（电路与系统专业论文）hse现场总线系统管理通信机制的研究与开发.pdf

f 随着计算机技术、微电子技术以及通信技术的发展，在工业领域中的信号 传输从模拟信号传输转换到了数字信号传输，因此诞生了一门新的技术现场 总线技术。现场总线技术最大的特点有两个，一是实现了现场仪表的数字通信和 智能处理，二是它的全开放性。它的出现使基于传统的现场仪表构成的工业控制 系统的体系结构发生了根本性变革。从它诞生的那一天起，现场总线就以其无可 比拟的优势迅速占领工业控制系统，成为t 业控制系统的主流。一 本论文主要是从通信协议的角度完成了f o u n d a t i o nf i e l d b u s ( f f ) 高速以太 网现场总线协议系统管理的开发。完成系统管理五大模块的开发，着重解决了五 大模块之间的通信交互，并对在协议开发过程中遇到的技术难点作了详尽的分 析。抓住五大模块通信交互的特点，建立完善的通信机制，实现可靠、快速、安 全的通信交互。在此基础上，对系统管理中的通信交互进行了协议测试，符合现 场总线系统管理协议要求。 本论文完成了基于高速以太网现场总线系统管理的开发，该系统管理实现 了协议所要求的各项功能。为将来现场总线应用到实际工业控制系统中作出了重 要贡献。同时，本论文对现场总线将来的发展趋势也做了简要分析。一j 关键字：现场总线，、系统管理，一通信协议，、通信交互 a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r t e c h n o l o g y , m i c r o - e l e c t r o n i c sa n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h es i g n a lt r a n s m i s s i o ni nt h ei n d u s t r yh a st r a n s f o r m e d f r o mt h ea n a l o go n et ot h ed i g i t a io n e t h i se n h a n c e st h ei n t e r d e v i c ec o m m u n i c a t i o n ， a n dt h e r e f o r ean e wt e c h n o l o g y _ 娟e l d b u sc o m ei n t oe x i s t e n c e o n eo ft w om a i n c h a r a c t e r i s t i c so ff i e l d b u si si t sr e a l i z a t i o no f d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ；t h eo t h e ro n ei s i t sf u l l o p e n n e s st o a 1 1 t h ep r e s e n c eo ff i e i d b u sc h a n g e st h es y s t e mf r a m e w o r k f o r m e db yt h et r a d i t i o n a lf e l di n s t r u m e n t s t h e yh a v ep m m o t e dt h ed e v e l o p m e n to f t h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m sg r e a t l y t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n to ft h ef i c l d b u s s y s t e mn m n s g e m e n t m o d e li nt h ev i e wo ft h eg e n e r a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 b a s eo nf i v em o d u l e so f t h es y s t e mm a n a g e m e n t , f u l f i l st h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r a c t i o na m o n gf i v em o d u l e s m e a n w h i l et h i st h e s i sa n a l y s i ss p e c i a l l yc h a r a c t e r i s t i ci nc o m m u n i c a t i o ni n t e r a c t i o n o ff i v e m o d u l e s ，f o r m u l a t e sc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m t h a tc a n c o m p l e t e c o m m u n i c a t i o nr e l i a b l y , f a s ta n ds a f e l y t h es y s t e mc o m m u n i c a t i o ni n t e r a c t i o ng e t s t h r o u g hp r o t o c o lt e s ts m o o t h l y t h i st h e s i sc o m p l e t e s d e v e l o f i m e n to f f i e l d b u ss y s t e mm a n a g e m e n t b a s e0 1 1h i g l l s p e e de t h e m e t ，a c c o m p l i s h e sf u n c t i o n st h a tt h ef i e l d b u sp r o t o c o ld e m a n d s t h i s t h e s i sd i s c u s s e st h ef i e l d b u s b r i g h tf u t u r e 【k e y w o r d s 】：f i e l d b u s c o m m u n i c a t i o ni n t e r a c t i o n 毕业论文高速以太嗣现场总线系统管理通信机制的研究与开发 第一章绪论 1 1 综述 随着控制、通信、计算机等信息技术的飞速发展，在自动化领域也引起了系统结构的变 革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线就是这一发展的最 新技术。根据国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标准的定义： 现场总线是连接智能现场设备和自动化电路系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网 络。现场总线控制系统既是一个开放通信网络。又是一种全分布控制系统。其具有开放性、 互可操作性与互用性、设备的智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性和对环境的适应 性等诸多技术特点：还具有硬件投资少、安装费用低、用户的商度系统集成主动权和系统的 准确性与可靠性等优点。 正因为有这些优点i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o t o c o o 和w o r l dh p ( f 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 0 1 ) 于1 9 9 4 成立了现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n 筒称f f ) 并 于1 9 9 6 年第一季度颁布了低速总线h 】的标准，使h 1 低速总线开始步入使用阶段与之相 对应的，现场总线基金会于2 0 0 0 年3 月份颁布了基于商速以太网( h i g hs p e e de t h e m e t 简称 h s e ) 的现场总线协议f s l 0 ，同年1 1 月又颁布了第二版f s i 1 6 1 ? 1 1 5 1 以太网最初是由x e r o x 公司研制而成的，并且在1 9 8 0 年由d e c 公司和x e r o x 公司共 同使之规范成形。后来它被作为8 0 2 3 标准为电气与电子工程师协会( i e e e ) 所采纳 以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问，冲突检测c s m a c d ( c a r r i e r s e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 的共事访问方案，即多个工作站都连接在一条总线 上，所有的工作站都不断向总线上发出监听信号但在同一时刻只能有一个工作站在总线上 进行传输，而其他工作站必须等待其传输结束后再开始自己的传输冲突检测方法保证了只 能有一个站在屯缆上传输。早期以太网传输速率为1 0 m b p s 1 0 0 b a s e - t 快速以太网是从1 0 b a s * - t 以太网标准发晨而来的它保留了以太网的帧结 构和c s m a c d 协议，使1 0 b a s e - t 和1 0 0 b a t m - t 站点闻进行数据通信时不需鍪进行协议转 换。i e e e 于1 9 9 5 年5 月正式通过了快速以太网1 0 0 b a s o - t 标准。即i e e e 8 0 2 3 u 标准现 在以太网技术已经过渡到了千兆以太网和光纤以太网 过去一直认为，以太网是为i t 领域应用而开发的，在工业自动化领域只能得到有限应 用，这是由于： 1 、e t h e m e t 采用c s m a c d 碰撞检测方式，在髓络负荷较重( 大于4 0 ) 时。网络的确定 簟i 甄共为蕊 毕业论文高速以太网现场总线系统管理通信机制的研究与开发 性不能满足工业控制的实时要求： 2 、所用的接插件( c o n n e c t o r ) 、集线器( h u b ) 、交换机( s w i t c h e s ) 和电缆( c a b l e ) 等是为 办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求； 3 、在工厂环境中，以太网抗干扰( e m i ) 性能较差。若用于危险场合，以太网不具备本 质安全性能； 4 、以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。”1 随着网络技术的发展：上述问题正在迅速得到解决。为了促进以太网在工业领域中的应 用，国际上成立了工业以太网协会( i n d u s t r y e t h e m e t a s s o c i a t i o n ) ，并与美国a r c a d v i s o r y g r o u p 、a m rr e s e a r c h 研究中心和c a r t n c ro r o u p 等机构台作开展工业以太网关键技术的研 究。 为了解决在无间断的工业应用领域、网络在极端条件下稳定地工作。美国s y n e r g t i c m i c r o s y s t e m 公司和德国h i r s c h m a n n 公司专门开发和生产导航式收发器系列、集线器系列和交换 机系列，它们安装在标准d i n 导轨上，并有冗余电源供电；接插件采用牢固的d b 9 结构。 美国n e ts i l i c o n 公司研制的工业以太网通信接口芯片。 在工业控制系统中所谓网络的确定性是指通过网络传送的数据，必须在确定的时间 内到达目的地。假设一个p i d 调节器通过网络从现场变送器收集数据，为了调节p i d 回路， 需要有非常一致的采样时间，而且这些时间必须是确定的。对于这样的实时控制要求，通常 要求网络的时间延迟小于2 _ _ 4 m s 。为此，美国电力研究院对1 2 m b p sp r o f i b u s - - - d p 现场总 线，带有集线器快速1 0 0m b p s 以太网和带有开关集线器的1 0 m b p s 以太网进行了网络确定 性测试和验证。结果表明：两种以太网的确定性都小于4 m s ，而p r o f i b i l s - - d p 总线满足不 了4 m s 要求。实际上，p r o f i b u s - - d p 在1 0 0m 电缆段时通信速率可达1 2 m b p s 。在电缆长度 为1 2 0 0 m 时速率急剧下降为9 6 k b p s 。现在的工业以大网现场总线采用一种称作连接设备 ( l i n k i n gd e v i c e ) 的类似带有开关的集线器结构很好地解决了以太嘲的时间确定性问题。 2 0 0 0 年4 月在上海举行的第四届i a c 展览会上，法国s c h n e i d e r 公司首次展出了完全以 工业以太网为基础的控制系统。该系统采用t c p f l p 通信协议。配备w e bs e r v e r 功能，以测 览p l c 内容，提供现场总线级i 0 网络和支持以太网的i 0 模块。并提供整套工业以太 网设备，包括工业用集线器，交换机，收发器和电缆。由此可以预见，像当年p c 进人工业 自动化领域一样以太网将会十分迅速地进人工业控制系统的各级网络。 1 2 现场总线的优点 现场总线通信协议的基本特点： 第2 页共7 0 页 毕业论文高速以太网现场总线系统管理通信机制的研究与开发 遵从开放系统互连参考模型( i o s ) ，一般采用三层结构，物理层、数据链路层、应用层 和用户层。 网络拓扑结构一般采用总线形式，介质访闯控制多采用c s m a c d ( 载波监听多路访问 冲突检测) 。 数据传输采用短帧结构 f f 现场总线的体系结构是参照国际标准化组织( i s o ) 的开放系统互连协议( o s i ) 丽制定 的。o s i 共有七层，f f 提取了其中的三层：物理层、数据链路层和应用层，另外又在应用层 上增加了一层用户层。各个层的具体介绍如下： 物理层：该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、最大传输距离、拓扑结构及信号类型 等。现场总线的传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤和无线电。目前f f 给出了两种速率的 现场总线：低速的h 1 总线和高速的h s e 总线。h l 是低速总线，传输速率为3 1 2 5 k b p s ，传 输距离为2 0 0 m 1 9 0 0 m ，总线最多可串联接入4 台中继器。h s e 是高速总线，传输速率为 i m b p s 7 5 0 m ，或2 5 m b p s 5 0 0 m 。h 1 每段结点数最多为3 2 个，h s e 每段结点数最多为1 2 4 个。 数据链路层：在f f 制定的现场总线标准中，数据链路层的定义十分重要所有连接到同一 物理通道上的应用进程都是通过数据链路层的实时管理来协调的由于在工业控制过程中实 时性的重要性，在现场总线中没有采用i e e e 8 0 2 4 标准中所定义的总线管理方式。而是采 用了集中式的管理方式，减少了实时通信的时延。具体地说。现场总线设备在数据链路层可 分为两种：b a s i cd e v i c e 和l i n km a s t e rd e v i c e 。b a s i cd e v i c e 不能主动发起一次通信， 只能接受查询；l i n km a s t e rd e v i c e 则可以在得到令牌时发起一次通信。在每一个网段中 都有一个特殊的l i n km a s t e rd e v i c e ，它能够谭度本网络段各个设备的通信活动，称为l i n k a c t i v i t ys c h e d u l e r ( l a s ) 。l a s 通过调度表指示一个设备发送周期数据，当没有周期性数 据发送时，l a s 循环地向所有l i n kw a s t e rd e v i c e 发送令牌，使其获得发送非周期性数据 的机会。此外数据链路层还要完成两条总线之间通信的桥路连接管理 应用层：应用层的主要任务是定义现场总线的命令、响应、数据和事件应用层又分为两个 子层：上面是f m s ( f i e l d b u sm e s s a g i n gs p e c i c a t i o n ) ：j s 层，为用户层提供服务；下 面是f a s ( f i e l d b u sa c c e s ss u b l a y e r ) 子层，与数据链路层连接 现场总线访问子层( f a s ) f a s 提供3 种类型的服务，发布索取方式、客户机服务器方式和报告分发方式这 第3 孤共7 0 页 毕业论文高速以太网现场总线系统管理通信机制的研究与开发 3 类服务被称为虚拟通信关系v c r ( v i r t u a lc o m m u n i c a t i o nr e l a t i o n s h i p s ) 。发布索 取方式( p u b l i s h e r s u b s c r i b e r ) 是数据由一个发布者广播到网络上，再由索取者接收。 它又分为两种种情况： 循环的v c r ：根据每个网段上l a s 的调度，l a s 强迫发布者定期发送信息； 单向的v c r ：由一个发布者来启动向一个或多个接收者单向发送没有确认的信息。在客 户机服务器方式( c l i e n t s e r v e r ) 下，由c l i e n t 向s e r v e r 发出请求，当 s e r v e r 收到请求后。进行相应处理及操作，然后向c l i e n t 返回一个应答。 c l i e n t s e r v e r 方式可以提供确认服务和非确认服务。报告分发( r e p o r t d i s t r i b u t i o n ) 下，事件报告由“源”设备发送到网络上。由“收集器”设 备收听。 现场总线报文规范( f m s ) f m s 规定了用于向应用进程( a e ) 对象提供的服务及报文格式。f 峪通过调用v c r ，在现 场设备之间传送报文。 用户层：用户层是现场总线标准在o s i 模型之外增加的一层，是使该标准超过一项通信标准 而成为一项系统标准的关键。用户层规定了一些标准的功能模块( f u n c t i o nb l o c k ) 供用户组 态构成系统。其中基本功能块1 0 个，先进功能块7 个，计算功能块7 个，辅助功能块5 个。 这些功能块各自满足不同的需要。功能块由输入、输出、算法和参数四大要素组成 现场总线技术最大的特点有两个，一是实现了现场仪表的数字通信和智能处理二是它 的全开放性。在现场总线的国际标准逐渐统一后。将实现一个真正开放式的可互相连接的系 统结构。各厂家产品可交互操作和互换使用，给用户进行系统组织和造型提供了更多的选择， 也可以减少必需的备品、备件。枷 现场总线的出现使基于传统的现场仪表所构成的工业控制系统的体系结构发生了根本 的变革。这是因为现场总线不单单是一种通信技术，它的意义不仅仅在于用数字仪表代替模 拟仪表，更重要的是在于对整个控制系统的结构产生了根本性的变革现场总线技术的出现， 必将冲击现有过程控制系统的总体结构、设计思想、安装调试方法、人员培训以及产品市场 的格局。 1 3 国内外发展状况 现场总线是对d c s ( 集散控制系统) 的拓展，突破了d c s 相对封闭的限制。它将测控任 务分散副现场设备中，上位计算机只负责监控以及一些复杂的优化和先进控制的功能。现场 第4 页共柏页 毕业论文高速以太网现场总线系统管理通信机制的研究与开发 总线是工厂底层信息与数据传递的主体，在整个工厂的信息网络中，现场总线处于重要的基 础地位。 国外：自8 0 年代末以来，国外相继出现了一些有影响的现场总线标准，如：基金会现 场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、l o n w o r k 总线、p r o f i b u s 、c a n 控制局域网等，它们大都 是在公司标准的基础上逐渐形成的，预计在今后一段时期内，会出现几种现场总线标准共存 的局面。但发展一个统一的现场总线通信协议的国际标准，形成真正的开放互连系统，是大 势所趋。目前，n i 、t i 等国际著名公司都已经开发出自己的现场总线产品，正准备进入这 个竞争激烈的市场中来。 国内：政府倾力扶植，实施重点锁定工业自动化技术“用工业自动化技术改造和提升传 统产业”是我国迎接全球经济一体化，跟踪世界产业结构调整大趋势的重要举摧，工业自动 化产业已成为国家重点鼓励、优先发展的高新技术产业国家在“十五”规划纲要中确立了 “以信息化带动工业化”的战略决策，为工业自动化行业的发展指明了方向。为全面落实“十 五”纲要提出的目标和任务，嗣家经贸委针对用商新技术和先进适用技术改造提升传统产业、 支柱产业提出了具体的实施意见。可以看出，我国产业政策的对工业自动化行业的扶植不但 有力，而且重点明确、倾向性非常明显。 国家对包括：提高基础自动化水平。支持“现场总线”、“基于以太罔的控制系统”等新 一代基础自动化装备的国产化研究和产业化建设，降低基础自动化的装备成本在过程自动 化方面，结合国内工业生产原料成分波动大、工艺复杂的特点，重点搞好智能技术，对已有 的或引进的工艺数学模型进行二次开发和创新，形成工业生产各工序和全线过程的智能化控 制系统：推进“过程自动化工程软件开发工具”和“工程平台”等翦沿离技术研究、开发和 应用；加强过程自动化中智能化成套工艺装备的产翦化研究，结合常规模型、应用专家系统 等智能控制方法提高工业精度和过程检测诊断水平，全面提高钢铁工业生产自动化水平。 不仅如此，有色金属、石油、石化、水泥、煤炭和污水处理等行业利用离新技术和先进 适用技术改造、提升产业工业化水平的政策支持力度同样巨大在有色金属行业，连续生产 工艺监控系统和通讯技术、连续生产过程综合优化控制、检测仪器仪表在恶劣有色金属生产 环境中的创新应用等技术是产业高新技术应用的重要内容；在石油行业，信息技术改造的重 点在于：在油气生产和炼油化工过程中，推广应用集散控制系统( d c s ) 、计算机监控系统 ( s c a d a ) 、现场总线( f b ) 等生产控制系统和计算机集成制造系统( c i m s ) ；在石化行 业，信息技术改造的重点是：推广实施c i m $ 工程和先进控制技术( a p c ) 实现d c s 或现 场总线控制( f c s ) 。 第5 页共页 毕业论文高速以太网现场总线系统管理通信机制的研究与开发 “十五”期间，我国把工业自动化仪表与控制系统作为仪器仪表产业发展的重点领域， 国家将继续加大对仪器仪表产业的资金投入，使我国工业自动化仪表与系统2 0 0 5 年能够占 领国内市场4 5 以上的份额。满足国内市场6 0 以上的需求；支持和发展一批仪器仪表系 统集成公司，能在钢铁、石油、化工、电力、环保等多种大型重要的工程中承包自动化项目， 以满足“十五”期间国内市场对自动化仪表需求的大幅度增长。 综上所述，对支柱行业进行自动化技术改造是实现我国经济结构战略性调整和产业结构 优化升级的必然选择，我国传统行业对于自动化技术改造的需求是十分巨大的。我国的工业 自动化行业正面临着前所未有的发展机遇和挑战。 而作为重中之重的现场总线。无疑国家投入的科研开发力度更大，因为目前在现场总线， 特别是基于高速以太网现场总线与国外差距并不是很大，完全通过我们的努力把这个差距缩 小，甚至在某些方面超过国外而系统管理作为现场总线协议的重要组成部分。是实现整个 现场总线系统的关键所在，要在现场总线上实现突破，则系统管理的研究开发是极其关键的。 1 4 论文任务和结构 本论文的任务： 1 、完成h s ek s1 1 协议的系统管理协议的解读，分析系统管理需要完成的七种服 务功能，阐述了基于高速以太网现场总线协议各个部分交互的关系。 2 、完成系统管理中的五个部分：系统管理信息库( s m i b t s y s t e mm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n b a s e ) 、系统管理内核( s m k ，s y s t e m m a n a g e m e n t k e r n e l ) 、f b a p 调度、d h c p 协议实现、s n t p 协议实现 3 、通过分析各个部分的通信特点，以可靠、快速、稳定的通行方式完成它们之间 的通信交互实现，并完成系统管理各个部分的通信交互的统调和测试工作。 论文的结构如下：前面主要是一些背景方面的知识，介绍了现场总线协议的优点、发 展趋势。并比较具体的分析了本论文核心一f fh s e 协议系统管理通信研究和实现。整个 系统管理分为五大模块：s m i b 、s m k 、f b a p 调度、d h c p 协议、s n t p 协议具体介绍 了是如何实现这个系统管理协议的五大部分交互，特别着重于交互的数据结构和数据报文 和可靠性通信等方面。在这个分析过程中。穿插了在实现协议时候遇到的一些关键技术。 这些技术在一般协议的实现中是也有共性的，如状态机，s o c k e t 网络编程。原语等 同时也介绍了协议测试方面的设计和实现，还对将来的发展趋势做了分析。 第6 页麸7 0 页 毕业论文高速以太网现场总线系统管理通信机制的研究与开发 第二章h s e 现场总线系统管理分析 2 1 系统管理简述 h s e 系统管理是对h s e 设备的正常运行进行管理的管理部门，主要完成系统设备加入 系统过程中的动态地址分配，时钟同步操作，设备信息配和清除，设备信息查询等功能。没 有系统管理，设备信息就不为控制系统所认识，也就不能实现即插即用，设备组态、功能块 调度等功能。 2 2 系统管理通用模型 现场总线作为一个完备的大型工业控制网络，有完备的结构体系，其各个层次之间的结 构明确。在整个结构中，s m k 处于f d a 之上，与之同一层的是s m i b 、f b a p 、h i i n t e r f a c e 等实体；与f d a 平行的是s n m p 、d h c p 和s n t p 三个闷络协议豳2 1 是h s e 现场总线 的结构图： 图2 1 系统管理在系统结构中的关系图 根据系统结构关系图中所示的各个部分的关系，在h s e 现场总线的协议中，根据需要 完成的系统管理功能，本论文在网络结构这个层面上从中提取出了一个系统通用模型在这 个系统通用模型中，h s e 系统管理模型定义了一个对象来支持设备中的系统管理代理因 为它提供了最基本的从网络中增加或删除一个设备，完成设备同步，在一个设备中定位个 对象，查询一个设备对象，设置设备属性等功能 这个模型包括了s m 服务中使用的参数，它们也在s m i b 中出现。 类：s mk e r n e l ( 系统管理内核) 系统管理特性参数： 第7 页热7 0 页 望些丝奎 塑蕉坠查塑墨堑璺丝墨竺筻墨望堡型塑墅! 堂! ! 丝 1 ( m )( k e y ) a t t r i b u t e ：d e v i c ei d 2 ( m )a t t r i b u t e ：d e v i c et y p e 3 ( m )a t t r i b u t e ：p dt a g 4 ( 用) a t t r i b u t e ：d e v i c ei n d e x 5 ( m ) a t t r i b u t e ：l a nr e d u n d a n c yp o r t 6 ( m )a t t r i b u t e ：h s er e p e a t t i m e 7 ( m ) a t t r i b u t e ：h s es w ks t a t e 8 ( m ) a t t r i b u t e ：d e v i c er e d u n d a n c ys t a t e 9 ( m )a t t r i b u t e ：d u p l i c a t ed e t e c t i o ns t a t e 1 0 ( m ) a t t r i b u t e ：m a xd e v i c ei n d e x 11 ( m )a t t r i b u t e ：o p e r a t i o n a li pa d d r e s s 1 2 ( m )a t t r i b u t e ： a n n u n c i a t i o nv e r s i o nn u m b e r 1 3 ( m )a t t r i b u t e ：h s ed e v i c ev e r s i o nn u m b e r 系统管理特性服务： 1 ( m )o p s s e r v i c e ：f i n dt a gq u e r y 2 ( m )o p s s e r v i c e ：f i n dt a g r e p l y 3 ( m )o p s s e r v i c e ： i d e n t i f y 4 ( m )o p s s e r v i c e ：c l e a ra d d r e s s 5 ( m )o p s s e r v i c e ：c l e a ra s s i g n m e n ti n f o 6 ( m )o p s s e r v i c e ： s e t a s s i g n m e n t i n f o 7 ( m )o p ss e r v i c e ：d e v i c e a n n u n c i a t i o n d e v i c ei d ：这个核心特性参数规范了设备制造商提供的唯一的识别号。 d e v i c e t y p e ：这个特性规范了设备的能力。 p d t a g ：这个特性规范了分配给设备的位置管理的名字，它在设备中的使用是唯一的。但是 冗余设备可能和它具有相同的位号。 d e v i c ei n d e x ：这个特性是区别设备的位置管理的名字，在一个h s e 子网中这个条目是唯一 的。 l a nr e d u n d a n c yp o r t ：这个参数包括了接收l a n 冗余信息的u d p 端口号 h s er e p e a t t i m e ：这个特性规范了在声明信息之间的间龋时问。 h s es m k s t a t e ：这个特性规范了设备的s m k 的实际状态。 第8 页共为页 毕业论文高速以太网现场总线系统管理通信机制的研究与开发 d e v i c er e d u n d a n c ys t a t e ：这个特性规范了冗余设备的实际状态。 d u p l i c a t ed e t e c t i o ns t a t e ：这个特性包括了复制设备的识别标记。 m a x d e v i c e i n d e x ：这个特性包含了设各能够拥有的设备条目的最大值。 o p e r a t i o n a li p a d d r e s s ：这个特性包含了对设备的s m k 和v f d 进行组态访问的单播的i p 地 址，它在寻找位号回答，识别响应和设备声明信息中传输。如果一个清除地址服务请求要求 使用可操作的i p 地址来清除接口，那么i p 地址可被改变。如果有一个冗余接口，那么可操 作的i p 地址将变为接! z i 的i p 地址。如果没有其它的接i z i ，则可操作的i p 地址将改变为分 配给它的新的i p 地址。 a n n u n c i a t i o nv e r s i o nn u m b e r ：这个特性是在每个消息生成之前保留的版本值，这个值逐一 增加。电源关闭后其初始值为零。 h s ed e v i c ev e r s i o nn u m b e r ：这个特性包含了在s m i b 中的s m 特性的版本号列表的版本， 其取值方式为逐一增加。 本论文在系统管理的s m k 部分中详细说明模型中的七条服务原语。 2 3 系统管理的五个部分 在我们从现场总线协议提取出的通用模型中，包含了系统管理的所有功能通过解读协 议，根据需要完成的功能我们把现场总线系统管理分成五大部分，分别为：s m i b 、s m k 、 f b a p 调度、d n c p 协议、s n t p 协议。s m i b 是整个系统信息的储存体。所有的系统信息 都储存在这个信息库中；s m k 是系统管理内核，是系统管理的核心部分，所有的操作都和 这个内核有关；f b a p 调度是用户的调度应用；d h c p 协议用于实现i p 地址的动态分配； s n t p 协议用于实现系统时钟的同步。这五个部分相对独立，但其又有内在联系 2 3 1s m i b ( 系统管理信息库) 作为整个系统管理的基础，系统管理信息库是存放现场总线设备系统参数的数据库。 在这个数据库中储存着所有设备在总线系统中的参数，这个系统管理信息库是s m k 进行各 种功能完成的基础。每个系统管理内核中只有个s m i b s m i b 包含了现场总线系统的所 有的组态和操作参数，同时也定义了s m k 的f m s 访问数据。整个信息库的结构包括s m i b 目录( s m i bd i r e c t o r y ) 和系统管理复合对象( s mc o m p o s i t eo b j e c t ) 两个部分s m i b 目 录是系统管理复合对象的索引，通过这个索引系统管理内核能够访问s m i b 中的复合对象， 并读写这些复合对象。图2 2 显示了s m i b 字典的结构在信息库的复合对象中，存储时钟 同步和调度类对象、设备识别类对象、虚拟现场设备( v i s u a lf i e l dd e v i c e ，v f d ) 列表类对 象、虚拟现场设备参考实体类对象、功能块( f u n c t i o nb l o c k ，f b ) 调度类对象等复合对象。 第9 页共7 0 页 望些堡苎 壹望坠查旦墨堑璺竺墨竺笪翌望堡璺型塑里壅兰! 堕 每个复合对象都有其固定的结构，固定的参数。系统管理要完成各项功能，必须构建这个系 统管理信息库。因为涉及到多个复合对象，而且各个复合对象的结构都不一样，所以整个系 统管理信息库十分庞大。对于不同结构的复合对象进行分析，提取共同点，找出其不同点- 对于共同点，因为共性，可以广泛同意的应用；对于不同点，各自进行处理。这样，构建 s m i b 工作的条理变得非常清晰，更加有利于模块化管理所有的这些系统管理信息组织成 对象存储起来后，就形成了系统管理信息库。 在s m i b 目录中包含了信息库的版本号复合对象的个数，各个复合对象的索引等参 数。这些参数都是无符号的3 2 位整型，都统一放在一个数组中，系统管理内桉先访问这个 数组，然后通过这个数据的索引参数来访闯其体的复合对象对于各个复合对象。为了保证 将来的兼容性，h s e 现场总线协议对其结构傲了明确的规定，在它们各自的结构的第一项 参数中，都存储了一个索引号，这个索引号是和s m i b 目录中所指向复合对象的索引是一一 对应的t 这就能够保证s m k 可以通过s m l b 目录来访闷s m m 中的复合对象在构建过程 中，利用s m i b 目录索引和复合对象一肘应的特点，根据s m i b 索引来构造复合对象，这 样能够保证其整个s m i b 的可靠性这样做的好处在于各个复合对象结构体相对独立，便于 整个系统管理信息库的管理。 第1 0 翼热，o 页 毕业论文高速以太罔现场总线系统管理通信机制的研究与开发 在s m i b 的复合对象中，涉及到多种数据结构，这些数据结构分别为：s t _ o d ，足o d 在s to d 中定义的是协议规定的标准数据结构，对于系统管理涉及到的为索引号1 3 1 至1 3 5 的5 个标准数据结构，分别为s y n c a n d s c h e d u l i n g 、d e v i c e i d e n t i f i e r 、v f d r e f e n t r ) ，f b s c h e d u l ed e s c r i p t i o n 把这些定义好的结构体最后放入s t o dd t s t r u c t u r e d e s c r i p t i o n 数组 中。分析对s t _ o d 的赋值操作，其中定义t j l 个参数，分别为( s t - o dd a t a t y p e s t r u c t u r e + s t o d n o d e ，u i n t l 6i n d e x ，i n t 8o b j e c t c o d e - u i n t 8a t t r i b u t e ，u i n t l 6o d _ l e n g t h ，u i n t 3 2 i o d e x 3 2 ，u i n t l 6n u m b e r ， u i n t 3 2 * p t y p e ，u i n t 3 2 + p l e n g t h ) a 即先定义一个 s to dd a t a t y p e s t r u c t u r e 结构的节点指针，然后分别把这个结构中的各个参数进行赋值 具体为把输入的索引赋值给s t o d n o d e 所指的i n d e x 、把输入的对象号码赋值给 s t o d n o d e 所指的o b j c c l c o d e 、把输入的长短格式特性值赋值给s to d _ n o d e 所指的 a l ia t t r i b u t e s _ f l a g 、把对象描述长度赋值给s t o d n o d e 所指的o b j e c td c s c r i p t i o n _ e e n g t h 、 把索引号赋值给s to d _ n o d e 所指的i n d e x 3 2 、把元素个数赋值给s t o d n o d e 所指的 n u m b e r o f e l e m e n t s 、把数据类型赋值给s t o d n o d e 所指的d a m _ t y p ei n d e x 、把数据长度 赋值给s t o d n o d e 所指的l e n g t h 。通过数据类型数组和数据长度数组就把该结构的元素 的类型和长度定义清楚了这样就完成了一个标准结构的定义，也就完成了s to d 的定义。 在so d 中定义的是所有系统管理用到的各个类，在定义中包括了各个参数的访问权限，访 问域等与f m s 服务有关的参数定义。并且不同的类定义不同的索引号，为以后的整个s m i b 的建立作好准备。在系统管理中要完成1 4 个这样的类分别为h s es md i r e c t o r yo b j e c t 、 h s es ms u p p o r t 、h s eo p e r a t i o n a lp o w e r u p 、h s el i s to fv e r s i o nn u m b e r s 、h s e o p e r a t i o n a li pa d d r e s s 、h s el o c a li pa d d r e s sa r r a y 、h s ed e v i c ec o n t e n t sd o m a i n 、h s e s y n ca n ds c h e d u l i n gr e c o r d 、h s e d e v i c ei d e n t i f i c a t i o nr e c o r d 、h s ev f d r e f e n t r yo b j e c t s 、 h s es c h e d u l ea c t i v a t i o nv a r i a b l e 、h s es c h e d u l el i s tc h a r a c t e r i s t i c s 、h s es c h e d u l ed e s c r i p t o r o b j e c t s 、h s es c h e d u l ed o m a i n s 分析对s _ o d 的赋值操作，与s t _ o d 赋值函数相似- 其中定义了十一个参数，分别为 ( so d _ e l e m + s o d n o d e ，h i n t l 6i n d e x ，i n t 8o b j e c t c o d e ，u i n t 8a l l _ a t t r i b u t ef l a g ，u i n t l 6 o _ d _ l e n g t h ，u i n t 3 2i n d e x 3 2 ，u i n t 8p a s s w o r d tu i n t 8a c c e s s _ g r o u p ，u i n t l 6a c c e s sr i g h t t u i n t 3 2 e x t e n s i o n _ l e n g t h ，o c t e t s t r i n g e x t e n s i o n _ d a t a ，v o i d p a t , x i b u t e ) 即先定义了一个s o d e l e m 结构的指针，然后分别把这个结构中的各个参数进行赋值具体为把输入的索引赋值给 s t _ o dn o d e 所指的i n d e x 、把输入的对象号码赋值给s to dn o d e 所指的o b j e c t _ c o d e 、把 输入的长短格式特性值赋值给s t o d n o d e 所指的a l l