總線專題：第四講 FF的HSE

1.HSE的由來

按照現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)原來的構(gòu)思，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF（Foundation Fieldbus）是由低速部分H1與高速部分H2共同組成，H2的傳輸速率有1Mbps與2.5Mbps二種，傳輸距離分別為750m與500m。由于技術(shù)的低速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向控制網(wǎng)絡(luò)的滲透，H2還未正式出臺(tái)就已經(jīng)顯得不適應(yīng)應(yīng)用的需求而改為高速以太網(wǎng)HSE（High Speed Ethernet），其傳輸速率為100Mbps，并于2000年3月29日發(fā)布了HSE的規(guī)范。由于HSE采用了以太網(wǎng)，所以要簡(jiǎn)單地先介紹了一下以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)。

2.以太網(wǎng)的簡(jiǎn)介

（1）以太網(wǎng)的由來

以太網(wǎng)（Ethernet）最初是由美國(guó)Xerox公司于1975年推出的一種局域網(wǎng)，他以無(wú)源電纜作為總線來傳送數(shù)據(jù)，并以曾經(jīng)在歷史上表示傳播電磁波的以太（Ether）來命名，那個(gè)時(shí)候認(rèn)為以太無(wú)所不在（實(shí)際上目前認(rèn)為他并不存在），所以借此來理解為可以將大量數(shù)據(jù)一次送往任何各地。1980年9月，DEC(數(shù)據(jù)設(shè)備公司，目前已被Compact公司收購(gòu)，已不存在)，Intel及Xerox合作公布了Ethernet物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范，稱為DIX規(guī)范。IEEE802.3是由美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)公布了以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范。IEEE802.3是由IEEE在DIX規(guī)范基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改而制定的標(biāo)準(zhǔn)，電子IEEE只是美國(guó)的電氣和電子工程師協(xié)會(huì)，所以IEEE802.3并不是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，只有當(dāng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO(International Standards Organigation)接受而成為ISO8802-3標(biāo)準(zhǔn)后，才能正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，于是以太網(wǎng)就獲得快速的發(fā)展。嚴(yán)格來講，以太網(wǎng)與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)并不完全相同，但人們通常都將IEEE802.3就認(rèn)為是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）介質(zhì)訪問控制協(xié)議CSMA/CD

最能表證以太網(wǎng)通信的基礎(chǔ)就是CSMA/CD。在802.3以太網(wǎng)MAC(介質(zhì)訪問控制)層中，對(duì)介質(zhì)的訪問控制采用了載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè)協(xié)議CSMA/CD其主要思想可用“先聽后說，邊說邊聽”的形象來表示。“先聽后說”是指在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先監(jiān)聽總線的狀態(tài)。在以太網(wǎng)上，每個(gè)設(shè)備可以在任何時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送給在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測(cè)通信信道中的載波信號(hào)，如果沒有檢測(cè)到載波信號(hào)，說明沒有其他站在發(fā)送數(shù)據(jù)，或者說在信道上沒有數(shù)據(jù)，該站可以發(fā)送。否則，說明信道上有數(shù)據(jù)，需等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間后再重復(fù)檢測(cè)，直到能夠發(fā)送數(shù)據(jù)為止。當(dāng)信號(hào)在傳送時(shí)，每個(gè)站均檢查數(shù)據(jù)幀中的目的地址字段，并依此判定是接受該幀還是忽略該幀。由于數(shù)據(jù)在網(wǎng)中的傳輸需要時(shí)間，總線上可能會(huì)出現(xiàn)二個(gè)和二個(gè)以上的站點(diǎn)監(jiān)聽到總線上沒有數(shù)據(jù)而發(fā)送數(shù)據(jù)幀，因此就會(huì)發(fā)生沖突，“邊說邊聽”就是指在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程的同時(shí)檢測(cè)總線上的沖突。沖突檢測(cè)最基本思想是一邊將信息輸送到傳輸介質(zhì)上，一邊從傳輸介質(zhì)上接收信息，然后將發(fā)送出去的信息和接收的信息進(jìn)行按位比較。如果二者一致，說明沒有沖突；如果二者不一致，則說明總線上發(fā)生了沖突。一旦檢出沖突以后，不必講數(shù)據(jù)幀全部發(fā)完，CSMA/CD立即停止數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，并向總線發(fā)送一串阻塞信號(hào)，讓其總線上其他各線均能感知沖突已經(jīng)發(fā)生。總線上各站點(diǎn)“聽”到阻塞信號(hào)以后，均等待一段隨機(jī)的時(shí)間，然后再去重發(fā)受沖突影響的數(shù)據(jù)幀。這一段隨機(jī)的時(shí)間通常由網(wǎng)卡中的一個(gè)算法來決定。CSMA/CD的優(yōu)勢(shì)在于站點(diǎn)無(wú)需依靠中心控制就能進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信量較小的時(shí)候，沖突很少發(fā)生，這種介質(zhì)訪問控制方式是快速而有效的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的時(shí)候，就容易出現(xiàn)沖突，網(wǎng)絡(luò)性能也相應(yīng)降低。

這種通信方式，對(duì)通信量大而且沒有實(shí)時(shí)性要求的場(chǎng)合是非常有效的，因此在辦公自動(dòng)化上應(yīng)用非常適合；而在控制領(lǐng)域上應(yīng)用時(shí)，由于不能滿足實(shí)時(shí)性和時(shí)間上的確定性的要求，就出現(xiàn)了問題，必須采取相應(yīng)措施才能奏效，這在以后有關(guān)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的講座中，再行講解。

（3）沖突退避算法

在802.3以太網(wǎng)中，當(dāng)檢測(cè)到?jīng)_突檢測(cè)出來以后，就要重發(fā)原來的數(shù)據(jù)幀。沖突過的數(shù)據(jù)幀的重發(fā)又可能再次引起沖突。為避免這種情況的發(fā)生，經(jīng)常采用錯(cuò)開各站的重發(fā)時(shí)間的辦法來解決，重發(fā)時(shí)間的控制問題就是沖突退避算法問題。

最常用的計(jì)算重發(fā)時(shí)間間隔的算法就是二進(jìn)制指數(shù)退避算法。其本質(zhì)上是根據(jù)沖突的歷史估計(jì)網(wǎng)上信息量而決定本次應(yīng)等待的時(shí)間。按此算法，當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，控制器延遲一個(gè)隨機(jī)長(zhǎng)度的間隔時(shí)間，如下式所示：

TN=R×A×(2N-1)

式中：R為0～1的隨機(jī)數(shù)；A是時(shí)間片（可選總線循環(huán)一周的時(shí)間）；N是連續(xù)沖突的項(xiàng)數(shù)。整個(gè)算法過程可以理解為

1）每個(gè)幀在首次發(fā)生沖突時(shí)的退避時(shí)間為T1。

2）當(dāng)重復(fù)發(fā)生一次沖突，則最大退避時(shí)間加倍，然后組織重傳數(shù)據(jù)幀。

3）在10次碰撞發(fā)生后，該間距將被凍結(jié)在最大時(shí)間片（即1023）上。

4）16次碰撞后，控制器將停止發(fā)送，并向節(jié)點(diǎn)微處理器回報(bào)失敗信息。

這個(gè)算法中等待時(shí)間的長(zhǎng)短與沖突的歷史有關(guān)，一個(gè)數(shù)據(jù)幀遭遇的沖突次數(shù)越多，則等待時(shí)間越長(zhǎng)，說明網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大。

3.工業(yè)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是用于辦公自動(dòng)化的技術(shù)，要用于工業(yè)領(lǐng)域必須在沿用以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采取相應(yīng)的措施才行。

（1）以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)不同之點(diǎn)

1）早先的以太網(wǎng)規(guī)范只包括OSI通信模型中的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層；而工業(yè)以太網(wǎng)則還包括了網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層和應(yīng)用層，見圖1所示。圖中MAC代表介質(zhì)訪問控制（Media Access Control）,IP(Internet Protoeol)指網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議，TCP（Transmission Control Protocol）為傳輸控制協(xié)議而UDP（User Datagram Protocol）則指用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。

圖1工業(yè)以太網(wǎng)與OSI互連參考模型的分層對(duì)照

2）要適應(yīng)工業(yè)環(huán)境需采取的措施：

·優(yōu)質(zhì)的元器件及材料以保證其可靠性。

·機(jī)械環(huán)境的適應(yīng)性，如耐根動(dòng)、耐沖擊。

·氣候環(huán)境的適應(yīng)性，如工作溫度要求為-40～85℃，至少為-20～70℃，并要耐腐蝕、防塵與防水。

·電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性EMC如符合EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)（EN為歐洲標(biāo)準(zhǔn)）

這樣工業(yè)以太網(wǎng)的價(jià)格就比以太網(wǎng)要高得多。至于實(shí)時(shí)性，時(shí)間確定性，供電與防爆等問題在以后的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)中講解。