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浙江大学硕士学位论文 基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 摘要 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 传输方式从模拟信号传输发展到了数字信号传输， 因此诞生了一项新的技术 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所构成的工 业控制系统的体系结构发生了根本的变革， 并以其无可比拟的优势迅速成为工业 控制系统的主流技术。 本论文以当前比 较成熟的基金会现场总线低速协议标准h 1 为研究对象， 主 要是从数据链路层协议的角度， 分基本设备和链路活动调度器两个方面， 对通信 机制、带宽分配策略、 链路管理和调度机制等关键技术进行研究。同时结合 “ 基 金会现场总线通信协议栈的研究与开发” 项目的开展， 作为项目 负责人进行了具 体的开发工作，最后搭建了一个演示系统进行测试，并顺利通过项目的验收。 本论文共分7 章。 首先在第二章介绍了h 1 的协议体系结构和参考模型， 并 对各层协议都进行了简要说明。 第三章详细介绍了h 1 通信卡软硬件的设计开发， 这既是整个项目的基础， 也为现场设备的开发提供了有益的借鉴。 硬件设计的技 术难点是介质访问单元模块， 文中详细分析了其设计原理， 给出了一个设计实例， 并有针对性地指出存在的问题， 提出了改进措施。 软件设计包括嵌入式操作系统 的移植和底层驱动程序的实现， 并指出:内存拷贝和内存受限是进行嵌入式系统 软件开发的两个关键问题，提出了j l 种行之有效的解决方法。 接下来的第四章和第五章是本论文的重点。第四章首先对数据链路层进行 了概述， 描述了其三层模型结构， 然后对基本设备部分的协议进行了详细的研究， 给出了总体设计和具体实现。 为了有效地解决协议开发中需要使用大量的定时器 用于定时和超时控制的问题， 文中创造性地提出了一种新的定时器管理机制。 第 五章主要研究了链路活动调度器部分的协议， 给出了总体的设计思路， 然后紧紧 围绕五个基本功能进行了详细的设计开发， 重点分析了周期性和非周期的通信机 制， 指出存在的缺陷和不足， 并给出了改进措施。 为了提高通信的实时性和性能， 优化带宽，文中还比较并分析了几种不同的非周期通信的带宽分配策略。 第六章是联调和测试部分，搭建了一个演示系统，设计了测试方案，对协 议实现的关键部分如何进行联调和测试做了详细说明。 最后第七章先是对本项目 前期的工作进行了总结，提出了一些建议，也对以后的工作进行了展望。 关键字: 现场总线， 基金会现场总线，通信协议，数据链路层，链路活动调度器 浙江大学硕士学位论文 基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 abs tract a l o n g w i t h t h e t e c h n i c a l d e v e l o p i n g o f c o m p u t e r , m i c r o - e l e c t r o n i c s a n d c o m m u n i c a t i o n , s i g n a l t r a n s m i t t i n g m e t h o d w a s d e v e l o p i n g f r o m a n a l o g t o d i g i t a l i n t h e f i e l d o f p r o c e s s c o n t r o l a n d m e a n w h i l e p e o p l e b r o u g h t f o r w a r d a n e w t e c h n o l o g y : f i e l d b u s . t h e r e a r e t w o m a i n c h a r a c t e r s o f f i e l d b u s : o n e i s d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n a n d i n t e l l i g e n t p r o c e s s o f f i e l d m e t e r s , a n d t h e o t h e r i s t h a t i t s o p e n i n g a n d a v a i l a b l e t o e v e ryo n e t o t a l l y . f r o m t h e n o n , f i l e d b u s b e c a m e t h e m a i n t e c h n o l o g y i n t h e f i e l d o f p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m . f f h 1 s t a n d a r d i s t h e s t u d y o b j e c t i n t h i s p a p e r . t h i s p a p e r m a i n l y f o c u s e s o n c o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s m , b a n d w i d t h a l l o c a t i o n s c h e m e , l i n k m a n a g e m e n t a n d s c h e d u l i n g m e c h a n i s m o f d a t a l i n k l a y e r . t h e r e s t i l l b e t h e r e a l i z a t i o n o f c o m m u n i c a t i o n c a r d h a r d w a r e a n d p r o t o c o l s t a c k s o ft w a r e . f i n a l l y i t e s t a b l i s h e d a d e m o s y s t e m t o a c c o m p l i s h t h e p r o j e c t . t h e r e a r e s e v e n c h a p t e r s i n t h i s p a p e r . i n c h a p t e r 2 , t h i s p a p e r f i r s t l y i n t r o d u c e s t h e s y s t e m a r c h i t e c t u r e o f h l p r o t o c o l s t a n d a r d a n d r e f e r e n c e m o d e l , t h e n it b r i e fl y d e s c r i b e s e a c h l a y e r . s e c o n d l y t h i s p a p e r d e t a i l e d p r e s e n t s t h e d e s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f h a r d w a r e a n d s o ft w a r e o f h l c o m m u n i c a t i o n c a r d i n c h a p t e r 3 . i t s t i l l p u t s f o r w a r d s o m e r e s o l v e n t f o r t h r e e p i v o t a l p r o b l e m s : ma u d e s i g n i n g , m e m o r y c o p y i n g a n d m e m o ry l i m i t a t i o n . i t i s m o s t i m p o r t a n t o f c o n d u c t i n g r e s e a r c h o n p r o t o c o l s t a n d a r d o f d l l i n c h a p t e r 4 a n d 5 . t h i s p a p e r c o n c r e t e l y p r e s e n t s h o w t o d e s i g n i n g a n d d e v e l o p i n g a l g o r i t h m a n d e a c h s o ft w a r e m o d u l e o f b a s i c a n d l a s d e v i c e s . i t b r i n g s f o r w a r d a c r e a t i o n a ry t i m e r m a n a g e m e n t m e c h a n i s m i n c h a p t e r 4 . i t s t i l l i n d i c a t e s t h e e x i s t e n t d e f i c i e n c y o f c o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s m a n d b a n d w i d t h a l l o c a t i o n s c h e m e , t h e n p u t s f o r wa r d s o me r e s o l v e n t . i n c h a p t e r 6 , t h i s p a p e r g i v e s m e t h o d s t o d e b u g a n d t e s t p r o t o c o l s t a c k s o ft w a re v i a e s t a b l i s h e d d e m o s y s t e m . f i n a l l y i n c h a p t e r 7 , t h i s p a p e r s u m m a r i z e s a l l t h e p r e v i o u s w o r k a n d g i v e s s o m e a d v i c e s f o r s u b s e q u e n t w o r k . k e y w o r d s : f i e l d b u s , f o u n d a t i o n f i e l d b u s , c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l , d a t a l i n k l a y e r , l i n k a c t i v e s c h e d u l e r n 浙江大学硕士学位论文 基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 第1 章绪 论 1 . 1 背景分析 随着数字通信、 计算机、自 动控制、 网络和智能仪表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 rn a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 标准的 定 义: 现 场总 线 是安 装 在制 造和过程区域的现场总线装置与控制室内的自 动控制装置之间的数字式、串行、 多点通信的数据总线。 现场总线控制系统既是一种开放通信网络， 又是一种全分 布控制系统，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、 用户的高度系统集成主动权和系统的准确性与可靠性等优点。 用统 一的开放式的标准可实现各家产品的相互兼容和交换， 使过程控制和工业现场的 控制实现自 动化和网络化。 正因为有这些优点， i s p ( i n t e r o p e r a b l e s y s t e m p r o t o c o l ) 和北美w o r l d f i p ( w o r l d f a c t o r y i n s t r u m e n t a t i o n p r o t o c o l ) 于1 9 9 4 成立了现场总线基金会 ( f i e l d b u s f o u n d a t i o n ，简称f f ) ，现在的现场总线基金会是由国际上1 0 0 多家主要的控制和 仪表厂家以及最终用户组成的非赢利性中立组织，其宗旨是开发适用于过程控 制，开放、可互操作、标准的现场总线。它同时符合i e c 标准和i s a 美国仪器 仪表学会)的s p 5 0 标准，在国际上具有广泛的代表性。 现场总线基金会于1 9 9 6 年第一季度颁布了低速总线h i 标准，使h 1 低速总线 开始步入实用阶段。f f 现场总线h 1 是一种全数字、串行、双向通信协议，用于 现场设备如变送器、控制阀和执行器等的互连。h 1 最根本的特点是专门针对工 业过程自 动化而开发的， 在满足要求苛刻的使用环境、 本质安全、 危险场合、多 变过程以及总线供电等方面， 都有完善的措施。 由于采用了标准功能块及设备描 述技术， 确保不同厂商的产品有很好的互可操作性和一致性。 概括地讲， 在自 动 化产品从设计、 安装、 运行到维护的完整生命周期内， f f 现场总线都能给用户带 来 多 方 面的 效 益 )3 9 ) 1 9 %年在芝加哥举行的i s a %展览会上，由 现场总线基金会组织实施，首次 向世界展示了来自 4 0 多家厂商的7 0 多种符合f f 协议的产品， 并将这些分布在不同 楼层展览大厅不同展台上的f f 展品， 用醒目的橙红色电缆， 互连为七段现场总线 演示系统， 各展台现场设备之间可实地进行现场互操作， 展现了基金会现场总线 浙江大学硕士学位论文 基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 的基本概貌。 1 . 2 现场总线的特点 现场总线具有以下突出特点: 令 开放性 现场总线控制系统( f c s , f i e l d b u s c o n t r o l s y s t e m ) 采用公开化的 通信协议， 遵 守同一通信标准的不同厂商的设备之间可以互连及实现信息交换。 用户可以灵活 选用不同厂商的现场总线产品来组成实际的控制系统，达到最佳的系统集成。 令 互可操作性 互可操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以统一组 态， 实现同一的控制策略和 “ 即插即用” ， 不同厂商的性能相同的设备可以互换。 令 灵活的网络拓扑结构 现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况组成不同的网络拓扑结构， 如树 型、星型、总线型和层次化网络结构等。 令 系统结构的高度分散性 现场设备本身属智能化设备，具有独立自 动控制的基本功能，从而从根本上 改变了d c s的集散式的体系结构，形成了一种全新的分布式控制系统，实现了 控制功能的彻底分散， 提高了控制系统的可靠性， 简化了系统结构。 现场总线与 上一级网络断开后仍可维持底层设备的独立正常运行，其智能程度大大加强。 今 现场设备的高度智能化 传统的d c s 使用相对集中的控制站，而现场总线控制系统则将 d c s的控制 站功能彻底分散到现场控制设备， 仅靠现场总线设备就可以实现自 动控制的基本 功能， 如数据采集与补偿、 p i d运算和控制、设备自 校验和自 诊断等功能。操作 员可以在控制室实现远程监控， 设定或调整现场设备的运行参数， 还能借助现场 设备的自 诊断功能对故障进行定位和诊断。 令 对环境的高度适应性 现场总线是专为工业现场设计的，它可以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电 力线和无线的方式来传送数据， 具有很强的抗干扰能力。 常用的数据传输线是廉 价的双绞线， 并允许现场设备利用数据线进行供电， 还能满足本质安全防爆要求。 总之， 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 了根木性的变革。 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、 浙江大学硕士学位论文基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 设计思想、 安装调试方法、 人员培训以及产品市场的格局。 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 互操作和互换使用， 给用户进行系统组织和选型提供了更多的选择， 也可以减少 必需的备品、备件。 1 . 3国内 外发展状况 现场总线是对d c s的拓展，突破了d c s 相对封闭的限制，它将测控任务分 散到现场设备中，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。 现场总线是丁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 势的重要举措， 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，国 家经贸委针对用高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” 、 “ 基于以太网的控制 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;推进 “ 过程自 动化工程软件开发工具” 和 “ 工程平台” 等前沿高技术 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前化研究，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 面提高工业生产自动化水平，等方面提出明确的要求。 “ 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 浙江大学硕士学位论文 基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 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， 完全可以通过我们的努 力把这个差距缩小，甚至在某些方面超过国外。 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 n f 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，国际著名自 动化公司都 己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。 根据 a r c针对现场总线最终用户的最新调查报告显示，现场总线的兼容性 正成为用户选择控制系统的一个关键标准。由基金会现场总线 h 1 , h s e和 p r o f i b u s 的d p , p a组成的现场总线控制系统已经进入过程控制自 动化主流领域， 并正在被安装在大型的重要应用场合。 同时报告还显示， 现场总线市场上用户的 选择主要集中在两种总线技术: f f 和p r o fi b u s ， 这两种技术有望在不久的将来成 为真正的现场总线标准，统一目 前国际上多种总线技术并存的局面四。 a r c的此次调查对象包括最终用户、o e m提供商和系统集成商，代表了全 世界所有主要的过程控制行业， 包括传统的重工业如炼油、 石化、 化工、 石油天 然气和电力，其中5 0 %的被调查者来自 北美。调查的最终结果如图1 - 1 所示43 5 1 1 . 0 0 r - - 、- - - - - - - - - - - - - - - - - ， ， 一 0 . 8 0 0 . 6 0 0 . 4 0 0 . 2 0 p r o f i b u s p ap r o f i b u s d p 61.50%50%15.40%23.10%井 32.609126. 10%41.3094 hse-燮80%-70% 0 . 0 0 口不i 一 划安装 口 训 戈 if 在未 来三 年内 安 装 f f h 1 2 3 . 5 0 % 3 1 . 4 0 % 4 5 . 1 0 % 4 6 .4 9 . 口己经安 图1 - 1 f f 和p r o f i b u s 应用情况调查结果 从图1 - 1 的结果显示， 不管是目 前己 经安装的还是计划安装的情况， 基金会现场 总线的h 1 总线控制系统都处于领先地位。 到目前为止，f f已经得到包括 f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子、s m a r 等 8 0 多家著名厂商的支持， 有3 4 家厂商的1 6 0 多种产品通过f f 认证， 广泛应用于炼 浙江大学硕士学位论文基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 油、 化工、 机械和电 力等过程控制领域。 根据f f 的一则消息， 2 0 0 3 年4 月，上 海石化总公司上马了总额高达 3 千万的f f 系统项目，开了在过程控制领域大范 围应用现场总线技术的先河。 通过以上分析可以得出结论: f f己经成为现场总线的主流技术， 市场前景广 阔， 并有望在不久的将来成为现场总线的国际统一标准: 目 前处于起步发展阶段， 国内与国外的技术差距并不是很大， 我们成功的机会很大; 经过最近几年的工作， h s e协议开发基本完成，可以提供组态软件、功能块和 f ms 协议软件。 所以，我们选择基金会现场总线 h 1 作为本论文的研究方向。 1 . 4 本文研究内 容及结 构 本论文是在同期进行的开发项目 “ f f 基金会现场总线通信协议栈的研究与开 发” 的基础上， 主要针对其中数据链路层部分的协议进行了研究， 分析了数据链 路层的通信机制、 链路管理和调度机制， 并给出了物理层通信接口卡的实现、 数 据链路层基本设各和链路活动器的协议栈软件实现。 本论文共分七章。第一章简要介绍了国内外工业自 动化领域的一些发展变 化，以及现场总线技术的最新情况;第二章对h i 的协议体系和参考模型作了分 析，并简要介绍了各层协议标准;第三章详细介绍了h 1 物理层通信接口 卡的硬 件和底层软件的设计与实现， 这是整个项目开发协议栈的基础平台; 第四章先对 数据链路层做了概述， 然后重点分析了基本设备的数据链路层协议， 并给出了数 据链路实体初始化、 无连接和面向连接通信的具体实现; 第五章详细分析了链路 活动调度器的主要功能和协议标准， 同时给出了具体算法和实现， 对其中的周期 性受调度通信机制、 非周期性通信机制和带宽分配策略进行了较详细的研究， 提 出了一些改进的方法; 第六章是联调和测试， 简要介绍了如何在现有条件下对己 开发的协议栈软件进行调试和测试;最后第七章对所有已完成的工作做了总结， 并对后期的工作进行了展望，提出了一些建议。 浙江大学硕士学位论文基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 第2 章f f h 1 协议体系结构 2 . 1 概述 由于各国各大仪表生产厂商的利益分配矛盾，许多的组织、公司和国家都提 出了各自的现场总线标准， 造成了目 前多种现场总线标准并存的情况，目 前世界 上有一定市场的总线约有四十几种。这些总线标准在协议报文长度、通信速率、 网络结构、 介质访问机制等方面有较大的差距。 虽然国际上通过多年的努力仍然 没有制定统一的总线标准，但 i e c 6 1 1 5 8 现场总线国际标准经过长达十五年的激 烈讨论，最终于 1 9 9 9 年底有8 种总线标准纳入: t y p e 1 : i e c 6 1 1 5 8 技术规范 t y p e 2 : c o n t r o l n e t 现场总线 t y p e 3 : p r o f i b u s 现场总线 t y p e 4 : p - n e t现场总线 t y p e 5 : f f h s e ( h i g h s p e e d e t h e r n e t ) 升p e 6 : s w i ft n e t 现场总线 t y p e 7 : wo r l d f i p 现场总线 t y p e 8 : i n t e r b u s 现场总线 其中t y p e 1 是1 9 9 9 年一季度出 版的i e c 6 1 1 5 8 t s 技术规范全面定义的现场 总线，基金会现场总线( f f ) h 1 是它的一个子集。 t y p e 2 一t y p e 8 都需要对t y p e i 提供接口，但相互之间不需要提供接口，可使用各自的行规。 2 0 0 0年 7月和 2 0 0 1 年 1 1月i e c又审议通过了4种新的现场总线标准: a s i ( a c t o r s e n s e i n t e r f a c e ) , d e v ic e n e t , s d s 和c a n . 2 . 2 h 1 协议体系与参考模型 基金会现场总线的核心部分是其通信协议，为了实现系统的开放性，其通信 协议模型参考了i s o / o s i 模型， 并根据自 动化系统的特点和要求进行了简化。 如 图2 - 1 所示i l l , o s i 参考模型包括了 七层协议， f f采用了其中的三层: 物理层 ( p h l ) 、 数据 链路层 d l l ) 和应用层( a p l ) ， 并 按照 现场总 线的 实际 要 求， 把应 用 层划分为两个子层 总线访问子层( f a s ) 和总线报文规范子层( f ms ) 。 省去了中 间的3 -6 层，同时考虑到现场装置的控制功能和具体应用需要在应用层之上增 加了新的一层用户层， 不同厂家的产品在用户层的基础上实现。 对于协议的 开发来说，中间两层往往统一为一个整体，称为通信协议栈。 浙江大学硕士学位论文基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 o s i 参考模型f f 参考模型 通信协议栈 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 总线报文规范子层 总线访问子层 数据链路层 物理层 图2 - 1 f f 现场总线通信模型与o s i 模型 2 . 3 h l 物理层协议 物理层根据国际电工委员会和国际测量与控制协会批准的标准定义。 物理层 提 供机械、电 气、 功能 性和规程性功能，以 便在数据链路实体 ( d l e , d a t a l i n k e n t i t y ) 之间建立、 维护和拆除物理连接。 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， 实现介质存取接口， 完成物理信 号的传输。传输介质为双纹线、同轴电缆、光纤和无线传输。h 1 是低速总线， 采用了i e c 6 1 1 5 8 - 2 的 协议 规范， 主 要用于 现场级， 传输速率为3 1 .2 5 k b p s ， 传输 距离为2 0 0 -1 9 0 0 米，总线最多可串 接4 台中继器，每段结点数最多为3 2 个。 h 1的物理层由物理介质和数据传输信号协议组成。现场总线设备至少包含 一个物理层实体( p h e ) ， 而网 桥设备每个网络接口 都必须至少包含一个。 物理层 向数据链路层提供服务，使得数据链路层收发数据与具体的物理介质类型无关。 h l 的物理层支持双绞线，提供两种供电方式:总线供电和非总线独立供电。 总线供电设备直接从总线上获取供电电源，实现低功耗设备在本安环境下的应 用。独立供电设备拥有单独的外部电源。 支持介质存取单元( m a u , m e d i a a c c e s s u n i t ) 冗余的现场设备对每一个连接 的物理介质都包含一个物理层实体。当存在冗余链路 ( 最大8 个) 时， 物理介质 相关子层同时在所有链路上发送数据。 对于接收方， 物理介质相关子层选择其中 一条链路并且将单一数据流传递给物理介质独立子层。 物理层信号采用曼彻斯特双相一 l ( m a n c h e s t e r - b i p h a s e - l ) 同步编码技术。这 浙江大学硕士学位论文基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 种信号被称为 “ 同步串行信号” ，因为在串行数据流中包含了时钟信息，接收方 可以从接收波形中解码出数据和时钟， 因此每帧数据无需使用停止位。 数据与时 钟信号混合形成现场总线信号， 一个比特时间中间的负跳变编码为逻辑+ 1， 正 跳变编码为逻辑 o ; 。 如图2 - 2 所示t 1 3 . 时钟 数据 曼彻 斯特 双向 一 l 编码 图2 - 2 曼彻斯特双向一l编码 h 1采用同步通信的方式。物理层在数据链路层产生的数据报文上增加前同 步信号，起始定界符和结束定界符，为区别有效数据，采用了特殊字符来定义。 包括: 前同步信号 通信信号最前端的8 位二进制数( 1 0 1 0 1 0 1 0 ) ; 起始定界符 标明帧信息的 起点 ( 1 n + n - 1 0 n - n 十 0 ) ; 结束定界符 标明 帧信息的结束 ( i n + n - n + n - 1 0 1 ) 。 如图2 - 3 所示1 3 1 . 时 钟1 u 前同步信号+ 起始定界符 结束定界符 图2 - 3 附加特殊编码 前同步信号被接收器用来将其内部时钟与输入的现场总线信号同步。 起始定界符和结束定界符包含专用的n + 和n - ，这两个值在 1 比 特时间中间 不跳变， 接收器用起始定界符来找到现场总线报文的开始; 在找到起始定界符后 连续接收数据直到收到结束定界符为止。 2 . 4 h l 数据链路层协议 浙江大学硕士学位论文基金会现场总线数据链路层协议的研究与 开发 数据链路层负责实现链路活动调度、 数据传输、设备活动状态的监视和总线 上各设备间的链路时间同步等。 此外， 数据链路层还要完成不同总线网段之间通 信的桥路连接管理。 在 h1 协议标准中，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。 具体地说， 现场总线设 备在数据链路层可分为 两种: 基本设备 ( b a s i c d e v i c e ) 和链路 主设备 ( l i n k m a s t e r d e v i c e ) 。基本设备不能主动发起一次通信，只能接受查询: 链路主设备则可以 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链路主设备， 它能 够调度本网 段各个设备的通信活动，称为链路活动调度器( l a s , l i n k a c t i v e s c h e d u l e r ) . l a s 通过组态后的调度表指示其他设备发送周期数据 ( 如图2 - 4 所 示l al);当没有周期性数据发送时， l a s 循环地向 链路设备发送令牌， 使其获得 发送非周期性数据的 机会 ( 如图2 - 5 所示13 1 ) e 图2 - 4周期性调度数据传输 图2 - 5非周期性数据传输 链路活动调度器中有一张调度时刻表， 这张时刻表对所有需要周期性传输的 设备中的所有数据缓冲器起作用。当设备发送缓冲区数据的时刻到时，l a s向 该设备发出一个强制性数据( c d ) 。 一旦收到c d ， 该设备广播或 “ 发布” 该缓冲 区数据到现场总线上的所有设备。 调度数据传输常用于现场总线各设备间， 将控 浙江大学硕士学位论文基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 制回路的数据有规律的、准确的传输。 在现场总线上的所有设备都有机会在调度报文传送之间发送“ 非调度” 报文。 l a s通过发布一个传输令牌( p t ) 给一设备，允许该设备使用现场总线。当该设 备接收到p t时， 它就被允许发送报文， 直到它发送完毕或“ 最大令牌持有时间” 到为止，以其中时间短的为准。 h 1 的数据链路层是i e c / i s a d l l标准的一个子集。 2 . 5 h 1 应用层协议 h l的应用层包括应用进程、应用实体和应用服务元素等。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:上层是 总线报文规范子层( f m s , f i e l d b u s m e s s a g e s p e c i f i c a t io n ) ，为用户层提供服务; 下层是总线访问 子层( f a s , f i e l d b u s a c c e s s s u b l a y e r ) ，与数据链路层连接。 2 . 5 . 1总线访问 子层f a s 协议解析 f a s 使用数据链路层的调度和非调度特点，为现场总线报文规范提供服务。 f a s 服务类型由 虚拟通信关系v c r ( v i r t u a l c o m m u n i c a ti o n r e l a t i o n s h ip s ) 来描述。 一条现场总线可以有多台链路主设备。如果当前的l a s失效，其他链路主设备 中的一台将成为 l a s ，这样的操作将是连续的。现场总线设计成 “ 故障时仍可 运行” ，这些信息仅需输入一次，就可以成为 “ 快速拨号”了。而且，在组态后， 仅需v c r号码就可与其他现场总线设备进行通信【1 3 1 f a s提供 3 种类型的服务:发布者/ 预定者方式、客户/ 服务器方式和报告分 发方式。三种v c r的区别主要在于f a s 怎么使用d l l进行报文的传输。 发布者/ 预定者方式( 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， 再由预定者接收， 用于带缓存、 一对多的通信。 缓冲意味着在网络中只保留最新 的数据， 新数据完全覆盖以 前的数据。 当设备收到强制数据( c d ) 后， 它向 现场总 线上的所有设备 “ 发布” 或广播它的报文， 那些希望接收发布报文的设备被称为 “ 预定者” 。 该c d可由l a s 调度， 也可以由基于非调度的接收方发送。 v c r标 志指明使用哪一种方法，因此它又分为两种情况: 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预定者单向发送不需要确认 的信息。 发布者/ 预定者v c r类型，被现场总线设备用于周期性的、受调度的，用户 应用功能块在现场总线上的 输入和输出， 诸如过程变量( p v ) 和原始输出等。 浙江大学硕士学位论文基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 客户 / 服务 器( c l i e n t / s e r v e r ) v c r类型， 用以 实 现 现场总线设备间 排队的、 非 调度的、 用户初始化的、 一对一的通信。 排队意味着报文的发送和接收是按次序 进行传输的， 它亦是按照其优先级，以不覆盖原有报文的方式进行的。当设备从 l a s收到一个传输令牌( p t ) ，它可以 发送一请求报文给现场总线上的另一台设 备， 请求者被称为“ 客户” ， 而收到请求的设备被称为 “ 服务器” ，当服务器收到 来自l a s的p t时，发送相应的响应。 客户/ 服务器的v c r类型可以提供确认服务和非确认服务，用于操作员产生 的请求，诸如设定点改变、整定参数的存取和改变、报警确认和设备的上/ 下载。 报告 分发 ( r e p o rt d i s t r ib u t i o n ) v c r 类型， 用以 实现现 场总线 设备间 排队的、 非调度的、 用户初始化的、 一对多的通信。 当设备有事件或趋势报告， 且从l a s 收到一个传输令牌( p t ) 时， 将报文发送给由 该 v c r定义的一个 “ 组地址” 。 在 该v c r中被组态为接收的设备，将接收这个报文。 报告分发v c r类型， 一般用于现场总线设备发送报警通知给操作员控制台。 三种 v c r类型总结如表 2 - 1 : 现场总线报文规范子层 f ms 客户/ 服务器v c r类型 用于操作员报文的发送 设定点的改变 模式改变 整定改变 上载/ 下 载 报警管理 访问显示观察 远程诊断 报告分发v c r类型 用于事件通知或趋势报告 向操作员控制台发送报警 通知 向历史数据采集台发送趋 势报告 发布厅 页 定者v c r类型 用于发送数据 向 p i d功能块和操作 员控制台发送变送器 pv 数据链路层服务 表2 - 1 三种v c r类型p 3 2 . 5 . 2总线报文规范子层f ms 协议解析 f m s 规定了 用于向 应用进程( a p , a p p l ic a t i o n p r o c e s s ) 对象提供的 服务、 报文 格式和用户应用建立报文所必需的协议行为。f ms 通过调用 v c r ，以标志的报 文格式集 ( 抽象语法表示 1 ( a s n .1 ) 的 格式) 在现场设备之间 传送报文。 f m s为 浙江大学硕士学位论文基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 上层用户提供七大类共四十多种服务， 包括通信服务、 上下文管理服务、 对象字 典服务、变量访问服务、事件服务、上载/ 下载服务和程序调用服务。 2 . 5 . 2 . 1对象描述和对象字典 通过现场总线通信的数据，以一个 “ 对象描述”来表示，对象描述集合在一 个叫做“ 对象字典” ( o d , o b j e c t d i c t i o n a r y ) 的结构中。 在对象字典中 包含有以 下 通信对象的对象描述:数据类型、数据类型结构描述、域、简单变量、矩阵、记 录、 程序调用、 变量表事件。 但某一个具体的虚拟现场设备的对象字典并不一定 包括上述所有对象的描述，而可能只包括其中的几种。 对象字典由一 系列的条目组成，每一个条目 用惟一的目 录号来标识，它是一 个 1 6 位的无符号数，分别描述一个应用进程对象和它的报文数据。索引0 称为 对象字典头， 提供对字典本身的描述， 且定义了用户应用对象描述的第一个索引， 用户应用对象可以从索引号2 5 5以上的任一索引开始。 索引号2 5 5 及它以下的索 引号，定义了标准数据类型: 有布尔型、整型、浮点型、比特串和用于建立其他 对象的数据结构。目 录号在对象和对象描述的服务中起到关键索引的作用。 另一 个可能的关键索引则是对象的名称， 在字典的o d对象描述中说明了在该字典中 是 否 支持 名 称索引 13 1 2 . 5 . 2 . 2虚拟现场设备 虚拟现场设备( v f d , v i r t u a l f i e l d d e v i c e ) 用于远程观察对象字典中 描述的本 地设备数据。 一般一个虚拟现场设备有一个对象字典来描述与其有关的网络可视 对象。比较特殊的是网络管理和系统管理两个模块共同构成管理虚拟现场设备， 它们共用一个对象字典。 典型的设备至少有两个虚拟现场设备， 如图2 - 6 所示1 3 1 网络及系统管理应用功能块应用 网络及系统管理v f d nmxj*mi1 t*mtt og m me nmi b 对象描述 s m i b 对象描述 s m i b 对象数据 nmi b 对象数据 图 2 - 6典型的 v f d 网络管理提供通信协议栈的组态。 用于网络管理的虚拟现场设备也为系统管 浙江大学硕十学位论文基金会现场总线数据链路层协议的研究与开发 理所用。 v f d提供对网 络管理信息库( n m i b ) 和系统管理信息库( s m i b ) 的 访问。 n mi b数据包括虚拟通信关系、 动态变量、 统计量和链路活动调度器调度。 s mi b 数据包括设备位号和地址信息以及功能块执行的调度。 2 . 6 h 1 用户层协议 用户层是现场总线标准在o s i 模型之上增加的一层， 是使该标准超越通信标 准而成为系统标准的关键。 用户层主要针对自 动化测控应用的需要， 定义了信息 存取的统一规则， 采用设备描述语言规定了 通用的功能模块( f u n c t i o n b l o c k ) 供用 户组态构成系统。其中标准化基本功能块 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。 2 . 6