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1、L O N W O R K S 和D e v i c e n e t 性能分析及改进 张淑清应启戛 ( 上海理工大学光学与电子信息工程学院上海2 0 0 0 9 3 ) 摘要：现场总线的媒体访问控制层对网络的实时性有很大影响，本文介绍了工业中应用较多的两种现场总线：L O I 娜O R K S 和 D e v i c e n e t 总线，它们的M A C 层都采用了载波监听多路访闯即C S M A 控制方式， ：f ：! 足对信息冲突的处理策略各不相同，其网 络性能也不相同。本文分析了它们各自的介质传送方式和实时性，为用户选择自己适合的现场总线提供了依据。 关键询：凇CD e v i c e
2、 n e tL O N w 0 R K S L o N W O R K Sa n dD e v i c e n e tF i e l d b u sC o m p a r i s i o n Z h a n gS h u q i n gY i n gQ i j i a ( O p t i c sa n dE l e c t r o n i c sC o l l e g e ，U n i v e r s i t yo fS h a n g h a if o rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 3 ，C
3、h i n a ) A b s t r a c t ：M A C p r o t o c o lo f al o w e r l a y e r sa r c h i t e c t u r ea f f e c tt h er e a l t i m ef e a t u r e so ff i e l d b u s ，i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h et w o c o m m o nf i e l d b u s ：L O N W O R K Sa n dD e v i c e n e t ，t h e i rM A Cu s
4、 et h es a m ep r o t o c o lC S M A C D ，b u tt h ed i f f e r e n tc o l l i s i o ns o l u t i o n , t h e i rn e tp e r f o r m a n c e sa r ev e r yd i f f e r e n t W ea n a l y z et h e i ro w nm e d i a a c c e s s i n gc o n t r o lm e t h o da n dr e a lt i m ep e r f o r m a n c e K e y w
5、 o r d s ：M A C ：d e v i c e n e t ；L O N W O R K S 1 引言 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点 之一。现场总线技术日渐成熟，不同总线在各自的 领域有独特的优势。对用户而言，如何选择适合自 己需要的现场总线，满足工业控制中的实时要求， 这需要了解现场总线的特点，尤其是数据链路层的 通信介质访问控制方式。本文详细介绍了这 L O N W O R K S 和D e v i c e n e t 总线的M A C 层，对总线的选 用和改进方法提出了自己的建议。 2M A C 层概述 M A C 层对应于O S I 模型的第2 层数据链路层的 介质
6、访问子层。现场总线网络仅有一条通信信道， 由网络上的所有设备共享，当信道的使用产生竞争 时，由M A C 决定如何分配信道使用权。M A C 处理的 信息分为两种，周期性的和非周期性信息，非周期 性信息又分为：强实时性非周期性信息，如报警信 号、故障处理信号等；弱实时性非周期性信息，如 调试信号、统计信息等。周期性信息发送是控制系 4 1 l 统周期采样的控制模式对控制网络提出的需要，其 实时性一般介于两种非周期性信息之间。M A C 是现 场总线系统的关键，很大程度上决定了网络的实时 性与可靠性。 L O N W O R K S 和D e v i c e n e t 总线属于事件触发的现 场
7、总线，M A C 层都采用C s M A ( C a r r i e rS e n s e M u l t i p l eA c c e s s ) 载波监听多路访问控制方式， 其网络性能和实时性的差别来自于它们不同的冲 突处理策略。L O N w 0 R K S 与D e v i c e n e t 总线的性能对 比如表l 所示。 3O e vic e n e t 总线的M A C 协议 D e v i c e n e t 的介质访问方式完全采用了C A N 的 M A C 协议，即带优先级的C S M A C D ( C a r r i e rS e n s e M u l t i p l
8、 eA c c e s s w i t hC o l l i s i o nD e t e c t i o n 带冲突检测 的载波监听多路访问) 。多主方式工作，节点间不 分主从，发现总线空闲时，网络上任意节点都可以 主动向网络上其它节点发送信息。每个节点在发送 信息之前，都要监听总线上是否有信息在发送，这 就是“载波监听”。当总线上发生冲突时，采用非 破坏性逐位仲裁( n o n d e s t r u c t i v eb i t w i s e 性能描D e v i c e n e t L O N W O R K S 述 连接电双绞线、信号线、电缆 双绞线、电缆线、光纤、 缆线、屏蔽线
9、红外线、同轴电缆 收发器 改造的R S 4 8 5 收发器由E c h d o n 或其他公司 提供 拓扑结有一些限制 无限制 构 M A CC S D 带预测的p _ 坚持 C S M A C D 最大节6 4 2 5 5 子网1 2 7 节点 点数 = 3 2 3 8 5 I D 节点的I D 由D I P 开关N e u r o nI D ( 特殊的4 8 设定也可由软件设定位数据用于安装和调 试阶段) 信息长8 位 2 2 8 位 度 比特率 1 2 4 b p s - 5 0 0 k b p s6 0 0 b p s - 1 2 M b p s 电缆长1 0 0 m 5 0 0 m2
10、 2 0 0 m - 2 7 0 0 m 度 自治要求一个或更多的P L C 完全自治系统自配置 或P C 主机 运行时无支持不同应用层的时 间库间库 实时性实时性取决于C P U 或I O M H z 的N e u r o n 芯片 C A N 控制芯片 8 - 9 m s 2 0 M H z 的N e u r o n 芯片 4 m s 抗噪声抗噪声能力差噪声环境中可使用光 纤 表1L O N W O R K S 与D e v i c e n e t 网络对比 a r b i t r a t i o n ) 技术。当几个节点同时向网络发送信息 时，借助帧中开始部分的标识符，优先级低的节点 主
11、动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响 地继续发送信息，从而有效地避免了总线冲突，使 信息和时间均无损失，大大节省了总线冲突仲裁时 间。数据的帧结构如图1 所示。C S M A C D 保证了数 据的实时性。 在C A N 协议中逻辑“0 ”定义为显性比特，逻 辑“l ”定义为隐性比特。D e v i c e n e t 总线各节点的 发送电路的端口用集电极开路门实现，在节点发送 信息时，做“与”运算。若某节点发送了0 ，而 有其它的节点发送了l ，则运算的结果将是0 ，这 时总线上为0 ，发送l 的节点将总线上的值与它发 送的值比较后得知两者不等，说明它的优先级低， 将自动退出发送。若出
12、现两个不同节点发送的值相 等，则继续进行比较，直到比较出不同的值，决定 出优先级，优先级低的节点由发送节点转为接收节 点。D e v i c e n e t 上每个节点都是边发送信息边检测 网络状态，当某一个节点发送l 而检测到O 时，此 节点知道有更高优先级的信息在发送，它会立即中 断，停止发送信息，比较结束后，优先级最高的节 点得到发送权，此节点等待，直到再一次检测到网 络空闲。D e v i c e n e t 采用了非破坏性逐位仲裁技术， 低优先级的节点不可避免的产生了数据传输延时 的不确定性，但是“先听再讲，边听边讲”的C S 姒C D 方式，保证了高优先级报文的实时性，提高了信道
13、利用率 镑簸溺 I S O F R E o 薹 l 锻起始 标识符 T 控媚璐黢瓣蝤C R C 螨A C K 褥 愤然秉 I 殳 S O F - - 咖no ff r a n c R T R - - r e m o mt r a m s i m i s s i o nr e q u e s t ( R T R - O ) E 咿e n d o ff r a m e 图1D e v i t e n e t 的数据结构 C A N 协议要求传输的数据单元采用短帧结构， 有效数据不能超过8 字节，这大大限制了C A N 在实 际中的应用。D e v i c e n e t 加入了自己的应用层协议，
14、4 1 2 遇到C A N 不能处理的大于8 字节的数据，就使用高 层协议处理，把数据分割为片断，加入到数据帧中。 但是片断传输破坏了数据的整体性，所以传输之前 电子测量与仪器学报2 0 0 5 年增刊 II II II 1 17 使用一个字节的信息加入关系识别符对其进行描 述，发送完成后，利用识别符重现完整的数据。同 时采用更为有效的生产者消费者模式取代了传统 的源目标模式，满足了更为复杂的要求。 D e v i c e n e t 设备既可能是客户，也可能是服务器， 或者兼备两个角色，而每一个客户服务器又都可 能是生产者、消费者，或者两者皆是。生产者消 费者模型与典型的源目的模式相比，多个
15、消费者 可以同时接受到来自同一个生产者发送的消息，而 不用逐个指定源目的，显著降低带宽消耗，使用 更为灵活、高效。同时，使用D e v i c e n e t 总线可以 利用帧中的R T R 位改进数据传输能力，对数据进行 压缩处理，提高数据传送能力。也可以在通道中放 出全0 的侵入帧，加快系统的响应时间。 D e v i c e n e t 总线的数据通信具有突出的可靠 性、实时性和灵活性。D e v i c e n e t 作为现场设备级 的通信总线，同其它总线相比，具有很高的可靠性 和性能价格比。 4L O N W O R K S 总线的M A C 协议 L O N W O R K S
16、的通信介质访问控制方式为带预测 的P 一坚持C S 姒C D 。P 一坚持算法的规则是：总线空 闲，则以P 概率发送消息，以( 卜p ) 概率延迟一 个时间单元发送( 典型时间单元等于最大传输延迟 时间) ：总线忙，则继续监听，直到其空闲，再以P 概率进行发送；如果发送已经延迟一个时间单元， 也以概率P 进行发送。可见合理的选择P 可以达到 较好的通信效果。 L O N W O R K S 总线为提高紧急事件的响应时间，为 用户提供了优先级选择机制。L o N w 0 R K S 允许用户为 每一个需要优先级的节点分配一个特定的优先级 时间片，优先级时间片最多可以增加到1 2 7 个，低 优先级的节点增加较多的时间片，高优先级的节点 增加较少的时间片，时间片数量可由用户取值，并 加在P 概率时间片后发送，使得优先级高的节点总 能比低优先级的节点获得更快的响应时间。 带预测的p 一坚持C S M A C D 方法，规定所有的节 点根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质， 有效地避免了网络的频繁
