（机械电子工程专业论文）worldfip总线技术的研究与应用.pdf

中文摘要 中文摘要 w o r l d f i p 现场总线作为国际现场总线标准之一，以其可靠性高，实时性好， 协议单一，节点进退网络操作简单等特点被广泛应用。在国外w o r l d f i p 现场总线 已经成功应用在轨道车辆的控制系统，在我国引进的大功率电力机车中也使用 w o r l d f i p 总线来传输控制及状态监测信息。因此，消化吸收并掌握w o r l d f i p 网络 协议、构成以及应用具有重大意义。 本课题以目前w o r l d f i p 在列车通信网络的发展为背景，从列车通信网络的性 能要求出发，在网络的可靠性、可扩展性、实时性、安全性及信息的有效性五个 方面进行了研究。将w o r l d f i p 总线在介质冗余管理、信号编码方式、帧格式、介 质访问方式等方面与其他现场总线对比分析，并通过对机车车载网络的网络结构 和数据传输的研究，从理论和实际应用两方面透彻的研究了w o r l d f i p 在列车通信 网络应用中的优势和特点。 在此基础上，建立了w o r l d f i p 通信网络的实验平台，设计了能够进行数据通 信的w o r l d f i p 站点，以模块化方式介绍了主站板卡f u l l f i p 2 和从站板卡 m i c r o f i p 的内部结构和外部接口；还设计实现了扩展总线功能的w o r l d f i p 转 r s 4 8 5 和c a n 总线板卡。以此为平台，编写软件程序，设计了w o r l d f i p 网络的 软件结构，主要介绍了m h f d 和f d m 函数库的使用，总线仲裁扫描变量表的配 置。最后成功的实现站点之间的数据通信，完成了w o r l d f i p 性能验证实验以及在 此基础上的研究实验，深入理解了w o r l d f i p 协议，为研究w o r l d f i p 在列车微机控 制系统中的实际应用奠定基础。 关键词：w o r i d f i p 总线，列车通信网络，数据通信 分类号：t p 3 3 6 a b s t r a c t a bs t r a c t w o r l d f i pi so n eo ft h ei n t e r n a t i o n a lf i e l d b u ss t a n d a r d s ，w h i c hi sa p p l i e dw i d e l y w i t hi t sc h a r a c t e r i s t i co fh i g hr e l i a b i l i t y , g o o dr e a l t i m e ，u n i t a r yp r o t o c o la n dt h ee a s y n o d eo p e r a t i o no fe n t e r i n go rq u i t i n gn e t w o r ke t c w o r l d f i pf i e l d b u sh a sb e e na p p l i e d s u c c e s s f u l l yi n t h et r a i n sc o n t r o la ta b r o a d ，a n da l s ou s e dt ot r a n s f e rc o n t r o l i n s t r u c t i o n sa n ds t a t u sm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o nd u r i n gt h ei n t r o d u c t i o no fh i g h - p o w e r l o c o m o t i v ei nc h i n a t h e r e f o r e ，d i g e s t i o n ，a b s o r p t i o na n dm a s t e r yo fw o r l d f i p n e t w o r k sp r o t o c o la n dc o n f i g u r a t i o na r ev e r ys i g n i f i c a n tf o r t h ea p p l i c a t i o n s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do fw o r l d f i pa p p l i c a t i o na n ds i t u a t i o ni n t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , a n da n a l y z e sw o r l d f i pf i e l d b u s sn e t w o r kr e l i a b i l i t y , s c a l a b i l i t y ，r e a l t i m e ，s e c u r i t ya n dt h ee f f e c t i v ei n f o r m a t i o na tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kr e q u i r e m e n t s ，t h e nc o m p a r e sw o r l d f i pw i t ho t h e r f i e l d b u s e si nt h ef i e l do fm e d i u mr e d u n d a n tm a n a g e m e n t ，s i g n a le n c o d i n gs t y l e ，f r a m e f o r m a t ，m e d i aa c c e s sa n do t h e rr e s p e c t s t h ep a p e ra l s od o e sr e s e a r c h o nt h e l o c o m o t i v en e t w o r ks t r u c t u r ea n di n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，a n ds t u d i e st h ea d v a n t a g e s a n dc h a r a c t e r i s t i c st h o r o u g h l yf r o mt h et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no f w o r l d f i pi nt h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k w o r l d f i pc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki se s t a b l i s h e di nt h el a b o r a t o r y t h em o d u l e s b a s e do nn l a s t e rs t a t i o no ff u l l f i p 2a n ds l a v es t a t i o no fm i c r o f i pa r ed e s i g n e dt o i m p l e m e n td a t ac o m m u n i c a t i o n t h eb o a r dw h i c hi s u s e dt ot r a n s f e rw o r l d f i p p r o t o c o lt or s 4 8 5a n dc a nb u sp r o t o c o li sd e s i g n e dt oa c h i e v em o r ee x p a n s i o n f u n c t i o n s o nt h eb a s i so ft h ep l a t f o r m ，s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e d ；m e a n w h i l e ， t h em e t h o do fc o n s t r u c t i n gb al i s t ，t h el i b r a r ym h f da n dt h el i b r a r yf d ma r e i n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h es u c c e s s f u lr e a l i z a t i o no fc o m r m m i c a t i o n ，t h i ss u b j e c t c o m p l e t e st h ew o r l d f i pp e r f o r m a n c ev e r i f i c a t i o na n dt h eb a s i ce x p e r i m e n t s ，a n d c o m p r e h e n d st h ew o r l d f i pa g r e e m e n t t l l i sw i l lb et h ef o u n d a t i o n f o rs t u d y i n g w o r l d f i pf i e l d b u si nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft r a i nc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：w o r l d f i pf i e l d b u s ，t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，d a t ac o m m u n i c a t i o n c l a s s n 0 ：t p 3 3 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 日寸；南 签字日期：加毋年d 6 月10 日 像 帅越柏科枷 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：口寸手匆 签字日期：御g 年d 6 月日 致谢 本论文的工作是在我的导师余祖俊教授的悉心指导下完成的，余祖俊教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢多年来 余祖俊老师对我的关心和指导。 史红梅教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此表示衷心的谢意。 朱力强老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 陈科山教授对我的论文提出了宝贵的意见，在此表示诚挚的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，微机测控实验室的全体研究生同学对我论文 中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 1 课题的背景和意义 1 1 1 课题的提出 1 绪论 现场总线是测控领域与网络技术领域的工业数据通信系统，是连接现场智能 设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线是现 代计算机和通信技术在工业领域内的应用，从计算机角度看，现场总线是一种工 业网络平台；从通信角度看，现场总线是一种新型的全数字、串行、双向、多路 设备连接的通信方式；从工程角度看，现场总线是一种工厂结构化布线。现场总 线控制系统是新型的自动化系统，又是低宽带的底层控制网络。它作为网络系统 显著的特征是具有开放统一的通信协议，肩负着生产运行一线测量、控制的特殊 任务。 现场总线技术以其高速、可靠、布线简单，费用低廉等优点得到越来越广泛 的应用，特别是在制造业自动化、过程控制自动化、电力、楼宇、铁路交通等方 面。 w o r l d f i p ( w o r l df a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o np r o t o c 0 1 ) 现场总线网络技术是以阿尔 斯通( a l s t o m ) 、施耐德( s c h n e i d e r ) 、西技来克( c e g e l e c ) 、霍尼韦尔 ( h o n e y w e l l ) 等大公司为基础，协会有1 0 0 多个成员，产品在法国市场占有率大 于6 0 ，欧洲约2 5 ，产品主要集中在发电与输配电、加工自动化和过程自动化 等领域。目前w o r l d f i p 被采纳为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 3 和国际标准i e c 6 1 1 5 8 2 t 1 1 。 随着国内对法国a l s t o m 机车的引进，满足i e c 国际标准的w o r l d f i p 通信 网络系统设计成为目前国内铁路各项研发应用中一个非常重要的课题。2 0 0 7 年3 月中国北车集团大同电力机车有限公司继2 0 0 5 年合作后再次与法国a l s t o m 公 司签订了大功率交流传动六轴电力机车项目进口部件采购合同与技术合作合同， 与北京铁路局、中国技术进出口总公司签订了大功率交流传动六轴电力机车项目 采购合同。该合同为大同电力机车有限公司与法国a l s t o m 公司联合设计、合作 制造5 0 0 台大功率交流传动六轴电力机车，总价值达1 1 3 亿元人民币。该机车总 功率达9 6 0 0 千瓦，牵引5 0 0 0 吨( 客) 货列车时，运行时速可达1 2 0 公里，是代 表世界前沿技术的先进交流传动电力机车。 北京交通大学硕士学位论文 本课题是北京交通大学机电学院与大同电力机车有限公司联合培养研究生的 合作科研课题，旨在完成w o r l d f i p 总线技术的研究，并且采用w o r l d f i p 总线搭建 车载控制网络的系统平台，完成大同电力机车有限公司根据a l s t o m 原厂机车所 研制的大功率机车的w o r l d f i p 车载网络控制的技术储备。 1 1 2 课题的意义 本课题将探讨w o r l d f i p 总线技术特性，探索w o r l d f i p 总线技术的在列车控制 系统上的实用性。这一课题对于w o r l d f i p 在我国的应用推广，促进多种列车通信 网络在我国机车车辆和城市轨道列车上的应用有着积极的意义。同时促进了国内 机车车辆和城市轨道交通事业的发展，有助于推动国产列车微机系统的发展，促 进多种列车通信网络产品共存，增加列车通信网络的可选性，从而能提高国产列 车的质量。因而研究w o f l d f i p 现场总线在列车控制网络中的应用，将为我国机车 车辆和城市轨道列车控制系统的改进和发展做出重要贡献。 综上所述，基于w o r l d f i p 进行具有自主产权的产品开发，即充分发挥其技术 优势，又在一定程度上填补了技术空白，为消化吸收机车研制先进技术、搭建高 起点技术制造平台、与国际先进水平接轨起到积极的推动作用，同时还将纵深推 进我国电力机车研发制造产业的迅速升级，为我国铁路运力和运能的提高做出积 极贡献，因而具有较强的实践意义。 1 2 国内外发展现状 欧洲的铁路由于欧盟的形成，客观上对列车及其控制系统的互通、互联提 出了更高的要求。1 9 9 9 年通过的i e c 6 1 3 7 5 1 的t c n 列车网络国际标准就是以 s i e m e n s 和b o m b a r d i e r 等公司的原有技术为原型经共同开发后形成的，因此 t c n 列车控制网络应用比较广泛。 日本的铁路运输业也比较发达，但由于日本地形十分封闭的特点，其列车 控制网络技术模式不同于欧洲，而采用了一种适用主义的技术路线：列车总线 采用实时的a r c n e t 令牌环型或梯型网络，而车辆总线则采用基于h d l c 的 r s 4 8 5 总线，并满足了包括新干线高速列车在内的各种列车的控制需求。 美国铁路运输业有辉煌的过去，而目前主要以重载货运为主，其列车控制网 络技术以实用为原则，大量采用包括l o n w o r k s ，c a n ，无线网络等通用或在通用 技术基础上的改进技术，较好地满足了铁路运输的需要。 w o f l d f i p 现场总线在国外( 主要是欧洲) 己被广泛应用在能源、交通、轮船 2 绪论 码头、航空航天、石化、化工、冶金、城市交通管理等多个领域【2 】。目前国内对 w o r l d f i p 总线技术的研究和使用主要集中在电力系统，如大亚湾核电站，石家庄 热电厂，三峡华东输电等发电输配电系统都使用了w o r l d f i p 总线技术。w o r l d f i p 总线技术在机车车辆和地铁领域上的应用在国外有很成功的例子，如英法海峡隧 道列车、t g v 、比利时重载列车、巴黎无人驾驶地铁。对于国内该领域中上海轨 道交通三号线和五号线列车也引进了此技术。中国目前各种工业门类齐全，但自 动化控制水平参差不齐，现场总线控制系统和产品的市场很大。用户希望有一个 规模可大可小、价格适当、功能强大、可靠性高的系统。w o r l d f i p 适应这种要求， 正被越来越多的用户所接受。 例如：南瑞继电保护所是国内从事变电站继电保护的重要单位，其系统应用 在国内很多地方。目前他们完成了w o r l d f i p 产品的丌发，有m i c r o f i p 设备和 f u l l f i p 2 的p c i 0 4 板卡，凭借w o r l d f i p 高速而可靠的特性逐步取代原来的r s 4 8 5 系统，使整个继电保护水平上了一个台阶。试验测试项目已经开始，之后就将展 开大规模的应用。 另外，铁道科学研究院机辆所也购买了w o r l d f i p 的开发工具，其人员到法国 进行了培训，他们目前正开发基于w o r l d f i p 的车辆控制网络。华北电力大学继续 着他们在w o r l d f i p 电厂仪表方面的研究工作。 目前，在铁路机车车辆的控制网络研究中，中国北车集团电力牵引研发中心 在w o r l d f i p 网络控制产品开发以及相关列车网络控制进行了较多的工作。 总体来讲，在我国的列车网络控制领域中，应用较多的是符合i e c 6 1 3 7 5 国际 标准的t c n 列车控制系统，其次就是由法国a l s t o m 公司推出的以w o r l d f i p 作 为标准通信协议的列车网络控制系统。 1 3 论文的研究内容 本课题主要内容是学习w o r l d f i p 网络标准；将w o r l d f i p 总线与t c n 、 c a n o p e n 等总线协议进行对比剖析；掌握车载控制网络数据传输的要求，如数据 格式、特征周期、过程数据与消息数据在网络传输中的介质分配等；设计并研制 w o r l d f i p 板卡；搭建w o r l d f i p 总线网络系统平台并进行相关实验研究。 由于在中国成立了w o r l d f i p 推广技术中心，使得w o r l d f i p 开发基础器件容易 获取，同时大同电力机车有限公司引进的a l s t o m 原厂机车使用的也是w o r l d f i p 总线技术，因而对于即将研制的国产大功率机车的车载网络控制系统的相关标准 和要求容易得到。机车的主变流器t c u 、辅助变流器a c u 、制动单元b c u 、远程 i o 模块等均需要采用符合标准要求且可通过一致性检验的w o r l d f i p 总线板卡。 北京交通人学硕十学位论文 一个w b r l d f i p 设备可以较为复杂和不太复杂，取决于设备是传感器、执行器、 i o 模块单元还是处理器部件( p c ，p l c 等等) 。然而它们的整体结构却是基本相 同的，w b r l d f 口通信器件使得在所选的通信介质上的通信成为可能，包括通信控 制器和线工具，通过它们构成通信接口来得到w o r l d f i p 协议所提供的服务。通信 库用于在用户应用和通信控制器之间建立连接，并提供一组遵守w o r l d f i p 协议的 服务。通信库使用集成在通信控制器中的函数，并利用软件创建一组w o r l d f i p 标 准所要求的扩充函数，每种库都为专用的通信器件服务，例如m f h d 函数库支持 通用协议芯片m i c r o f i p ，f d m 函数库支持高级协议芯片f u l l f i p 2 。 本课题进行的主要应用的任务是研究开发符合车载控制网络标准要求且可通 过一致性检验的w o r l d f i p 总线板卡。接口板卡的开发是现场总线底层应用与开发 中的关键技术，接口板卡的性能对整个系统的性能起着十分重要的作用。w o r l d f i p 总线接口板卡除了具有连接w o r l d f i p 总线、与总线上其它设备通信等功能的站点 外，还应该具有总线仲裁，介质冗余管理等功能，或具有桥接器的功能。考虑到 恶劣现场环境，接口板卡还应具有良好的电磁兼容性能及抗干扰性能，符合本质 安全的要求。同时为了方便用户的使用，在软件上应提供良好的用户接口，便于 系统的开发与集成。 课题利用w b r l d f i p 通信器件( 包括通信控制器m i c r o f i p 、f u l l f i p 2 ，线路 驱动器f i e l d r i v e 和总线变压器f i e l d t r ) 设计w o r l d f i p 接口板卡硬件，同时 利用w o r l d f i p 通信库( m f h d 和f d m 函数库) 完成该接口板卡的应用程序。 4 w o r l d f i p 现场总线研究 2w _ o r l d f i p 现场总线研究 本章介绍了w o r l d f i p 协议和网络芯片，将w o r l d f i p 总线与其他现场总线比较， 并介绍了总线仲裁b a 管理和几种常用的总线调度方法。最后得出了本课题的 w o r l d f i p 网络系统实验室平台的设计方案。 2 1w 6 r l d f i p 技术特点 w o r l d f i p 的设计思想是，按一定的时序，为每个信息产生者分配一个固定的 时段，通过总线仲裁器逐个呼叫每个生产者，如果该产生者已经连接到总线上， 应在规定时间内应答。产生者提供必要的信息，同时提供一个状态字，说明这一 信息是最新生产的，还是不符合刷新时间的旧信息。消费者接收到信息时，可根 据状态字判断信息的可信度【3 】。 w o r l d f i p 支持3 种数据传输形式，即：周期性变量，总是处于发送和接收， 如对时间要求高的闭环控制；非周期性事件，当状态改变或有需要时，如报警； 非周期性消息，非时间临界的，如维护、诊断、设置参数【4 1 。对于列车控制网络我 们可以把周期性变量理解为在车载总线上传输的控制信息，把事件和非周期消息 理解为在车载总线上传输的机车状态参数信息。形象地比喻，w o r l d f i p 总线可以 看成一个流水的管道。一半( 或1 3 、2 3 由用户设计) 流的是水，是不可压缩的。 即周期性变量。另一半可以看成是空的，留给非周期性变量和消息的传送。如图 2 1 所示。 事件、非周期消息 周期性变量( 实时) 图2 - 1 将w o r l d f i p 总线看成“数据管道” f i g 2 1w o r l d f i pb u sc o u l db es e e na s ”d a t ap i p e l i n e ” w o r l d f l p 现场总线具有实时性、同步性、灵活性和可靠性等特点，适合对于 传输时间有严格要求的场合。 ( 1 ) 实时性 网络仲裁器是整个w o r l d f i p 网络通信的控制者，网络仲裁器轮番呼叫每一个 5 北京交通人学硕士学位论文 产生者变量，可以保证在确定的时间扫描被指定的周期变量；产生者变量更新状 态标志位可以反映产生的数据有效性，消费者变量具有提示状态标志位可以反映 使用的数据及时性【5 1 。 ( 2 ) 同步性 在一个基本的循环周期内，先进行周期变量的传送，再在剩余的时问内进行 非周期信息或填充变量的传输。信号的有效带宽得到了充分利用，同时实时的控 制信息又不会受到非控制信息的干扰，周期和非周期信息均被传输。总线仲裁器 可以调度同步变量使网络上所有站点同步响应，还可以管理时间变量使网络上所 有站点具有统一的时间基准。 ( 3 ) 灵活性 w o r l d f i p 的通信实体在变量通信时不进行物理寻址而是用1 6 位的标识符变量 进行全局逻辑寻址。对于一个给定的标识符只能有一个产生者变量，但可有多个 消费者变量，如果某站点需要使用某变量，将该标识符变量配置为站点的本地使 用变量就可直接使用。消息发送可以是点对点或点对多点，点对点消息可以是带 确认的和不带确认，如果收不到确认帧还可以根据设定的重发次数进行重发。 ( 4 ) 可靠性 w o r l d f i p 的访问机制是调度性的，完全避免了“碰撞”或不可预料事件的发 生，确保了通信安全。在一个网络中可以有一个或多个网络仲裁器，在任一给定 时刻，只有一个起作用，其它处于热备状态，监听网络状态。只要有网络仲裁器 故障，其它热备的仲裁器就按预设的优先级顺序启动。对于每个w o r l d f i p 站点的 网络冗余则是通过一个控制器驱动两路驱动器，接入两个独立的网络实现的。当 一个网络的网线被破坏，自动切换到另一路。另外，物理层的检错机制包括了网 络过载或欠载探测，数据链路层可以保证问题帧与响应帧相关联，帧校验序列采 用1 6 位c r c 校验。 2 2w o r l d f i p 协议与芯片 2 2 1 数据通信网络协议 w o r l d f i p 使用i s 0 7 层模型中的以下3 层通信协议：应用层、数据链路层、物 理层。图2 2 所示的三层是在w o r l d f i p 网络控制器中自动实现的，不需要用户c p u 干预。它相应于7 层网络通信协议的1 、2 和7 层【6 1 。 6 w o r l d f i p 现场总线研究 m p s e n 5 0 17 0 v o l u m e 3 p a r t5 3 一l s u b m m s e n 5 0 1 7 0 v o l u m e 3p a r t5 - 3 2 m c s e n 5 0 1 7 0 v o l u m e 3p a r t6 3 数据链路层 e n 5 0 l7 0 v o l u m e 3p a r t3 - 3 物理层 e n 5 0 l7 0 - v o l u m e 3p a n2 3 图2 - 2w o r l d f i p 协议的三个通信层 f i g 2 2w o r l d f i pp r o t o c o l st h r e ec o m m u n i c a t i o nl a y e r s 应用层在用户层信息的前面加上两个字节的识别码( i d ) 。这两个字节第一个 是变量类型即所谓协议数据单元( p d u ) 类型。第二个字节是数据长度。 应用层服务有三个不同的组：b a a s ( b u s a r b i t r a t o r a p p l i c a t i o ns e r v i c e s ) ，m p s ( m a n u f a c t u r i n gp e r i o d i c a l a p e r i o d i c a ls e r v i c e ) ，s u b m m s ( s u b s e to fm a n u f a c t u r i n g m e s s a g es e r v i c e s ) 【7 】。b a a s 负责启动或停止仲裁服务，管理仲裁器的选举机制 等；m p s 服务提供给用户：本地读写服务，远程读写服务，参数传输接收指示， 使用信息的更新与提示等；s u b m m s 服务是工厂报文服务的子集，提供消息传输 的请求和指示。 数据链路层主要完成无差错的数据传送，包括两种类型的传送服务：被标识 变量的交换和报文传送。数据链路层在应用层基础上加上一头一尾。头上是一个 字节的状态字，表示该信息是最近刷新的，还是重复以前的数据。尾上加两个字 节，用于1 6 位的c r c 校验。 物理层应能确保连接到总线上的装置间进行位信号的传送，传输介质可以是 屏蔽双绞线或光纤，物理层采用m a n c h e s t e r 编码，这样在传送时可同时提取同步 信号。物理层在数据链路层基础上再加上帧起始序列( f s s ) 和帧结束序列( f e s ) 。 帧起始序列由前导码( p r e ) 和帧起始定界符( f s d ) 组成，前导码由“1 0 1 0 1 0 1 0 的一个8 位序列组成，用于接收方与发送方的时钟的同步，帧起始定界符由“1v + v - 10v - v + o 组成，用于表示向数据链路层指示有用信息的开始。帧结束定界符 ( f e d ) 由“lv + v - v + v 1o1 组成，表示帧数据结束。物理层为每个传输的 帧增加2 4 个符号。如图2 3 所示，w o r l d f i p 帧的编码【8 】。 7 北京交通大学硕十学位论文 10101010iv + v -l0v-v+0 p r e f s d 数据和控制段 图2 - 3w o r l d f i p 帧的编码 f i g 2 3w o r l d f i pf r a m ec o d i n g f e d w o r l d f i p 传输服务中，在系统配置了对象的名字并设置了它们的周期后，这 些变量或消息的交换就自动发生而无需用户的请求。在用户明确请求下，这些明 确请求将在总线上产生一个或多个变量，一条或多条消息的传递。 数据链路层为应用层提供服务并使用物理层提供的服务。数据链路层由一组 产生和使用缓冲区组成。这些缓冲区包含了由用户或网络最近更新的值。当一个 新值被引入产生或使用缓冲区时，原先的旧值就被新值覆盖。在站点初始配置时 指定描述这些缓冲区的资源，访问缓冲区是以产生者和使用者标识符为中介的。 为实现缓冲区传输，总线上发送一个问题帧i dd a t ，并指明标识符号。若站 点被声明为该标识符的产生者，数据链路层使用响应帧并以该变量的值来回应。 之后数据链路层再向应用层发出传送了该值的指示ls e n t i n d i c a t i o n 。若站点被 声明为该标识符的使用者，数据链路层接收下一个响应帧r pd a t 的值。之后数 据链路层再向应用层发出接收了该值的指示lr e c e w e d i n d i c a t i o n 。缓冲区的最 大容量为1 2 8 字节。缓冲区仅含有被标识变量的值【9 】。如图2 4 ，产生缓冲区对应 标识符k ，使用缓冲区对应标识符a 。 应用层； 数据链路层 i 总线活动 il ；i ；厂i i _ 一i dd a tk _ 卜 l s e n t i d ( i dk ) 叫! 竺l r p j a t ( 1 0 卜 l 产生缓冲区 i l 标识符k i l _ r e c e i v e d i n d ( i da ) 刊三竺：- 肿i d o d 州a t 2 a 。， ； 使用缓冲区 i i 标识符a i 图2 - 4 缓冲区与标识符 f i g 2 _ 4b u f f e ra n di d e n t i f i e r w o r l d f i p 现场总线研究 总线的活动以系统配置时定义的时间间隔扫描变量所需的资源。总线使用 i dd a t 向总线上广播标识符的名字。该问题帧同时被连接到总线上的所有站点的 数据链路层接收并被记录。其中仅有一个站点认出自己是该标识符的产生者，有 一个或更多的站点认出它们是该变量的使用者。变量的产生者以r pd a t 广播标 识符的值。结束该活动后，重复同样的问题帧、响应帧循环扫描变量。如图2 5 为周期变量在总线上的传输过程。 设备1漫备2设备3设备4 设备1设备2设备3 图2 - 5 周期变量在总线上的传输过程 f i g 2 5p r o c e s so f p e r i o d i c a lv a r i a b l et r a n s f e ri nf i e l d b u s 当使用一个或多个变量的新站点连接到总线上时，为新站点提供这些变量并 不需要更多的时间，机制仍旧是同样的。 数据链路层状态机构的计时器不断监视着总线上的活动。这样如果响应帧丢 失或缓慢到来时，使用者将返回到等待问题状态并忽略所有其它类型的帧。 在一个分布式应用中，不是所有的变量都有必要放在总线的周期扫描表里。 有些变量可能只是偶尔进行交换，这种事件性质的变量w o r l d f i p 提供了一种传输 的机制。 该机制分为三个阶段： 第一阶段：总线在为周期性的变量设置的窗口中广播一个标识符a 的问题帧 时，变量a 的产生者以相应的值回答，并在响应帧的控制段中设置事件传输请求 位。总线的管理站点则在一个用于变量传输请求的队列中记下标识符a 。如图2 - 6 为事件变量传输的第一阶段。 9 北京交通人学硕士学位论文 设备1设备2设备3 图2 - 6 事件变量传输的第一阶段 f i g 2 6t h ef i r s tp h a z eo fi n c i d e n t v a r i a b l et r a n s f e r 第二阶段：在事件和消息传输设置的窗口时间内，总线管理者使用标识请求 帧i dr q 要求标识符a 的产生者发送其上一阶段的请求，a 的产生者则以r p _ r q 帧( 标识符列表) 作响应。总线将该列表储存在另外一个队列中。如图2 7 为事件 变量传输的第二阶段。 设备1设备2设备3设备4i 殳蕃s 图2 - 7 事件变量传输的第二阶段 f i g 2 7t h es e c o n dp h a z eo fi n c i d e n tv a r i a b l et r a n s f e r 一个响应请求帧可以包含l 到6 4 个标识符。总线管理者在注意到请求后可能 会很快，也可能会比较慢的发送标识符请求帧。这一服务的延迟取决于周期传输 的负载和要处理的请求的数量。 第三阶段：在事件和消息传输窗口时间内发生，在基本循环后总线管理者根 据用于此种类型传输的可用时间来完成一个或者多个请求。这是采用与周期性变 量传输同样的机制来实现的：总线使用i dd a t 向总线上广播标识符的名字，仅 有一个站点认出自己是该标识符的产生者，有一个或更多的站点认出它们是该变 1 0 w o r l d f i p 现场总线研究 量的使用者。提出事件变量传输请求的站点可以是：变量的产生者、使用者、产 生者和使用者、或者既不是产生者也非使用者供其他站点使用。如图2 8 为事件变 量传输的第三阶段【10 1 。 设备1设备3 图2 - 8 事件变量传输的第三阶段 f i g 2 8t h et h i r dp h a z eo fi n c i d e n tv a r i a b l et r a n s f e r 在应用中，还有些消息只是偶尔进行传输，对此w o r l d f i p 的数据链路层提供 了点对点或广播模式的传输机制。该机制又分为无确认消息传输和确认消息传输。 非周期消息传输的原理与事件变量传输请求类似。对于无确认消息传输模式，在蛩 前两个阶段基本相同，在第三阶段由消息产生者再向总线发送一个r pf i n 帧。然 而对于确认消息传输模式，在第一个阶段相同，消息发送者以r pm s ga c k 帧 回应，而不是r pm s gn o a c k 帧，使得点到点的交换更可靠。 设备1设备2设备3 图2 - 9 非周期消息传输的确认消息传输模式 f i g 2 - 9a p e r i o d i c a lm e s s a g et r a n s f e r 谢t ha c k n o w l e d g e m e n t 北京交通大学硕十学位论文 如图2 - 9 所示为非周期消息传输的确认消息传输模式。目的站点以确认帧回 应，消息发送者向总线发送一个r pf i n 帧表明处理结束。s 表示消息的源站点， d 表示目的站点。 当总线管理者给予消息的发送者使用网络的权利时，它事先不知道请求的是 有确认的还是无确认的，这时管理者必须检查在基本的循环中是否有足够的时间 来完成请求。管理者站点通过设置一个计时器来避免无限期的等待指示消息处理 结束的r pf i n 帧。 缓冲区传输机制使用两种类型的帧：i dd a t 和r pd a t 。每一个传递的 w o r l d f i p 帧都被来自物理层的信息包裹起来，帧处在d t r 帧开始段和f t r 帧结 束段之间。这些段在物理层解释。所有w o f l d f i p 帧以一个控制字节开始，网络站 点以此字节识别接收到的帧的类型。这个控制段用来编码变量传输请求，确认帧 等等。所有w o r l d f i p 帧以2 个字节的f c s 帧校验序列结束，用于验证接收到的帧 的完整性。所有的问题帧，不管是i dr q 和i dm s g 都是i dd a t 类型，它们只 在控制字段的某些位上有区分【l l 】。所有帧的基本格式如表2 1 所示。 表2 1w o r l d f i p 帧的基本格式 t l b 2 1b a s i cf o r m a to f w 6 r l d f i pf r a m e i d d a t 匠 二五工二亟二工玉 工习 2 b y t e sl b y t e 2 b y t e s2 b y t e sl b y t e r p d a t f s s 控制 数据 f c s l f e s f 2 b y t e sl b y t e nb y t e s ( n = 1 2 8 ) 2 b y t e sl b y t e r p _ r q 2 b y t e sl b y t e nx1 6 b i t ( i l = 6 4 ) 2 b y t e s l b y t e r p m s 岫区亟工亟正压五 j 互 互工司 a c k n o a c k 2 b y t e sl b y t e 3 b y t e s3 b y t e s 1 1b y t e s ( n = 2 5 6 ) 2 b y t e s l b y t e r p a c k j 二 二亘二工二匠二 卫 2 b y t e s l b y t e2 b y t e s lb y t e l 冲f n 2 b y t e sl b y t e2 b y t e s l b y t e 1 2 w o r l d f i p 现场总线研究 w o r l d f i p 的三层协议共在有用信息两端增加了8 个字节。当速率为1 m b p s 时，帧与帧之间的间隔可设定在1 0 - 7 0 l a s 之间。i d i ) a t 共8 个字节，r p d a t 共8 + n 个字节( n 为用户数据字节数) 。得到w o r l d f i p 总线的传输效率表示为 效率：堕l 一：型l ( 1 0 t r 7 0 ) ( 2 1 )8 8 + 7 兄+ ( 8 + 刀) 8 + t r 1 2 8 + 2 t r + n 8 、 如果每个数据都是8 字节( n = 8 ) ，有用通量在2 0 0 k 3 0 0 k b p s 之间。如果数据 长度为1 2 8 字节( n = 1 2 8 ) ，有用通量可达8 0 0 k b p s 。在1 m b p s 速率下，如果扫描 周期为1 0 m s 。假设5 m s 用于周期性变量，5 m s 用于传送事件和非周期消息，则5 m s 中可以扫描2 3 个8 字节变量或4 个1 2 8 字节变量。如果网上真的有2 5 6 个用户站， 每站有1 6 个变量，即总共4 0 0 0 个变量，一半的时间留给消息包传输，则一次扫 描大约需要2 秒。 w o r l d f i p 协议除了在物理层和数据链路层对数据进行校验外，在应用层上还 可以在变量被发送或接收后通知用户该数据的状态信息。用户可借此与网络信息 同步，并了解到变量的时效性。 当用户在本地通信实体中读取一个变量时，可以通过“更新状态 ( 针对产生 者) 和“提示状态”( 针对使用者) 了解到该变量的更新情况。协议中称为更新和 即时。这个信息可用以描述任何产生或使用变量。， 非同步更新是产生者应用层通过计时器设置的一个标志位。每当变量的一个。 新值产生，开始倒计时，经过事先规定的产生时间后，如果变量被更新、则计时 器复位，标志位保持为“真”，否则计时器超时，标志位变为“假 。该标志位与 变量值一起被使用者所接收，使用者可通过它判断产生者一方是否遵守了变量的 产生时间。 同步更新与非同步更新不同的是，产生者每收到一个同步变量后计时器即被 复位，标志位变为“假”。在规定的产生时间内如果变量被更新，标志位变为“真， 直