WorldFip-現(xiàn)場總線的又一顆新星

1、WorldFi p-現(xiàn)場總線的又一顆新星一、概述現(xiàn)場總線組織成立于1987 年。目前已有一百多個成員，其中許多是工控領(lǐng)域的世界著名大公司，如、 西技來克、阿爾斯通、施耐德等。前期產(chǎn)品是。是法國標(biāo)準(zhǔn)，后來采納了國際標(biāo)準(zhǔn)61158-2改名為。相應(yīng)的歐州標(biāo)準(zhǔn)是 50170-3。不久前國內(nèi)也成立了技術(shù)推廣中心。我國引進(jìn)的一些大型工程，如上海地鐵、嶺奧核電站、軍糧城電廠等 都可以看到這種現(xiàn)場總線。目前正在建造的世界上能量最高的大型強(qiáng)子對撞機(jī)已選定為工程標(biāo) 準(zhǔn)總線之一。該加速器周長27公里，耗資數(shù)十億美元，將于 2004年建成。筆者在參與該工程現(xiàn)場總線評估和應(yīng)用過程中，對該總線的特點(diǎn)有所 了解，簡介如下。

2、由于篇幅的限制，這里只介紹其有特色之處。網(wǎng)絡(luò)管理、遠(yuǎn)程服務(wù)、遠(yuǎn)程下載、出錯處理、廣播方式、重新同步、 應(yīng)答方式等等與其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議差不多的部分不在這里介紹。二、的特點(diǎn)總線是面向工業(yè)控制的，其主要特點(diǎn)可歸納為實(shí)時性、同步性、可靠性。目前使用的傳輸速率是 315，1和 25。典型速率為 1。典型的傳輸介質(zhì)是工業(yè)級屏蔽雙絞線。對接線盒、 9 針型插頭座等都有嚴(yán)格的規(guī)定。每個網(wǎng)段最長為 1 公里。加中繼器以后可擴(kuò)展到 5 公里。與類似，使用曼徹斯特碼傳輸。但它是一種令牌網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)由仲裁器和若干用戶站組成。使用信息生產(chǎn)者和消費(fèi)者的概念，和通常意義上的輸出量、輸入量略 有區(qū)別。每個生產(chǎn)者或消費(fèi)者變量有一個地址

3、。每個用戶站可以有例如 16 個生產(chǎn)者消費(fèi)者變量。任何時候，生產(chǎn)者只能有一個，而消費(fèi)者可以是 1 個或多個。的設(shè)計思想是，按一定的時序，為每個信息生產(chǎn)者分配一個固定的時 段，通過總線仲裁器諸個呼叫每個生產(chǎn)者，如果該生產(chǎn)者已經(jīng)上網(wǎng)，應(yīng)在 規(guī)定時間內(nèi)應(yīng)答。生產(chǎn)者提供必要的信息，同時提供一個狀態(tài)字，說明這一信息是最新 生產(chǎn)的，還是過去傳送過的老信息。消費(fèi)者接收到信息時，可根據(jù)狀態(tài)字判斷信息的價值。將信息分為周期性同步數(shù)據(jù)、周期性異步數(shù)據(jù)和非周期性消息包。同步數(shù)據(jù)嚴(yán)格地按確定的時序呼叫，接下去是周期性異步數(shù)據(jù)，用于 對同步性要求不太高的數(shù)據(jù)傳送。最后呼叫消息包。周期性同步數(shù)據(jù)、異步數(shù)據(jù)用于時序要求嚴(yán)格

4、，數(shù)據(jù)包不大的信息 8128 字節(jié)，消息包指時序要求不嚴(yán)格，數(shù)據(jù)量大的信息，例如每包 字節(jié)。形象地比喻，網(wǎng)線可以看成一個流水的管道。一半或 13、 23,由用戶設(shè)計流的是水，是不可壓縮的。即周期性同步和異步數(shù)據(jù)。另一半可以看成是空的，留給非周期性消息包的傳送。網(wǎng)絡(luò)仲裁器是整個網(wǎng)絡(luò)通信的主宰者。網(wǎng)絡(luò)仲裁器輪番呼叫每一個生產(chǎn)者變量。整個網(wǎng)線上總是有信號的。如果若干時間間隔內(nèi)例如幾十毫秒沒有監(jiān)聽到網(wǎng)上的信號、則可以診 斷為網(wǎng)絡(luò)故障，此時可以自動將冗余熱備份網(wǎng)線切換上去，也可以設(shè)計成 各用戶站回本質(zhì)安全態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)安全性方面的考慮有其獨(dú)到之處。在一個網(wǎng)絡(luò)中可以有一個或多個網(wǎng)絡(luò)仲裁器。在任意給定時刻，只有

5、一個在起作用，其他處于熱備份態(tài)，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò) 狀態(tài)。而每個用戶站的網(wǎng)絡(luò)冗余則是通過一個控制器驅(qū)動兩路驅(qū)動器，接入 兩個獨(dú)立的網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)一個網(wǎng)線被破壞，自動切換到另一網(wǎng)線。三、協(xié)議除用戶層外，使用以下三層通信協(xié)議應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。用戶層指有用的信息，一個變量生產(chǎn)者或消費(fèi)者，可以是 8 字節(jié)，也 可以是 16、 32、 48 乃至 128 字節(jié)。一則消息，則可以長至 256 字節(jié)。以下三層是在網(wǎng)絡(luò)控制器中自動實(shí)現(xiàn)的，不需要用戶干預(yù)。它相應(yīng)于 7 層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的 1、2 和 7 層。應(yīng)用層在用戶層信息的前面加上兩個字節(jié)的識別碼。這兩個字節(jié)第一個是變量類型即所謂類型。第二個字節(jié)是數(shù)據(jù)長度。

6、數(shù)據(jù)鏈路層則在應(yīng)用層基礎(chǔ)上加上一頭一尾。頭上是一個字節(jié)的狀態(tài)字，表示該信息是最近刷新的，還是重復(fù)以前的數(shù)據(jù)。尾上加兩個字節(jié)，用于校驗(yàn)。到物理層，則在數(shù)據(jù)鏈路層基礎(chǔ)上再加上頭尾。頭上加兩個字節(jié)，一個是前同步字符，由 10101010 組成，第二個是 幀開始分界符， 由 1 、高電平、低電平、 1 、零、高電平、低電平、零組成。尾部加一個幀結(jié)束字節(jié)， 由 1、高電平、 低電平、 高電平、 低電平、1、 零、 1、組成。綜上所述，三層協(xié)議一共在有用信息兩端增加了 8 個字節(jié)。當(dāng)速率為1時，幀與幀之間的間隔可設(shè)定在 1070口之間。如果每個數(shù)據(jù)都是8字節(jié)，有用通量在200300之間。如果數(shù)據(jù)長度為 1

7、28 字節(jié)，有用通量可達(dá) 800。在 1 速率下，如果掃描周期為 10。假設(shè) 5 用于周期性同步和異步數(shù)據(jù)， 5 用于傳送信息包，則 5 中可以 掃描 23個 8字節(jié)變量或 4個 128字節(jié)變量。如果網(wǎng)上真的有 250 個用戶站，每站有 16 個變量，即總共 4000 個變 量，一半的時間留給消息包傳輸，則一次掃描約需要 2秒。2。四、總線典型器件 1、用于總線仲裁器的典型是公司的這是一個 84 引腳的芯片，使用時需要外擴(kuò)獨(dú)享存儲器。有最多 2尋址空間，可主管最多 4000個用戶站， 6萬個以上變量?？紤]到上述掃描周期不宜太長，用戶站不可能這么多。該芯片可方便地與或單片機(jī)接口?？稍O(shè)計成機(jī)內(nèi)的一

8、塊總線仲裁卡，也可以方便地與 1632 位單片機(jī)接 口，例如 683、6816 等。2 與的連接是通過總線驅(qū)動器經(jīng)變壓器耦合實(shí)現(xiàn)的。2 主要用于總線仲裁，也可用于用戶站。2 內(nèi)部有近 100 個寄存器，編程時較為復(fù)雜。一些公司提供語言的函數(shù)庫用于總線仲裁器的編程與開發(fā)。2、是一種低價位、用于用戶站的，也是產(chǎn)品。對于端口 16的用戶站，可獨(dú)立工作方式。用戶事先定義的，網(wǎng)絡(luò)故障時各輸出端口應(yīng)該輸出的值、初值等參數(shù) 可遠(yuǎn)程下載。這是一個 100 引腳的表面貼芯片7作為單片機(jī)接口芯片，它可以方便地與8051、68111216 等單片機(jī)接 口，此時該用戶站可處理 16 個變量生產(chǎn)者或消費(fèi)者7由于片內(nèi)有5

9、12字節(jié)的變量緩沖區(qū)，每個數(shù)據(jù)變量的大小可為 X8字節(jié)而最長的消息包可以大到 256 字節(jié)73、總線驅(qū)動與變壓器7用的總線驅(qū)動器與其它總線驅(qū)動器的不同之處在于，除了實(shí)現(xiàn)曼徹斯 特編碼、解碼功能之外，它還提供總線監(jiān)聽與看門狗功能，這為總線的熱 備份、總線冗余提供了方便，提高了總線的安全性7總線驅(qū)動芯片是一個 28 引腳的表面貼芯片7變壓器用于驅(qū)動器與傳輸介質(zhì)的隔離，驅(qū)動器與變壓器之間應(yīng)加上保 護(hù)與抗干擾措施7符合協(xié)議的芯片還有一些，如 2、等7不在此詳述7五、開發(fā)工具除一些公司提供用于 2 和編程的語言程序庫以外，最值 得一提的是協(xié)議分析器7其硬件是插在機(jī)內(nèi)的一塊卡7用于采集網(wǎng)線上的信號7軟件名

10、為7在下運(yùn)行7開發(fā)者給定觸發(fā)條件以后，在屏幕上顯示數(shù)據(jù)包的內(nèi)容和每個數(shù)據(jù)包之間的時間關(guān)系。這個工具硬件相當(dāng)簡單，而使用起來比示波器、邏輯分析儀都方便、 直觀，價格也便宜許多。另外，一些公司還提供開發(fā)散件， 包括主要控制器芯片， 驅(qū)動器芯片， 變壓器等。也有機(jī)上的演示板，用于總線仲裁器?；蛘咭粔K機(jī)上的卡，使某一機(jī)成為一個用戶站。還有以芯片加驅(qū)動、變壓器耦合等三部分組成的評估板可供使用。該板可單獨(dú)使用，也可以方便地與 8051 或各種單片機(jī)接口。六、目前存在的一些問題和應(yīng)用前景由于的發(fā)展經(jīng)歷了一個十余年的 發(fā)展過程，而最終被國際上認(rèn)可成為國際標(biāo)準(zhǔn)還是最近幾年的事。各公司都聲稱支持現(xiàn)場總線協(xié)議，而不少公司使用的是他們自己設(shè)計 的專用芯片。使用的類似標(biāo)準(zhǔn)有、等等。如果全部使用某公司的產(chǎn)品，一般不會有什么問題。這些公司還提供上層的編程工具等。如果同時使用兩家不同公司的產(chǎn)品，或?qū)⒏鶕?jù)協(xié)議自行開發(fā)的設(shè)備連 入從某公司購得的網(wǎng)絡(luò)，則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)格式不一致，不能接入的問題。在大型強(qiáng)子對撞機(jī)工程中，歐洲核子研究中心希望購買施耐德公司的， 用于總線仲裁，