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現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開放通信網(wǎng)絡(luò)，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(shù)已逐漸形成，在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)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(shí)時(shí)要求。這需要了解每種現(xiàn)場總線的特點(diǎn)，尤其是數(shù)據(jù)鏈路層的通信介質(zhì)訪問控制方式。
　　按照對時(shí)間確定性的支持，現(xiàn)場總線通信介質(zhì)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(shí)間確定性，多數(shù)采用隨機(jī)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(shí)間觸發(fā)方式，它直接支持時(shí)間確定性，
　　通常采用令牌方式，它又可以進(jìn)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(zhì)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(jìn)行簡單的介紹，特別是對其通信介質(zhì)訪問控制方式進(jìn)行了較詳細(xì)的描述。

　　2 LON(LocalE Operation Networks)

　　美國Echelon公司于1991年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面具有優(yōu)越性。LON技術(shù)適合于低層次工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，在住宅、樓宇管理、暖通、水處理、食品加工、機(jī)器控制與監(jiān)視等領(lǐng)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(jīng)芯片中得以實(shí)現(xiàn)。Neuron神經(jīng)芯片是IONWORKS的核心，內(nèi)含3個(gè)8位CPC，分別為介質(zhì)訪問控制處理器，網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器?？梢?，Neuon神經(jīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如總線型、星型、環(huán)型、混合型等，和多種傳輸介質(zhì)，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(zhì)。采用雙絞線時(shí)，通信速率為78kbps／2700m/每段以節(jié)點(diǎn)，1．25Mbps／130m/每段64個(gè)節(jié)點(diǎn)。Motomla已開發(fā)出IS-78本安物理通道，使LON網(wǎng)絡(luò)可以延伸到危險(xiǎn)區(qū)域。

 LON的通信介質(zhì)訪問控制方式為帶預(yù)測P-堅(jiān)持CSMA。當(dāng)節(jié)點(diǎn)有信息要發(fā)送而試圖占用通道時(shí)，首先在一個(gè)固定的周期Beta 1檢測通道是否處于網(wǎng)絡(luò)空閑。為了支持優(yōu)先級，還要增加優(yōu)先級時(shí)間片，優(yōu)先級越高的所加的時(shí)間片越少。隨后再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)BL產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)等待時(shí)間片W’，W’為0到W之間的隨機(jī)數(shù)，W＝BL*16。當(dāng)延時(shí)結(jié)束時(shí)，網(wǎng)絡(luò)仍空聞，節(jié)點(diǎn)以概率p=1／W發(fā)送報(bào)文。此種方式在負(fù)載較輕時(shí)使介質(zhì)訪問延遲**小化，而在負(fù)載較重時(shí)使沖突**小化，但不能****沖突。圖2-1為LON的優(yōu)先級帶預(yù)測P-堅(jiān)持CSMA概念示意圖。
　　LON有完整的7層協(xié)議，具備了局域網(wǎng)的基本功能，與異型網(wǎng)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(shí)現(xiàn)二者的有機(jī)結(jié)合。同時(shí)，LON屬于網(wǎng)絡(luò)型系統(tǒng)，不適合于有大量數(shù)據(jù)需要采集，進(jìn)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(jīng)芯片、收發(fā)器、電源、傳感器和控制設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，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(shù)，可以快速、方便地開發(fā)節(jié)點(diǎn)和聯(lián)網(wǎng)。
 

總之，當(dāng)有大量的短消息需要通信應(yīng)用時(shí)，LON是一個(gè)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(nèi)部測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。主要應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域中的過程監(jiān)測和控制，特別是工業(yè)自動(dòng)化的低層監(jiān)控，解決控制與測試之間的可靠和實(shí)時(shí)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(yīng)用層。
　　CAN支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型。傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜和光纖等。采用雙絞線通信時(shí)，速率為1Mbps／40m，50kbps／10km，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。
　　CAN的通信介質(zhì)訪問方式為帶優(yōu)先級的 CS-MA／CA。采用多主競爭式結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，即當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線空閑時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有權(quán)使用網(wǎng)絡(luò)。在發(fā)生沖突時(shí)，采用非破壞性總線優(yōu)先仲裁技術(shù)：當(dāng)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息時(shí)，運(yùn)用逐位仲裁規(guī)則，借助幀中開始部分的標(biāo)識(shí)符，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)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(shí)間均無損失。例如，規(guī)定0的優(yōu)先級高，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，CAH總線做與運(yùn)算。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是邊發(fā)送信息邊檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送1而檢測到0時(shí)，此節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)空閑。圖3-1為A、B、C、D4個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息，**后優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)D有權(quán)發(fā)送信息，其它節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)?！　AN的傳輸信號采用短幀結(jié)構(gòu)(有效數(shù)據(jù)**多為8個(gè)字節(jié))，和帶優(yōu)先級的CSMA/CA的通信介質(zhì)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(shí)，**長的等待時(shí)間為0．15ms，完全可以滿足現(xiàn)場控制的實(shí)時(shí)性要求。
　　CAN突出的差錯(cuò)檢驗(yàn)機(jī)理，如5種錯(cuò)誤檢測、出錯(cuò)標(biāo)定和故障界定；CAN傳輸信號為短幀結(jié)構(gòu)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾概率低。這些保證了出錯(cuò)率極低，剩余錯(cuò)誤概率為報(bào)文出錯(cuò)率的4．7x10-11。另外，CAN節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，以使總線上其它節(jié)點(diǎn)的操作不受其影響?？梢姡珻AN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(shí)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(yīng)用層功能由微控制器完成。CAN總線上的節(jié)點(diǎn)既可以是基于微控制器的智能節(jié)點(diǎn)，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(shí)時(shí)性和靈活性。CAN作為現(xiàn)場設(shè)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(jià)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(shè))，Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification，現(xiàn)場總線信息規(guī)范)和Profibus-PA(Process Automation，過程自動(dòng)化)。不同的部分針對不同的應(yīng)用場合，因此和Profibus應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。
　　Profibus以ISO／OSI模型為基礎(chǔ)，取其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。FMS還采用了應(yīng)用層。DP和FMS使用同樣的傳輸技術(shù)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(tái)器或鏈接器，使PA系統(tǒng)很方便地集成到皿網(wǎng)絡(luò)。
　　DP和FMS有兩種傳輸技術(shù)：一種是RS-485，采用屏蔽雙絞線，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，通信速率為9．6kbps／1200m，12Mbps／100m，每段**多節(jié)點(diǎn)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(shù)，用屏蔽雙絞線，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型或樹型，通信速率為31．25kbps/1900m，每段**多節(jié)點(diǎn)數(shù)為32，支持總線供電和本安。
　　Profibus的通信介質(zhì)訪問控制方式為分布式令牌方式(混合介質(zhì)存取)。主節(jié)點(diǎn)之間為令牌環(huán)傳遞方式，主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間為主從輪詢方式。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)得到令牌后，允許它在一定的時(shí)間內(nèi)與從節(jié)點(diǎn)和／或其它主節(jié)點(diǎn)通信。令牌在所有主節(jié)點(diǎn)中循環(huán)一周的**長時(shí)間TTR(設(shè)定周期)是事先預(yù)定的，決定了各主節(jié)點(diǎn)的令牌具體保持時(shí)間的長短。主節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)必須保證在事先定義的時(shí)間間隔內(nèi)主節(jié)點(diǎn)有充足的時(shí)間完成通信任務(wù)，主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)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(zhì)訪問控制MAC協(xié)議設(shè)置了兩類時(shí)鐘計(jì)時(shí)器：一類是令牌運(yùn)行周期計(jì)時(shí)器，用于令牌的實(shí)際運(yùn)行周期TRR計(jì)時(shí)；另一類是持牌計(jì)時(shí)器，用于主節(jié)點(diǎn)令牌保持時(shí)間TTH計(jì)時(shí)。當(dāng)令牌到達(dá)某個(gè)主節(jié)點(diǎn)時(shí)，此節(jié)點(diǎn)的周期計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。
　　當(dāng)令牌又一次到達(dá)此主節(jié)點(diǎn)時(shí)，MAC從把周期計(jì)時(shí)器的TRR值與設(shè)定周期值TTR的差值賦給持牌計(jì)時(shí)器，即TTH＝TTR-TRR，持牌計(jì)時(shí)器根據(jù)該值控制信息的傳送。
　　在持牌計(jì)時(shí)器控制信息發(fā)送時(shí)，如果令牌到達(dá)超時(shí)，即TTH<0，則此節(jié)點(diǎn)只可以發(fā)送一個(gè)高優(yōu)先級信息；如果令牌及時(shí)到達(dá)，則此節(jié)點(diǎn)可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)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(shí)間超時(shí)。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(shí)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(shí)間是否超時(shí)，而不是預(yù)先檢測發(fā)送完此信息是否超時(shí)，此種檢測方法意味著信息發(fā)送不可避免地造成持牌時(shí)間超時(shí)，影響了周期性實(shí)時(shí)通訊的實(shí)現(xiàn)。
　　Profibus-DP主要用于對時(shí)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(dòng)化領(lǐng)域，具有****低成本。Profibus-PA，隊(duì)主要用于流程工業(yè)自動(dòng)化，對****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(wù)，完成控制器和智能現(xiàn)場設(shè)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(wù)(主要是針對主節(jié)點(diǎn)之間的通信)。
Profibus協(xié)議的苛刻時(shí)間部分由協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)， 熟應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線。Profibus的一些特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)，針對不同的應(yīng)用，采用3種不同的傳輸技術(shù)。
　　5 FF(Foundation Fieldbus)

　　1994年ISPF和WorldFIP兩大集團(tuán)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(yīng)用場合，是一種功能強(qiáng)大、成要應(yīng)用于過程自動(dòng)化領(lǐng)域。FF以ISO／OSI模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)。