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，存储在系统管理信息库（System Management Information Base,SMIB）中，并可以通过网络来访问SMIB。SMK支持网络设备管理，在设备运行之前将其基本的系统信息置入SMIB，并分配一个物理设备位号，然后使设备进入初始化状态；在不影响网络上其它设备运行的情况下，使该设备进入运行状态，并根据他的物理设备位号分配节点地址；当设备加入网络以后，可按需设置远程设备和功能块。SMK采用系统管理内核协议（SMK Protocol,SMKP）与远程SMK通信，另外采用FMS访问SMIB。SMK亦能为OD提供服务。首先在网络上对所有设备广播对象名，然后等待设备的响应，从而获得网络上对象的信息。

3）功能块应用进程。功能块应用进程（Function Block Application Process,FBAP）位于应用层和用户层。功能块（Function Block,FB）实现某种应用功能或算法如PID功能块实现PID（比例、积分、微分）控制功能，模拟输入（AI）和模拟输出（AO）功能块分别实现参数输入和输出功能，如将AI、PID、AO功能块的输出端和输入端相连接就可以实现单回路控制策略。FF规定了10个基本功能块和19个附加功能块，分布在现场总线设备内，供用户组态实现所需控制策略，从而构成全分布式网络控制系统，也就是所谓现场总线控制系统（Fieldbus Control System,FCS），他与DCS的区别之一就在于DCS将所有的控制功能集中在DCS的主机中；而FCS则将60～80%的一般控制功能分散到现场智能化仪表中去了，这不仅提高了系统的可靠性，而且还使控制更加及时和精确。由功能块组合有关控制的范例如图4。