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1、第八章,基金会现场总线（FF）,第8章 基金会现场总线（FF）,Foundation Fieldbus 由现场总线基金会(Fieldbus Foundation)组织开发， IEC61158标准。 工作在生产现场，适应本质安全防爆的要求，通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。 开放性、互操作性。,第8章 基金会现场总线（FF）,8.1 基金会现场总线的主要技术 8.2 FF通信模型 8.4 FF通信栈,8.1 基金会现场总线的主要技术,1FF 总线的通信技术 2标准化功能块 (FB，Function Block)与功能块应用进程 (FBAP，Function Block Applicati
2、on Process),8.1 基金会现场总线的主要技术,3设备描述 (DD，Device Description)与设备描述语言(DDL,Device Description Language) 4现场总线通信控制器与仪表或工业控制计算机之间的接口技术 5系统集成技术 6系统测试技术,1FF 总线的通信技术,通信模型 通信协议 通信控制器芯片 通信网络 系统管理 与网络有关的硬软件，如通信栈软件、被称之为圆卡的仪表用通信接口卡、FF与计算机的接口卡、各种网关、网桥、中继器等。,2.标准化功能块与功能块应用进程,FB，Function Block和FBAP，Function Block App
3、lication Process 通用结构：把实现控制系统所需的各种功能划分为功能模块，使其公共特征标准化。 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应用进程。 开放系统构架的基础，不同制造商产品的混合组态与调用。,3设备描述与设备描述语言,DD，Device Description 现场总线设备的互操作性，支持标准的块功能操作。 设备描述为控制系统理解来自现场设备的数据意义提供必需的信息，控制系统或主机对某个设备的驱动程序。,DDL,Device Description Language 设备描述语言是一种用以进行设备描述的标准编程语言。 采用设备描述编
4、译器，把用DDL编写的设备描述源程序转化为机器可读的输出文件。,4现场总线通信控制器与仪表或工业控制计算机之间的接口技术,在现场总线的产品开发中，常采用 OEM 集成方法构成新产品。己有多家供应商向市场提供 FF 集成通信控制芯片 通信栈软件 圆卡,5系统集成技术,包括通信系统与控制系统的集成。 网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络系统管理； 控制系统组态； 人机接口； 系统管理维护。,6系统测试技术,通信系统的一致性与可互操作技术； 总线监听分析技术； 系统的功能、性能测试技术。 在测试基础上进一步开展对通信系统、自动化系统的综合指标评价。,一致性与可互操作性测试是为保证系统的开放性而采取
5、的重要措施，一般要经授权的第三方认证机构作专门测试，验证符合统一的技术规范后，将测试结果交基金会登记注册，授予FF标志。 对由具有FF标志的现场设备所组成的系统，还需进一步进行可互操作性测试和功能性能测试，以保证系统的正常运转，并达到所要求的性能指标。,总线监听分析用于测试判断总线上通信信号的流通状态，用于通信系统的调试、诊断与评价。 对由现场总线设备构成的自动化系统，功能、性能测试技术还包括对其实现的各种控制系统功能的能力、指标参数的测试。,8.2 FF通信模型,1.四个层次 物理层 数据链路层 应用层(总线访问层与总线报文规范子层) 用户层,2.功能 物理层：信号如何发送； 数据链路层：如
6、何在设备间共享网络和调度通信； 应用层：在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式； 用户层：组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备描述，实现网络管理、系统管理等。,在相应软硬件开发的过程中，往往把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间部分作为一个整体，统称为通信栈。这时，现场总线的通信参考模型可简单地视为三层。 物理层、通信栈、用户层,图8-1 OSI与FF的通信模型,按各部分在物理设备中要完成的功能，可分为三大部分: 通信实体 系统管理内核 功能块应用进程 各部分之间通过虚拟通信关系 (VCR，Virtual Communication Relationsh
7、ip)来沟通信息。 VCR表明了两个或多个应用进程之间的关联，即虚拟通信关系是各应用之间的逻辑通信通道，它是总线访问子层所提供的服务。,3.通信实体 组成:从物理层到用户层的所有各层，由各层协议与网络管理代理共同组成。 任务:生成报文与提供报文传送服务，是实现现场总线信号数字通信的核心部分。 层协议:构成虚拟通信关系。 网络管理代理:借助各层及其层管理实体，支持组态管理、运行管理、出错管理的功能。,4.系统管理内核 (SMK,System Management Kernel) 在模型分层结构中的应用层和用户层。 主要负责与网络系统有关的管理任务，如确立本设备在网段中的位置，协调与网络上其他设备
8、的动作和功能块执行时间。 用来控制系统管理操作的信息被组织成对象，存储在系统管理信息库 (SMID，System Management Information Base)中。,5.功能块应用进程 (FBAP，Function Block Application Process) 在模型分层结构中位于应用层和用户层。 功能块应用进程主要用于实现用户所需要的各种功能。 功能块把为实现某种应用功能或算法、按某种方式反复执行的函数模块化，提供一个通用结构来规定输入、输出、算法和控制参数，把输入参数通过这种模块化的函数转化为输出参数。,8.4 FF通信栈,1. 数据链路层（DLL） 数据链路层 (DLL
9、，Data Link Layer)位于物理层与总线访问子层之间，为系统管理内核和总线访问子层访问总线媒体提供服务。 总线通信中的链路活动调度、数据的接 收与发送、活动状态的探测与响应、总线上各设备间的链路时间同步都是通过数据链路层实现的。,每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器 (LAS，Link Active Scheduler)。 LAS具备链路活动调度能力，便可形成链路活动调度表，并按照调度表的内容 形成各类链路协议数据，链路活动调度是该设备中心数据链路层的重要任务。,（1） 通信设备类型 按照设备的通信能力，基金会现场总线把通信设备分为三类:链路主设备、基本设备和网桥。
10、 链路主设备:有能力成为链路活动调度器的设备； 基本设备:而不具备上述能力的设备。 网络中几个总线进行扩展连接时，用于两个总线段之间的连接设备就称之为网桥。,图8-7 FF通信设备与LAS,网桥属于链路主设备。由于它担负着对它下游的各总线段的系统管理时间的发布任务，因而它必须成为链路活动调度器LAS。否则就不可能对下游各段的数据链路时间和应用时钟进行再分配。 一个总线段上可以连接多种通信设备，也可以挂接多个链路主设备，但一个总线上某个时刻只能由一个链路主设备成为链路活动调度器LAS，没有成为LAS的链路主设备起着后备LAS的作用。,（2） 链路活动调度器 链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备
11、的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到链路活动调度器LAS的许可，才能向总线上传输数据。因此LAS是总线的通信活动中心。 基金会现场总线的通信活动被归纳为两类:受调度通信与非调度通信。,受调度通信：由链路活动调度器按预定的时间表周期性依次发起的通信活动。 预定调度时间表、强制数据 (CD，Compel Data) 非调度通信：在预定调度时间表之外的时间，通过得到令牌的机会发送信息的通信方式。 传递令牌(PT Pass Token) FF通信采用的是令牌总线工作方式。,链路活动调度器的五种基本功能: 向设备发送强制数
12、据CD。 向设备发送传递令牌PT 为新入网的设备探测末被采用过的地址。 对总线发布数据链路时间和调度时间。 视设备对传递令牌PT的响应，当设备既不能随着PT顺序进入使用，也不能将令牌返回时，就从活动表中去掉这些设备。,（3）受调度通信 链路活动调度器 (LAS)中有一张传输时刻表，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。 调度数据传输常用于现场总线各设备间，将控制回路的数据进行有规律的、准确的传输。,图8-9 FF调度数据传输,图8-10 FF非调度通信,（4）非调度通信,2.现场总线访问子层 (FAS) 现场总线访问子层 (FAS，Fieldbus Access Sub
13、layer)是基金会现场总线通信参考模型中应用层的一个子层。 总线访问子层FAS位于FMS与数据链路层之间，把FMS与数据链路层DLL分隔开来，利用数据链路层的受调度通信与非调度通信作用，为总线报文规范层提供服务，对FMS和AP提供VCR的报文传送服务。,（1）总线访问子层的协议机制,总线访问子层的服务协议机制 (FSPM，FAS Service Protocol Machine)是FAS用户和应用关系端点之间的接口，FAS用户是指总线报文规范层和功能块应用进程。 把服务用户发来的信息转换为FAS的内部协议格式，并根据应用关系端点参数，为该服务选择一个合适的应用关系协议机制； 反过来，根据应用
14、关系端点的特征参数，把FAS的内部协议格式转换成用户可接收的格式，并传送给FAS用户。, 数据链路层映射协议机制(DMPM，DLL Mapping Protocol Machine) 对下层即数据链路层的接口。 它将来自应用关系协议机制的FAS内部协议格式转换成数据链路层DLL可接受的服务格式，并送给DLL； 反过来，将接收到的来自DLL的内容，以FAS内部协议格式发送给应用关系协议机制ARPM。,应用关系协议机制是FAS层的中心，它描述了应用关系的创建和撤销，并与远程ARPM之间交换协议数据单元FAS-PDU。 它负责接收来自FSPM或DMPM的内部信息，根据应用关系端点类型和参数生成另外的
15、FAS协议信息，并把它发送给DMPM或FSPM。 如果要求建立或撤销应用关系，就试图建立或撤销这个特指的应用关系。,（2）FAS服务类型,3.现场总线报文规范 （FMS）子层 现场总线报文规范 (FMS)为用户应用服务，它以标志的报文格式集，在现场总线上相互发送报文。FMS描述通信服务、报文格式和用户应用建立报文所必需的协议行为。,FMS所包含的服务 （1）虚拟现场设备(VFD) （2）通信服务 （3）上下文管理服务 （4）对象字典服务 （5）变量访问服务 （6）事件服务 （7）上载/下载服务 （8）程序调用服务,第二部分 第八章复习题 1. 基金会现场总线的主要技术特点是什么？请加以说明。 2. 基金会现场总线通信模型只具备ISO/ OSI参考模型中的哪四层？它们各自的作用是什么？ 3.说明基金会现场总线数据链路层数据活动控制方法与工作过程。,
