第五章基金会现场总线FF 5.1 FF概述
5.2 FF技术规范
5.3 FF物理层
5.4 FF数据链路层
5.5 FF应用层
5.6 FF用户层
5.7 FF通信控制器的接口
5.8 FF产品的开发
5.1 FF总线概述
?FF（Foundation Fieldbus，96年）：主要用于流程工业自动化领域，如化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。
?FF遵循OSI标准模型，取其3层：物理层、数据链路层和应用层，并在应用层上增加了用户层。FF属于IEC61158国际现场总线标准子集，其开发初衷是希望形成统一的现场总线标准
?FF分低速总线H1和高速总线HSE两部分
–分别属于IEC标准中两个不同的子集
–低速总线H1的通信速率为31.25Kbps（1900m）
–高速总线HSE的通信速率为10M,100Mbps
?开发和使用FF的目的和意义在于实现工业设备的互操作性和互替换性，用户只要根据系统功能上的需要既可从众多的设备供应商中选择性价比最高的产品。
FF总线
?CAN总线控制器仅仅定义了物理层和数据链路层的所有功能，即实现了数据通信技术，但构建CAN控制网络还需要应用层协议的定义，如J1939应用协议的支持。
?FF则提供了一套较完整的控制网络技术，不仅具有数据通信技术，也定义了控制应用功能的规范内容（应用层与用户层），能够构建分布式控制网络系统。
?HSE（High Speed Ethernet）高速以太网10/100M b/s，取代了早期的H2总线。
?应用层主要以功能块模式定义应用的，互操作性和互替换性易于实现（开放性）。
FF通信模型说明：
?物理层：采用IEC1158-2标准。
?数据链路层和应用层的全部功能统称为通信栈（Communication Stack）。应用层分为两个子层现场总线信息规范子层FMS和现场总线访问子层
FAS。
?现场总线访问子层FAS（Fieldbus Access Sublayer）基本功能：确定数据访问的关系模型和规范。
?现场总线信息规范子层FMS（Fieldbus Message Specification）基本功能：面向应用服务，生成规范的应用协议数据。
?用户层：规定标准的功能模块，对象字典和设备描述，供用户开发应用程序，实现网络管理和系
统管理。
5.2 FF技术规范
?FF系统是低带宽通信网络，它把具备通信能力，同时具有测量、控制、计算等多功能的现场设备作为网络节点，由FF总线互联成为网络系统。通过网络上各个节点的操作参数与数据调用，实现信息共享与系统的各项自动化功能。网络节点具备完善的通信与通信控制能力。?通过网络的信息传输与信息共享，可以组成各种复杂的测量、控制、计算等功能的系统，更有效、方便地实现生产过程的安全、稳定、经济运行，为企业网络系统构建低层控制网络Infranet。
5.2.1 FF主要技术内容
?FF通信技术：包括FF通信模型、通信协议、通信控制器、通信网络与管理等。如通信栈软件、FF圆卡、各种网络设备（中继器、网桥、网关等）。
?标准功能块（FB：Function Block）与功能块应用进程（FBAP：FB Application Process）：将控制功能的公共特征划分为标准功能块，由这些功能块构成现场设备的应用进程，便于系统组态、调度和管理等。
?设备描述（DD：Device Description）与设备描述语言（DDL：DD Language）。设备描述技术主要是解决互操作性问题，DD是设备驱动程序，DDL是进行DD的标准编程语言。?FF通信控制器与外设（如智能仪表）接口技术：通信控制器芯片、通信栈软件、FF圆卡等都有多家供应商提供，根据需求便于功能集成，设计新产品。
?系统集成技术：包括网络系统与控制系统的集成。
?系统测试技术：包括产品一致性与互操作性测试；功能和性能测试；总线性能分析测试等。
FF技术内容说明：
?数据链路层和应用层的全部功能统称为通信栈（Communication Stack，FF通信协议），用于完成开放互连模型中第2-7层的通信协议。
?功能块用于描述设备特征、参数、属性及操作等功能。
?标准DD（产品注册过的制造商）由现场总线基金会以CD-ROM光盘提供给用户。
?大量使用了新技术和概念，如基于面向对象设计技术的功能块、动态调度器等。提供网络系统的组态、调度、管理等功能的网络系统软件；自动化系统与网络系统集成技术等。
?产品一致性与互操作性测试由第三方认证机构完成，并授予FF产品标志。
5.2.2 FF通信模型各层相互关系
?数据链路层和应用层的全部功能统称为通信栈（Communication Stack）。
?应用层分为两个子层：现场总线信息规范子层FMS （Fieldbus Message Specification）和现场总线访问子层FAS （Fieldbus Access Sublayer）。?FF通信模型按功能也可简化为三层：物理层、通信栈和用户层。三层由系统管理内核SMK、一个或多个功能块应用进程FBAP 和通信实体CE组成，各部分之间通过虚拟通信关系VCR实现信息交换。
H1的PDU
?H1的PDU分层生成
?数据采用双向-L曼彻斯特编码–Manchester Biphase–L code ?在物理层添加
–前导码
–帧前定界码
–帧结束码
5.3 FF物理层
?规定了FF现场总线的传输介质、传输速率、最大传输距离、拓扑结构及信号类型等。
?FF现场总线的传输介质可以为双绞线、同轴电缆、光纤和无线电等。
?低速H1总线，传输速率为31.25kb/s，传输距离
为200m～1900m
?H1总线最多可串接4台中继器。
?现场设备的物理连接：
配备标有“+”“-”号的醒目标签，以清楚地表明接口处的
极性。
容许具有自动极性判别能力的现场设备不配备这种标签
FF物理层说明：
?通过网桥可以把不同传输速率、不同传输介质的总线段进行互联。
?其物理层符合IEC1158-2标准，物理媒介的传输信号类型采用曼彻斯特编码。
?FF传输介质的选择与传输速率、传输距离具有直接关系。
?H1拓扑结构：点对点，总线型，树型等。
?H1每段结点数最多为32个。
?H1支持总线供电。
?前导码、帧前定界符、帧结束码都由物理层的硬件电路生成并加载到总线上，形成物理传输信号
5.4 FF数据链路层
?所有连接到同一物理通道上的AP都是通过数据链路层的实时管理来协调的。
?链路活动调度器（LAS：Link Active Scheduler）作为数据链路层的特殊实体，为AP的信息传输提供周期性或非周期性的服务。建立LAS的目的是根据一个事先排好的调度表和分配给设备的优先级，控制令牌权来访问设备中的数据，网络中的每个链路段都有唯一的LAS。通过LAS传递令牌，得到令牌的物理设备可以对网络进行访问（令牌总线访问控制方式）。
FF数据链路层说明：
?由于工业控制过程中实时性的要求，在FF中没
有采用IEEE802.4标准（令牌总线）中所定义的总线管理方式，而是采用了集中式的管理方
式，减少了实时通信的时延。
?FF现场总线设备在数据链路层可分为两种：BASIC DEVICE（基本设备）和LINK MASTER DEVICE （链路主设备）。BASIC DEVICE 不能主动发起一次通信，只能接受查询；LINK MASTER DEVICE 则可以在得到令牌时发起一次通信。在每一个网段中都有一个特殊的LINK MASTER DEVICE，它能够调度本网络段各个设备的通信活动，称为LINK ACTIVITY SCHEDULER （链路活动调度器：LAS）。
5.5 FF应用层
?应用层的主要任务是定义FF的通信命令、响应、数据和事件等。
?应用层分为两个子层：FMS（Fieldbus
Messaging Specification）子层（为
用户层提供服务，生成规范的应用协议
报文数据）和FAS（Fieldbus Access
Sublayer）子层（与数据链路层连接，
为FMS和应用进程提供报文传送服务）。
应用层的服务类型
通信关系管理服务
–建立、释放通信连接；拒绝不合适的通信服务；
读取设备状态等
?对象字典服务
–读取对象字典；装载或终止装载对象字典。?变量访问服务
–读、写变量；定义、删除变量。
?事件管理服务
–负责事件报告、事件确认。
?上/下载服务
–负责上/下载、对设备发送/读取数据
?程序调用服务
–建立/删除程序对象、启动/停止/恢复程序执行等
5.6 FF用户层
?用户层是FF在OSI模型之外增加的一层，规定标准的功能模块FB，对象字典OD和设备描述DD，方便控制应用功能的实现，便于网络管理和系统管理。
?标准功能模块供用户组态完成系统（包括基本功能块，先进功能块，计算功能块，辅助功能块等）功能，这些功能块各自满足不同的测控需要。
?功能块的调度由系统管理内核SMK完成。功能块不仅与现场设备打交道，而且可以将数据送给图形显示等对象。