1前言
　　現(xiàn)場總線是應用在生產現(xiàn)場，在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網絡?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放通信網絡，又是一種全分布控制系統(tǒng)。自80年代以來，有幾種現(xiàn)場總線技術已逐漸形成，在一些特定的應用領域顯示了各自的優(yōu)勢。
　　對用戶而言，如何選擇適合自己需要的現(xiàn)場總線，來滿足工業(yè)控制中的實時要求。這需要了解每種現(xiàn)場總線的特點，尤其是數(shù)據(jù)鏈路層的通信介質訪問控制方式。
　　按照對時間確定性的支持，現(xiàn)場總線通信介質訪問控制方式主要分為兩大類：一類采用事件觸發(fā)方式，它不直接支持時間確定性，多數(shù)采用隨機載波監(jiān)聽方式(CSMA)，具有代表性的有CAN和LON等；另一類采用時間觸發(fā)方式，它直接支持時間確定性，
　　通常采用令牌方式，它又可以進一步分為：(1)集中式令牌，具有代表性的有WorldFIP和FF等；(2)分布式令牌，具有代表性的有PROFFBUS等；(3)虛擬令牌，具有代表性的有P-NET等。
　　為此，本文針對目前比較流行的，且通信介質訪問控制方式具有代表性的4種現(xiàn)場總線——LON、CAN、PBOFIBUS和FF進行簡單的介紹，特別是對其通信介質訪問控制方式進行了較詳細的描述。

　　2 LON(LocalE Operation Networks)

　　美國Echelon公司于1991年推出的局部操作網絡，在組建分布式監(jiān)控網絡方面具有優(yōu)越性。LON技術適合于低層次工業(yè)網絡，在住宅、樓宇管理、暖通、水處理、食品加工、機器控制與監(jiān)視等領域被廣泛接受。
　　LONWORKS采用的LonTalk通信協(xié)議遵循ISO／OSI的全部7層模型。LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron神經芯片中得以實現(xiàn)。Neuron神經芯片是IONWORKS的核心，內含3個8位CPC，分別為介質訪問控制處理器，網絡處理器和應用處理器?？梢?，Neuon神經芯片不僅作為LON總線的通信處理器，也作為采集和控制的通用處理器。
　　LON支持多種拓撲結構，如總線型、星型、環(huán)型、混合型等，和多種傳輸介質，如雙絞線、電力線、無線電波、紅外線、光纖、同軸電纜和電源線等?？梢愿鶕?jù)不同的現(xiàn)場環(huán)境選擇不同的收發(fā)器和介質。采用雙絞線時，通信速率為78kbps／2700m/每段以節(jié)點，1．25Mbps／130m/每段64個節(jié)點。Motomla已開發(fā)出IS-78本安物理通道，使LON網絡可以延伸到危險區(qū)域。

　　LON的通信介質訪問控制方式為帶預測P-堅持CSMA。當節(jié)點有信息要發(fā)送而試圖占用通道時，首先在一個固定的周期Beta 1檢測通道是否處于網絡空閑。為了支持優(yōu)先級，還要增加優(yōu)先級時間片，優(yōu)先級越高的所加的時間片越少。隨后再根據(jù)網絡積壓參數(shù)BL產生一個隨機等待時間片 W’，W’為0到W之間的隨機數(shù)，W＝BL*16。當延時結束時，網絡仍空聞，節(jié)點以概率p=1／W發(fā)送報文。此種方式在負載較輕時使介質訪問延遲最小化，而在負載較重時使沖突最小化，但不能消除沖突。圖2-1為LON的優(yōu)先級帶預測P-堅持CSMA概念示意圖。
　　LON有完整的7層協(xié)議，具備了局域網的基本功能，與異型網的兼容性比現(xiàn)存的任何現(xiàn)場總線都好。它還提供了與LAN的接口，從而實現(xiàn)二者的有機結合。同時，LON屬于網絡型系統(tǒng)，不適合于有大量數(shù)據(jù)需要采集，進行頻繁處理的快速工業(yè)控制系統(tǒng)。
LON通過具有通信與控制功能的Neuron神經芯片、收發(fā)器、電源、傳感器和控制設備構成的網絡節(jié)點，采用專用的編程工具Neuron C，利用所提供的開發(fā)工具：LonBuilder、NodeBuilder和LVS技術，可以快速、方便地開發(fā)節(jié)點和聯(lián)網。

　　總之，當有大量的短消息需要通信應用時，LON是一個普及、低成本的總線系統(tǒng)。

　　3 CAN( Controller Area Network)

　　德國 BOSCH公司于1991年推出，用于汽車內部測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。主要應用于離散控制領域中的過程監(jiān)測和控制，特別是工業(yè)自動化的低層監(jiān)控，解決控制與測試之間的可靠和實時數(shù)據(jù)交換。
　　CAN采用了ISO／OSI的3層模型：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。
　　CAN支持的拓撲結構為總線型。傳輸介質為雙絞線、同軸電纜和光纖等。采用雙絞線通信時，速率為1Mbps／40m，50kbps／10km，節(jié)點數(shù)可達110個。
　　CAN的通信介質訪問方式為帶優(yōu)先級的 CS-MA／CA。采用多主競爭式結構：網絡上任意節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，即當發(fā)現(xiàn)總線空閑時，各個節(jié)點都有權使用網絡。在發(fā)生沖突時，采用非破壞性總線優(yōu)先仲裁技術：當幾個節(jié)點同時向網絡發(fā)送信息時，運用逐位仲裁規(guī)則，借助幀中開始部分的標識符，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息，從而有效地避免了總線沖突，使信息和時間均無損失。例如，規(guī)定0的優(yōu)先級高，在節(jié)點發(fā)送信息時，CAH總線做與運算。每個節(jié)點都是邊發(fā)送信息邊檢測網絡狀態(tài)，當某一個節(jié)點發(fā)送1而檢測到0時，此節(jié)點知道有更高優(yōu)先級的信息在發(fā)送，它就停止發(fā)送信息，直到再一次檢測到網絡空閑。圖3-1為A、B、C、D4個節(jié)點同時發(fā)送信息，最后優(yōu)先級高的節(jié)點D有權發(fā)送信息，其它節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)?！　AN的傳輸信號采用短幀結構(有效數(shù)據(jù)最多為8個字節(jié))，和帶優(yōu)先級的CSMA/CA的通信介質訪問方式，對高優(yōu)先級的通信請求來說，在1Mbps 的通信速率時，最長的等待時間為0．15ms，完全可以滿足現(xiàn)場控制的實時性要求。
　　CAN突出的差錯檢驗機理，如5種錯誤檢測、出錯標定和故障界定；CAN傳輸信號為短幀結構，因而傳輸時間短，受干擾概率低。這些保證了出錯率極低，剩余錯誤概率為報文出錯率的4．7x10-11。另外，CAN節(jié)點在嚴重錯誤的情況下，具有自動關閉輸出的功能，以使總線上其它節(jié)點的操作不受其影響。可見，CAN具有高可靠性。
　　CAN的通信協(xié)議主要由CAN控制器完成。CAN控制器主要由實現(xiàn)CAN總線通信協(xié)議部分和微控制器接口部分電路組成。通過簡單的連接即可完成CAN 總線協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，應用層功能由微控制器完成。CAN總線上的節(jié)點既可以是基于微控制器的智能節(jié)點，也可以是具有CAN接口的 I／O器件。　　總之，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN作為現(xiàn)場設備級的通信總線，同其它總線相比，具有很高的可靠性和性能價格比。

　　4 PROFIBUS(Process Fieldbus)

　　1986年，德國開始制定。它由3部分組成：Profibus-DP (Decentralized Periphery，分布式外設)，Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification，現(xiàn)場總線信息規(guī)范)和Profibus-PA(Process Automation，過程自動化)。不同的部分針對不同的應用場合，因此和Profibus應用領域十分廣泛。
　　Profibus以ISO／OSI模型為基礎，取其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。FMS還采用了應用層。DP和FMS使用同樣的傳輸技術和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因此二系統(tǒng)可在同一根總線上混合互操作。通過段鍋臺器或鏈接器，使PA系統(tǒng)很方便地集成到皿網絡。
　　DP和FMS有兩種傳輸技術：一種是RS-485，采用屏蔽雙絞線，拓撲結構為總線型，通信速率為9．6kbps／1200m， 12Mbps／100m，每段最多節(jié)點數(shù)為32，不支持總線供電和本安；另一種是采用光纖，用于電磁兼容性要求高和長距離要求的場合。 PA采用IEC1158-2傳輸技術，用屏蔽雙絞線，拓撲結構為總線型或樹型，通信速率為31．25kbps/1900m，每段最多節(jié)點數(shù)為32，支持總線供電和本安。
　　Profibus的通信介質訪問控制方式為分布式令牌方式(混合介質存取)。主節(jié)點之間為令牌環(huán)傳遞方式，主節(jié)點與從節(jié)點之間為主從輪詢方式。當主節(jié)點得到令牌后，允許它在一定的時間內與從節(jié)點和／或其它主節(jié)點通信。令牌在所有主節(jié)點中循環(huán)一周的最長時間TTR(設定周期)是事先預定的，決定了各主節(jié)點的令牌具體保持時間的長短。主節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)必須保證在事先定義的時間間隔內主節(jié)點有充足的時間完成通信任務，主節(jié)點與從節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換要盡可能快且簡單，地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。按這種方式，完成周期性與非周期性的數(shù)據(jù)交換。

　　為此，profibus的介質訪問控制MAC協(xié)議設置了兩類時鐘計時器：一類是令牌運行周期計時器，用于令牌的實際運行周期TRR計時；另一類是持牌計時器，用于主節(jié)點令牌保持時間TTH計時。當令牌到達某個主節(jié)點時，此節(jié)點的周期計時器開始計時。
　　當令牌又一次到達此主節(jié)點時，MAC從把周期計時器的TRR值與設定周期值TTR的差值賦給持牌計時器，即TTH＝TTR-TRR，持牌計時器根據(jù)該值控制信息的傳送。
　　在持牌計時器控制信息發(fā)送時，如果令牌到達超時，即TTH<0，則此節(jié)點只可以發(fā)送一個高優(yōu)先級信息；如果令牌及時到達，則此節(jié)點可以連續(xù)發(fā)送多個等待發(fā)送的高優(yōu)先級信息后，直到高優(yōu)先級信息全部發(fā)送完畢，或者持牌時間超時。如果在發(fā)送完所有待發(fā)送的高優(yōu)先級信息，仍然有持牌時間，則可以用同樣的方式發(fā)送低優(yōu)先級信息。無論發(fā)送高優(yōu)先級信息，還是低高優(yōu)先級信息，都只在發(fā)送前檢測持牌時間是否超時，而不是預先檢測發(fā)送完此信息是否超時，此種檢測方法意味著信息發(fā)送不可避免地造成持牌時間超時，影響了周期性實時通訊的實現(xiàn)。
　　Profibus-DP主要用于對時間要求苛刻的分散外圍間的高速數(shù)據(jù)傳輸，解決分散I／O問的通信，適合于加工自動化領域，具有高效低成本。 Profibus-PA，隊主要用于流程工業(yè)自動化，對安全性要求高和由總線供電的場合。Profibus-FMS主要用于解決車間級通用性的通信任務，完成控制器和智能現(xiàn)場設備之間的通信以及控制器之間的信息交換，提供了大量的通信服務(主要是針對主節(jié)點之間的通信)。
Profibus協(xié)議的苛刻時間部分由協(xié)議芯片實現(xiàn)， 熟應用廣泛的現(xiàn)場總線。Profibus的一些特點，又增加了自己的一些功能。主其余部分由微控制器的軟件實現(xiàn)，針對不同的應用，采用3種不同的傳輸技術。
　　5 FF(Foundation Fieldbus)

　　1994年ISPF和WorldFIP兩大集團聯(lián)合致力于開發(fā)統(tǒng)一的現(xiàn)場總線。它繼承了WorldFIP和總之，Profibus 由 DP、PA、FMS 3部分組成，有針對性地適用于不同的應用場合，是一種功能強大、成要應用于過程自動化領域。FF以ISO／OSI模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)。