现场总线体系结构-

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1、现场总线,陆晓春 实验楼A310 L,第三章 现场总线体系机构,3.1 网络体系机构概述 3.2 OSI若干概念 3.3 现场总线体系结构的建立及特点 3.4 现场总线网络的拓扑结构,3.1 网络体系机构概述,网络协议 在一个网络中，有许多相互连接的节点，在这些节点之间要不断地进行数据的交换。 每个节点就必须遵守事先约定好的规则，这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的时序问题。 这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定就称为网络协议,网络协议,语法，即数据与控制信息的结构或格式。“如何讲”。 语义，即需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答。 “讲什么”。 时序，即

2、事件实现顺序的详细说明,对于非常复杂的计算网络协议，其结构最好采用层次式的。各层之间是独立的，灵活性好，容易实现和维护，能促进标准化工作 将计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构，是抽象的,3.2 OSI参考模型若干概念,开放系统互连参考模型划分原则 网路中各结点都有相同的层次 不同结点的同等层具有相同的功能 同一结点内相邻层之间通过接口通信 每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务 不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信,物理层,物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。该层为上成协议提供了一个传输数据的物理媒体。 该层数据的单

3、位称为比特（bit）。 属于物理层定义的典型规范代表包括：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45等,数据链路层,数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。 该数据的单位称为帧（frame） 在每一帧的控制信息中包括同步信息、地址信息、差错控制，以及流量控制信息等 数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等,网络层,网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。 该层数据的单位称为数据包（packet） 网络层协议的

4、代表包括：IP、IPX、RIP、OSPF等,传输层,传输层是第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。 该层数据的单位称为数据段（segment） 传输层协议的代表包括：TCP、UDP、SPX等,会话层,会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。 会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步,表示层,表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。 表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等,应用层,应用层为操作系统或

5、网络应用程序提供访问网络服务的接口。 应用层协议的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等,3.2.2 开放系统互连环境,3.2.6 面向连接服务与无连接服务,无连接服务,在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留。这些资源将在数据传输时动态地进行分配 无连接服务的优点是灵活方便和较为迅速，但它不能防止报文的丢失、重复或失序,3.3 现场总线体系结构的建立及特点,工业通信网络的特殊性 效率 确定性 鲁棒性 节点成本 本质安全性,3.3.2 现场总线的组成要素,“IEEE802”课题组专门负责局域网的标准化 已经制定了物

6、理层和数据链路层协议，把数据链路层分为两个子层次：逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层 现场总线是应用在生产现场的局域网，参考了OSI和IEEE802，现场总线一般只使用ISO/OSI参考模型中的第1、2、7层，即物理层、数据链路层和应用层 现场总线通信模型中应该包括三个基本要素：底层协议、上层协议和行规,3.3.3 现场总线通信模型,物理层,物理层提供网络通信接口的机械、电气、功能和过程特性，以便在数据链路实体之间建立、维护和拆除物理连接 物理层通过物理连接在数据链路实体之间提供透明的位流传输 IEC最早确定的现场总线物理层国际标：传输速率为31.25kbps的串行通信接口

7、，典型响应时间约为1ms，未知出错率低于每20年一次，并规定了数据的物理信号表达形式、传输媒体、传输速率、网络拓扑结构等,IEC提出另外设计一种高速总线接口标准，使其传输速率分别为 1Mbps 和 2.5Mbps，典型的响应时间可达 32s，总线段最大长度缩短为 750m，能够连接 127个现场设备 高速总线标准正在向高速以太网标准倾斜,数据链路层,现场总线的实时通信主要由数据链路层提供 所谓实时，在这里可以理解为提供一 “时间窗”，在该时间窗内，需要完成具有某个指定级别确定性的一个或多个动作 数据链路层分成两个功能子层：逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层,LLC 子层：

8、负责控制节点间帧的发送和接收，同时检验传输差错 发送时把要发送的数据加上地址和 CRC字段等构成帧 接收时，把帧拆开，执行地址识别和 CRC 检验功能，并具有帧顺序以及差错控制等功能,MAC子层： 实现对共享总线媒体的“交通”管理，并检测传输线路的异常情况。 现场总线有三种媒体访问控制方式：令牌传送（token passing）、立即响应（immediate response）和授权令牌（delegated token） 令牌传送：节点有令牌才能发送，发送完交还令牌 立即响应：主节点给某个节点一个机会来应答 授权令牌：节点可申请令牌,LAS,链路活动调度器(LAS, Link Active S

9、cheduler) LAS 是一 条总线段的调度中心，拥有总线段上所有设备的清单及链路活动调度表。 总线段上的设备只有得到 LAS 许可，才能向总线上传输数据 LAS 应具有以下两种基本功能：调度通信和非调度通信,调度通信 由LAS按预定调度时间表依次发起的通信活动，称为调度通信或周期性通信 预定调度时间表(STL，Schedule Time List) 强制数据令牌(CD，Compel Data token) 非调度通信 在预定调度时间表之外的时间，LAS 向总线发出一个传递令牌(PT，Pass Token)，得到这个令牌的设备才能发送信息，称为非调度通信或非周期性通信,应用层,现场总线应用

10、层为用户层提供访问现场总线通信环境的手段，定义了允许应用进程间相互通信的协议。应用层分为两个子层总线报文规范子层（FMS）和总线访问子层（FAS）。 总线报文规范子层针对分布式测控系统的构成、运行和改变，提供对象字典服务、变量访问服务和事件服务 总线访问子层则针对 FMS、功能块、应用管理和系统管理，提供发布/预订接收者、客户/服务器和报告分发三种服务,用户层,应用进程（AP）是现场总线活动的基本组成部分 EC把实现控制系统所需要的各种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的功能块应用进程（FBAP），

11、便于实现不同制造商产品的混合组态与调用 功能块的通用结构是实现开结构框架的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础,3.4 现场总线网络的拓扑结构,通信网络的拓扑结构就是指通信网络中节点的互连方法，是影响网络性能的主要因素之一。 局域网中使用的拓扑结构有六种，分别为总线型、星型、环型、树型、菊花链型、和网状结构 前5种常被现场总线采用,3.4.1 总线型结构,传输媒体是一条总线，工作节点通过称为分接头的硬件接口接至总线上 终端器是连接在总线末端或末端附近的阻抗匹配元件，每个总线段上有且只有两个终端器。终端器采用反射波原理使信号变形最小，它所起到的作用是保护信号，减少衰减与畸变,每次只能由一

12、个节点发送信 ，信息由发送它的节点向两端扩散，其它节点都能接收，又称为广播式网络 某节点发送信息之前，必须保证总线上没有其它信息正在传输 总线型结构的突出特点是线路简单、便于扩充。通常，使用这种结构的网络是无源的 总线型结构对总线的电气性能要求很高，对总线的长度也有一定的限制，通信距离不能太长,3.4.2 星型结构,每个节点都通过点对点方式连接到中央节点，任何两个节点之间的通信都要经过中央节点 一个节点要传送数据，首先向中央节点发出请求，要求与目的节点建立连接。连接建立后，该节点才能向目的节点发送数据 中央节点的构造比较复杂，一旦发生故障，整个通信系统就会瘫痪，可靠性较低，现场总线控制系统中较

13、少采用,3.4.3 环型结构,网络由形成封闭环路的、点对点链路连接的转发器构成 信息在环上只能按某一确定的方向（顺时针或逆时针） 当信息到达接收节点时，若节点发现信息中的目的地址与自己的地址相同，就将信息取出，并加上确认标记，以便由发送节点清除 环是封闭的，不便于扩充,3.4.4 树型结构,树型结构是从总线结构演变而成的，形状像一颗倒置树 树型结构易于扩展、适应性强，对网络设备的数量、数据率和数据类型等没有太多限制 发生故障时，可以将故障节点或分支从网上脱离，从而隔离故障 网络的可靠性与星型结构相似，根部的可靠性对全网的工作有很大的影响,3.4.5 菊花链型结构,菊花链型拓扑结构是用电缆把一个节点依次连接到下一个节点，一直到最后一个节点和终端器为止 这种结构可以降低总的电缆长度和节点连接费用。 当一个节点从其所在区域取下来 ，该节点后面区域上的所有节点都将失去连接，这将导致许多节点失效和潜在的过程停顿,