现场总线网络的实现和应用技术

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：现场总线的基础是数字通信，通信就必须有协议。现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ。现场总线传输介质主要有有线电缆、光纤和无线介质。现场总线网络中的设备可以是主站，也可以是从站。应用层的功能是进行现场设备数据的传送及现场总线变量的访问。

现场总线的基础是数字通信，通信就必须有协议。从这个意义上讲，现场总线就是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。国际标准化组织（ISO）的开放系统互联（OSI）协议，是为计算机互联网而制定的七层参考模型，它对任何网络都是适用的，只要网络中所要处理的要素是通过共同的路径进行通信的。目前，各个公司生产的现场总线产品没有一个统一的协议标准，但是各公司在制定自己的通信协议时，都参考OSI七层协议标准，且大多采用了其中的第1层、第2层和第7层，即物理层、数据链路层和应用层，并增设了第8层，即用户层。

1.物理层

物理层定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等。现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ。前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。Manchester编码采用基带传输，而NRZ编码采用频带传输。调制方式主要有CPFSK和COFSK。现场总线传输介质主要有有线电缆、光纤和无线介质。

2.数据链路层

数据链路层又分为两个子层，即介质访问控制（MAC）层和逻辑链路控制（LLC）层。MAC层功能是对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；而LLC层则是对数据链进行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线网络中的设备可以是主站，也可以是从站。主站有控制收发数据的权力，而从站则只有响应主站访问的权力。

关于MAC层，目前有3种协议：

（1）集中式轮询协议

集中式轮询协议基本原理是网络中有主站，主站周期性地轮询各节点，被轮循的节点允许与其他节点通信。

（2）令牌总线协议

这是一种多主站协议，主站之间以令牌传送协议进行工作，持有令牌的站可以轮询其他站。(www.chuimin.cn)

（3）总线仲裁协议

总线仲裁协议机理类似于多机系统中并行总线的管理机制。

3.应用层

应用层可以分为两个子层，上面子层是现场总线信息规范子层（FMS），它为用户提供服务；下面子层是现场总线访问子层（FAS），它实现数据链路层的连接。

应用层的功能是进行现场设备数据的传送及现场总线变量的访问。它为用户应用提供接口，定义了如何应用读、写、中断和操作信息及命令，同时定义了信息、句法（包括请求、执行及响应信息）的格式和内容。应用层的管理功能在初始化期间初始化网络，指定标记和地址。同时按计划配置应用层，也对网络进行控制，统计失败和检测新加入或退出网络的装置。

4.用户层

用户层是现场总线标准在OSI模型之外新增加的一层，是使现场总线控制系统开放与可互操作性的关键。

用户层定义了从现场装置中读、写信息和向网络中其他装置分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功能模块”。事实上，各厂家生产的产品实现功能块的程序可能完全不同，但对功能块特性描述、参数设定及相互连接的方法是公开统一的。信息在功能块内经过处理后输出，用户对功能块的工作就是选择“设定特征”及“设定参数”，并将其连接起来。功能块除了输入、输出信号外，还输出表征该信号状态的信号。

现场总线网络的实现和应用技术

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