第13章 现场总线数据通信系统

第13章现场总线数据通信系统本章内容•第一节现场总线通信系统概述•第二节物理层•第三节数据链路层•第四节现场总线访问子层•第五节现场总线报文规范子层•第六节通信栈•第七节网络管理•第八节系统管理第一节现场总线通信系统概述•一、现场总线通信系统和ISO/OSI参考模型的关系•二、现场总线通信系统的主要组成部分•三、现场总线网络拓扑结构一、现场总线通信系统和ISO/OSI参考模型的关系图1现场总线模型与ISO/OSI模型之间的关系•基金会现场总线FF模型如图1的右侧一列所示。这采用了ISO/OSI参考模型中的三层：物理层、链路层和应用层，隐去了3-6层。其中物理层、链路层采用了IEC/ISA标准。应用层分为两个子层：现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范子层FMS。FMS为系统的用户层提供通信服务。FMS提供不同类型的通信信道，称为虚拟通信关系VCR，FAS把VCR映射到底层网络，从而把用户的应用进程同日新月异的网络技术的发展隔离开来。链路层、访问子层和报文规范子层的全部功能集成在一起称为通信栈（CommunicationStack）。•基金会现场总线还在ISO/OSI参考模型的应用层之上增加了用户层，用于组成用户所需要的应用程序。如，规定标准的功能块，定义设备描述，实现网络管理和系统管理等。二、现场总线通信系统的主要组成部分图2基金会现场总线通信系统的结构•1、功能块应用进程FBAP•基金会结构被设计成支持很大范围的功能模型，每一个功能模型都代表着不同的需要。功能块模型就是其中的一种，它主要支持低层功能。用户可使用这些功能块构建用户程序，实现所需要的控制策略。•2、对象字典和设备描述（OD与DD）•它们是支持功能块的标准化工具，对网络可视对象进行定义和描述，促进设备的定义和理解的一致性。•其中DD是OD的扩展，它可以描述很多对象，可以驱动人机接口的显示及同其他设备相互作用。•3、网络通信•基金会网络结构使用预定通信信道，即所谓的“虚拟通信关系（VCR）”在设备之间传输信息。共有3种类型的VCR，即出版商/订阅者VCR、报告分发VCR及客户机/服务器型VCR。•为了支持这些VCR，基金会系统结构定义了一个3层的通信结构。物理层，具体说明信号是如何发送的；数据链路层，具体说明网络共享及设备中的调度；应用层，定义了应用进程之间的命令、响应、数据和事件的信息交换信息格式。•4、网络管理•为了在设备中综合层2和层7，并监督和控制它们的运行，基金会系统结构在每个设备中都有一个网络管理代理（NMA）。网络管理代理支持系统组态管理、运行管理和差错管理的功能。这些有关组态、运行、差错的信息都存储于网络管理信息库(NMIB)中。当然仍有大量的信息存在于通信栈中。系统管理信息库（NMIB）是由虚拟现场设备VFD描述的。•5、系统管理•基金会系统结构在每个设备中包含一个系统管理内核（SMK），它维护系统信息的同步与协调，为设备应用进程的执行和互操作提供一个分散的平台。系统管理内核(SMK)维护的信息被称为系统管理信息库（SMIB），系统的基本信息组态到SMIB中。SMK的作用还有分配物理标签和地址、定位设备和对象、系统应用时钟同步、功能块调度等。三、现场总线网络拓扑结构•基金会现场总线的网络拓扑结构分为单链路拓扑和桥式拓扑两种结构。其中单链路拓扑是典型的离线组态网络，包含一个组态设备和一个被组态设备。而桥式网络是由桥把不同速率、不同介质的链路连接成多链路。在所有的基金会式网络中，两个设备间只有一个数据链路，所以桥内的路由表要相互协调，组成生成树（SpanningTree）。生成树表达了桥的组态，这样就保证了只有两个方向的数据流，或者流向树根据，或者离开树根。没有任何回路和并行路径。也就是说，由每一条链路到树根有一个，且仅有一个桥。生成树中的每一个桥只有一个根端口，一个或多个下游端口。每一个桥端口都连接一条链路。根端口向上连接到根，下游端口向下引出根的分支。下游端口又称指定端口（DesignatedPorts）。当根端口由远方的链路接收到预定的信息时，桥就会根据内部的路由表来选择信息所要经过的下游端口。而当下游端口接收到信息时，桥就会指出上传到根和/或下传到其他下游端口的通信路径。•在现场总线网络中，桥完成以下任务：•（1）转发•（2）重发•（3）分配数据链路时间•（4）分配应用进程时间•每一条链路都要有一个，且只能有一个链路活动调度器（LAS）。LAS在数据链路层中的作用是作为链路总线仲裁器，它完成以下功能：•（1）识别和添加链路中的新设备•（2）删除链路中无响应的设备•（3）分配数据链路时间和链路调度时间•（4）在受高度传输时，轮询现场总线设备，看缓冲区中是否有要发送的数据•（5）在两次受调度传输的中间，为现场产品线设备分配令牌•链路中的任何一个设备只要具备成为LAS的条件，都可以成为LAS。能够成为LAS的设备被称为链路主设备，其余的设备被称为基本设备。•当链路首次启动或者现有的LAS故障时，链路主设备开始竞争LAS。竞争成功的链路主设备立即作为LAS开始工作。LAS将未成为LAS的链路主设备视为基本设备。同时，未成为LAS的链路主设备又都成为LAS的后备，一旦现行的LAS发生故障，它们就会进入新一轮的LAS竞争。•有时，我们希望某一特定的链路主设备成为LAS。在这种情况下，可以将它设置为主链路主设备。如果主链路主设备不能在竞争中取胜，它就会让获胜的链路主设备把LAS权利移交给它。链路的LAS一建立起来，链路的工作就会立即开始。第二节物理层•场总线物理层是由物理介质的有关规定和传输数据的信号协议所构成。物理层使数据链路层在发送、接收数据时与物理介质的类型无关。物理层协议是有关于系统安装的一些规定。它规定了以下四个特性：机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。•机械特性：主要涉及到连接器的规格，以及连接器的安装；•电气特性：规定传输线上数字信号的电压高低、传输距离和传输速率等；•功能特性：定义连接器内容插脚的功能；•过程特性：规定了信号的时序关系，以便正确地发送、接收数据。•物理介质可以是IEC物理层技术规范中所规定的任何一种传输介质。如双绞线、光缆或射频。物理层又可以分成物理介质相关子层与物理介质独立子层。本节内容•一、物理介质相关子层•二、物理介质独立子层一、物理介质相关子层•物理介质相关子层负责处理不同传输介质、不同传输速率的信号转换问题，有时称其为介质访问单元。•基金会现场总线的物理层采用已通过的国际标准IEC1158-2(ISA-S50.02-1992)。该标准有三种传输速度：•H1型：低速31.25kbps总线供电•H2型：高速1.0Mbps非总线供电•H2型：高速2.5Mbps非总线供电表1：基金会现场总线的物理层技术规范•在一条总线上的所有设备必须使用同一种传输介质，并具有相同的工作速度。但H1总线既可以使用总线供电的设备，也可以同时使用非总线供电的设备。•这里主要介绍H1型的现场总线，如果不特殊指明，以下的论述仅涉及H1的物理层。•H1型现场总线对于设备供电和传输信号仅使用一对导线，同上所述，它并不排斥将非总线供电的设备连接到总线上。为了实现这一点，电源应保持总线上的电压和电流不变。当某设备传输信息时，通信信号叠加在这个电压或电流上。•在某一时刻，只能有一个设备占用线路，它可以接收或发送信息。信息的一比特一比特送出的，根据标准，信号是自同步的，采用ManchesterⅡ型编码。•采用ManchesterⅡ型编码的数据与一个周期为T的时钟相比较，上升沿代表逻辑“0”，而下降沿代表逻辑“1”，见图3。图3：现场总线信号编码图4：现场总线信号波形二、物理介质独立子层图5物理层的帧格式第三节数据链路层•一、数据链路层中的介质访问功能•1、基本设备•2、链路主设备•3、桥•二、数据链路层中的数据传输功能•1、无连接数据传输•2、面向连接的发布数据传输•3、面向连接的请求发送/响应交换的数据传输•现场总线数据链路层(DDL)位于物理层与总线访问子层之间，它为系统管理内核和总线访问子层访问物理层提供服务。为对现场总线上的各类链路传输活动进行控制，需要在数据链路层上附加协议控制信息。现场总线通信中的链路活动调、数据接收和发送、链路活动探测与响应、链路时间同步都是通过数据链路层实现。通过链路活动调度器(LAS)可对传输介质进行周期和非周期两种访问。•在功能上，DDL分为两层：访问总线和控制数据链路的数据传输。一、数据链路层中的介质访问功能•DDL充当令牌传递总线桥式网络的中心，每条总线均有一个介质访问控制的中心点，叫链路活动调度器(LAS)，可持有令牌的设备叫基本设备，网络上的每一条总线叫链路1、基本设备•基本设备是那些能够接收并响应令牌的设备。所有设备包括LAS和桥均具有基本设备的功能，均能接收并响应令牌。•具有令牌的设备可在总线上发送数据，在某一时刻，只有一个设备持有令牌，LAS提供给设备两种令牌，第一种叫应答令牌，对所有的设备进行轮询，具有周期性；另一种叫授权令牌，这是在特定的时间段内访问总线，具有非周期性。2、链路主设备•链路主设备是那些能够成为LAS的设备，其中具有最低节点地址的成为LAS，其余的作为备份。•LAS的五项主要功能：•(1)维护调度，发送令牌给网络设备；•(2)探查未使用地址，将其分配给新设备，并加到活动表上；•(3)在链路上周期分配数据链路时间和链路调度时间；•(4)发送授权令牌给设备，进行无调度数据传输控制；•(5)监视设备响应授权令牌，从活动表上删掉不能使用或不能返回信息的设备。3、桥•桥把不同性质的链路连接在一起成为树。桥总是链路主设备，且必须是LAS。此外，它还包括一个系统管理时间发布器。二、数据链路层中的数据传输功能•现场总线基金会在数据链路层中提供了3种传输数据的机制。一种无连接数据传输，两种面向连接的数据传输。分别对应于现场总线访问子层FAS的三种VCR类型。•三种数据传输机制：–无连接数据传输；–面向连接的发布数据传输；–面向连接的请求发送/响应交换的数据传输•1、无连接数据传输•无连接数据传输是在两个数据链路服务访问点之间的独立数据单元的排队传输。DLL不需要控制报文和应答信息•这种无连接数据传输用于FAS中的报告分发VCR•2、面向连接的发布数据传输•这种传输是发布者的数据协议单元在缓冲器之间的传输。数据单元只有发布者地址，索取者知道所要接收的信息来自哪一个发布者。•这种面向连接的数据传输可以是周期性调度的(由索取者应用进程启动)•3、面向连接的请求发送/响应交换的数据传输•这种传输是有用户和服务器间的协议数据单元的排队传输。用户的VCR端点作为初始端，发送建立连接的请求给服务器，由服务器决定是否建立连接。这种连接提供有序和无序两种连接。•很明显，这种数据传输类型用于FAS中的客户/服务器VCR.DLL帧结构：帧控制用来区分各种帧类型及作用。源地址2一般不使用，只有在一种建立连接的数据链路协议数据单元才出现。参数进一步说明帧的性质。最后是帧校验。基金会现场总线数据链路层所使用的是循环冗余校验。用户数据是从上层接收来的协议数据单元。•通过使用这些协议数据单元，DLL为上层提供很多服务：•(1)管理DLSAP—地址、队列、缓冲器•1)写数据到缓冲器2)从队列/缓冲器读数据•(2)面向连接的服务•1)建立同等的、多地一的连接服务•2)使用队列或缓冲器的数据传输•3)连接终止•(3)无连接数据传输服务•(4)时间同步服务•(5)为数据发布者缓冲器提供强制发布服务•数据链路层还支持一些子协议，如链路保护、LAS传输、调度传输等。•13.4现场总线访问子层•一、概述•1、AR作用•2、FAS服务•3、FAS协议状态机制•二、FAS-PDU•三、FAS所映射的DLL层活动一、概述1、AR作用•在分布式通信系统中的AR，使用一些服务和应用层通信渠道进行相互间的通信。FAS就提供这样的通信渠道，称为应用关系（AR）。•通过连接两个以上的同种类型的AR端点，应可建立一个AR。其建立方式有三种：预先建立、预