总线专题:第三讲 基金会现场总线(上)
FF由二部分组成:即HI低速现场总线及H2高速现场总线。
H1的通信速率为31.25kbps。
H2的通信速率为1Mbps及2.5Mbps,后改为HSE(High Speed Ethernet)速率为100Mbps。
H1与HSE通过FF的连接设备连接。
FF的特点是专门为过程自动化(Process Automation)即连续控制的过程而设计的,它吸收了DCS及HART行之有效的技术,如功能块及DDL(设备描述语言)等技术,所以熟悉DCS的用户使用比较方便,但由于设想十分周到,技术比较复杂。
1.FFH1的通信模型
FFH1的通信模型参照了OSI参考模型的1、2、7层,另外又增加了用户层,这是FF与其他总线不同之处。FFH1通信模型和OSI参数模型如图1。
图1基金会现场总线(FF)通信模型和OSI参考模型
(1)通信原理
如果需要将一信息从一处送到他处,必须按照协议规定的格式自用户层经应用层、数据链路层及物理层发送才能奏效。这一过程可用邮寄信件的方式作为譬喻,如要从某地发一信件给其他地方的某人时,可按照邮局规定的方式,将信件放入信封,在信封上根据规定的格式写上地址及收信人,贴上邮票投入信箱即可。若不按照邮局的规定进行,则信件就有可能收不到。譬喻的过程见图2。FF的通信协议规定了其通信方式。
图2 通信原理图
物理层(Physical Layer PHY)与传输介质(电缆、光缆等)相连接规定了如何收发信号和接收信号。数据链路层(Data Link Layer DLL)规定了总线设备如何共享网络,怎样调度通信。
应用层分为现场总线访问子层(Fieldbus Access Sub-layer,FAS)和现场总线报文规范子层(Fieldbus Message Specification,FMS)二个子层,其中FAS规定数据访问的关系模型和规范,在DLL与FMS之间提供服务;FMS则规定了标准的报文格式,为用户提供了所需的通信服务。应用层的任务是描述应用进程(Application Process,AP),实现应用进程之间的通信,提供应用接口的标准操作,实现应用层的开放性。应用层规定了设备间交换数据、命令、事件信息和请求应答的信息格式。
用户层规定了标准的功能块,对象字典和设备描述,供用户组成所需要的应用程序,并实现网络管理和系统管理。在网络管理中,为了提供一个集成网络各层通信协议的机制,实现设备操作状态的监控和管理,设置了网络管理代理和网络管理信息库,提供组态管理,运行管理和差错管理的功能。在系统管理中,设置系统管理内核,系统管理内核协议和系统管理信息库,提供设备管理、功能管理、时钟管理和安全管理的功能。
FF将数据链路层,应用层和用户层的软件集成为通信栈(Communication Stack),供软件开发商开发通信栈;通过软件编程来实现;另外再开发专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)及其相关硬件来实现物理层和数据链路层部分功能。这样就能用软硬件相结合的办法来实现FF通信模型。
(2)FF通信模型的三大功能
FF通信模型作为现场总线设备的物理实体,再通过传输线构成通信网络,按层次分别分为上述物理层等四层;如按功能分别可分为三大部分,即通信实体,系统管理内核和功能块应用进程,如图3所示。各部分之间通过虚拟通信关系(Virtual Communication Relationship,VCR)来沟通信息,即相当于逻辑的通信信道,VCR表示了2个或多个应用进程之间的关系。
图3 FF通信模型的三大组成部分
1)通信实体(Entitg)。由各层协议和网络管理代理(Network Management Agent,NMA)共同组成。其任务是生成报文(Message)和提供报文传送服务,是现场总线设备通信的核心部分。层协议的基本目标是构成VCR,网络管理代理,负责管理通信栈,支持组态、运行和差错管理,这些管理信息保存在网络管理信息库(Network Manage-ment Base,NMIB)中并由对象字典(Object Dictionary,OD)来描述。OD中保存有数据类型、长度等描述信息,为总线设备的网络可视对象提供定义和描述。
2)系统管理内核。系统管理内核(System Management Kernel,SMK)在通信模型中位于应用层和用户层。SMK是总线设备的管理实体,负责与网络系统相关的任务管理,支持节点地址分配,应用服务调度、应用时钟同步和应用进程分析。SMK把控制系统管理操作的信息组成对象,存储在系统管理
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