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霹雳旋风

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[交流] 【分享】现场总线物理层协议概述

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一、现场总线的OSI参考模型
现场总线的互联结构是根据国际标准化组织的OSI参考模型制定的。OSI参考模型最早是
为通信技术而开发的,是一种开放的七层网络协议标准。与OSI七层参考模型略有不同的
是,现场总线只使用其中的1、2和7层协议(见图1)。这是因为,OSI参考模型的3～6层只有
在网络互联时才会用到,而现场总线无需与其它网络互联。
图1 现场总线的OSI参考模型 OSI的网络管理是OSI参考模型的扩展部分,贯穿该结构的全
部七层,其作用是监视和控制网络资源的使用。网络管理又分为系统管理功能区,对于现
场总线,最重要的功能区是网络配置。系统管理通过支持网络管理信息和资源管理信息的
数据库(MIB),对整个系统实施管理。
现场总线互联结构的应用与OSI参考模型的应用是一样的,它们都可用面向对象设计( OO
D)的概念来建立系统模型。通过这些模型,系统设计人员可以对系统的控制功能有更清晰
、全面的理解。
通过现场总线,控制设备相互连接起来。即通过对每台设备的功能建立模型,使之成为相
对独立的功能块。现场中的控制功能由这些功能块完成,而设备间的参数传递由这些功能
块的互联实现。因此,现场总线支持分布式工业现场控制方案。
二、现场总线物理层描述
根据信号传输理论,数据在网络中的传输率越高,消耗的能量就越大,这与一些系统对本
质安全的要求相冲突。所以,现场网络要选择合理的数据传输率;而对非本质安全要求的
系统 ,则可选择较高的传输率。因此,只要能满足系统控制的要求,应尽量选择较低的数
据传输率。
根据现场总线物理层协议,有几种可选的系统实现方案,每种方案都有自己的优点。但是
,处于同一总线上的控制设备必须选择同样的传输媒体、连接方法和数据传输率。不过,
采用总线方式供电的设备和独立供电的设备可以在同一总线中混合使用。
1.物理媒体的选择
·导线(屏蔽双绞线);
·光纤;
·无线电。
2.传输率的选择
·31.25Kbps;
·1Mbps;
·2.5Mbps。
3.公共媒体规范
控制设备的数据交换采用同步串行半双工方式,设备可在同一媒体中发送和接收数据,但
发送和接收过程不能同时进行。现场总线数据信号采用自时钟Manchester编码方式。由
于数据传输过程是同步的,因此每帧数据无需使用起始位和停止位。在Manchester码中,
编码时钟和数据结合在一起,所以上升沿代表逻辑0,下降沿代表逻辑1。
每帧报文的格式由前同步符(preamble)、首定界符(start delimiter)、数据段和尾定界
符(end delimiter)四部分组成(见图2)。前同步符相当于电话信号中的振铃信号,用于唤
醒接收设备,并使之与发送设备保持同步。每段报文中数据段的开头和结尾部分由定界符
标出。请注意,定界符不是Manchester码,它用非数据正 N+和非数据负N-表示,这样可以
有效地标明数据段的范围。前同步符和定界符由发送设备中的物理层自动加到报文中,并
在接收设备的物理层中被自动去掉。
4.导线媒体规范
在现场总线中,数据传输使用带屏蔽的双绞线。数据传输距离除和导线的物理特性有关外
, 主要取决于数据传输率:
·31.25Kbps:1900米;
·1Mbps(电压模式或电流模式):750米;
·2.5Mbps:750米。
数据发送设备将Manchester编码信号调制成电流后发送到总线上,调制电流的峰-峰值为
15～20mA(H1版本、31.25Kbps)。接收设备通过测量电流在两只终端器上的电压降来接收
数据,接收设备的灵敏度为150mV。现场总线设备的通信电路部分,即媒体连接单元(MAU)
,必须采用隔地措施,以防产生接地环流干扰。
5.现场总线拓扑结构
现场总线协议支持树型、点对点型和总线型三种拓扑结构。其中,树型结构仅支持低速版
本。总线型拓扑网的主干电缆上有两只终端器(匹配电阻,见图3),根据网络的工作速率,
终端器的输入阻抗为100Ω。控制设备通过分支器与主干电缆相连,分支器也可集成在设
备中,这样,分支器的连接长度为零。一只分支器可连接多台设备,连接设备的数量取决于
分支长度。另外,使用耦合器可延长分支长度,使用中继器可延长主干电缆的长度。
6.传输率31.25Kbps的导线媒体规范
出于对现场设备本质安全的考虑,而采用较低的传输率31.25Kbps。现场总线中最常用的
传输媒体是双绞线,它不仅可以传输数据,而且可以为现场设备供电。现场中的设备数量
可根据下面两个原则来决定:对系统有本质安全要求/非本质安全要求;控制设备采用总线
供电方式/独立供电方式。
在对本质安全有要求的系统中,一般要求在供电电源和供电电源末端端子器之间加装安全
栅。
当现场中的设备采用总线供电方式时,供电电源设在主干电缆的一端,电压为直流9～ 32
V。为防止总线中传输信号短路,供电电源在传输信号频率范围内(7.8～39KHz)输出阻抗
大于3KΩ(非本质安全)。由于Manchester码的占空系数正好为50%,所以可将其看作交流
信号,供电电源的直流耗电量为常数。
三、结语
广大工业界用户关心的是设备的物理连接方法,而现场总线的物理层协议已获得国际标
准化组织的认可(IEC1158-2)。虽然现场总线仍在不断完善之中,如将传输媒体由双绞线
扩充到光纤、传输率由31.25Kbps提高到2.5Mbps,但有一点可以肯定,即现场总线的物理
层结构不会改变。因为制定现场总线标准的目的就是为工业界的最终用户服务,凡是用户
关心的问题 ,在制定现场总线标准时都会加以考虑。

[ Last edited by 幻影无痕 on 2006-11-28 at 07:36 ]

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1楼 2005-12-20 18:21:02

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