0 引 言
信息集成是工厂自动化的需要，来自工厂底层设备(如传感器、变送器、执行器等)的信息量是很大的，它们通常又分布在非常广的范围内。采用传统的一对一接线方法，用电压或电流的模拟信号进行测量、控制等，难于实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，于是在DCS的基础上开始开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议，现场总线便是在这样的背景下产生的。按照国际电工委员会IEC／SC65C的定义：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。
根据现场总线肩负沟通生产过程现场及控制设备之间，及其与更高管理控制层之间的特殊通信任务，使得现场总线的通信模型具有自己的特点。分析现场总线通信模型及各层功能，应紧紧把握住它所肩负的任务。
1 现场总线通信模型
2000年国际电工委员会宣布的IEC61158现场总线标准中包括的八种现场总线，采用了完全不同的通信协议。如LONWORKS现场总线采用了ISO／OSI模型的全部七层通信协议。基金会现场总线FF采用了ISO／OSI模型中的三层即物理层、数据链路层与应用层(隐去了中间的3-6层)，但在应用层之上又增加了用户层的通信模型等。为了满足实时性和低造价的要求，针对现场总线承担的任务，现场总线通信模型一般都在OSI参考模型的基础上进行了不同程度的简化。IEC TC65和ISA SP50都是负责制定现场总线国际标准的组织机构，他们定义的现场总线通信模型是有一定参考价值的，如图1所示。
现场总线应用层为用户提供存取现场总线通信环境的手段，定义允许进程间相互通信的协议。以上是通过软件编程来实现，在此不作分析。但对物理层及数据链路层的功能单靠软件来完成有一定困难，需要软件和硬件结合来完成，本文对这两部分进行综合介绍和重点剖析，供读者参考。
图1 IEC／ISA现场总线参考模型 图2 物理层通用模型
2 现场总线物理层
IEC61158-2给出了现场总线物理层通用模型，可用图2示意表示。现场总线通信装置是由数据终端设备(DTE)和数据端接设备(DCE)组成。现场总线的物理层包含了媒体相关子层与媒体无关子层两部分。从图2可看出，DTE包含了物理层的一部分，即媒体无关子层：而DCE中包含了物理层的另一部分，即媒体相关子层。
媒体相关子层负责处理不同传输媒体、不同速率的信号转换问题。媒体无关子层与数据链路层相连，负责信号编码与解码，增加或减除前导码、定界符的工作。所以物理层的功能是用于实现现场设备与总线之间的连接，为现场设备与通信传输媒体的连接提供机械和电气接口，为现场设备对总线的发送和接收提供合乎规范的物理信号。
物理层不包括传输介质本身但关系到对不同传输介质的支持。在不同传输速率下，信号的幅度、波形与传输介质的种类、导线屏蔽、传输距离等都有关系。为了使挂接在总线上的所有设备在工作电流、信号幅度、波形等方面的要求均能满足，不同现场总线对传输介质、传输速率、每条线路可接设备数、最大传输距离、网络拓扑、总线向现场设备供电方式等都有规定。表1列出了几种常见现场总线的物理层与数据链路层的有关规定。
现场总线的拓扑结构主要有总线网、令牌总线网、树型网、环型网等。这几种拓扑结构各有优缺点。总线网的特点是节点接入方便，成本低；轻载时时延小，但网络通信负荷较重时时延加大，网络效率下降，此外传输时延不定。令牌总线网结合环形网和总线网的优点，即物理上是总线网，逻辑上是令牌网。这样，网络传输时延确定无冲突，同时节点接入方便，可靠性好。树型网的特点是可扩展性好，频带较宽，但节点间通信不便。环型网的特点是时延确定性好，重载时网络效率高，但轻载时等待令牌产生不必要的时延，传输效率下降。具体采用哪一种拓扑结构，要结合自己的实际情况而定。
在工业生产中常会遇到易燃易爆的环境，所以现场总线的本质安全性也应当考虑。本质安全防爆理论认为，电缆的分布电感、电容是随着电缆的长度而增加的，因此由于电磁感应产生的火花能量，也是随着电缆的长度而增加；所以电缆的长度和总线上负载的数量都受到限制，本质安全问题很难解决。但也有的认为，如LONWORKS认为本质安全的关键是解决现场节点的供电问题，现在的方法是倾向于电流与信息共同传输，目前已有电力线等控制模型可以完成此功能，并出现了满足易燃易爆环境要求的产品。各国对现场总线本质安全理论当前正在加强研究，力争有所突破。
3 现场总线的数据链路层
现场总线数据链路层(DLL)位于物理层和应用层之间，DLL一般可分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)两部分。LLC从其上层取得数据后，构造成帧，完成通信链路的建立、拆除及差错、流量控制等，而MAC完成网络存取控制。
现场总线的总线拓扑是所有节点共享一条传输线路，环形拓扑也是多个节点共享环路，这就存在同一时间几个设备同时争用传输线路的问题。为了避免发生通信的碰撞和冲突，DLL中采用了介质存取控制方式来管理通信，这是MAC子层的功能。表1列出了几种现场总线DLL层的介质访问方式，现场总线中采用的介质存取控制方式主要有CSMA／CD方式和令牌方式两类。下面对这两种介质访问方式进行较详细的介绍。
令牌总线协议的代表是Profibus，它融合了IEEE802.4和集中式轮询协议的重要功能和优点，简单说这是一种多主站的协议，主站之间以令牌传输协议进行工作，持有令牌的站可轮询其它站(令牌和查询方式)。当主节点得到令牌后，允许它在一定的时间内与从节点或其它主节点通信。令牌在所有主节点中循环一周的最长时间TTR(设定周期)是事先预定的，决定了各主节点的令牌具体保持时间的长短。主节点之间传输数据必须保证在事先定义的时间间隔内主节点有充足的时间完成通信任务，主节点与从节点之间的数据交换要尽可能快且简单地完成数据的实时传输。按这种方式，完成周期性与非周期性的数据交换。为此，Profibus的介质访问控制MAC协议设置了两类时钟计时器：一类是令牌运行周期计时器，用于令牌的实际运行周期TRR计时；另一类是持牌计时器，用于主节点令牌保持时间TTH计时。当令牌到达某个主节点时，此节点的周期计时器开始计时。当令牌又一次到达此主节点时，MAC把周期计时器的TRR值与设定周期TTR的差值赋给持牌计时器，即TTH=TTR-TRR，持牌计时器根据该值控制信息的传送。
CAN总线的介质存取控制按IEEE802.3协议，即CSMA／CD控制方式，各个站以随机的方式发送信息，争用通信媒体。网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，即当发现总线空闲时，各个节点都有权使用网络。在发生冲突时，采用非破坏性总线优先仲裁技术：当几个节点同时向网络发送信息时，运用逐位仲裁规则，借助帧中开始部分的标识符，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息，从而有效地避免了总线冲突，使信息和时间均无损失。
LONWORKS的介质存取控制采用带预测的P-坚持CSMA方式，CSMA／CD方式具有算法简单、可靠性高、存取对各节点平等，低中负荷时实时性较好等优点。其缺点是实现冲突检测比较复杂，重负荷下一个节点可能很长时间无法发送。LONWORKS采用了一种称为可预测的P-坚持退避算法，较好地解决了CSMA在重负荷时的性能。另外还有一种总线仲裁协议的介质存取控制方式，它类似于多机系统中并行总线的管理机制。上述MAC方式在现场总线中均有采用，有的还得到了较广泛的应用，经受了工业现场的考验。
4 小 结
现场总线是80年代末发展起来的一种新的工业控制底层网络，已经成为控制网络的典型实现模式。现场总线的通信协议标准正在研究与统一过程中，通信模型与通信协议应与其通信特点相适应。本文从使用的角度对现场总线通信模型中的物理层与数据链路层作了一些综合介绍与重点剖析，其中牵涉到现场总线实时性、可靠性、环境适应性和本质安全概念等还有待进一步深入研究完善。
参考文献：
［1］ 阳宪惠，徐用懋.现场总线技术及其应用［M］.北京：清华大学出版社，1999.
［2］ IEC61158-2-1993，Fieldbus Standard For Use In Industrial Control System-Part2:Physical Layer Specification And Service Definition［S］.
［3］ 范铠.现场总线的发展趋势［J］.自动化仪表，2000，21(2)：1-4.
［4］ 周悦，等.几种现场总线的通信介质访问控制方式［J］.工业仪表与自动化装置，2001，(3)：16-18.
|
