现场总线及低速物理层规范

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：现场总线基金会为低速总线颁布了31.25 kbit/s的FF-816物理层规范，也称为H1标准。图7-4 H1的物理信号波形图7-5 网络配置从图7-5中可以看到，该网络配置使得其等效阻抗为50Ω。前导码、帧前界定码和帧结束码都是由物理层的硬件电路生成的信号。

基金会现场总线的物理层遵循IEC 1158-2与ISA-S50.02中有关物理层的标准。现场总线基金会为低速总线颁布了31.25 kbit/s的FF-816物理层规范，也称为H1标准。目前作为现场总线的HSE（高速以太网）标准也已经完成。

1.物理层的功能

物理层用于实现现场物理设备与总线之间的连接。其主要功能是为现场设备与通信传输媒体的连接提供机械和电气接口，为现场设备对网络的发送或接收提供合乎规范的物理信号。

物理层作为电气接口，一方面接收来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输媒体上，起到发送驱动器的作用；另一方面把来自总线传输媒体的物理信号转换为数据信息送往数据链路层，起到接收器的作用。

当它接收到来自数据链路层的数据信息时，一方面需要按照规范要求，对数据帧加上前导码、界定码和结束码，并按照曼彻斯特编码规则对传输数据进行编码，再经过发送驱动器，把所产生的物理信号传送到网络的传输媒体上；另一方面，它又从总线上接收来自一个或多个其他设备的物理信号，将其去除前导码、界定码和结束码，对数据信号实行解码后，把数据信息送往数据链路层。

物理层作为电气接口应考虑到现场设备的安全稳定运行，因此它还应该具备电气隔离和信号滤波等功能，有的还需处理总线向现场设备供电等问题。

由于现场总线采用数字式多点串行通信方式，其总线传输介质多为两根导线，如双绞线，因而其机械接口相对较为简单。

2.物理层的结构

按照IEC物理层规范的有关规定，物理层又分为媒体相关子层与媒体无关子层。媒体相关子层负责处理导线、光纤和无线介质等不同传输媒体的信号转换问题，也称为媒体访问单元。规范支持多种媒体访问冗余设备，每种要与之连接的物理媒体设有一个物理接口，冗余连接数可多至8个。当出现多个连接时，物理传输介质对媒体相关子层的所有连接同时传送。并由媒体相关子层从这些连接中选择一个，把信号送到媒体无关子层，形成单一的数据流。规范中没有规定如何进行这种选择的方法。

媒体无关子层是媒体访问单元与数据链路层之间的接口。上述有关信号编码，增加或去除前导码、界定码的工作均在物理层的媒体无关子层完成。那里设有专用电路来实现编码等功能。

3.传输介质

H1网段支持多种传输介质：双绞线、电缆、光缆和无线介质。目前应用较为广泛的是前两种。H1标准采用的电缆类型可为无屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、屏蔽多对双绞线和多芯屏蔽电缆。

显然，不同传输信号的幅度和波形与传输介质的种类、导线屏蔽、传输距离、连接拓扑等密切相关。在许多场合，传输介质上既要传输数字信号，又要传输工作电源。由于要使挂接在总线上的所有设备都满足工作电源、信号幅度和波形等方面的要求，具备良好的工作条件，必须对在不同工作环境下作为传输介质的导线横截面和允许的最大传输距离等做出规定。线缆种类和线径粗细不同等对传输信号的影响各异。

4.FF的物理信号波形

基金会现场总线（FF）的现场设备提供两种供电方式：总线供电与单独供电。总线供电设备直接从传输数字信号的总线上获取工作能源；单独供电方式的现场设备，其工作电源直接来自外部电源，而不是取自总线。对总线供电的场合，总线上既要传送数字信号，又要向现场设备供电。按31.25 kbit/s的技术规范，FF的信号波形如图7-4所示。携带协议信息的数字信号以31.25 kHz的频率、峰-峰电压为0.75～1V的幅值加载到9～32V的直流供电电压上，形成控制网络的通信信号波形。

一个现场设备的网络配置如图7-5所示。要求在网段的两个端点附近分别连接一个终端器，每个终端器由100Ω电阻和一个1μF的电容串联组成，以防止通信信号在端点处反射而造成信号失真，在终端器与电缆屏蔽之间不应有任何连接，以保证总线与地之间的电气绝缘性能。

图7-4 H1的物理信号波形

图7-5 网络配置

从图7-5中可以看到，该网络配置使得其等效阻抗为50Ω。现场变送设备内峰-峰15～20mA的电流变化就可在等效阻抗为50Ω的现场总线网络上形成0.75～1V的电压信号。(www.chuimin.cn)

5.H1信号编码

H1的通信信号由下面几种信号码制组成。

（1）协议报文编码

这里的协议报文是指要传输的数据报文。这些数据报文由上层的协议数据单元生成。基金会现场总线采用曼彻斯特编码技术将数据编码信号加载到直流电源上形成物理信号。在曼彻斯特编码过程中，每个时钟周期被分成两半。H1采用称为双向L曼彻斯特编码的数据编码方式，它实际上是曼彻斯特编码的反码。它采用前半周期为低电平，后半周期为高电平形成的脉冲正跳变表示0；前半周期为高电平，后半周期为低电平的脉冲负跳变表示1。这种编码的优点是在数据编码中隐含了时钟同步信息，不必另外设置同步信号。在每个时钟周期的中间，数据码都必然会存在一次电平的跳变。每帧报文中协议数据的长度为8～273B。

（2）前导码

前导码置于通信信号最前端，是特别规定的一组8位数字信号：10101010。一般情况下，前导码的长度是8位的一个字节。如果采用中继器，则前导码可以多于一个字节。接收端的接收器正是采用前导码，使其内部时钟与正在接收的网络信号同步。

（3）帧前界定码

帧前界定码标明了协议数据信息的起点，长度为一个8位的字节。帧前界定码由特殊的N＋码、N-码和普通正负跳变脉冲按规定的顺序组成。在FF的物理信号中，N＋码和N-码都有自己的特殊性，不像数据编码那样在每个时钟周期的中间都存在一次电平的跳变。N＋码在整个时钟周期都保持高电平；N-码在整个时钟周期都保持低电平，即它们在时钟周期的中间不存在电平的跳变。接收端的接收器利用帧前界定码信号来找到协议数据信息的起点。帧前界定码的波形如图7-6所示。