 3 ) 传输消息 此外，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。 四个“窗口”构成了一个基本的扫描循环( 图中的同步窗口未画出) ， 它的周期是由用户在组态时定义的。一个基本循环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。 ：= 。基本周期 f c ， 蓐 图2 _ 4 总线仲裁器程序 周期传送请求。总线仲裁器发布带标识符的问题帧，在预定时间内收到 响应帧后发布下一个问题帧。周而复始，循环进行。 非周期传送请求。w o r l d f i p 的非周期传输分三个步骤进行： 某一周期变量的产生者在响应帧的控制字段中设置变量传送请求位r q 或消息传送请求位m s g 。总线仲裁器则在一个队列中记下该产生者变量 一的标识符。 l 、在非周期窗口中( 富裕带宽时间内) ，总线仲裁器指示请求者传送请 求或传送消息，请求者以一列要传送的变量的标识符作为响应帧， 总线仲裁器则在另一队列( 队列中具有防止填充未被回答的相同请 求的机制) 中记下该列标识符，或请求者发送消息，总线仲裁器等 待传输结束后进行下一个问题帧的发布。 2 、之后总线仲裁器根据时间的长短依次广播一个或多个变量标识符问 题帧，唯一的产生者响应，其他使用者接收。 7 华北电力大学硕士学位论文 如果响应帧类型不对或控制字段( f c s ) 有误，b a 会检测到一个传输错 误；如果超时，b a 会检测到帧丢失，之后b a 都将进行下一个标识符 的扫描。 在同步窗口中，b a 执行等待，直到下一个循环的开始这时重复传送 的是填充变量标识符，它不与产生者或使用者相联系，具有指示总线运 行情况和同步的作用。、 w o r l d f i p 的应用层为数据访问和进程间同步提供了各种服务： 1 、本地读写：处理本地变量，不涉及网络活动。 2 、远程读写：通过网络访问其它站点的信息。 3 、刷新服务：第三方站点对某一变量提出刷新请求。 4 、指示服务：指示接收或传送了一个变量。 5 、数据有效性验证：对数据是否遵守时间约定进行检验。 网络管理服务主要完成运行模式、组态、错误和性能等级的管理。 2 4w o r l d f i p 通信 2 4 1w o rld flp 通信模型 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”，可能会 执行以下两种功能： 1 、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) 。 2 、产生者使用者功能：向总线发布从总线接收信息，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 位的逻辑地址来标识。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 5 所示，变量可以由一个 站同时发给几个站。 c p 图2 5w o r l d f i p 产生者消费者通信模式 华北电力大学硕士学位论文 2 4 2w o rid fip 的数据类型 在w o r l d f i p 网络上传输的数据类型有变量和报文，变量以1 6 位的i d 来寻址，是逻辑上的寻址，报文则是物理上的寻址。w o r l d f i p 将信息分为： 周期性同步数据、周期性异步数据和非周期性消息包。同步数据严格地按确 定的时序呼叫，接下去是周期性异步数据，用于对同步性要求不太高的数据 传送。最后呼叫消息包。周期性同步数据、异步数据用于时序要求严格，数 据包不大的信息( 8 - 1 2 8 字节) ，消息包指时序要求不严格，数据量大的信息， 例如每包2 5 6 字节。形象地比喻，网线可以看成一个流水的管道。一半( 或 1 3 、2 3 ，由用户设计) 流的是水，是不可压缩的。即周期性同步和异步数据。 另一半可以看成是空的，留给非周期性消息包的传送。如图2 - 6 所示。 消息飞，一渤 事件 厂豢：_ 埘 一匿西一面一_ 周期变量八。9 图2 - 6w o r l d f i p 数据类型 为保证数据的有效性，在应用层对”生产者”的应用变量进行非周期写操 作时，刷新机构要在其中加入一个刷新状态标志以指明过程是否正常，所以 使用者”将得到一个含有标志位( 布尔值) 的信息；在应用层对”使用者竹的 应用变量进行非周期读操作时，提示机构要在其中加入一个提示状态信息以 指明链路层中缓冲区的数据传递是否正常。 可见w o r l d f i p 能简化系统设计，灵活地处理临界时间变量和非周期报 文两种不同性质的信息，保证系统的安全。 2 4 3w o rid fip 总线仲裁器 w o r l d f i p 通过总线仲裁器( b u sa r b i t r a t o r ，类似于f f 的l a s ) 完成对网络 访问的控制。如图2 7 所示。 基本的处理过程为：总线仲裁器按照调度表( b a 表) 的顺序发出一个 提问请求，如：某某设备温度为多少? 在这个请求中包含有应用变量信息和 生产者 一”使用者”标识符，在经历了一个”周转时间竹f i r ) 后，如果某个节点 9 华北电力大学硕士学位论文 做出响应而成为”生产者”，它就将回答发送到总线上为其它”使用者”使用， 如：温度是2 5 t ；如果没有哪个节点做出响应，则经历一个”沉默时间 ”( t - s i l e n c e ) 时间后，仲裁器将重复发出提问请求，直到得到响应，如此周而 复始地按照b a 表的顺序进行下去。可以设詈多个总线仲裁器，地坩号和权 值号最小的为当前活动仲裁器，其余为潜在仲裁器，不活动时为挂起状态 ( s u s p e n d ) 。 b a 表 幽2 7w o r l d f i p 网络调度 这种”生产一分配一使用”的模式较好地保证了数据的暂态特性。 用户可以在b a 表中自己定义所有的数据通信( 变量和顺序) ，决定一 个周期中所要处理的变量或报文，以及时间间隔。比如在一个基本的处理周 期中( 5 m s ) ，首先处理的是周期变量，剩余时自j 处理非周期信息。在一条总线 上，在一个处理周期中两类数据先后得到处理，宏观上看则是同时进行完成， 实现了控制技术与信息技术的结合。 2 5w o r l d f i p 与i n t e m e t 的融合 i n t e r n e t 技术的迅速发展和现场仪表智能化程度的不断提高，为大幅度降 低调试和维护费用带来了技术上的可能性。任何自动化产品要想满足用户在 这方面的要求，就需要将现场总线和i n t e r n e t 技术( 尤其是t c p i p ) 结合起 来。i n t e m e t 为网际网，它的运行依赖于两种主要技术： 1 、在两个网络中选择路由( i n t e r n e t 的名称由此而来) ，这由i p ( i n t e r n e t p r o t o c 0 1 ) 协议来处理。 2 、可靠地将数据包从一处传递到另一处，在经由i n t e r n e t 传递的过程中， 数据包会被分组成小块，到达目的地后再组合起来，这由t c p ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议处理。t c p 协议位于通信协议的中部，在其之上是应 用层协议，在其之下是各种不同的底层协议。底层网络( x 2 5 ，以太网，) 1 0 华北电力大学硕士学位论文 通过传递从i p 层接收的数据包来运行。数据包在不同的网络中大小不同，相 对于用户可能要在应用层传递的数据来说可以很小( 1 0 - - - 2 0 0 字节) 。所有 i n t e r n e t 传输使用的是i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 协议，为使现场总线能直接与 i n t e r n e t 相连，就要在不影响自动化实时通信的情况下来处珲i p 消息包。i p 协议支持对消息的分组，以满足在很多应用中对大文件传输的要求，i p 头帧 包含着将数据包分组并组合的控制信息，是不能被分组的，i p 头帧的长度为 2 0 字节，如果不附加上应用数据信息其本身没有意义，因此，为了有效地处 理i p 信息，网络应该能够传递没有分组的1 0 0 字节甚至更多的i p 头帧。这 一限制并没有受到很多重视，因此把很多总线和底层网络携带i p 包并将相应 的w e b 服务器下载到现场设备的可能性排除了。 w b r l d f i p 的消息帧有2 5 6 字节，可以很容易地处理最少2 0 字节的i p 头 帧，并为无分组的应用数据留下了很大的空间。w o r l d f i p 也有足够的带宽 ( 1 m b i t s ，2 5 m b i t s ) 以传递消息。w o r l d f i p 还满足i n t e m e t 传输和实时数据 传输互不干扰的要求，这是因为它能在同一条总线上传输实时变量的同时又 能传消息，这一特点为w o r l d f i p 所独有l z7 1 。 新一代的f i p 使现场设备嵌入i n t e m e t 微服务器，这些w e b 服务器与应 用软件直接接口。它的i p 地址是可见的，能自动产生h t m l 页面，以供浏 览器访问。用户可以访问过程的组态信息和现场设备数据。w e b 服务器的配 置是在服务器内部结构的初始化时完成的，客户端不需要额外的丌发程序， 大都采用标准化的应用工具。而带有w e b 服务器的设备中仍具有与i n t e m e t 相独立的过程控制的关键应用程序，使消息帧的传送与实时性控制互不影 响，可以满足控制的实时性要求。 2 6 本章小结 本章介绍了w o r l d f i p 的发展、应用，和w o r l d f i p 现场总线技术的特点， 层次结构，对w o r l d f i p 通信的特点作了较为详细的描述，最后介绍了 w o r l d f i p 与i n t e r n e t 技术的融合及新一代的f i p 。w b r l d f i p 相比其它现场总 线具有结构简单，易于软件设计：抗干扰能力强、传输距离长、总线速率高 等硬件优势，可以说w o r l d f i p 是现场总线技术发展以来的代表作。下面的章 节将会介绍w o r l d f i p e t h e r n e t 网关e t h e r f i p 的实现。 华北电力大学硕十学位论文 第三章e t h e r f i p 的结构设计与硬件实现 3 1 e t h e r f i p 的结构与设计方案 作者设计的e t h e r f i p 实物图如图3 1 所示。 图3 1e t h e r f i p 实物图 板卡上层为n e t b o x i i 嵌入式网络模块，下层为w o r l d f i p 网络模块和接 口模块，这个在以下章节会有介绍。 e t h e r f i p 可以连接w o r l d f i p 现场总线到以太网网络，这样一个普通的p c 机 或p l c 就能够被用来监视或控制e t h e r f i p 所在的这个控制系统，一个应用如 下图3 2 所示。 潮壁 l 盛鞠商5 如 图3 2e t h e r f i p 的应，i j 1 2 华北电力大学硕士学位论文 e t h e r n e t 网络上的上位机可以用来做系统的组态、监测、控制等，现场 是一些基于w o r l d f i p 的传感器、执行器等，中间的e t h e r f i p 要用来做通信 协议的转换，同时要能管理w o r l d f i p 现场总线上的所有的变量，这样的话对 使用的w o r l d f i p 通信控制器有一定的要求，e t h e r f i p 选用的是f u l l f i p 2 ， 能管理6 5 5 3 6 个变量中的4 0 9 6 个。使用f u l l f i p 2 ，e t h e r f i p 同时可以作为 w o r l d f i p 网络上具有总线仲裁功能的一个站，也就是说e t h e r f i p 要完成三个 任务，一是协议的转换；二是作为w o r l d f i p 通信主站；三是主控制器，在总 线控制中能运行高级算法功能和协调控制功能的主控制站。 图3 - 3e t h e r f i p 原理 网关又被称为网间协议变换器，用以实现不同通信协议的网络之间、包 括使用不同操作系统的网络之间的互连。 一个普通的网关可用于连接两个不同的总线或网络。由网关进行协议转 换，提供更高层次的接口，网关允许在具有不同协议和报文组的两个网络之 间传输数据，在报文从一个网段到另一个网段的传送中，网关提供了一种把 报文重新封装成新的报文组的方式。w o r l d f i p e t h e r n e t 网关就是使用在 w - o r l d f i p 现场总线网络与以太网之问的完成两种协议转换的设备，本文中设 计的w o r l d f i p e t h e m e t 网关e t h e r f i p 的原理如图3 3 。网关需要完成报文的 接收、翻译与发送。它使用两个微处理器和两套各自独立的芯片组，每个微 处理器都知道自己本地的总线语言，在两个微处理器之间设置一个翻译器。 图3 - 4 e t h e r f i p 框架 匿 华北电力大学硕士学位论文 根据e t h e r f i p 的应用和它的原理及其它相关需求，e t h e r f i p 应该由以下 几个功能模块组成：c p u 模块、以太网网络模块、w o r l d f i p 现场总线模块、 存储模块、接口模块及其他辅助模块构成，框架如下图3 4 。各个模块的具 体介绍在以下章节，这里不多叙述。 3 1 1w o r l d f i p 通信主站开发概述 从硬件的角度来看，e t h e r f i p 的设计主要是f u l l f i p 2 芯片的使用，包 括向下f u l l f i p 2 与w o r l d f i p 总线器件的现场总线模块设计和向上与c p u 的接口设计。由于m i c r o f i p 芯片不具备总线仲裁的功能，同时其支持的变 量及消息的个数有限，不具备网络管理功能，因而不适合于通信主站的设计。 a l s t o m 的c c l 2 1 板卡是以f u l l f i p 2 作为通信控制器，开发w o r l d f i p 主 站可以用