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基于现场总线的温度测控系统设计 第3页

更新时间:2009-4-1:  来源:毕业论文
基于现场总线的温度测控系统设计 第3页|免费论文
图2-1  OSI模型与现场总线通信模型的对应关系
应用层规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式;现场总线用户层具有标准功能块和装置描述功能。标准规定32种功能块,现场装置使用这些功能块完成控制策略。不过,在相应的软硬件开发过程中,往往又把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间部分作为一个整体,统称为通信栈。
现场总线应用层由现场总线访问子层和现场总线报文规范子层构成。现场总线访问子层提供发布者/预订者、客户机/服务器和报告分发三种模式的报文服务。现场总线报文规范子层提供对象字典服务、变量访问服务和事件服务等。
2.3.1物理层
物理层用于将信息编码。低速现场总线上发送的信号是31.25KBps速率的电流信号,它被叠加在一个供电的支流电源信号上。
1 功能
物理层用于实现现场物理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标准。物理层作为电气接口,一方面接受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;另一方面把来自传输媒体的物理信号转换为信息送往数据链路层,起到接收器的作用。
2 信号编码
基金会现场总线的信号通信由以下几种信号编码组成。
前导码:这是为置于通信信号最前端而特别规定的8位数字信号:10101010,即一个字节,一般情况下,它是8位的一个字节长度。收信端的接收器利用这一信号,对正接收的现场总线信号同步其内部时钟。数据格式如表2-1:
表2-1  基金会现场总线数据帧格式
前导码 帧起始定界符 编码数据 终止符
帧前定界码:它标明了现场总线信息的起点,其长度为8个时钟周期,也就是一个8位的字节。帧前定界码由特殊的N+码和N-码和正负跳变脉冲按规定的顺序组成。在FF总线的物理信号中,N+码和N-码具有自己的特殊性。它不像数据编码那样在每个时钟周期的中间都必然会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。收信端的接收器利用帧前定界码信号来找到现场总线信息的起点。


图2-2  FF总线传输数据的波形
帧结束码:帧结束码标志着现场总线信息的终止,其长度为8个时钟周期,或称一个字节。像起始码那样,帧结束码也是由特殊的N+码和N-码和正负跳变脉冲按规定的顺序组成,当然,其组合顺序不同于起始码。帧前定界码和帧结束码分别为一个字节的编码,帧前定界码和帧后定界码相当于一对括弧,将一帧信息括起来。按曼切斯特编码规则,N+码和N-码既非“0"也非“1",因此在正常数据中是不可能的,以此来实现数据的透明传输。   
前导码、帧前定界码、帧结束码都是由物理层的硬件电路生成并加载到物理信号上的。这几种编码形成如图2-2所示的编码序列。作为发送端的发送驱动器,要把前导码、帧前定界码、帧结束码增加发送序列之中;而接收端的信号接收器则要从所接收的信号序列中把前导码、帧前定界码、帧结束码除掉。
2.3.2数据链路层
数据链路层的操作由链路活动调度器控制和执行。
1 链路活动器的竞争
现场总线上可挂接多个链路主设备。链路主设备需经过竞争成为具有链路活动调度器功能的链路设备,其他的链路设备有基本设备和网桥。竞争规则如下:
•节点地址最低的链路主设备胜出;
•在网段上一旦有一个链路主设备或得链路活动调度器的功能,这时如果有节点地址更低的新设备接入,则新设备不能获得链路活动调度的功能;
•网桥或H1现场总线接口模块具有优先权(较低地址)来获得链路活动调度器功能。
2 链路活动调度器的功能和工作过程
(1)周期通信:把根据链路活动调度器的链路活动调度表,需要进行周期通信的数据称为报文。周期通信的操作过程为:链路活动调度器想需要发送报文的设备发出强制数据令牌的调度命令,如图2-3所示。该设备收到强制数据令牌命令后就可发送数据传输,广播或发送报文到现场总线上,通信按照发布方/预约接收方的方式进行,有关的接收设备收到该设备发送的报文后,就可在内部解装和转换为用户层可使用的信号。周期通信的特点:由于报文的接收方是预先确定的,因此,报文传输不需建立连接和拆装连接,也不需要数据缓冲区。
(2)非周期通信:在周期通信的间隔,可以在现场总线上发送非周期通信的报文。这些非周期通信的报文包括操作员改变控制回路的设定值,切、换手自动操作模式等。链路活动调度器有两个令牌:强制数据令牌和传输令牌。只有获得令牌的设备才能够在现场总线上发送数据。一个总线段在一个时刻只能有一个设备拥有令牌。
强制数据令牌用于周期通信,在规定的周期时间内,强制数据令牌就会发送到有关的现场总线设备。传输令牌用于非周期通信,在周期通信的时间间隔,链路活动调度器发送传输令牌到现场总线设备,该设备接收传输令牌后,就获得控制权,并发送非周期报文,直到报文发送完毕或拥有令牌的最大时间到达,然后将令牌返回链路活动调度器,如图2-4所示。非周期通信特点:非周期通信的接收方是随机的,因此,非周期通信的数据传输是有向连接的传输。
(3)连接活动调度表的文护:链路活动调度器文护链路活动调度表。链路活动调度表是一个时间表,用于确定有哪些现场总线设备要列入链路活动调度表,并对未在活动表的设备进行探询,对探询有响应的设备被列入活动表,就会周期的获得强制数据令牌,并能够强制的发送数据。
链路活动调度器在周期通信和非周期通信的间隙时间,可发送探询节点的报文到没有列入链路活动调度表的节点地址,如果该地址有一个现场总线设备存在,则该设备接收探询节点的报文,并返回一个探询响应报文,链路活动调度器接收到该探询响应,就将该设备添加到链路活动调度表,并将该变化广播告知在线的所有现场总线设备,使每个设备获得当前链路活动调度表的备份。

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