WorldFip-現場(chǎng)總線(xiàn)的又一顆新星

一、 概述

WorldFip現場(chǎng)總線(xiàn)組織成立于1987年。目前已有一百多個(gè)成員，其中許多是工控領(lǐng)域的世界著(zhù)名大公司，如Honeywell、西技來(lái)克(Cegelec)、阿爾斯通(Alstom)、施耐德(Schneider)等。前期產(chǎn)品是Fip(Factory Instrumentation Protocol)。Fip是法國標準，后來(lái)采納了IEC國際標準(61158-2)改名為WorldFip。相應的歐州標準是EN50170-3。不久前國內也成立了“WorldFip技術(shù)推廣中心”。我國引進(jìn)的一些大型工程，如上海地鐵、嶺奧核電站、軍糧城電廠(chǎng)等都可以看到這種現場(chǎng)總線(xiàn)。目前正在建造的世界上能量最高的大型強子對撞機已選定WorldFip為工程標準總線(xiàn)之一。該加速器周長(cháng)27公里，耗資數十億美元，將于2004年建成。筆者在參與該工程現場(chǎng)總線(xiàn)評估和應用過(guò)程中，對該總線(xiàn)的特點(diǎn)有所了解，簡(jiǎn)介如下。

由于篇幅的限制，這里只介紹其有特色之處。網(wǎng)絡(luò )管理、遠程服務(wù)、遠程下載、出錯處理、廣播方式、重新同步、應答方式等等與其它網(wǎng)絡(luò )協(xié)議差不多的部分不在這里介紹。

二、 WorldFip的特點(diǎn)

WorldFip總線(xiàn)是面向工業(yè)控制的，其主要特點(diǎn)可歸納為實(shí)時(shí)性、同步性、可靠性。

WorldFip 目前使用的傳輸速率是31.5K，1M和2.5M。典型速率為1M bit/s。典型的傳輸介質(zhì)是工業(yè)級屏蔽雙絞線(xiàn)。對接線(xiàn)盒、9針D型插頭座等都有嚴格的規定。每個(gè)網(wǎng)段最長(cháng)為1公里。加中繼器(Repeater)以后可擴展到5公里。

WorldFip與Internet類(lèi)似，使用曼徹斯特碼傳輸。但它是一種令牌網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò )由仲裁器和若干用戶(hù)站組成。

WorldFip 使用信息生產(chǎn)者和消費者的概念，和通常意義上的輸出量、輸入量略有區別。每個(gè)生產(chǎn)者或消費者變量有一個(gè)IP地址。每個(gè)用戶(hù)站可以有例如16個(gè)生產(chǎn)者/消費者變量。任何時(shí)候，生產(chǎn)者只能有一個(gè)，而消費者可以是1個(gè)或多個(gè)。

WorldFip的設計思想是，按一定的時(shí)序，為每個(gè)信息生產(chǎn)者分配一個(gè)固定的時(shí)段，通過(guò)總線(xiàn)仲裁器諸個(gè)呼叫每個(gè)生產(chǎn)者，如果該生產(chǎn)者已經(jīng)上網(wǎng)，應在規定時(shí)間內應答。生產(chǎn)者提供必要的信息，同時(shí)提供一個(gè)狀態(tài)字，說(shuō)明這一信息是最新生產(chǎn)的，還是過(guò)去傳送過(guò)的老信息。消費者接收到信息時(shí)，可根據狀態(tài)字判斷信息的價(jià)值。

WorldFip 將信息分為：周期性同步數據、周期性異步數據和非周期性消息包。同步數據嚴格地按確定的時(shí)序呼叫，接下去是周期性異步數據，用于對同步性要求不太高的數據傳送。最后呼叫消息包。周期性同步數據、異步數據用于時(shí)序要求嚴格，數據包不大的信息(8~128字節)，消息包指時(shí)序要求不嚴格，數據量大的信息，例如每包256字節。形象地比喻，網(wǎng)線(xiàn)可以看成一個(gè)流水的管道。一半(或1/3、2/3,由用戶(hù)設計)流的是水，是不可壓縮的。即周期性同步和異步數據。另一半可以看成是空的，留給非周期性消息包的傳送。

網(wǎng)絡(luò )仲裁器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )通信的主宰者。網(wǎng)絡(luò )仲裁器輪番呼叫每一個(gè)生產(chǎn)者變量。整個(gè)網(wǎng)線(xiàn)上總是有信號的。如果若干時(shí)間間隔內(例如幾十毫秒)沒(méi)有監聽(tīng)到網(wǎng)上的信號、則可以診斷為網(wǎng)絡(luò )故障，此時(shí)可以自動(dòng)將冗余熱備份網(wǎng)線(xiàn)切換上去，也可以設計成各用戶(hù)站回本質(zhì)安全態(tài)。WorldFip 在網(wǎng)絡(luò )安全性方面的考慮有其獨到之處。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中可以有一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò )仲裁器。在任意給定時(shí)刻，只有一個(gè)在起作用，其他處于熱備份態(tài)，監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)。而每個(gè)用戶(hù)站的網(wǎng)絡(luò )冗余則是通過(guò)一個(gè)控制器驅動(dòng)兩路驅動(dòng)器，接入兩個(gè)獨立的網(wǎng)線(xiàn)實(shí)現的。當一個(gè)網(wǎng)線(xiàn)被破壞，自動(dòng)切換到另一網(wǎng)線(xiàn)。

三、 WorldFip 協(xié)議

除用戶(hù)層外，WorldFip使用以下三層通信協(xié)議：應用層、數據鏈路層、物理層。

用戶(hù)層指有用的信息，一個(gè)變量(生產(chǎn)者或消費者)，可以是8字節，也可以是16、32、48......乃至128字節。一則消息，則可以長(cháng)至256字節。以下三層是在WorldFip網(wǎng)絡(luò )控制器中自動(dòng)實(shí)現的，不需要用戶(hù)CPU干預。它相應于7層網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議的1、2和7層。

應用層在用戶(hù)層信息的前面加上兩個(gè)字節的識別碼（ID）。這兩個(gè)字節第一個(gè)是變量類(lèi)型即所謂PDU類(lèi)型。第二個(gè)字節是數據長(cháng)度。

數據鏈路層則在應用層基礎上加上一頭一尾。頭上是一個(gè)字節的狀態(tài)字，表示該信息是最近刷新的，還是重復以前的數據。尾上加兩個(gè)字節，用于CRC校驗。

到物理層，則在數據鏈路層基礎上再加上頭尾。頭上加兩個(gè)字節，一個(gè)是前同步字符，由10101010組成，第二個(gè)是幀開(kāi)始分界符，由1、高電平、低電平、1、零、高電平、低電平、零組成。尾部加一個(gè)幀結束字節，由1、高電平、低電平、高電平、低電平、1、零、1、組成。

綜上所述，三層協(xié)議一共在有用信息兩端增加了8個(gè)字節。當速率為1M時(shí)，幀與幀之間的間隔可設定在10～70μS之間。如果每個(gè)數據都是8字節，有用通量在200K～300 Kbit/s之間。如果數據長(cháng)度為128字節，有用通量可達800K bit/s。

在1M速率下，如果掃描周期為10mS。假設5mS用于周期性同步和異步數據，5mS用于傳送信息包，則5mS中可以?huà)呙?3個(gè)8字節變量或4個(gè)128字節變量。如果網(wǎng)上真的有250個(gè)用戶(hù)站，每站有16個(gè)變量，即總共4000個(gè)變量，一半的時(shí)間留給消息包傳輸，則一次掃描約需要2秒。

四、 WorldFip總線(xiàn)典型器件

1、 用于總線(xiàn)仲裁器的典型IC是VLSI公司的FullFip2。這是一個(gè)84引腳的芯片，使用時(shí)需要外擴獨享存儲器(Private memory)。有最多2M尋址空間，可主管最多4000個(gè)用戶(hù)站，6萬(wàn)個(gè)以上變量?？紤]到上述掃描周期不宜太長(cháng)，用戶(hù)站不可能這么多。

該芯片可方便地與Intel CPU或Motorola 單片機接口?？稍O計成PC機內的一塊總線(xiàn)仲裁卡，也可以方便地與Motorola 16/32位單片機接口，例如MC68HC3XX、MC68HC16等。

FullFip2與WorldFip的連接是通過(guò)總線(xiàn)驅動(dòng)器經(jīng)變壓器耦合實(shí)現的。

FullFip2主要用于總線(xiàn)仲裁，也可用于用戶(hù)站。FullFip2內部有近100個(gè)寄存器，編程時(shí)較為復雜。一些公司提供C語(yǔ)言的函數庫用于總線(xiàn)仲裁器的編程與開(kāi)發(fā)。

2、 MicroFip是一種低價(jià)位、用于用戶(hù)站的IC，也是VLSI產(chǎn)品。對于I/O端口≤16的用戶(hù)站，MicroFip可獨立工作(Stand alone 方式)。用戶(hù)事先定義的，網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)各輸出端口應該輸出的值、初值等參數可遠程下載。這是一個(gè)100引腳的表面貼芯片。

作為單片機接口芯片，它可以方便地與8051、68HC11/12/16等單片機接口，此時(shí)該用戶(hù)站可處理16個(gè)變量(生產(chǎn)者或消費者)。由于片內有512字節的變量緩沖區，每個(gè)數據變量的大小可為n8字節(0≤n≤7)。而最長(cháng)的消息包可以大到256字節。

3、 總線(xiàn)驅動(dòng)與變壓器。WorldFip用的總線(xiàn)驅動(dòng)器與其它總線(xiàn)驅動(dòng)器的不同之處在于，除了實(shí)現曼徹斯特編碼、解碼功能之外，它還提供總線(xiàn)監聽(tīng)與看門(mén)狗功能，這為總線(xiàn)的熱備份、總線(xiàn)冗余提供了方便，提高了總線(xiàn)的安全性。

總線(xiàn)驅動(dòng)芯片是一個(gè)28引腳的表面貼芯片。

變壓器用于驅動(dòng)器與傳輸介質(zhì)的隔離，驅動(dòng)器與變壓器之間應加上保護與抗干擾措施。

符合WorldFip協(xié)議的芯片還有一些，如FIPIU2、FIPCOI等。不在此詳述。

五、 開(kāi)發(fā)工具

除一些公司提供用于FullFip2和MicroFip編程的C語(yǔ)言程序庫以外，最值得一提的是WorldFip協(xié)議分析器。其硬件是插在PC機內的一塊卡。用于采集WorldFip網(wǎng)線(xiàn)上的信號。軟件名為Fip Watcher。在Windows下運行。開(kāi)發(fā)者給定觸發(fā)條件以后，Fip Watcher在屏幕上顯示數據包的內容和每個(gè)數據包之間的時(shí)間關(guān)系。這個(gè)工具硬件相當簡(jiǎn)單，而使用起來(lái)比示波器、邏輯分析儀都方便、直觀(guān)，價(jià)格也便宜許多。

另外，一些公司還提供開(kāi)發(fā)散件，包括主要控制器芯片，驅動(dòng)器芯片，變壓器等。也有PC機上的演示板，用于總線(xiàn)仲裁器?；蛘咭粔KPC 機上的卡，使某一PC機成為一個(gè)用戶(hù)站。還有以MicroFip芯片加驅動(dòng)、變壓器耦合等三部分組成的評估板可供使用。該板可單獨使用，也可以方便地與Intel 8051或各種Motorola 單片機接口。

六、 目前存在的一些問(wèn)題和應用前景

由于WorldFip的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)十余年的發(fā)展過(guò)程，而最終被國際上認可成為國際標準還是最近幾年的事。各公司都聲稱(chēng)支持WorldFip現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，而不少公司使用的是他們自己設計的專(zhuān)用芯片。使用的類(lèi)似標準有Fip、FipIO等等。如果全部使用某公司的產(chǎn)品，一般不會(huì )有什么問(wèn)題。這些公司還提供上層的編程工具等。如果同時(shí)使用兩家不同公司的產(chǎn)品，或將根據WorldFip協(xié)議自行開(kāi)發(fā)的設備連入從某公司購得的網(wǎng)絡(luò )，則會(huì )出現數據格式不一致，不能接入的問(wèn)題。

在大型強子對撞機工程中，歐洲核子研究中心希望購買(mǎi)施耐德公司的PLC，用于總線(xiàn)仲裁，而用戶(hù)站則將根據需要自行開(kāi)發(fā)，結果出現了上述問(wèn)題。目前此類(lèi)問(wèn)題正在解決之中。

由于WorldFip現場(chǎng)總線(xiàn)依照工業(yè)控制系統的要求，不但嚴格定義了通信協(xié)議，也嚴格定義了符合工業(yè)標準的傳輸介質(zhì)、接線(xiàn)盒、插頭座等。在實(shí)時(shí)性、同步性、冗余性方面獨具特色。速度更高的、以光纖為介質(zhì)的高速網(wǎng)也不斷推出。預計將來(lái)的幾年中，在工控領(lǐng)域，WorldFip總線(xiàn)將會(huì )得到越來(lái)越廣泛的應用。